??? 摘? 要： 從第四屆全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能車競賽開始，競賽組委會推薦使用MC9S12XS128單片機(jī)替代前三屆競賽中使用的MC9S12DG128。S12X是新一代雙核單片機(jī)，制造工藝從0.25 μm進(jìn)步到0.18 μm；總線頻率從25 MHz提高到40 MHz；S12XS單片機(jī)保留了S12X CPU，去掉了另一個CPU－XGate，保留了技術(shù)進(jìn)步，提高了性能，簡化了操作。?
??? 關(guān)鍵詞： 智能車競賽；單片機(jī)；9S12DG；S12XS?
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??? 從2006年開始的全國大學(xué)生智能車競賽已經(jīng)進(jìn)行了3屆。當(dāng)時競賽推薦使用MC9S12DG128單片機(jī)。原因是該競賽在韓國已經(jīng)舉辦過3屆，使用的是MC9S12DP256。DG128單片機(jī)與DP256屬同類單片機(jī)，性能方面略有改善。這兩種單片機(jī)同屬S12DG128D系列單片機(jī)，是2000年初期產(chǎn)品。仍按摩爾定律發(fā)展的半導(dǎo)體技術(shù)，使單片機(jī)的性能不斷更新，推薦使用更新?lián)Q代的單片機(jī)可以使學(xué)生的教學(xué)實踐活動不斷緊跟最新技術(shù)。?
??? 實際上，從S12到S12X單片機(jī)已經(jīng)經(jīng)歷了一次里程碑式的技術(shù)發(fā)展，S12X單片機(jī)是雙核單片機(jī)，該系列單片機(jī)在S12單CPU的基礎(chǔ)上增加了另一個名為XGate的CPU。XGate是精簡指令流（RISC）類型的CPU，和復(fù)雜指令流（CISC）結(jié)構(gòu)的S12單片機(jī)性能互補(bǔ)。S12X系列單片機(jī)在其他性能方面也有很多改善。而含有XGate CPU的雙核單片機(jī)也已經(jīng)有二代產(chǎn)品，分別稱為V1和V2內(nèi)核。V1內(nèi)核的XGate專門用于處理中斷，V2的XGate還可承擔(dān)其他任務(wù)。參考文獻(xiàn)[1]對這種雙核單片機(jī)做了詳細(xì)介紹。?
??? 在1個硅片上集成了2個類型完全不同的CPU，使學(xué)習(xí)和掌握該類單片機(jī)的難度提高了不只一倍。對于處于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用入門階段的本科生，競賽組委會不推薦使用雙核單片機(jī)，雖然飛思卡爾公司表示也可以支持使用該類單片機(jī)。?
??? S12XS單片機(jī)在雙核單片機(jī)基礎(chǔ)上去掉了XGate CPU，保留了其他方面的技術(shù)進(jìn)步和性能提高，由于一些性能的改善，與S12單片機(jī)相比，開發(fā)難度不但沒有增加，甚至有所降低，是大學(xué)本科同學(xué)學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的更好范例。但作為教材，面前還沒有正式出版物，這就要求參賽選手查閱參考文獻(xiàn)[3]、[4]、[5]等原文資料。由于參賽選手多為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用愛好者和佼佼者，這一過程有利于提高學(xué)生的能力，培養(yǎng)IT高手。?
??? 由于參考文獻(xiàn)[2]已被很多大學(xué)選作教材，該教材已列為教育部十一五國家級規(guī)劃教材，其新編版將以S12-XS128為范例，于2009年夏天出版。屆時，采用S12DG-128教學(xué)的院校也可升級到S12XS單片機(jī)。?
??? 這里就新一代S12XS單片機(jī)較老一代產(chǎn)品性能方面的改進(jìn)做一介紹，供參賽者參考。?
1 全局線性尋址?
??? 為將程序存儲空間擴(kuò)展到大于64 KB，S12 CPU在64 KB空間內(nèi)開了一個16 KB的窗口，通過頁面管理寄存器PPage，根據(jù)需求不時調(diào)入不同存儲頁面，無法對整個尋址空間連續(xù)尋址。S12X的CPU在以同樣方式管理RAM、EEPROM的基礎(chǔ)上，又增加了一個全局寄存器，實現(xiàn)了對整個尋址空間的連續(xù)尋址。?
??? 圖1給出了S12XS CPU 和S12 CPU 的區(qū)別，圖中虛線描述的是S12X在S12 CPU基礎(chǔ)上增加的寄存器。全局地址寄存器GPage是一個7位寄存器，使原來的64 KB尋址空間擴(kuò)展了128倍，達(dá)到8 MB。若使用3 B地址對8 MB空間連續(xù)尋址，16位機(jī)需要2次讀16位地址線。2次可讀入32位地址，使用32位地址時，會多占用1倍存儲器，16位機(jī)的優(yōu)勢就沒有了。這里的解決辦法是，增加幾個專門指令對3 B地址（其中1 B是GPage的值）連續(xù)操作。?
