??? 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單片機替代前三屆競賽中使用的MC9S12DG128。S12X是新一代雙核單片機,，制造工藝從0.25 μm進步到0.18 μm,；總線頻率從25 MHz提高到40 MHz,；S12XS單片機保留了S12X CPU，去掉了另一個CPU－XGate,，保留了技術(shù)進步,，提高了性能,，簡化了操作,。?

??? 關(guān)鍵詞： 智能車競賽,；單片機；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)進行了3屆,。當(dāng)時競賽推薦使用MC9S12DG128單片機。原因是該競賽在韓國已經(jīng)舉辦過3屆,，使用的是MC9S12DP256,。DG128單片機與DP256屬同類單片機，性能方面略有改善,。這兩種單片機同屬S12DG128D系列單片機,，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),，使單片機的性能不斷更新,，推薦使用更新?lián)Q代的單片機可以使學(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單片機已經(jīng)經(jīng)歷了一次里程碑式的技術(shù)發(fā)展,，S12X單片機是雙核單片機，該系列單片機在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單片機性能互補。S12X系列單片機在其他性能方面也有很多改善,。而含有XGate CPU的雙核單片機也已經(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[1]對這種雙核單片機做了詳細介紹。?

??? 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,，雖然飛思卡爾公司表示也可以支持使用該類單片機,。?

??? S12XS單片機在雙核單片機基礎(chǔ)上去掉了XGate CPU，保留了其他方面的技術(shù)進步和性能提高,，由于一些性能的改善,，與S12單片機相比，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[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[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,。?

??? 這里就新一代S12XS單片機較老一代產(chǎn)品性能方面的改進做一介紹,，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尋址空間擴展了128倍,，達到8 MB,。若使用3 B地址對8 MB空間連續(xù)尋址，16位機需要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單片機將存儲空間擴展到4 MB閃存空間、1 MB RAM空間,、256 KB非易失存儲器空間和2 MB外擴存儲器空間,，I/O寄存器占用2 KB空間,。?

??? 對于S12XS128單片機，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系列單片機將原來只有累加器A、B或D可進行的算術(shù)和邏輯運算指令擴展到X,、Y寄存器也能進行,。這些新指令包括：加、減和帶進位借位加,、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、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則增加了擴展到32位的加,、減運算指令,，如ADED、SBED等,。還增加了一套擴展比較指令，將C標志,、Z標志擴展到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中擴展為16位操作,。增加了16位的字節(jié)操作指令，如求負,、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單片機和S12D單片機都有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系列單片機片內(nèi)增加了存儲管理控制器，使該系列單片機有容錯與糾錯功能,。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?

??? 增加了一個片內(nèi)溫度傳感器,，當(dāng)單片機片內(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單片機較過去采用的MC9S12DG128單片機性能方面有很多改進，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最先進的單核16位單片機。?

??? 即便是S12DG128,，在大學(xué)生車模競賽中也僅用到單片機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?

[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.