用Cortex―MO ARM代替8051系列单片机的嵌入式教学

摘要：Intel公司的8051系列单片机进入国内市场较早，至今许多学校单片机教学都是采用8051系列。文章通过对比Cortex-MO ARM和8051系列单片机的性能及使用方法，提出在嵌入式应用中，用先进的Cortex-M0 LPCIl00系列ARM代替8051单片机的方法，介绍在具体教学改革中进行的有益探索。

关键词：单片机实验；Cortex-MOARM；8051单片机；LPCI100系列ARM

1 背景

Intel公司于1980年推出的8051系列单片机，奠定了嵌入式应用的单片微型计算机的经典体系结构，由于进入国内市场较早，学校单片机教学都是采用8051系列；加之Intel公司实施了805l的技术开放政策，ATMEL公司、PHILIPS公司著名的电子公司，以其在电子应用系统的优势，着力发展8051单片机的控制功能及单元，形成了可满足大量嵌入式应用的单片机系列产品。直到现在，仍然有不少学校在单片机教学中采用8051系列。ARM公司自1990年成立以来，不断推出各种ARM内核，前几年推出的都定位在高端市场；对于使用者，芯片、开发工具及开发平台较贵，开发难度也较大；ARM公司在2005年收购805l的最大工具开发商Keil，就为其进入8/16位市场做准备。2009年后，ARM公司推出了Cortex-MO ARM，它低功耗、高性能、代码密度高，价格比其他8位单片机低，而且开发工具、平台价格低，开发难度大大降低。可以说，用Cortex-MO ARM代替8051单片机的时机已经成熟，学校单片机教学内容进行改变是实现代替的第一步。我们在使用Cortex-MO ARMLPCI 100教学过程中，把两者性能及使用方法进行了对比，在具体应用上提出自己的看法，并做了有益的探索。

2 LPCI100系列ARM功能

ARM Cortex-MO处理器工作频率50MHz，嵌套向量中断控制器，可快速确定中断，唤醒中断控制器，支持优先中断自动唤醒。具体包括3种节能模式：睡眠模式、深度睡眠模式和深度掉电模式。内存：最高128KB闪存，最高16KBSRAM。串行外设：UART支持分频波特率产生、内部FIFO和RS-485；SPI控制器，支持FIFO和多协议功能；12C总线接口，支持全速12C总线规范和增强型快速模式，数据速率高达1Mbit/s，支持多地址识别和监控模式。模拟外设：8个通道10位模数转换器，转换速率最高可达每秒250K个采样。最高42个通用I/O（GPIO）管脚，具有可配置的上拉，下拉电阻和可配置的新型开漏工作模式。4个通用计数器、计时器，共4个捕获输入端和13个匹配输出端。可编程看门狗定时器（WDT），带锁死功能；一个系统计时器；各个外设均自带时钟分频器，有利于节能。

从上述性能可以看出，8051单片机具有的所有性能，LPCI100系列ARM都具有，而且增加了许多8051单片机没有的功能。

2.1 LPCI100系列ARM与8051的性能对比

（1）指令长度对比。指令的长度和微处理器的位数无关，经过比较发现LPCI100的指令长度和8051单片机很相似，指令的密度非常大。

（2）处理器运算能力对比。8051单片机虽然支持8位和16位数据，但是对于16位数据需要多次处理，增加了堆栈和中断延迟；LPCI100处理器对长整形的数据处理只需要极少的周期，并具有极佳的浮点处理能力，对于32位数据的传输也只需要很少的时钟周期。

（3）处理性能对比。比较微处理器性能的一种常用的方法是使用Dhrystone基准，它在微处理器中只占很小的内存。比较的结果显示，Cortex-MO性能远大于8051单片机。

（4）运行模式及指令数量对比。8051单片机有一种运行模式，Cortex-MO ARM也只有一种运行模式，非常简单；8051单片机指令集为50条左右，Cortex-M0的指令集也仅有56条。

