清华大学单片机教学与实验课程简介省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

我校我校Freescale Freescale 单片机单片机用于嵌入式系统用于嵌入式系统教学与试验基本情况教学与试验基本情况 第1页清华大学工程物理系清华大学工程物理系为培养理工结合型人才，我国原子能科学技术成立于为培养理工结合型人才，我国原子能科学技术成立于19561956年，已为国家培养了本科生、硕士生、博士生共近七千人。年，已为国家培养了本科生、硕士生、博士生共近七千人。有有2 2个一级学科：核科学与技术、物理学。每年招本科生个一级学科：核科学与技术、物理学。每年招本科生150150人人，二学位，二学位3030人，在读博士硕士硕士人，在读博士硕士硕士300300余人，在编教余人，在编教师师110110人，年科研经费人，年科研经费1 11.31.3亿亿核电子学专业属核技术应用核电子学专业属核技术应用2 2级学科，主要领域与课题：级学科，主要领域与课题：国防相关课题；国防相关课题；科研重大核工程科研重大核工程;基本粒子物理研究和国际合作；基本粒子物理研究和国际合作；民用工业及结果转化民用工业及结果转化“基本粒子物理研究和国际合作基本粒子物理研究和国际合作”是国际政治背景下难得是国际政治背景下难得新技术窗口新技术窗口第2页方向方向1 1：国防事业：国防事业清华大学工程物理学成立于清华大学工程物理学成立于19561956年，为国防而建年，为国防而建第3页方向方向2 2：国内大科学装置研究建设：国内大科学装置研究建设北京正负电子对撞机北京正负电子对撞机上海同时辐射光源上海同时辐射光源第4页大亚湾工程大亚湾工程第5页方向方向3 3：工业界核及非核领域应用：工业界核及非核领域应用第6页城铁项目：城铁项目：ATPATP、ATOATO安全计算机安全计算机 2x2 2x2取取2 2适应市场经济，学生就业于适应市场经济，学生就业于国民经济主战场国民经济主战场第7页瑞士与法国边界上大型加速器瑞士与法国边界上大型加速器第8页欧洲核子研究中心欧洲核子研究中心CERNCERN第9页CMS 探测器探测器第10页我们参加我们参加LHCbLHCb物理试验中电子学部分物理试验中电子学部分Input:1.6G/s x 24Ch.Output:1G x 4总共总共350350块块插件插件第11页欧盟欧盟ARTEMIS（狩猎女神）计划（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主要欧洲在所以领域竞争力都将依赖于嵌入式领域创新力其跨学科特点：计算机、电子、机械工程师、应用教授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“新奇设计方案和工具集”欧洲各领先大学将设ATEMIS教授职位到嵌入式领域毕业生和博士将增加50现在时刻是推进整个欧洲团结一致，方便在最具改变、最普遍深入最引人入胜和最有前景信息技术嵌入式系统领域保持主导地位第12页微机、单片机教学微机、单片机教学历史与启示历史与启示基于基于PC PC 微机原理与接口技术微机原理与接口技术原理与接口尴尬原理与接口尴尬Z80Z80单板机对中国影响单板机对中国影响不是主流，方法和思绪是好不是主流，方法和思绪是好单片机原理教材单片机原理教材讲接口就错了讲接口就错了80518051仿真器开发方法对单片机教学影响仿真器开发方法对单片机教学影响仿真器误导和应用个性化缺失仿真器误导和应用个性化缺失ARMARM风暴引发思索风暴引发思索8 8、1616、3232位关系、教学要符合认识规律位关系、教学要符合认识规律仅限于低功耗应用仅限于低功耗应用第13页微电子技术飞速发展微电子技术飞速发展摩尔定律摩尔1965年文章指出，芯片中晶体管数量每年会翻倍，1975年，又修正了摩尔定律，每隔24个月，晶体管数量将翻倍。Intel官员称，芯片性能每隔18个月翻倍一次。摩尔文章发表时，片上晶体管约60个，而现在，英特尔最新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3m 到当前40nm,理论极限是4nm，可能在2023年。后定律将怎样？第14页摩尔定律摩尔定律集成电路集成度集成电路集成度第15页Intel Intel 处理器集成度处理器集成度2.2亿亿第16页摩尔定律摩尔定律 CPU 性能性能第17页摩尔定律摩尔定律新技术新技术不符合摩尔定律时发生了什么？不符合摩尔定律时发生了什么？从从3m 到当前到当前22nm,理论极限是理论极限是4nm，还，还能维持多久？