清華大學(xué)單片機教學(xué)與實驗課程簡介市公開課金獎市賽課一等獎?wù)n件

1、我校Freescale 單片機用于嵌入式系統(tǒng)教學(xué)與試驗基本情況 第1頁清華大學(xué)工程物理系為培養(yǎng)理工結(jié)合型人才，我國原子能科學(xué)技術(shù)成立于1956年，已為國家培養(yǎng)了本科生、碩士生、博士生共近七千人。有2個一級學(xué)科：核科學(xué)與技術(shù)、物理學(xué)。每年招本科生150人，二學(xué)位30人，在讀博士碩士碩士300余人，在編教師110人，年科研經(jīng)費11.3億核電子學(xué)專業(yè)屬核技術(shù)應(yīng)用2級學(xué)科，主要領(lǐng)域與課題：國防相關(guān)課題；科研重大核工程;基本粒子物理研究和國際合作；民用工業(yè)及結(jié)果轉(zhuǎn)化“基本粒子物理研究和國際合作”是國際政治背景下難得新技術(shù)窗口第2頁方向1：國防事業(yè)清華大學(xué)工程物理學(xué)成立于1956年，為國防而建第3頁方向2

2、：國內(nèi)大科學(xué)裝置研究建設(shè)北京正負(fù)電子對撞機上海同時輻射光源第4頁大亞灣工程第5頁方向3：工業(yè)界核及非核領(lǐng)域應(yīng)用第6頁城鐵項目：ATP、ATO安全計算機 2x2取2適應(yīng)市場經(jīng)濟，學(xué)生就業(yè)于國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場第7頁瑞士與法國邊界上大型加速器第8頁歐洲核子研究中心CERN第9頁CMS 探測器第10頁我們參加LHCb物理試驗中電子學(xué)部分Input:1.6G/s x 24Ch.Output:1G x 4總共350塊插件第11頁歐盟ARTEMIS（狩獵女神）計劃嵌入式技術(shù)在調(diào)整歐洲、美國和亞洲生產(chǎn)力不平衡至關(guān)主要歐洲在所以領(lǐng)域競爭力都將依賴于嵌入式領(lǐng)域創(chuàng)新力其跨學(xué)科特點：計算機、電子、機械工程師、應(yīng)用教授AT

3、EMIS已經(jīng)建立了一個管理與整合框架，以優(yōu)化資源配置要開發(fā)被稱為ATEMIS方法“新奇設(shè)計方案和工具集”歐洲各領(lǐng)先大學(xué)將設(shè)ATEMIS教授職位到嵌入式領(lǐng)域畢業(yè)生和博士將增加50現(xiàn)在時刻是推進整個歐洲團結(jié)一致，方便在最具改變、最普遍深入最引人入勝和最有前景信息技術(shù)嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域保持主導(dǎo)地位第12頁微機、單片機教學(xué)歷史與啟示基于PC 微機原理與接口技術(shù)原理與接口尷尬Z80單板機對中國影響不是主流，方法和思緒是好單片機原理教材講接口就錯了8051仿真器開發(fā)方法對單片機教學(xué)影響仿真器誤導(dǎo)和應(yīng)用個性化缺失ARM風(fēng)暴引發(fā)思索8、16、32位關(guān)系、教學(xué)要符合認(rèn)識規(guī)律僅限于低功耗應(yīng)用第13頁微電子技術(shù)飛速發(fā)展

4、摩爾定律摩爾1965年文章指出，芯片中晶體管數(shù)量每年會翻倍，1975年，又修正了摩爾定律，每隔24個月，晶體管數(shù)量將翻倍。Intel官員稱，芯片性能每隔18個月翻倍一次。摩爾文章發(fā)表時，片上晶體管約60個，而現(xiàn)在，英特爾最新tanium芯片上有17億個硅晶體管。30年過去了，IC技術(shù)仍在按摩爾定律發(fā)展從3m 到當(dāng)前40nm,理論極限是4nm，可能在2023年。后定律將怎樣？第14頁摩爾定律集成電路集成度第15頁Intel 處理器集成度2.2億第16頁摩爾定律 CPU 性能第17頁摩爾定律新技術(shù)不符合摩爾定律時發(fā)生了什么？從3m 到當(dāng)前22nm,理論極限是4nm，還能維持多久？后摩爾定律時期將怎

