（计算机应用技术专业论文）m68hc08系列mcu嵌入式开发平台的设计与实现.pdf

1 6 8 t 1 c 0 8 系列删嵌入式开发平台的设计与实现中文摘要 m 6 8 h c 0 8 系列m c u 嵌入式开发平台的设计与实现 中文摘要 嵌入式技术已进入一个崭新的时代，f r e e s c a l e 公司推出的新一代8 位m 6 6 h c 0 8 系列微处理器，因其速度快、功能强、功耗小、价格低等优点，在业界得到了广泛的 应用。 为了能方便快捷地使用m 6 8 h c 0 8 系列微处理器研发产品，须有相应的开发平台， 包括代码编辑功能及编译器、编程器、调试器等组件。国外公司提供的一些开发平台， 尽管功能强大，但是价格高昂，英文界面，难以被广大国内用户所接受；国内也有一 些大学开发过有关的开发平台，但功能较为单一，只针对m 6 8 h c 0 8 系列的某款芯片， 而且一般不带调试功能。 一个嵌入式开发平台研制的难点在于编程器的通用性和c 语言源程序级调试的 实现。本文针对f r e e s c a l em 6 8 h c 0 8 系列单片机，提出了通用编程器的解决方案以及 c 语言源程序级调试的实现方法。在苏州大学m c u & d s p 研发中心s d 1 在线编程系 统的基础上，结合原有系统的编辑及编译器部分，开发了通用性好、扩展性强、价格 低廉的m 6 8 h c 0 8 全系列m c u 嵌入式开发平台。论文详细地阐述了带有u s b 接口的 通用编程器和调试器的设计方案及软硬件设计。 关键词：m 6 8 h c 0 8 系列单片机，m c 6 8 h c 9 0 8 j b 8 ，写入调试头，核心板 作者：刘雪兰 指导老师：王宣怀 a b s t r a c t t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f m 6 8 h c 0 8s e r i e sm c u e m b e d d e d d e v e l o p i n g p l a t f o r m t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o fm 6 8 h c 0 8s e r i e s m c ue m b e d d e d d e v e l o p i n gp l a t f o r m a b s t r a c t e m b e d e d t e c h n o l o g ye m b r a c en e we r af o ri t sp e r v a s i v ec o m p u t i n ga b i l i t y f r e e s c a l e s n e wm 6 8 h c 0 8s e r i e sm c uh a v eb e e na c c e p t e db ya l ll i n do f i n d u s t r i e sa l lo v e rt l l ew o r l d f o rt h e i rp o w e r f u lc o m p u t i n g ，l o w e re n e r g yc o n s u m p t i o na n dp r i c e t h e r ei sn e c e s s a r yt od e v e l o pa n dd e s i g np r o d u c tw i t hm 6 8 h c 0 8s e r i e sm c uu n d e r t h es u i t a b l ec i r c u m s t a n c et h a tp r o v i d ec o d ee d i t e r , c o m p i l e r , p r o g r a m m e ra n dd e b u g g e r s o m ef o r e i g nc o m p a n i e sh a v ei s s u e ds e v e r a lp r o g r a mt o o l ss u c ha sm e t r o w e r k sc o d e w a r r i o ra n dp em i c r o c o m p u t e rs y s t e m sc a s m s 0 8 ，b u tt h e ya r ee x p e n s i v ea n dt h e i n t e r f a c ei ss h o w e l li ne n g l i s h s oi ti sas e r i o u sp r o b l e mf o rm a n yn a t i v e1 1 $ e r t h e r ea r ea f e wu n i v e r s i t i e sd e v e l o pc o h e r e n tp r o g r a mt o o l sb u tt h e ya r ej u s ts u p p o r to n l yo n es t y l e m c i uo f m c 6 8 h c 0 8a n dw i t h o u td e b u g g e r t