用Cortex—MO ARM代替8051系列單片機(jī)的嵌入式教學(xué)

摘要：Intel公司的8051系列單片機(jī)進(jìn)入國內(nèi)市場較早，至今許多學(xué)校單片機(jī)教學(xué)都是采用8051系列。文章通過對比Cortex-M0 ARM和8051系列單片機(jī)的性能及使用方法，提出在嵌入式應(yīng)用中，用先進(jìn)的Cortex-M0 LPCIl00系列ARM代替8051單片機(jī)的方法，介紹在具體教學(xué)改革中進(jìn)行的有益探索。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)實(shí)驗(yàn)；Cortex-M0 ARM；8051單片機(jī)；LPCIl00系列ARM

1.背景

Intel公司于1980年推出的8051系列單片機(jī)，奠定了嵌入式應(yīng)用的單片微型計(jì)算機(jī)的經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)，由于進(jìn)入國內(nèi)市場較早，學(xué)校單片機(jī)教學(xué)都是采用8051系列；加之Intel公司實(shí)施了805l的技術(shù)開放政策，ATMEL公司、PHILIPS公司著名的電子公司，以其在電子應(yīng)用系統(tǒng)的優(yōu)勢，著力發(fā)展8051單片機(jī)的控制功能及外圍單元，形成了可滿足大量嵌入式應(yīng)用的單片機(jī)系列產(chǎn)品。直到現(xiàn)在，仍然有不少學(xué)校在單片機(jī)教學(xué)中采用8051系列。ARM公司自1990年成立以來，不斷推出各種ARM內(nèi)核，前幾年推出的都定位在高端市場；對于使用者，芯片、開發(fā)工具及開發(fā)平臺較貴，開發(fā)難度也較大；ARM公司在2005年收購8051的最大工具開發(fā)商Keil，就為其進(jìn)入8/16位市場做準(zhǔn)備。2009年后，ARM公司推出了Cortex-M0 ARM，它低功耗、高性能、代碼密度高，價(jià)格比其他8位單片機(jī)低，而且開發(fā)工具、平臺價(jià)格低，開發(fā)難度大大降低?？梢哉f，用Cortex-M0 ARM代替8051單片機(jī)的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟，學(xué)校單片機(jī)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改變是實(shí)現(xiàn)代替的第一步。我們在使用Cortex-M0 ARMLPCIl00教學(xué)過程中，把兩者性能及使用方法進(jìn)行了對比，在具體應(yīng)用上提出自己的看法，并做了有益的探索。

2.LPCIl00系列ARM功能

ARM Cortex-MO處理器工作頻率50MHz，嵌套向量中斷控制器，可快速確定中斷，喚醒中斷控制器，支持優(yōu)先中斷自動喚醒。具體包括3種節(jié)能模式：睡眠模式、深度睡眠模式和深度掉電模式。內(nèi)存：最高128KB閃存，最高16KBSRAM。串行外設(shè)：UART支持分頻波特率產(chǎn)生、內(nèi)部FIFO和RS-485；SPI控制器，支持FIFO和多協(xié)議功能；12C總線接口，支持全速12C總線規(guī)范和增強(qiáng)型快速模式，數(shù)據(jù)速率高達(dá)1Mbit/s，支持多地址識別和監(jiān)控模式。模擬外設(shè)：8個(gè)通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)每秒250K個(gè)采樣。最高42個(gè)通用I/O（GPIO）管腳，具有可配置的上拉，下拉電阻和可配置的新型開漏工作模式。4個(gè)通用計(jì)數(shù)器、計(jì)時(shí)器，共4個(gè)捕獲輸入端和13個(gè)匹配輸出端?？删幊炭撮T狗定時(shí)器（WDT），帶鎖死功能；一個(gè)系統(tǒng)計(jì)時(shí)器；各個(gè)外設(shè)均自帶時(shí)鐘分頻器，有利于節(jié)能。

