試論將μC/OS-II用于單片機教學

摘要：當前，大學中的“嵌入式系統(tǒng)與單片機應(yīng)用”及類似課程的教學內(nèi)容和實驗正處在轉(zhuǎn)型期，由單純8位機轉(zhuǎn)向8位、16位、32位并舉;開發(fā)方式上，仿真器在逐步退出;嵌入式實時操作系統(tǒng)被引入教學。本文就相關(guān)課程內(nèi)容與實驗平臺方案的設(shè)計提出一些看法，以引起同行的思考與討論。 關(guān)鍵詞：單片機 嵌入式 RTOS μC/OS 教學 培訓(xùn) 引 言 在2003年天津舉行的“全國單片機及嵌入式系統(tǒng)學術(shù)年會”上，來自全國各地幾十所大學的教師對單片機與嵌入式系統(tǒng)教學展開了熱烈的討論。這里，就我們的認識介紹如下，以達到拋磚引玉的目的。 1 單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用類課程的轉(zhuǎn)型期 　　當前，單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用類課程正處在轉(zhuǎn)型期。過去的20年中，單片機市場與需求都是以8位機為主的。最近幾年來，16位、32位單片機的嵌入式應(yīng)用呈迅速增長的趨勢。在一兩年后，數(shù)量上雖然仍會以8位為多，但32位單片機在產(chǎn)值上會超過8位單片機，如圖1、圖2所示。今后，單片機應(yīng)用將呈現(xiàn)8 位、16位、32位單片機并舉的格局。 　　由于單片機系統(tǒng)的需求越來越復(fù)雜、集成電路技術(shù)發(fā)展又非?？?，片上存儲器容量不斷擴大，使得在片上系統(tǒng)的開發(fā)中，使用嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)成為可能。計算機對于90%以上的學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)單片機應(yīng)用的工程師一樣，非計算機專業(yè)的學生來自各個領(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，他們需要的是把計算機專家們研究的成果直接拿來使用。RTOS可以將一個復(fù)雜的應(yīng)用分解成多個任務(wù)，從而簡化應(yīng)用程序的設(shè)計;RTOS可以保證系統(tǒng)的實時性達到或接近理論上可以達到的最好水平。而多任務(wù)本身會帶來一系列的問題，主要是任務(wù)間的競爭、死鎖、優(yōu)先級反轉(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，會使用就可以了。故單片機教學的這次轉(zhuǎn)型，引入RTOS概念是一大特點。 2 單片機教學史的回顧與思考 　　回憶過去我國單片機教學走過的路，大多數(shù)院校都是從8051走過來的。故8051在國內(nèi)普及單片機應(yīng)用方面功不可沒。而總結(jié)一下由8051教學模式帶來的副作用，將有利于目前的轉(zhuǎn)型。 圖1 　　一個副作用是，教學中以一片8051配以不同的外圍電路去適應(yīng)各種不同的應(yīng)用。這就忽略了單片機應(yīng)用的多樣性和單片機應(yīng)用的個性化定位。單片機姓 “單”，世界上的單片機至少有上千種，每種單片機都有各自的定位。我們強調(diào)的是SoC，即片上系統(tǒng)，只有將整個系統(tǒng)都集成在一個集成電路芯片上，才能做到低成本、高可靠性。只有在不得已的情況下，才擴充額外的接口芯片。故應(yīng)告訴學生，雖然學的是某種單片機，但針對不同的應(yīng)用要選擇最適宜的單片機。單片機教學要求教師教會學生一種方法，會用這種單片機，自然也會用其它單片機。 　　過去8051教學引入的另一誤區(qū)是使用仿真器。如果說過去開發(fā)掩膜型單片機使用仿真器屬不得已，則如今單片機都采用了可以反復(fù)擦寫十萬次以上的 Flash存儲器，實在沒有必要使用仿真器。本人在過去20年的單片機應(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。仿真器使單片機開發(fā)變得不直觀，高價的仿真器增加了開發(fā)成本，也增加了教學的負擔。開發(fā)者不可能為每一類單片機買一種仿真器，只好以自己有仿真器的那種單片機去適應(yīng)所有的應(yīng)用，從而誤入歧途。 3 是教學還是培訓(xùn) 　　我們這里講的是教學，不是培訓(xùn)，教學不同于培訓(xùn)。俗話說，“授之以魚不如授之以漁”。