本书以飞思卡尔全国大学生智能汽车竞赛组委会推荐芯片MC9S12XS128为蓝本，深入讲解CPU及片内外设工作原理，介绍单片机嵌入式应用的开发方法。本书首先简要介绍了单片机的基本概念，从门电路到单片机的硬件演进过程；然后按CPU、存储器、I/O口、时钟和复位的顺序，讲述MCU内部结构和工作原理，对中断系统、串行口、定时计数模块和A/D转换模块进行了详细分析，介绍了单片机嵌入式应用的开发方法，并给出相应的范例。
本书系统介绍了Freescale （飞思卡尔） 公司的S12XS 微控制器（ MCU） 的硬件结构和工作原理。 以MC9S12XS128 为例详细分析了各个片内外设功能模块的硬件结构、工作原理和使用方法。 同时介绍了MCU 最小系统。 程序设计、下载和动态调试方法。 单片机嵌入式应用系统的设计方法。单片机的学习不仅要学习硬件。 还要学习软件。 根据我们多年的教学实践。 学生在学习单片机时。 由于前期电类基础不尽相同。 如何能够深入理解单片机的工作原理。 并尽快上手操作。 实现针对硬件编程、调试。 一直是单片机教学和学习过程中的难点。 为此。 本书在章节的编排和内容的选取上。 尽量做到零基础起步。 采用从原理到实践。 最后到系统设计的方法。 使得电类基础薄弱的读者也能尽快掌握单片机的工作原理。
本书在硬件上讲述单片机内部结构和工作原理时。 采用CPU、存储器、I/ O 口、时钟和复位的顺序。 读者在了解单片机内部结构之后。 马上就能够组成单片机最小系统。 并上手操作。只要有一点计算机基础的读者。 就能够通过范例操作。 看到I/ O 控制发光二极管的亮灭。激发读者的学习兴趣。 达到快速入门的目的。本书是在第1 版的基础上。 根据读者和任课教师的反馈意见进行了章节调整和部分内容的修改。 具体如下： 由于目前使用C 语言编程比汇编语言编程更加简单易学。 而且原书中给出的范例也是C 语言编程。 所以将第4 章指令系统删掉。 考虑到篇幅所限。 删掉了第11 章飞思卡尔智能车设计范例。 这部分内容在相关网站上有许多高手的经验介绍和交流文章。 各章都增加了思考题与习题。 便于读者对所学章节的内容进行复习和总结。第1 章简要讲述单片机的概念。 单片机的广泛应用。 单片机的发展历程。 从门电路到单片机的硬件演进过程。 并对常用的数制转换进行了介绍。 对飞思卡尔16 位单片机的特点及命名规则也进行了介绍。第2 章主要介绍S12XS 单片机的内部模块及引脚功能。 以MC9S12XS128 为例。 从硬件上详细分析CPU 取指、译码、操作以及标志设定和堆栈使用过程。 存储器结构及地址映射管理过程的地址管理、I/ O 口管理方法。 通过内部锁相环获得内部总线时钟的相关寄存器设置方法。 介绍了复位的工作原理。第3 章讲述如何用最简单的硬件和软件使单片机运行起来。 通过实例告诉你。 其实单片机入门并不难。第4 章讲述中断的概念、MC9S12XS128 中断源、中断响应和执行过程、中断优先级和中断嵌套。 通过外部中断范例。 理解中断响应是如何实现的。第5 章从总体上介绍串行通信的基本知识。 包括并行通信与串行通信。 同步串行通信和异步串行通信及数据格式。 常用异步串行通信标准。 介绍S12XS 同步串行模块SPI 和异步串行模块SCI 的工作原理及相关寄存器的功能和设置方法。第6 章讲述定时中断PIT、定时器TIM 和PWM 等内容。 每部分内容都有相应的范例。第7 章介绍A￣D 转换模块中包含的逐次比较式A￣D 转换器的工作原理。 MC9S12XS128的A￣D 转换模块结构和工作原理。 按功能分类介绍了相关寄存器的设置方法。 通过范例 MC9S12 单片机原理及嵌入式应用开发技术（第2 版）Ⅳ 理解相关寄存器的设置和使用方法。第8 章讲述了MC9S12XS128 单片机嵌入式应用的开发方法。 介绍μC/ OSⅡ的概念及其移植和任务编写方法。 通过范例介绍单片机嵌入式应用系统的开发流程。第9 章介绍了单片机测控系统的设计原则。 阐述了键盘、显示接口扩展方法。本书原理的讲述力求简洁透彻。 范例的选择具有工程背景。 便于读者移植使用。 本书对寄存器是按功能分类介绍的。