or e s o l v et h e s ep r o b l e m ，w em n gf o r w a r dan e wp r o g r a mt o o lt os u p p o r ta l lk i n do f m c u so fm 6 8 h c 0 8a n dp r o v i d ed e b u g g e rt od e b u gcc o d e i ti sac h a l l e n g et om a k ei t t r u e b a s e0 nt h eh a - s y s t e mp r o g r a m m a b l es d 一1t h a td e v e l o p e db ys o o c o ou n i v e r s i t y m c u & d s pr e s e a r c ha n dd e v e l o p ec e n t e r , d e p e n d i n go nt h ei n h e r e n te d i t e ra n dc o m p i l e r ， w ed e s i g nt h ep r o g r a mt o o lt oo f f e rg e n e r a l i z a f i o nu t i l i t y ，f l e x i b l ee x t e n t i o na n dl o wc o s t f o rn a t i v eu s e r t h ep a p e rd e s c r i b ei nd e t a i l e d l yt h es c h e m eo fa l l - p u r p o s ep r o g r a m m e ra n d d 曲u g g e rw i t hu s bi n t e r f a e e a l s oi n e l u d et h ed e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e k e yw o r d ：m 6 8 h c 0 8s e r i e s m c u s ，m c 6 8 h c 9 0 8 j b 8 ，d o w n l o a da n dd e b u gp o d ， k e r n e lb o a r d i i w r i t t e nb yl i ux u e l a n s u p e r v i s e db yw a n gy i h u a i y9 5 6 8 2 2 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文凌剖- 陛声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得蛉成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏 州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均己在史中以明确方式标明。本人承担本 声明的法律责任。 研究生签名： 乏l 望垒日期：趔6 ：【2 学位论文挺用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论 文合作部、中国社科院文献信息、情报中心确权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：速j 盈羔日期：丝止上啦 导灏篓，要：一垒组扭日期；丞疆生4 m 6 8 h c 0 8 系列m c i j 嵌入式开发平台的设计与实现 第一章绪论 第一章绪论 随着芯片制造技术的快速发展，单片机及其嵌入式应用已经成为计算机应用领域 的重要方向之一。f r e e s c a l e 半导体公司于1 9 9 9 年开始投入市场的m 6 8 h c 0 8 系列单 片机因其速度快、功能强、功耗小及价格低等优点，在单片机市场有着极高的占有率， 至2 0 0 6 年该系列单片机已经出品一百多个型号。该系列单片机在我国也得到了较广 泛的应用。利用单片机进行嵌入式产品的开发，离不开嵌入式开发工具。苏州大学于 2 0 0 2 年开发了s d 1 在线编程系统，已经被国内2 0 多所大学使用，其缺点是只针对 m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 具体型号，以及不带调试功能，而嵌入式开发平台研制的难点在于 编程器的通用性和c 语言源程序级调试的实现。本文在原有的s d 1 在线编程系统的 基础上，着眼于适用整个m 6 8 h c 0 8 系列单片机这个目标，开发通用编程器并解决c 语言源程序级调试问题。本章首先介绍相关的设计背景、课题的功能和课题的必要性， 最后给出了本文的工作内容及论文结构。 1 1m 6 8 h c 0 8 系列m c u 嵌入式开发平台的背景 1 1 1m 6 8 h c 0 8 系列m c u 概述 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是一种面向测控对象，将计算机( 或单片机) 嵌入到实际应用系统中，实现嵌入式应用的计算机系统【i j 。 