嵌入式SoC系統(tǒng)開發(fā)與工程實(shí)例

前言

微處理器在社會發(fā)展中扮演著非同尋常的角色，幾乎滲透到了各行各業(yè)。經(jīng)過不斷的發(fā)展與創(chuàng)新，單片機(jī)大致可分為4位、8位、16位和32位。其中32位系列是最近幾年才發(fā)展起來的新系列，大有后來居上的態(tài)勢，多用于信息量較大但運(yùn)算負(fù)擔(dān)又不太重的設(shè)備上（如掌上設(shè)備等）。16位單片機(jī)越來越邊緣化，曾經(jīng)輝煌一時的MCS96也不可避免地走向衰落，現(xiàn)在這一系列品種較少，影響較大的有MSP430。但它所處的位置很尷尬，主要用于運(yùn)算量小，且控制要求不是很復(fù)雜的中低端場合，這種場合使用4位或8位機(jī)也可很好地實(shí)現(xiàn)，而且更具性價比優(yōu)勢。在中高端應(yīng)用場合，其性能又無法和32位機(jī)相比，目前其價格優(yōu)勢也不明顯。應(yīng)該說在低端的控制領(lǐng)域，8位機(jī)仍是主力軍，筆者斷言這種趨勢短時期不會改變。8位機(jī)在我國的普及程度最高的非51莫屬，盡管相對于其他種類8位機(jī)并沒有絕對的技術(shù)優(yōu)勢，甚至還有劣勢，但認(rèn)同是硬道理，君不見應(yīng)用者數(shù)以億計，資料浩如煙海。也正是如此，各家公司開發(fā)的許多產(chǎn)品都是基于51內(nèi)核的。基于51內(nèi)核的系列單片機(jī)處在不斷改進(jìn)的過程之中，這是因?yàn)樾酒O(shè)計技術(shù)在發(fā)展，如果不對缺陷進(jìn)行改造，就等于坐以待斃。8位單片機(jī)在CPU結(jié)構(gòu)、外圍模塊及總線和集成開發(fā)環(huán)境等各個方面，都發(fā)生了巨大變化。單片機(jī)的設(shè)計也已經(jīng)從積木擴(kuò)展模式跨入了集成度、可靠性、性價比都非常高的片上系統(tǒng)SoC時代。傳統(tǒng)的51單片機(jī)有111條指令，豐富的指令可以認(rèn)為是它的一個優(yōu)點(diǎn)，但筆者認(rèn)為這恰好也是它的一大缺陷，眾多的指令在增加靈活性的同時也給程序執(zhí)行帶來了低效性。針對這一特點(diǎn)出現(xiàn)了AVR精簡指令單片機(jī)，盡管性能獲得了飛速提升，但也帶來了如兼容性這樣的大問題，這是一種對傳統(tǒng)51單片機(jī)的割裂，同時也是對應(yīng)用者的一種拋棄。C8051F系列單片機(jī)的問世可以說是51單片機(jī)應(yīng)用者的福音。該系列單片機(jī)保留了所有51單片機(jī)的指令與8052的所有資源，此舉意味著對傳統(tǒng)51單片機(jī)的最大兼容，用戶要注意的只是速度與時序的匹配。同時為了提高速度與性能，把原51單片機(jī)內(nèi)核改造為功能更強(qiáng)大的CIP51內(nèi)核。該內(nèi)核以流水線方式處理指令，廢除了原51單片機(jī)中的機(jī)器周期，由原來12個時鐘執(zhí)行一條指令改進(jìn)為一個時鐘執(zhí)行一條單周期指令，大多數(shù)指令執(zhí)行所需的時鐘周期數(shù)與指令的字節(jié)數(shù)相同，這使得C8051F單片機(jī)的運(yùn)行速度和性能大大提高，平均速度約為同頻51單片機(jī)的10倍。同時為改變原51系統(tǒng)單片機(jī)外圍模塊單一，復(fù)雜系統(tǒng)必須擴(kuò)展的缺陷，片內(nèi)擴(kuò)展了豐富的外設(shè)，如FLASH、XRAM、A/D、D/A、溫度傳感器，有的還擴(kuò)展了智能時鐘和CRC引擎等。用戶不需要考慮太多的擴(kuò)展就可以使單片完成設(shè)計任務(wù)成為可能。同時，它的編譯環(huán)境得到了KEIL C的支持，使得開發(fā)過程并沒有改變，能夠很好地適應(yīng)過去51開發(fā)的方法和習(xí)慣。片內(nèi)集成了高頻振蕩源，并具備了多級分頻系統(tǒng)以滿足各種個性化的需求。強(qiáng)大的非侵入式JTAG/C2調(diào)試手段，是傳統(tǒng)仿真器式調(diào)試模式所不能比擬的，可使內(nèi)核和全部資源完全透明化和可操作化，可以方便地完成下載和硬件仿真，且不占用片內(nèi)資源。C2接口通過共享技術(shù)達(dá)到I/O口0占用。豐富的接口除了SMBus/I2C、SPI、UART這些必備的接口外，有的產(chǎn)品還支持CAN、USB、LIN等，給應(yīng)用者帶來了方便。晶振以及片上溫度傳感器等外設(shè)集合為一體。增加了交叉開關(guān)，可靈活地將片內(nèi)資源分配到I/O端口，此舉可讓應(yīng)用者更方便地應(yīng)用外設(shè)，對系統(tǒng)的總體規(guī)劃非常有益。3.3 V的供電模式，內(nèi)核的低電壓使系統(tǒng)功耗進(jìn)一步降低。學(xué)習(xí)和掌握如此高性價比的產(chǎn)品，必將給開發(fā)工作帶來非常大的方便。本書所論述的C8051F410是一款小體積的產(chǎn)品，除具有C8051的自身優(yōu)點(diǎn)外還包括了一些自身的特點(diǎn)。比如： 芯片上除了P0~~P2，還包括溫度傳感器和電源，27個I/O端均可以被編程為A/D的輸入端，A/D的數(shù)據(jù)最多16次累加功能可提高數(shù)據(jù)的處理能力。片內(nèi)獨(dú)有的47位智能時鐘可以單片實(shí)現(xiàn)一些無人值守任務(wù)。片內(nèi)2 KB XRAM內(nèi)存可以作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并可實(shí)現(xiàn)循環(huán)存儲的功能。還有許多的特點(diǎn)這里不一一例舉，就請讀者在閱讀本書過程中慢慢體會。作者對每種外設(shè)均給出了應(yīng)用代碼，所有的程序均調(diào)試通過，讀者可以放心引用。同時作者還結(jié)合自己的項目經(jīng)歷，給出了一些典型應(yīng)用的源代碼。所有代碼見隨書光盤。作者在本書的編寫過程中得到了院領(lǐng)導(dǎo)大力支持，同時得到了大連理工大學(xué)數(shù)字化研究所所長王德倫教授的支持和幫助，在這里一并表示由衷的感謝。參與本書編寫的人員還有大連理工大學(xué)數(shù)字化研究所的各位同仁，他們是朱林劍、孫守林、毛范海、董慧敏、馬雅麗、高媛、梁豐、陳慶紅、楊光輝、錢鋒、姜立學(xué)、陳觀慈等。另外， 韓素英、包明周、武麗敏、包初勝、尹云、王皓、劉建偉等人完成了部分資料搜集以及部分章節(jié)的文字校對工作。在此對他們的支持、幫助表示感謝。 最后，還要感謝我的妻子、女兒以及父母多年來對我的支持。感謝新華龍電子有限公司在資料技術(shù)方面的大力支持。我是拿出了100%的責(zé)任感來完成此書的，但限于本人的水平，肯定還存在一些缺陷，非常希望閱讀此書的讀者能批評指正。有興趣的讀者可以發(fā)送郵件到： soc_reader@yahoo.com.cn，與作者進(jìn)一步交流；也可發(fā)送郵件到： buaafy@sina.com，與本書策劃編輯進(jìn)行交流。

