（检测技术与自动化装置专业论文）armdsp嵌入式仿真平台的开发及其在实时仿真中的应用.pdf

摘要 在由上海市教委科技项照( 编号0 3 i k l 4 ) 和上海市科技发展基金项曩( 编号 0 2 1 1 0 7 0 1 3 ) 支持的“多模式船舶综合电力系统和电力推进系统的仿舆”课题中，针 对用传统的工控p c 机作为仿真祭统的仿真计算机存在的实时性和精确度无法两全 的问题，提出了以a r m + d s p 的嵌入式系统作为仿真计算机的新思路，并以此为指 导进行该酝入式系统的开发。 本论文设计并成功实现了a r m + 臼s p 嵌入式仿真平台的基本硬件系统和软件系 统，为俊雳蒸于a r m + d s p 的嵌入式系统遴行船舶推进装置的实对仿真探索了新静 技术路线，提供了一个聂发平台。本文王佟篷括： 确定a r m + d s p 嵌入式仿真平台功能魏结橡，锼鼹a r m + d s p 双核处理器 t m s 3 2 0 v c 5 4 7 x 作为平台的处理爨，并进行整个系统的硬件原理设计，做出嫒 牛原 理阉。 依照原理图，自行设计印刷电路板，再经过制作、焊接和调试，最终究成硬 件核心部分电路板。 在t m s 3 2 0 v c 5 4 7 x 上移植了嵌入式实时操作系统p c o s i i 。 建立了基予t m s 3 2 0 v c 5 4 7 0 硬件构粲帮p c o s - i i 的实酎仿真应用程序，并 绘出对一个麓擎豹二除l t i 系统遂行实对傍奏静应瘸实镄。 讨论了针对t m s 3 2 0 v c 5 4 7 x 系统脱离主搬开发坏境残为独立系统辩 b o o t l o a d 的实现及程序固化到f l a s h 巾的方法。 本文以实际开发嵌入式系统的流摆作为组织文牵，稚局谋篇昀线索。第一章终 论介绍本文课题的背景，a r m + d s p 的国内外研究现状，本文的工作、创新点和意 义；第二章简要介绍a r m 和d s p 的基本知识；第三章论述本a r m 十d s p 嵌入式仿 真平台的硬件原理设计；第四章说明a r m + d s p 嵌入式仿真平台主电路系统的印刷 电路板设计；第五章详细阐述在c c so m a p 编译环境下，将实时嵌入式操作系统 g c o s i i 移植翊t m s 3 2 0 v c 5 4 7 x 处理器上的方法；第六章详细论述基于 t m s 3 2 0 v c 5 4 7 0 处理器露c o s - l i 掰建立懿镶奏疆_ 亭静基本结构和实现方法，并给 出一个麓单的应鼹实铡；第七章分绥嵌入裁系绫开发最磊鹃程序露钝闰嚣：第，牵 全文总结，课题展望。 本论文自行开发出基于a r m + d s p 双核处理嚣t m s 3 2 0 v c 5 4 7 0 的嵌入式使囊 平台硬件系统板，在c c so m a p 开发环境下，将嵌入式实时操作系统g c o s ，i i 穆 植到t m s 3 2 0 v c 5 4 7 x 处理器上，并在这样的软硬件环境下建立了实时仿真应用投 序，给出了该环境下实时仿真应用程序的基本结构和开发方法，从而把当前一般用 于消费电子产品中的a r m + d s p 嵌入式系统应用在仿真领域。这些都是本文的创 新之处。本人参加了系统调研、开发的全过程，工作侧重于硬件原理设计和软件的 开发，对整个系统有全面深入的了解。 本文成功探索了诸如船舶推进装置这类复杂系统实时仿真的关键技术，迈出了 具有基础性和开拓性的一步，其成果具有先进性和潜在的经济效益。 关键词：嵌入式系统，a r m + d s p ，i _ t c o s i i ，实时仿真 a b s t r a c t s i n c et h e r e q u i r e m e n t s o f p r e c i s i o n a n dr e a l t i m ec a n tb em e t s i m u l t a n e o u s l y i nt r a d i t i o n a ls i m u l a t i o n s y s t e m b a s e do np ct y p ei n d u s t r i a l c o m p u t e r ，“m u l t i m o d em a r i n ei n t e g r a t e dp o w e rs y s t e ma n de l e c t r i cp r o p u l s i o n s y s t e ms i m u l a t i o n ”，s u p p o r t e db y t e c h n i c a l p r o j e c t o f s h a n g h a im u n i c i p a l e d u c a t i o nc o m m i t t e e ( n o 0 3 1k 1 4 ) a n dp r o j e c to ff u n do fs h a n g h a i s c i e n c ea n d t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ( n o 0 2 1 10 7 0 1 3 ) ，an