（计算机系统结构专业论文）混合信号微控制器实验系统的设计与开发.pdf

中文摘要 单片机技术经过几十年的发展，经过单片机、微控制器等不同的发展阶段， 正在向片上系统迈进。由于单片机技术的重实践性，教学实验系统在单片机教学 中是不可或缺的，本文所讨论的教学实验系统采用片上资源丰富的混合信号微控 制器c 8 0 5 1 f 3 2 0 作为系统的核心，简化了系统硬件设计，很适合于单片机实验教 学。 本文主要从教学实验系统的硬件结构、软件设计以及实验系统的性能特点几 个方面对实验系统进行深入阐述。 第一章简要介绍了教学实验系统课题的背景及发展现状，并给出了混合信号 微控制器实验系统的总体结构。第二章从硬件设计和软件设计方面对教学实验系 统的构成和实现进行了探讨。 本文重点分析阐述了实验系统的三大模块，接口实验模块、数据采集模块和 波形产生模块。在接口实验模块，主要就当前应用十分广泛的通用串行总线( u s b ) 进行了深入细致的分析讨论。重点讨论了u s b 四种类型的传输，即控制传输、中 断传输、批量传输和等时传输。对批量传输，在深入分析u s b x p r e s s 软件开发包 所提供固件接口库函数的基础上，重新实现并封装了接口函数。在数据采集模块， 实现了电话录音功能，并讨论了模拟信号的多通道数字化切换和a d 动态取样频 率的实现技术。波形产生模块，研究了f c 总线的通信原理及实现方法，通过片外 d a 芯片m a x s l 8 ，实现了函数发生器，可在此基础上产生用函数表定义的任何周 期函数。 在本文的附录中，给出了实验模块的部分代码。 关键词：实验系统；通用串行总线；动态取样；l 总线 分类号：t p 3 6 8 2 j k 塞銮亟左堂亟堂僮j 金窑 a b s t ra c r t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mi si n d i s p e n s a b l ei nt h em i c r o c o n t r o l l e rt e a c h i n g t h e e x p e r i m e n t a ls y s t e md i s c u s s e di nt h i sp a p e ra d o p t sc 8 0 5 1 1 3 2 0w h i c hi sf u l l y i n t e g r a t e dm i x e d s i g n a ls y s t e m - o n - a c h i pm c u a si t sc o r e ，w h i c hm a k e st h es y s t e m h a r d w a r ed e s i g ns i m p l e t h es y s t e mi sv e r ys u i t a b l ef o re x p e r i m e n t a lt e a c h i n g t h ep a p e rm a i n l yn a r r a t e dd e s i g no ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mf r o ms o m er e s p e c t s ： h a r d w a r es t r u c t u r e 、s o f t w a r ed e s i g na n dt h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e e x p e r i m e n t a ls y s t e m i nc h a p t e r1 ，t h ei s s u eb a c k g r o u n da n dd e v e l o p m e n ts t a t u sw e r eb r i e f l yn a r r a t e d , m e a n w h i l e d i s c u s s e dt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h e e x p e r i m e n t a ls y s t e m c h a p t e r2 i n t r o d u c e dt h ec o m p o s i n ga n dd e s i g no ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mf r o m2r e s p e c t s ： h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n t h r e em a i nm o d u l e so ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mw e r em a i n l ye m p h a s i z e di n t h i s p a p e r t h e ya r ei n t e r f a c