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試論將μC/OS-II用于單片機教學(xué)
摘要：當前，大學(xué)中的“嵌入式系統與單片機應用”及類(lèi)似課程的教學(xué)內容和實(shí)驗正處在轉型期，由單純8位機轉向8位、16位、32位并舉；開(kāi)發(fā)方式上，仿真器在逐步退出；嵌入式實(shí)時(shí)操作系統被引入教學(xué)。本文就相關(guān)課程內容與實(shí)驗平臺方案的設計提出一些看法，以引起同行的思考與討論。引 言
??在2003年天津舉行的“全國單片機及嵌入式系統學(xué)術(shù)年會(huì )”上，來(lái)自全國各地幾十所大學(xué)的教師對單片機與嵌入式系統教學(xué)展開(kāi)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應用類(lèi)課程的轉型期
當前，單片機與嵌入式系統應用類(lèi)課程正處在轉型期。過(guò)去的20年中，單片機市場(chǎng)與需求都是以8位機為主的。最近幾年來(lái)，16位、32位單片機的嵌入式應用呈迅速增長(cháng)的趨勢。在一兩年后，數量上雖然仍會(huì )以8位為多，但32位單片機在產(chǎn)值上會(huì )超過(guò)8位單片機，如圖1、圖2所示。今后，單片機應用將呈現8位、16位、32位單片機并舉的格局。
由于單片機系統的需求越來(lái)越復雜、集成電路技術(shù)發(fā)展又非�？�，片上存儲器容量不斷擴大，使得在片上系統的開(kāi)發(fā)中，使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）成為可能。計算機對于90%以上的學(xué)生都不能是他的專(zhuān)業(yè)，而只是一種工具。同各行各業(yè)開(kāi)發(fā)單片機應用的工程師一樣，非計算機專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)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上，而是要把主要精力放在所研究的專(zhuān)業(yè)上，他們需要的是把計算機專(zhuān)家們研究的成果直接拿來(lái)使用。RTOS可以將一個(gè)復雜的應用分解成多個(gè)任務(wù)，從而簡(jiǎn)化應用程序的設計；RTOS可以保證系統的實(shí)時(shí)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(huì )帶來(lái)一系列的問(wèn)題，主要是任務(wù)間的競爭、死鎖、優(yōu)先級反轉、任務(wù)間同步與通信等。這些問(wèn)題有RTOS為用戶(hù)考慮，只要知道RTOS的原理，會(huì )使用就可以了。故單片機教學(xué)的這次轉型，引入RTOS概念是一大特點(diǎn)。
2 單片機教學(xué)史的回顧與思考
回憶過(guò)去我國單片機教學(xué)走過(guò)的路，大多數院校都是從8051走過(guò)來(lái)的。故8051在國內普及單片機應用方面功不可沒(méi)。而總結一下由8051教學(xué)模式帶來(lái)的副作用，將有利于目前的轉型。
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各種不同的應用。這就忽略了單片機應用的多樣性和單片機應用的個(gè)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。我們強調的是SoC，即片上系統，只有將整個(gè)系統都集成在一個(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，才擴充額外的接口芯片。故應告訴學(xué)生，雖然學(xué)的是某種單片機，但針對不同的應用要選擇最適宜的單片機。單片機教學(xué)要求教師教會(huì )學(xué)生一種方法，會(huì )用這種單片機，自然也會(huì )用其它單片機。
過(guò)去8051教學(xué)引入的另一誤區是使用仿真器。如果說(shuō)過(guò)去開(kāi)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擦寫(xiě)十萬(wàn)次以上的Flash存儲器，實(shí)在沒(méi)有必要使用仿真器。本人在過(guò)去20年的單片機應用開(kāi)發(fā)中，就從來(lái)沒(méi)有用過(guò)仿真器，并非沒(méi)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)。仿真器使單片機開(kāi)發(fā)變得不直觀(guān)，高價(jià)的仿真器增加了開(kāi)發(fā)成本，也增加了教學(xué)的負擔。開(kāi)發(fā)者不可能為每一類(lèi)單片機買(mǎi)一種仿真器，只好以自己有仿真器的那種單片機去適應所有的應用，從而誤入歧途。
3 是教學(xué)還是培訓
我們這里講的是教學(xué)，不是培訓，教學(xué)不同于培訓。俗話(huà)說(shuō)，“授之以魚(yú)不如授之以漁”。教學(xué)是“授之以漁”，授之以解決問(wèn)題的方法，培養解決問(wèn)題的能力，是引導學(xué)生入門(mén)。通過(guò)授課與實(shí)驗，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(xiě)的程序。在此基礎上學(xué)會(huì )如何掌握一種自己不熟悉的單片機。我們講CPU硬件結構，講匯編指令集，教學(xué)生如何初始化串行口，從而實(shí)現與單片機的CPU“對話(huà)”，進(jìn)而學(xué)會(huì )寫(xiě)監控程序，然后將如何與C語(yǔ)言接口，以μC/OS-II為例，講RTOS基本概念，進(jìn)而移植μC/OS-II。
培訓的目的是讓用戶(hù)盡快上手，一周乃至三天后就可以開(kāi)始寫(xiě)應用程序。培訓是“授之以魚(yú)”，培訓的典型例子是教學(xué)生如何使用某單片機的仿真器。
教學(xué)，強調的是引導學(xué)生入門(mén)，只要我們能正確地引導學(xué)生入門(mén)，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)單片機應用的科研與教學(xué)，證明是成功的。μC/OS、 μC/OS-II是專(zhuān)門(mén)為嵌入式應用設計的實(shí)時(shí)內核，適用于幾乎所有8位、16位、32位單片機；90%以上與硬件無(wú)關(guān)的代碼用C語(yǔ)言寫(xiě)成，用匯編語(yǔ)言寫(xiě)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(shū)寫(xiě)規范的全部源代碼。有一部600頁(yè)的書(shū)對RTOS基本概念、內核原理做了詳盡的描述，隨書(shū)所附光盤(pán)上的μC/OS-II V2.52通過(guò)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)的控制系統中，是一部科學(xué)、實(shí)用的好教材。該內核的前身是μC/OS，最早的版本是為Motorola 增強型8位單片機68HC11 CPU寫(xiě)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(zhù)名單片機CPU。1995年前后，我們曾以68HC11作為單片機應用的教材，并出過(guò)一本《MC68HC11單片機開(kāi)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(xué)。它缺乏適當的定位，雖然有源碼，但并沒(méi)有一本適于做教材的書(shū)籍，對于非計算機專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)太難了，也沒(méi)有必要花那么多的時(shí)間去摳懂。將μClinux移植到不同32位系統上是計算機專(zhuān)家的事，非計算機專(zhuān)業(yè)的人士，僅僅是使用而已。對于計算機專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，操作系統是必修課，有一部很好的教材，Andrew S. Tanenbaum等著(zhù)，王鵬等譯 《操作系統設計與實(shí)現》（第2版），電子工業(yè)出版社出版。這本書(shū)講的是Minix，實(shí)際上是簡(jiǎn)化了的Unix、Linux。學(xué)過(guò)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(jiǎn)化，使之可用于嵌入式應用，但作不到SoC。學(xué)習簡(jiǎn)化的Linux，不如選用Minix。當然，μClinux可用于針對某特定應用的培訓。運行μClinux至少需要512KB的 SDR
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