從MC9S12D到MC9S12XS 邵貝貝，薛 濤 時間:2009年04月29日 字 體: 大 中 小關鍵詞:系列單片機存儲管理雙核單片機64KBI/O 摘 要： 從第四屆全國大學生“飛思卡爾”杯智能車競賽開始，競賽組委會推薦使用MC9S12XS128單片機替代前三屆競賽中使用的MC9S12DG128。S12X是新一代雙核單片機，制造工藝從0.25 m進步到0.18 m；總線頻率從25 MHz提高到40 MHz；S12XS單片機保留了S12X CPU，去掉了另一個CPUXGate，保留了技術進步，提高了性能，簡化了操作。 關鍵詞： 智能車競賽；單片機；9S12DG；S12XS 從2006年開始的全國大學生智能車競賽已經進行了3屆。當時競賽推薦使用MC9S12DG128單片機。原因是該競賽在韓國已經舉辦過3屆，使用的是MC9S12DP256。DG128單片機與DP256屬同類單片機，性能方面略有改善。這兩種單片機同屬S12DG128D系列單片機，是2000年初期產品。仍按摩爾定律發展的半導體技術，使單片機的性能不斷更新，推薦使用更新換代的單片機可以使學生的教學實踐活動不斷緊跟最新技術。 實際上，從S12到S12X單片機已經經歷了一次里程碑式的技術發展，S12X單片機是雙核單片機，該系列單片機在S12單CPU的基礎上增加了另一個名為XGate的CPU。XGate是精簡指令流（RISC）類型的CPU，和復雜指令流（CISC）結構的S12單片機性能互補。S12X系列單片機在其他性能方面也有很多改善。而含有XGate CPU的雙核單片機也已經有二代產品，分別稱為V1和V2內核。V1內核的XGate專門用于處理中斷，V2的XGate還可承擔其他任務。參考文獻1對這種雙核單片機做了詳細介紹。 在1個硅片上集成了2個類型完全不同的CPU，使學習和掌握該類單片機的難度提高了不只一倍。對于處于嵌入式系統應用入門階段的本科生，競賽組委會不推薦使用雙核單片機，雖然飛思卡爾公司表示也可以支持使用該類單片機。 S12XS單片機在雙核單片機基礎上去掉了XGate CPU，保留了其他方面的技術進步和性能提高，由于一些性能的改善，與S12單片機相比，開發難度不但沒有增加，甚至有所降低，是大學本科同學學習嵌入式系統應用開發的更好范例。但作為教材，面前還沒有正式出版物，這就要求參賽選手查閱參考文獻3、4、5等原文資料。由于參賽選手多為嵌入式系統應用愛好者和佼佼者，這一過程有利于提高學生的能力，培養IT高手。 由于參考文獻2已被很多大學選作教材，該教材已列為教育部十一五國家級規劃教材，其新編版將以S12-XS128為范例，于2009年夏天出版。屆時，采用S12DG-128教學的院校也可升級到S12XS單片機。 這里就新一代S12XS單片機較老一代產品性能方面的改進做一介紹，供參賽者參考。1 全局線性尋址 為將程序存儲空間擴展到大于64 KB，S12 CPU在64 KB空間內開了一個16 KB的窗口，通過頁面管理寄存器PPage，根據需求不時調入不同存儲頁面，無法對整個尋址空間連續尋址。S12X的CPU在以同樣方式管理RAM、EEPROM的基礎上，又增加了一個全局寄存器，實現了對整個尋址空間的連續尋址。 圖1給出了S12XS CPU 和S12 CPU 的區別，圖中虛線描述的是S12X在S12 CPU基礎上增加的寄存器。全局地址寄存器GPage是一個7位寄存器，使原來的64 KB尋址空間擴展了128倍，達到8 MB。若使用3 B地址對8 MB空間連續尋址，16位機需要2次讀16位地址線。2次可讀入32位地址，使用32位地址時，會多占用1倍存儲器，16位機的優勢就沒有了。這里的解決辦法是，增加幾個專門指令對3 B地址（其中1 B是GPage的值）連續操作。 增加的指令使整個8 MB尋址空間變成一個整體。分讀、寫兩類指令： 讀指令：GLDAR 寫指令：GSTAR 這里R表示CPU內部6個寄存器A、B、D、X、Y和SP中的一個。 指令形式為： GLDAA，GLDAB，GLDD，GLDX，GLDY，GLDS GSTAA，GSTAB，GSTD，GSTX，GSTY，GSTS 以GLDD指令為例，可以使用直接尋址、擴展尋址、寄存器間接尋址、帶8位、16位偏移量的間接尋址、寄存器作為偏移量的間接尋址等幾乎所有讀寫指令的尋址方式。表1是全程讀指令GLDD 的代碼形式、尋址方式、機器碼和周期數。 用7位G寄存器，將存儲空間分成128個64KB，稱為存儲器的128個64KB頁面。用G寄存器007F表示的連續地址如下： 0x00_00000x00_0800 2 KB I/O地址空間 0x00_08000x0F_FFFF 1664 KB-2 KB=1 MB-2 KB空間 0x10_00000x13_FFFF 464 KB=256 KB數據閃存空間 0x14_00000x1F_FFFF 1264 KB=768 KB，暫不用 0x20_00000x3F_FFFF 可擴展外部2 MB存儲器 0x40_00000x7F_FFFF 6464 KB=4 MB程序閃存空間 2KB的I/O寄存器空間用于和輸入輸出模塊打交道；1MB 的RAM區包括片內RAM和可能擴展的片外RAM；256 KB的EEPROM用于存放斷電后仍需保留的數據；4 MB的閃存用于存放程序。 