（机械电子工程专业论文）基于arm9指纹图像识别系统的研究.pdf

摘要 摘要 指纹图像识别系统广泛应用于生活中各个领域。在上班考勤体系，银行存取款系统， 保安监控等系统中，都得到了充分的运用和体现。从遗传学角度分析，指纹具有唯一 性和稳定性，因此指纹识别技术做为生物识别技术中的个分支得到了快速发展和应 用。 目前大多数成熟指纹图像识别系统都基于p c 机为开发平台和系统环境，从而导致 成本偏高，体积偏大，携带不方便，进而限制指纹图像识别系统普及和进一步发展。因 此开发出识别率高，拒识率低，处理速度快，体积小，成本低成为指纹图像识别系统新 的一个研究方向并且同时具有很大市场前景。在此种背景下，嵌入式指纹图像识别系统 应运而生。但是，由于指纹图像算法不够完善以及嵌入式系统开发难度大，目前指纹识 别设备并不成熟。基于此我们开发出专用指纹图像识别系统的嵌入式设备。用于需要准 确确定人们身份的场合。 由于a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 系列处理器性能不断提高，以前专属于d s p 领 域的复杂数据处理，同样在a r m 平台上可以很好实现。同时a r m 处理器的强大控制功能 以及丰富的外设扩展端口和可移植操作系统的特点，使本论文采取以a r m 处理器为核心 的指纹图像识别系统的方案，摒弃以d s p 为核心处理器的嵌入式指纹识别系统。s a m s u n g 公司的处理器$ 3 c 2 4 1 0 内部集成了a r m 公司的a r m 9 2 0 t 核的3 2 位微控制器，拥有独立 的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e 、r a m 控制器、n a n d 闪存控制器、u a r t 、j t a g 、 p 删、并行i o 口、a d c 、t o u c hs c r e e n 接口、u s b 控制器等资源，标称频率2 0 3 m h z ，最 高达到2 6 6 m h z 。$ 3 c 2 4 1 0 具有丰富的外设和高速的运算速度及可运行l i n u x 操作系统， 满足在指纹识别系统对处理器的要求。指纹图像获取采用网眼2 0 0 0 网络摄像头，该款 网络摄像头特点灵像素高、采集图像清晰、体积小，是一种典型嵌入式应用传感器。摄 像头通过u s b 端口直接和$ 3 c 2 4 1 0 微处理器进行连接，硬件设计简洁紧凑。 关键字：指纹；生物识别；a i u m ；摄像头 火连交通大学t 学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ef i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ns y s t e m sa r eu s e di ne v e r ya s p e c to fl i f e s u c ha sw o r k i n g s y s t e m ，s e c u r i t ys y s t e m ，b a n ks e c u r i t ys y s t e m f r o mt h ep e s p e c t i v eo fg e n e t i ca n a l y i n g ，b e c a u s e o ft h e u n i q u e a n d s t a b i l i t y o f f i n g e r p r i n t ，t h ef i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o n a c q u r i e s f a s t d e v e l o p m e n ti nt h eb i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o nf i e l d s a tp r e s e n t ，t h ef i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n s y s t e m sa l eb a s e do nt h ep l a n t f o r mo fp c c o m p u t e ra n dd e v e l o p m e n te n v i r o m e n t ，l e a d i n gt oh i g hc o s t ，l a r g es i z ea n di n c o n v e n i e n t ，a tt h e s a m et i m e ，l i m i t i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h e i m a g eo ff i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o n t h e r e f o r d e v e l o p i n g h i g hr e c o g n i t i o nr a t e ，l o wr e j e c t i o nr a t e ，f a s tp r o c e s s i n g ，s m a l ls i z ef i n g e r p r i n ti sa n e wr e s e a c hd i r e c t i o na n dh a