（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm的测控平台硬件设计及isp功能的实现.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 现代测控系统已不再局限于满足单一的测控要求，由于测控对象的多样性和 测控环境的复杂性，要求测控系统能够融合多种测控手段以满足不同用户的需 要。市场需求的日益变化，同时给测控系统的升级换代也提出了更高的要求。因 此设计一个具有多种测控通道、便于升级的通用型测控平台显得十分必要。 本文提出了一种设计测控平台的新思路。采用主板和扩展板相结合的模块化 设计，使测控系统成为一个标准化平台。平台主板选用基于3 2 位a r m 内核处 理器的嵌入式片上系统芯片l p c 2 2 9 2 作为核心，加上a l t e r a 公司的c p l d 芯片 e p m 7 1 2 8 和其他外围电路，构成了一个维持系统正常运行的最小系统。扩展板 包括z i 【g a e e 无线通信、u s b 、以太网和人机交互等模块，通过层叠式结构与主 板连接，实现了测控平台的多测控通道。本文的第三章详细介绍了平台硬件电路 的设计。 资源分配和调度方面，平台通过嵌入n u c l e u sp l u s 实时操作系统来完成任务 的调度，发挥嵌入式系统的优势。由于本文的重点在于平台硬件部分的构建，因 此只在第四章中介绍了与硬件相关的系统板级初始化程序设计。硬件资源分配方 面，主板上基于e p m 7 1 2 8 设计的可编程逻辑模块完成了系统地址资源的分配和 外部中断信号的控制。因为e p m 7 1 2 8 是具有在系统编程( i s p ) 功能的可编程器 件，因此文章的第五部分还介绍了如何用j t a g 和i s p 技术实现对测控平台的硬 件重构，为系统的现场级升级提供了可能。 本课题使用a d s 和q u a r t u si i 软件对平台硬件和可编程逻辑模块部分分别进 行调试仿真，经过一系列测试，各项指标均满足设计要求。 关键词：a r m ，c p l d ，测控系统，i s p v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi sr e q u i r e dt op r o v i d ev a r i o u sw a yf o rt h e p u r p o s eo fm e a s o l ea n dc o n t r o lr a t h e rt h a no f l em e c h o ds oa st om e e tt h en e e d so f d i f f e r e n ti i s e l - s ，s i n c et h em e a s u r e da n dc o n t r o l l e do b j e c th a st h em u l t i f o r m i t y c h a r a c t e ra n dt h ee n v i r o n m e n tf o rm e a s u r ei s c o m p l e x ，w i t ht h e d r a m a t i c d e v e l o p m e n to fm a r k e t i n g , t h es y s t e mi sa l s or e q u i r e dt ob em o r ec o n v e n i e n tt o u p d a t e s oi t sn e c e s s a r yt od e v e l o pag e n e r a lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lp l a t f o r mw i t h v a r i o u si n t e r f a c e st h a tc a i lc o n v e n i e n t l yu p d a t e t h ep a p e ri n t r o d u c e san e w t h o u g h t t od e s i g nt h ea b o v e p l a t f o r m b o t hm a i n b o a r d a n de x t e n d e db o a r d sa r ei n c l u d e di nt h es y s t e ms ot h a tt h es y s t e ml o o k sl i k ea s t a n d a r dp l a t f o r m m a i n b o a r di st h em i n i m u ms y s t e mt om a k et h ep l a t f o r mw o r k n o r m a l l ya n dt h eo o r eo fi ti sa ne m b e d d e ds y s t e mo nc h i p ( s o t ) b a s e do na r m l p c 2 2 9 2 i na d d i t i o n , e p m 7 1 2 8a n do t h e rp e r i p h e r a lc i r c u i t sa l ea l s ot h ep a r t so f m a i n b o a r d e x t e n d e db o a