內(nèi)容概要

本書以C8051F41x為例介紹SoC單片機(jī)內(nèi)核的一些共性問題，同時也突出其自身所具有的特點(diǎn)，如更高的指令執(zhí)行速度，低功耗，相對于其他C8051系列，具有新型外設(shè)的集成，低廉的價格，豐富外設(shè)的合理規(guī)劃與布局。作者在介紹每一種外設(shè)時均給出了應(yīng)用代碼，使讀者可盡快掌握并應(yīng)用該模塊。    本書言簡意賅地介紹了μC/OS-Ⅱ的核心和常用模塊，并以C8051F41x為平臺，結(jié)合作者的項目實(shí)際，給出了工程應(yīng)用實(shí)例，其中許多實(shí)例經(jīng)過科研與生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)，有較高參考價值，可幫助讀者更好地應(yīng)用此單片機(jī)，縮短學(xué)習(xí)與應(yīng)用的距離。本書所有的實(shí)例和調(diào)試代碼均采用C語言編程，以增強(qiáng)程序代碼的可讀性和移植性。    本書可供使用C8051F系列單片機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品硬件和軟件設(shè)計開發(fā)的工程技術(shù)人員參考，部分內(nèi)容對其他類型單片機(jī)的開發(fā)也具有一定的參考借鑒價值。