微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) ，也就是人们通常所说的单片机，因此 本文中的m c u 和单片机是一个意思。单片机的全名应为单片微型计算机( s i n g l e c h i p m i c r oc o m p u t e r ) ，m c u 的基本含义是：在一块芯片上集成了中央处理单元( c p u ) 、 存储器( r a m r o m 等) 、定时器计数器及多种输入输出( i o ) 接口的比较完整的 数字处理系统f ”。各种各样的以单片机为核心的应用系统从广义上来说都是简易的嵌 入式系统。 m o t o r o l a 半导体部( 2 0 0 4 年改为f r e e s c a l e 半导体公司，以下统称f r e e s c a l e ) 于 1 9 7 4 年开始推出m c 6 8 0 0 微处理器，在此基础上，1 9 7 9 年开始生产单片机m c 6 8 0 1 ， 。在1 9 8 3 年前后发展成为较高性能的m 6 8 h c 0 5 系列，根据d a t a q u e s t 公司的资料显示， f r e e s c a l e 单片机在国际市场上占有最大份额【”。2 0 0 0 年前后，f r e e s c a l e 半导体公司继 m 6 8 h c 0 5 系列单片机之后，推出了m 6 8 h c 0 8 系列单片机，它具有功能强、价格低、 第一章绪论 m 6 8 t 1 c 0 8 系列, i c ui 扶入式开发平台的设计与实现 功耗低、指令系统丰富等特点，是新一代的8 位单片机，特别是带有闪速f l a s h 存储 器，闪速存储器具有非易失性，在断电时也能保留存储内容，这使它优于需要持续供 电来存储信息的易失性存储器，如静态和动态r a m ，闪速存储器可实现大规模电擦 除，这使它优于只能通过紫外线慢速擦除的e p r o m 或其他类型的e e p r o m ，也优 于曾经出现过的o t p 型( o n et i m ep r o g r a m m a b l e ) 的一次性编程r o m 。m 6 8 h c 0 8 的中央处理器是c p u 0 8 ，在c p u 0 8 的基础上集成不同的存储器模块与外围电路，就 会生成适应各种不同的应用环境的微控制器芯片，从而构成了品种繁多的m 6 8 h c 0 8 系列。f r e e s c a l e 的0 8 系列单片机型号有一百多种 2 l 。在这些不同型号的单片机中， 资源各不相同，即使是同一种型号的单片机，也有多种封装形式，其i o 口数目也不 相同。如m c 6 8 h c 9 0 8 j b 8 就有2 0 脚的d i p 、2 8 脚的s o i c 、4 4 脚的q f p 和2 0 脚的 s o i c 四种封装形式。 i 1 2 嵌入式开发平台的基本功能 嵌入式系统与般的集成电路应用设计不同，它是硬件与软件相结合的系统。当 硬件系统设计并制作好之后，即使没有任何故障，也必须配备相应的软件才能投入运 行；而且只有配合软件的运行才能彻底发现硬件故障或者不完善的地方，并且可能要 经过多次修改。至于软件，开发人员必须配合硬件电路进行调整与性能测试，可能也 要反复修改才够完善，最后才将成熟的软件固化到系统中。由此可见，这种硬件与软 件相互依托与相互影响显然增加了系统开发的难度，于是需要开发嵌入式开发平台来 帮助嵌入式程序的开发，实现嵌入式系统软件的编辑及编译、系统的调试和软件的写 入等功能的系统即称为嵌入式开发平台。单片机的硬件和软件设计好以后，必须借助 单片机的开发平台进行调试，排除硬件中的故障，软件中的错误，测试系统的实时性 能等，并借助于开发平台把调试好的软件固化【3 1 。 一般来说，针对带有f l a s h 存储器的单片机，一个完整的嵌入式开发平台应该包 含以下功能： ( 1 ) 可以在p c 上进行源程序的编辑和编译； ( 2 ) f l a s h 区的擦除与程序写入，一般由编程器来完成； ( 3 ) 源程序调试功能，一般由调试器完成； ( 4 ) 提供一个集成开发环境。 其中程序调试功能的实现是最复杂、最费时的，也是开发过程中关键之处。程序 m 6 8 h c 0 8 系列m c u 嵌入式开发平台的设汁与实现 第一章绪论 的调试至少提供单步跟踪与断点设置。单步跟踪是指每次只执行一条指令，并及时返 回单片机程序当前运行情况，如寄存器的值和变量的值，以便用户检查该指令执行的 结果；断点设置是指仅在程序的某些地方设置断点，程序运行到断点处即中止，并及 时返回单片机程序当前运行情况，以便用户检查该段程序运行的结果。 1 2m 6 8 h c 0 8 嵌入式开发平台的必要性 m 6 8 h c 0 8 系列单片机使用相当的广泛。从1 9 9 3 年起， f r e e s c a l e 半导体公司为 全球提供的8 位微控制器已超过5 0 亿片，然而我国国内大多数“熟悉”单片机的人 却不知晓这一底细，国内的微控制器市场从2 0 世纪8 0 年代开始，一直由i n t c l 公司 推出的m c s 5 1 占据着绝对的统治地位。