r d sc o n s i s tt h em o d u l e so fz i g b b a s e do nt h e i e e e 8 0 2 1 5 4 ，u s b ，e t h e r n e t ，l c da n d o n a i lo ft h e s em o d u l e sa r ec o n n e c t e d w i t hm a i n b o a r db yp c i 0 4c a s c a d ec o n s t r u c t i o na n dt h e yp r o v i d eb o t hw i r ea n d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nw a yf o ru s e r s c h a p t e r3o ft h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e h a r d w a r ec i r c u i td e s i g no f t h ep l a t f o r m a st h ea s p e c to fr e s o u r c ed i s t r i b u t i o na n dt a r g e tm a n a g e m e n t , n u c l e u sp l u s e m b e d d e dr e a l t i m em u l t i - t a s ko si sa d d e dt om a n a g et h ew h o l es y s t e m i ti s c o n s i d e r e dt h a tt h ek e yp a r to ft h i sp a p e ri st h eh a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e m s o o n l yt h ei n i t i a lb s pp r o g r a mi sm e n t i o n e di nc h a p t e r4 a n dt h ef u n c t i o no fa d d r e s s r e s o u r c ed i s t r i b u t i o na n de x t e r n a li n t e r r u p tm a n a g e m e n ti sr e a l i z e db yp r o g r a m m a b l e l o g i cm o d u l eb a s e do ne p m 7 1 2 8 ，w h i c ha l s oh a st h ef u n c t i o no fi s p ( i ns y s t e m p r o g r a m m i n g ) s oc h a p t e r5i l l u s t r a t e sh o wt or e c o n f i g u r et h eh a r d w a r eo ft h e p l a t f o r md e p e n d i n go nt h et e c h n i q u e so f j t a ga n di s p v i 上海大学硕士学位论文 a d sa n dq u a r t u si ia r eu s e dt od e b u gt h ep l a t f o r m t h ep l a t f o r mi sv e r i f i e dt o r e a c ht h ee x p e c t e da i mt h r o u g has e r i e so f t e s t s k e y w o r d s ：a r m ，c p l d ，m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m , i s p v l i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 量醴日期：雌生2 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，i p ：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：k 醯导师签名：土么尘查二日期：囫：竺：； 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 分布式测控系统是工业现场控制、城市市政管理( 给排水处理，水文监测， 电网监测管理，交通监测管理等) 、智能楼宇监控等方面应用最广泛的系统。在 八十年代以前，测控系统主要是由“测控电路”组成，电路简单，所具备的功能 较少，且容易出错。伴随着计算机技术的迅速发展，使得传统的测控系统发生了 根本性的改变，即采用微机作为测控系统的主体和核心，代替了传统测控系统中 的常规电子电路，从而解决了传统测控系统中不能解决的问题，提高了测控精度 和可靠性。然而以8 位单片机为平台设计的测控电路仍然暴露出诸多缺陷，诸如 数据交换速度缓慢，资源有限；体积较大，不易携带使用；扩展性差、成本高等。 因此以嵌入式系统为平台的测控系统应运而生。嵌入式测控系统具有以下特 点： 1 ) 可靠性高：嵌入式系统大都是芯片等部件，与计算机系统的硬盘、扩展卡 相比，具有防震、防尘等优点。