書籍目錄

第1章  片上系統(tǒng)內(nèi)核與功能總匯  1.1  與MCS-51的兼容性與差異性  1.2  內(nèi)核功能的擴(kuò)展  1.3  存儲空間的映射  1.4  擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)    1.4.1  中斷源和中斷向量    1.4.2  中斷的優(yōu)先級與響應(yīng)時間    1.4.3  外部中斷源    1.4.4  中斷控制寄存器  1.5  內(nèi)核指令集說明  1.6  內(nèi)核的工作狀態(tài)    1.6.1  內(nèi)核的幾種工作模式    1.6.2  工作狀態(tài)的設(shè)置與特點(diǎn)  1.7  特殊功能寄存器    1.7.1  特殊功能寄存器的分布    1.7.2  特殊功能寄存器的定義  1.8  流水線式指令預(yù)取引擎  1.9  片內(nèi)可編程穩(wěn)壓器  1.10  SOC的仿真與調(diào)試    1.10.1  內(nèi)置的C2仿真接口    1.10.2  C2引腳共享  1.11  芯片引腳定義及電氣參數(shù)    1.11.1  總體直流電氣特性    1.11.2  引腳和定義第2章  可編程輸入/輸出端口與外設(shè)資源匹配  2.1  I/O口優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)譯碼器原理  2.2  外設(shè)資源初始化配置  2.3  通用端口I/O初始化設(shè)置  2.4  I/O匹配應(yīng)用實(shí)例第3章  多通道12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC0）  3.1  多路模擬開關(guān)選擇器與片內(nèi)溫度傳感器  3.2  A/D的配置    3.2.1  轉(zhuǎn)換啟動方式    3.2.2  A/D跟蹤與工作方式    3.2.3  A/D的時序要求    3.2.4  輸出轉(zhuǎn)換碼    3.2.5  建立時間的要求  3.3  可編程窗口檢測器  3.4  寄存器的定義與設(shè)置  3.5  ADC0的電氣參數(shù)  3.6  A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用實(shí)例    3.6.1  A/D定時采樣實(shí)例    3.6.2  硬件數(shù)據(jù)累加器使用實(shí)例    3.6.3  芯片工作環(huán)境監(jiān)測    3.6.4  CPU無擾門限比較第4章  可疊加或獨(dú)立的12位電流模式DAC  4.1  D/A轉(zhuǎn)換寄存器    4.1.1  D/A寄存器說明    4.1.2  IDAC輸出字格式  4.2  D/A轉(zhuǎn)換的輸出方式選擇    4.2.1  程控立即更新模式    4.2.2  定時器時控輸出更新模式    4.2.3  外部觸發(fā)信號邊沿的輸出更新模式  4.3  D/A轉(zhuǎn)換的應(yīng)用設(shè)置與電氣參數(shù)  ……第5章  片內(nèi)可編程電壓基準(zhǔn)與片內(nèi)比較器第6章  循環(huán)冗余檢查單元第7章  Soc復(fù)位源第8章  FLASH存儲單元第9章  振蕩器第10章  智能實(shí)時時鐘第11章  SMBus總線第12章  同步/異步串口UARTO第13章  增強(qiáng)型全雙工同步串行外設(shè)接口第14章  定時器第15章  可編程計數(shù)器陣列第16章  嵌入式操作系統(tǒng)第17章  SoC應(yīng)用設(shè)計經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)滴第18章  應(yīng)用設(shè)計實(shí)例參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第1章　片上系統(tǒng)內(nèi)核與功能總匯C8051Fxxx系列單片機(jī)是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與8051兼容的微控制器內(nèi)核，與51指令集完全兼容。除了具有標(biāo)準(zhǔn)8052的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件。MCU中的外設(shè)或功能部件包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、SMBus／I2C、UART、SPl、可編程計數(shù)器／定時器陣列（PCA）、定時器、數(shù)字I／O端口、電源監(jiān)視器、看門狗定時器（WDT）和時鐘振蕩器等。所有器件都有內(nèi)置的FLASH程序存儲器和256字節(jié)的內(nèi)部RAM，有些器件內(nèi)部還有位于外部數(shù)據(jù)存儲器空間的RAM，即XRAM。 C8051Fxxx單片機(jī)采用流水線結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個系統(tǒng)時鐘周期降為1個系統(tǒng)時鐘周期，處理能力大大提高，峰值性能可達(dá)25 MIPS。C8051Fxxx單片機(jī)是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)（SoC）。每個MCU都能有效地管理模擬和數(shù)字外設(shè)，可以關(guān)閉單個或全部外設(shè)以節(jié)省功耗。FLASH存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件。應(yīng)用程序可以使用MOVC和MOVX指令對FLASH進(jìn)行讀或改寫，每次讀或?qū)懸粋€字節(jié)。這一特性允許將程序存儲器用于非易失性數(shù)據(jù)存儲以及在軟件控制下更新程序代碼。

編輯推薦

《嵌入式SoC系統(tǒng)開發(fā)與工程實(shí)例》可供使用C8051F系列單片機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品硬件和軟件設(shè)計開發(fā)的工程技術(shù)人員參考，部分內(nèi)容對其他類型單片機(jī)的開發(fā)也具有一定的參考借鑒價值。

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