單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法

前言

2004年出版的《單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開(kāi)發(fā)方法》一書(shū)，是為清華大學(xué)研究生精品課程“嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與單片機(jī)應(yīng)用”編寫(xiě)的單片機(jī)部分的教材，而嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)部分采用的是Jean J.Lanrosse所著的μC／OS-Ⅱ一書(shū)。該課程強(qiáng)調(diào)單片機(jī)的在線開(kāi)發(fā)方法，區(qū)別于使用仿真器的非在線開(kāi)發(fā)方法；推薦使用源碼開(kāi)放的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ。20世紀(jì)90年代初期，Lanrosse的μC／OS就是為當(dāng)時(shí)世界上最流行的Motorola單片機(jī)MC68HC11編寫(xiě)的。進(jìn)入21世紀(jì)后，采用與HC11源碼兼容的、更先進(jìn)的MC9S12單片機(jī)為范例便順理成章了。S12單片機(jī)是16位機(jī)，難度介于8位與32位之間，基于研究生課程十余年之經(jīng)驗(yàn)，使用兩個(gè)32學(xué)時(shí)講述單片機(jī)開(kāi)發(fā)方法和RT。S兩部分內(nèi)容，還算成功。因?yàn)樵谇迦A大學(xué)電類(lèi)本科教學(xué)中，我們一直使用Motorola的8位單片機(jī)，開(kāi)發(fā)思路和16位機(jī)沒(méi)有什么不同，加之清華大學(xué)電類(lèi)本科生模擬電路、數(shù)字電路、C語(yǔ)言等嵌入式應(yīng)用前期基礎(chǔ)課功底較為扎實(shí)，所以在研究生課程中講述RTOS和S12單片機(jī)就顯得很輕松。然而選修嵌入式應(yīng)用課程的研究生并非都是清華大學(xué)的本科生，不少來(lái)自外校，而且來(lái)自生物、醫(yī)學(xué)等專(zhuān)業(yè)，甚至來(lái)自人文社科類(lèi)專(zhuān)業(yè)，這些研究生相關(guān)基礎(chǔ)課知識(shí)較欠缺，選修本課程的目的是認(rèn)定這些知識(shí)對(duì)他們所在學(xué)科有所幫助。這本教材，對(duì)于這類(lèi)研究生就顯得有些難度了?？傊芯可絽⒉畈积R是該課程遇到的主要困難。2005年，我們編撰了本科生單片機(jī)應(yīng)用教材《單片機(jī)認(rèn)識(shí)與實(shí)踐》，以較為簡(jiǎn)單的Freescale的8位單片機(jī)S08為例，強(qiáng)調(diào)認(rèn)識(shí)和實(shí)踐，這是為了順應(yīng)教學(xué)改革改革的潮流。由于從前幾年開(kāi)始，清華大學(xué)本科由5年制改為4年制，課時(shí)的壓縮主要體現(xiàn)在那些即使壓縮了學(xué)時(shí)，學(xué)生仍有興趣自學(xué)的課程上，如計(jì)算機(jī)、英語(yǔ)等課程。單片機(jī)類(lèi)課程也壓縮了學(xué)時(shí)，從必修改為選修。這一變革是正確的，由于單片機(jī)類(lèi)課程是實(shí)踐類(lèi)課程，學(xué)生必須有興趣動(dòng)手做，才能真正學(xué)會(huì)。隨著近年來(lái)國(guó)力的增強(qiáng)，國(guó)家在強(qiáng)調(diào)實(shí)踐環(huán)節(jié)的同時(shí)，增大了對(duì)學(xué)生實(shí)踐類(lèi)課程的投入。在教育部自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)的倡導(dǎo)下，輔以Freescal。公司的大力贊助，從2006年開(kāi)始，每年暑假都要進(jìn)行一次“全國(guó)大學(xué)生飛思卡爾杯智能車(chē)競(jìng)賽”。這是最近教育部支持的9個(gè)全國(guó)大學(xué)生科技競(jìng)賽中唯一一個(gè)涉及多個(gè)學(xué)科的大學(xué)生競(jìng)賽，定位于以本科生為主的大學(xué)生。由于多方面原因，競(jìng)賽指定使用16位單片機(jī)S12而非較簡(jiǎn)單的8位單片機(jī)，于是我們那本研究生教材就成了競(jìng)賽的指定參考書(shū)。不少大學(xué)的自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)、汽車(chē)專(zhuān)業(yè)開(kāi)始在本科生教學(xué)中使用S12單片機(jī)，甚至在校內(nèi)舉辦類(lèi)似的車(chē)模競(jìng)賽。那本本來(lái)定位在研究生專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課的教材被這些學(xué)校的本科生課程采用。此時(shí)，帶協(xié)處理器的雙核S12X系列單片機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)，并成為單片機(jī)技術(shù)發(fā)展的一大亮點(diǎn)。2008年，我們將雙核單片機(jī)引入非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的研究生教學(xué)，解決了研究生基礎(chǔ)知識(shí)水平參差不齊的問(wèn)題，同時(shí)編撰了《單片機(jī)應(yīng)用中的雙核技術(shù)》一書(shū)，由北京航空航天大學(xué)出版社出版，作為清華大學(xué)研究生精品課教材。