sg r e a tm a r k e tp o t e n t i o n i nt h i s b a c k g r o u n d ，e m b e d d i n g f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ns y s t e mc o m e si n t ob e i n g h o w e v e rt h ef i n g e r p i n ti m a g ea l g o r i t h mi s n o tp e r f e c t a sw e l la st h ee m b e d i n gs y s t e mi sd i f f i c u l ta n dt h ec u r r e n t f i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o n e q u i p m e n t i sn o tm a t u r e f o rt h i sr e a s o n ，w eh a v ed e v e l o p p e das p e c i a l e m b e d d i n gf i n g r i n ti n d e t i f i c a t i o ns y s t e m i ti su s e dt od e t e r m i n ea c c u r a t e l yo c a s s i o n a st h ea r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) f a m i l yo fp r o c e s s o r sp e r f o r m a n c ec o n t i u e st o i m p r o v e a r ma p p l yi nt h ef i e l do fc o m p l e xd a t ap r o c e s s i n gi n s t e a do fd s p a tt h es a m e t i m e , t h ep o w e r f u la r mp r o c e s s o rc o n t r o l l i n gf u n c t i o n s , t h er i c hp e r i p h e r a lp o r t sa sw e l la s t h e o p e r a t i n gs y s t e mt r a n s p l a n t i n g ，s ot h i sp a p e rt a k e sa r mp r o c e s s o ra st h ec o r eo ff i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o ns y s t e mi n s t e a do fd s pp r o c e s s o r s a m s u n g s $ 3 c 2 4 1 0p r o c e s s o ri n t e g r a t e d3 2 b i tm i c r o c o n t r o l l e ro fa r m 9 2 0 to fa r m c o m p a n y , h a v i n g16 k bd a t ae a c h , 16 k bc o m m a n d c a c h ，r a mc o n t r o l l e r , n a n df l a s hc o n t r o l l e r , u a r t , j t a g , p w m ，p a r a l l e li 0p o r t ，a d c ，t o u c h s c e e ni n t e r f a c e ，u s bc o n t r o l l e r s ，a n do t h e rr e s o u r c e s ，t h en o m i n a lf r e q u e n c y2 0 3 m h z ，u pt o 2 6 6 m h z $ 3 c 2 410h a saw e a l t ho fh i g h - s p e e dp e r i p h e r a l sa n dc o m p u t a t i o n a ls p e e da n d r u n n i n gl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，s oa st om e e rt h er e q u i e m e n so fp r o c e s s o ri nt h ef i n g e r p r i n t i n d e n t i f i c a t i o ns y s t e m t h ef i n g e r p r i n ti m a g ea c q u i s i t i o nt a k e st h en e t w o r kc a m e r a , t h ec a m e r a h a sc l e a rp i c t u r e ，s m a l ls i z e ，h i g hp i x e l t h ec a m e r a lc o n n e c t s $ 3 c 2 410 诵t hu s bp o r t , h