其程序一般固化在f l a s h r o m 中，不易被破坏， 使系统整体可靠性大大提高。 2 ) 体积小：由于高端微处理器，特别是s o c 的应用，使得嵌入式系统的体 积不断减小，从而直接影响到测控系统的体积，形成便携式系统，便于携带和使 用。 3 ) 易扩展、功能强：嵌入式测控系统很容易扩展出输入输出( i 0 ) 接口，实 现各种功能。 4 ) 开发周期短、成本低：嵌入式测控系统，相比于传统的测控系统，其开发 周期短、成本低，具有无可比拟的优势。 此外，以往设计者大多以被测对象为目标来设计专门的测控系统，系统的灵 活性和可扩展性往往不尽如人意。当一个系统按用户的要求设计后，若要升级或 修改测控功能，一般要进行硬件修改，设计周期变长，成本增加。设计一个通用 上海大学硕士学位论文 的测控平台，预留多种方式的测控通道不失为提高系统灵活性的有效手段。另一 方面，i s p 技术也提供了现场重组板子和或升级产品性能的理想方法。i s p ( h a _ s v s t e n lp r o g r a m m i n g ) 在系统编程技术使用户在自己设计的目标系统中或 线路板上对可编程器件进行编程或反复改写，从而具有重构电路与系统的能力。 单一的硬件设计，通过在系统编程以后，就有了完成各种系统级功能的能力。多 功能硬件的实现，减少了产品制造中为实现各种系统级功能所需的硬件数量，简 化了制造流程，降低了系统级成本。 因此本次设计的总体目标就是以基于3 2 位a r m 嵌入式微处理器的片上系 统l p c 2 2 9 2 芯片为核心来设计一个嵌入式测控平台。平台将集z i g a ，以 太网、u s b 、人机交互、外部存储器等多种模块于一身，提供各种有线及无线的 测控通道，并移植基于n u c l e a r sp l u s 内核的嵌入式实时多任务操作系统来实现进 程的调度。同时通过在平台中使用可编程器件来实现系统的在系统编程( i s p ) 功能，增强系统的灵活性和可扩展性。 1 2 国内外研究现状及趋势 嵌入式系统的开发包括了各种软件、硬件的设计与研发，如嵌入式操作系统、 通讯协议、电路系统等。目前在国内嵌入式系统是当前的一个流行和热门话题。 从机顶盒到手机，都可以看见嵌入式系统的影子，可以看出目前国内嵌入式系统 市场的火爆。但是国内厂商的开发只是在产品级的开发，只有很少的单位从系统 的底层进行开发具有自主知识产权的嵌入式系统软件产品。目前国内有深圳华 恒、北京赛德菱、英迈为用户提供嵌入式软件开发平台，包括：嵌入式实时多任 务操作系统，各种交叉开发调试工具，测试工具和多种应用组件；并提供最优质、 完善的技术支持服务。这些公司还针对各种典型嵌入式应用推出相应的完整解决 方案，包括：工业和国防，各种互联网通讯设备，消费电子( 信息家电、可视电 话、数字电视等) ，等等。 国际上，随着集成电路的发展，3 2 位微处理器的价格不断下降，已到用户 大量使用的时候。现在的嵌入式系统设计已体会到r i s c ( 精简指令集计算机) 架构微处理器的硬件设计单纯、成本低廉、省电效益佳等特性，纷纷采用r i s c 2 上海大学硕士学位论文 微处理器，3 2 位r i s c 微处理器更是受到青睐，领先的是a r m 嵌入式微处理器 系列。a r m 公司成立只有十来年，占3 2 位r i s c 处理器市场份额超过5 0 9 6 ，成 为业界龙头老大。2 0 0 1 年初，a r m 占有高达7 6 8 的3 2 位r i s c 市场，引起业 界极大关注。a r m 的成功之处在于它是知识产权i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 供应 商，是设计公司。a r m 本身不生产芯片。a r m 商业模式的强大之处在于其价格 合理，全世界范围有超过1 0 0 个合作伙伴包括半导体工业的著名公司。a r m 公司专注于设计，其内核耗电少、成本低、功能强，特有1 6 位3 2 位双指令集。 a r m 已成为移动通讯、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案的r i s c 标准。8 0 的手机采用a r m 核芯片。 信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，为嵌入式市场 展现了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出另外新的挑战。从中可以看出 未来嵌入式系统的几大发展趋势【7 】： 1 ) 嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持： 随着因特网技术的成熟、带宽的提高，i c p 和a s p 在网上提供的信息内容 日趋丰富、应用项目多种多样，像电话手机，电冰箱、微波炉等嵌入式电子设备 的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升级，设计师们一 方面采用更强大的嵌入式处理器增强处理能力：同时还采用实时多任务编程技术 和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩 短开发周期。 