教學是“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)學生入門。通過授課與實驗，要求學生能做到三個看懂，看懂原文手冊、看懂硬件原理圖、看懂別人寫的程序。在此基礎(chǔ)上學會如何掌握一種自己不熟悉的單片機。我們講CPU硬件結(jié)構(gòu)，講匯編指令集，教學生如何初始化串行口，從而實現(xiàn)與單片機的CPU“對話”，進而學會寫監(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)的典型例子是教學生如何使用某單片機的仿真器。 　　教學，強調(diào)的是引導(dǎo)學生入門，只要我們能正確地引導(dǎo)學生入門，告訴他們什么是正確的方法，后面的路他們會自己走。 4 將μC/OS用于RTOS教學 　　1995年以后，我們逐漸將μC/OS、μC/OS-II引進單片機應(yīng)用的科研與教學，證明是成功的。μC/OS、 μC/OS-II是專門為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的實時內(nèi)核，適用于幾乎所有8位、16位、32位單片機;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機上可運行的范例;有針對數(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通過了美國航空航天管理局的安全認證，可用在與人性命攸關(guān)的控制系統(tǒng)中，是一部科學、實用的好教材。該內(nèi)核的前身是μC/OS，最早的版本是為 Motorola 增強型8位單片機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CPU。1995年前后，我們曾以68HC11作為單片機應(yīng)用的教材，并出過一本《MC68HC11單片機開發(fā)技術(shù)》的教材，清華大學出版社出版。目前，68HC11逐漸被與之指令集在源碼級兼容的 CPU12 替代，故我們的研究生教學也將順勢轉(zhuǎn)向采用16位的CPU12 單片機。 　　我不主張將嵌入式Linux、μClinux等用于教學。它缺乏適當?shù)亩ㄎ?，雖然有源碼，但并沒有一本適于做教材的書籍，對于非計算機專業(yè)的學生來說太難了，也沒有必要花那么多的時間去摳懂。將μClinux移植到不同32位系統(tǒng)上是計算機專家的事，非計算機專業(yè)的人士，僅僅是使用而已。對于計算機專業(yè)的學生，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)計與實現(xiàn)》(第2版)，電子工業(yè)出版社出版。這本書講的是Minix，實際上是簡化了的Unix、Linux。學過這部教材，進而掌握 Linux原理就不難了。μClinux等嵌入式Linux不是實時的，僅對Linux做了簡化，使之可用于嵌入式應(yīng)用，但作不到SoC。學習簡化的 Linux，不如選用Minix。當然，μClinux可用于針對某特定應(yīng)用的培訓(xùn)。運行μClinux至少需要512KB的 SDRAM，目前的技術(shù)水平片內(nèi)RAM還不可能做那么大。而運行μC/OS-II則只需要幾KB的RAM，十幾KB的Flash，這完全可以在單片機的片內(nèi)實現(xiàn)。講解RTOS原理，μC/OS-II足夠好了。 5 教學內(nèi)容要在穩(wěn)定的前提下發(fā)展 　　8位、16位、32位單片機將三分天下已是業(yè)界共識，作為教學，穩(wěn)定至關(guān)重要。雖然單片機技術(shù)發(fā)展迅速，但開一門單片機教學的課程并非易事，需要教師、教材、實驗器材等，特別是實驗平臺，需要較大的投入。教師要有相當?shù)目蒲薪?jīng)驗，用單片機做過研發(fā)，還要會講。我的經(jīng)驗是，講一門新課，至少要講到第三年才能說會講了或能講好了。為了穩(wěn)定，每年只能更新一小部分內(nèi)容，要善于解決穩(wěn)定和發(fā)展快這一對矛盾。RTOS的教學可穩(wěn)定很多年。μC /OS已經(jīng)十多年了，仍然好用，雖然每年都有新發(fā)展，但基本原理沒有變化，我看μC /OS-II至少還可以再講10年;MINIX快20年了，仍是一部好教材。實驗平臺也應(yīng)盡量穩(wěn)定的時間長一些，既然講述的是開發(fā)方法，使用8位、16位還是32位單片機其實是無所謂的。 　　由8位機一統(tǒng)天下，到8位、16位、32位并舉，轉(zhuǎn)型期定位單片機與嵌入式應(yīng)用類課程的切入點在哪里為好? 本人擬采用了以16位機 CPU12為切入點。