后摩尔定律时期将怎样？能维持多久？后摩尔定律时期将怎样？第18页摩尔定律摩尔定律成本成本第19页从以从以CPUCPU为关键到以存放器为关键为关键到以存放器为关键存放器是瓶颈存放器是瓶颈CPUCPU运算能力已经从当年运算能力已经从当年1MIPs1MIPs发展到如今发展到如今1000MIPs,1000MIPs,不不再是设计者优先考虑问题，当运算能力不够时，能够再是设计者优先考虑问题，当运算能力不够时，能够增加增加CPUCPU，增加专用芯片，如图形加速，增加专用芯片，如图形加速ASICASIC因为因为SRAMSRAM复杂，集成度还不可能太高（当前片内只能复杂，集成度还不可能太高（当前片内只能32K32K64K64K），），SDRAMSDRAM，DDRAMDDRAM集成度很高集成度很高Flash Flash 技术已经全方面替换技术已经全方面替换 EPROM EPROM，片内也能够做得，片内也能够做得很大，很大，512K512K1M1M，片外，片外8M8M，16M16M图像、多媒体类应用对存放器需求，对文件系统需求图像、多媒体类应用对存放器需求，对文件系统需求量大，量大，Flash Flash 有替换硬盘趋势有替换硬盘趋势读写随机存放器错误几率远高于读写随机存放器错误几率远高于CPUCPU本身运算错误，在本身运算错误，在工控应用中，尽可能把工控应用中，尽可能把SRAMSRAM用量压低是关键用量压低是关键第20页片内存放器会可靠很多片内存放器会可靠很多第21页SOC SOC 与与 扩展方式扩展方式不一样应用不一样应用嵌入式系统平台对嵌入式系统平台对RAMRAM需求应满足正态分布：需求应满足正态分布：0应用应用RAM假如存在一个能满假如存在一个能满足各种应用开发平足各种应用开发平台，该平台台，该平台RAMRAM应该应该在这个范围在这个范围第22页嵌入式系统应用嵌入式系统应用RAMRAM实际情况实际情况0SOC C/OS-IIC/OS-II控制类应用控制类应用 以以SDRAM(DDRRAM)SDRAM(DDRRAM)扩展系统使用比如扩展系统使用比如LinuxLinux类操作系统类操作系统图像类应用图像类应用应用应用RAM第23页不一样类型应用对不一样类型应用对RAMRAM需求不一样需求不一样图像类、多媒体类应用，经典如手机、人机交互设备，图像类、多媒体类应用，经典如手机、人机交互设备，需要大需要大RAMRAM空间，如空间，如1024x7801024x780一幅彩色图像，就需要一幅彩色图像，就需要768K RAM 768K RAM 这类应用特点是，要求通讯速度快，这类应用特点是，要求通讯速度快，CPUCPU处理处理能力强，但对可靠性要求不高能力强，但对可靠性要求不高,系统外扩系统外扩SDRAMSDRAM，DDRAMDDRAM工控类应用对可靠性要求高，对工控类应用对可靠性要求高，对RAMRAM需求相对有限，只需求相对有限，只要认真计划使用要认真计划使用32K32K64K RAM64K RAM能够满足大多数需求，假如能够满足大多数需求，假如不够，能够考虑增加一片单片机而尽可能不要扩展片外不够，能够考虑增加一片单片机而尽可能不要扩展片外SRAMSRAM第24页不一样类型不一样类型MCUMCU对对RAMRAM需求不一样需求不一样以下是粗略计算几个不一样以下是粗略计算几个不一样MCUMCU，做任务切换，做任务切换（Contest SwitchContest Switch）需要堆栈深度：）需要堆栈深度：1616位位 CPU12CPU129B9B3232位位ARMARM68B68B3232位位PPCPPC132B132B这意味着假如开发平台允许用户用这意味着假如开发平台允许用户用C C语言写中止服务程语言写中止服务程序，中止嵌套层数为序，中止嵌套层数为5 5，最多任务数，最多任务数2020，系统占用，系统占用RAMRAM最少为：最少为：1616位位 CPU12CPU129B9B（5 51 1）2020108010803232位位ARMARM68B 68B（5 51 1）2020=7160=71603232位位PPCPPC136B 136B（5 51 1）2020=16320=16320不一样类型不一样类型CPUCPU，系统占用，系统占用RAMRAM资源竟相差资源竟相差1616倍之多！倍之多！