S12單片機(jī)模塊應(yīng)用及程序下載調(diào)試

清華大學(xué)Freescale單片機(jī)/DSP應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究中心  安鵬 馬偉

摘　要：本文對(duì)邀請(qǐng)賽選用的主控芯片MC9S12DG128單片機(jī)的一些外圍接口模塊作了介紹，包括功能上的描述和例程及初始化的過(guò)程，對(duì)一些參賽隊(duì)伍中遇到的Flash鎖死問(wèn)題也提供了解決的方案。
 
關(guān)鍵字： MC9S12DG128；CodeWarrior；TBDML；Flash解密

    本次智能車(chē)邀請(qǐng)賽采用的MC9S12DG128（以下簡(jiǎn)稱(chēng)DG128）是Freescale公司推出的S12系列單片機(jī)中的一款增強(qiáng)型16位單片機(jī)，片內(nèi)資源豐富，接口模塊包括SPI、SCI、IIC、A/D、PWM等，在汽車(chē)電子應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的用途。DG128在Flash存儲(chǔ)控制及加密方面也有很強(qiáng)的功能，加解密可配合第三方軟件使用。

    DG128單片機(jī)采用增強(qiáng)型16位HCS12 CPU，片內(nèi)總線時(shí)鐘最高可達(dá)25MHz；片內(nèi)資源包括8K RAM、128K Flash、2K EEPROM； SCI、SPI、PWM串行接口模塊；脈寬調(diào)制模塊（PWM）可設(shè)置成4路8位或者2路16位，邏輯時(shí)鐘選擇頻率寬。它包括兩個(gè)8路10位精度A/D轉(zhuǎn)換器，控制器局域網(wǎng)模塊（CAN），增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器并支持背景調(diào)試模式。DG128有112-pin和80-pin兩種封裝形式，80-pin封裝的單片機(jī)沒(méi)有引出用于擴(kuò)展的端口，只引出了一個(gè)8路A/D接口。

常用接口模塊及外部應(yīng)用

    PWM（Pulse Width Modulate）模塊：PWM脈寬調(diào)制波是一種可用程序來(lái)控制波形占空比、周期、相位的波形。它在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、D/A變換等場(chǎng)合有著廣泛的應(yīng)用。本次大獎(jiǎng)賽使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片為MC33886，其輸入信號(hào)即為一路PWM信號(hào)。MC33886根據(jù)PWM信號(hào)的周期和占空比來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度。大獎(jiǎng)賽中使用的舵機(jī)也是用PWM來(lái)控制的。PWM信號(hào)的周期大于某一域值后可驅(qū)動(dòng)舵機(jī)工作，保持周期、調(diào)節(jié)PWM的占空比即可調(diào)節(jié)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在沒(méi)有電機(jī)、舵機(jī)的具體參數(shù)的情況下，可寫(xiě)一個(gè)可調(diào)周期、占空比的PWM輸出程序進(jìn)行測(cè)試。

    A/D（Analog/Digital）模塊：A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部可分為三個(gè)部分：IP總線接口、轉(zhuǎn)換模式控制/寄存器列表、自定義模擬量。IP總線接口負(fù)責(zé)該模塊與總線的連接，實(shí)現(xiàn)A/D模塊和通用I/O的目的。轉(zhuǎn)換模式控制寄存器列表中有控制該模塊的所有的寄存器。自定義模擬量負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。為了與外部信號(hào)同步進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，A/D有一個(gè)外部觸發(fā)轉(zhuǎn)換通道，用戶(hù)可以選擇觸發(fā)方式（沿觸發(fā)、電平觸發(fā)）。
 
    A/D模塊設(shè)有時(shí)鐘分頻機(jī)制。需要用戶(hù)注意的是，A/D模塊的最大轉(zhuǎn)換時(shí)鐘為2MHz，最小轉(zhuǎn)換時(shí)鐘為500KHz，用戶(hù)需要查看自己芯片的內(nèi)部總線時(shí)鐘，必須使得分頻以后的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘處于兩者之間，否則可能得不到正確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。用戶(hù)可以設(shè)定轉(zhuǎn)換結(jié)果為有符號(hào)或是無(wú)符號(hào)數(shù)。比如，對(duì)于Vrh為5.12v，Vrl為0v時(shí)，輸入5.12V，8位有符號(hào)的結(jié)果是-$7F，無(wú)符號(hào)的結(jié)果是$FF。A/D模塊允許設(shè)置順序轉(zhuǎn)換，最大的順序轉(zhuǎn)換序列長(zhǎng)度是8。