（5）代码量对比。根据业界的CoreMark基准，在多数常见微控制器任务中，基于Cortex-MO ARM微控制器的代码需求量降低了40%-50%，代码量已经小于同等功能下8051的代码量。这是因为8051所使用的指令并不全是8位的（8-24位），而Cortex-MO的指令位宽大部分是16位的；8051所要处理的数据也不总是8位的，而所有8位、16位和32位数据传输在Cortex-MO ARM中都是通过单一指令完成的；8051的寻址空间限制在64KB，虽然可以用分段方法扩展，但这会带来代码的增长，而Cortex-MO ARM寻址空间可达4GB，完全能满足编制代码要求。

（6）内存访问效率对比。Cortex-MO ARM使用32位总线，减少了内存访问所需次数，从而降低了功耗。对于在内存中复制同样数量的数据，8位微处理器需要4倍的内存访问次数和更多的取指，所以8位单片机需要消耗更多的功耗，才能达到同样的目的。

（7）价格对比。随着近年来制造工艺的不断进步，Cortex-MO ARM的成本也不断降低，已经与8位和16位微处理器处于同等水平。就LPCI100系列ARM而言，价格比许多8位单片机还低。

2.2 使用方式比较

用LPCI100系列ARM代替8051单片机，在使用方式上要相对简单。

（1）I/O端口。8051单片机I/O端口大多数没有复用功能，使用相对简单。LPCI100系列ARM绝大部分I/O端口都有复用功能，可以设置为A/D输入、总线等，默认状态为I/O端口。它共有4个通用I/O端口（如LPCI114 LQFP48共有42位I/O端口），通过GPIO配置寄存器设置不同功能；对于信号传输方向，通过寄存器设置，但一旦设置完成，正常使用就不烦琐了。

（2）中断。就中断控制过程而言，805l单片机和LPCI100系列ARM类似，都是当外设符合中断条件时，中断源会向处理器提出中断请求，处理器开始响应一个中断，中断控制器会自动定位一张中断向量表，根据中断号从表中找到中断服务程序（ISR）的入口地址并跳转过去执行。当中断服务程序执行完成后，从堆栈中取出中断前断点的程序指针及数据，在断点处继续执行。LPCI100系列ARM支持的中断源多，且具有4个中断优先级，8051单片机只有2个中断优先级。

（3）定时器/计数器。8051单片机具有2个16位定时器/计数器，LPCI100系列ARM具有2个16位和2个32位定时器/计数器，每个定时器/计数器都有一个相应的输入信号引脚和2-4个相应的输出信号引脚，具有定时、计数、输入捕捉功能，并可以设置为脉冲宽度调制（PWM）模式，用于电机控制。此外，LPCI100系列ARM还有两个非常有用而8051单片机不具备的功能，就是系统节拍定时器，其拥有专门的内部时钟与异常中断向量，可为实时操作系统提供固定的时间间隔中断；还有就是看门狗定时器（WDT）模块用于对微处理器的运行状态进行实时监测。

（4）通信部件。8051单片机的串行接口只有一个UART，而LPCI100系列ARM具有丰富的串行接口，一个UART还支持RS-485的9位模式和输出使能，给一些分布式控制系统应用带来了方便。除此之外，还具备SSP接口、12C接口，方便应用时选择。

（5）开发软件。KEIL软件是最普及的一种8051单片机编程环境，大多数8051单片机学习、开发人员都是采用KEIL进行编程。在ARM公司收购KEIL公司后，ARM公司结合自己的优势和KEIL的特点推出了新一代的ARM编译平台――RealView MDK。RealView MDK集成了许多先进的技术，包括uVision4集成开发环境与RealView编译器，支持所有的ARM芯片，并且自动配置启动代码、集成Flash烧写模块、强大的Simulation设备模拟、性能分析、逻辑分析等，大大降低了初学者的门槛，而且所使用的uVision集成开发环境（IDE）和开发使用ARM非常相似，在开发使用上都有着可以借鉴的地方。

