用Cortex—MO ARM代替8051系列單片機的嵌入式教學

摘要：Intel公司的8051系列單片機進入國內市場較早，至今許多學校單片機教學都是采用8051系列。文章通過對比Cortex-M0 ARM和8051系列單片機的性能及使用方法，提出在嵌入式應用中，用先進的Cortex-M0 LPCIl00系列ARM代替8051單片機的方法，介紹在具體教學改革中進行的有益探索。

關鍵詞：單片機實驗；Cortex-M0 ARM；8051單片機；LPCIl00系列ARM

1.背景

Intel公司于1980年推出的8051系列單片機，奠定了嵌入式應用的單片微型計算機的經典體系結構，由于進入國內市場較早，學校單片機教學都是采用8051系列；加之Intel公司實施了805l的技術開放政策，ATMEL公司、PHILIPS公司著名的電子公司，以其在電子應用系統的優勢，著力發展8051單片機的控制功能及外圍單元，形成了可滿足大量嵌入式應用的單片機系列產品。直到現在，仍然有不少學校在單片機教學中采用8051系列。ARM公司自1990年成立以來，不斷推出各種ARM內核，前幾年推出的都定位在高端市場；對于使用者，芯片、開發工具及開發平臺較貴，開發難度也較大；ARM公司在2005年收購8051的最大工具開發商Keil，就為其進入8/16位市場做準備。2009年后，ARM公司推出了Cortex-M0 ARM，它低功耗、高性能、代碼密度高，價格比其他8位單片機低，而且開發工具、平臺價格低，開發難度大大降低。可以說，用Cortex-M0 ARM代替8051單片機的時機已經成熟，學校單片機教學內容進行改變是實現代替的第一步。我們在使用Cortex-M0 ARMLPCIl00教學過程中，把兩者性能及使用方法進行了對比，在具體應用上提出自己的看法，并做了有益的探索。

2.LPCIl00系列ARM功能

ARM Cortex-MO處理器工作頻率50MHz，嵌套向量中斷控制器，可快速確定中斷，喚醒中斷控制器，支持優先中斷自動喚醒。具體包括3種節能模式：睡眠模式、深度睡眠模式和深度掉電模式。內存：最高128KB閃存，最高16KBSRAM。串行外設：UART支持分頻波特率產生、內部FIFO和RS-485；SPI控制器，支持FIFO和多協議功能；12C總線接口，支持全速12C總線規范和增強型快速模式，數據速率高達1Mbit/s，支持多地址識別和監控模式。模擬外設：8個通道10位模數轉換器，轉換速率最高可達每秒250K個采樣。最高42個通用I/O（GPIO）管腳，具有可配置的上拉，下拉電阻和可配置的新型開漏工作模式。4個通用計數器、計時器，共4個捕獲輸入端和13個匹配輸出端?？删幊炭撮T狗定時器（WDT），帶鎖死功能；一個系統計時器；各個外設均自帶時鐘分頻器，有利于節能。

從上述性能可以看出，8051單片機具有的所有性能，LPCIl00系列ARM都具有，而且增加了許多8051單片機沒有的功能。

2.1LPCIl00系列ARM與8051的性能對比

（1）指令長度對比。指令的長度和微處理器的位數無關，經過比較發現LPCI100的指令長度和8051單片機很相似，指令的密度非常大。

（2）處理器運算能力對比。8051單片機雖然支持8位和16位數據，但是對于16位數據需要多次處理，增加了堆棧和中斷延遲；LPC1100處理器對長整形的數據處理只需要極少的周期，并具有極佳的浮點處理能力，對于32位數據的傳輸也只需要很少的時鐘周期。

（3）處理性能對比。比較微處理器性能的一種常用的方法是使用Dhrystone基準，它在微處理器中只占很小的內存。比較的結果顯示，Cortex-MO性能遠大于8051單片機。

（4）運行模式及指令數量對比。8051單片機有一種運行模式，Cortex-M0也只有一種運行模式，非常簡單；8051單片機指令集為50條左右，Cortex-M0的指令集也僅有56條。