內(nèi)容概要

這是第一本講述單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)方法的教材，強(qiáng)調(diào)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的個(gè)性化、單片化。不主張使用仿真器。從數(shù)字電路基礎(chǔ)知識(shí)開(kāi)始，講述如何設(shè)計(jì)單片機(jī)的基本硬件系統(tǒng)，并使用監(jiān)控程序?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互，使系統(tǒng)活起來(lái)；進(jìn)而介紹匯編指令和如何寫(xiě)匯編程序，如何用C語(yǔ)言編寫(xiě)單片機(jī)的應(yīng)用程序，以及如何將嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS-II移植到單片機(jī)上，建立基于RTOS的開(kāi)發(fā)環(huán)境；最后介紹如何解決與應(yīng)用系統(tǒng)可靠性相關(guān)的電磁兼容性問(wèn)題。書(shū)中給出了單片機(jī)常用I/O模塊的調(diào)試范例和監(jiān)控程序清單，還簡(jiǎn)要介紹了單片機(jī)容錯(cuò)與糾錯(cuò)技術(shù)、雙時(shí)鐘技術(shù)和FlexRay通信技術(shù)等新近發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，這些技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用將進(jìn)一步提高嵌入式控制系統(tǒng)的可靠性?！　”緯?shū)可作為理工科大學(xué)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用類(lèi)課程的教材，也可供嵌入式控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用工程師參考。

