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試論將μC/OS-II用于單片機(jī)教學(xué)
摘要：當(dāng)前，大學(xué)中的“嵌入式系統(tǒng)與單片機(jī)應(yīng)用”及類似課程的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)正處在轉(zhuǎn)型期，由單純8位機(jī)轉(zhuǎn)向8位、16位、32位并舉；開發(fā)方式上，仿真器在逐步退出；嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)被引入教學(xué)。本文就相關(guān)課程內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方案的設(shè)計(jì)提出一些看法，以引起同行的思考與討論。引 言
??在2003年天津舉行的“全國(guó)單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)學(xué)術(shù)年會(huì)”上，來自全國(guó)各地幾十所大學(xué)的教師對(duì)單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)教學(xué)展開了熱烈的討論。這里，就我們的認(rèn)識(shí)介紹如下，以達(dá)到拋磚引玉的目的。
1 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用類課程的轉(zhuǎn)型期
當(dāng)前，單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用類課程正處在轉(zhuǎn)型期。過去的20年中，單片機(jī)市場(chǎng)與需求都是以8位機(jī)為主的。最近幾年來，16位、32位單片機(jī)的嵌入式應(yīng)用呈迅速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在一兩年后，數(shù)量上雖然仍會(huì)以8位為多，但32位單片機(jī)在產(chǎn)值上會(huì)超過8位單片機(jī)，如圖1、圖2所示。今后，單片機(jī)應(yīng)用將呈現(xiàn)8位、16位、32位單片機(jī)并舉的格局。
由于單片機(jī)系統(tǒng)的需求越來越復(fù)雜、集成電路技術(shù)發(fā)展又非�？�，片上存儲(chǔ)器容量不斷擴(kuò)大，使得在片上系統(tǒng)的開發(fā)中，使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）成為可能。計(jì)算機(jī)對(duì)于90%以上的學(xué)生都不能是他的專業(yè)，而只是一種工具。同各行各業(yè)開發(fā)單片機(jī)應(yīng)用的工程師一樣，非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來自各個(gè)領(lǐng)域，他們不可能將主要精力花在研究操作系統(tǒng)上，而是要把主要精力放在所研究的專業(yè)上，他們需要的是把計(jì)算機(jī)專家們研究的成果直接拿來使用。RTOS可以將一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用分解成多個(gè)任務(wù)，從而簡(jiǎn)化應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)；RTOS可以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性達(dá)到或接近理論上可以達(dá)到的最好水平。而多任務(wù)本身會(huì)帶來一系列的問題，主要是任務(wù)間的競(jìng)爭(zhēng)、死鎖、優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)、任務(wù)間同步與通信等。這些問題有RTOS為用戶考慮，只要知道RTOS的原理，會(huì)使用就可以了。故單片機(jī)教學(xué)的這次轉(zhuǎn)型，引入RTOS概念是一大特點(diǎn)。
2 單片機(jī)教學(xué)史的回顧與思考
回憶過去我國(guó)單片機(jī)教學(xué)走過的路，大多數(shù)院校都是從8051走過來的。故8051在國(guó)內(nèi)普及單片機(jī)應(yīng)用方面功不可沒。而總結(jié)一下由8051教學(xué)模式帶來的副作用，將有利于目前的轉(zhuǎn)型。
圖1
一個(gè)副作用是，教學(xué)中以一片8051配以不同的外圍電路去適應(yīng)各種不同的應(yīng)用。這就忽略了單片機(jī)應(yīng)用的多樣性和單片機(jī)應(yīng)用的個(gè)性化定位。單片機(jī)姓“單”，世界上的單片機(jī)至少有上千種，每種單片機(jī)都有各自的定位。我們強(qiáng)調(diào)的是SoC，即片上系統(tǒng)，只有將整個(gè)系統(tǒng)都集成在一個(gè)集成電路芯片上，才能做到低成本、高可靠性。只有在不得已的情況下，才擴(kuò)充額外的接口芯片。故應(yīng)告訴學(xué)生，雖然學(xué)的是某種單片機(jī)，但針對(duì)不同的應(yīng)用要選擇最適宜的單片機(jī)。單片機(jī)教學(xué)要求教師教會(huì)學(xué)生一種方法，會(huì)用這種單片機(jī)，自然也會(huì)用其它單片機(jī)。