ee x p e r i m e n t a lm o d u l e 、d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ea n dw a v e f o r m g e n e r a t o rm o d u l er e s p e c t i v e l y i n t h ei n t e r f a c e e x p e r i m e n t a lm o d u l e ，m e t i c u l o u s l y n a r r a t e dt h eu n i v e r s a ls e r i a lb u s ，w h i c hi su s ew i d e l yn o w f o u rt r a n s f e rt y p e so fu s b t r a n s f e rw e r em a i n l yd i s c u s s e d ，n a m e l y , c o n t r o lt r a n s f e r 、i n t e r r u p tt r a n s f e r 、b u l k t r a n s f e ra n di s o c h r o n o u st r a n s f e r f o rb u l kt r a n s f e r , o nt h eb a s i so fa n a l y s i so ft h e i n t e r f a c el i b r a r yf u n c t i o n sp r o v i d e db yu s b x p r e s sd e v e l o p m e n tk i t s , r e a l i z e dt h e i n t e r f a c ef u n c t i o n sf o rt h eu s bt r a n s f e ra n de n c a p s u l a t e dt h e mi n t ol i b r a r yf u n c t i o n s i n t h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，w en a r r a t e dm u l t i c e n t e rd i i g i t a ls w i t c ho fa n a l o gs i g n a l s a n da dd y n a m i cs a m p l i n gf r e q u e n c yt e c h n o l o g y , r e a l i z e dt h et e l e p h o n er e c o r d i n g s y s t e m i n t h ew a v e f o r mg e n e r a t o rm o d u l e , a f t e rr e s e a r c h i n gt h ec o m m u n i c a t i o n p r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o nm e t h o do ff cb u s ，r e a l i z e dt h ew a v e f o r mg e n e r a t o r , t h ed a c o n v e r t e ra d o p t e dm a x 5 1 8w h i c hh a sas i m p l e2 - w i r es e r i a li n t e r f a c e t h ew a v e f o r m g e n e r a t o rc a ng e n e r a t ea n yp e r i o d i cf u n c t i o n sw h i c h a r cd e f i n e db yf u n c t i o nt a b l e i nt h ea p p e n d i xo fp a p e r , p a r to ft h es o u r c ec o d eo f e a c hm o d u l ew a s p r o v i d e d k e y w o r d s ：e x p e r i m e n t a ls y s t e m ；u s b ；d y n a m i cs a m p l e ；i z cb u s c l a s s n o ：t p 3 6 8 2 致谢 本论文的工作是在我的导师陈连坤副教授的悉心指导下完成的，陈连坤副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。陈老师悉心指导 我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助， 在此衷心感谢两年多来陈老师对我的关心和指导。 衷心感谢周洪利副教授两年多来对我的帮助和指导。感谢实验室的每一位同 学，在日常生活和学习过程中，他们给予了我无私的帮助和关怀。 