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KX-MCU40
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從目前單片機(jī)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方法來看，確實(shí)已與單片機(jī)本身的歷史一樣久遠(yuǎn)了。不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在高校中單片機(jī)教學(xué)的絕大多數(shù)內(nèi)容仍然停留在51單片機(jī)最初進(jìn)入課堂的那個年代（1984前后），例如許多現(xiàn)在看來早已沒有什么實(shí)用價值的內(nèi)容卻逢課必講，甚至是詳述，如0809、0832、8255、8155、8279，以及一些過時的存儲器等器件及接口技術(shù)，這導(dǎo)致了目前的單片機(jī)課程中學(xué)到的知識幾乎很難用于對付現(xiàn)在的大學(xué)生電子設(shè)計競賽中大多數(shù)賽題，當(dāng)然更加無法對付在未來工程實(shí)踐中出現(xiàn)的諸多問題了。此外，從單片機(jī)技術(shù)引入課堂至此，一直作為一門獨(dú)立的，孤立的專業(yè)基礎(chǔ)課來對待，從而將其與后來不斷涌現(xiàn)的許多新技術(shù)新知識絕緣起來，導(dǎo)致學(xué)習(xí)者無法將學(xué)到的單片機(jī)知識融入到更廣闊的實(shí)用工程技術(shù)領(lǐng)域中去。 通常，單片機(jī)有兩個最重要的指標(biāo)，即功能和速度。如果不考慮速度因素，配以特定的擴(kuò)展模塊，單片機(jī)幾乎可以完成任何任務(wù)。即單片機(jī)在實(shí)現(xiàn)功能的多樣性方面是無可挑剔的，但是一旦必須考慮高速問題的處理，傳統(tǒng)單片機(jī)技術(shù)的劣勢即刻暴露無疑。例如對于高速（包括并行和串行）ADC或DAC控制、基于多通道SPWM的電機(jī)控制、步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制、各類調(diào)制信號發(fā)生的控制、各類高速通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，以及不同目的的高速運(yùn)算等等。通常，解決以上問題的方案可以有兩種選擇：方案一是針對不同功能指標(biāo)要求，選擇不同的單片機(jī)或處理器；例如，若需對高速的ADC或DAC進(jìn)行控制，可以選擇含有特定接口功能的單片機(jī)；若需對步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制，可選擇用專用DSP處理器；若需實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制信號的發(fā)生和控制，則可為單片機(jī)擴(kuò)展特定的DDS專用器件。然而這一途徑的最大缺陷在于，對于系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)和功能要求，必須找到對應(yīng)的處理器和擴(kuò)展模塊。事實(shí)上這是一個很難實(shí)現(xiàn)的任務(wù)，因?yàn)檫�沒有一款處理器或單片機(jī)擁有能適應(yīng)不同高速DAC和ADC的接口形式，同時還擁有多通道的SPWM端口，以及精度、速度和通道數(shù)都可隨意編輯的DDS功能。顯然方案不存在一攬子解決方案。 方案二就是為單片機(jī)擴(kuò)展一片F(xiàn)PGA。這從任何一個角度，包括功能、速度、成本、技術(shù)指標(biāo)、靈活性、開發(fā)效率、系統(tǒng)升級可行性等等，都無疑是上佳的選擇，而且還是一個一攬子解決方案。這一方案的實(shí)用領(lǐng)域正隨著FPGA技術(shù)的深入應(yīng)用而迅速擴(kuò)大。 針對這一情況，清華大學(xué)出版社于2011年推出了將SOC（System Of a Chip）技術(shù)有機(jī)融入單片機(jī)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的《單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)》一書（圖1），作者是桂林電子科技大學(xué)和杭州電子科技大學(xué)的教授。此教材中的許多內(nèi)容對傳統(tǒng)的單片機(jī)應(yīng)用理念有了明顯的突破，對教學(xué)目標(biāo)有了全新的拓展和延伸，特別是融入了單片機(jī)與FPGA擴(kuò)展和基于單片機(jī)IP軟核的片上系統(tǒng)SOC構(gòu)建及應(yīng)用的知識，從而開拓了一個將普通單片機(jī)技術(shù)、FPGA開發(fā)技術(shù)、EDA技術(shù)、片上系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)有機(jī)融合、綜合運(yùn)用和培養(yǎng)自主創(chuàng)新能力的平臺。 圖2
于是，按照此教材，單片機(jī)課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可大致分為四個層次來進(jìn)行：1）傳統(tǒng)單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)；2）單片機(jī)的傳統(tǒng)應(yīng)用方法和擴(kuò)展技術(shù)；3）單片機(jī)擴(kuò)展FPGA技術(shù)（教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如圖2所示：為了使單片機(jī)能同時測控多個高速外設(shè)，引入了FPGA）；4）基于單片機(jī)IP核的FPGA片上系統(tǒng)SOC開發(fā)技術(shù)（教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如圖3所示：將圖2的測控核心部分裝入單片F(xiàn)PGA中，構(gòu)成高效的SOC系統(tǒng)）。 顯然，這是將傳統(tǒng)單片機(jī)技術(shù)與EDA技術(shù)、FPGA開發(fā)技術(shù)、嵌入式處理器軟核應(yīng)用技術(shù)和SOC技術(shù)有機(jī)結(jié)合的課程，這些內(nèi)容顯然與現(xiàn)代電子設(shè)計技術(shù)的發(fā)展具有很好的同步性。