a v i n g s i m p l ea n dt i g h th a r d w a r e k e y w o r d s ：f i n g e r p r i n t ；b i o m e t i ci d e n t i f i c a t i o n ；a r m ；c a m e r a l l l 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整褒通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：玎谤、惟 日期：沙曰年f 胡垆日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 导师签名：在l 垂 日期：矽年陟月，厂日 电话： 邮编： 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 寸浓刁霞 日期：枷多年f 少月侈日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 指纹识别技术概述 生物识别技术是根据个人独特的生理和行为特征进行身份识别验证的一种方法，它 是随着信息技术发展起来的一种新型身份识别认证技术。由于计算机技术和生物技术的 快速发展，生物技术在生活中得到越来越广泛的发展和应用。生物识别技术包括手形识 别、指纹识别【1 1 、面部识别、虹膜识别、声音识别、签名识别等多种生物识别技术【2 】。 指纹具有终身稳定形、唯一性、不可丢失性等特点，因此指纹不可能有被替代、丢失、 损坏等情况。稳定性含义是一个人从少年到老年，指纹的纹路是不变的，稳定的：唯一 性的含义是指没有两个人的指纹是相同的，一样的，具有唯一性和特殊性；不可丢失性 的含义是指纹是人的身体的一部分，和人的身体是一个不可以分割的整体，因此具有不 可丢失性。指纹做为生物识别技术具有众多的优越性，因此成为生物识别技术中的热点 课题。 1 2 指纹图像识别国内外研究现状 国内从8 0 年代末开始发展，技术基本上很成熟，指纹识别算法比较完善，能很好 控制拒识率和误识率及指纹识别时间。但是基于嵌入式指纹图像识别系统还属于实验室 阶段，市场嵌入式的指纹图像识别系统稳定性差，操作烦琐，界面复杂，寿命短，耐用 性差等缺点。嵌入式指纹识别系统主要在两个科技领域进行研究。一方面是嵌入式系统 本身开发，涉及到操作系统，驱动程序，应用程序之间连接，达到系统稳定，时间快， 操作简单，人机界面友好；另一个方面是指纹特征量提取和指纹识别算法研究，难点是 在指纹匹配算法研究。目前大多数指纹匹配算法【3 】都是基于人工神经网络算法实现。如 何寻找一个指纹拒识率低，误识率低，速度快是指纹匹配算法的前提。最后在$ 3 c 2 4 1 0 微处理器的平台上移植基于人工神经网络的指纹图像识别系统1 4 j 。 指纹识别技术的发展经过人工指纹识别技术1 5 j 和自动指纹识别系统( a u t o m a t i c f i n g e r p r i n ti d e t i f i c a t i o ns y s t e m 简称a f i s) 两个阶段。人工识别技术自动化程度低， 人的主观意识限制了对指纹的识别和判定，因此具有一定的局限性，而且浪费大量人力 和物力，效率低，准确度不高。自动指纹识别【l8 】系统克服了人工识别指纹弊端，成为国 内外科研和商业领域的焦点。自动指纹识别系统包括前端指纹图像采集，指纹图像后续 特征匹配两个方面。图像采集传感器，通过调查，国内外指纹图像传感器i l w 主要有以下 几种，光学传感器，电容传感器，超声波传感器，如表1 1 所示。光学传感器的原理是 将有深色脊和浅色谷构成的指纹图像转化成数字图像。当手指压在玻璃表面，光线照射 在脊和谷地方，能量被吸收的程度不同，所以能量被反射在c c d 感光元件能量不同， 大连交通大学t 学硕十学何论文 这样c c d 感光元件就生成指纹的图像信息1 2 。通过控制手指压得方向和程度以及光源 强度来获得一帧比较清晰的指纹图像。电容传感器1 2 l j 的原理是在硅片上集成1 0 0 0 0 个电 容传感器，其外表面是绝缘材料构成，当手指按在传感器【2 2 】外表面上时，通过指纹中的 脊和谷构成无数微小电容传感器。由于手指脊和谷的深度不同，最终构成的电容传感器 的电容大小不同。因此可以采集一帧指纹图像。超声波传感器幽】工作原理为传送超声波， 并通过手指、台板和空气间的电阻来测量距离的方法完成录入，扫描指纹的表面，接收 设备获取了其反射信号，测量它的范围，得到脊的深度。超声波扫描被认为是指纹取像 技术中非常好的一类，积累在皮肤上的脏物和油脂对超声波获得的图像影响不大，是实 际脊地形( 凹凸) 的真实反映，为精确度最高的指纹录入技术。但由于超声波录入设备的 耐久性还难以估计，因此实际中应用得较少。考虑到整个设计的性价比，本论文采用普 通的网络摄像头做为采集指纹图像的前端采集元件1 2 训。 表1 1 指纹传感器比较 t a b l e1 i f i n g e r p r i n ts e n s o rc o m p a r i s o n 比较项目光学全反射技术硅晶体电容传感器声波扫描技术 体积大小大 耐用性非常耐用耐用一般 成像能力干手指差，汗多成像干手指好，汗多成像模非常好 模糊 糊 耗电较多少较多 成本低低很高 1 3 本论文研究的主要内容 指纹图像识别系统广泛应用于生活中各个领域。在上班考勤体系，银行存取款系统， 保安监控等系统中，都得到了充分的运用和体现。