S12單片機模塊應用及程序下載調試

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

摘　要：本文對邀請賽選用的主控芯片MC9S12DG128單片機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，對一些參賽隊伍中遇到的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系列單片機中的一款增強型16位單片機，片內資源豐富，接口模塊包括SPI、SCI、IIC、A/D、PWM等，在汽車(chē)電子應用領(lǐng)域具有廣泛的用途。DG128在Flash存儲控制及加密方面也有很強的功能，加解密可配合第三方軟件使用。

    DG128單片機采用增強型16位HCS12 CPU，片內總線(xiàn)時(shí)鐘最高可達25MHz；片內資源包括8K RAM、128K Flash、2K EEPROM； SCI、SPI、PWM串行接口模塊；脈寬調制模塊（PWM）可設置成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轉換器，控制器局域網(wǎng)模塊（CAN），增強型捕捉定時(shí)器并支持背景調試模式。DG128有112-pin和80-pin兩種封裝形式，80-pin封裝的單片機沒(méi)有引出用于擴展的端口，只引出了一個(gè)8路A/D接口。

常用接口模塊及外部應用

    PWM（Pulse Width Modulate）模塊：PWM脈寬調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。它在電機驅動(dòng)、D/A變換等場(chǎng)合有著(zhù)廣泛的應用。本次大獎賽使用的電機驅動(dòng)芯片為MC33886，其輸入信號即為一路PWM信號。MC33886根據PWM信號的周期和占空比來(lái)控制電機的轉向和速度。大獎賽中使用的舵機也是用PWM來(lái)控制的。PWM信號的周期大于某一域值后可驅動(dòng)舵機工作，保持周期、調節PWM的占空比即可調節舵機的轉動(dòng)方向。在沒(méi)有電機、舵機的具體參數的情況下，可寫(xiě)一個(gè)可調周期、占空比的PWM輸出程序進(jìn)行測試。

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

    大獎賽中車(chē)模對跑道的識別有可能會(huì )用到A/D模塊，識別電路的前端數據采集系統有很多種實(shí)現方案，如紅外發(fā)光二極管或是CMOS攝像頭來(lái)進(jìn)行數據采集。

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的單片機嵌入式應用開(kāi)發(fā)的軟件包。包括集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE、處理器專(zhuān)家庫、全芯片仿真、可視化參數顯示工具、項目工程管理器、C交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及調試器。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文件用于定義目標代碼的裝載地址，用戶(hù)應當根據使用單片機的內存分配情況修改這個(gè)文件。CodeWarrior 自動(dòng)生成的 .prm 文件默認MC9S12DG128 的RAM 在：

     RAM = READ_WRITE 0x0400 TO 0x1FFF;

     這個(gè)默認區間必須修改，因為在這一空間有 1K 的I/O 寄存器空間 和2K EEPROM 空間。使用默認定義會(huì )丟失1K RAM 和 2K EEPROM。

　　我們在監控程序中修改RAM空間：

     RAM = READ_WRITE 0x2000 TO 0x3FFF;

     當然也可以修改到：

　　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 

     因為STACKSIZE 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 )出現錯誤。

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

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

　　上述修改在大獎賽的官方網(wǎng)站上已有詳細說(shuō)明。

　　利用監控程序下載用戶(hù)程序：
 
    監控程序（Monitor）的主要功能是對應用系統硬件及底層軟件進(jìn)行調試，也稱(chēng)為Debug程序，是最基本的調試工具。MC9S12DG128的Flash有128K，RAM有8K，而監控程序源代碼占用不到3K FLASH，占用23字節RAM。這對用戶(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，監控程序可以用，應用程序當然也可以使用。

    下載用戶(hù)程序至片內資源是監控程序的基本功能。清華大學(xué)Freescale MCU & DSP應用研發(fā)中心開(kāi)發(fā)的基于MC9S12DG128的監控程序代碼小于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$EF80處的中斷向量表，此中斷向量表和MC9S12DG128手冊上的中斷向量表順序相同，只是從$FF80移到了$EF80。監控程序起來(lái)時(shí)，如果串口在4秒內沒(méi)有收到數據，就會(huì )檢查$EFFE－$EFFF（用戶(hù)復位向量表）是否為FFFF,如果不是,說(shuō)明FLASH中有用戶(hù)程序。程序自動(dòng)調轉到$EFFE－$EFFF所指向的用戶(hù)程序。如果程序起來(lái)4秒內串口接到數據或者$EFFE-$EFFF為$FFFF,則進(jìn)入DEBUG監控程序。

    該監控程序中F命令下載程序到FLASH中，可識別S1或S2格式的S19文件。按“F”鍵后，開(kāi)發(fā)板上的單片機等待接收來(lái)自串行口的數據文件。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)型應選“所有文件”。待再次出現提示符說(shuō)明程序已下載完成。
 
    從PC寄存器的地址處，開(kāi)始運行程序?？梢杂肅trl P 命令修改PC指針到擬運行程序的起始地址。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后的地址再執行。這是因為工程是從START12.C開(kāi)始執行，然后再執行用戶(hù)的main.c。這是codewarrior內部規定的。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)候按一下復位鍵即可。