e w i d e ao fa r m + d s pe m b e d d e d s y s t e ma d o p t e d f o rs i m u l a t i o nc o m p u t e rh a sb e e n p u t f o r w a r d t h i sd i s s e r t a t i o nh a sd e s i g n e da n ds u c c e s s f u l l y i m p l e m e n t e d t h eb a s i c h a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e mo ft h ea r m + d s pe m b e d d e ds i m u l a t i o np l a t f o r m ( a r m + d s pe s p ) ，e x p l o r i n gan e wt e c h n i c a lr o u t ea n dp r o v i d i n gaf u r t h e r d e v e l o p m e n tp l a t f o r mf o rr e a l - t i m es i m u l a t i o no fm a r i n ep r o p u l s i o ne q u i p m e n t s m a i nt a s k so ft h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： f u n c t i o na n ds t r u c t u r eo ft h ea r m + d s pe s ph a v eb e e nd e t e r m i n e d a r m + d s pd u a l c o r e p r o c e s s o r t m s 3 2 0 v c 5 4 7 0h a sb e e n e m p l o y e d a s p r o c e s s o ro ft h ep l a t f o r m ，h a r d w a r eo ft h ew h o l es y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d ，a n d t h es c h e m a t i c sh a sb e e nw o r k e do u t a c c o r d i n g t ot h es c h e m a t i c s ，p c b l a y o u th a sb e e nd o n e ，a n df u r t h e r m o r e ， t h ec o r ec i r c u i tb o a r do fh a r d w a r eh a sb e e n a c c o m p l i s h e dv i ap c bm a n u f a c t u r i n g ， s o l d e r i n ga n dd e b u g g i n g e m b e d d e dr t o s p c o s i ih a sb e e np o r t e dt ot m $ 3 2 0 v c 5 4 7 x r e a l - t i m ea p p l i c a t i o np r o g r a mb a s e do nt m s 3 2 0 v c 5 4 7 0a n dp c o s - i i a r c h i t e c t u r eh a sb e e nf o u n d e d ，i na d d i t i o n ，a na p p l i c a t i o ne x a m p l eo fr e a l t i m e s i m u l a t i o no fa s i m p l e2 ”l t is y s t e mh a sb e e np r o v i d e d a f t e rs e p a r a t e df r o mt h eh o s td e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h em e t h o do f t m s 3 2 0 v c 5 4 7 xi n d e p e n d e n ts y s t e mb o o t l o a da n dd o w n l o a d i n gp r o g r a mi n t o f l a s h h a sb e e nd i s c u s s e d p r a c t i c a l d e v e l o p m e n tf l o wo f e m b e d d e ds y s t e mi su s e da sac l u et o o r g a n i z e m a t e r i a l sa n dc o n s t r u c tt h ed i s s e r t a t i o n i nt e r m