歸納起來，利用G寄存器，S12X單片機將存儲空間擴展到4 MB閃存空間、1 MB RAM空間、256 KB非易失存儲器空間和2 MB外擴存儲器空間，I/O寄存器占用2 KB空間。 對于S12XS128單片機，片內可集成128 KB閃存，RAM為8 KB，數據閃存為8 KB。增加了8 KB D-Flash，分為8頁，每頁1KB用8個Epage頁面控制，全局地址為：0x10_0000-0x10_1FFF，頁面寄存器Epage 可取值07。增加的R寄存器對于S12XS單片機沒有意義。 CPU條件碼寄存器CCR由1 B增加為2 B。CCR高位即CCRH中的低3位為中斷優先級位。S12的CPU在中斷服務子程序中開中斷則允許中斷嵌套，有了CCRH中IPL的3個中斷優先級位以后，將中斷等級分為7級，7級最高，1級最低。高優先級中斷可嵌套入低優先級中斷，反之則不可嵌套。除了更高優先級的那些不可屏蔽中斷以外，可以給所有I/O中斷源定義中斷優先級。如果不定義優先級的話，S12X CPU默認這些中斷都為1級，即最低級中斷。2 新增CPU指令 X系列單片機將原來只有累加器A、B或D可進行的算術和邏輯運算指令擴展到X、Y寄存器也能進行。這些新指令包括：加、減和帶進位借位加、減（ADD、 SUB和SBE、ADE）；加、減1（INC、DEC）；與、或和異或(AND、OR、EOR)，位測試(BIT)；求負、求反（NEG、COM）；清零（CLR）；寄存器測試（TST）；算術右移和邏輯右移（ASR、LSL、LSR）；循環左右移（ROL、ROR）。 S12X的累加器D則增加了擴展到32位的加、減運算指令，如ADED、SBED等。還增加了一套擴展比較指令，將C標志、Z標志擴展到32位數的比較，如CPED, CPEX, CPEY, CPES等。 不可中斷的讀-改-寫指令原來是對字節的8位操作，在S12X系列CPU中擴展為16位操作。增加了16位的字節操作指令，如求負、求反、加減1、算術左右移、邏輯左右移。循環左右移、清零、位測試等等。如：NEGW，COMW，DECW，INCW，RORW，LSRW，ARSW，ROLW，LSLW，CLRW，TSTW。尋址方式與原有的8位操作的所有尋址方式相同。 另外，不通過CPU寄存器，從存儲器直接到存儲器的Move指令也由原來的單一尋址方式，擴展到所有尋址方式。 S12XS CPU不再支持模糊邏輯指令：模糊化指令MEM；模糊推理指令 REV, REVW；反模糊化指令WAV/WAVR。3 A/D變換精度從10位提高到12位 S12XS單片機和S12D單片機都有1個16路的的AD變換模塊。但S12XS的片內AD變換精度已經從10位提高到12位。用戶在使用12位變換時，如果仍然直接用VDD來做AD變換的參考電壓，可能達不到12位精度。為了實現12位精度的ADC，應該外接參考電壓芯片。實驗表明，在常溫下，使用齊納二極管做參考電壓芯片就足夠可以了。例如LM4040-4096可提供每個讀數1 mV的精度，且12位ADC的最后一位也基本穩定，可以達到12位精度，但溫度穩定性較差。如果在絕對測量中需要在環境溫度有很大變化的情況下仍能有穩定的精度，可使用專門為高精度AD變換設計的3端穩壓的參考電源芯片，可將參考電壓穩定到萬分之一量級精度。4 閃存讀寫、容錯與糾錯 S12X系列單片機片內增加了存儲管理控制器，使該系列單片機有容錯與糾錯功能。每個字節的存儲都增加了一個校驗位。而CPU對存儲器的讀取方式為一次讀入8個字節，可實現2維校驗。當發現這8個字節中有一位出錯時，存儲管理控制器可自動將該位糾正。當發現有2位出錯時，則會產生一個中斷，通知CPU采取措施。存儲管理控制器還簡化了寫閃存的步驟。存儲管理控制器通過命令寄存器和用戶程序打交道，用戶寫對閃存編程時，向存儲管理控制器寫命令字后，在將擬寫入的8個字節以4個字的方式連續寫入即可。比原來的S12單片機簡單了許多。同樣，擦除閃存時，主要向存儲管理控制器發擦除命令即可。擦除方式可以是一個扇區、一個存儲塊或全部。S12X系列單片機的EEPROM實際上也是閃存，稱為數據閃存。讀寫、容錯、糾錯同程序閃存，僅數據塊大小和組織有所不同。5 其他性能改進 增加了一個片內溫度傳感器，當單片機片內晶體管節溫過高時，向CPU發出中斷請求。用戶需要使用該溫度傳感器時，只需將其配置到16通道AD變換器的通道0，作為第17路AD即可。 MC9S12XS128單片機較過去采用的MC9S12DG128單片機性能方面有很多改進，速度更快、AD精度更高，增加了CPU寄存器和指令，可實現大存儲空間的線性尋址，閃存操作簡化，使用更方便。容錯糾錯功能及片內溫度傳感器可提高控制系統可靠性，較S12DG128總體性能上有很大提高，是當前Freescale最先進的單核16位單片機。 即便是S12DG128，在大學生車模競賽中也僅用到單片機資源中很有限的一部分。為不加重競賽成本，舊的S12DG128仍可使用。特別是，由于S12XS系列單片機不再支持模糊控制指令，需要使用模糊算法的選手，使用S12DG128仍有優勢。1 邵貝貝，宮輝.嵌入式系統中的雙核技術.北京航空航天出版社，2008.2 邵貝貝.單片機嵌入