人们又逐渐发现，从进口的电子信息类产品， 特别是各类通信产品中，其中有m c u 的，多数使用了f r e e s c a l e 的产品，而不是 m c s 5 1 1 4 1 。因此，学习与掌握f r e e s c a l e 微控制器技术是中国大陆全面进入国际化的 形势所迫，了解并掌握f r e e s e a l e 微控制器体系结构，有利于我们学习与掌握国外更 多的先进技术与经验，扩大自己的知识面，增强创新思维能力。 然而国内掌握并应用f r e e s c a l e 的m c u 的人却相当的少，原因就是国内f r e e s c a l e 的m c u 的相关资料比较少，f r e e s c a l e 提供的开发平台又非常的昂贵，且都是英文版， 很难学习和掌握，如f r e e s c a l e 提供的功能比较强大的集成开发环境c o d e w a r r i o r 的官 方网站报价为$ 3 ，11 4 0 0 t 5 1 。在中国，该公司提供的教学试用版，有存储空间和时间的 限制。 在国内，目前基于f r e e s c a l e 单片机的应用研发机构比较少，但最近几年f r e e s c a l e 半导体公司加大了宣传力度，并在国内一些大学中设立了研究机构，其中研发过类似 的开发平台的有复旦大学、清华大学和苏州大学。 复旦大学开发了m 6 8 h c 0 8 系列单片机仿真器，该仿真器达到在目标系统硬件尚 未定m c u 型与制版情况下，先行调试目标系统的硬件、软件设计，为目标系统的研 制提供前期基础，但是，一些情况下，难以实现1 0 0 的实时仿真，有些功能在用仿 真器调试时十分正常，而到了实际应用系统却不能顺利运行，同时，传统的仿真方式 的一些调试功能仅适用于初学者，对于具有一定开发经验并拥有通用功能模块积累的 开发者，往往增加了开发时间【6 j 。 清华大学开发的m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 教学实验板，针对m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 型号， 第一章绪论m 6 8 h c 0 8 系列m c u 嵌入式开发平台的发计与实现 提供了编译、下载程序，编辑功能由用户自己利用现有编辑工具。主要缺点有： ( 1 ) d o s 程序界面：迫使学生在对文件编辑、编译后转入d o s 界面运行。 ( 2 ) 文件必须按照其要求更改中断向量，才能在实验板上运行，实际写入空白 芯片时必须重新更改中断向量，重新编译。 ( 3 ) 每次文件编译后，必须使用其提供的c h s l 9 e x e 文件将实际的s 1 9 文件 转为一个固定文件名的文件才能写入，不仅给操作带来不变，也增加了程序的对比运 行的时间。 苏州大学m o t o r o l am c u 实验室( 作者所在的实验室) 2 0 0 2 年开发的s d 1 在线 编程系统，主要特点有：不要求用户改变中断向量、写入后自动转入用户程序执行、 全部操作在w i n d o w s 界面下完成。但也只针对m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 具体型号，以及不 带源程序级调试功能，所以下决心继续研发。而通用性和c 语言源程序级调试的实 现是有一定难度的，本课题克服这些困难，实现了通用性和c 语言源程序级调试。 关于编程器，苏州大学研制的支持f r e e s c a l em c u 的编程器，目前只支持 m 6 8 h c 9 0 8 j l 3 t 7 】和m 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 ( 8 】这两种芯片，没有达到通用性，另外不能实 现断点调试；清华大学于2 0 0 3 年推出的8 位f r e e s c a l e 单片机m 6 8 h c 9 0 8 全系列编程 裂引，专门为f r e e s e a l ef l a s h 型单片机而设计，但只支持m 6 8 h c 0 8 系列中的1 4 种 单片机，支持m c u 芯片数量少，而且为英文界面，使用不方便，也不能实现调试。 所以迫切需要研制适合国内不同用户要求的m 6 8 h c 0 8 嵌入式开发平台。 基于上述背景，作者着手开发适合国内用户需要的m 6 8 h c 0 8 系列m c u 嵌入式 开发平台，为用户提供该系列的快捷、方便、高效、廉价的通用集成开发环境。 1 3 本文工作和结构 1 3 1 本文工作 在研究生的学习过程中，作者对“嵌入式系统的软、硬件设计”、“f r e e s c a l e8 位、 3 2 位及d s p 等系列的单片机”等课题有了深入的学习和实践，积累了有关电路设计、 系统设计、数据通信方面的知识和经验，有信心将m 6 8 h c 0 8 系列m c u 嵌入式开发 平台的设计作为的毕业设计课题。 由于该开发平台中的编辑及编译部分主要是由作者的同学完成，对这部分本文不 4 m 6 8 h c 0 8 系列m c u 嵌入式开发平台的设计与实现 第一章绪论 作介绍：作者主要完成开发平台中的核心部分m 6 8 h c 0 8 系列m c u 通用编程器和调 试器的实现，以及编辑及编译器、编程器和调试器的合成，因此本文主要介绍编程器 和调试器的实现方法。 