5、樣？第18頁摩爾定律成本第19頁從以CPU為關(guān)鍵到以存放器為關(guān)鍵存放器是瓶頸CPU運算能力已經(jīng)從當(dāng)年1MIPs發(fā)展到如今1000MIPs,不再是設(shè)計者優(yōu)先考慮問題，當(dāng)運算能力不夠時，能夠增加CPU，增加專用芯片，如圖形加速ASIC因為SRAM復(fù)雜，集成度還不可能太高（當(dāng)前片內(nèi)只能32K64K），SDRAM，DDRAM集成度很高Flash 技術(shù)已經(jīng)全方面替換 EPROM，片內(nèi)也能夠做得很大，512K1M，片外8M，16M圖像、多媒體類應(yīng)用對存放器需求，對文件系統(tǒng)需求量大，F(xiàn)lash 有替換硬盤趨勢讀寫隨機存放器錯誤幾率遠(yuǎn)高于CPU本身運算錯誤，在工控應(yīng)用中，盡可能把SRAM用量壓低是關(guān)鍵第20頁

6、片內(nèi)存放器會可靠很多第21頁SOC 與 擴展方式不一樣應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)平臺對RAM需求應(yīng)滿足正態(tài)分布：0應(yīng)用RAM假如存在一個能滿足各種應(yīng)用開發(fā)平臺，該平臺RAM應(yīng)該在這個范圍第22頁嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用RAM實際情況0SOC C/OS-II控制類應(yīng)用 以SDRAM(DDRRAM)擴展系統(tǒng)使用比如Linux類操作系統(tǒng)圖像類應(yīng)用應(yīng)用RAM第23頁不一樣類型應(yīng)用對RAM需求不一樣圖像類、多媒體類應(yīng)用，經(jīng)典如手機、人機交互設(shè)備，需要大RAM空間，如1024x780一幅彩色圖像，就需要768K RAM 這類應(yīng)用特點是，要求通訊速度快，CPU處理能力強，但對可靠性要求不高,系統(tǒng)外擴SDRAM，DDRAM工控類應(yīng)

7、用對可靠性要求高，對RAM需求相對有限，只要認(rèn)真計劃使用32K64K RAM能夠滿足大多數(shù)需求，假如不夠，能夠考慮增加一片單片機而盡可能不要擴展片外SRAM第24頁不一樣類型MCU對RAM需求不一樣以下是粗略計算幾個不一樣MCU，做任務(wù)切換（Contest Switch）需要堆棧深度：16位 CPU129B32位ARM68B32位PPC132B這意味著假如開發(fā)平臺允許用戶用C語言寫中止服務(wù)程序，中止嵌套層數(shù)為5，最多任務(wù)數(shù)20，系統(tǒng)占用RAM最少為：16位 CPU129B（51）20108032位ARM68B （51）20= 716032位PPC136B （51）20=16320不一樣類型CP

8、U，系統(tǒng)占用RAM資源竟相差16倍之多！此時16位機32K片內(nèi)RAM，比32位機用起來更寬裕 簡單CPU存放器入?？?，中止響應(yīng)時間要快很多所以，應(yīng)該以存放器需求為關(guān)鍵考慮系統(tǒng)設(shè)計，選節(jié)約SRAMCPU第25頁清華工物系單片機與嵌入式教育C 語言單片機認(rèn)識與實踐 （S08/S12XS、大2下，90人）PCB設(shè)計（Protel、小學(xué)期）模擬電路、數(shù)字電路嵌入式系統(tǒng)與智能儀器（大3下，30人）SRT 計劃學(xué)生科展、挑戰(zhàn)杯已經(jīng)進行了5屆全國智能車競賽課程設(shè)計與畢業(yè)設(shè)計嵌入式實時系統(tǒng)與單片機應(yīng)用（S12、uC/OS-II）將單片機用到碩士相關(guān)課題中第26頁嵌入式實時操作系統(tǒng)與單片機應(yīng)用課程介紹 碩士精品

