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)平臺方案的設(shè)計(jì)提出一些看法，以引起同行的思考與討論。 關(guān)鍵詞：單片機(jī) 嵌入式 RTOS μC/OS 教學(xué) 培訓(xùn) 引 言 在2003年天津舉行的“全國單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)學(xué)術(shù)年會”上，來自全國各地幾十所大學(xué)的教師對單片機(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(jī)在產(chǎn)值上會超過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)展又非常快，片上存儲器容量不斷擴(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(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)要求教師教會學(xué)生一種方法，會用這種單片機(jī)，自然也會用其它單片機(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、看懂硬件原理圖、看懂別人寫的程序。在此基礎(chǔ)上學(xué)會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“對話”，進(jìn)而學(xué)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(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(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，我們曾以68HC11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兼容的 CPU12 替代，故我們的研究生教學(xué)也將順勢轉(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Linux做了簡化，使之可用于嵌入式應(yīng)用，但作不到SoC。學(xué)習(xí)簡化的 Linux，不如選用Minix。當(dāng)然，μClinux可用于針對某特定應(yīng)用的培訓(xùn)。運(yùn)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(yùn)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(jī)的片內(nèi)實(shí)現(xiàn)。講解RTOS原理，μC/OS-II足夠好了。 5 教學(xué)內(nèi)容要在穩(wěn)定的前提下發(fā)展 　　8位、16位、32位單片機(jī)將三分天下已是業(yè)界共識，作為教學(xué)，穩(wěn)定至關(guān)重要。雖然單片機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，但開一門單片機(jī)教學(xué)的課程并非易事，需要教師、教材、實(shí)驗(yàn)器材等，特別是實(shí)驗(yàn)平臺，需要較大的投入。教師要有相當(dāng)?shù)目蒲薪?jīng)驗(yàn)，用單片機(jī)做過研發(fā)，還要會講。我的經(jīng)驗(yàn)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(xué)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(shí)驗(yàn)平臺也應(yīng)盡量穩(wěn)定的時(shí)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(jī)其實(shí)是無所謂的。 　　由8位機(jī)一統(tǒng)天下，到8位、16位、32位并舉，轉(zhuǎn)型期定位單片機(jī)與嵌入式應(yīng)用類課程的切入點(diǎn)在哪里為好? 本人擬采用了以16位機(jī) CPU12為切入點(diǎn)。它比8位單片機(jī)復(fù)雜，比32位單片機(jī)簡單，外圍接口豐富(比一般32位機(jī)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(jī)。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(jī)實(shí)驗(yàn)平臺轉(zhuǎn)向16位、32位平臺的學(xué)校，不必強(qiáng)求，仍可使用8位機(jī)平臺。若使用的教學(xué)平臺有幾KB 的RAM、幾十KB的Flash，用于μC /OS-II作RTOS教學(xué)已足夠好，但希望不要再用仿真器，而采用我們從寫一個(gè)簡單的監(jiān)控程序，到移植μC /OS的教學(xué)法。不必過多地講授各種I/O接口的使用方法，讓學(xué)生在寫一個(gè)簡單監(jiān)控程序的基礎(chǔ)上自己去驅(qū)動(dòng)這些 I/O模塊。 　　有條件直接升級到32位單片機(jī)也是一種選擇。不少學(xué)校選用了以ARM為CPU的單片機(jī)，但請注意三點(diǎn)。一是定位，若課程定位在非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，運(yùn)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(xué)平臺很便宜。第二點(diǎn)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(jī)。以ARM為CPU擴(kuò)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(xué)，因?yàn)長inux在PC機(jī)上也能跑。第3點(diǎn)是學(xué)時(shí)與學(xué)生的基礎(chǔ)，32位單片機(jī)對于沒有8位單片機(jī)基礎(chǔ)的學(xué)生是很難掌握的，沒有足夠的學(xué)時(shí)，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(xué)習(xí)的客觀規(guī)律。我們有2門單片機(jī)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(xué)專業(yè))，名為“單片機(jī)認(rèn)識與實(shí)踐”，32學(xué)時(shí)，只講簡單8位單片機(jī)的入門知識，不講RTOS，面向還沒有學(xué)過數(shù)字電路課程，對單片機(jī)有興趣的2 年級電類本科生。 　　由于物理學(xué)對計(jì)算機(jī)的需求幾乎是無限的，故像互聯(lián)網(wǎng)這樣的計(jì)算機(jī)技術(shù)最先源于物理學(xué)的需求。我們系對部分本科生計(jì)算機(jī)能力的要求是很高的。接下來，部分學(xué)生將做一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用方面的SRT (Student Research and Training Program) 項(xiàng)目， 清華對SRT有專門的經(jīng)費(fèi)支持。學(xué)生設(shè)想一個(gè)簡單的單片機(jī)應(yīng)用原理性演示題目，利用課余時(shí)間，花半年到一年，設(shè)計(jì)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(xué)生科展上評獎(jiǎng)，甚至參加學(xué)生挑戰(zhàn)杯的角逐。這些學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，一般會做一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用方面的課題。這樣上來的研究生甚至可以幫助我當(dāng)研究生課輔導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的小教師。 　　另一門課程是定位于全校非計(jì)算機(jī)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(jī)的各專業(yè)學(xué)生。我們講以CPU12為核心的16位單片機(jī)和基于μC/OS-II的RTOS。這兩部分內(nèi)容共安排課內(nèi)64學(xué)時(shí)，其中授課與教師指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)約各占一半。按校方要求，這類課程原則上課內(nèi)、外學(xué)時(shí)之比為1∶2，即學(xué)生課外要花128學(xué)時(shí)讀書和進(jìn)行無輔導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)。由于學(xué)生來自不同學(xué)科、不同專業(yè)，在單片機(jī)應(yīng)用方面水平很不一樣。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展是各行各業(yè)需求拉動(dòng)的，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了需求。這里，需求是矛盾的主要方面。而個(gè)別研究生，特別是外?？既胛倚５姆请婎愌芯可?，甚至沒有學(xué)過微機(jī)原理之類課程。這里我們只能假設(shè)選修這門課的同學(xué)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(xué)生個(gè)人可能安排的課外學(xué)時(shí)的差異，到課程結(jié)束時(shí)，每個(gè)人到達(dá)的水平也是很不一樣的，故只能是各按步伐、共同前進(jìn)。 　　教學(xué)、開課要符合學(xué)生認(rèn)、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(xué)生防止浮躁。我們能做到的僅僅是領(lǐng)學(xué)生入門而已，能指出一個(gè)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(shí)現(xiàn)的。