（测试计量技术及仪器专业论文）arm9实验开发板设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 移动计算、i n t e r n e t 接入、数字信号处理是后p c 时代的三大技术驱动源， 也是近年来支撑嵌入式市场快速发展的原因。从核心技术角度看，c p u 和操作 系统是目前嵌入式技术发展的焦点。而8 位单片机连同它落后的开发方式也会 很快被高性能的3 2 位嵌入式处理器、嵌入式操作系统以及它们带来的思想的变 革所代替。这种情况决定了大学开设嵌入式系统课程已是大势所趋，对于这种 实践性与理论性同等重要的课程，教学实验是理解掌握嵌入式系统的一个不可 缺少的环节。在此背景下，研究开发教学实验平台或装置就具有非常重要的实 际意义。 根据嵌入式系统的现状与教学平台的实际需要，本设计中采用了三星公司 生产的$ 3 c 2 4 1 0 处理器，并在尽可能小的电路板面积上集成了通用设备接口并 引出了c p u 的大部分信号引脚方便学生在此基础上进行系统扩展。本文分别从 硬件和软件两方面对$ 3 c 2 4 1 0 处理器进行了研究。硬件方面详细介绍了该处理 器的设计思想，并利用c a d e n c ep s d1 5 1 软件进行原理图设计、p c b 板布线和 高速信号线的信号完整性仿真：软件方面介绍了在无嵌入式操作系统和l i n u x 操作系统两种情况下的软件设计与调试，并完成了部分无操作系统下的基础实 验的实验指导书的编写。 本论文设计并实现了一种基于$ 3 c 2 4 1 0 处理器的实验开发板，通过这个平 台可以进行中断服务、时钟控制、通信接口、a d 采样、1 0 口等无操作系统的基 础实验并可进行l i n u x 等嵌入式系统的移植实验。同时通过该平台也进行相关 的功能扩展，以及进行所需的产品设计。该开发板在保证学生完成a r m 技术学 习开发的同时，考虑了系统的扩展、电路板的面积、散热、龟磁兼容性，以及 安装等问题。因此，该板也可以作为嵌入式系统主板，直接应用在实际系统中。 关键词：a 雕、嵌入式系统、$ 3 c 2 4 1 0 、信号完整性仿真、l i n u x 西南交通大学硕士研究生学位论文第j i 页 a b s t r a c t m o b i l ec o m p u t i n g ，i n t e m c ta p , c c s sa n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga r et h et h r e e m a j o rt e c h n o l o g y - d r i v e ns o u r c e so f t h ep o s t - p ce 仇a n dt h er e a s o l 丝o f s u p p o r t i n g e m b e d d e dm a r k e t 。sr a p i dd e v e l o p m e n ti nr e e e n ty e a r s f r o mt h ep o i n to f t h ec o r eo f t e c h n i c a lt os t h ec p ua n do p e r a t i n gs y s t e ma r et h ef o c u s e so f e m b e d d e d t e c h n o l o g y sd e v e l o p m e n ta tp r e s e n t g - b i tm c u a n dt h ed e v e l o p m e n to f i t s b a c k w a r de x p l o i t i n gw a y sv d l ls o o nb er e p l a c e db yt h eh i g h - p e r f o r m a n e e3 2 - b i t e m b e d d e d p r o c e s s o r ，t h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma n dt h ew a n s f o r m so f t h e i r t h j 燃s oi ti st h eg e n e r a lt r e n dt h a to p e n i n gt h ee m b e d d e ds y s t e mc o u r s e si nt h e u n i v e r s i t y ，a n df o rt h ec o u r s e sw h o s op r a c t i c c sa n dt h e o r i e sa r ce q u a l l yi m p o r t a n t , t e a c h i n ge x p e r i m e n ti sa ni n d i s p e n s a b l el i n kt ou n d e r s t a n da n dg r a s pt h ee m b e d d e d s y s t e m ht h i sb a c k g r o u n d , r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n g t h et e ；必血ge x p e r i m e n t s p l a t f o r mo rd e v i c ep o s s e s s e sh a sav e r yi m p o r t a n ta