最后，再次对在我读研期间所有关心、支持我的老师、同学们致以衷心的感 谢。并祝愿他们在今后的学习和工作中一帆风顺、再上新台阶! 1 1 课题背景 1 引言 单片机技术经过几十年的发展，功能越来越强大，经历了从单片机到微控制 器的发展阶段，正在向更高的阶段迈进。由于单片机一词深入人心，国内一般习 惯将一些高性能的微控制器仍称为单片机。 单片机以其高可靠性、高性价比、低电压、低功耗等一系列优点，近几年得 到迅猛发展和大范围推广，广泛应用于工业控制系统、数据采集系统、智能化仪 器仪表，以及通讯设备、日常消费类产品、玩具等。并且已经深入到工业生产的 各个环节及人们生活的各个层次中，如车间流水线控制、自动化系统、智能型家 用电器等，无不含有微控制器，即单片机。可以说，单片机是无处不在的。 产业的巨大需求需要大量的单片机人才，培养优秀的单片机人才，对于提高 我国单片机发展水平、发展国民经济具有十分重要的意义。单片机教学在我国已 经有2 0 余年的历史，为我国培养了大批的嵌入式系统应用人才。2 0 多年来，8 位 单片机教学形成了以m c s 5 1 为基础的教学体系，m c s - 5 1 的经典结构、优异的兼 容性以及各半导体厂商的众星捧月，使得m c s 5 1 系列单片机保持了强劲的发展 势头，经久不衰i 。至今，8 位单片机仍然是嵌入式系统入门的重要教学内容，是 工科专业的基本工程训练内容。 尽管m c s - 5 1 单片机系列具有顽强的生命力，单片机技术的飞速发展使得 m c s 5 1 单片机系列的教学内容也应作相应的变化。这些变化是1 1 i ： 1 全面转向c m o si 艺，使得单片机具有了功耗可控的特性； 2 s o c 的发展趋势。所谓s o c ，即片上系统，就是在一个硅片上实现一个系 统，是嵌入式系统发展的最终形态。从单片微型计算机到单片微控制器，直到今 天的片上系统( s o c ) ，都在追求单片的最大化扩展； 3 应用系统串行为主的外部扩展。早期的m c s - 5 1 中提供有并行总线，实现 了外部数据的快速传输。但随着技术的发展，串行数据传输技术及器件支持有了 很大的变化，大量高速存取的单元进入片内，有限的外部扩展完全可以依靠串行 总线完成。 作为单片机教学必要的辅助手段的教学实验系统，也应该做相应的变化，以 适应新型应用的需要。 c 8 0 5 1 f 是一个通用的s o c 微控制器系列，有较先进的体系结构，同时又贴近 北塞交道太堂亟兰使i 金塞 当前真实的单片机应用环境，有助于缩短课堂学习内容与未来工作实际情况的距 离。本课题研究和开发了一个基于c 8 0 5 1 f 系列微控制器的教学实验系统。系统是 为相关课程开发设计的，除可进行实验用途之外，还可用于科研的前期方案认证 及前期开发。 1 2 发展现状和现实意义 单片机的设计和应用技术在不断的向前发展，原有高校中的单片机教学与实 验内容已大大落后于现实需要，致使学生在校培养的技能和产业需要严重脱节。 因此，单片机教学与实践内容的改革迫在眉睫。 尽管随着技术的发展，嵌入式系统已由8 位系统向1 6 位、3 2 位系统迈进，但 不可否认的是，8 位系统仍是当前业界的主流产品，并将在未来很长的时间里持续 发展。 m c s 5 1 系列单片机是i n t e l 公司开发和生产的8 0 5 1 系列单片机，在国内拥有 广泛的用户。高校单片机教学中，也大都以m c s 5 1 为首选机型进行讲解，所开 发的教学实验系统也多是基于m c s 5 1 系列单片机开发设计的。 m c s 5 1 单片机作为目前最具代表性的主流机型，基于该机型的教学实验系统 为我国的单片机教学发挥了巨大的作用，然而，随着单片机的应用进入s o c 时代， 其不足和缺陷也显而易见。 1 随着半导体技术的迅猛发展，新型应用对速度的要求越来越高，而m c s - 5 l 是8 位单片机中运行最慢的系列，势必将退出历史的舞台，被速度更快、性能 更优的机型所取代。 2 片上资源不够丰富。在应用日益复杂的今天，s o c 概念深入人心，人们 力求把各种资源集成在一个芯片上，以简化系统设计，提高系统性能。 3 基于m c s 5 1 单片机的系统开发多以在线仿真器( i c e ) 作为系统调试 的手段。i c e 控制目标系统的运行，是系统开发调试很有效的工具，但它也有很 多不足之处。 物理限制 在线仿真器无法与目标系统相连，一般是由于在设计系统的p c b 板时未考虑 在线仿真器与其的连接问题，如未预留与在线仿真器的处理器插头的插座或预留 的空间太小。 时序限制 时序限制则是由在线仿真器控制逻辑的限制所引起的。在线仿真器需要有 r a m 映射器，这意味着对目标系统与在线仿真器共同工作的能力有更高的要求。 2 如果目标系统在设计时要求在处理器、目标内存或目标系统中的其他存储器映射 i ，o 设备之间有非常陡的时序边缘，使用在线仿真器就可能会产生问题。 片上高速缓存的影响 使用在线仿真器来调试带有片上指令与数据高速缓存的处理器时，如果想设 置复杂的断点，必须关闭上高速缓存。 4 功耗问题的限制。m c s 5 1 是5 v 供电的，功耗较大，难以满足许多系统 低功耗的要求。 