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??? 增加的指令使整個8 MB尋址空間變成一個整體。分讀、寫兩類指令：?
??? 讀指令：GLDAR?
??? 寫指令：GSTAR?
??? 這里R表示CPU內(nèi)部6個寄存器A、B、D、X、Y和SP中的一個。?
??? 指令形式為：?
??? GLDAA，GLDAB，GLDD，GLDX，GLDY，GLDS?
??? GSTAA，GSTAB，GSTD，GSTX，GSTY，GSTS?
??? 以GLDD指令為例，可以使用直接尋址、擴(kuò)展尋址、寄存器間接尋址、帶8位、16位偏移量的間接尋址、寄存器作為偏移量的間接尋址等幾乎所有讀寫指令的尋址方式。表1是全程讀指令GLDD 的代碼形式、尋址方式、機(jī)器碼和周期數(shù)。?
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??? 用7位G寄存器，將存儲空間分成128個64KB，稱為存儲器的128個64KB頁面。用G寄存器＄00～＄7F表示的連續(xù)地址如下：?
??? 0x00_0000～0x00_0800??? 2 KB I/O地址空間?
??? 0x00_0800～0x0F_FFFF??? 16×64 KB-2 KB=1 MB-2 KB空間?
??? 0x10_0000～0x13_FFFF??? 4×64 KB=256 KB數(shù)據(jù)閃存空間?
??? 0x14_0000～0x1F_FFFF??? 12×64 KB=768 KB，暫不用?
??? 0x20_0000～0x3F_FFFF??? 可擴(kuò)展外部2 MB存儲器?
??? 0x40_0000～0x7F_FFFF??? 64×64 KB=4 MB程序閃存空間?
??? 2KB的I/O寄存器空間用于和輸入輸出模塊打交道；1MB 的RAM區(qū)包括片內(nèi)RAM和可能擴(kuò)展的片外RAM；256 KB的EEPROM用于存放斷電后仍需保留的數(shù)據(jù)；4 MB的閃存用于存放程序。?
??? 歸納起來，利用G寄存器，S12X單片機(jī)將存儲空間擴(kuò)展到4 MB閃存空間、1 MB RAM空間、256 KB非易失存儲器空間和2 MB外擴(kuò)存儲器空間，I/O寄存器占用2 KB空間。?
??? 對于S12XS128單片機(jī)，片內(nèi)可集成128 KB閃存，RAM為8 KB，數(shù)據(jù)閃存為8 KB。增加了8 KB D-Flash，分為8頁，每頁1KB用8個Epage頁面控制，全局地址為：0x10_0000-0x10_1FFF，頁面寄存器Epage 可取值0～7。增加的R寄存器對于S12XS單片機(jī)沒有意義。?
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??? CPU條件碼寄存器CCR由1 B增加為2 B。CCR高位即CCRH中的低3位為中斷優(yōu)先級位。S12的CPU在中斷服務(wù)子程序中開中斷則允許中斷嵌套，有了CCRH中IPL的3個中斷優(yōu)先級位以后，將中斷等級分為7級，7級最高，1級最低。高優(yōu)先級中斷可嵌套入低優(yōu)先級中斷，反之則不可嵌套。除了更高優(yōu)先級的那些不可屏蔽中斷以外，可以給所有I/O中斷源定義中斷優(yōu)先級。如果不定義優(yōu)先級的話，S12X CPU默認(rèn)這些中斷都為1級，即最低級中斷。?
2 新增CPU指令?
??? X系列單片機(jī)將原來只有累加器A、B或D可進(jìn)行的算術(shù)和邏輯運(yùn)算指令擴(kuò)展到X、Y寄存器也能進(jìn)行。這些新指令包括：加、減和帶進(jìn)位借位加、減（ADD、 SUB和SBE、ADE）；加、減1（INC、DEC）；與、或和異或(AND、OR、EOR)，位測試(BIT)；求負(fù)、求反（NEG、COM）；清零（CLR）；寄存器測試（TST）；算術(shù)右移和邏輯右移（ASR、LSL、LSR）；循環(huán)左右移（ROL、ROR）。?
??? S12X的累加器D則增加了擴(kuò)展到32位的加、減運(yùn)算指令，如ADED、SBED等。還增加了一套擴(kuò)展比較指令，將C標(biāo)志、Z標(biāo)志擴(kuò)展到32位數(shù)的比較，如CPED, CPEX, CPEY, CPES等。?