n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e a c c o r d i n gt ot h ee m b e d d e ds y s t e m sa c t u a l i t ya n dt h et e a c h i n gp l a t f o r m s a c t u a ln e e d s ，t h i sd e s i g na d o p t s $ 3 c 2 4 1 0p r o c e s s o ro fs a m s u n g s i nt h i sc i r c u i t b o a r dw h i c hi sm a d ea ss m a l la sp o s s i b l e ，i ti n t e g r a t e sm a n yg e n e r a l - p u r p o s e e q u i p m e n ti n t e r f a c e sa n di t e d u c e sm o s to ft h ec p u s s i g n a lp i n sw h i c hi s c o n v e n i e n tf o rs t u d e n t st om a k es y s t e me x p a n s i o no l it h i sp l a t f o r m t h i sp a p e r m a k e sar e s e a r c ho ns 3 c 2 4 1 0p r o c e s s o rf r o mt w os i d e so f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e i n t h es i d eo fh a r d w a r e ，i ti n t r o d u c e s $ 3 c 2 4 1 0p r o c e s s o r sd e s i g nt b i n k j n g ，i ta l s o d e s i g n st h et h e o r yp i c t u r e 、r o u t e sp c bb o a r da n ds i m u l a t e sh i g h - s p e e ds i g n a l i n m g r a l r yb yc a d e n c ep s d1 5 1 。i nt h es i d eo f s o f t w a r e ，i ti n t r o d u c e st h es o f t w a r e s d e s i g na n dd e b u g g i n gi nb o t hl i n u xo p e r a t i o ns y s t e ma n dw i t h o u te m b e d d e d o p e r a t i o ns y s t e m ap o r t i o no f b a s i s 麟p e r i m e n t i 1 强血卫c t o fh a v eb e e nf i n i s h e d t h i sp a p e rd e s i g n sa n dc o m p l e t e sa ne x p e r i m e n t a ld e v e l o p m e n tb o a r db a s e do n $ 3 c 2 4 1 0p r o c e s s o r t h r o u g ht h i sp l a t f o r mw ec a nm a k et h eb a s i se x p e r i m e n t s w i t h o u tt h eo p e r a a n gs y s t e ma si n t e r r u p t - s o r v i e e ，c l o c kc o n u o l , c o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e ，a ds a m p l i n g ，1 0i n t e r f a c ee x p e r i m e n ta n ds oo n , a n dw ec a na l s oc a l t yo u t t h el i n u xe m b e d d e ds y s t e mt r a n s p l a n t a t i o ne x p e r i m e n t s a tt h es s i n et i m e , i ta l s o m a k e st h ee x p a n s i o no f r e l a t e df u n c t i o n sa n dc a r r i e so u tt h en e c e s s a r yp r o d u c t d e s i g nt h r o u g ht h ep l a t f o r m o nt h eo n es i d e t h i sd e v e l o p m e n tb o a r d s n s l l r e s s t u d e n t st oc o m p l e t et h es t u d yo f t h ea r mt e c h n o l o g ye x p l o i t a t i o n , o nt h eo t h e rs i d e i tc o n s i d e r st h ee x p a n s i o no f t h es