c 8 0 5 1 f 系列单片机是美国s i l i c o nl a b s 公司设计的，对原5 1 单片机内核进行 了较大改造，设计丁以流水线方式处理指令的c i p - 5 1 内核，废除了原5 1 单片机中 的机器周期，由原来1 2 个时钟执行一条指令改进为一个时钟执行一条单周期指令， 大多数指令执行所需的时钟周期数与指令的字节数相同，使得c 8 0 5 1 f 单片机的运 行速度大大提高。 c 8 0 5 1 f 单片机的设计者除改造了5 1 内核外，还将f l a s h 、x r a m 、a d 、d ，a 、 f c ，s p i 、u a r t 以及片上温度传感器等集合为一体，组成了s o c ( 片上系统) 型 单片机。c 8 0 5 1 f 单片机兼容5 1 指令集，能够沿用过去开发的5 1 应用程序，使得 一直用5 l 单片机教学的高校和从事5 1 单片机开发应用者可以继往开来。 c 8 0 5 1 f 主要技术创新主要体现在以下几个方面【i 】： 1 高速的c i p 5 1 内核； + 2 灵活的交叉开关设置，1 1 0 端口的配置由固定方式改变为软件设定方式， 可将片内资源分配到i o 端口； 3 具有多复位源、多中断源方式； 4 3 3 v 的工作模式进一步降低了系统功耗； 5 片内具有s p i 、s m b u s ( r - c ) 和u a r t 总线接口，部分机型增加了c a n 和u s b 等接口； 6 具有更完善的时钟系统，时钟振荡器可编程并具有多个时钟源：， 7 可通过j t a g 接口用边界扫描方式实现芯片在系统编程调试，无需购买价 格昂贵的仿真器，从而节省了系统开发成本。 由于c 8 0 5 1 f 单片机具有上述这些优点，给用户带来了前所未有的好处。越来 越多的用户把目光转向c 8 0 5 1 f 单片机，用c 8 0 5 1 f 系列单片机设计应用产品，把 c 8 0 5 1 f 单片机作为8 位单片机的最佳选择。目前，c 8 0 5 1 f 单片机在国内外已经 得到广泛应用。 随着单片机技术的发展，c 8 0 5 1 f 系列微控制器已成为事实上5 1 的升级替代 产品，那么必然会成为经典单片机教学的方向。因而，开发基于c 8 0 5 1 系列微控 制器的教学实验系统，具有相当的实用价值和广阔的市场前景。 3 韭庭窑通太堂亟土堂位纶塞 目前，国内基于c 8 0 5 1 f 微控制器的教学实验系统有新华龙电子有限公司1 2 】的 n c d c i p 5 1 f 0 2 0 系统实验机及西安铭朗电子科技有限公司m i , - f 0 2 0 m l - f 1 2 0 开 发板，其中n c d c i p 5 1 f 0 2 0 系统实验机采用c 8 0 5 1 h y 2 0 微控制器， m l f 0 2 0 m l - f 1 2 0 开发扳分别采用c 8 0 5 1 f 0 2 0 和c 8 0 5 1 f 1 2 0 微控制器，c 8 0 5 1 f 0 2 0 是一款集成度高，功能强大的单片机芯片，非常适合于要求速度快、可靠性高、 扩展性强和节电的应用系统，但它片内没有集成u s b 控制器，这在u s b 应用层出 不穷的今天，无疑是一个很大的欠缺。在当前u s b 应用相当广泛的形式下，选用 一种具有全速u s b 功能的微控制器芯片来构成教学实验系统，是很有意义的。具 有片上系统色彩的高速混合信号微控制器c 8 0 5 1 f 3 2 0 就是其中相当优秀的一款。 本实验系统的标准实验模块就是采用c 8 0 5 1 f 3 2 0 芯片作为系统的核心。 1 3 实验系统的总体结构 本实验系统分为标准实验模块、扩展实验模块及实用嵌入式模块三部分。 在标准实验模块中，采用具有片上系统色彩的混合信号微控制器芯片c 8 0 5 1 f 3 2 0 ， 并实现了c 8 0 5 1 f 3 2 0 单片机上的绝大部分资源，标准模块可提供如下实验： 双色l e d 和蜂鸣器控制实验； 六位l e d 数码显示实验； 温度采集实验； u s b 接口实验； r s 2 3 2 接口实验； r s 4 8 5 接口实验； 数据采集实验： 波形产生实验； 万能红外遥控器。 4 标准实验模块的组成框图如图1 1 所示： 图1 1 标准实验模块的组成框图 f i g u r e1 1c o m p o n e n td i a g r a mo f s t a n d a r de x p e r i m e n t a lm o d u l e 扩展实验模块通过扩展插槽和标准实验模块连接，可提供有如下实验： 键盘实验 l e d 点阵显示实验 l c d 汉字和图形显示实验 1 2 c 接口实验 s p i 接口实验 数据采集和显示实验( 虚拟低频示波器) 数据产生和显示实验( 虚拟低频信号发生器) g s m g p r s 应用实验 5 扩展实验模块的组成框图如图1 2 所示： 图1 2 扩展实验模块的组成框图 f i g u r e1 2c o m p o n e n td i a g r a m o fe x t e n d e de x p e r i m e n t a lm o d u l e 实用嵌入式模块包括两个实验模块： 1 u s b c a n 模块 实现u s b 转c 州的功能； 提供库函数； 可构成c a n ；， 接扩展实验模块可进行更多的实验，再接标准实验模块可进行多g o u 系统的实验。 