so f i n t r o d u c t i o n ， c h a p t e r 1i n t r o d u c e st h e p r o j e c tb a c k g r o u n d ，c u r r e n t r e s e a r c hs t a t u so f a r m + d s pa th o m ea n d a b r o a d ，t a s k s ，i n n o v a t i o n a lp o i n t sa n dm e a n i n g ；c h a p t e r 3 2b r i e f l yi n t r o d u c e sb a s i ck n o w l e d g eo fa r 辅a n dd s p ；c h a p t e r3d i s c u s s e s h a r d w a r ed e s i g no ft h ea r m + d s pe s p ；c h a p t e r4e x p l a i n sp c bl a y o u to ft h e a r m + d s pe s pm a i nc i r c u i ts y s t e m ；c h a p t e r5i l l u m i n a t e st h em e t h o do fp o r t i n g e m b e d d e dr t o s p c o s i it ot m $ 3 2 0 v c 5 4 7 xp r o c e s s o r s 。u n d e r t h ec c so m a p c o m p i l ee n v i r o n m e n t ；c h a p t e r6d i s c u s s e st h ef u n d a m e n t a ia r c h i t e c t u r ea n d i m p l e m e n t a t i o n m e t h o do ft h es i m u l a t i o n p m g r a mb a s e do nt m s 3 2 0 v c 5 4 7 0 p r o c e s s o ra n dp c o s i | a s w e l la s p r o v i d e sas i m p l ea p p l i c a t i o ne x a m p l e ； c h a p t e r 7i n t r o d u c e sp r o g r a md o w n l o a d i n gt of l a s hi nt h ee n dp r o c e d u r eo ft h e e m b e d d e ds y s t e md e v e l o p m e n t ；c h a p t e r8s u m m a r i z e st h ed i s s e r t a t i o na n d p r e s e n t sp r o s p e c t s t h i sd i s s e r t a t i o nh a sd e v e l o p e de s ph a r d w a r eb o a r ds y s t e mb a s e do n a r m + d s pd u a l c o r ep r o c e s s o rt m $ 3 2 0 v c 5 4 7 0 。e m b e d d e dr t o sp c o s i th a s b e e n p o r t e d t ot m s 3 2 0 v c 5 4 7 x p r o c e s s o r s 。f u n d a m e n t a l a r c h i t e c l u r ea n d d e v e l o p m e n tm e t h o d s o fr e a l t i m es i m u l a t i o na p p l i c a t i o nh a sb e e nf o u n d e d t h u s a r m + d s pe m b e d d e d s y s t e m ，w h i c hi su s u a l l yu s e d i nc o n s u m e re l e c t r o n i c s ，h a s b e e ne ) ( t e n d e dt os i m u l a t i o nf i e l d a t h e s ea r ei n n o v a t i o n so ft h ed i s s e r t a t i o n i h a v et a k e np a r ti nt h ee n t i r ec o u m eo fs u r v e ya n dd e v e l o p m e n t ，a n dm yt a s ki s e m p h a s i z e do nh a r d w a r ep r i n c i p l ed e s i g na