目前大多数成熟指纹图像识别系统 都基于p c 机为开发平台和系统环境，从而导致成本偏高，体积偏大，携带不方便，进 而限制指纹图像识别系统普及和进一步发展。因此开发出识别率高，拒识率低，处理速 度快，体积小，成本低成为指纹图像识别系统新的一个研究方向并且同时具有很大市场 前景。在此种背景下，嵌入式指纹图像识别系统应运而生。但是，由于指纹图像算法不 够完善以及嵌入式系统开发难度大，目前指纹识别设备并不成熟。基于此我们开发出专 用指纹图像识别系统的嵌入式设备，用于需要准确确定人们身份的场合。 本课题是针对嵌入式【6 】指纹识别系统进行研究，论文研究的内容涉及了嵌入式系统 p 】硬件设计和指纹图像处理与识别算法研究两个大的方面。在系统硬件设计方面，包括 2 第一章绪论 了硬件电路的设计；在软件设计，即指纹图像处理与研究的这个领域，我们将采用相对 成熟的主流技术的流程：指纹图像增强、指纹图像二值化、指纹图像细化、特征提取、 伪特征的去除、指纹比对。 本章小结 本文将完成以下的任务： 1 基于三星a r m 5 3 c 2 4 1 0 处理器进行嵌入式指纹识别系统的设计，完成本系统硬件 器件的选择和电路的设计； 2 在硬件开发装置上设计网络摄像头u s b 驱动程序编写，提取指纹图像； 3 进行软件方面的研究，即指纹图像处理算法的研究，采用c 语言编写实现。 大连交通人学t 学硕十学何论文 第二章指纹识别系统硬件介绍 2 1 开发平台介绍及硬件总体设计方案 2 1 1f s 2 4 1 0 开发平台 f s 2 4 1 0 是优龙公司推出的用于高端手持设备、微型智能控制设备的开发套件。采 用2 0 3 m h za r m 9 2 0 t 内核的$ 3 c 2 4 1 0 微处理器。f s 2 4 1 0 由核心板和底层板构成。核 心板上集成了微处理器$ 3 c 2 4 1 0 ，6 4 m s d r a m ，2 mn o rf l a s h 6 4 mn a n df l a s h 。 底板上提供以下外设端1 2 1 ：2 个两个五线异步串行1 2 1 ，波特率高达1 1 5 2 0 0 b p s 个1 0 m 网 口，采用c s 8 9 0 0 q 3 ，带联接和传输指示灯；二个u s b l 1h o s t 接口；一个u s b l 1 d e v i c e 接口；一个i r d a 红外线数据通讯口；采用i i s 接口芯片u d a l 3 4 1 ，一路立体 声音频输出接口可接耳机或音箱；支持录音，板子自带驻机体话筒可直接录音，另有一 路话筒输入接口可接麦克风；一个s d 卡接口；板上集成了4 线电阻式触摸屏接口的 相关电路；一个5 0 芯l c d 接口引出了l c d 控制器的全部信号，并且这些信号引脚 都加了7 4 l v t h l 6 2 2 4 5 驱动，所以l c d 输出更加稳定可靠；支持黑白、4 级灰度、1 6 级灰度、2 5 6 色、6 4 k 色、真彩色t f t 液晶屏，尺寸从3 5 寸到1 2 1 寸，屏幕分辨 率可达到1 0 2 4 7 6 8 象素；准配置为三星2 5 6 k 色2 4 0 x 3 2 0 3 5 英寸t f t 液晶屏，带 触摸屏；板上引出一个1 2 v 电源输出接口，可为大尺寸t f t 液晶屏的5 vc c f l 背光 模块供电；内部实时时钟( 带有后备锂电池) ；一个复位按键，并采用专用复位芯片进 行复位，稳定可靠；一个2 0 芯m u l t i - - i c e 标准j t a g 接口，支持s d t 2 5 1 ，a d s l 2 等 调试；2 v 电源供电，带电源开关和指示灯；十六个小按键，四个高亮l e d ；一个蜂 鸣器( 带使能控制的短路块) ；一个可调电阻接到a d c 引脚上用来验证模数转换；一 个5 0 芯2 毫米间距双排标准连接器用作扩展口，引出了地址线、数据线、读写、片选、 中断、i o 口、a d c 、5 v 和3 3 v 电源、地等用户扩展可能用到的信号【5 | 。 2 1 2 硬件平台总体设计 嵌入式芯片自己不能独立工作，需要必要的外围芯片给它提供基本的工作条件。一 个嵌入式系统必须有供电，如图2 1 所示。 4 第二章指纹识别系统硬件介绍 2 2 a r m 体系概述 图2 1 系统硬件平台框架图 f i g 2 1t h ep l a t f o r mo fh a r d w a r es y s t e m 2 2 1a r m 微处理器简介 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。目前据统计，世界嵌入式处理 器量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 多个系列。嵌入式微处理目前主要有 a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c - 4 0 0 、p o w e rp c 、m i p s 、a r l v l 系列等。其中，a r m 是一种近 年来在嵌入式系统中有着强大影响力的微处理器设计商和制造商，a r l v l 的设计非常适 合于小的电源供电系统。特别是随着近年来，微处理器结构由r i s c ( 精简指令集) 全 面取代传统的c i s c ( 复杂指令集) ，因为删是著名的r i s c 的拥护者。 