    大獎(jiǎng)賽中車(chē)模對(duì)跑道的識(shí)別有可能會(huì)用到A/D模塊，識(shí)別電路的前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有很多種實(shí)現(xiàn)方案，如紅外發(fā)光二極管或是CMOS攝像頭來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

Codewarrior軟件使用
 
    大賽中采用Codewarrior 3.1 for HCS12作為推薦的程序編譯軟件。CodeWarrior for S12” 是面向以HC12或S12為CPU的單片機(jī)嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)的軟件包。包括集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE、處理器專(zhuān)家?guī)?、全芯片仿真、可視化參?shù)顯示工具、項(xiàng)目工程管理器、C交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及調(diào)試器。在Codewarrior軟件中可以使用匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言，以及兩種語(yǔ)言的混合編程。

    工程建立以后，需要定義裝載地址。default.prm文件用于定義目標(biāo)代碼的裝載地址，用戶(hù)應(yīng)當(dāng)根據(jù)使用單片機(jī)的內(nèi)存分配情況修改這個(gè)文件。CodeWarrior 自動(dòng)生成的 .prm 文件默認(rèn)MC9S12DG128 的RAM 在：

     RAM = READ_WRITE 0x0400 TO 0x1FFF;

     這個(gè)默認(rèn)區(qū)間必須修改，因?yàn)樵谶@一空間有 1K 的I/O 寄存器空間 和2K EEPROM 空間。使用默認(rèn)定義會(huì)丟失1K RAM 和 2K EEPROM。

　　我們?cè)诒O(jiān)控程序中修改RAM空間：

     RAM = READ_WRITE 0x2000 TO 0x3FFF;

     當(dāng)然也可以修改到：

　　RAM = READ_WRITE 0x1000 TO 0x2FFF。
 
    建議用戶(hù)采用我們的定義。

     另外，我們使用：

     STACKTOP 替代 STACKSIZE 

     因?yàn)镾TACKSIZE 0x100 在RAM低端留 0x100 空間，而使用 STACKTOP 0x3F00 可以將SP定義到RAM 高端。但是如果采用這種定義的方法，需要在前面定義RAM的時(shí)候，定義修改為：RAM=READ_WRITE 0x2000 TO 0x3EFF。 這樣，工程連接的時(shí)候才不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

　　另外還需要對(duì)于工程文件中 Start12.c中函數(shù) ：
void __interrupt 0 _Startup(void) 中
#ifdef _HCS12_SERIALMON
.......
.......
#endif

　　兩句宏命令注釋掉，使得其中的對(duì)于EEPROM,RAM起始位置控制寄存器初始化語(yǔ)句有效。這樣，下載后程序可以運(yùn)行正常。

　　上述修改在大獎(jiǎng)賽的官方網(wǎng)站上已有詳細(xì)說(shuō)明。

　　利用監(jiān)控程序下載用戶(hù)程序：
 
    監(jiān)控程序（Monitor）的主要功能是對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)硬件及底層軟件進(jìn)行調(diào)試，也稱(chēng)為Debug程序，是最基本的調(diào)試工具。MC9S12DG128的Flash有128K，RAM有8K，而監(jiān)控程序源代碼占用不到3K FLASH，占用23字節(jié)RAM。這對(duì)用戶(hù)程序的空間影響并不大。異步串行口是要用來(lái)做與PC通訊服務(wù)的，監(jiān)控程序可以用，應(yīng)用程序當(dāng)然也可以使用。