2 ) 联网成为必然趋势： 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网的需求，面向2 1 世纪的嵌入式系统 要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入设备必需配 有通信接口，需要t c p i p 相应协议簇软件支持；由于家用电器相互关联( 如防 盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息) 及实验现场仪器的协调 工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备u s b 、c a n 等通信接口，同时也需要 提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。 3 ) 支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本： 为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者同样需要提高对嵌入式软件的设计 上海大学硕士学位论文 技术。如选用最佳的编程模型和不断改进算法，优化编译器性能。因此，软件人 员既要具有丰富的经验，更需要不断学习先进的嵌入式软件技术。 4 ) 提供精巧的多媒体人机界面： 嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之间 的亲和力，自然和谐的人机交互界面，不仅可以使人们的操作变得更为简单，而 且还能体现出产品的人性化设计风格。 1 3 本次设计的主要内容和创新点 基于a r m 的测控平台采用了模块化设计的思想，为用户提供了一个有线与 无线通信方式相结合，具有多种测控手段的通用测控平台。本次设计将重点集中 于平台硬件部分的设计，同时在测控平台中加入i s p 功能，为系统的升级提供了 必要的硬件资源。其主要研究内容如下： 1 测控平台总体方案的确定和微处理器的选择 基于目前测控系统的测控要求，对测控平台的硬件资源进行总体规划和设 计，在设计中采用模块化设计的思想，采用主板和扩展板层叠式设计的方案，提 高系统的灵活性。在对常用的微处理器充分调研的基础上，确定本系统选用的主 芯片型号。充分利用所选芯片的已有资源并兼顾用户需要，确定平台需要包含的 测控模块( 扩展板部分) ，对各模块进行功能设计。随后对系统资源进行合理分 配，包括对c p u 芯片各功能管脚的分配。 2 测控平台硬件电路的设计 确定了测控平台的总体方案后，分别对系统的主板硬件电路和主板与各扩展 模块的接口电路进行设计。包括主板上的电源及复位电路、总线驱动电路及外部 存储器模块、可编程逻辑模块等部分的电路设计，以及主板与z i g b e e 无线通信、 u s b 、以太网、人机交互等模块的接口电路设计。同时，对可编程模块进行逻辑 电路设计。为整个系统搭建起所需的硬件平台。 3 板级初始化程序的设计 测控平台的硬件设计不仅仅指硬件电路的设计，还包括与硬件部分密切相关 的一些初始化和驱动程序的设计。这么做的好处是，用户在进行系统编程时，免 4 上海大学硕士学位论文 去了与底层硬件直接打交道的麻烦，可以直接调用板级初始化程序，随后根据各 自的需求编写上层应用软件。 4 i s p 功能在测控平台中的实现 当前的测控系统对设计者在灵活性和扩展性上提出了更高的要求，在平台中 加入i s p 功能为实现系统软、硬件资源的重构提供了可能，避免了因测控需求的 变化修改硬件电路，拉长设计周期的不便。因此，平台可编程逻辑模块选用具有 i s p 功能的e p m 7 1 2 8 芯片，通过j t a g 和i s p 技术实现对测控平台的硬件重构。 5 系统调试 测控平台的调试分为两大部分。可编程逻辑模块的调试和板级初始化程序的 调试。可编程逻辑模块主要调试其逻辑功能是否正确，能否在一定的输入后按照 预期的逻辑关系得到需要的输出。q u a r t u si i 软件的使用是设计过程中的关键。 板级初始化程序的调试是通过一些测试程序，诸如系统总线测试程序，2 3 2 通信 测试程序的运行来判断整个平台的硬件部分是否达到了预期的设计要求。 本论文主要也是围绕上述研究内容而展开的。 本次设计的技术创新点在于： 1 将整个系统设计为一个通用的测控平台，在平台的主板上仅仅包括了c p u 及其相关外围电路和可编程逻辑模块，形成一个精简的最小系统，减小了系统的 体积，提高了系统稳定性。系统的测控功能通过扩展模块的形式加入到平台中， 各扩展模块以p c i 0 4 的层叠式结构插入到主板上，使用户根据不同的测控需要 添加所需扩展板，实现了系统可裁剪可扩展的特性，使整个平台能适应不同的测 控需要。 2 系统的设计方案中加入可编程逻辑模块的设计，采用可编程逻辑器件控制 系统的中断资源和各扩展模块的片选信号。在系统的研制阶段，由于设计错误或 任务的变更而修改设计的事经常发生。使用不可编程的器件时，修改设计就要更 换或增减器件，这是一件相当麻烦的事，有时还不得不更换印刷线路板。使用可 编程器件后，由于器件具有i s p 功能，因此对原设计进行修改时，只需要对该器 件进行再编程即可。这样当测控平台现有的资源需要扩充或减少时，只需要对可 编程逻辑器件进行再编程，就能实现中断和片选信号的重新分配。 5 上海大学硕士学位论文 1 4 文章的编排 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担的课题工作为基础。 第一章中阐述了课题研究的目的、意义、国外研究现状以及本课题的主要研 究内容和创新点。 第二章介绍了测控平台的总体设计方案，包括硬件电路和板级初始化程序的 设计思想，并对a r m 微处理器做了详细介绍。 