y s t e m 、t h es i z eo f c i r c u i tb o a r d s 、d i s p e l l i n g t h e r m a l 、e l c c t r o m a g n c 6 cc o m p a t i b i l i t ym a d i r s m l l 疵i o ni s s u e se t c n 掰e f o l e ，锰s b o a r dc 缸b eu s e da se m b e d d e ds y s t e m sm a i n b o a r di na p p l i c a t i o no f t h ea c t u a l s y s t e md i r e c t l y k e y w o r d s ：a r m ；e m b e d d e ds y s t e r m ；$ 3 c 2 4 1 0 ；s is i m u l a t i o n ；l i n u x 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 选题背景、意义 嵌入式系统是指以应用为核心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适 应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等方面的严格要求的专用计算 机系统。目前，嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上p d a 、 移动计算设备、电视机项盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、 数字相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电 话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。 由于各种新型微处理器的出现和应用的不断深化，嵌入式系统在后p c 时代 得到了空前的发展。随着时间的推移和技术的进步，在工业控制和新兴的手持 式应用等领域，越来越多的产品需要较好的图形界面和较强的数据处理能力， 以及网络、通信、音频、图像等功能，这对嵌入式处理器和嵌入式软件提出了 更高的要求。 在处理器方面，目前大量的中、低端嵌入式应用主要使用8 1 6 位单片机。 在国内，主要是以m c s 5 1 核为主的许多不同型号的单片机。在嵌入式高端应用 领域，像网络设备、图像处理、手机、p d a 等主要使用a r m 、m i p s 、p o w e r p c 、 d s p 等1 6 6 4 位处理器，以3 2 位处理器为主。各种类型的处理器都有其一定 的针对性。其中，a r m 处理器的性能高、功耗低，适合于用电池供电的便携、 手持式设备。由于近几年便携、手持式嵌入式应用的高速发展，a r m 处理器的 增长速度和市场占有率也快速提升，成为目前3 2 位应用中的主力产品。 a 蹦公司自成立以来，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 tc o m p u t e r ) c p u 开发领域不断取得突破，其结构已经从v 3 发展到v 6 。由于a r m 公司自成立 以来，一直以i p ( i n t e l l i g e n c ep r o p e r t y ) 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高 性能、低功耗、低成本、小体积等显著优点，在移动计算和普适计算领域具有 无可比拟的优势，因此得到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，目前已经占有了3 2 位r i s c 嵌入式产品市 场7 5 以上的份额，确立了市场领导地位。现在设计、生产a r m 芯片的半导体 生产商已经超过5 0 家，国内多家大公司也已经购买a r m 公司的芯核用于通信专 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 用芯片的设计。采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有以下特点： ( 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 期( 3 2 位) 双指令集； ( 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。 1 2 国内外相关领域研究进展 测控专业本科生学生培养的一个主要目标是训练计算机软硬件基础及应用 能力，即具有自主设计与开发计算机控制系统和数字化核心器件的能力。为此， 为本科生开设了。单片机原理及课程设计”、“微机系统与接口”等课程。但随 着嵌入式系统的快速发展，以传统的单片机为基础的数字系统开发课程，逐渐 过渡到内容更为广泛的嵌入式系统教学已成大趋势。嵌入式系统教学的核心问 题是一个嵌入式的实验平台，包括从硬件、中间件、软件、教学范例以及实验 指导等诸多问题。 但是纵观现在嵌入式教学平台市场，几乎没有哪一家公司会给出全面的技 术文档以及设计细节，更不用说这对本专业而进行的特有设计。同时这些教学 平台大多以实验箱的形式出现，其硬件系统集成了嵌入式系统开发应用所需的 大部分设备，使得的它的教学平台的功能很强大。