3 教学案例

为了配合课堂教学需要，我们设计了Cortex-MO LPCIl00系列ARM实验平台，主要模块有：ARM核心模块（包括LPCIll4，复位控制芯片，SWD调试电路）；键盘、显示模块（一个4×4矩阵键盘，LCDl602液晶显示器）；通讯接口模块（包括RS232、RS485、12C和SPI等），8路A/D转换输入，配接8个电位器，实现A/D采集；一路PWM输出，可以通过示波器观察波形；带光耦的4路开关量（输入和输出），4路继电器控制（带指示LED）。除了可以完成所有8051单片机传统的实验外，还增加了A/D转换、PWM控制、12C、SPI、WDT及功耗控制等实验。

根据Cortex-M0 LPCI100系列ARM的特点，结合教学需要，我们设计了下述分布式智能温室采集控制系统实验方案。在嵌入式应用中，有一种形式比较普遍，就是数据采集（通过A/D转换实现），配以若干开关量输入/输出，并以上、下位机通过RS-485组成的分布式控制系统。这就是我们这个实验方案的原型。

分布式智能温室采集控制系统由5个部分组成，如图1所示。

（1）信号采集输入部分：包括温度、湿度、光照、风速、风向、雨量等环境因子的检测。

（2）输出及控制部分：控制风机湿帘、遮阳网、窗的开关等系统。

（3）LPCI114部分：包括信号转换与处理部分，将采集的信号转换为计算机和操作人员可识别的量，由LPCI114进行处理。灌溉控制，包括定时灌溉，时间由控制室调整制定，并可根据实际情况，在温室内进行手动控制灌溉。

（4）RS-485通讯部分：用于和上位机通讯，完成数据通讯、控制命令下达和远程参数设置。

（5）LCD显示和键盘部分：用于部分数据监视、温度、湿度等上限和下限的参数设置。

我们用实验平台对上述各部分硬件进行对应设置，用5个电位器代替温度、湿度等模拟量，接到LPCI114A/D输入，用3个继电器代替风机湿帘等的控制。

LPCI100系列ARM实验平台编制的程序主要是：定时采集温度、湿度等数据值，通过RS485传到上位机（PC机）；通过采集到的各个数据和设定的上限和下限值进行比较，控制对应继电器工作（可以通过配套LED观察结果）；编制键盘、LCD程序；编制上位机（PC机）通讯、显示程序。

4 结语

虽然LPCIl00系列ARM使用上比8051系列单片机烦琐一些，这主要是因为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动了；还有就是各个功能部件（中断、定时器/计数器、串行接口等），控制寄存器的数量多于8051单片机，但也是一旦设置完成后，在后面的使用中，就和普通单片机差不多了。另外LPCIl00系列ARM的设计考虑了在应用中的基本功能要求，对最常用的功能，如FO输入输出功能采用了默认的形式，即不配置成其他功能，默认成普通I/O口，这样连开始的配置或设置都不需要了。

我们通过课堂教学和在自己开发的LPCIl00系列ARM实验平台进行相关实验，除了基础的I/O接口、定时器/计数器、中断、PWM、A/D及各种通讯接口实验外，还提出若干较为复杂的综合的嵌入式应用实验，如上述的“分布式智能温室采集控制系统”，并且还在不断丰富这些实验。例如作为扩展要求，希望通过上位机直接发送控制命令，实现远程监控；也可以考虑平时是由上位机监控，一旦上位机出现故障或通讯失败，下位机及时接管所有功能，这样就需要用一些技术（如“心跳检测”技术）检测上、下位机之间通讯是否畅通。

总之，通过这些教学和实验，要让学生学会在一些嵌入式实际应用中，如何利用LPCI100系列ARM完成检测、控制等任务。