此时此时1616位机位机32K32K片内片内RAMRAM，比，比3232位机用起来更宽裕位机用起来更宽裕 简单简单CPUCPU存放器入栈快，中止响应时间要快很多存放器入栈快，中止响应时间要快很多所以，应该以存放器需求为关键考虑系统设计，选节所以，应该以存放器需求为关键考虑系统设计，选节约约SRAMCPUSRAMCPU第25页清华工物系单片机与嵌入式教育清华工物系单片机与嵌入式教育C 语言语言单片机认识与实践单片机认识与实践 （S08/S12XS、大、大2下，下，90人）人）PCB设计（设计（Protel、小学期）、小学期）模拟电路模拟电路、数字电路、数字电路嵌入式系统与智能仪器（大嵌入式系统与智能仪器（大3下，下，30人）人）SRT 计划计划学生科展、挑战杯学生科展、挑战杯已经进行了已经进行了5届届全国智能车竞赛全国智能车竞赛课程设计与毕业设计课程设计与毕业设计嵌入式实时系统与单片机应用嵌入式实时系统与单片机应用（S12、uC/OS-II）将单片机用到硕士相关课题中将单片机用到硕士相关课题中第26页嵌入式实时操作系统与单片机应用课程介绍嵌入式实时操作系统与单片机应用课程介绍 硕硕士士精精品品课课。面面向向全全校校非非计计算算机机专专业业硕硕士士，尤尤其其是是未未来来课课题题中中会会用用到到单单片片机机硕硕士士。课课程程包包含含嵌嵌入入式式实实时时操操作作系系统统(RTOS)和和单单片片机机应应用用设设计计两两方方面面内内容容。以以C/OS-II为为例例，讲讲解解RTOS基基本本原原理理，尤尤其其是是RTOS怎怎样样实实现现硬硬实实时时条条件件下下多多任任务务调调度度以以及及怎怎样样处处理理任任务务间间竞竞争争问问题题。以以16位位双双CPU单单片片机机及及开开发发工工具具为为试试验验条条件件，经经过过在在集集成成开开发发环环境境下下完完成成并并口口、串串口口、A/D等等单单个个任任务务单单片片机机试试验验，帮帮助助学学生生学学习习单单片片机机开开发发方方法法。在在掌掌握握了了单单片片机机基基础础知知识识和和分分析析过过C/OS源源代代码码后后，将将实实时时操操作作系系统统C/OS-II移移植植到到该该单单片片机机上上运运行行，并并经经过过综综合合试试验验实实现现嵌嵌入入式式操操作作系系统统管管理理下下多多任任务务运运行行。作作为为提提升升内内容容，学学生生可可选选择择学学习习掌掌握握双双CPU嵌嵌入入式式系系统统开开发发方方法法。课课程程还还介介绍绍嵌嵌入入式式系统中电磁兼容问题以及嵌入式领域最新进展等。系统中电磁兼容问题以及嵌入式领域最新进展等。第27页单片机嵌入式应用在线开发方法教材单片机嵌入式应用在线开发方法教材 20修订本 版第28页关于开发方法主要内容关于开发方法主要内容（目录）（目录）第第1 1章章 色彩斑斓单片机世界色彩斑斓单片机世界第第2 2章章 单片机基本系统硬件设计单片机基本系统硬件设计第第3 3章章 用汇编语言编程用汇编语言编程第第4 4章章 建立单片机运行环境和写监控程序建立单片机运行环境和写监控程序第第5 5章章 用用C C语言开发应用程序语言开发应用程序 第第6 6章章 移植和使用嵌入式实时操作系统移植和使用嵌入式实时操作系统 第第7 7章章 使用使用GCCGCC交叉编译器开发交叉编译器开发HC/S12HC/S12单片机单片机第第8 8章章 单片机软件开发工具单片机软件开发工具 CodeWarrior CodeWarrior第第9 9章章 试验系统与试验系统与I/OI/O模块模块第第1010章章 单片机含糊控制单片机含糊控制第第1111章章 单片机应用中电磁兼容问题单片机应用中电磁兼容问题附录附录A MC9S12 DA MC9S12 D系列单片机开发工具包系列单片机开发工具包附录附录B B 监控程序源代码监控程序源代码第29页S12 S12 用于嵌入式教学优势用于嵌入式教学优势最初最初 C/OSC/OS就是为就是为68HC1168HC11写，写，S12S12与与HC11HC11指令向下兼容指令向下兼容1616位位S12CPUS12CPU结构简单、结构简单、RAMRAM大小适中、大小适中、FLASHFLASH页面式组织，响应中止存放器页面式组织，响应中止存放器自动入栈等，尤其适应运行自动入栈等，尤其适应运行 C/OSC/OS真正真正SOCSOC适当片内适当片内RAMRAM，直观多任务结构，直观多任务结构Flash Flash 分页管理很有特色分页管理很有特色足够丰富足够丰富I/OI/OCodeWarrior CodeWarrior 代码限制不影响教学无偿正版软件代码限制不影响教学无偿正版软件有有 GCC GCC 和和Linux Linux 接轨接轨经典单片机开发方法和经典单片机开发方法和JTAG(BDM)JTAG(BDM)调试趋势结合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一个关键角色，同时可广泛用可能是汽车技术方面产生革命性飞跃过程中一个关键角色，同时可广泛用于其它行业控制领域于其它行业控制领域S12S12单片机种类多，外设齐备，试验、开发成本低单片机种类多，外设齐备，试验、开发成本低第30页Motorola/Freescale