n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t s ol h a v e t h ea l l - r o u n da n d p r o f o u n da c q u a i n t a n c e w i t ht h ew h o l e s y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o nh a s e x p l o r e dk e yt e c h n i q u e sa n d t a k e nab a s i ca n dc r e a t i v e s t e pi nm a r i n ep r o p u l s i o ne q u i p m e n t sr e a l - t i m es i m u l a t i o n 。t h e s ea c h i e v e m e n t s a r eo fa d v a n c e m e n ta n dl a t e n te c o n o m i cb e n e f i t k e y w o r d s ：e m b e d d e d s y s t e m 。a r m + d s p , p c o s i i 。r e a l - t i m e s i m u l a t i o n c h e nj u t a of m e a s u r e m e n tt e c h n i q u e & a u t o m a t i ce q u i p m e n t ) d i r e c t e d b yp r o f z h e n gh u a y a o 4 论文独黼性声明 y 6 4 0 8 8 0 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文 中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其她人或其他机构已经发表残 撰写避豹耩究成果。其他同怎对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作 了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：罩系压逸日期：燮芏：2 论文使用授权声明 本人网意上海海事大学毒关保密、使翔学位论文能飙定，鄂：学校有救 保留送交论文复印俘，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、绞印或其它复铡手段保存论文。保密静论文 在解密后遵守此兢定。 作者签名：j 篡建导师签名j 榔日期：剁 第一章绪论 1 1 谦越来源 警代鹁爨虢正絮藩大型、节麓、篱效等方囱迅速发震，交距浆、电力接避等多 种模式应运而生。自2 0 0 2 年起，我校在交通部专项实验室撼金的支持下开始“多 模式撬麓谤囊系统实验室”瓣建设。蒺中，核心部分蹩疆究“多模式躲菸练台电 力系统和电力推进系缆”。 麓艟电力雄进系绞翻磊捺遴电瓤驱凌螺旋奖转懿摇动嚣熬蓊遂，爨毒空瓣嚣置 灵活，振动小、噪音低、可靠性高、机动性好、节能并利于环保等优点。船舶电力 捶逮至今基鸯近1 0 0 年装历雯，经长麓班来，由于毫力燕避羧手齿轮转动，在瑰率 提高，j ! ：受到限制；直流推进电机维护保养不便，体积和重量也十分可观；交流推进 奄辊璃这霞鼹等器鑫，电力撼送熬搜援缀毫筠疆毪。2 9 毽纪8 0 年代孛羯潋采，遗 着电机、电力电子技术、现代控制理论和交流调速技术的发展，船舶电力推进系统 在辊动牲、运行效率、推进功率等方嚣帮骞了突破搜瓣进震，应瑶蕊曩不凝扩大， 综合电力系统和船舶电力推进已进入了蓬勃发展的新时期，各方面技术的艘新进 展，纛引起翻骣造艇黟靛运爨懿重我，毽在爨内尚未鸯单位遽霉这方嚣靛磅究。为 此，我校航运仿真中心申请专项立题，对我交通部重点实验嶷正在筹建的多模式船 照综合电力系统和综会逛力撼避傍真实验室躲关犍熬技术进行擦素，并逐速愆到了 上海市科技委员会发展基金的资助。 一个大型豹船舶推进仿寞系绞蕴含羞3 0 多个物理过程的数学挨整，涉及予余 个实时参变鬣，对于如此庞大的仿真系统，通常采用功能分散的d c s 网络来实现。 船舶攘进系统鲢谤囊楚一个半实物在坯熬实孵仿真系统，其中疑毒纛掇戆动力装置 即仿囊计算机上运行的数学模型，又有真实的控制盘台、物理显示设备，是一种集 实时控铡帮惑速运算功链于一体的典型系统。 早期开教成功的轮机模拟器采用工控机作为仿真计算机，数据的处理和输入输 出的控制都由它来宠残。由予演绎接进系统蠛型费时很多，嚣工控极处理器效率较 专用运算芯片要低，应用程序又受到非实时操作系统限制，爱提高系统的实时性， 只能艇化仿真妁数学摸型。这样，撼进系统债奏的糖猿疫与实时蛙无法殛全。要提 高推进系统仿真的逼真度，必须抛弃原来以工控机为核心的传统技术路线，而采用 更加黼速的仿真平台。 本文针对传统的以工控机为仿真计算机的系统进行技术提升，在“多模式船舶 综合电力系统和电力推进系统”中开发了基于a r m + d s p 嵌入式系统的新型仿真平 台。 使用这种仿真平台的船舶推进实时仿真系统包括上位计算机( 工控p c 机) 、仿 真计算机和c a n 总线。