9、課。面向全校非計算機專業(yè)碩士，尤其是未來課題中會用到單片機碩士。課程包含嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)和單片機應(yīng)用設(shè)計兩方面內(nèi)容。以C/OS-II為例，講解RTOS基本原理，尤其是RTOS怎樣實現(xiàn)硬實時條件下多任務(wù)調(diào)度以及怎樣處理任務(wù)間競爭問題。以16位雙CPU單片機及開發(fā)工具為試驗條件，經(jīng)過在集成開發(fā)環(huán)境下完成并口、串口、A/D等單個任務(wù)單片機試驗，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)單片機開發(fā)方法。在掌握了單片機基礎(chǔ)知識和分析過C/OS源代碼后，將實時操作系統(tǒng)C/OS-II移植到該單片機上運行，并經(jīng)過綜合試驗實現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)管理下多任務(wù)運行。作為提升內(nèi)容，學(xué)生可選擇學(xué)習(xí)掌握雙CPU嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法。課程還介紹

10、嵌入式系統(tǒng)中電磁兼容問題以及嵌入式領(lǐng)域最新進展等。 第27頁單片機嵌入式應(yīng)用在線開發(fā)方法教材 20修訂本 版第28頁關(guān)于開發(fā)方法主要內(nèi)容（目錄）第1章 色彩斑斕單片機世界第2章 單片機基本系統(tǒng)硬件設(shè)計第3章 用匯編語言編程第4章 建立單片機運行環(huán)境和寫監(jiān)控程序第5章 用C語言開發(fā)應(yīng)用程序 第6章 移植和使用嵌入式實時操作系統(tǒng) 第7章 使用GCC交叉編譯器開發(fā)HC/S12單片機第8章 單片機軟件開發(fā)工具 CodeWarrior第9章 試驗系統(tǒng)與I/O模塊第10章 單片機含糊控制第11章 單片機應(yīng)用中電磁兼容問題附錄A MC9S12 D系列單片機開發(fā)工具包附錄B 監(jiān)控程序源代碼第29頁S12 用于

11、嵌入式教學(xué)優(yōu)勢最初C/OS就是為68HC11寫，S12與HC11指令向下兼容16位S12CPU結(jié)構(gòu)簡單、RAM大小適中、FLASH頁面式組織，響應(yīng)中止存放器自動入棧等，尤其適應(yīng)運行C/OS真正SOC適當(dāng)片內(nèi)RAM，直觀多任務(wù)結(jié)構(gòu)Flash 分頁管理很有特色足夠豐富I/OCodeWarrior 代碼限制不影響教學(xué)無償正版軟件有 GCC 和Linux 接軌經(jīng)典單片機開發(fā)方法和JTAG(BDM)調(diào)試趨勢結(jié)合可能是汽車技術(shù)方面產(chǎn)生革命性飛躍過程中一個關(guān)鍵角色，同時可廣泛用于其它行業(yè)控制領(lǐng)域S12單片機種類多，外設(shè)齊備，試驗、開發(fā)成本低第30頁Motorola/Freescale MCU/DSP 歷史和

12、發(fā)展68006801680568HC0568HCL0568HSC05197468HCS0868HCS12Power PCDSP5600068HC1168000683xx68020680106809ARMMCOREColdFireDSP第31頁S12X 16位機今后發(fā)展趨勢第32頁單片機相關(guān)教學(xué)課程特點課程3要素：教師、教材、試驗條件其中教師最主要，知識要不停更新、需科研支撐技術(shù)飛速發(fā)展和教學(xué)需要穩(wěn)定矛盾教材需要不停更新實踐步驟也很關(guān)鍵需要較大投入而教學(xué)經(jīng)費有限 課時有限，需要預(yù)備知識范圍寬清華5年改4年后大量削減計算機、外語課時數(shù)字電路、計算機軟硬件等需要學(xué)生大量課余時間和興趣，課外科技活動是

13、最好補充第33頁單片機相關(guān)教學(xué)課程對象、目標(biāo)與方法不一樣高校、不一樣基礎(chǔ)學(xué)生，培養(yǎng)目標(biāo)不一樣：我們目標(biāo)是以有限課時，使學(xué)生盡早、盡快入門，而最終成為培養(yǎng)IT高手。開發(fā)方法：仿真器方法適合用于培訓(xùn)而不適合用于教學(xué)Motorola單片機也有各種仿真器；復(fù)旦大學(xué)設(shè)計過各種Motorola單片機仿真器；第34頁仿真器例子其它著名開發(fā)工具商：P&E;Cosmic;IAR；Nohau；Codewarrior第35頁1.單片機認(rèn)識與實踐面向非計算機類，工程物理系電類低班本科生（核電子學(xué)相關(guān)專業(yè)）目標(biāo): 選拔碩士，培養(yǎng)IT高手8位單片機開發(fā)方法入門，不講RTOS以S08單片機替換HC08單片機受到車模競賽沖擊