a r i v l ( a d v a n t e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以是对一 类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字【6 j 。1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑 桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理 器，即通常我们所说的a r m 微处理器，已经遍及工业控制消费类电子产品、通信系统、 无线系统等各类产品市场，基于a i w 技术的微处理应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器 7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入我们生活的各个方面。a r m 公司是专门 从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片 生产，靠转让设计许可证由合作公司生产各具特色的芯片。世界各大半导体生产商从 a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外 围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半 导体公司都使用a r l v l 公司的授权，因此既使得a r m 技术获得更多的第三方工具、制 5 大连交通大学t 学硕十学位论文 造、软件的支持，又使得整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受， 更具有竞争力。 a r m 处理器目前包括下面几个系列的处理器产品以及其他厂商实现的基于a r m 体系结构的处理器：a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 e 系列、s e c u r c o r e 系列、i n t e l 的x s c a l e 系列、i n t e l 的s t r o n g a r m 系列。 a r m 体系有变种，也就是说有些版本具备特定功能，在各个版本的版本号上可以 体现出来，说明如下：t ：支持1 6 位压缩指令集t h u m b ；d ：支持片上d e b u g ；m ：内 嵌硬件乘法器( m u l t i p l i e r ) ，增加用于长乘法操作的指令；i ：嵌入式i c e ，支持片上断 点和调试点；e ：增强型d s p 指令；a r m 构架诞生至今，已经产生了多次变革，每一 次都带来性能上的极大飞跃，其过程包括：v 1 构架( a r m l ) ，基本的数据处理指令( 无 乘法) ，字节、半字和字的l o a d s t o r e 指令，转移指令，包括子程序的调用和链接指令， 软件中断指令，寻址空间6 4 m b 。v 2 构架( a r m 2 ，a r m 3 ) ，增加乘法和乘法指令， 增加支持协处理器的操作，增加快速中断模式，增加s 聊s w p b 的存储器和寄存器交 换指令。v 3 构架( a r m 6 ) 增加了m r s m s r 指令，访问新增的c p s r s p s r 寄存器， 增加了异常处理返回，寻址空间4 g b 。v 4 构架( a r m 7 ，a r m 9 ) ，增加符号化和非符号 化半字及符号化字节的存取指令，增加1 6 位的t h u m b 指令，完善软件中断s w i 指令。 v 5 构架( 删1 0 ) ，带有链接和交换的转移b l x 指令，计数前导零c l z 指令，b r k 中断指令，增加了一些信号处理的指令。v 6 构架增加了s i m d 功能扩展，为包括音频 视频处理在内的应用系统提供优化功能，接下来就简要介绍一下各主要处理器系列的特 点。a r m 7 微处理器系列为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和功耗要求 较高的消费类应用。a r m 7 微处理器系列具有如下特点：具有嵌入式i c e - - r t 逻辑， 调试开发方便；低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品；能够提供 0 9 m i p s m h z 的三级流水线结构；码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集；操作系统的 支持广泛，包括w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等；使系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系 列和a r m l 0 e 系列兼容，便于用户的产品升级；主频最高可达1 3 0 m i p s ，高速的运算 处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。a r m 7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控 制、i n t e m e t 设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。a r m 7 系列微处理器包括如下几种类型的核：删7 t d m i 、删7 t d m i s 、删7 2 0 t 、 a r m 7 e j 。