本书由陈万忠担任主编。 李洪霞、赵静荣担任副主编。 参加编写的人员还有： 顾海军、马海涛、洪伟、刘聪、康冰、逄鹏、封淑玲。 感谢研究生李勇强、姜瑞、孙保峰、高韧杰、崔冰一、雷俊、张勇和范越宇在调试程序和绘制插图方面的贡献。 本书编写过程中参考了许多单片机专家的著作。 谨向作者致以崇高的敬意。感谢清华大学飞思卡尔中心的支持和帮助。本书为读者提供了一个单片机学习的快速入门方法。 作者深感自己知识的局限。 深入的内容未作讨论。 书中难免会有疏漏和不妥之处。 诚请读者指正。
作 者
前 言
第1 章 单片机概述 1
1 1 单片机简介 1
1. 2 单片机的广泛应用 1
1. 3 单片机的发展历史 3
1. 4 从门电路到单片机 4
1. 4. 1 半导体晶体管的开关特性 4
1. 4. 2 组合逻辑电路 4
1. 4. 3 时序逻辑电路 9
1. 4. 4 单片机的硬件构成 10
1. 5 数制转换 11
1. 6 飞思卡尔16 位单片机 13
1. 6. 1 Freescale 16 位单片机命名参考
规则 13
1. 6. 2 MC9S12X 系列单片机 14
思考题与习题 15
第2 章 S12XS 单片机的内部结构
分析 16
2. 1 MC9S12XS 单片机的性能 16
2. 1. 1 MC9S12XS 内部模块 16
2. 1. 2 MC9S12XS 单片机的引脚及
功能 18
2. 2 CPU 的构成 21
2. 2. 1 算术逻辑单元(ALU) 21
2. 2. 2 控制单元 21
2. 2. 3 核心寄存器组 22
2. 3 存储器 24
2. 3. 1 基本存储空间 24
2. 3. 2 扩展地址空间 24
2. 3. 3 全局存储器映射 25
2. 3. 4 MC9S12XS128 全局存储器
映射 27
2. 4 并行I/ O 口 29
2. 4. 1 A、B、E 和K 口 29
2. 4. 2 T、S、M、P、H 和J 口 30
2. 4. 3 AD 口 32
2. 5 时钟与复位模块 32
2. 5. 1 时钟模块 32
2. 5. 2 锁相环应用范例 36
2. 5. 3 复位 38
思考题与习题 39
第3 章 单片机最小系统与软件运行
环境 40
3. 1 硬件电路设计 40
3. 1. 1 单片机电源电路设计 40
3. 1. 2 S12 单片机时钟电路设计 41
3. 1. 3 复位电路设计 42
3. 1. 4 BDM 接口电路设计 42
3. 2 Code Warrior V5. 1 软件使用指南 43
3. 2. 1 软件安装 43
3. 2. 2 关于BDM 驱动 44
3. 2. 3 创建一个新的工程 45
3. 2. 4 编译与调试 48
3. 3 并口输出范例 50
3. 3. 1 编写简单的应用程序 51
3. 3. 2 LED 闪动程序 52
3. 3. 3 复位自检程序 52
3. 3. 4 流水灯程序 54
思考题与习题 55
第4 章 中断系统 56
4. 1 中断的概念 56
4. 2 中断源 56
4. 3 S12XS 单片机的中断响应和中断
返回 59
4. 4 优先权排队 60
4. 5 中断嵌套 60
4. 6 中断服务子程序设计 61
4. 6. 1 IRQ 使用范例 62
4. 6. 2 XIRQ 使用范例 64
思考题与习题 66
第5 章 串行口 67
5. 1 串行通信概述 67
5. 1. 1 串行通信的两种基本方式 67
5. 1. 2 发送时钟和接收时钟 68
5. 1. 3 串行通信标准 69
MC9S12 单片机原理及嵌入式应用开发技术(第2 版)
Ⅵ
5. 2 同步外设接口SPI 模块 71