（5）代碼量對比。根據業界的CoreMark基準，在多數常見微控制器任務中，基于Cortex-M0微控制器的代碼需求量降低了40%-50%，代碼量已經小于同等功能下8051的代碼量。這是因為8051所使用的指令并不全是8位的（8-24位），而Cortex-MO的指令位寬大部分是16位的；8051所要處理的數據也不總是8位的，而所有8位、16位和32位數據傳輸在Cortex-M0中都是通過單一指令完成的；8051的尋址空間限制在64KB，雖然可以用分段方法擴展，但這會帶來代碼的增長，而Cortex-M0尋址空間可達4GB，完全能滿足編制代碼要求。

（6）內存訪問效率對比。Cortex-M0使用32位總線，減少了內存訪問所需次數，從而降低了功耗。對于存內存中復制同樣數量的數據，8位微處理器需要4倍的內存訪問次數和更多的取指，所以8位單片機需要消耗更多的功耗，才能達到同樣的目的。

（7）價格對比。隨著近年來制造工藝的不斷進步，Cortex-M0 ARM的成本也不斷降低，已經與8位和16位微處理器處于同等水平。就LPCIl00系列ARM而言，價格比許多8位單片機還低。

2.2使用方式比較

用LPC1100系列ARM代替805l單片機，在使用方式上要相對簡單。

（1）I/O端口。8051單片機I/O端口大多數沒有復用功能，使用相對簡單。LPCIl00系列ARM絕大部分I/O端口都有復用功能，可以設置為A/D輸入、總線等，默認狀態為I/O端口。它共有4個通用I/O端口（如LPCI 114 LQFP48共有42位I/O端口），通過GPIO配置寄存器設置不同功能；對于信號傳輸方向，通過寄存器設置，但一旦設置完成，正常使用就不煩瑣了。

（2）中斷。就中斷控制過程而言，8051單片機和LPCIl00系列ARM類似，都是當外設符合中斷條件時，中斷源會向處理器提出中斷請求，處理器開始響應一個中斷，中斷控制器會自動定位一張中斷向量表，根據中斷號從表中找到中斷服務程序（ISR）的入口地址并跳轉過去執行。當中斷服務程序執行完成后，從堆棧中取出中斷前斷點的程序指針及數據，在斷點處繼續執行。LPCIl00系列ARM支持的中斷源多，且具有4個中斷優先級，8051單片機只有2個中斷優先級。

（3）定時器/計數器。805l單片機具有2個16位定時器/計數器，LPCIl00系列ARM具有2個16位和2個32位定時器/計數器，每個定時器/計數器都有一個相應的輸入信號引腳和2-4個相應的輸出信號引腳，具有定時、計數、輸入捕捉功能，并可以設置為脈沖寬度調制（PWM）模式，用于電機控制。此外，LPCI 100系列ARM還有兩個非常有用而805l單片機不具備的功能，就是系統節拍定時器，其擁有專門的內部時鐘與異常中斷向量，可為實時操作系統提供固定的時間間隔中斷；還有就是看門狗定時器（WDT）模塊用于對微處理器的運行狀態進行實時監測。

（4）通信部件。8051單片機的串行接口只有一個UART，而LPCIl00系列ARM具有豐富的串行接口，一個UART還支持RS-485的9位模式和輸出使能，給一些分布式控制系統應用帶來了方便。除此之外，還具備SSP接口、12C接口，方便應用時選擇。

（5）開發軟件。KEIL軟件是最普及的一種8051單片機編程環境，大多數8051單片機學習、開發人員都是采用KEIL進行編程。在ARM公司收購KEIL公司后，ARM公司結合自己的優勢和KEIL的特點推出了新一代的ARM編譯平臺——RealView MDK。RealView MDK集成了許多先進的技術，包括uVision4集成開發環境與RealView編譯器，支持所有的ARM芯片，并且自動配置啟動代碼、集成Flash燒寫模塊、強大的Simulation設備模擬、性能分析、邏輯分析等，大大降低了初學者的門檻，而且所使用的uVision集成開發環境（IDE）和開發使用ARM非常相似，在開發使用上都有著可以借鑒的地方。