    下載用戶(hù)程序至片內(nèi)資源是監(jiān)控程序的基本功能。清華大學(xué)Freescale MCU & DSP應(yīng)用研發(fā)中心開(kāi)發(fā)的基于MC9S12DG128的監(jiān)控程序代碼小于4KB，起始地址為$F000處，它把$FF80的中斷向量表移到EF80處，順序不變。用戶(hù)可以使用$EF80處的中斷向量表，此中斷向量表和MC9S12DG128手冊(cè)上的中斷向量表順序相同，只是從$FF80移到了$EF80。監(jiān)控程序起來(lái)時(shí)，如果串口在4秒內(nèi)沒(méi)有收到數(shù)據(jù)，就會(huì)檢查$EFFE－$EFFF（用戶(hù)復(fù)位向量表）是否為FFFF,如果不是,說(shuō)明FLASH中有用戶(hù)程序。程序自動(dòng)調(diào)轉(zhuǎn)到$EFFE－$EFFF所指向的用戶(hù)程序。如果程序起來(lái)4秒內(nèi)串口接到數(shù)據(jù)或者$EFFE-$EFFF為$FFFF,則進(jìn)入DEBUG監(jiān)控程序。

    該監(jiān)控程序中F命令下載程序到FLASH中，可識(shí)別S1或S2格式的S19文件。按“F”鍵后，開(kāi)發(fā)板上的單片機(jī)等待接收來(lái)自串行口的數(shù)據(jù)文件。然后選擇“發(fā)送” －→“發(fā)送文本文件”，找到要下載的*.S19文件，按“打開(kāi)(O)”，這樣，就把文件下載到FLASH中去了。注意，文件類(lèi)型應(yīng)選“所有文件”。待再次出現(xiàn)提示符說(shuō)明程序已下載完成。
 
    從PC寄存器的地址處，開(kāi)始運(yùn)行程序?？梢杂肅trl P 命令修改PC指針到擬運(yùn)行程序的起始地址。如果是匯編的代碼從下載地址開(kāi)始執(zhí)行即可；但如果是C語(yǔ)言編譯生成的代碼，需要加29后的地址再執(zhí)行。這是因?yàn)楣こ淌菑腟TART12.C開(kāi)始執(zhí)行，然后再執(zhí)行用戶(hù)的main.c。這是codewarrior內(nèi)部規(guī)定的。用戶(hù)只需要知道就可以了。用戶(hù)程序的入口地址是用戶(hù)在default.prm文件中定義的代碼地址加上29。
 
    然后鍵入“G”命令。這時(shí)便可以執(zhí)行用戶(hù)程序了。如果用戶(hù)程序中無(wú)法從主循環(huán)中跳出，需要停止用戶(hù)程序的時(shí)候按一下復(fù)位鍵即可。

5  利用“BDM for S12(TBDML)”調(diào)試程序

    當(dāng)用戶(hù)在監(jiān)控程序的幫助下，熟悉了S12單片機(jī)的性能和結(jié)構(gòu)，并能初步開(kāi)始軟硬件的設(shè)計(jì)后，就可以脫離監(jiān)控程序了，尤其是對(duì)于一個(gè)完整的項(xiàng)目，就更要直接對(duì)硬件進(jìn)行調(diào)試而脫離監(jiān)控程序。S12系列單片機(jī)采用BDM（Background Debug Mode，背景調(diào)試模式）調(diào)試方式。在BDM模式下主要可以實(shí)現(xiàn)3方面的功能：

    應(yīng)用程序的下載與在線更新

    單片機(jī)內(nèi)部資源的配置與修復(fù)

    應(yīng)用程序的動(dòng)態(tài)調(diào)試

　　本中心提供面向S12系列單片機(jī)的BDM工具，即“BDM for S12(TBDML)”。該工具的硬件由本中心設(shè)計(jì)，軟件采用Daniel Malik設(shè)計(jì)的TBDML（forums.freescale.com）。本文僅從用戶(hù)的角度，講述“BDM for S12(TBDML)”的使用方法以及常見(jiàn)問(wèn)題的解決辦法。詳情請(qǐng)登陸本中心網(wǎng)站，并下載最新版本的“BDM for S12(TBDML)”用戶(hù)手冊(cè)。

5.1  BDM for S12（TBDML）硬件設(shè)置說(shuō)明：

　　BDM for S12（TBDML）設(shè)計(jì)了跳線開(kāi)關(guān)，允許用戶(hù)對(duì)BDM for S12（TBDML）進(jìn)行一些特定的設(shè)置，以此滿(mǎn)足用戶(hù)的特定要求。打開(kāi)BDM for S12（TBDML）硬件包裝盒，可以看到有3個(gè)跳線可以進(jìn)行設(shè)置，分別是J4、J5和J6。