本文主要工作： ( 1 ) 硬件平台的设计与实现； 1 ) 芯片选型( 选带u s b 模块的m c 6 8 h c 9 0 8 j b 8 ) ； 2 ) 了解芯片的外围电路，分析芯片间的接线方式，设计硬件原理图； 3 ) 绘制p c b 电路图，联系厂家制作电路板： 4 ) 其他元器件的选型与采购等； 5 ) 焊接、硬件部分测试，完成硬件系统。 ( 2 ) m c u 方软件平台的设计、实现与测试 1 ) u s b l 1 协议分析： 2 ) u s b 主要子程序设计与测试； 一 3 ) 与目标芯片通信相关子程序设计与测试： 4 ) 总体功能分析与主程序设计： 5 ) 整体测试。 ( 3 ) p c 方软件设计及调试 1 ) 界面的设计； 2 ) u s b 主要子程序设计与测试； 3 ) 数据库的建立； 4 ) 擦除模块的子程序的设计与测试； 5 ) 写入模块的子程序的设计与测试； 6 ) 调试模块的子程序的设计与测试。 ( 4 ) 总体的测试。 1 3 2 本文结构 全文共七章，各章的内容安排如下： 第一章介绍课题的背景，以及开发的必要性，并给出了本文工作及结构 第二章主要介绍本课题的设计方案和所涉及到的基础知识，主要是f l a s h 存储器 的在线编程和监控r o m 。 第三章主要介绍写入调试头硬件板的设计。 第一章绪论 1 6 8 1 t c 0 8 系列m c u 嵌入式开发平台的设计与实现 第四章阐述m c u 端的软件设计方案，并给出关键子程序的源代码、流程图或算 法描述。 第五章阐述p c 机端的软件设计方案，并给出关键子程序的源代码、流程图或算 法描述。 第六章介绍设计体会。 最后一章对本文的工作进行总结，并提出一些尚待改进的地方。 6 m 6 8 , t i c 0 8 系列胍u 嵌八式开发平台的设计与实现 第二章设计方案及技术基础 第二章设计方案及技术基础 m 6 8 h c 0 8 系列m c u 嵌入式开发平台实现的难点就是通用编程器和调试器，本 章主要介绍该系列通用编程器和调试器的设计方案，以及在该方案中所涉及到的 f l a s h 存储器的编程和监控r o m 等技术细节。 2 1 设计方案 在讨论设计方案前，先简单介绍一下监控r o m 的概念，在第2 3 节中将会详细 介绍。m 6 8 h c 0 8 系列m c u 出厂时，厂家在r o m 区固化了段程序，该程序称为监 控r o m ，主要提供与外界通信的接口。因而m 6 8 h c 0 8 系列m c u 有两种工作模式： 用户模式和监控模式。用户模式是m c u 上电复位后，m c u 转向复位矢量( 地址 s f f f e $ f f f f ) 所指向的地址处执行f l a s h 中的用户程序。监控模式是m c u 在上电 复位后，执行监控r o m 中的程序。当复位矢量为“空”( $ f f ) 时，m c u 会自动进入 监控模式；当复位矢量不空时，m c u 需要一定的条件才可以进入监控模式。这些条 件包括外部晶振频率、特定i o 的电平、i r q 脚上的9 v 电压和复位信号。这些条件 满足后m c u 便可以进入监控模式，运行监控r o m 程序，该监控程序通过一个i o 口和外界交互。 目前，市场上提供的m 6 8 h c 0 8 系列编程器的实现方案是直接采用芯片技术手册 中提供的监控模式编程电路，利用监控r o m 完成对m c u 的擦除、写入、读出操作。 图2 1 为m 6 8 h c 0 8 系列m c u 的监控模式编程电路图【1 0 】，p c 机通过串行口直接与待 编程芯片( 以下称为目标m c u ) 的监控r o m 通讯，对目标m c u 进行编程。由于串 p c 机 m a x 2 3 2 m c 7 4 h c l 2 5勰 m c u 审r x d 丁2 0 u t 亿刑 行 0 e ia 2 一 用于通讯 n t x dr 2 r nr 2 0 u 1- e _ j a i y 1 的y o 口 图2 - 1f r e e s c a i e 公司提供的编程器原理图 行口有两个数据线，一个为发送数据线，另一个为接收数据线，是全双工的，而目标 m c u 在监控模式下只有一根数据线，同时用来接收和发送数据，是半双工的，于是 中间加了芯片7 4 h c l 2 5 “埙串口的两根数据线并为一根数据线和目标m c u 通讯。作 者的师兄曾经使用过该方案实现过对f r e e s c a l e 的m c 6 8 h c 9 0 8 j l 3 ( 1 2 】的编程，但在实 第二章设计方案及技术基础 m 6 8 h c 0 8 系列m c u 嵌入式开发平台的设计与实现 践中发现，该方案至少存在两个缺点：第一，程序写入速度慢；第二，它很难达到通 用性。不同的目标m c u 进入监控的外围电路有很大差别，例如，要进入监控模式， m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 【1 3 】( 以下简称g p 3 2 ) 所需的外部晶振频率为4 9 1 5 2 m h z 或 9 8 3 0 4 m h z ，m c 6 8 h c 9 0 8 j b 8 【1 4 1 为3 m h z 或6 m h z ，m c 6 8 h c 9 0 8 g z 6 0 【1 5 】为4 m h z 或 8 m h z 。