2 t c p f l p 模块 实现t o p i p 协议； 提供库函数； 实现互联网接入实验； 接扩展实验模块可进行更多的实验，再接标准实验模块可进行多9 0 u 系统的实验。 实验系统共提供有1 9 个实验，大致可划分为以下几类：显示类实验、接口类 实验、混合信号类实验和综合实验，分布于各个实验模块之中。显示类实验包括 双色l e d 控制、六位l e d 数码显示、l e d 点阵显示、l c d 汉字和图形显示等实 6 验，通过这些实验，能够使学生对时钟概念、i o 端口、交叉开关、看门狗定时器 的使用有贴切的体会，其中交叉开关允许对内部资源进行分配，使系统的设计更 加方便灵活，是c 8 0 5 1 f 单片机的一个亮色。集成有中文字库的单色l c d 点阵， 可进行汉字的显示。接口实验包括u s b 接口实验、r s 2 3 2 接口实验、r s 4 8 5 接口 实验、1 2 c 接口实验、s p l 接口实验等，u s b 接口实验通过实现u s b 接口转4 8 5 韦根接口的感应卡的功能以及实现同步时钟模块功能，使学生掌握u s b 技术。利 用r s 2 3 2 进行与p c 的通信及r s 4 8 5 构成4 8 5 网络，通过1 2 c 接口实验、s p i 接口 实验，掌握这些接口的应用。混合信号类包括温度采集实验( 通过l e d 数码管显 示) 、数据采集实验( 通过u s b 进行电话录音) 、波形产生实验、万能红外遥控器 以及扩展模块的虚拟低频示波器的信号采集和显示实验和虚拟低频信号发生器的 信号发生和显示实验，还提供有t c m c 3 5 1 接口，以进行g s m g p r s 实验。 7 j b 毫銮通太堂亟堂焦论塞 ： 2 混合信号微控制器实验系统的硬软件开发平台 2 1 实验系统的硬件开发平台 2 1 1 实验系统微控制器的选择 对于微控制器的选择，主要基于以下两个原则。 1 集成度高 由于硬件技术的高速发展，数字部件的高度规范性使得硬件电路集成度提高。 作为一个实验系统，应该要求有丰富的片上资源，因而要尽量使用集成度高的器 件。 2 性价比要好 任何系统中对微控制器的选择都要考虑成本的因素，以提高市场竞争力，作 为实验系统的微控制器选型，更要考虑成本的因素。 因而，我们采用了性能较高但价格较低的c 8 0 5 1 f 系列微控制器作为实验系统 的核心。 c 8 0 5 1 f 系列微控制器采用c i p 8 0 5 1 内核结构，使单周期指令速度提高到 m c s 5 1 的1 2 倍。c 8 0 5 1 f 微控制器为数、模混合集成，且带片上系统色彩的高性 能8 位微控制器。c 8 0 5 1 f 微控制器集成了嵌入式系统的许多先进技术，在许多方 面已超过当前8 位微控制器的水平。 c 8 0 5 1 f 微控制器对8 0 c 5 1 的技术突破主要体现在以下几个方面【3 l ： 1 高速的c i p 5 1 内核 微控制器采用c i p ：5 1 处理器模式，c i p 5 1 采用流水线结构，与标准的8 0 5 1 结构相比指令速度有了很大的提高。在这种模式中，废除了机器周期的概念，指令 以时钟周期为运行单位，每个机器周期可以执行完一条单周期指令，7 0 的指令 的执行时间为一个或两个系统时钟周期，只有4 条指令的执行时间大于4 个系统 时钟周期，从而大大提高了指令执行速度。 c i p - 5 1 内核工作在最大系统频率2 5 m h z 时，它的峰值速度达到2 5 m i p s 。图 2 1 给出了几种8 位微控制器内核工作在最大系统频率时峰值速度的比较关系。 8 猩盒信墨煎撞剑墨塞墅墓统曲鲤煞性五蕉垩鱼 图2 1m c u 峰值执行速度比较 f i g u r e 2 1c o m p a r i s o n o f p e a k e x e c u t e r a t e o f d i f f e r e n t m c u s 2 灵活的i o 交叉开关配置 0 9 0 5 1 微控制器采用开关网络以硬件方式实现i o 端的灵活配置，可将内部 数字系统资源定向到p o p 1 和p 2 端v il d o 引脚，这就允许用户根据自己的特定 应用选择通用i d o 端口和所需数字资源的组合。 3 先进的时钟系统 c 8 0 5 1 f 微控制器提供了一个完整而先进的时钟系统，内部设置了一个可编程 的时钟振荡器，可进行可变时钟的设定；外部的振荡器可选择四种方式，当程序 运行时，可实现内外时钟的动态切换。编程选择的时钟输出s y s c l k 除供片内使 用外，还可以从i 0 口输出。 4 j t a g 系统调试接口 c 8 0 5 1 f 微控制器在8 位单片机中率先配置了标准的j t a g 接口，其通用性很 强，c 8 0 5 1 f 系列微控制器均采用同一开发工具。