但这样做也有很大的弊端： 一方面，集成大量的外扩设备无疑使整个教学平台的成本增加；另一方面，学 生只能在这个平台上完成特定的实验而不能基于这个平台动手搭建自己的硬件 电路，不利于学生动手能力的培养。 基于以上的原因这个嵌入式实验平台有必要自行开发。对测控专业的学生 来说，中断服务、时钟控制、串口通信、a d 采样、简单的i o 口等实验是基本 的，实验开发板要有能力支持这类相关的实验，同时考虑到学生的动手能力的 培养以及可以进行后续开发等问题，实验开发板不采用实验箱的形式，在尽可 能小的电路板面积上集成通用设备接口的同时引出地址总线、数据总线、中断 控制、a d 转换等c p u 的大部分信号引脚。另外，考虑到学生的好动易损坏器件 的特点，在设计实验开发板时，除了要求其具有技术先进性的同时，也考虑了 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 实验开发板的通用性、经济性和可靠性。 1 3 主要研究内容和整体结构 本课题的主要研究内容是： ( 1 ) 通过理论分析，确定系统总体方案； ( 2 ) 选择经济适用的元器件； ( 3 ) 系统硬件设计与仿真； “) 系统硬件调试； ( 5 ) 系统软件设计与调试。 本文共分5 章。第一章为绪论，首先阐明了选题的背景以及研究意义，接 着介绍了国内外相关领域的研究现状，最后介绍本文的主要研究内容。第二章 为a r m 微处理器的基本理论概述，主要介绍了嵌入式系统的基本概念和发展、 嵌入式操作系统的基本概念、a 蹦微处理器的应用领域及特点以及a r m 微处理 器的体系结构。第三章为a r m 实验开发板的硬件设计，是本文的重点之处，也 是工作的中心。主要介绍了系统设计概述、$ 3 c 2 4 1 0 及片内外围简介、单元电 路设计和调试接口设计，在这一章中对s 3 c 2 4 1 0 与外部接口的设计进行了详细 说明。第四章为p c b 设计部分主要介绍了高速p c b 的基本概念、高速p c b 信号 线的布线、布线后信号完整性仿真，最后介绍了在本设计中提高抗电磁干扰能 力的措施。第五章为a r m 实验开发板的软件调试部分，主要介绍了嵌入式系统 开发的特点、嵌入式系统调试方法、a d s i 2 集成开发环境、嵌入式软件开发基 础实验以及l i n u x 嵌入式操作系统的移植。文章的最后对这个论文的不足以及 未来的展望进行了阐述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章a r m 微处理器概述 本章简要介绍了嵌入式系统的基本知识和a r m 微处理器的一些基本概念、 应用领域及特点。主要内容包括： ( 1 ) 嵌入式系统的基本概念和发展； ( 2 ) 嵌入式操作系统的基本概念； ( 3 ) a 蹦微处理器的应用领域及特点； “) a 跚微处理器的体系结构。 2 1 嵌入式系统简介 嵌入式系统已经广泛应用于各个科技领域和日常生活的每个角落，由于其 本身的特性，使得我们很难发现它的存在。甚至一些从事嵌入式系统开发的科 技人员也只知单片机，不知道嵌入式系统。本节将从嵌入式系统的定义开始， 阐述嵌入式系统的含义，特点等。 2 1 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 从广义上讲，凡是不用于通用目的的可编 程计算机设备，就可以算是嵌入式计算机系统。最典型的嵌入式系统如手机、 可视电话等： 狭义上讲，嵌入式系统是指以应用为核心，以计算机技术为基础，软硬件 可裁剪，对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统。根 据英国电机工程师协会所做的定义“嵌入式系统是控制、监视或辅助某个设备、 机器甚至工厂运行的设备”，嵌入式系统应该具备以下4 个特性： ( 1 ) 执行特定的功能； ( 2 ) 以微处理器与外围设备构成核心； ( 3 ) 需要严格的时序与稳定性； ( 4 ) 全自动操作“，。 2 1 2 嵌入式系统的组成 由于嵌入式系统是计算机结构中的一个分支，所以它在硬件上的组成与标 准的计算机类似，其中最重要的部分也是微处理器。与标准的计算机结构相同， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 嵌入式系统中也包含了中央处理器、内存、输入输出设备，只不过在嵌入式系 统里，这里单元以比较特殊的形式存在。 嵌入式系统一般有3 个主要的组成部 分： ( 1 ) 硬件，图2 - 1 给出了嵌入式系统的 硬件组成。其中，处理器是系统运算核心； 存储器( r 例、r a l l ) 用来保存可执行代码， 以及中间结果；输入输出设备完成与系统 外部的信息交换：其他部分辅助系统完成功能。图2 1 嵌入式系统的硬件组成 ( 2 ) 应用软件，应用软件是完成系统功能的主要软件，它可以由单独的一个 任务来实现，也可以由多个并行的任务来实现。 ( 3 ) 实时操作系统( r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，r l r o s ) ，该系统用来管理 应用软件，并提供一种机制，使得处理器分时的执行各个任务并完成一定的时 限要求。 由于小型嵌入式系统可能只完成一个任务，因此不需要操作系统。而复杂 的嵌入式系统一般会利用操作系统来减少开发的工作量，并提高产品的可靠性。 如果系统复杂而且有实时性的要求，则需要实时操作系统来调度多个任务的执 行并满足一定的延时要求。 嵌入式系统的关键在于结合系统硬件电路与其特定的软件，以达到系统运 行性能成本的最高比。系统中的硬件设计包括微处理器及存储器电路的设计、 网络功能设计及接口电路设计等等。