其中，a r m 7 t m d i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，属低端 a r m 处理器核。a r m 7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、i n t e m e t 设备、网 络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。a r m 7 系列微处理器包括 如下几种类型的核：a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s 、a r m 7 2 0 t 、a r m 7 e j 。其中， a r m 7 t m d i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，属低端a r m 处理器核。 6 第二章指纹识别系统硬件介绍 a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下特点：5 级 整数流水线，指令执行效率更高；提供1 1 m i p s m h z 的哈佛结构；支持3 2 位a r m 指 令集和1 6 位t h u m b 指令集；支持3 2 位的高速a m b a 总线接口；全性能的m m u ，支 持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入式操作系统；m p u 支持实时操作系统； 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力；a r m 9 系列微处理器 主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字 摄像机等。a r m 9 系列微处理器包含a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型，以 适用于不同的应用场合。a r m 9 e 微处理器系列a r m 9 e 系列微处理器为可综合处理器， 使用单一的处理器内核提供了微控制器、d s p 、j a v a 应用系统的解决方案，极大的减少 了芯片的面积和系统的复杂程度。a r m 9 e 系列微处理器提供了增强的d s p 处理能力， 很适合于那些需要同时使用d s p 和微控制器的应用场合。a r m 9 e 系列微处理器的主要 特点如下：支持d s p 指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合；5 级整数流水线， 指令执行效率更高；支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集；支持3 2 位的高速 a m b a 总线接口；支持v f p 9 浮点处理协处理器；全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e 、 l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入式操作系统；m p u 支持实时操作系统；支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力；主频最高可达3 0 0 m i p s l 7 1 。 a r m 9 系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控 制、存储设备和网络设备等领域；a r m 9 e 系列微处理器包含a r m 9 2 6 e j s 、a r m 9 4 6 e - s 和a r m 9 6 6 e s 三种类型，以适用于不同的应用场合。a r m i o e 微处理器系列a r m l 0 e 系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系结构，与同等的a r m 9 器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近5 0 ，同时，a r m l 0 e 系列微处理 器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。a r m l 0 e 系列微处理器的主要特点如下： 支持d s p 指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合；6 级整数流水线，指令执行效 率更高；支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集；支持3 2 位的高速a m b a 总线 接口；支持v f p l 0 浮点处理协处理器；全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l m o s 等多种主流嵌入式操作系统；支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据 处理能力。主频最高可达4 0 0 m i p s ；内嵌并行读写操作部件。a r m l0 e 系列微处理器 主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领 域。