作者學(xué)校相關(guān)專業(yè)在過去多年的單片機(jī)教學(xué)中，采用了圖1教材的基本理念和核心內(nèi)容，教學(xué)效果是顯著的。除了在多屆電子設(shè)計競賽中不斷有學(xué)生直接利用這些學(xué)到的知識獲得可喜的成績外，有不少同學(xué)在就業(yè)數(shù)年后創(chuàng)辦了自己IC設(shè)計公司或工作室，有的業(yè)務(wù)是SOC設(shè)計，內(nèi)容多集中于MP4、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)字通信器件或手機(jī)語音處理相關(guān)的SOC專用集成電路的設(shè)計；有的則是主營特定企業(yè)的專用單片機(jī)或?qū)Ｓ眉呻娐返脑O(shè)計與銷售；還有的同學(xué)甚至自主開發(fā)通用單片機(jī)，其中還包括單片機(jī)開發(fā)芯片和開發(fā)工具的研發(fā)與銷售。作為本科畢業(yè)生，所有這些成就無疑都與他們于在校期間對于諸如單片機(jī)SOC技術(shù)等相關(guān)知識的學(xué)習(xí)和實(shí)踐所分不開的。 與《單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)》教材配套的實(shí)驗(yàn)開發(fā)與創(chuàng)新設(shè)計的設(shè)備是：
一、模塊化單片機(jī)技術(shù)SOC設(shè)計綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
模塊化結(jié)構(gòu)給出了最好的解決方案： 通常的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是整體結(jié)構(gòu)型的，雖也可完成多種類型實(shí)驗(yàn)，但由于整體結(jié)構(gòu)不可變動，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和類型是預(yù)先設(shè)定和固定的，很難有自主發(fā)揮的余地，如果學(xué)生的創(chuàng)新思想和創(chuàng)新設(shè)計與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不吻合，便無法在此平臺上獲得驗(yàn)證。根據(jù)圖2結(jié)構(gòu)，模塊化配置給出了最好的解決方案：○ 在實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐中，能提供用于構(gòu)建單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中必須的外設(shè)接口模塊，以及構(gòu)建SOC充足的邏輯資源和存儲器資源，豐富到足以涵蓋單片機(jī)SOC系統(tǒng)任何邏輯規(guī)模的結(jié)構(gòu)以及學(xué)生的創(chuàng)造力所及的任何形式的設(shè)計項(xiàng)目�！� 在外圍接口方面，除大量豐富的接口模塊，如VGA、PS2、USB、SD卡、RS232串口、語音處理、AD/DA等等現(xiàn)成的模塊外，還提供能適應(yīng)實(shí)驗(yàn)者隨時根據(jù)自己的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)需要，自主安排和設(shè)計新功能模塊的標(biāo)準(zhǔn)接口�！� 從涉及構(gòu)建SOC級的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的課程性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)性質(zhì)看，將實(shí)驗(yàn)硬件平臺定位于大規(guī)模邏輯容量的FPGA，在硬件實(shí)現(xiàn)與測試，軟件調(diào)試，軟硬件聯(lián)合測試與驗(yàn)證方面是十分必須的。 KX-MCU40配置如下： 一、基本平臺 編號:A 主系統(tǒng) ☆此平臺最多可同時插12 塊模塊板�！� KX_USB-Blaster2型雙功能編程器：(1)USB-Blaster編程下載功能(支持AS、PS、JTAG模式):1、對FPGA/CPLD進(jìn)行配置或編程；2、對配置器件EPCSx編程；3、訪問和編輯FPGA內(nèi)部RAM；4、調(diào)試Nios2，完成SOPC設(shè)計；5、支持SignalTapII 嵌入式邏輯分析儀。(2)USB到UART串行通信轉(zhuǎn)換：1、通過USB與FPGA串行通信，實(shí)現(xiàn)PC與FPGA的串行通信，且無需RS232電平轉(zhuǎn)換；2、通過USB與單片機(jī)的串行通信，實(shí)現(xiàn)PC與通用單片機(jī)的UART串行通信；3、通過USB對STC等系列單片機(jī)進(jìn)行直接編程開發(fā)，無需電平轉(zhuǎn)換。☆ ByteBlasterMV編程器一個（可對isp單片機(jī)編程）�！� 5功能智能邏輯筆：可顯示高電平、低電平、中電平、高阻態(tài)、脈沖信號。注意有“高阻態(tài)”測試功能�！� 獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)時鐘頻率20個。20MHZ-0.5HZ�！� 電源有自動保護(hù)的+5V，+12V、-12V、、+3.3V、2.5V+、1.2V。☆ 8個LED放光二級管，8個乒乓開關(guān)，揚(yáng)聲器�！� DDS信號輸出口及幅度、偏移調(diào)諧。
○ 基本軟件：1）Quartus II 9.0/11.0；2）ModelSim；3）Synplify；4）IDE；5）8051單片機(jī)IP核；6）8088/8086 CPU IP核；7）8088/8086微機(jī)系統(tǒng)接口模塊IP核：8253核、8237核、8259核、8255IP核和8250等IP核；8）Nios II 系統(tǒng)部分除EDA以外的單片機(jī)及IP核實(shí)驗(yàn) 注：以下實(shí)驗(yàn)根據(jù)系統(tǒng)配置來對應(yīng)完成 第六章 單片機(jī)系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)
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