從上述性能可以看出，8051單片機(jī)具有的所有性能，LPCIl00系列ARM都具有，而且增加了許多8051單片機(jī)沒有的功能。

2.1LPCIl00系列ARM與8051的性能對比

（1）指令長度對比。指令的長度和微處理器的位數(shù)無關(guān)，經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)LPCI100的指令長度和8051單片機(jī)很相似，指令的密度非常大。

（2）處理器運(yùn)算能力對比。8051單片機(jī)雖然支持8位和16位數(shù)據(jù)，但是對于16位數(shù)據(jù)需要多次處理，增加了堆棧和中斷延遲；LPC1100處理器對長整形的數(shù)據(jù)處理只需要極少的周期，并具有極佳的浮點(diǎn)處理能力，對于32位數(shù)據(jù)的傳輸也只需要很少的時(shí)鐘周期。

（3）處理性能對比。比較微處理器性能的一種常用的方法是使用Dhrystone基準(zhǔn)，它在微處理器中只占很小的內(nèi)存。比較的結(jié)果顯示，Cortex-MO性能遠(yuǎn)大于8051單片機(jī)。

（4）運(yùn)行模式及指令數(shù)量對比。8051單片機(jī)有一種運(yùn)行模式，Cortex-M0也只有一種運(yùn)行模式，非常簡單；8051單片機(jī)指令集為50條左右，Cortex-M0的指令集也僅有56條。

（5）代碼量對比。根據(jù)業(yè)界的CoreMark基準(zhǔn)，在多數(shù)常見微控制器任務(wù)中，基于Cortex-M0微控制器的代碼需求量降低了40%-50%，代碼量已經(jīng)小于同等功能下8051的代碼量。這是因?yàn)?051所使用的指令并不全是8位的（8-24位），而Cortex-MO的指令位寬大部分是16位的；8051所要處理的數(shù)據(jù)也不總是8位的，而所有8位、16位和32位數(shù)據(jù)傳輸在Cortex-M0中都是通過單一指令完成的；8051的尋址空間限制在64KB，雖然可以用分段方法擴(kuò)展，但這會帶來代碼的增長，而Cortex-M0尋址空間可達(dá)4GB，完全能滿足編制代碼要求。

（6）內(nèi)存訪問效率對比。Cortex-M0使用32位總線，減少了內(nèi)存訪問所需次數(shù)，從而降低了功耗。對于存內(nèi)存中復(fù)制同樣數(shù)量的數(shù)據(jù)，8位微處理器需要4倍的內(nèi)存訪問次數(shù)和更多的取指，所以8位單片機(jī)需要消耗更多的功耗，才能達(dá)到同樣的目的。

（7）價(jià)格對比。隨著近年來制造工藝的不斷進(jìn)步，Cortex-M0 ARM的成本也不斷降低，已經(jīng)與8位和16位微處理器處于同等水平。就LPCIl00系列ARM而言，價(jià)格比許多8位單片機(jī)還低。

2.2使用方式比較

用LPC1100系列ARM代替805l單片機(jī)，在使用方式上要相對簡單。

（1）I/O端口。8051單片機(jī)I/O端口大多數(shù)沒有復(fù)用功能，使用相對簡單。LPCIl00系列ARM絕大部分I/O端口都有復(fù)用功能，可以設(shè)置為A/D輸入、總線等，默認(rèn)狀態(tài)為I/O端口。它共有4個(gè)通用I/O端口（如LPCI 114 LQFP48共有42位I/O端口），通過GPIO配置寄存器設(shè)置不同功能；對于信號傳輸方向，通過寄存器設(shè)置，但一旦設(shè)置完成，正常使用就不煩瑣了。

