Стивен Барретт - Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 с применением языка С
Читатели, которые не намерены использовать B32 EVВ, могут быть уверены, что большинство из рассмотренных в книге примеров могут быть реализованы на других вариантах отладочных средств семейств 68НС12/HSC12.
Поскольку базисные концепции и функциональные блоки различных микроконтроллеров практически идентичны друг другу, то полученные знания семейств 68НС12/HSC12 могут быть естественным образом применены и для других микроконтроллеров. В гл.7 и 9 мы используем микроконтроллер MC9S12DP256. HCS12 микроконтроллер имеет 256 К байт флэш память, несколько каналов msCAN интерфейсов с соответствующими контроллерами. Он также имеет большой объем ОЗУ. В распоряжении разработчиков имеются различные типы отладочных плат.
Целевая аудитория
Основной аудиторией для книги являются студенты университетов, изучающих курс вычислительные микропроцессорные системы. Поскольку все ABET (Acredittion Board for Engineering and Technology, Inc) требуют наличия такого курса в своих программах, мы надеемся, что преподаватели этих дисциплин будут активно использовать данную книгу в своей практике. Мы ожидаем также, что студенты первого года обучения языков программирования найдут эту книгу для себя также полезной. Владение темой языков программирование позволит студентам легко разобраться с приведенными в книге примерами. В идеале студенты будут имеет полный курс введения в микроконтроллеры. Однако ввиду экспериментальной направленности книги студенты должны будут самостоятельно заполнить пробелы в знаниях там где это будет необходимо.
Основной упор в книге делается на второй семестр курса микроконтроллеры/микропроцессоры программы электротехнического и вычислительного цикла дисциплин. Разные учебные заведения предлагают микропроцессорный цикл на различных этапах обучения студентов. Наши студенты слушают базовый курс по цифровой технике на первом году обучения. После этого они изучают первую часть курса микропроцессорных систем. В завершении, вторую часть микропроцессорного курса они слушают на последних годах обучения. Мы надеемся, что данная книга будет востребована студентами на втором этапе обучения после освоения первого этапа изучения микроконтроллеров.
Мы написали эту книгу для применения ее в качестве учебного пособия для учебных заведений, читающих цикл микропроцессорной техники. В тоже время мы надеемся, что практическая направленность материала будет полезна инженерам для самостоятельного изучения раздела. Мы уверены, что знания о встраиваемых системах будут все больше и больше востребованы для все более широкой аудитории студентов электротехнических и электронных специальностей. Мы живем в обществе где все больше инженерных проблем решается с помощью встраиваемых систем. Мы предвидим, что скорость внедрения встраиваемых систем будет увеличиваться с ростом требований к интеллектуальности локальных систем.
Благодарности
Эта книга является совокупным трудом многих специалистов. Конечно же ни одна хорошая книга не может появится без выдающегося издателя и его команды. Мы благодарны Tom Robbins и Alice Dworkin из Prentice Hall за их веру в проект. Было большим удовольствием работать с Kevin Bradley и его сотрудниками из Sunflower Publishing Services. Мы благодарны им за их отличную редакторскую работу. Мы высоко оцениваем отзыв и обратную связь от Barry Mullins из Air Force Institute of Technology. В результате всех этих усилий содержание книги значительно улучшилось. Мы также высоко ценим дельные замечания и обратную связь, полученную по окончательной версии книги от Jerry Hamman из University of Wyoming; John Reece из Mercer College из Macom, Georgia и William Stapleton из University of Alabama. Мы также очень благодарны Karen Bosco из Motorola за ее помощь в получении разрешении от Motorola использовать рисунки в книге.
Мы признательны руководству нашего факультета за их поддержку. Colonel Alan Klayton (USAF Academy) постоянно поддерживал нашу работу и и осуществлял многостороннюю помощь. John Steadman (ранее работавший в University of Wyoming, а в настоящее время декан электротехнического факультета в University of South Alabama), активно воодушевлял нас на написание этой книги. Мы благодарны большому количеству студентов вовлеченных в учебный процесс по курсам микропроцессорной технике в отмеченных выше университетах. Их обратная связь оказала нам большую помощь в изложении материала книги. Abbie Wells, Scott Lewis, Joel Perlin, Carrie Hernanddez, Ted Dibble, Tom Schei, Charles Straley, Pamela Beavis и Austin Griffith из университета Wyoming написали ряд программ в примерах и оказали значительную помощь в переходе от семейства от семейства 68НС11 к семейству НС12. В дополнении к этому мы хотели бы поблагодарить многих наших коллег из Air Force Academy и University of Wyoming.