而嵌入式软件则负责硬件电路的驱动、控 制处理，以提高硬件产品的价值，是硬件产品不可缺少的重要部分，它常以固 件( f i r m w a r e ) 的形式出现，如控制或驱动程序等m 。 2 1 3 嵌入式系统的特点 作为专用计算机系统的嵌入式系统与通用的计算机系统相比，具有以下几 个重要特征： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用。嵌入式c p u 与通用型的最大不同就是 嵌入式系统大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体 积小、集成度高等特点，并且可以满足不同应用的特定需求； 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 2 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余， 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能完成功能、可靠性和功耗 的苛刻要求； ( 3 ) 实时操作系统支持。嵌入式系统的应用程序可以不需要操作系统地支持 直接运行，但是为了合理地调度多任务，充分利用系统资源，用户必须自行选 配实时操作系统开发平台，这样才能保证程序执行的实时性和可靠性，减少开 发时间，保证软件质量； “) 嵌入式系统与具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产 品同步进行的，因此嵌入式系统产品一旦迸入市场，具有较长的生命周期； ( 5 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存 储器芯片或单片机本身中，而不存储于磁盘等载体中； ( 6 ) 专门开发工具支持。嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使在设计 完成以后，用户通常也不能对程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境 才能进行开发i u 。 2 1 4 嵌入式系统的发展 嵌入式系统的发展主要经历了4 个阶段。 ( 1 ) 以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统。主要特点是：系统结构和 功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。 ( 2 ) 以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。主要特点 是：c p u 种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统达到一定 的兼容性和扩展性；应用软件较专业化，用户界面不够友好。 ( 3 ) 以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点是：嵌入式操作系统 等运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核小，效率高， 并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、支持多任务、支持网 络应用、具备图形窗口和用户界面：具有大量的应用程序接口a p i ，开发应用 程序较简单；嵌入式应用软件丰富。 ( 4 ) 以i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。嵌入 式设备与i n t e r n e t 的结合将代表嵌入式系统的未来m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2 嵌入式操作系统 由于大型嵌入式系统需要完成复杂的功能，所以需要操作系统来完成各任 务之间的调度。由于桌面型操作系统的体积，以及实时性等特性不能满足嵌入 式系统的要求，从而促进了嵌入式操作系统的发展。 操作系统( o s ，o p e r a t i n gs y s t e m ) 的基本思想是隐藏底层不同硬件的差 异，向在其上运行的应用程序提供一个统一的调用接口。应用程序通过这一接 口实现对硬件的使用和控制，不必考虑不同硬件操作方式的差异。 嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 负责嵌入式系统的全部软、 硬件资源的分配、调度、控制、协调。它必须体现其所在系统的特征，能够通 过加载卸载某些模块来达到系统所要求的功能。 e o s 是相对于一般操作系统而言的，它除具备了一般操作系统最基本的功 能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等外，还有以下特点： ( 1 ) 强稳定性，弱交互性：嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干 预，这就要求复杂系统管理的e o s 具有很强的稳定性； ( 2 ) 较强的实时性：e o s 实时性一般较强，可用于各种设备的控制当中； ( 3 ) 可伸缩性：开放、可伸缩性的体系结构； ( 4 ) 外设接口的统一性：提供各种设备驱动接口。 嵌入式系统的操作系统核心通常要求体积要很小，因为硬件r o m 的容量有 限，除了应用程序之外，不希望操作系统占用太大的存储空间。事实上，嵌入 式操作系统可以很小，只提供基本的管理功能和调度功能，i o k b 到2 0 k b 以内 的嵌入式操作系统比比皆是。 