吴 强，杨全胜，王晓蔚
（东南大学 计算机科学与工程学院，江苏 南京 211189）
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-M0 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 LPC1100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。
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关键词 ：单片机实验；Cortex-M0 ARM；8051单片机；LPC1100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8051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外围单元，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8051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-M0 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-M0 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-M0 ARM LPC1100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[1-2]。
2 LPC1100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16KB SRAM。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；I2C总线接口，支持全速I2C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[3-4]。
从上述性能可以看出，8051单片机具有的所有性能，LPC1100系列ARM都具有，而且增加了许多8051单片机没有的功能。
2.1 LPC1100系列ARM与8051的性能对比[5-6]
（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LPC1100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；LPC1100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-M0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-M0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-M0中都是通过单一指令完成的；8051的寻址空间限制在64 KB，虽然可以用分段方法扩展，但这会带来代码的增长，而Cortex-M0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-M0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-M0 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LPC1100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[7-8]
用LPC1100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。LPC1100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LPC1114 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，8051单片机和LPC1100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。LPC1100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，LPC1100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，LPC1100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LPC1100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、I2C接口，方便应用时选择。
（5）开发软件[9]。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-M0 LPC1100系列ARM实验平台，主要模块有： ARM核心模块（包括LPC1114，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，LCD1602液晶显示器）；通讯接口模块（包括RS232、RS485、I2C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、I2C、SPI、WDT及功耗控制等实验。
根据Cortex-M0 LPC1100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[10]。
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）LPC1114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LPC1114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LPC1114A/D输入，用3个继电器代替风机湿帘等的控制。
LPC1100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LPC1100系列ARM使用上比8051系列单片机烦琐一些，这主要是因为LPC1100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LPC1100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I/O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LPC1100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LPC1100系列ARM完成检测、控制等任务。
基金项目：东南大学教改项目（2013-063）。
第一作者简介：吴强，男，高级工程师，从事实验教学及实验室管理，wq@seu.edu.cn。
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参考文献：
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（编辑：郭田珍）