　　BDM引腳定義（跳線J4）
 
　　跳線J4用于選擇BDM電纜的信號(hào)定義。

　　默認(rèn)狀態(tài)為J4閉合。

    當(dāng)J4閉合（有跳線）時(shí)，BDM電纜的信號(hào)定義如圖1所示；

    當(dāng)J4斷開(kāi)（無(wú)跳線）時(shí)，BDM電纜的信號(hào)定義如圖2所示。

　　注意：圖3是Motorola（Freescale）對(duì)HC/S12 BDM的定義，即引腳1為BKGD信號(hào)，在這種定義方式，一旦BDM插頭被接反，則目標(biāo)CPU的BKGD引腳會(huì)被短接到VDD上，由此將會(huì)造成芯片燒毀。因此，BDM for S12（TBDML）建議用戶(hù)在設(shè)計(jì)目標(biāo)S12系統(tǒng)時(shí)，采用J4斷開(kāi)，即圖2所示的BDM電纜信號(hào)定義方式。為兼容過(guò)去的BDM定義，BDM for S12（TBDML）設(shè)計(jì)了圖1所示的BDM兼容模式。

　　目標(biāo)板供電方式選擇 （ 跳線J5和J6）

　　默認(rèn)狀態(tài)是目標(biāo)板由＋5V外部電源供電。跳線J5、J6用于選擇目標(biāo)板的工作電壓，以及供電方式。J5、J6跳線具體設(shè)置如表1所示。

表1  跳線J5、J6設(shè)置目標(biāo)板工作電壓

5.2 安裝和使用BDM for S12（TBDML）：

    BDM for S12（TBDML）在PC上的配套軟件是Freescale的CodeWarrio for S12的V4.1以上的版本。用戶(hù)可調(diào)用該軟件自帶的Hiwave.exe程序，并通過(guò)BDM for S12（TBDML）來(lái)調(diào)試MC9S12各種型號(hào)單片機(jī)。當(dāng)然，初次使用BDM for S12（TBDML）時(shí)，用戶(hù)還需要在PC上安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。具體的使用方法，請(qǐng)參閱用戶(hù)手冊(cè)。

5.3  使用BDM for S12（TBDML）的常見(jiàn)問(wèn)題及解決辦法。

    車(chē)模大賽啟動(dòng)之處，中心在為廣大參賽選手提供培訓(xùn)的同時(shí)，按照Freescale的安排，為各參賽隊(duì)提供了S12開(kāi)發(fā)系統(tǒng)、BDM調(diào)試功能、車(chē)模等等一系列完整的參賽資源。時(shí)隔數(shù)月，從反饋信息來(lái)看，各參賽隊(duì)基本上都能熟練地使用BDM for S12（TBDML）。但也有個(gè)別隊(duì)伍遇到了一些問(wèn)題，中心也及時(shí)進(jìn)行了解答和總結(jié)，這里簡(jiǎn)單匯總了各種問(wèn)題，以期對(duì)參賽隊(duì)伍有所幫助。

【常見(jiàn)問(wèn)題之一】正確安裝了BDM for S12（TBDML）的驅(qū)動(dòng)程序和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)后，并用BDM連接了目標(biāo)單片機(jī)后，在Hiwave.exe的【TBDML HCS12】菜單中，沒(méi)有出現(xiàn)“Flash...”項(xiàng)，無(wú)法對(duì)目標(biāo)單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試。

解決辦法：首先，用戶(hù)應(yīng)該確保目標(biāo)板供電正常，BDM for S12（TBDML）默認(rèn)的電源工作方式是目標(biāo)板自供電；如果，還有問(wèn)題，用戶(hù)應(yīng)該打開(kāi)BDM的包裝小盒，查看跳線J4是否已經(jīng)短接，原因見(jiàn)上文。

【常見(jiàn)問(wèn)題之二】驅(qū)動(dòng)程序安裝正常，跳線也沒(méi)有問(wèn)題，目標(biāo)板也供電了，但BDM還是不工作。

解決辦法：出現(xiàn)這一問(wèn)題，最大的可能是，用戶(hù)的CodeWarrio版本不對(duì)，沒(méi)有利用CodeWarrio V4.1以上的版本進(jìn)行調(diào)試。安裝高版本的CodeWarrio即可解決問(wèn)題。