因此对不同的目标m c u 编程，需要重新设计进入监控的外围电路，无法达 到通用性。 为了克服这些缺点，作 者考虑在p c 机和目标 m c u 之间加一个m c u ( 以 下称为主控m c u ) ，如图 2 - 2 所示，主控m c u 接收 p c 机发送的操作命令，与 目标m c u 进行通信，使目 标m c u 完成相应的操作。 主控m c u 和目标m c u 分 i 主控m c u 所在的电路板1 目标m c u 所在的电路板 图2 - 2 使用主控m c u 方案 别设计在两块电路板上，两个电路板之间通过排线相连，以实现两板间的数据通信和 信号控制。主控m c u 电路板提供所有目标m c u 进入监控所需的信号，目标m c u 只要留出相应的进入监控的接口就行了，要对不同的目标m c u 操作，只需要更换目 标m c u 电路板，这样就很容易实现该开发平台的通用性，另外用m c u 控制m c u 比较容易，并且稳定性好。 对于调试器，目前用得很多的方案是软件调试，就是编一段监控程序，写在目标 m c u 的f l a s h 区的最后面，然后利用这个监控程序达到调试的目的。但在作者实现 了该方案后，发现该方案至少有三个缺点：第一，它占用了用户的资源，程序需要放 在f l a s h 区，因此占用了f l a s h 资源，程序运行需要内存，因此占用了r a m 资源，一 般m c u 的资源本来就少，如芯片m c 6 8 h c 9 0 8 q t i 的r a m 区只有1 2 8 个字节，f l a s h 区只有1 5 k 个字节【16 1 ，这样用户使用软件调试很不方便；第二，软件调试需要占用 串行口，限制了对串口的调试：第三，不能达到通用性，因为所编的监控程序中一些 参数是针对具体芯片的，不同的目标m c u 参数值不一样，监控程序也不一样。 上砸介绍到m 6 8 h c 0 8 系列m c u 内部都有监控r o m ，作者考虑能不能也利用监 控r o m 达到调试程序的目的。如果可行的话，由于监控r o m 不占用用户资源，不 使用串口，而且m 6 8 h c 0 8 系列m c u 内部监控r o m 的功能都是一样的，这样就提 m 6 8 h c 0 8 系列m c u 嵌入式开发平台的设计与实现 第二帮设汁方案及技术基础 高了调试的灵活性和通用性。但这又带来了一个难点，f r e e s c a l e 公司并没有公布监控 r o m 的源代码，而各个芯片手册上对监控r o m 的介绍对于要解决调试功能是远远 不够的，一些相关的书籍有源代码的介绍m 】，但只是介绍了一些子程序，关键的主程 序没有介绍。于是作者编写程序读取了g p 3 2 的监控r o m 的字节，并将读出来的字 节进行反汇编后分析，终于确定使用监控r o m 完全可以实现对用户程序的调试，最 后确定了该方案的可行性。 由上面的分析得知，编程器和调试器的实现都以监控r o m 为工具，两者有机结 合，形成最终的解决方案：硬件上使用主控m c u 的方案：软件上分p c 方软件和主 控m c u 方软件，m c u 方软件与目标m c u 的监控r o m 交互，完成编程和调试操作， p c 方软件主要实现对这些操作的控制，与m c u 方软件配合使用达到对m 6 8 h c 0 8 系列m c u 的编程及调试。 2 2f i a s h 存储器的编程 f r e e s c a l e 公司在f l a s h 存储器技术相当成熟的时候，在m 6 8 h c 0 8 系列单片机内 集成了f l a s h 存储器。该系列单片机内部的f l a s h 存储器不但可用编程器对其编程， 而且也可以由内部程序在线写入，从而给嵌入式系统设计与编程提供了方便川。存储 器是m c u 的重要组成部分，存储器技术的发展对单片机的发展起到了极大的推动作 用。 2 2 1f i a s h 存储器的基本特点 f l a s h 存储器是一种高密度、真正不挥发的高性能读写存储器，兼有功耗低、可 靠性高等优点。与传统的固态存储器工艺相比，f l a s h 存储器的主要特点如下： 固有不挥发性：这一特点与磁存储器相似，f l a s h 存储器不需要后备电源来保 持数据。所以，它具有磁存储器无需电能保持数据的优点。 易更新性：f l a s h 存储器具有电可擦除特点。相对于e p r o m ( 电可编程只读 存储器) 的紫外线擦除工艺，f l a s h 存储器的电擦除功能为开发者节省了时间，也为 最终用户更新存储器内容提供了可能。 成本低、密度高、可靠性好：f l a s h 存储器与e e p r o m ( 电可擦除可编程的 只读存储器) 相比较，f l a s h 存储器的成本更低、密度更高、可靠性更好。 2 2 2m 6 8 h c 0 8 系列单片机fa s h 存储器的特点与编程模式 在将f l a s h 存储器技术引入单片机的初期，f l a s h 存储器与r o m 或e p r o m 相比 9 第二章设计方案及技术基础 m 6 8 h c 0 8 系列m c u 嵌入式开发平台的设计与实现 较，其可靠性和稳定性存在一些不足。