5  利用“BDM for S12(TBDML)”調試程序

    當用戶(hù)在監控程序的幫助下，熟悉了S12單片機的性能和結構，并能初步開(kāi)始軟硬件的設計后，就可以脫離監控程序了，尤其是對于一個(gè)完整的項目，就更要直接對硬件進(jìn)行調試而脫離監控程序。S12系列單片機采用BDM（Background Debug Mode，背景調試模式）調試方式。在BDM模式下主要可以實(shí)現3方面的功能：

    應用程序的下載與在線(xiàn)更新

    單片機內部資源的配置與修復

    應用程序的動(dòng)態(tài)調試

　　本中心提供面向S12系列單片機的BDM工具，即“BDM for S12(TBDML)”。該工具的硬件由本中心設計，軟件采用Daniel Malik設計的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。

5.1  BDM for S12（TBDML）硬件設置說(shuō)明：

　　BDM for S12（TBDML）設計了跳線(xiàn)開(kāi)關(guān)，允許用戶(hù)對BDM for S12（TBDML）進(jìn)行一些特定的設置，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(xiàn)可以進(jìn)行設置，分別是J4、J5和J6。

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

　　默認狀態(tài)為J4閉合。

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

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

　　注意：圖3是Motorola（Freescale）對HC/S12 BDM的定義，即引腳1為BKGD信號，在這種定義方式，一旦BDM插頭被接反，則目標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)在設計目標S12系統時(shí)，采用J4斷開(kāi)，即圖2所示的BDM電纜信號定義方式。為兼容過(guò)去的BDM定義，BDM for S12（TBDML）設計了圖1所示的BDM兼容模式。

　　目標板供電方式選擇 （ 跳線(xiàn)J5和J6）

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

表1  跳線(xiàn)J5、J6設置目標板工作電壓

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)可調用該軟件自帶的Hiwave.exe程序，并通過(guò)BDM for S12（TBDML）來(lái)調試MC9S12各種型號單片機。當然，初次使用BDM for S12（TBDML）時(shí)，用戶(hù)還需要在PC上安裝相應的驅動(dòng)程序和動(dòng)態(tài)鏈接庫。具體的使用方法，請參閱用戶(hù)手冊。

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的同時(shí)，按照Freescale的安排，為各參賽隊提供了S12開(kāi)發(fā)系統、BDM調試功能、車(chē)模等等一系列完整的參賽資源。時(shí)隔數月，從反饋信息來(lái)看，各參賽隊基本上都能熟練地使用BDM for S12（TBDML）。但也有個(gè)別隊伍遇到了一些問(wèn)題，中心也及時(shí)進(jìn)行了解答和總結，這里簡(jiǎn)單匯總了各種問(wèn)題，以期對參賽隊伍有所幫助。

【常見(jiàn)問(wèn)題之一】正確安裝了BDM for S12（TBDML）的驅動(dòng)程序和動(dòng)態(tài)鏈接庫后，并用BDM連接了目標單片機后，在Hiwave.exe的【TBDML HCS12】菜單中，沒(méi)有出現“Flash...”項，無(wú)法對目標單片機進(jìn)行調試。

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

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

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

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

解決辦法：Freescale 公司的HCS12 系列單片機具有片內FLASH 的加密功能，對于加密或保護后的FLASH，用戶(hù)是無(wú)法通過(guò)BDM 調試工具對其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 調試單片機時(shí)操作不當，同樣會(huì )使單片機出現FLASH 無(wú)法讀取、擦除和下載等問(wèn)題。我們的監控程序在$F000 到$$FFFF，這一段加了保護，但并沒(méi)有加密。即使對加了密的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Flash 保護和加解密的原理和注意事項。在決定擦除保護了的程序時(shí)，請想好在出現單片機被鎖定的情況下有沒(méi)有能力解鎖。對于FLASH沒(méi)有進(jìn)入“保護模式”的單片機，如果利用BDM for S12 (TBDML)調試單片機，當用戶(hù)點(diǎn)擊【TBDML HCS12】菜單下的【Flash…】命令時(shí)，會(huì )出現如圖12所示的正常情況。從圖中可以看出，當前目標板的單片機的FLASH_C000存儲區域已下載有程序，狀態(tài)為“Programmed”；其余模塊為空，狀態(tài)為“Blank”。因此，可以繼續對該單片機的FLASH進(jìn)行讀取、擦除Erase和下載Load等操作。但是，在出現上述FLASH加密問(wèn)題后，HCS12系列單片機就進(jìn)入了“FLASH保護模式”，即Secure Mode。這時(shí)，如果利用BDM for S12(TBDML)調試單片機，當用戶(hù)點(diǎn)擊【TBDML HCS12】菜單下的【Flash…】命令時(shí)，圖12中部分FLASH區域的狀態(tài)就會(huì )顯示為“Skipped”。此時(shí)，用戶(hù)便無(wú)法再對FLASH進(jìn)行正常操作。因此，需要解除FLASH的“保護模式”（Secure Mode），執行Unsecure的操作。BDM for S12(TBDML)提供了Unsecure的功能，具體的操作過(guò)程較為復雜，請參閱用戶(hù)手冊。

6    結語(yǔ)

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

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