清华大学单片机教学与实验课程简介

清华大学单片机教学与实验课程简介第一页，共56页。清华大学工程物理系为培养理工结合型人才，我国的原子能科学技术成立于1956年，已为国家培养了本科生、硕士生、博士生共近七千人。有2个一级学科：核科学与技术、物理学。每年招本科生150人，二学位30人，在读博士硕士研究生300余人，在编教师110人，年科研经费1～1.3亿核电子学专业属核技术应用2级学科，主要领域与课题：国防相关课题；科研重大核工程;基本粒子物理研究和国际合作；民用工业及成果转化“基本粒子物理研究和国际合作”是国际政治背景下的难得的新技术窗口第二页，共56页。方向1：国防事业清华大学工程物理学成立于1956年，为国防而建第三页，共56页。方向2：国内大科学装置研究建设北京正负电子对撞机上海同步辐射光源第四页，共56页。大亚湾工程第五页，共56页。方向3：工业界核及非核领域应用第六页，共56页。城铁项目：ATP、ATO安全计算机2x2取2适应市场经济，学生就业于国民经济主战场第七页，共56页。瑞士与法国边界上的大型加速器第八页，共56页。欧洲核子研究中心－CERN第九页，共56页。CMS探测器第十页，共56页。我们参与的LHCb物理实验中的电子学部分Input:1.6G/sx24Ch.Output:1Gx4总共350块插件第十一页，共56页。欧盟的ARTEMIS（狩猎女神）计划嵌入式技术在调整欧洲、美国和亚洲生产力不平衡至关重要欧洲在所以领域的竞争力都将依赖于嵌入式领域的创新力其跨学科特点：计算机、电子、机械工程师、应用专家ATEMIS已经建立了一个管理与整合框架，以优化资源配置要开发被称为ATEMIS方法的“新奇设计方案和工具集”欧洲各领先大学将设ATEMIS教授职位到2016年嵌入式领域的毕业生和博士将增加50％现在时刻是推动整个欧洲团结一致，以便在最具变化、最普遍深入最引人入胜和最有前景的信息技术——嵌入式系统领域保持主导地位第十二页，共56页。微机、单片机教学——历史与启示基于PC的微机原理与接口技术原理与接口的尴尬Z80单板机对中国的影响不是主流，方法和思路是好的《单片机原理》教材讲接口就错了8051仿真器开发方法对单片机教学的影响仿真器的误导和应用个性化的缺失ARM风暴引起的思考8、16、32位的关系、教学要符合认识的规律仅限于低功耗应用第十三页，共56页。微电子技术的飞速发展摩尔定律摩尔1965年文章指出，芯片中的晶体管数量每年会翻番，1975年，又修正了摩尔定律，每隔24个月，晶体管的数量将翻番。Intel官员称，芯片的性能每隔18个月翻番一次。摩尔文章发表时，片上的晶体管约60个，而现在，英特尔最新的tanium芯片上有17亿个硅晶体管。30年过去了，IC技术仍在按摩尔定律发展从3μm到目前40nm,理论极限是4nm，可能在2023年。15年后定律将如何？第十四页，共56页。摩尔定律——集成电路的集成度第十五页，共56页。Intel处理器的集成度2.2亿第十六页，共56页。摩尔定律——CPU性能第十七页，共56页。摩尔定律——新技术不符合摩尔定律时发生了什么？从3μm到目前~22nm,理论极限是4nm，还能维持多久？后摩尔定律时期将如何？第十八页，共56页。摩尔定律——成本第十九页，共56页。从以CPU为核心到以存储器为核心

存储器是瓶颈CPU的运算能力已经从当年的1MIPs发展到如今的1000MIPs,不再是设计者优先考虑的问题，当运算能力不够时，可以增加CPU，增加专用芯片，如图形加速ASIC由于SRAM复杂，集成度还不可能太高（目前片内只能32K～64K），SDRAM，DDRAM集成度很高Flash技术已经全面替代EPROM，片内也可以做得很大，512K～1M，片外8M，16M图像、多媒体类应用对存储器的需求，对文件系统的需求量大，Flash有替代硬盘的趋势读写随机存储器的错误几率远高于CPU本身运算错误，在工控应用中，尽量把SRAM用量压低是关键第二十页，共56页。片内存储器会可靠很多第二十一页，共56页。SOC与扩展方式

不同应用嵌入式系统平台对RAM的需求应满足正态分布：0应用RAM如果存在一种能满足多种应用的开发平台，该平台的RAM应该在这个范围第二十二页，共56页。嵌入式系统应用RAM的实际情况0SOCµC/OS-II控制类应用