MCU/DSP Motorola/Freescale MCU/DSP 历史和发展历史和发展68006801680568HC0568HCL0568HSC05197468HCS0868HCS12Power PCDSP5600068HC1168000683xx68020680106809ARMMCOREColdFireDSP第31页S12X 16S12X 16位机今后发展趋势位机今后发展趋势第32页单片机相关教学课程特点单片机相关教学课程特点课程课程3要素：要素：教师、教材、试验条件教师、教材、试验条件其中教师最主要，知识要不停更新、需科研支撑其中教师最主要，知识要不停更新、需科研支撑技术飞速发展和教学需要稳定矛盾技术飞速发展和教学需要稳定矛盾教材需要不停更新教材需要不停更新实践步骤也很关键实践步骤也很关键需要较大投入而教学经费有限需要较大投入而教学经费有限 课时有限，需要预备知识范围宽课时有限，需要预备知识范围宽清华清华5年改年改4年后大量削减计算机、外语课时年后大量削减计算机、外语课时数字电路、计算机软硬件等数字电路、计算机软硬件等需要学生大量课余时间和兴趣需要学生大量课余时间和兴趣，课外科技活动是最好，课外科技活动是最好补充补充第33页单片机相关教学课程对象、目标与方法单片机相关教学课程对象、目标与方法不一样高校、不一样基础学生，培养目标不一样：不一样高校、不一样基础学生，培养目标不一样：我们目标是以有限课时，使学生尽早、尽快入门，而最终成我们目标是以有限课时，使学生尽早、尽快入门，而最终成为培养为培养ITIT高手。高手。开发方法：开发方法：仿真器方法适合用于培训而不适合用于教学仿真器方法适合用于培训而不适合用于教学MotorolaMotorola单片机也有各种仿真器；单片机也有各种仿真器；复旦大学设计过各种复旦大学设计过各种MotorolaMotorola单片机仿真器；单片机仿真器；第34页仿真器例子仿真器例子其它著名开发工具商：其它著名开发工具商：P&E;Cosmic;IARP&E;Cosmic;IAR；NohauNohau；CodewarriorCodewarrior第35页1.单片机认识与实践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）电子学相关专业）目标目标:选拔硕士，培养选拔硕士，培养ITIT高手高手8 8位单片机开发方法入门，不讲位单片机开发方法入门，不讲RTOSRTOS以以S08S08单片机替换单片机替换HC08HC08单片机单片机受到车模竞赛冲击受到车模竞赛冲击第36页HCS08 HCS08 是最简单、最传统是最简单、最传统 8 8位位 CPU CPU Carry/BorrowZeroNegativeInterrupt MaskHalf CarryAccumulatorIndex RegisterProgram CounterStack PointerCondition Code Register07X07A0IP15015CZNIH01234H第37页HC08 教材：出版HC08教材年修订，附录中给出监控程序源代码第38页单片机认识与实践教材目录单片机认识与实践教材目录第第1 1章章 单片机广泛选择单片机广泛选择 第第2 2章章 数字电路基础及数字电路基础及S08S08单片机介绍单片机介绍第第3 3章章 S08 S08单片机指令系统及汇编语言程序设计单片机指令系统及汇编语言程序设计 第第4 4章章 MCU MCU基本系统设计基本系统设计 第第5 5章章 异步串行通信异步串行通信 第第6 6章章 MCU MCU片内片内I/OI/O模块模块 第第7 7章章 用用C C语言开发应用程序语言开发应用程序第第8 8章章 HCS08 HCS08试验开发系统及试验指导试验开发系统及试验指导 第第9 9章章 建立实用在线调试环境建立实用在线调试环境 第第1010章章 BDM BDM后台调试模式和后台调试模式和DBGDBG模块模块第第1111章章 嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统C/OS-IIC/OS-II在在HCS08HCS08上实现上实现第第1212章章 时钟和低功耗模式时钟和低功耗模式 附录附录A S08Monitor A S08Monitor 用户手册和源代码用户手册和源代码 附录附录B THUBDM08 B THUBDM08 