5. 2. 1 SPI 模块概述 71
5. 2. 2 SPI 寄存器 72
5. 2. 3 SPI 应用范例 76
5. 3 SCI 模块 79
5. 3. 1 SCI 模块的结构及功能 79
5. 3. 2 SCI 模块寄存器 80
5. 3. 3 SCI 应用范例 84
思考题与习题 97
第6 章 定时器相关模块 98
6. 1 定时器/计数器概述 98
6. 2 TIM 模块 98
6. 2. 1 TIM 模块的结构及功能 99
6. 2. 2 TIM 模块寄存器 100
6. 2. 3 TIM 模块应用范例 106
6. 3 PIT 模块 112
6. 3. 1 PIT 模块的结构及功能 113
6. 3. 2 PIT 模块寄存器 114
6. 3. 3 PIT 模块应用范例 117
6. 4 PWM 模块 122
6. 4. 1 PWM 功能 123
6. 4. 2 PWM 模块寄存器 123
6. 4. 3 PWM 模块应用范例 127
思考题与习题 132
第7 章 A￣D 转换模块 133
7. 1 A￣D 转换模块概述 133
7. 1. 1 A￣D 转换原理 133
7. 1. 2 S12XS 系列MCU 内置A￣D 转换
模块 134
7. 2 A￣D 转换寄存器 135
7. 2. 1 A￣D 输入使能寄存器 135
7. 2. 2 A￣D 控制寄存器 135
7. 2. 3 A￣D 比较寄存器 139
7. 2. 4 A￣D 转换状态寄存器 140
7. 2. 5 A￣D 结果寄存器 140
7. 3 A￣D 转换应用范例 141
7. 3. 1 应用注意事项 141
7. 3. 2 应用范例 142
思考题与习题 143
第8 章 嵌入式实时操作系统使用
范例 144
8. 1 嵌入式实时操作系统 144
8. 1. 1 嵌入式实时操作系统简介 144
8. 1. 2 嵌入式实时操作系统
μC/ OS￣II 144
8. 2 移植μC/ OS￣II 146
8. 2. 1 重新定义内核的大小和功能 147
8. 2. 2 OS—CPU. H 150
8. 2. 3 编写与硬件相关的代码 152
8. 2. 4 中断服务子程序OSTickISR() 152
8. 2. 5 任务堆栈初始化函数
OSTaskStkInit() 154
8. 2. 6 让优先级最高的就绪态任务开始
运行函数OSStartHighRdy() 155
8. 2. 7 任务级任务切换函数
OSCtxSw() 156
8. 2. 8 中断级任务切换函数
OSIntCtxSw() 157
8. 2. 9 相关接口函数 159
8. 3 应用范例 159
8. 3. 1 相关声明 160
8. 3. 2 主函数main() 161
8. 3. 3 系统任务函数AppStartTask() 162
8. 3. 4 用户任务1 AppTask1() 164
8. 3. 5 用户任务2 AppTask2() 165
8. 3. 6 用户任务3 AppTask3() 166
8. 3. 7 链接与程序定位 168
第9 章 单片机测控系统设计 169
9. 1 微机测控系统的组成 169
9. 1. 1 微机测控系统硬件 169
9. 1. 2 微机测控系统软件 170
9. 2 微机测控系统的常用器件 171
9. 2. 1 集成运算放大器及其应用 171
9. 2. 2 电压比较器 174
9. 2. 3 隔离放大器 175
9. 2. 4 光耦合器 177
9. 2. 5 固态继电器 179
9. 3 键盘、显示接口 181
9. 3. 1 键盘 181
9. 3. 2 7 段LED 显示 182
9. 3. 3 键盘显示接口范例 183
思考题与习题 186
参考文献 187
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