以SDRAM(DDRRAM)扩展的系统使用例如Linux类操作系统图像类应用应用RAM第二十三页，共56页。不同类型应用对RAM的需求不同图像类、多媒体类应用，典型的如手机、人机交互设备，需要大的RAM空间，如1024x780的一幅彩色图像，就需要768KRAM此类应用的特点是，要求通讯速度快，CPU处理能力强，但对可靠性要求不高,系统外扩SDRAM，DDRAM工控类应用对可靠性要求高，对RAM需求相对有限，只要认真计划使用32K～64KRAM可以满足大多数需求，如果不够，可以考虑增加一片单片机而尽量不要扩展片外SRAM第二十四页，共56页。不同类型MCU对RAM的需求不同以下是粗略计算的几种不同MCU，做任务切换（ContestSwitch）需要的堆栈深度：16位 CPU12 9B32位 ARM 68B32位 PPC 132B这意味着如果开发平台允许用户用C语言写中断服务程序，中断嵌套层数为5，最多任务数20，系统占用的RAM至少为：16位 CPU12 9B×（5＋1）×20 ＝108032位 ARM 68B×（5＋1）×20 =716032位 PPC 136B×（5＋1）×20 =16320不同类型CPU，系统占用的RAM资源竟相差16倍之多！此时16位机的32K片内RAM，比32位机用起来更宽裕简单的CPU寄存器入栈快，中断响应时间要快很多所以，应该以存储器需求为核心考虑系统设计，选节省SRAM的CPU第二十五页，共56页。清华工物系的单片机与嵌入式教育C语言单片机认识与实践（S08/S12XS、大2下，90人）PCB设计（Protel、小学期）模拟电路、数字电路嵌入式系统与智能仪器（大3下，30人）SRT计划学生科展、挑战杯已经进行了5届的全国智能车竞赛课程设计与毕业设计《嵌入式实时系统与单片机应用》（S12、uC/OS-II）将单片机用到研究生相关课题中第二十六页，共56页。《嵌入式实时操作系统与单片机应用》课程简介研究生精品课。面向全校非计算机专业研究生，特别是将来课题中会用到单片机的研究生。课程包括嵌入式实时操作系统(RTOS)和单片机应用设计两方面内容。以μC/OS-II为例，讲解RTOS的基本原理，特别是RTOS如何实现硬实时条件下的多任务调度以及如何解决任务间的竞争问题。以16位双CPU单片机及开发工具为实验条件，通过在集成开发环境下完成并口、串口、A/D等单个任务的单片机实验，帮助学生学习单片机的开发方法。在掌握了单片机基础知识和分析过μC/OS源代码后，将实时操作系统μC/OS-II移植到该单片机上运行，并通过综合实验实现嵌入式操作系统管理下的多任务运行。作为提高内容，学生可选择学习掌握双CPU的嵌入式系统开发方法。课程还介绍嵌入式系统中的电磁兼容问题以及嵌入式领域的最新进展等。第二十七页，共56页。《单片机嵌入式应用在线开发方法》教材2004年版2006年修订本2007年版第二十八页，共56页。关于开发方法的主要内容（目录）第1章色彩斑斓的单片机世界 第2章单片机基本系统的硬件设计 第3章用汇编语言编程 第4章建立单片机运行环境和写监控程序第5章用C语言开发应用程序第6章移植和使用嵌入式实时操作系统第7章使用GCC交叉编译器开发HC/S12单片机第8章单片机软件开发工具CodeWarrior第9章实验系统与I/O模块第10章单片机模糊控制第11章单片机应用中的电磁兼容问题附录AMC9S12D系列单片机开发工具包附录B监控程序源代码第二十九页，共56页。S12用于嵌入式教学的优势最初的µC/OS就是为68HC11写的，S12与HC11指令向下兼容16位S12的CPU结构简单、RAM大小适中、FLASH的页面式组织，响应中断的寄存器自动入栈等，特别适应运行µC/OS真正的SOC合适的片内RAM，直观的多任务结构Flash的分页管理很有特色足够丰富的I/OCodeWarrior代码限制不影响教学的免费正版软件有GCC和Linux接轨经典的单片机开发方法和JTAG(BDM)调试趋势结合可能是汽车技术方面产生革命性飞跃过程中的一个的关键角色，同时可广泛用于其他行业的控制领域S12单片机种类多，外设齐备，实验、开发成本低第三十页，共56页。Motorola/FreescaleMCU/DSP历史和发展68006801680568HC0568HCL0568HSC051974200068HCS0868HCS12PowerPCDSP5600068HC1168000683xx68020680106809ARMMCOREColdFireDSP第三十一页，共56页。S12X16位机今后的发展趋势第三十二页，共56页。单片机相关教学课程的特点课程3要素：教师、教材、实验条件其中教师最重要，知识要不断更新、需科研支撑技术飞速发展和教学需要稳定的矛盾教材需要不断更新实践环节也很关键需要较大的投入而教学经费有限课时有限，需要的预备知识范围宽清华5年改4年后大量削减计算机、外语课时数字电路、计算机软硬件等需要学生大量课余时间和兴趣，课外科技活动是最好的补充第三十三页，共56页。单片机相关教学课程的对象、目的与方法不同高校、不同基础的学生，培养目的不同：我们的目的是以有限的学时，使学生尽早、尽快入门，而最终成为培养IT高手。开发方法：仿真器方法适用于培训而不适用于教学Motorola单片机也有多种仿真器；复旦大学设计过多种Motorola单片机仿真器；第三十四页，共56页。仿真器的例子其他著名开发工具商：P&E;Cosmic;IAR；Nohau；Codewarrior……第三十五页，共56页。1.《单片机认识与实践》面向非计算机类，工程物理系电类低班本科生（核电子学相关专业）目标:选拔研究生，培养IT高手8位单片机开发方法入门，不讲RTOS以S08单片机替换HC08单片机受到车模竞赛的冲击第三十六页，共56页。HCS08是最简单、最传统的8位CPU