引入j t a g 接口将使单片机的仿 真调试产生彻底的变革，在调试主机软件的支持下，通过j t a g 接口可直接对产品 系列进行仿真调试。有些微控制器则提供了类似与j t a g 的c 2 接口。 5 多源复位系统 c 8 0 5 1 f 微控制器具备多源复位系统，其中包括： 片内电源监视 看门狗定时器 时钟丢失监测器 比较器0 输出电平检测 软件强制复位 9 c n v s l l 认d 转换启动 外部引脚r s t 复位，可双向复位 每个复位源都可以由用户用软件禁止。众多的复位源为保障系统的安全、操 作的灵活性和零功耗设计带来极大的好处。 6 最小功耗系统的最佳支持 c 8 0 5 1 f 微控制器是8 位机中首先摆脱5 v 供电的微控制器，实现了片内模拟 和数字电路的3 v 供电( 电压范围2 7 v _ 3 6 v ) ，大大降低了系统功耗：完善的时钟系 统可以保证系统在满足响应速度的要求下，使系统的平均时钟频率最低；众多的 复位源使系统在调电方式下随意唤醒，从而可灵活的实现零功耗系统设计。 7 混合信号片上系统 c 8 0 5 1 f 微控制器除了具有标准的8 0 5 1 的数字外设之外，片内还集成了数据 采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件，其中包括： 模拟多路选择器、可编程增益放大器、a d c 、d a c 、电压比较器、电压 基准和温度传感器； s m b u s 1 2 c 、增强型全双工u a r t ( 具有硬件地址识别和错误检测功能) 、 s p i ，c a n 和u s b ； 电源监视器、看门狗定时器和时钟震荡器； p c a 、内部扩展数据r a m 、具有i s p 和l a p 功能的f l a s h 存储器； c 8 0 5 1 f 微控制器提供2 2 个中断源，允许大量的数字和模拟外设中断，这 特别利于实时多任务系统的实现。 c 8 0 5 1 f 3 2 0 是一款具有全速u s b 功能的混合信号f l a s h 微控制器，具有片 内上电复位、v d d 监视器、电压调整器、看门狗定时器和时钟振荡器功能，是真 正能够工作的片上系统。控制器所具有的f l a s h 存储器还具有在系统可编程能 力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新系统固件。用户软件对所有外设 具有完全的控制，可以关闭一个或多个外设以节省功耗。 c 8 0 5 1 f 3 2 0 微控制器的主要特性有【4 l ： 高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的微控制器内核( 2 5 m i p s ) ； 全速、非侵入性的在系统调试接口( 片内) ； 通用串行总线( u s b ) 功能控制器，有8 个灵活的端点管道，集成收发器 和1 k f i f o 洲； 电源稳压器( 5 v - 3 v ) ； 真正1 0 位的2 0 0 k s p s 的1 7 通道单端差分a d c ，带模拟多路器； 片内电压基准和温度传感器； 片内电压比较器( 两个) ； 洹金篮量邀控劐墨塞墅丕统殴厦熬鲑珏发王台 高精度可编程的1 2 m h zr 内部振荡器和4 倍时钟乘法器； 1 6 k b 可在系统编程的f l a s h 存储器； 2 3 0 4 字节片内r a m ( 2 5 6 + 1 k + 1 k u s bf i f o ) ； 硬件实现的s m b u s 1 2 c 、增强型u a r t 和增强型s p i 串行接口； 4 个通用的1 6 位定时器： 具有5 个捕捉比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器定时器阵列 ( p c a ) ： 片内上电复位、v d d 监视器和时钟丢失监测器； 2 5 个端口i ，o ( 允许5 v 输入) 。 2 1 2c 8 0 5 1 f 系列微控制器的交叉开关 由于受所选封装的可用引脚数的限制，c 8 0 5 1 f 微控制器内部大量的数字模块 和模拟模块多数需要引至芯片的管脚才能使用。c 8 0 5 1 f 微控制器可以通过优先权 交叉开关译码器( 交叉开关) ，将数字模块、模拟模块通过数字i o 端口( p o p 3 ) 引出。由软件选择控制端口的器件，如比较器的输入和无固定引脚的模数转换器 a d c 的输入不受交叉开关控制，并且可重复使用同一引脚。这种允许对内部资源 进行分配的方法，使系统设计者可以方便灵活的设计出最佳的用户系统。因而， c 8 0 5 1 f 系列微控制器的交叉开关译码器，对于设计教学实验系统，提供了很大的 灵活性，使得可以充分利用c 8 0 5 1 f 控制器片上资源，完成各种各样的实验。 交叉开关负责s m b u s 、s p i 、u a r t 、定时器捕捉模块、外部p c a 输入、比较 器输出、定时器外部输入、s y s c u ( 以及a d 转化启动输入的引脚分配。必须在 访问这些外设的i o 之间配置和允许交叉开关。未被指定的端口引脚作为通用i o 引脚。交叉开关译码表如图2 2 所示。 