第三章详细介绍了测控平台的硬件电路设计，包括测控平台主板上各部分的 硬件电路以及测控平台主板与扩展模块的接口电路，还对可编程模块的逻辑电路 设计做了一定篇幅的叙述。 第四章重点在于系统板级初始化程序的设计，同时将测控系统中常用的2 3 2 串口通信部分的读写操作代码以函数形式封装，供用户调用。 第五章介绍了i s p 和j t a g 技术的基本概念，并提出在平台中实现i s p 功能 的方法。 第六章介绍了平台硬件部分的调试过程和结果。 第七章为全文总结与展望。 1 5 本章小结 本章从嵌入式系统的概念及特点入手，论述了以嵌入式系统为平台设计测控 系统的意义，并对嵌入式系统的国内外发展现状及趋势作了分析。接着在充分调 研的基础上，介绍了本课题研究的主要内容及技术创新点。最后介绍了本文各章 节的编排。 6 上海大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章测控平台总体方案设计 随着计算机技术、通讯技术的快速发展，分布式测控系统在系统结构、通讯 方式、控制模式等各方面正发生着深刻的变化。但是在目前的分布式测控系统设 计过程中，大多还是根据特定的要求来设计具体的系统，硬件的灵活性不高。而 且系统中现场测控设备与上层监控计算机之间的通讯基本还是处于有线的方式， 但现实的情况是，在许多场合并不完全适合采用有线连接的分布式测控系统，例 如有些应用由于地域宽广( 精细农业的数据采集和控制) 使用导线连接其费用太 昂贵、或者有些应用无法安装导线( 高速旋转机器的检测和维护、飞转的车轮的 检测) 、或者有些应用由于安全性不允许( 易燃、易爆的危险化学成分的检测) 等等。 在本章中要介绍的就是针对上述问题而设计的具有i s p 功能的测控平台总 体方案。测控平台采用模块化设计方法，集多种传输方式和接口模块于一体，通 过采用f p g a c p l d 技术及可编程器件，增加硬件资源的灵活性和可扩展性，同 时也弥补了单一有线通讯方式的不足。 2 2 微处理器的选择 2 2 1 嵌入式处理器概述 据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种，流行 体系结构有3 0 几个系列。嵌入式处理器有许多种流行的处理器核，芯片生产厂 家一般都基于这些处理器核生产不同型号的芯片。本节主要介绍以下几种嵌入式 处理器f 3 】。 ( 1 ) m i p s m i p s 是m i c r o p r o c 嚣rw i t h o u ti n t e r l o c k e dp i p e l i n es t a g e s 的缩写，是一种处 7 上海大学硕士学位论文 理器内核标准，它由m i p s 技术公司开发的。m i p s 技术公司是一家设计制造高 性能、高档次嵌入式3 2 位和6 4 位处理器的厂商，在r i s c 处理器方面占有重要 地位。m i p s 公司设计r i s c 处理器始于8 0 年代初，从1 9 8 6 年推出r 2 0 0 0 处理 器之后，陆续推出r 3 0 0 0 ，r 4 0 0 0 ，r 8 0 0 0 等。之后m i p s 公司的战略发生变化， 把重点放在嵌入式系统。1 9 9 9 年，m i p s 公司发布了m i p s 3 2 和m i p s 6 4 架构标 准，集成了原来所有的m i p s 指令集，并且增加了许多更强大的功能。此后m i p s 公司又陆续开发了高性能、低功耗的3 2 位和6 4 位处理器内核。 m i p s 的定位很广，在高端和低端均有它的产品，而且被广泛应用在便携式 计算系统、数字消费产品、工业控制等领域。 ( 2 ) p o w e r p c p o w e r p c 架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。p o w e r p c 处理器品种很多， 既有通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范围非常广泛，从高端的工 作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备等各个方面。 目前p o w e r p c 独立微处理器与嵌入式处理器的主频从2 5 m h z 一7 0 0 m h z 不 等，它们的能量消耗、大小、整合程度、价格差异悬殊。 ( 3 ) x 8 6 x 8 6 起源于i n t e l 架构的8 0 8 0 ，再发展到2 8 6 ，3 8 6 ，4 8 6 。直到后来的p e n t i u m 4 、 a t h l o n 和a m d 的“位处理器h a m m e r 。从嵌入式市场来看，8 0 8 0 是第一款主 流的处理器。今天的p e n t i u m 和当初的8 0 8 0 使用相同的指令集，这可以保持兼 容性，但是同时也限制了c p u 性能的提高。 ( 4 ) a r m a r m 公司自1 9 9 0 年正式成立以来，在3 2 位r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ) c p u 开发领域不断取得突破。由于a r m 公司自成立以来，一直以口 ( i n t e l l i g e n c ep a t e n t ) 提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而自己 从不介入芯片的生产销售，加上其设计的芯核具有功耗低，成本低等显著优点， 因此获得众多的半导体厂家和整机厂商的大力支持，在3 2 位嵌入式应用领域获 得了巨大的成功，目前己经占有7 0 以上的3 2 位嵌入式产品市场。