Carry/BorrowZeroNegativeInterruptMaskHalfCarryAccumulatorIndexRegisterProgramCounterStackPointerConditionCodeRegister07X07A0IP15015CZNIH01234H第三十七页，共56页。HC08教材：2001年出版的HC08教材2005年修订，附录中给出监控程序源代码第三十八页，共56页。《单片机认识与实践》教材目录第1章单片机的广泛选择第2章数字电路基础及S08单片机简介第3章S08单片机的指令系统及汇编语言程序设计第4章MCU基本系统设计第5章异步串行通信第6章MCU片内I/O模块第7章用C语言开发应用程序第8章HCS08实验开发系统及实验指导第9章建立实用的在线调试环境第10章BDM后台调试模式和DBG模块第11章嵌入式实时操作系统μC/OS-II在HCS08上的实现第12章时钟和低功耗模式

附录AS08Monitor用户手册和源代码附录BTHUBDM08使用说明书第三十九页，共56页。教学实验板第四十页，共56页。单片机与BDM工具第四十一页，共56页。监控程序（Boot-loader）和主要命令第四十二页，共56页。本科生课：“单片机与嵌入式系统开发方法”

教育部十一五国家级规划教材2009年8月出版范例选用16位单片机S12XSIXIYSPPCCCRA、B

或DSXHINZVC707715000000015151515PCSPYXDBA50PPAGE*S12CPU第四十三页，共56页。研究生课RTOS教材第四十四页，共56页。研究生课教材：《嵌入式系统中的双核技术》

2008.8.北航出版社第四十五页，共56页。S12单片机的分页式存储器管理

$0000$0400$1000$4000$8000$C000$FF00$FFFF向量区EEPROMRAM16KFixed16KFixed16KPaged$3F$3$0000$0400$1000$4000$8000$C000$FF00$FFFFVictorsI/ORegistersEEPROMRAM16KFlash16KFlash16KFlash$30$3F$3$30Block3Block2Block1E$31$32$33$34$35$36$37$38$39$3A$3B$3C$3D$31$32$33$34$35$36$37$38$39$3A$3B$3C$3DBlock3Block2Block1Block0E第四十六页，共56页。S12X用于RTOS教学的优势真正的SOC合适的片内RAM，直观的多任务结构Flash的分页管理很有特色足够丰富的I/OCodeWarrior代码限制不影响教学的免费正版软件经典的单片机开发方法和JTAG(BDM)调试趋势结合可能是汽车技术方面产生革命性飞跃过程中的一个的关键角色，同时可广泛用于其他行业的控制领域双核技术：嵌入式应用技术新趋势第四十七页，共56页。Multi-Tasks$0000$0400$1000$4000$8000$C000$FF00$FFFF向量区EEPROMRAM16KuC/OS-IIKernel16KFixed16KTask11$3F$3$0000$0400$1000$4000$8000$C000$FF00$FFFFVictorsI/ORegist