交叉开关提供了两个关键的系统特性1 5 l ： 在端口0 、端口1 和端口2 上的所有未分配的通用i o 口都被连续组合在 一起； 对于引脚数量少的器件，它提供了外设选择的灵活性。外设选择只受限于 可用的端口引脚数，而不受限于哪一个引脚是有用的。这就允许系统设计者在使 用引脚数少的器件时，能选择将哪些数字外设分配到器件上的数字l o 引脚。 j e 京交道太堂亟堂位论室 l嬲黝p 2 嬲熬 p i h i ，0o 237 l 247 s d a 纛l l ：i 。l l ii s c l 卜 ”lll ； l ；lll s c x l ；l 啊工s 0 一咔南 ； ll ；l 啊0 s 工 i i ； w s s iiil 扣 t x ；懑；l o 一+ 一 l 4 l 。 ； 一呻一 c e x o 纛： l 一j 纛5 ll c l 馐l； ，i 一 ：一f 一 c e x 2 ，。| ? 。：。 ￥ o i 一。k 。 c 麟3 l ，；、。 c e x 4 i 。- 。+ - 一。_ ，。_ t 。- ! 。l z c 工 。纛、t 纛纛纛纛! c p 0 4 5 l 一f c p l l t 0 + ； ，i 耵0 lx t 1 ，i 盯l 1 + o l 二 t 2 ； t 2 职 ； s y s c l c h y s t r 图2 2 优先权交叉开关译码表 f i g u r e2 2p r i o r i t yc r o s s b a rs w it c hd e c o d i n gt a b l e 2 实验系统的软件开发平台 2 3 1 交叉编译器的选择 由于嵌入式系统本身不具备自举开发的能力，因而在进行嵌入式系统开发时 需要特殊的开发工具，这些工具需要满足以下的3 种关键能力l q ： 1 可方便控制目标处理器的运行； 2 可方便地更新目标系统中的程序代码； 3 提供对目标系统无干扰的、实时的运行监控。 嵌入式系统的开发工具种类繁多，可以是纯软件的，如指令集模拟器、调试 器；也可为软硬结合的，如集成开发环境与在线仿真器。除了指令集模拟器，嵌 入式系统的开发工具由两个部分组成：调试器前端( d e b u g g e rf r o n te n d ，d f e ) 和目标代理( t a r g e ta g e n t ) l ”。目标代理的作用是控制目标机的运行和搜集目标 机的运行状态和运行数据。目标代理可以是一个驻留在目标机中的应用程序、集 成在目标处理器中的调试接口或者是一个独立的硬件设备。 调试器前端通过通信信道与目标代理进行通信，可控制目标代理进而控制目 标机。调试前端也称为g u i ，一般是运行在调试主机上的i d e 。一般可分为图形 超盒信墨邀撞剑墨塞验丕统鳆硬熬性珏发垩台 用户接口和命令行接口 开发嵌入式系统软件使用的高级程序语言与开发通用计算机语言使用的高级 程序语言相比，主要的区别在于编译器的不同。嵌入式系统的处理器通常与调试 主机的处理器为非同类处理器，它们的指令系统是不同的，此类编译器称为交叉 编译器。交叉编译器在某一类处理器上运行，而其输出代码却是供在另一类处理 器上运行魄。 交叉编译器能在很大程度上影响微处理器性能的发挥，特别是r i s e 处理器对 交叉编译器产生的代码十分敏感。所有的交叉编译器必须能根据处理器的详细体 系结构，产生有效率的目标代码。一般说来，处理器厂商提供的交叉编译器的特 性较好。 嵌入式系统开发的交叉编译器应当具有很好的硬件支持特性，选择交叉编译 器一般主要考虑如下因素【3 l 。 1 嵌入式汇编 即交叉编译器支持嵌入式汇编。 2 中断函数 一 在定义函数时，一般采用非标准关键字“i n t e r r u p t ”来指示此函数是中断服务 函数( i s r ) ，交叉编译器则会生成额外的栈信息及寄存器保存与恢复代码段。 3 汇编语言列表文件生成 列表文件包括在文件中作为注释使用的c 语言语句和与其对应的汇编语言指 令，此特性对于分析和提高程序效率、作为编写汇编程序的参考等特别有用。 4 。标准库 许多包括在交叉编译器里的标准函数都不是标准c 或c + 语言的一部份，在 使用这些库函数时，应该特别注意其是否是可重入的。 5 启动代码 任何由c 语言编写的程序代码在执行时都会先执行一段用于初始化处理器的 启动代码，有些编译器可以自动生成启动代码，启动代码从处理器复位后开始执 行，执行结束后再跳至c 语言的m a i n ( ) 函数，将控制权交给m a i n ( ) 函数。 6 与嵌入式操作系统兼容 选择的交叉编译器一定要与采用的嵌入式操作系统兼容。 7 与开发工具兼容 选择的交叉编译器一定要与其他计划使用的软件开发工具及硬件开发工具兼 容。 8 优化控制 所选择的编译器应该具有代码优化选项，如可根据实际情况选择速度优化或 代码长度优化等。 9 对嵌入式c + + 的支持 新型的微控制器指令及片上系统的运行速度的不断提高，存储器空间也相应 增大，为c h 语言开发嵌入式系统创造了条件。c + + 语言强大的类、继承等功能更 便于实现复杂的程序功能。c c + + e c + + 引入嵌入式系统，使得嵌入式系统和通用 计算机之间在开发上的差别正在逐渐消除，软件工程中的很多经验、方法乃至库 函数可以移植到嵌入式系统。 