過去8051教學(xué)引入的另一誤區(qū)是使用仿真器。如果說過去開發(fā)掩膜型單片機(jī)使用仿真器屬不得已，則如今單片機(jī)都采用了可以反復(fù)擦寫十萬次以上的Flash存儲(chǔ)器，實(shí)在沒有必要使用仿真器。本人在過去20年的單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)中，就從來沒有用過仿真器，并非沒有仿真器可用，只是不主張使用仿真器，特別不主張使用仿真器教學(xué)。仿真器使單片機(jī)開發(fā)變得不直觀，高價(jià)的仿真器增加了開發(fā)成本，也增加了教學(xué)的負(fù)擔(dān)。開發(fā)者不可能為每一類單片機(jī)買一種仿真器，只好以自己有仿真器的那種單片機(jī)去適應(yīng)所有的應(yīng)用，從而誤入歧途。
3 是教學(xué)還是培訓(xùn)
我們這里講的是教學(xué)，不是培訓(xùn)，教學(xué)不同于培訓(xùn)。俗話說，“授之以魚不如授之以漁”。教學(xué)是“授之以漁”，授之以解決問題的方法，培養(yǎng)解決問題的能力，是引導(dǎo)學(xué)生入門。通過授課與實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生能做到三個(gè)看懂，看懂原文手冊(cè)、看懂硬件原理圖、看懂別人寫的程序。在此基礎(chǔ)上學(xué)會(huì)如何掌握一種自己不熟悉的單片機(jī)。我們講CPU硬件結(jié)構(gòu)，講匯編指令集，教學(xué)生如何初始化串行口，從而實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的CPU“對(duì)話”，進(jìn)而學(xué)會(huì)寫監(jiān)控程序，然后將如何與C語言接口，以μC/OS-II為例，講RTOS基本概念，進(jìn)而移植μC/OS-II。
培訓(xùn)的目的是讓用戶盡快上手，一周乃至三天后就可以開始寫應(yīng)用程序。培訓(xùn)是“授之以魚”，培訓(xùn)的典型例子是教學(xué)生如何使用某單片機(jī)的仿真器。
教學(xué)，強(qiáng)調(diào)的是引導(dǎo)學(xué)生入門，只要我們能正確地引導(dǎo)學(xué)生入門，告訴他們什么是正確的方法，后面的路他們會(huì)自己走。
4 將μC/OS用于RTOS教學(xué)
1995年以后，我們逐漸將μC/OS、μC/OS-II引進(jìn)單片機(jī)應(yīng)用的科研與教學(xué)，證明是成功的。μC/OS、 μC/OS-II是專門為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)內(nèi)核，適用于幾乎所有8位、16位、32位單片機(jī)；90%以上與硬件無關(guān)的代碼用C語言寫成，用匯編語言寫的與硬件相關(guān)的代碼不足200行；有PC機(jī)上可運(yùn)行的范例；有針對(duì)數(shù)十種知名CPU的移植范例可直接從網(wǎng)上下載；有注解清晰、書寫規(guī)范的全部源代碼。有一部600頁的書對(duì)RTOS基本概念、內(nèi)核原理做了詳盡的描述，隨書所附光盤上的μC/OS-II V2.52通過了美國(guó)航空航天管理局的安全認(rèn)證，可用在與人性命攸關(guān)的控制系統(tǒng)中，是一部科學(xué)、實(shí)用的好教材。該內(nèi)核的前身是μC/OS，最早的版本是為Motorola 增強(qiáng)型8位單片機(jī)68HC11 CPU寫的。68HC11曾經(jīng)是世界上產(chǎn)量排名第三的（第一是68HC05，第二是8051）著名單片機(jī)CPU。1995年前后，我們?cè)?8HC11作為單片機(jī)應(yīng)用的教材，并出過一本《MC68HC11單片機(jī)開發(fā)技術(shù)》的教材，清華大學(xué)出版社出版。目前，68HC11逐漸被與之指令集在源碼級(jí)兼容的 CPU12 替代，故我們的研究生教學(xué)也將順勢(shì)轉(zhuǎn)向采用16位的CPU12 單片機(jī)。
我不主張將嵌入式Linux、μClinux等用于教學(xué)。它缺乏適當(dāng)?shù)亩ㄎ�，雖然有源碼，但并沒有一本適于做教材的書籍，對(duì)于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來說太難了，也沒有必要花那么多的時(shí)間去摳懂。將μClinux移植到不同32位系統(tǒng)上是計(jì)算機(jī)專家的事，非計(jì)算機(jī)專業(yè)的人士，僅僅是使用而已。對(duì)于計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，操作系統(tǒng)是必修課，有一部很好的教材，Andrew S. Tanenbaum等著，王鵬等譯 《操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》（第2版），電子工業(yè)出版社出版。這本書講的是Minix，實(shí)際上是簡(jiǎn)化了的Unix、Linux。學(xué)過這部教材，進(jìn)而掌握Linux原理就不難了。μClinux等嵌入式Linux不是實(shí)時(shí)的，僅對(duì)Linux做了簡(jiǎn)化，使之可用于嵌入式應(yīng)用，但作不到SoC。學(xué)習(xí)簡(jiǎn)化的Linux，不如選用Minix。當(dāng)然，μClinux可用于針對(duì)某特定應(yīng)用的培訓(xùn)。運(yùn)行μClinux至少需要512KB的 SDR
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