s t r o n g a r m 微处理器系列i n t e ls t r o n g a r ms a 11 0 0 处理器是采用a r m 体系结构高 度集成的3 2 位r i s c 微处理器。它融合了i n t e l 公司的设计和处理技术以及a r m 体系 结构的电源效率，采用在软件上兼容a r mv 4 体系结构、同时采用具有i n t e l 技术优点 的体系结构。i n t e ls t r o n g a r m 处理器是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选择， 已成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品。 7 大连交通人学丁学硕十学位论文 2 2 2a r m 9 微处理器特点 采用r i s c 结构的a r m 微处理器一般具有如下特点：1 体积小、低功耗、低成本、 高性能；2 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好地兼容8 1 6 位器件； 3 大量使用寄存器，指令执行速度更快；4 大多数数据操作都在寄存器中完成；5 寻 址方式灵活简单，执行效率高；6 指令长度固定。 采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有2 - - 3 种。一使用单 周期指令，便于流水线操作执行。一大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操 作，只有加载存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。a r m 主要使用3 2 位的r i s c 指令，但是指令代码利用率低，a r m 为了弥补此不足，在新型a r m 构架( v 4 t 版本以上) 定义了1 6 位的t h u m b 指令集。t h u m b 指令集比通常的8 位和1 6 位r i s c c i s c 处理器具有更好的代码密度，而芯片面积只增加6 ，可使程序存储器更小。另外，为 了加速通信和多媒体中有关数字信号的处理，a r m 处理器在r i s c 的基础上增加了许多 原属d s p 核中的关键部件。双核协同工作，各用所长，有效地提高了数据处理能力和 传输速度，但是砌s c + d s p 分立的双核结构存在两核之间互相通信的困难和分别编程的 麻烦，为此发展了两核融合在一起的单核结构，同时将指令集也合二为一，简化编程提 高效率，将c p u 提升到可快速运算多媒体的算法，实现许多音视频的解码功能。 $ 3 c 2 4 1 0 是韩国三星公司的一款基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位r i s c 嵌入式 微处理器，主要面向手持设备以及高性价比，低功耗的应用。运行的频率可以达到 2 0 3 m h z 。 a r m 9 2 0 t 核由删9 t d m i ，存储管理单元( m m u ) 和高速缓存三部分组成。其 中m m u 可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高速c a c h e 组成。a r m 9 2 0 t 有两个协处理器：c p l 4 和c p l 5 。c p l 4 用于调试控制，c p l 5 用于 存储系统控制以及测试控制。 $ 3 c 2 4 1 0 的资源【8 j 包括：1 个l c d 控制器( 支持s t n 和t f t 带有触摸屏的液晶 显示屏) ；s d r a m 控制器；3 个通道的u a r t ；4 个通道的d m a ：4 个具有p w m 功能的计时器和一个内部时钟；8 通道的1 0 位a d c ；触摸屏接口；i i s 总线接口；2 个u s b 主机接口，1 个u s b 设备接口；2 个s p i 接口；s d 接口和m m c 卡接口； 看门狗计数器；1 1 7 个通用i o 口和2 4 位外部中断源；8 通道1 0 位a d 控制器。 $ 3 c 2 4 1 0 集成了一个具有日历功能的r t c 和具有p l l ( m p l l 和u p l l ) 的芯片时 钟发生器。m p l l 产生主时钟，能够使处理器工作频率最高达到2 0 3 m h z 。$ 3 c 2 4 1 0 将 系统的存储空间分为8 组( b a n k ) ，每组的大小是1 2 8 m b ，共1 g b 。b a n k 0 到b a n k 5 的开始地址是固定的，用于r o m 或s r a m 。b a n k 6 和b a n k 7 用于r o m ，s r a m 或 s d r a m ，这两个组可编程且大小相同。b a n k 7 的开始地址是b a n k 6 的结束地址，灵活 8 第二章指纹识别系统硬什介绍 可变。所有内存块的访问周期都可编程。$ 3 c 2 4 1 0 采用n g c s 7 ：0 8 个通用片选信号选择 这些组。$ 3 c 2 4 1 0 支持从n a n df l a s h 启动，n a n df l a s h 具有容量大，比n o r f l a s h 价格低等特点。系统采用n a n df l a s h 与s d r a m 组合，可以获得非常高的性 价比。