在低功耗， 低成本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位。目前非常流行的a r m 芯核有 上海大学硕士学位论文 a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 和s e c u r c o r e 等。 作为全球领先的1 6 3 2 位嵌入式r i s c 微处理器解决方案供应商，a r m 公司 的微处理器核技术广泛应用于便携式通信产品、手持运算、多媒体数字消费等嵌 入式解决方案等领域，已成为r i s c 标准。 2 2 2a r g 总体介绍 由于a r m 芯片强大的处理能力和极低的功耗，现在越来越多的公司在产品 选型的时候考虑到使用a r m 处理器。a r m 即a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写。 a r m 公司是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、低成本、低功 耗的r i s c 处理器、相关技术及软件。 a r m 的设计实现了非常小但高性能的结构。a r m 处理器结构的简单使 a r m 的内核非常小，这样使器件的功耗也非常低。a r m 集成了非常典型的r i s c 结构特性：1 1 1 一个大的、统一的寄存器文件； 加载存储结构，数据处理的操作只针对寄存器的内容，而不直接对存储器 进行操作； 简单的寻址模式，所有加载存储的地址都只由寄存器的内容和指令域决定； 统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码。 此外，a r m 体系结构还提供： 每一条数据处理指令都对算术逻辑单元( a l u ) 和移位器进行控制，以实现对 a u j 和移位器的最大利用： 地址自动增加和自动减少的寻址模式实现了程序循环的优化； 多寄存器加载和存储指令实现了最大数据吞吐量； 所有指令的条件执行实现了最快速的代码执行。 这些在基本r i s c 结构上增强的特性使a r m 处理器在高性能、低代码规模、 低功耗和小的硅片尺寸方面取得了良好的平衡。 a r m 微处理器目前包括下面几个系列： 一a r m 7 系列 9 上海大学硕士学位论文 一a r m 9 系列 一a r m 9 e 系列 一a r m i o e 系列 一s 蚴i r c o r e 系列 一i n t e l 的x s c a l e i n t e l 的s t r o n g a r m 其中，a r m 7 t d m i 微处理器系列应用最广，采用a r m 7 t d m i 微处理器作 为内核生产芯片的公司最多，同时其性能价格比也是最高的。 2 2 3a r m 7 t d m i 介绍 a r m 7 t d m i 命名定义如下： a r m 7 ：c p u 核系列 t 1 6 位压缩指令集t h u m b d ：在片调试( d e b u g ) 支持，允许处理器响应调试请求暂停 m ：增强型乘法器( m u l t i p l i e r ) ，与以前处理器相比性能更高，产生全6 4 位结果 i ：嵌入式i c e 硬件提供片上断点和调试支持 a r m 7 t d m i 具有如下特点： 1 指令流水线 a r m 7 t d m i 使用流水线以提高处理器指令的流动速度。流水线允许几个操 作同时进行，以及处理和存储系统连续操作。a r m 7 t d m i 使用3 级流水线，因 此，指令的执行分为3 个阶段：取指、译码和执行。当正常操作时，在执行一条 指令期间，其后续的一个指令进行译码，且第3 条指令从存储器中取指令。 2 存储器访问 a r m 7 t d m i 核是冯q 若依曼体系结构，使用统一3 2 位数据总线指令和数据。 只有加载、存储和交换指令可以访问存储器中的数据。数据位数可以是8 位、1 6 位和3 2 位。1 6 位也称半字，它必须是2 字节边界对准，而3 2 位是字，它必须 是4 字节边界对准。 1 0 上海大学硕士学位论文 3 存储器接口 a r m 7 t d m i 的存储器接口被设计成在使用存储器最少的情况下实现其潜 能。速度的关键控制信号是流水作业的，以允许在标准功耗逻辑下实现系统功能。 这些控制信号方便了许多片内和片外存储器技术支持快速突发( b u r s t ) 访问模 式的开发。a r m 7 t d m i 有4 种存储器周期的基本类型：空闲周期、非顺序周期、 顺序周期和协处理器寄存器传送周期。 4 嵌入式i c e r t 逻辑 嵌入式i c e r t 逻辑为a r m 7 t d m i 核提供了集成的在片调试支持。可以使 用嵌入式i c e r t 逻辑来编写断点或观察断点出现的条件。嵌入式i c e r t 逻辑 包含调试通信通道( d c c ，d e b u gc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l ) ，它用于在目标和宿主 调试器之间传送信息。嵌入式i c e r t 逻辑通过j t a g ( j o i n t t e s t a c t i o n g r o u p ) 测试访问口进行控制。