14、第36頁HCS08 是最簡單、最傳統(tǒng) 8位 CPU Carry/BorrowZeroNegativeInterrupt MaskHalf CarryAccumulatorIndex RegisterProgram CounterStack PointerCondition Code Register07X07A0IP15015CZNIH01234H第37頁HC08 教材： 出版HC08教材年修訂， 附錄中給出監(jiān)控程序源代碼第38頁單片機認(rèn)識與實踐教材目錄第1章 單片機廣泛選擇 第2章 數(shù)字電路基礎(chǔ)及S08單片機介紹第3章 S08單片機指令系統(tǒng)及匯編語言程序設(shè)計 第4章 MCU基本系統(tǒng)設(shè)計 第5

15、章 異步串行通信 第6章 MCU片內(nèi)I/O模塊 第7章 用C語言開發(fā)應(yīng)用程序第8章 HCS08試驗開發(fā)系統(tǒng)及試驗指導(dǎo) 第9章 建立實用在線調(diào)試環(huán)境 第10章 BDM后臺調(diào)試模式和DBG模塊第11章 嵌入式實時操作系統(tǒng)C/OS-II在HCS08上實現(xiàn)第12章 時鐘和低功耗模式 附錄A S08Monitor 用戶手冊和源代碼 附錄B THUBDM08 使用說明書 第39頁教學(xué)試驗板第40頁單片機與BDM工具第41頁監(jiān)控程序（Boot-loader）和主要命令第42頁本科生課：“單片機與嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法”教育部十一五國家級規(guī)劃教材8月出版范例選取16位單片機S12XSIXIYSPPCCCRA、B

16、或DSXHINZVC707715000000015151515PCSPYXDBA50PPAGE *S12 CPU 第43頁碩士課 RTOS 教材第44頁碩士課教材：嵌入式系統(tǒng)中雙核技術(shù).8.北航出版社第45頁S12 單片機分頁式存放器管理 $0000$0400$1000$4000$8000$C000$FF00$FFFF向量區(qū)EEPROMRAM16KFixed16KFixed16KPaged$3F$3$0000$0400$1000$4000$8000$C000$FF00$FFFFVictorsI/ORegistersEEPROMRAM16KFlash16KFlash16KFlash$30$3F$

17、3$30Block 3Block 2Block 1E$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$3DBlock 3Block 2Block 1Block 0E第46頁S12X 用于RTOS教學(xué)優(yōu)勢真正SOC適當(dāng)片內(nèi)RAM，直觀多任務(wù)結(jié)構(gòu)Flash 分頁管理很有特色足夠豐富I/OCodeWarrior 代碼限制不影響教學(xué)無償正版軟件經(jīng)典單片機開發(fā)方法和JTAG(BDM)調(diào)試趨勢結(jié)合可能是汽車技術(shù)方面產(chǎn)生革命性飛躍過程中一個關(guān)鍵角色，同時可廣泛用于其它行業(yè)控制領(lǐng)域雙核技術(shù)：嵌入式應(yīng)用技術(shù)新趨

18、勢第47頁Multi-Tasks$0000$0400$1000$4000$8000$C000$FF00$FFFF向量區(qū)EEPROMRAM16KuC/OS-IIKernel16KFixed16KTask 11 $3F$3$0000$0400$1000$4000$8000$C000$FF00$FFFFVictorsI/ORegistersEEPROMRAM16KFlash16KFlash16KFlash$3B$3F$3 Task 1 Task 2 Task 3 Task 4 Task 5 Task 6 Task 7 Task 8 Task 9 Task 10 HeapStackC Lab Task 12 Task 13 Task 13 $30第48頁主要試驗設(shè)備 開發(fā)方法： 從設(shè)計MC9S12DG256/128單片機最小系統(tǒng)開始16位 CPU12