$ 3 c 2 4 1 0 具有三种启动方式，可以通过o m 1 ：o 管脚进行选择：o m 1 ：o = o o 时处理器从n a n df l a s h 启动；m 1 ：0 = 0 1 时处理器从1 6 位宽的r o m 启动；o m 1 ： 0 】- 1 0 时处理器从3 2 位宽的r o m 启动j 。 用户可以将引导代码和操作系统镜像存放在外部的n a n df l a s h 中，并从n a n d f l a s h 启动。当处理器在这种启动模式下复位时，内置的n a n df l a s h 将访问控制接口， 并将代码自动加载到内部s r a m ( 此时该s r a m 定位于起始地址空间0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，容 量为4 k b ) 并且运行。之后，s r a m 中的引导程序将操作系统镜像加载到s d r a m 中， 操作系统就能够在s d r a m 中运行。启动完毕后，4 k b 的启动s r a m 就可以用于其 它用途。如果从其它方式启动，启动r o m 就要定位于内存。的起始地址空间 o x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，处理器直接在r o m 上运行启动程序，而4 k b 启动s r a m 被定位于内存 地址的0 x 4 0 0 0 0 0 0 0 处。$ 3 c 2 4 1 0 对于片内的各个部件采用了独立的电源供给方式： 内核采用1 8 v 供电；存储单元采用3 3 v 独立供电，对于一般s d r a m 可以采用 3 3 v ，对于移动s d r a m 可以采用v d d 等于1 8 2 5 v ；v d d q 等于3 0 3 3 v ：i o 采用 独立3 3 v 供电。 2 3s 3 c 2 4 10 芯片资源 2 3 1 处理器 $ 3 c 2 4 1 0 是基于内核的位嵌入式微处理器，主要面向手持设备以及高性价比，低功 耗的应用。芯片拥有1 6 k b 的指令和数据缓存器，有存储管理单元( m m u ) 、( l c d ) 控 制器、3 个串口、4 路d m a 、4 个时钟定时器、8 路1 0 位的a d 转换。支持1 2 c 、1 2 s 、 s p i 、主从u s b 等接口以及s d m m c 卡。$ 3 c 2 4 1 0 微处理器的1 2 c 总线可以处于下面 4 种模式下：主接收模式、主发送模式、从接收模式和从发送模式。 芯片实现了m m u ，a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ) b u s 和哈佛 ( h a r v a r d ) 高速缓存体系结构。其中m m u ，主要用于管理虚拟内存：a m b a 总线是a r m 公司设计的一种用于高性能嵌入式系统的总线标准高速缓存由独立的1 6 k b 指令和数据 c a c h e 组成。$ 3 c 2 4 1 0 还提供了大量的内部设备和丰富的外部接口，其内部结构图如图2 2 所示。 9 大连交通大学丁学硕十学位论文 图2 2a r m 9 t d m i 内核结构图 f i g 2 2t h ec h a r to f a r m 9 t d m ic o r e 2 3 2 寄存器 a r m 系列处理器【8 】都属于r i s c ，特点是a r m 9 2 0 t 共有个3 7 寄存器，特点是指 令数量不多，指令字长较大，寄存器数量多。a r m 9 2 0 t 共有3 7 个寄存器包括：3 1 个 3 2 b i t 通用寄存器和6 个程序状态寄存器( c p s r ) 。但是，这些寄存器不是同时可见的， 而是按程序运行的不同状态进行分组，在某种运行状态处理器模式下只有特定的一组 寄存器能够访问。 2 3 3 地址空间 $ 3 c 2 4 1 0 的地址空间直观上看是8 b i t 宽的连续空间，被分为8 个段( b a n k 0 b a n k 7 ) ， 每个b a n k 大小为1 2 8 m 字节，总共有1 g 字节的地址空间。除b a n k 0 之外所有b a n k 都 可以设置为8 b i t ，1 6 b i t 或3 2 b i t 对准访问数据总线宽度，b a n k 0 可设置为1 6 b i t 或3 2 b i t 。 在3 2 b i t 的访问模式下，每次读取4 个字节的数据，即地址每次增加4 。对应于每一个 b a n k 0 ，都有一根n g c s n 设备片选信号与之对应，当访问n 号b a n k 时，n g c s n 就变为 有效低电平。结合地址线的a d d r 2 2 ：2 0 进行c p l d 译码，$ 3 c 2 4 1 0 就可以控制众多的 片外设备，地址空间中还包括为访问特殊功能寄存器( s f r ) 所留出的地址区域，通过读写 这些地址就可以访问各个功能寄存器【l6 】。地址空间分配如图2 3 所示。 1 0 第二章指纹识别系统硬件介绍 o n t 哪= 0 1 ， o o u l l 哪= n o t u 删 s f r 椭 n 口l 峨d s f r 触 i 螺u 酬 j 2 m b 4 m b f s m b 1 6 m b s r o 矧s d r a m n g c s 7 ) t 3 2 m b 6 4 m b , 1 2 8 m b s r o m s d r a m2 m b 珥m 副8 m 鄯1 6 m 8 f n g