使用说明书使用说明书 第39页教学试验板教学试验板第40页单片机与单片机与BDM工具工具第41页监控程序（监控程序（Boot-loader）和主要命令）和主要命令第42页本科生课：本科生课：“单片机与嵌入式系统开发方法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教育部十一五国家级规划教材8月出版范例选取16位单片机S12XSIXIYSPPCCCRA、B 或或DS X H I N Z V C707715000000015151515PCSPYXDBA50PPAGE*S12 CPU 第43页硕士课硕士课 RTOS RTOS 教材教材第44页硕士课教材：嵌入式系统中双核技术硕士课教材：嵌入式系统中双核技术.8.8.北航出版社北航出版社第45页S12 S12 单片机分页式存放单片机分页式存放器管理器管理$0000$0400$1000$4000$8000$C000$FF00$FFFF向量区向量区EEPROMRAM16KFixedFixed16KFixedFixed16KPagedPaged$3F$3$0000$0400$1000$4000$8000$C000$FF00$FFFFVictorsI/ORegistersEEPROMRAM16KFlash16KFlash16KFlash$30$3F$3$30Block 3Block 2Block 1E$31$32$33$34$35$36$37$38$39$3 A$3 B$3 C$3 D$31$32$33$34$35$36$37$38$39$3 A$3 B$3 C$3 DBlock 3Block 2Block 1Block 0E第46页S12X S12X 用于用于RTOSRTOS教学优势教学优势真正真正SOCSOC适当片内适当片内RAMRAM，直观多任务结构，直观多任务结构Flash Flash 分页管理很有特色分页管理很有特色足够丰富足够丰富I/OI/OCodeWarrior CodeWarrior 代码限制不影响教学无偿正版软件代码限制不影响教学无偿正版软件经典单片机开发方法和经典单片机开发方法和JTAG(BDM)JTAG(BDM)调试趋势结合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一个关键角色，可能是汽车技术方面产生革命性飞跃过程中一个关键角色，同时可广泛用于其它行业控制领域同时可广泛用于其它行业控制领域双核技术：嵌入式应用技术新趋势双核技术：嵌入式应用技术新趋势第47页Multi-Tasks$0000$0400$1000$4000$8000$C000$FF00$FFFF向量区向量区EEPROMRAM16KuC/OS-IIuC/OS-IIKernelKernel16KFixedFixed16KTask 11 Task 11$3F$3$0000$0400$1000$4000$8000$C000$FF00$FFFFVictorsI/ORegistersEEPROMRAM16K Flash16KFlash16KFlash$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页主要试验设备主要试验设备 开发方法：开发方法：从设计从设计MC9S12DG256/128MC9S12DG256/128单片机最小系统开始单片机最小系统开始1616位位 CPU CPU12K/8K SRAM12K/8K SRAM256K/128K FLASH256K/128K FLASHSCI x 2 SCI x 2 Timer x 8ch.Timer x 8ch.SPI x 3SPI x 3PWM x 4PWM x 4A/D 10b x 16A/D 10b x 16CAN x 5CAN x 5GPIOGPIO自己写自己写 Monitor/Debug Monitor/Debug 程序程序 兼容兼容 S12XGate S12XGate第49页主要试验设主要试验设S12试验板试验板试验：试验：PIOSCISPIA/D键盘键盘LED定时定时中止中止RTOS讲课方法和课件将在后讲课方法和课件将在后2天师资培训中给出天师资培训中给出第50页S08AW60/GT60 试验系统试验系统第51页便于存放便于存放采取采取8 8套或套或1010套一箱包装方式套一箱包装方式第52页能够带回宿舍试验系统能够带回宿舍试验系统试验：试验：按键，按键，LED，串口，串口，AD，PWM，数码管，液晶，传感器数码管，液晶，传感器第53页学生对教师教学评定学生对教师教学评定第54页问题与讨论问题与讨论第55页