書(shū)籍目錄

第1章 單片機(jī)概論　1.1 單片機(jī)概念　1.2 單片機(jī)的開(kāi)發(fā)方法　1.3 單片機(jī)的廣泛選擇　1.4 Freescale單片機(jī)　1.5 MC68HC11系列單片機(jī)　1.6 16位單片機(jī)　　1.6.1 MC68HC12系列單片機(jī)　　1.6.2 MC9S12系列單片機(jī)　1.7 雙核單片機(jī)　　1.7.1 雙核單片機(jī)系列　　1.7.2 使用CPU V1的雙核單片機(jī)系列　　1.7.3 使用CPU V2內(nèi)核的S12X系列單片機(jī)　　1.7.4 S12XE系列單片機(jī)　1.8 支持FlexRay通信協(xié)議的單片機(jī)　　1.8.1 FlaxRay通信協(xié)議　　1.8.2 S12XF系列單片機(jī)　1.9 S12XS系列單片機(jī)　1.10 8位單片機(jī)　　1.10.1 HC08Q系列單片機(jī)　　1.10.2 S08系列單片機(jī)　1.11 32位單片機(jī)　　1.11.1 以68K、CPU32為CPU的32位單片機(jī)　　1.11.2 以ColdFire為CPU的32位單片機(jī)　　1.11.3 用于控制的以PowerPC為CPU的32位單片機(jī)　　1.11.4 用于通信的以PowerPC為CPU的32位單片機(jī)　　1.11.5 ARM系列32位單片機(jī)　　1.11.6 M.Core(C.Core)　1.12 Freescale的DSP型單片機(jī)　　1.12.1 普通16位DSP型單片機(jī)　　1.12.2 使用增強(qiáng)型內(nèi)核的16位DSP型單片機(jī)　　1.12.3 StarCore系列DSP型16位單片機(jī)　　1.12.4 24位的DSP型單片機(jī)　1.13 相關(guān)軟件開(kāi)發(fā)工具　1.14 單片機(jī)中的新技術(shù)第2章 單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)　2.1 數(shù)的表示　2.2 從門(mén)電路到邏輯運(yùn)算單元　　2.2.1 與非門(mén)和或非門(mén)　　2.2.2 三態(tài)門(mén)　　2.2.3 與門(mén)和或門(mén)　　2.2.4 異或門(mén)　　2.2.5 組合邏輯電路　　2.2.6 組合運(yùn)算電路　　2.2.7 D觸發(fā)器與時(shí)序電路　　2.2.8 算術(shù)邏輯單元示意　2.3 CPU的構(gòu)成　2.4 堆?！?.5 CPU的核心寄存器堆　2.6 中斷　　2.6.1 中斷源　　2.6.2 中斷標(biāo)志　　2.6.3 中斷控制　　2.6.4 中斷鎖存與中斷應(yīng)答　　2.6.5 中斷與堆棧　　2.6.6 中斷向量　　2.6.7 中斷嵌套　　2.6.8 中斷優(yōu)先級(jí)　2.7 存儲(chǔ)器　　2.7.1 隨機(jī)存儲(chǔ)器　　2.7.2 Flash存儲(chǔ)器　2.8 外設(shè)第3章 單片機(jī)基本系統(tǒng)　3.1 16位單片機(jī)　3.2 單片機(jī)基本硬件系統(tǒng)　　3.2.1 S12XS系列單片機(jī)　　3.2.2 MC9S12XS基本硬件系統(tǒng)　　3.2.3 與PC連接　　3.2.4 PC串口設(shè)置　3.3 體驗(yàn)監(jiān)控程序　3.4 MC9S12XS單片機(jī)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)　　……第4章 微處理器結(jié)構(gòu)和指令集第5章 復(fù)位、中斷及存儲(chǔ)空間的擴(kuò)展第6章 異步串行通信第7章 用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序第8章 監(jiān)控程序與BDM原理第9章 使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)第10章 單片機(jī)片內(nèi)外設(shè)模塊第11章 單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)工具使用入門(mén)第12章 S12實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)第13章 單片機(jī)應(yīng)用中的電磁兼容問(wèn)題附錄A MC9S12XS128監(jiān)控程序附錄B S12X CPU匯編指令表附錄C CPU12指令機(jī)器碼表參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 單片機(jī)概論單片機(jī)，顧名思義是指將計(jì)算機(jī)的三要素，微處理器（Microprocessor）、存儲(chǔ)器（Memory）、輸入輸出部件（Peripheral）集成在一個(gè)集成電路芯片上，將應(yīng)用程序固化在片內(nèi)存儲(chǔ)器中，并能嵌入到產(chǎn)品中去。微處理器的核心是中央處理單元（CPU），存儲(chǔ)器則包括隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ROM），輸入輸出（I／O）模塊則種類(lèi)繁多。單片機(jī)的應(yīng)用對(duì)象幾乎是無(wú)限制的，凡是讀者能想到的領(lǐng)域，都能找到單片機(jī)應(yīng)用的實(shí)例。人們對(duì)現(xiàn)代化、智能化的強(qiáng)烈需求，使單片機(jī)的應(yīng)用得到了迅猛的發(fā)展，在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，這種迅猛發(fā)展的勢(shì)頭仍將繼續(xù)。而“單片機(jī)”的稱(chēng)謂則僅在中國(guó)流行，其對(duì)應(yīng)的英文詞語(yǔ)——singl。ChipComputer——在國(guó)際上很少使用。雖然不少專(zhuān)家試圖以國(guó)際通用的Microeontroler（微控制器）稱(chēng)謂替代單片機(jī)的叫法，但始終得不到國(guó)人的認(rèn)可，這可能有歷史方面的原因。1.1 單片機(jī)概念1. 單片機(jī)單片機(jī)（Microcontroler）是在微處理器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。微處理器最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代中期，是微計(jì)算機(jī)的核心，需要和存儲(chǔ)器以及I／O接口電路共同組成應(yīng)用系統(tǒng)。這種以微處理器為核心的電子學(xué)應(yīng)用技術(shù)稱(chēng)為微機(jī)接口技術(shù)。中國(guó)引進(jìn)微計(jì)算機(jī)嵌入式應(yīng)用技術(shù)是從改革開(kāi)放時(shí)期開(kāi)始的，至今已有30年了。最早的大規(guī)模引進(jìn)是從280單板機(jī)開(kāi)始的，由280微處理器，配以RAM、EPROM和并口、串口芯片組成。20世紀(jì)80年代初期，Z80單板機(jī)在中國(guó)廣泛流行，后來(lái)的單片機(jī)一詞有可能就是源于單板機(jī)。

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