f r e e s c a l e 公司在f l a s h 存储器技术相当成熟的 时候才推出片内带有f l a s h 存储器的8 位单片机，在应用方便性和可靠性等方面有自 己的特点，主要有以下几个方面： 第一，编程速度快及可靠性高。m 6 8 h c 0 8 系列单片机对单字节的编程时间在4 0 n s 以内，对片内f l a s h 的整体擦除时间也可以控制在5 m s 以内，片内f l a s h 的存储数据 可以保持1 0 年以上，可擦写次数也在l 万次以上。 第二，单一电源电压供电。一般的f l a s h 存储器，在正常的只读情况下，只需要 用户为其提供普通的工作电压即可，而要对其编程，则需要同时提供高于正常工作电 压的编程电压。但是，m 6 8 h c 0 8 系列单片机通过在片内集成电荷泵，可由单一工作 电压在片内产生出编程电压。这样，可实现单一电源供电的在线编程，不需要为f l a s h 的编程而在目标板上增加多余的硬件模块。 第三，支持在线编程。m 6 8 h c 0 8 系列单片机的片内f l a s h 支持在线编程( i n c i r c u i t p r o g r a m ) ，允许单片机内部运行的程序去改写f l a s h 存储内容，这样可以代替外部电 可擦除存储芯片，减少外围部件，增加了嵌入式系统开发的方便性。 下面以g p 3 2 为例，介绍m 6 8 h c 0 8 的f l a s h 存储器的编程方法。 2 2 3g p 3 2 单片机f i a s h 存储器编程方法 1 f l a s h 存储器编程的基本概念 虽然f l a s h 存储器是一种快速的电可擦除、电可编程( 写入) 的读写存储器，但 是基于物理结构原因，对f l a s h 存储器的擦除及写入一般需要高于电源的电压， m 6 8 h c 0 8 系列单片机的片内f l a s h 存储器内含有“升压电路”，使其能够在单一电源 供电情况下进行擦除与写入。对f l a s h 编程的基本操作有两种：擦除( e r a s e ) 和写入 ( p r o g r a m ) 。擦除操作的含义是将存储单元的内容由二进制的0 变成1 ，而写入操作 的含义，是将存储单元的内容由二进制的1 变成0 。擦除及写入操作都是通过设置或 清除f l a s h 存储器的控制寄存器( f l c r ) 中的某个或某些位来完成的【l9 1 。 f l a s h 存储器在片内是以页( p a g e ) 和行( r o w ) 为单位组织的。页和行的大小 ( 字节数) 随整个f l a s h 存储器的大小变化而变化，但页的大小始终为行的两倍。例 如g p 3 2 内含3 2 k 的f l a s h 存储器( 地址为$ 8 0 0 0 $ f d f f ) ，每页的大小为1 2 8 字节， 每行的大小为6 4 字节；而m c 6 8 h c 9 0 8 j l 3 片内f l a s h 存储器仅有4 k ，每页和每行的 大小也分别变为6 4 字节和3 2 字节。 对于g p 3 2 单片机来说，对f l a s h 存储器的擦除操作可以进行整体擦除也可以仅 擦除某一起始地址开始的一页( 1 2 8 字节) 。也就是说，不能仅擦除某一字节或一次 o m 6 8 h c 0 8 系列m c u 嵌入式开发5 卜台的设计与实现 第二章设计方案及技术基础 擦除小于1 2 8 字节。注意这一特点，在数据安排时尤为重要。g p 3 2 单片机的写入操 作以行( 6 4 字节) 为基础，一次连续写入数据个数只能在一行之内。当然，不经过 擦除的区域，不能进行写入，这一点需特别注意。 从这里可以看出，对f l a s h 存储器的写入，必需将一组数据准备好后，放入r a m 区，然后擦除f l a s h 存储器的相应区域并进行写入。我们要考虑到对f l a s h 存储器的 某一字节擦除与写入会影响其后的一页，所以，在进行擦除与写入操作之前，把与擦 除区域相关的数据安排好十分必要。 2 f l a s h 存储器的编程寄存器 在g p 3 2 单片机中，与f l a s h 编程有关的寄存器有2 个，它们是f l a s h 控制寄存器 ( f l c r ) 和f l a s h 块保护寄存器( f l b p r ) 。对应的地址分别为$ f e 0 8 和$ f f 7 e 。下 面分别阐述这些寄存器的功能及用法。 ( 1 ) f l a s h 控制寄存器( f l a s hc o n t r o lr e g i s t e r f l c r ) f l c r 的地址：$ f e 0 8 ，定义为 d 7 d 4 位：未定义。 d 3 一h v e n 位：高压允许位( h i g h - v o l t a g e e n a b l e b i t ) 。h v e n = 1 ，打开电荷 泵并将高电平加到f l a s h 阵列上：h v e n = 0 ，撤除f l a s h 阵列上的高电平并关闭电荷 泵。当p g m = 1 或e r a s e = i 时，可以通过设置h v e n 将来自片内电荷泵的高压加到 f l a s h 阵列上。 