（2）中斷。就中斷控制過程而言，8051單片機(jī)和LPCIl00系列ARM類似，都是當(dāng)外設(shè)符合中斷條件時(shí)，中斷源會向處理器提出中斷請求，處理器開始響應(yīng)一個(gè)中斷，中斷控制器會自動定位一張中斷向量表，根據(jù)中斷號從表中找到中斷服務(wù)程序（ISR）的入口地址并跳轉(zhuǎn)過去執(zhí)行。當(dāng)中斷服務(wù)程序執(zhí)行完成后，從堆棧中取出中斷前斷點(diǎn)的程序指針及數(shù)據(jù)，在斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行。LPCIl00系列ARM支持的中斷源多，且具有4個(gè)中斷優(yōu)先級，8051單片機(jī)只有2個(gè)中斷優(yōu)先級。

（3）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。805l單片機(jī)具有2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，LPCIl00系列ARM具有2個(gè)16位和2個(gè)32位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，每個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器都有一個(gè)相應(yīng)的輸入信號引腳和2-4個(gè)相應(yīng)的輸出信號引腳，具有定時(shí)、計(jì)數(shù)、輸入捕捉功能，并可以設(shè)置為脈沖寬度調(diào)制（PWM）模式，用于電機(jī)控制。此外，LPCI 100系列ARM還有兩個(gè)非常有用而805l單片機(jī)不具備的功能，就是系統(tǒng)節(jié)拍定時(shí)器，其擁有專門的內(nèi)部時(shí)鐘與異常中斷向量，可為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供固定的時(shí)間間隔中斷；還有就是看門狗定時(shí)器（WDT）模塊用于對微處理器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

（4）通信部件。8051單片機(jī)的串行接口只有一個(gè)UART，而LPCIl00系列ARM具有豐富的串行接口，一個(gè)UART還支持RS-485的9位模式和輸出使能，給一些分布式控制系統(tǒng)應(yīng)用帶來了方便。除此之外，還具備SSP接口、12C接口，方便應(yīng)用時(shí)選擇。

（5）開發(fā)軟件。KEIL軟件是最普及的一種8051單片機(jī)編程環(huán)境，大多數(shù)8051單片機(jī)學(xué)習(xí)、開發(fā)人員都是采用KEIL進(jìn)行編程。在ARM公司收購KEIL公司后，ARM公司結(jié)合自己的優(yōu)勢和KEIL的特點(diǎn)推出了新一代的ARM編譯平臺——RealView MDK。RealView MDK集成了許多先進(jìn)的技術(shù)，包括uVision4集成開發(fā)環(huán)境與RealView編譯器，支持所有的ARM芯片，并且自動配置啟動代碼、集成Flash燒寫模塊、強(qiáng)大的Simulation設(shè)備模擬、性能分析、邏輯分析等，大大降低了初學(xué)者的門檻，而且所使用的uVision集成開發(fā)環(huán)境（IDE）和開發(fā)使用ARM非常相似，在開發(fā)使用上都有著可以借鑒的地方。

3.教學(xué)案例

為了配合課堂教學(xué)需要，我們設(shè)計(jì)了Cortex-M0 LPCIl00系列ARM實(shí)驗(yàn)平臺，主要模塊有：ARM核心模塊（包括LPCIll4，復(fù)位控制芯片，SWD調(diào)試電路）；鍵盤、顯示模塊（一個(gè)4×4矩陣鍵盤，LCDl602液晶顯示器）；通訊接口模塊（包括RS232、RS485、12C和SPI等），8路AiD轉(zhuǎn)換輸入，配接8個(gè)電位器，實(shí)現(xiàn)AID采集；一路PWM輸出，可以通過示波器觀察波形；帶光耦的4路開關(guān)量（輸入和輸出），4路繼電器控制（帶指示LED）。除了可以完成所有8051單片機(jī)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)外，還增加了AID轉(zhuǎn)換、PWM控制、12C、SPI、WDT及功耗控制等實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)Cortex-M0 LPCIl00系列ARM的特點(diǎn)，結(jié)合教學(xué)需要，我們設(shè)計(jì)了下述分布式智能溫室采集控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案。在嵌入式應(yīng)用中，有一種形式比較普遍，就是數(shù)據(jù)采集（通過A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)），配以若干開關(guān)量輸入/輸出，并以上、下位機(jī)通過RS-485組成的分布式控制系統(tǒng)。這就是我們這個(gè)實(shí)驗(yàn)方案的原型。