尽管不同的应用场合会产生不同特点的嵌入式操作系统，但都会有一个核 心( k e r n e l ) 和一些系统服务( s y s t e ms e r v i c e ) 。操作系统必须提供一些系统 服务供应用程序调用，包括文件系统、内存分配、i o 存取服务、中断服务、 任务( t a s k ) 服务、时间( t i m e r ) 服务等，设备驱动程序( d e v i c ed r i v e r ) 则是要建立在i o 存取和中断服务上的。有些嵌入式操作系统也会提供多种通 信协议，以及用户接口函数库等。 根据实时性的差别，应用于嵌入式系统中的嵌入式操作系统，又可分为“实 时”和“通用型”两种。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 1 ) 实时操作系统 所谓实时操作系统( r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，盯0 s ) ，是指操作系统 本身要能在一个固定时限内对程序调用( 或外部事件) 做出正确的反应，亦即 对时序与稳定性的要求十分严格。 ( 2 ) 通用型操作系统 通用型操作系统的执行性能与反应速度比起实时操作系统没有那么严格。 嵌入式操作系统的性能通常取决于核心程序，而核心的工作主要在任务管 理( t a s km a n a g e m e n t ) 、任务调度( t a s ks c h u e d u l i n g ) 、进程间的通信( i p c ) 、 内存管理( m e m o r ym a n a g e m e n t ) “1 。 2 3a r m 处理器 a r m 既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称， 还可以认为是一种技术的名字。目前a 叫微处理器已广泛应用于工业控制、消 费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各个领域。 2 3 1a r m 的体系结构 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 是精简指令集计算机( r i s c ) ，因为它集成了非常典型的r i s c 结构特 征： ( 1 ) 一个大的、统一的寄存器文件； ( 2 ) 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； ( 3 ) 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； ( 4 ) 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： ( 1 ) 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 l u 和移位器的最大利用； ( 2 ) 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； 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 3 ) 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。 2 3 2a r m 微处理器的应用领域 到目前为止，a 跚微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域。 ( 1 ) 工业控制领域：作为3 2 位的r i s c 架构，基于a 跚核的微控制器芯片不 但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应 用领域扩展，a i i m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控制器 提出了挑战。 ( 2 ) 无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术，a r m 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 ( 3 ) 网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r i d 技术的a d s l 芯片正逐步获得 竞争优势。此外，a 蹦在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对 d s p 的应用领域提出了挑战。 ( 4 ) 消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒 和游戏机中得到广泛采用。 ( 5 ) 成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技 术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a i l i 技术。 除此以外，a r m 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取 得更加广泛的应用。 2 4a r m 9 2 0 t 体系结构 2 4 1a r m 9 2 0 t 系统结构分析 a p 瑚9 2 0 t 采用5 级流水线，其结构图如图2 2 所示，具有分开的指令和数 据存储器，5 级流水线具体如下： 圆 取指 圈圈匦圃 译码执行存储器 图2 - 2a r m 9 t d m i 流水线图 甲 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 ( 1 ) 取指：从存储器中取出指令，并将其放在指令流水线。 ( 2 ) 译码：对指令进行译码。 ( 3 ) 执行：把一个操作数移位，产生a l u 的结果。 “) 缓冲数据：如果需要，则访问数据存储器；否则a l u 的结果只是简单地 缓冲1 个时钟周期，以便所有的指令具有同样的流水线流程。 ( 5 ) 回写：将指令产生的结果回写到寄存器，包括任何从存储器中读取的数 据。 a p o d 9 2 0 t 处理器一个显著的特点是采用指令和数据分离访问的方式，即采 用了指令缓存( i - c a c h e ) 和数据缓存( d - c 见c h e ) 。这样可以把指令访问和数据 访问单独安排l 级流水线。 2 4 2a r m 9 2 0 t 的工作状态 从编程的角度看，a 跚9 2 0 t 微处理器的工作状态一般有两种： ( 1 ) a p j a 状态，此时处理器执行3 2 位的、字对齐的a r m 指令； ( 2 ) t h u m b 状态，此时处理器执行1 6 位的、半字对齐的t h u m b 指令。 a r m 指令集和t h u m b 指令集均有切换处理器状态的指令，在程序的执行过 程中，微处理器可以随时在两种工作状态之间切换，并且，处理器的工作状态 的转变并不影响处理器的工作模式和相应寄存器中的内容。但a r m 微处理器在 开始执行代码时，应该处于a r m 状态。 当操作数寄存器的状态位( 位o ) 为1 时，可以采用执行b x 指令的方法， 使微处理器从a r m 状态切换到t h u m b 状态。此外，当处理器处于t h u m b 状态时 发生异常( 如i r q 、f i q 、u n d e r 、a b o r t 、s w i 等) ，当异常处理返回时，自动切 换回t h u m b 状态。 当操作数寄存器的状态位为0 时，执行b x 指令可以使微处理器从t h u m b 状态切换到a r m 状态。此外，在处理器进行异常处理时，将p c 指针放入异常模 式链接寄存器中，并从异常向量地址开始执行程序，也可以使处理器切换到a r m 状态。 2 4 3a r m 9 2 0 t 体系结构的存储器格式 a r m 9 2 0 t 体系结构将存储器看做是从零她址开始的字节的线性组合。从0 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 字节到3 字节放置第1 个存储的字数据，从第4 个字节到第7 个字节放置第2 个存储的字数据。依次排列。作为3 2 位的微处理器，a 列9 2 0 t 体系结构所支持 的最大寻址空间为4 g b ( 2 ”字节) 。 a r m 9 2 0 t 体系结构可以 用两种方法存储字数据，分 别称为大端格式和小端格 式。大端格式中字数据的高 字节存储在低地址中，而字 数据的低字节则存放在高地 址中，如图2 - 3 所示。 与大端存储格式相反， 在小端存储格式中，低地址 高地址 低址 3 12 4 2 31 61 5870 字地址 8 j 91 0 1 l i 4567 1 0123 8 4 0 图2 - 3 以大端格式存储数据 高地址 3 12 4 2 31 6 1 5870 字地址 8 4 o 图2 - 4 以小端格式存储数据 中存放的是字数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字节。如图2 - 4 所示。 2 4 4a r m 9 2 0 t 处理器模式 a 黼2 0 t 支持7 种运行模式，分别为： ( 1 ) 用户模式( u s r ) ，a r m 处理器正常的程序执行状态； ( 2 ) 快速中断模式( f i q ) ，用于高速数据传输或通道处理； ( 3 ) 外部中断模式( i r q ) ，用于通用的中断处理； “) 管理模式( s v c ) ，操作系统使用的保护模式； ( 5 ) 数据访问终止模式( a b t ) ，当数据或指令预取终止时进入该模式，可用 于虚拟存储及存储保护； ( 6 ) 系统模式( s y s ) ，运行具有特权的操作系统任务： ( 7 ) 未定义指令中止模式( u n d ) ，当未定义的指令执行时进入该模式，可用 于支持硬件协处理器的软件仿真。 a r m 微处理器的运行模式可以通过软件改变，也可以通过外部中断或异常 处理改变。大多数的应用程序运行在用户模式下，当处理器运行在用户模式下 时，某些被保护的系统资源是不能被访问的。除用户模式以外，其余的6 种模 式称为特权模式；其中除去用户模式和系统模式以外的5 种又称为异常模式， 常用于处理中断或异常，以及访问受保护的系统资源等情况。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第3 章a r m 9 实验开发板硬件设计 本章主要介绍基于$ 3 c 2 4 1 0 的a r m 9 实验开发板的硬件设计，包括硬件系统 的详细设计步骤、实现细节等。本章的主要内容包括： ( 1 ) 系统设计概述； ( 2 ) s 3 c 2 4 1 0 及片内外围简介； ( 3 ) c a p t u r ec l s 软件介绍； ( 4 ) 单元电路设计； ( 5 ) 调试接口设计。 3 1 系统设计概述 本设计中采用了三星公司生产的$ 3 c 2 4 1 0 处理器，$ 3 c 2 4 1 0 是一款基于 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。a r m 9 实验开发板的系统框图如图3 - 1 所示。 