2 3 2k e i l t v i s i o n2 简介 k e i l 提供工业用的8 0 5 1 开发工具套件，工具套件是几个应用程序的集合， 这些程序用来创建8 0 5 1 应用系统。使用汇编器汇编8 0 5 1 汇编程序，使用编译器 将c 源代码编译成目标文件，使用连接器创建一个绝对目标文件模块供仿真器使 用1 8 】。 使用k e i l l z v i s i o n 2 工具的项目开发周期大致是： 1 创建c 或汇编语言的源程序； 2 编译或汇编源文件： 3 纠正源文件中的错误； 4 从编译器和汇编器连接目标文件； 5 测试连接的目标文件。 用z v i s i o n 2i d e 创建源文件，然后通过c 5 1 编译器和a 5 1 汇编器。汇编器和 编译器处理源文件并创建浮动目标文件。目标文件可通过l i b 5 1 库管理器创建库。 库是一个专门格式的、有顺序的目标模块程序集，连接器可对其进行处理，目标 文件和库文件通过连接器创建一个绝对目标模块。绝对目标文件或模块是没有浮 动代码的目标文件，绝对目标文件中的所有代码都有固定的位鼍。 由连接器创建的绝对目标文件可用于编程e p r o m 或其他存储器件。 1 4 混金信墨邀控剑墨塞墅丞筮鲤型s 垦撞旦塞验搓拯 3 混合信号微控制器实验系统u s b 接口实验模块 接口实验是单片机教学实验中的一个不可或缺的环节，一个实验系统能否提 供足够多的接口实验，是衡量一个实验系统优劣的重要评判。计算机接口种类繁 多，在众多的计算机接口中，u s b 总线以其优良的性能及通用性，越来越得到人 们的认可，已成为目前计算机上广泛使用的外部设备接口。本章首先简要介绍了 一般的接口技术，然后重点分析了u s b 的工作原理及相关应用。 3 1 接口技术概述 1 接口简介 计算机系统所配置的外部设备，类型繁多，数量不同。要实现外部设备与主 机的连接和信息交换，必须经过一个信息转换和传输的设备，即i o 接口。 主机和外部设备之闻的连接关系如图3 1 所示： 图3 1 主机、外部设备和f o 接口间的关系 f i g u r e3 1 r e l a t i o nb e t w e e nh o s t 、d e v i c ea n di o 主机和任何外部设备的连接都是通过接口电路实现的，接口电路连接在计算 机总线和外部设备之间，是接口的硬件部分，接口电路的工作是在接口软件的控 制下完成的。 接口的主要功能包括以下几个部分1 9 l 。 地址译码单元 一个计算机系统有多个i o 设备，为了能够对多个设备进行选择，必须给它们 分配不同的地址码。在一个接口中，有输入数据、输出数据，还有数据和状态， 因而，一个接口就需要多个地址码，每个地址码对应一个寄存器。地址译码单元 的作用就是识别特定的一个或几个地址。 数据、控制和状态信息寄存器 接口电路中存在三种寄存器，数据寄存器，用于输入输出数据；状态寄存器， 用于说明电路工作的状态，软件通过读状态寄存器掌握接口电路的工作状态；控 制寄存器，用于实现对接口电路的控制，软件通过写控制寄存器完成对接口电路 的控制。 缓冲、暂存机制 主机和外部设备一般是按照各自的节拍( 时序) 工作的，为了协调它们之间 的信息交换，通常需要缓冲和暂存，以满足各自的时序要求。 数据变换 包括简单的格式转换和编码转换。编码译码转换可以通过软件实现，也可以 采用硬件实现。 信号变换驱动电路 有些外部设备的信号电平与主机不同，需要进行电平转换。还有信号形式不 同，如有的外部设备送出的是模拟信号，这就需要进行d 或d a 转换。 2 对接口的操作 对接口的操作是通过软件完成的，通过不同的软件控制方式实现对不同的接 口控制电路的控制。计算机系统经常采用的f o 控制方式有以下几种。 ( 1 ) 查询控制方式 查询方式是在程序控制下进行信息传送，又分为无条件传送方式( 也称同步 传送方式) 与条件传送方式两种，无条件传送方式的方法是：在程序中的恰当位 置直接插入i ，0 指令，当程序执行到这些指令时，外设马上与c p u 进行数据交换， 这种传送方式使用方便，节省系统软硬件资源。但它要求外设总是在数据交换前 做好接受或发送数据的准备，因而只适用于操作时间已知或变化十分缓慢的外设。 用查询方式进行数据交换的工作流程如图3 2 所示。 1 6 暹金篮：曼邀整剑墨塞验丕统的型婴接旦塞验搓扭 图3 2 查询方式的读数据流程 f i g u r e3 2r e a df l o wc h a r tt oi n q u i r ym o d e 查询方式的优点是简单，对硬件的要求低，编写软件也简单，但效率低，一 般不采用这种方式。 ( 2 ) 中断控制方式 所谓中断控制，就是当c p u 执行程序时，允许外部设备中断c i u 正在执行的 程序。当外设需要与c p u 进行数据交换时，向c p u 发送一个中断请求信号，待 c p u 响应这一中断请求后，调用中断服务程序进行信息交换。中断控制方式的软 件实现如图3 3 所示。 o ) d m a 方式 在d m a 控制方式下，当某一外设需要输入或输出