分布式智能溫室采集控制系統(tǒng)由5個(gè)部分組成，如圖1所示。

（1）信號采集輸入部分：包括溫度、濕度、光照、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等環(huán)境因子的檢測。

（2）輸出及控制部分：控制風(fēng)機(jī)濕簾、遮陽網(wǎng)、窗的開關(guān)等系統(tǒng)。

（3）LPCIll4部分：包括信號轉(zhuǎn)換與處理部分，將采集的信號轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)和操作人員可識別的量，由LPCIll4進(jìn)行處理。灌溉控制，包括定時(shí)灌溉，時(shí)間由控制室調(diào)整制定，并可根據(jù)實(shí)際情況，在溫室內(nèi)進(jìn)行手動控制灌溉。

（4）RS-485通訊部分：用于和上位機(jī)通訊，完成數(shù)據(jù)通訊、控制命令下達(dá)和遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置。

（5）LCD顯示和鍵盤部分：用于部分?jǐn)?shù)據(jù)監(jiān)視、溫度、濕度等上限和下限的參數(shù)設(shè)置。

我們用實(shí)驗(yàn)平臺對上述各部分硬件進(jìn)行對應(yīng)設(shè)置，用5個(gè)電位器代替溫度、濕度等模擬量，接到LPCIll4A/D輸入，用3個(gè)繼電器代替風(fēng)機(jī)濕簾等的控制。

LPC1100系列ARM實(shí)驗(yàn)平臺編制的程序主要是：定時(shí)采集溫度、濕度等數(shù)據(jù)值，通過RS485傳到上位機(jī)（PC機(jī)）；通過采集到的各個(gè)數(shù)據(jù)和設(shè)定的上限和下限值進(jìn)行比較，控制對應(yīng)繼電器工作（可以通過配套LED觀察結(jié)果）；編制鍵盤、LCD程序；編制上位機(jī)（Pc機(jī)）通訊、顯示程序。

4.結(jié)語

雖然LPC1100系列ARM使用上比8051系列單片機(jī)煩瑣一些，這主要是因?yàn)長PCIl00功能多，需要配置，但一旦配置完成，后面的使用中就不用再改動了；還有就是各個(gè)功能部件（中斷、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行接口等），控制寄存器的數(shù)量多于8051單片機(jī)，但也是一旦設(shè)置完成后，在后面的使用中，就和普通單片機(jī)差不多了。另外LPCIl00系列ARM的設(shè)計(jì)考慮了在應(yīng)用中的基本功能要求，對最常用的功能，如FO輸入輸出功能采用了默認(rèn)的形式，即不配置成其他功能，默認(rèn)成普通I/0口，這樣連開始的配置或設(shè)置都不需要了。

我們通過課堂教學(xué)和在自己開發(fā)的LPCIl00系列ARM實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，除了基礎(chǔ)的I/0接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷、PWM、A/D及各種通訊接口實(shí)驗(yàn)外，還提出若干較為復(fù)雜的綜合的嵌入式應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，如上述的“分布式智能溫室采集控制系統(tǒng)”，并且還在不斷豐富這些實(shí)驗(yàn)。例如作為擴(kuò)展要求，希望通過上位機(jī)直接發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控；也可以考慮平時(shí)是由上位機(jī)監(jiān)控，一旦上位機(jī)出現(xiàn)故障或通訊失敗，下位機(jī)及時(shí)接管所有功能，這樣就需要用一些技術(shù)（如“心跳檢測’’技術(shù)）檢測上、下位機(jī)之間通訊是否暢通。

總之，通過這些教學(xué)和實(shí)驗(yàn)，要讓學(xué)生學(xué)會在一些嵌入式實(shí)際應(yīng)用中，如何利用LPCIl00系列ARM完成檢測、控制等任務(wù)。