a r m 7 t d m i 有2 个指令集，3 2 位a r m 指令集和1 6 位 t h u m b 指令集。 2 2 4a r m 处理器的工作模式和异常处理 a r m 支持7 种工作模式，分别处理不同的需求，如表2 1 所示。 处理器模式描述 用户模式 正常程序执行的模式 快速中断模式用于高速数据传输和通道处理 中断模式用于普通中断处理 管理模式操作系统使用的一种保护模式 数据访问中止模式用于虚拟存储以及存储保护 未定义指令模式用于支持通过软件方法仿真硬件协处理器 系统模式运行特权级的系统任务 表2 1a r m 处理器的处理模式 a r m 支持7 种异常模式，如表2 2 所示，这里的异常包含中断，两者的不 同仅仅在于从异常( 或中断) 返回时的地址不同，异常返回时的地址是发生异常的 那条指令所在的地址，而中断返回时的地址是中断的下一条指令所在的地址。 上海大学硕士学位论文 异常类型具体含义 复位当处理器的复位电平有效时，产生复位异常，程序跳转到 复位异常处理程序处执行。 未定义指令当a r m 处理器或协处理器遇到不能处理的指令时，产生 未定义指令异常。可使用该异常机制进行软件仿真。 软件中断该异常由执行s w i 指令产生，可用于用户模式下的程序调 用特权操作指令。可使用该异常机制实现系统功能调用。 指令预取中止若处理器预取指令的地址不存在，或该地址不允许当前指 令访问，存储器会向处理器发出中止信号，但当预取的指 令被执行时，才会产生指令预取中止异常。 数据中止若处理器数据访问指令的地址不存在，或该地址不允许当 前指令访问时，产生数据中止异常。 i r q ( 外部中断请求)当处理器的外部中断请求引脚有效，且c p s r 中的i 位为0 时，产生i r q 异常。系统的外设可通过该异常请求中断服 务。 f i q ( 快速中断请求)当处理器的快速中断请求引脚有效，且c p s r 中的f 位为 0 时，产生f i q 异常。 表2 2a r m 体系结构所支持的异常 当系统运行时，异常可能会随时发生，为保证在a r m 处理器发生异常时不 至于处于未知状态，在应用程序的设计中，首先要进行异常处理，采用的方式是 在异常向量表中的特定位置放置一条跳转指令，跳转到异常处理程序，当a r m 处理器发生异常时，程序计数器p c 会被强制设置为对应的异常向量，从而跳转 到异常处理程序，当异常处理完成以后，返回到主程序继续执行。 3 1 2 2 5a r m 寄存器 a r m 处理器共有3 7 个寄存器，被分为若干个组( b a n k ) ，这些寄存器为3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针) ，均为3 2 位的寄存器。6 个状态寄 存器，用以标识c p u 的工作状态及程序的运行状态，均为3 2 位。 1 2 上海大学硕士学位论文 a r m 处理器有7 种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均有一组相 应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包括1 5 个 通用寄存器( r 0 r 1 4 ) 、一至二个状态寄存器和程序计数器。在所有的寄存器中， 有些是在7 种处理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些寄存器则是在不同 的处理器模式下有不同的物理寄存器。 寄存器r 1 3 在a r m 指令中常用作堆栈指针，但这只是一种习惯用法，用户 也可使用其他的寄存器作为堆栈指针。而在t h u m b 指令集中，某些指令强制性 的要求使用r 1 3 作为堆栈指针。 由于处理器的每种运行模式均有自己独立的物理寄存器r 1 3 ，在用户应用程 序的初始化部分，一般都要初始化每种模式下的r 1 3 ，使其指向该运行模式的栈 空间，这样，当程序的运行进入异常模式时，可以将需要保护的寄存器放入r 1 3 所指向的堆栈，而当程序从异常模式返回时，则从对应的堆栈中恢复，采用这种 方式可以保证异常发生后程序的正常执行。 r 1 4 也称作子程序连接寄存器( s u b r o u f i n el i n kr e 西s t e r ) 或连接寄存器l r 。 当执行b l 子程序调用指令时，r 1 4 中得到r 1 5 ( 程序计数器p c1 的备份。其他情 况下，r 1 4 用作通用寄存器。与之类似，当发生中断或异常时，对应的分组寄存 器r 1 4s v c 、r 1 4i r q 、r 1 4 f i q 、r 1 4a b t 和r 1 4u n d 用来保存r 1 5 的返回值。 寄存器r 1 5 用作程序计数器( p c ) 。在a r m 状态下，位【l ：o 】为0 ，位 3 1 ：2 】 用于保存p c ；在t h u m b 状态下，位【0 为0 ，位【3 1 ：1 】用于保存p c ；虽然可以用 作通用寄存器，但是有一些指令在使用r 1 5 时有一些特殊限制，若不注意，执 行的结果将是不可预料的。在a r m 状态下，p c 的0 和1 位是0 ，在t h u m b 状 态下，p c 的0 位是0 。 寄存器r 1 6 用作c p s r ( c u r r e n tp r o g r a ms t a t u sr e 西s t c r ，当前程序状态寄存 器) ，c p s r 可在任何运行模式下被访问，它包括条件标志位、中断禁止位、当前 处理器模式标志位，以及其他一些相关的控制和状态位。 