Ряд примеров, представленных в книге базировались на нашем опыте работы на факультетах электротехники в отмеченных ранее университетах. Несмотря на то, что мы старались исправить все допущенные ранее ошибки, книга может содержать еще не выявленные, что может еще сказаться на работе программ.
Я хотел бы еще отметить Glarence Zarn, очень дорогого друга семьи, из–за влияния которого я стал инженером. Когда я был еще ребенком, моя семья проводила много отпусков с семьей Zarns. Меня брали в офис Clarence, полный книг, справочников, схем и плакатов, иллюстрирующих многообразный мир техники. В то время Clarence работал инженером и был вице-президентом компании Pentzien Corporation of Omaha, Nebraska в течение долгого времени. Недавно он подарил мне свою логарифмическую линейку (1940), которой он пользовался долгие годы. Я буду хранить ее всегда. Он повторял, что инженерная работа была и всегда останется востребованной. Большое спасибо моим родителям. Спасибо моим бабушкам Eleonore и Jackie, а также дедушке Frank за постоянную веру в меня. Спасибо Young Shin и Rana и Sung Bock и Chong Kon за мотивацию и постоянную поддержку. Особая благодарность моему отцу за воодушевления меня на этот труд, в то время когда он сам боролся с раком. В заключении хочется отметить, что эта работа не могла бы осуществиться без поддержки членов нашей семьи: Cindy, Heidi, Hearther, Jon R., Christine, Jon B., Andrew и Graham. Примите нашу благодарность.
Steven F. Barrett Daniel J. PackГлава 1
ПЕРВОЕ ЗНАКОМСТВО СО ВСТРАИВАЕМЫМИ СИСТЕМАМИ
ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ГЛАВЫ ВЫ СМОЖЕТЕ:
• Дать определение термину «вычислитель»;
• Перечислить основные блоки вычислителя. Описать функции этих блоков;
• Объяснить значение терминов: встраиваемая система, микроконтроллер, компьютер общего применения;
• Привести примеры встраиваемых микропроцессорных систем управления;
• Перечислить основные проблемы, которые возникают в процессе разработки встраиваемых систем;
• Пояснить термин «работа в реальном времени» в контексте обсуждения встраиваемых систем;
• Описать основные функциональные блоки микроконтроллеров семейства 68HC12 и семейства HCS12.
• Перечислить основные различия между микроконтроллерами семейства 68НС12 и семейства НСS12.
В этой главе мы познакомим Вас с теми проблемами, которые возникают при проектировании, реализации и тестировании встраиваемых микропроцессорных систем. Мы начнем наше рассмотрение с достаточно общих понятий, однако в разделе 1.3 произойдет Ваше первое знакомство с системами на микроконтроллерах семейств 68HC12 и HCS12.
1.1. Что такое встраиваемая система?
Любая механическая или электрическая система, которая имеет в своем составе устройство управления, выполненное на основе вычислителя, называется встраиваемой системой (Embedded System). Перед тем, как мы продолжим, следует дать определение термину «вычислитель». Все вычислители обязательно состоят из следующих функциональных блоков: центрального процессора (ЦП), запоминающего устройства (ЗУ) устройств ввода/вывода (УВВ) и межмодульных магистралей. Центральный процессор содержит в себе арифметико–логическое устройство (АЛУ), устройство управления и некоторое количество регистров. АЛУ выполняет операции над данными, которые представлены в цифровом коде. Типовыми для АЛУ являются следующие арифметические и логические операции: сложение, вычитание, умножение, деление, логические операции И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, НЕ (инверсия).
Вычислитель, центральный процессор которого выполнен на основе одной большой интегральной схемы (ИС), именуемой микропроцессором (МП), называют микро-ЭВМ. Самый известный пример микро-ЭВМ — это персональный компьютер (ПК). Интегральные схемы, которые объединяют на одном полупроводниковом кристалле все основные функциональные блоки вычислителя, т.е. центральный процессор, запоминающее устройство, устройства для ввода и вывода информации и межмодульные магистрали, называют микроконтроллером (МК).
Блок памяти вычислителя или микроконтроллера хранит коды программы и данные, которые необходимы для выполнения вычислений. По способу организации блока памяти различают вычислительные системы с архитектурой фон Неймана или с Гарвардской архитектурой. Архитектура фон Неймана предоставляет возможность хранения в одних и тех же ячейках памяти, как кодов программы, так и данных. При Гарвардской архитектуре для программы и для данных выделены отдельные области памяти. Гарвардскую архитектуру можно встретить в мощных вычислительных системах, для которых характерно наличие области кэш-памяти. В целом архитектура современных компьютеров и микроконтроллеров представляет собой некоторую оригинальную структуру на основе двух этих архитектур.