3.教學案例

為了配合課堂教學需要，我們設計了Cortex-M0 LPCIl00系列ARM實驗平臺，主要模塊有：ARM核心模塊（包括LPCIll4，復位控制芯片，SWD調試電路）；鍵盤、顯示模塊（一個4×4矩陣鍵盤，LCDl602液晶顯示器）；通訊接口模塊（包括RS232、RS485、12C和SPI等），8路AiD轉換輸入，配接8個電位器，實現AID采集；一路PWM輸出，可以通過示波器觀察波形；帶光耦的4路開關量（輸入和輸出），4路繼電器控制（帶指示LED）。除了可以完成所有8051單片機傳統的實驗外，還增加了AID轉換、PWM控制、12C、SPI、WDT及功耗控制等實驗。

根據Cortex-M0 LPCIl00系列ARM的特點，結合教學需要，我們設計了下述分布式智能溫室采集控制系統實驗方案。在嵌入式應用中，有一種形式比較普遍，就是數據采集（通過A/D轉換實現），配以若干開關量輸入/輸出，并以上、下位機通過RS-485組成的分布式控制系統。這就是我們這個實驗方案的原型。

分布式智能溫室采集控制系統由5個部分組成，如圖1所示。

（1）信號采集輸入部分：包括溫度、濕度、光照、風速、風向、雨量等環境因子的檢測。

（2）輸出及控制部分：控制風機濕簾、遮陽網、窗的開關等系統。

（3）LPCIll4部分：包括信號轉換與處理部分，將采集的信號轉換為計算機和操作人員可識別的量，由LPCIll4進行處理。灌溉控制，包括定時灌溉，時間由控制室調整制定，并可根據實際情況，在溫室內進行手動控制灌溉。

（4）RS-485通訊部分：用于和上位機通訊，完成數據通訊、控制命令下達和遠程參數設置。

（5）LCD顯示和鍵盤部分：用于部分數據監視、溫度、濕度等上限和下限的參數設置。

我們用實驗平臺對上述各部分硬件進行對應設置，用5個電位器代替溫度、濕度等模擬量，接到LPCIll4A/D輸入，用3個繼電器代替風機濕簾等的控制。

LPC1100系列ARM實驗平臺編制的程序主要是：定時采集溫度、濕度等數據值，通過RS485傳到上位機（PC機）；通過采集到的各個數據和設定的上限和下限值進行比較，控制對應繼電器工作（可以通過配套LED觀察結果）；編制鍵盤、LCD程序；編制上位機（Pc機）通訊、顯示程序。

4.結語

雖然LPC1100系列ARM使用上比8051系列單片機煩瑣一些，這主要是因為LPCIl00功能多，需要配置，但一旦配置完成，后面的使用中就不用再改動了；還有就是各個功能部件（中斷、定時器/計數器、串行接口等），控制寄存器的數量多于8051單片機，但也是一旦設置完成后，在后面的使用中，就和普通單片機差不多了。另外LPCIl00系列ARM的設計考慮了在應用中的基本功能要求，對最常用的功能，如FO輸入輸出功能采用了默認的形式，即不配置成其他功能，默認成普通I/0口，這樣連開始的配置或設置都不需要了。

我們通過課堂教學和在自己開發的LPCIl00系列ARM實驗平臺進行相關實驗，除了基礎的I/0接口、定時器/計數器、中斷、PWM、A/D及各種通訊接口實驗外，還提出若干較為復雜的綜合的嵌入式應用實驗，如上述的“分布式智能溫室采集控制系統”，并且還在不斷豐富這些實驗。例如作為擴展要求，希望通過上位機直接發送控制命令，實現遠程監控；也可以考慮平時是由上位機監控，一旦上位機出現故障或通訊失敗，下位機及時接管所有功能，這樣就需要用一些技術（如“心跳檢測’’技術）檢測上、下位機之間通訊是否暢通。

總之，通過這些教學和實驗，要讓學生學會在一些嵌入式實際應用中，如何利用LPCIl00系列ARM完成檢測、控制等任務。