每一种运行模式下又都有一个专用的物理状态寄存器，称为s p s r ( s a v e d p r o g r a ms t a t u sr e g i s t e r ，备份的程序状态寄存器1 ，当异常发生时，s p s r 用于保 存c p s r 的当前值，从异常退出时则可由s p s r 来恢复c p s r 。 上海大学硕士学位论文 由于用户模式和系统模式不属于异常模式，它们没有s p s r ，当在这两种模 式下访问s p s r ，结果是未知的。【3 】 2 2 6l p c 2 2 9 2 微处理器概述 综上所述，本次设计选用的就是一个基于支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位 a r m 7 t d m i - sc p u 的微控制器l p c 2 2 9 2 。它带有1 2 8 2 5 6 k 字节( k b ) 嵌入的高速 f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最 大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代 码规模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小。它包含与片内存储器控制器接口的 a r m 7 局部总线、与中断控制器接口的a m b a 高性能总线( a h b ) 和连接片内 外设功能的v l s i 外设总线( v p b ，a r m a m b a 总线的兼容超集) 。l p c 2 2 9 2 将 a r m 7 t d m i s 配置为小端( 1 i t t l e - e n d i a n ) 字节顺序。由于内置了宽范围的串行 通信接口，使它非常适合于通信网关、协议转换器以及其它各种类型的应用。【2 】 a h b 外设分配了2 m 字节的地址范围，它位于4 g 字节a r m 存储器空间的 最顶端。每个a h b 外设都分配了1 6 k 字节的地址空间。l p c 2 2 9 2 的外设功能( 中 断控制器除外) 都连接到v p b 总线。a h b 到v p b 的桥将v p b 总线与a h b 总 线相连。v p b 外设也分配了2 m 字节的地址范围，从3 5 g b 地址点开始。每个 v p b 外设在v p b 地址空间内都分配了1 6 k 字节地址空间。 片内外设与器件管脚的连接由管脚连接模块控制。该模块必须由软件进行控 制以符合外设功能与管脚在特定应用中的需求。 l p c 2 2 9 2 包括如下资源，如图2 1 所示： 1 6 3 2 位1 4 4 脚a r m 7 t d m i s 微控制器。 1 6 k 字节静态r a m 。 1 2 8 2 5 6 k 字节片内f l a s h 程序存储器( 在工作温度范围内，片内f l a s h 存储 器至少可擦除和写1 0 ，0 0 0 次) 。1 2 8 位宽度接! m l 力l 速器实现高达6 0 m h z 的 操作频率。 外部8 、1 6 或3 2 位总线( 1 4 4 脚封装) 。 片内b o o t 装载程序实现i s p 和i a p 。f l a s h 编程时间：l m s ，可编程5 1 2 字节， 1 4 上海大学硕士学位论文 扇区擦除或整片擦除只需4 0 0 m s 。 图2 1l p c 2 2 9 2 方框图 e m b e d d e d l c e r t 接口使能断点和观察点。当前台任务使用片内r e a l m o n i t o r 软件调试时，中断服务程序可继续执行。 嵌入式跟踪宏单元( e t m ) 支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。 2 个互连的c a n 接口，带有先进的验收滤波器。 8 路1 0 位a i ) 转换器，转换时间低至2 4 4 u s 。 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输出) 、 实时时钟和看门狗。 上海大学硕士学位论文 多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、高速i 2 c 接口( 4 0 0 k h z ) 和2 个s p i 接口。 通过片内p l l 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率。 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 多达1 1 2 个通用i o 口( 可承受5 v 电压) ，1 2 个独立外部中断引脚( e i n 和c a p 功能) 。 片内晶振频率范围：i 一3 0 m h z 。 2 个低功耗模式：空闲和掉电。 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 可通过个别使能禁止外部功能来优化功耗。 双电源 - - c p u 操作电压范围：1 6 5 - 1 9 5 v ( 1 8 v 8 3 1 - - i o 操作电压范围：3 0 3 6 v ( 3 3 v + 1 0 1 2 3 硬件电路的总体设计 2 3 1 设计思想 “基于a r m 的测控平台”主要采用模块化设计的思想。将系统分为主板和 扩展板两大块，同时通过使用可编程器件和s o c 来实现系统的在系统编程( i s p ) 功能。