d 2 一m a s s 位：整体擦除控制位( m a s se r a s ec o n t r o lb i t ) 。该位在e r a s e = l 时有效，用于选择f l a s h 擦除操作方式：整体擦除或页擦除。m a s s = i ，选择整体擦 除方式；m a s s = 0 ，选择页擦除方式。 d 1 一e r a s e 位：擦除控制位( e r a s ec o n t r o lb i t ) 。该位用于设置f l a s h 编程操 作为擦除操作。e r a s e 位与p g m 位之间存在互锁关系，无法同时被设置为1 。 e r a s e = 1 ，选择擦除操作；e r a s e = 0 ，不选择擦除操作。 d o p g m 位：编程( 写入) 控制位( p r o g r a mc o n t r o lb i t ) 。该位用于设置f l a s h 编程操作为编程( 写入) 操作，且无法与e r a s e 位同时为l 。p g m = 1 ，选择写入操 作；p g m = 0 ，不选择写入操作。 ( 2 ) f l a s h 块保护寄存器( f l a s hb l o c kp r o t e c tr e g i s t e r f l b p r ) f l b p r 的地址：$ f f 7 e ，它的内容为f l a s h 保护区域的起始地址的1 4 7 位，保护 第二章设计方案及技术基础 m 6 8 h c 0 8 系列m c i j 嵌入式开发平台的设计与实现 区域的起始地址的最高位始终为i ，而保护区域的起始地址的低7 位( 位6 o ) 始终为 0 。对f l b f r 写入，可以设定被保护的f l a s h 区域，它本身也是个f l a s h 字节。当 f l a s h 处于保护状态时，擦除和写入操作都是受限制的，h v e n 将无法被正常置起。 f l a s h 块保护寄存器设定的只是保护区域的起始地址，保护区域的结束地址始终为 f l a s h 存储区的结束地址( $ f f f f ) 。例如，设定f l b p r 的值为$ 0 2 ( 0 0 0 00 0 10 ) ，则 保护区域为$ 8 1 0 0 $ f f f f ( 1 0 0 00 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 11 1 1 11 1 1 l1 1 1 1 ) 。 特别情况是：f l b p r 的存储内容为$ o o ，整个f l a s h 存储区郡受到保护；如果f l b p r 的存储内容为$ f f ，则整个f l a s h 存储区都可以被擦除或写入。 3 f l a s h 存储器的编程过程 在m 6 8 h c 0 8 系列单片机中，对f l a s h 进行擦除或写入操作需要遵循一定的时序 和步骤。对于整个m 6 8 h c 0 8 系列的各个型号，这些步骤是一样的，但时序要求可能 略有不同，针对具体型号的f l a s h 进行编程时应参考相应的芯片手册。下面介绍g p 3 2 的f l a s h 编程的基本操作。 1 ) 页擦除操作 按照下面过程，可以擦除g p 3 2 的f l a s h 存储器的一页( 1 2 8 字节) ： ( i ) $ 2 - - f l c r ( i e r a s e 位，0 一m a s s 位) ：进行页面擦除； ( 2 ) 读f l a s h 块保护寄存器f l b p r ； ( 3 ) 向被擦除的f l a s h 页内任意一个地址写入任意值，为方便起见，一般向待擦 除页首地址写入0 ； ( 4 ) 延时t n v s ( 1 0us ) ； ( 5 ) $ a - - f l c r ( 1 一h v e n 位) ： ( 6 ) 延时t e r a s e ( l m s ) ； ( 7 ) $ 8 一f l c r ( o e 耳a s e 位) ： ( 8 ) 延时m v h ( 5 us ) ； ( 9 ) $ 0 一f l c r ( o h v e n 位) ； ( 1 0 ) 延时t r c v ( 1 1 ts ) ，完成一页的擦除操作。 2 ) 整体擦除操作 下面是擦除g p 3 2 的整个f l a s h 区域的具体过程。 ( i ) $ 6 一f l c r ( 1 - - e r a s e 位，1 一m a s s 位) ：进行整体擦除； ( 2 ) f l a s h 块保护寄存器f l b p r ； ( 3 ) 被擦除的f l a s h 任意一个地址写入任意值，为方便起见，般向首地址写入o ： m 6 8 9 c 0 8 系列肌u 嵌入式开发平台的设计与实现 第二章设计方案及技术基础 ( 4 ) 延时t n v s ( 1 0 ps ) ； ( 5 ) $ e f l c r ( i h v e n 位、m a s s 位、e r a s e 位) ； ( 6 ) 延时t m e r a s e ( 4 m s ) ； ( 7 ) $ c f l c r ( o e r a s e 位) ； ( 8 ) 延时t n v h l ( 1 0 0us ) ； ( 9 ) $ o f l c r ( o h v e n 位、m a s s