网陌夏嗣陌丽 图3 - 1 实验开发板的系统框图 本实验开发板在尽可能小的电路板面积上集成了6 4 ms d r a m 、6 4 mn a n d f l a s h 、l m n o rf l a s h 、r j 一4 5 网卡、音频输入输出接口、u s b h o s t ，u s bs l a v e 、 标准串口、s d 卡插座、液晶屏接口、用户按键和一些用户灯等，并且引出了c p u 的大部分信号引脚。通过这个平台可以针对$ 3 c 2 4 1 0 进行系统级的硬件和软件 设计，并且能够很方便地在该平台上进行相关的功能扩展，以及进行所需的产 品设计。该开发板在保证学生完成a r m 技术学习开发的同时，考虑了系统的扩 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 展、电路板的面积、散热、电磁兼容性，以及安装等问题。因此，该板也可以 作为嵌入式系统主板，直接应用在实际系统中。 3 2 $ 3 c 2 4 1 0 处理器及片内外围简介 $ 3 c 2 4 1 0 在包含a p 弛t 9 2 0 t 核的同时，增加了丰富的外围资源，如图3 - 2 所 示。主要片内外围模块包括： ( 1 ) 1 个l c d 控制器，支持s t n 和t f t 液晶显示屏； ( 2 ) 外部存储器管理( s d r 删控制器和芯片选择逻辑) ； 3 ) 3 个通道的u a 解； ( 4 ) 4 个通道的d m a ，支持存储器和i o 口之间的传输，以猝发模式提高传输 率； ( 5 ) 4 个具有p w m 功能的1 6 位定时计数器和1 个1 6 位内部定时器，支持外 部时钟源； ( 6 ) 8 通道的1 0 位a d c ，最高速率可达5 0 0 k b s ，1 0 位分辨率； ( 7 ) 触摸屏接口； ( 8 ) i i s 总线接口； ( 9 ) 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； ( i d s d 卡接口和眦卡接口； 1 6 位看门狗定时器； 1 1 7 位通用i o 口和2 4 位外部中断源； 8 通道1 0 位a d 控制器： 电源管理。 $ 3 c 2 4 1 0 同时集成了一个具有日历功能的r t c 和具有p l l ( 咿l l 和u p l l ) 的芯片时钟发生器。e a l l 产生主时钟，能够支持处理器工作频率最高达到 2 0 3 m h z 。u p l l 产生实现主从u s b 功能的时钟。利用$ 3 c 2 4 1 0 资源和强大的管理 功能，可以轻松地进行各种嵌入式系统的设计开发。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 ；l c d l c d 一 九j 、i b u sc o n t 1c o n t d 姒卜叫 a 、叫a r b i t o r d e c o d e h i u s en o s tc o n t b o b 蚓i n t e x - r u p tc o n t h i p o w e r ie 舭s t e l bv 7 i m a n a g e m e n t l 。揣f a 伽s h bootload u n n d1k = = js nm e m o r yc o n t e rl 卅s r a m n o r s d r a m 图3 - 2 $ 3 0 2 4 1 0 结构框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 $ 3 c 2 4 1 0 支持大、小端模式，将存储空间分成8 组( b a n k ) ，每组大小是1 2 8 m b ， 共计1 6 b 。如图3 - 3 所示，b a n k o 到b a n k 6 的开始地址是固定的，b a n k 7 的开始 地址是b a n k 6 的结束地址，灵活可交，并且b a n k 7 的大小与b a n k 6 的大小必须 相等。所有的寄存器组均可用于r o m 或者s r a m ，b a n k 6 、b a n k 7 还可用于s d r a m 。 所有内存块的访问周期都可编程。 o x f f f f f f f f o x 6 0 0 0 0 0 0 0 0 x 4 8 0 0 0 0 0 0 o x o o o o o x 4 0 0 0 o x 3 8 0 0 o x 3 0 0 0 0 x 2 8 0 0 o x 2 0 0 0 o x l 8 0 0 o x l 0 0 0 。 o x 0 8 0 0 o x 0 0 0 0 i未使用 i 专用功能寄存器区 1 b o o t s r a m ( 4 k b ) s r o m ( b a n k 7 ，n g c s 7 ) s r o m ( b a n k 6 ，n g c s 6 ) s r o m ( b a n k 5 ，n g c s 5 ) s r o m ( b a n k 4 ，n g c s 4 ) s r o m ( b a n k 3 ，n g c s 3 ) s r o m ( b a n k 2 ，n g c s 2 ) s r o m ( b a n k l ，n g c s l ) s r o m ( b a n k o ，n g c s o ) 未使用 专用功能寄存器区 未使用 s r o m ( b a n k 7 ，n c , c s 7 ) s r o m ( b a n k 6 ，n c - c s 6 ) s r o m ( b a n k 5 ，n g c s 5 ) s r o m ( b