【常見(jiàn)問(wèn)題之三】BDM調(diào)試目標(biāo)板基本正常，能夠下載程序、擦除FLASH、設(shè)斷點(diǎn)調(diào)試，但是，在某次使用中FLASH突然被“鎖死”，之后目標(biāo)板無(wú)法繼續(xù)使用。

解決辦法：Freescale 公司的HCS12 系列單片機(jī)具有片內(nèi)FLASH 的加密功能，對(duì)于加密或保護(hù)后的FLASH，用戶(hù)是無(wú)法通過(guò)BDM 調(diào)試工具對(duì)其FLASH 進(jìn)行諸如程序擦除、讀取等操作。同時(shí)，如果用戶(hù)在利用BDM 調(diào)試單片機(jī)時(shí)操作不當(dāng)，同樣會(huì)使單片機(jī)出現(xiàn)FLASH 無(wú)法讀取、擦除和下載等問(wèn)題。我們的監(jiān)控程序在$F000 到$$FFFF，這一段加了保護(hù)，但并沒(méi)有加密。即使對(duì)加了密的S12，也可以使用我們生產(chǎn)地串行接口地BDM 工具方便的解鎖和擦除。在2005 年第4 期《電子產(chǎn)品世界》雜志中，我中心曾經(jīng)撰文講述了HCS12 單片機(jī)Flash 保護(hù)和加解密的原理和注意事項(xiàng)。在決定擦除保護(hù)了的程序時(shí)，請(qǐng)想好在出現(xiàn)單片機(jī)被鎖定的情況下有沒(méi)有能力解鎖。對(duì)于FLASH沒(méi)有進(jìn)入“保護(hù)模式”的單片機(jī)，如果利用BDM for S12 (TBDML)調(diào)試單片機(jī)，當(dāng)用戶(hù)點(diǎn)擊【TBDML HCS12】菜單下的【Flash…】命令時(shí)，會(huì)出現(xiàn)如圖12所示的正常情況。從圖中可以看出，當(dāng)前目標(biāo)板的單片機(jī)的FLASH_C000存儲(chǔ)區(qū)域已下載有程序，狀態(tài)為“Programmed”；其余模塊為空，狀態(tài)為“Blank”。因此，可以繼續(xù)對(duì)該單片機(jī)的FLASH進(jìn)行讀取、擦除Erase和下載Load等操作。但是，在出現(xiàn)上述FLASH加密問(wèn)題后，HCS12系列單片機(jī)就進(jìn)入了“FLASH保護(hù)模式”，即Secure Mode。這時(shí)，如果利用BDM for S12(TBDML)調(diào)試單片機(jī)，當(dāng)用戶(hù)點(diǎn)擊【TBDML HCS12】菜單下的【Flash…】命令時(shí)，圖12中部分FLASH區(qū)域的狀態(tài)就會(huì)顯示為“Skipped”。此時(shí)，用戶(hù)便無(wú)法再對(duì)FLASH進(jìn)行正常操作。因此，需要解除FLASH的“保護(hù)模式”（Secure Mode），執(zhí)行Unsecure的操作。BDM for S12(TBDML)提供了Unsecure的功能，具體的操作過(guò)程較為復(fù)雜，請(qǐng)參閱用戶(hù)手冊(cè)。

6    結(jié)語(yǔ)

    上面提到的問(wèn)題是在應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的比較普遍的問(wèn)題。在設(shè)計(jì)之前最好能完整地閱讀幫助文檔以及芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)，了解各個(gè)工作狀態(tài)，很多可能出現(xiàn)的問(wèn)題其實(shí)在數(shù)據(jù)手冊(cè)里已有明確的說(shuō)明。這樣做在程序設(shè)計(jì)的前期可能會(huì)影響一些進(jìn)度，但到后期調(diào)試階段會(huì)帶來(lái)極大的方便。至于工具使用上的問(wèn)題Freescale單片機(jī)/DSP應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究中心會(huì)及時(shí)在大賽的官方網(wǎng)站上做出相應(yīng)的說(shuō)明，請(qǐng)大家留意。

參考文獻(xiàn)
1、    邵貝貝，單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開(kāi)發(fā)方法，北京：清華大學(xué)出版社，2004
2、    MC9S12DT128，Device User Guide，F(xiàn)reescale semiconductor，2005.10