它比8位單片機復(fù)雜，比32位單片機簡單，外圍接口豐富(比一般32位機還要豐富)，片內(nèi)RAM、ROM資源適中。講述了以匯編寫監(jiān)控程序開始，到用C語言寫程序，再到移植μC /OS這一方法，同樣適于8位、32位單片機。這種方法本身也始于20年前，逐漸增加RTOS是近8年的事，是相對穩(wěn)定又有發(fā)展的。 圖2 　　對沒有條件由8位機實驗平臺轉(zhuǎn)向16位、32位平臺的學校，不必強求，仍可使用8位機平臺。若使用的教學平臺有幾KB 的RAM、幾十KB的Flash，用于μC /OS-II作RTOS教學已足夠好，但希望不要再用仿真器，而采用我們從寫一個簡單的監(jiān)控程序，到移植μC /OS的教學法。不必過多地講授各種I/O接口的使用方法，讓學生在寫一個簡單監(jiān)控程序的基礎(chǔ)上自己去驅(qū)動這些 I/O模塊。 　　有條件直接升級到32位單片機也是一種選擇。不少學校選用了以ARM為CPU的單片機，但請注意三點。一是定位，若課程定位在非計算機專業(yè)的學生，運行μC /OS之類RTOS，可選擇片內(nèi)有幾KB、十幾KB的RAM、幾十KB的Flash、可工作在單片方式下的ARM，這樣會使教學平臺很便宜。第二點是不要炒作,不要一哄而上。ARM的應(yīng)用定位很明確，是一切與媒體有關(guān)的便攜式低功耗應(yīng)用。ARM是32位CPU，并不是全部32位單片機。以ARM為CPU擴以幾MB乃至十幾MB SDRAM、Flash的、可以上Linux的昂貴平臺，只適用于針對某類產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用的培訓(xùn)，不適于用來教學，因為Linux在PC機上也能跑。第3點是學時與學生的基礎(chǔ)，32位單片機對于沒有8位單片機基礎(chǔ)的學生是很難掌握的，沒有足夠的學時，ARM底層的東西是很難掌握的。 6 關(guān)于課程的定位 　　課程定位不同，即授課對象不同，課程的內(nèi)容可以很不一樣，但都必須符合學習的客觀規(guī)律。我們有2門單片機與嵌入式應(yīng)用課程，一門定位于電類本科生(我系核電子學專業(yè))，名為“單片機認識與實踐”，32學時，只講簡單8位單片機的入門知識，不講RTOS，面向還沒有學過數(shù)字電路課程，對單片機有興趣的2 年級電類本科生。 　　由于物理學對計算機的需求幾乎是無限的，故像互聯(lián)網(wǎng)這樣的計算機技術(shù)最先源于物理學的需求。我們系對部分本科生計算機能力的要求是很高的。接下來，部分學生將做一個單片機應(yīng)用方面的SRT (Student Research and Training Program) 項目， 清華對SRT有專門的經(jīng)費支持。學生設(shè)想一個簡單的單片機應(yīng)用原理性演示題目，利用課余時間，花半年到一年，設(shè)計一塊印刷線路板、再把軟件調(diào)出來，優(yōu)秀作品可拿到每年的學生科展上評獎，甚至參加學生挑戰(zhàn)杯的角逐。這些學生在畢業(yè)設(shè)計中，一般會做一個單片機應(yīng)用方面的課題。這樣上來的研究生甚至可以幫助我當研究生課輔導(dǎo)實驗的小教師。 　　另一門課程是定位于全校非計算機專業(yè)的各系研究生，特別是那些可能在研究生課題中用到單片機的各專業(yè)學生。我們講以CPU12為核心的16位單片機和基于μC/OS-II的RTOS。這兩部分內(nèi)容共安排課內(nèi)64學時，其中授課與教師指導(dǎo)下的實驗約各占一半。按校方要求，這類課程原則上課內(nèi)、外學時之比為1∶2，即學生課外要花128學時讀書和進行無輔導(dǎo)下的實驗。由于學生來自不同學科、不同專業(yè)，在單片機應(yīng)用方面水平很不一樣。計算機技術(shù)的發(fā)展是各行各業(yè)需求拉動的，而計算機技術(shù)的發(fā)展促進了需求。這里，需求是矛盾的主要方面。而個別研究生，特別是外?？既胛倚５姆请婎愌芯可?，甚至沒有學過微機原理之類課程。這里我們只能假設(shè)選修這門課的同學都有數(shù)字電路課的基礎(chǔ)，會用C語言寫程序。由于水平的參差不齊，及學生個人可能安排的課外學時的差異，到課程結(jié)束時，每個人到達的水平也是很不一樣的，故只能是各按步伐、共同前進。 　　教學、開課要符合學生認、知的客觀規(guī)律，是由簡單到復(fù)雜，由8位到16位、32位，由匯編到C，到RTOS。要切記防止浮躁，也要教導(dǎo)我們的學生防止浮躁。我們能做到的僅僅是領(lǐng)學生入門而已，能指出一個大致正確的方向，不誤人子弟已屬難得。后來，能成為IT高手的，不是我們培養(yǎng)的，而是通過他們自己艱辛努力實現(xiàn)的。