??? 不可中斷的讀-改-寫指令原來是對字節(jié)的8位操作，在S12X系列CPU中擴(kuò)展為16位操作。增加了16位的字節(jié)操作指令，如求負(fù)、求反、加減1、算術(shù)左右移、邏輯左右移。循環(huán)左右移、清零、位測試等等。如：NEGW，COMW，DECW，INCW，RORW，LSRW，ARSW，ROLW，LSLW，CLRW，TSTW。尋址方式與原有的8位操作的所有尋址方式相同。?
??? 另外，不通過CPU寄存器，從存儲器直接到存儲器的Move指令也由原來的單一尋址方式，擴(kuò)展到所有尋址方式。?
??? S12XS CPU不再支持模糊邏輯指令：模糊化指令MEM；模糊推理指令 REV, REVW；反模糊化指令WAV/WAVR。?
3 A/D變換精度從10位提高到12位?
??? S12XS單片機(jī)和S12D單片機(jī)都有1個16路的的AD變換模塊。但S12XS的片內(nèi)AD變換精度已經(jīng)從10位提高到12位。用戶在使用12位變換時，如果仍然直接用VDD來做AD變換的參考電壓，可能達(dá)不到12位精度。為了實現(xiàn)12位精度的ADC，應(yīng)該外接參考電壓芯片。實驗表明，在常溫下，使用齊納二極管做參考電壓芯片就足夠可以了。例如LM4040-4096可提供每個讀數(shù)1 mV的精度，且12位ADC的最后一位也基本穩(wěn)定，可以達(dá)到12位精度，但溫度穩(wěn)定性較差。如果在絕對測量中需要在環(huán)境溫度有很大變化的情況下仍能有穩(wěn)定的精度，可使用專門為高精度AD變換設(shè)計的3端穩(wěn)壓的參考電源芯片，可將參考電壓穩(wěn)定到萬分之一量級精度。?
4 閃存讀寫、容錯與糾錯?
??? S12X系列單片機(jī)片內(nèi)增加了存儲管理控制器，使該系列單片機(jī)有容錯與糾錯功能。每個字節(jié)的存儲都增加了一個校驗位。而CPU對存儲器的讀取方式為一次讀入8個字節(jié)，可實現(xiàn)2維校驗。當(dāng)發(fā)現(xiàn)這8個字節(jié)中有一位出錯時，存儲管理控制器可自動將該位糾正。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有2位出錯時，則會產(chǎn)生一個中斷，通知CPU采取措施。存儲管理控制器還簡化了寫閃存的步驟。存儲管理控制器通過命令寄存器和用戶程序打交道，用戶寫＝對閃存編程時，向存儲管理控制器寫命令字后，在將擬寫入的8個字節(jié)以4個字的方式連續(xù)寫入即可。比原來的S12單片機(jī)簡單了許多。同樣，擦除閃存時，主要向存儲管理控制器發(fā)擦除命令即可。擦除方式可以是一個扇區(qū)、一個存儲塊或全部。S12X系列單片機(jī)的EEPROM實際上也是閃存，稱為數(shù)據(jù)閃存。讀寫、容錯、糾錯同程序閃存，僅數(shù)據(jù)塊大小和組織有所不同。?
5 其他性能改進(jìn)?
??? 增加了一個片內(nèi)溫度傳感器，當(dāng)單片機(jī)片內(nèi)晶體管節(jié)溫過高時，向CPU發(fā)出中斷請求。用戶需要使用該溫度傳感器時，只需將其配置到16通道AD變換器的通道0，作為第17路AD即可。?
??? MC9S12XS128單片機(jī)較過去采用的MC9S12DG128單片機(jī)性能方面有很多改進(jìn)，速度更快、AD精度更高，增加了CPU寄存器和指令，可實現(xiàn)大存儲空間的線性尋址，閃存操作簡化，使用更方便。容錯糾錯功能及片內(nèi)溫度傳感器可提高控制系統(tǒng)可靠性，較S12DG128總體性能上有很大提高，是當(dāng)前Freescale最先進(jìn)的單核16位單片機(jī)。?
??? 即便是S12DG128，在大學(xué)生車模競賽中也僅用到單片機(jī)資源中很有限的一部分。為不加重競賽成本，舊的S12DG128仍可使用。特別是，由于S12XS系列單片機(jī)不再支持模糊控制指令，需要使用模糊算法的選手，使用S12DG128仍有優(yōu)勢。?
參考文獻(xiàn)?
[1] 邵貝貝，宮輝.嵌入式系統(tǒng)中的雙核技術(shù).北京航空航天出版社，2008.?
[2] 邵貝貝.單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法.清華大學(xué)出版社，2004.?
[3] Steve mcAslan S12 and S12XD family compatibility，F(xiàn)reescale Semiconductor AN2615.?
[4] Lela garofolo using the S12XE family as a development?platform for the S12XS family.?
[5] MC9S12XS256 Reference Manual，F(xiàn)reescale.