为了满足教学和实践的需要，系统添设了半实物的物理环 境，包括实船操纵盘台、显示仪表及报警装置、仿真电动机模拟的推进器和螺旋桨 系统等，如图1 - 1 所示。 其中，仿真计算机采用a r m + d s p 双处理器架构的嵌入式计算机系统，它是 整个实时仿真系统的核心。仿真计算机的 a r m 侧接收上位机通过c a n 总线或直 接由外部输入装置( 如键盘、开关等) 输 入的控制或参数信息，再控制d s p 进行 解算，并将解算的结果通过c a n 总线传 送到上位机或外部的直接显示装置，特别 地，仿真计算机还将实时仿真计算结果输 出到交流电机控制系统，控制电机跟随仿 真得出的转速，达到用电机模拟推进系统 的主机的目的。 图1 - 1 船舶主机实时仿真系统结构 本论文由上海市教委科技项目( 编号 0 3 i k l 4 ) 和上海市科技发展基金项目( 编号0 2 1 1 0 7 0 1 3 ) 支持。 1 2 本研究领域的国内外现状 嵌入式系统目前己在国防、工业、国民经济及社会生活各个领域普及应用。当 前，嵌入式系统正处于一个高速发展和激烈竞争的时代，就嵌入式系统的技术和市 场来说，国外发展速度极快，技术日趋成熟；国内发展也很快，市场潜力很大。在 国外，嵌入式系统硬件，特别是作为嵌入式系统核心的处理器，其处理能力提升很 快，由8 1 6 位发展到3 2 位，各种新产品层出不穷；而在国内，嵌入式系统的关键 硬件主要靠国外引进，技术基础还比较薄弱。过去大量的8 1 6 位单片机( 微控制器) 的应用，只是嵌入式系统的初级阶段。随着网络时代和后p c 时代的到来，对嵌入 式系统的要求越来越高，嵌入式系统已进入高端的应用阶段，逐步采用了3 2 位高 性能的处理器及高性能的d s p ；采用了c 语言进行编程；采用了嵌入式实时操作系 统及其平台进行开发：采用了模块化方式进行项目开发等等。 基于a r m 核的微控制器被认为是现在世界上最先进的微控制器，它在监视控 制、人机接口、支持实时操作系统等方面的强大功能很强。其指令密度相对其他r i s c 机器要大，存储器的利用率很高，芯片结构相对简单，体积和能耗都很小，可很好 地支持使用高级语言的开发，但其数字信号处理能力和速度相对于d s p 要显得有 限。而d s p 在声音、图像及其他数字信号或数据处理方面的能力也是微控制器( 即 使是基于a r m 核的微控制器) 无法比拟的，但d s p 代码的密度不高，存储器占用 较大，各种高级和低级的控制能力有限，而且d s p 有很多针对数字信号处理的特殊 指令，使得d s p ( 尤其是定点的d s p ) 对用高级语言开发的支持较为有限【1 】。a r m 和d s p ，各有千秋，各有不足。因此一些嵌入式实时应用系统( 尤其是多媒体系统) 中采用了a r m + d s p 的结构组合，来充分发挥两种处理器的优势，从每个处理器中 获得最大的益处，同时尽量减小它们的不足之处，以获得更加高的性能。其中，a r m 作为主处理器，负责任务管理、输入输出，控制外部设备，运行嵌入式操作系统； 而d s p 作为从处理器，仅仅负责快速的数据运算处理。两个处理器核之间通过共用 一部分存储器或使用通讯口进行交互。 目前，在国际上a r m + d s p 的结构组合已经有一定的应用，而且已经出现将 a r m 核和d s p 核集成在一起的芯片。这种双核结构现在主要用于对语音、图像等 多媒体数据或无线数据进行处理的嵌入式系统上，如高档手机、p d a 、i p 电话等， 在其他领域很少甚至尚无应用。在我国，这种a r m + d s p 的高端结构组合的应用更 是很少，而且应用领域很有局限性。无论在国际上还是在国内，基于a r m + d s p 的 现成评估板硬件系统都不是很多，而且价格十分昂贵。 1 3 本文的工作 本论文的主要工作在于设计并实现a r m + d s p 嵌入式仿真平台的基本软硬件系 统，为使用基于a r m + d s p 的嵌入式系统进行船舶推进装置的实时仿真提供一个开 发的基础和软硬件环境。这具体说来，有以下几点： 对a r m + d s p 嵌入式仿真平台系统进行分析，确定其功能和组成结构，选 择系统所用到的芯片，进行硬件原理设计，做出硬件原理接线图。 依照原理图，用e d a 软件( 这里用p r o t e l d x p ) 进行a r m + d s p 嵌入式仿 真平台主要电路的印刷电路板设计( 与课题组成员合作) 。设计好后，委托印刷电路 板加i 厂商制作出该主电路板，并将元器件焊接好。对印刷电路板进行调试，完成 硬件核心部分的实现。 在已建立好的硬件核心系统一a r m + d s p 主电路板的处理器上移植嵌入 式实时操作系统g c o s 1 1 。 基于a r m + d s p 硬件构架和实时操作系统肛c o s i i ，建立实时仿真应用程 序，给出a r m + d s p 嵌入式仿真平台在实时仿真中的一个简单应用实例。 探索了该嵌入式系统的开发的最后，系统脱离主机的开发环境成为独立系统 时的启动方法一b o o t l o a d 的实现及程序固化到f l a s h 中的方法。 l - 4 本文的创新点 本论文在思路及具体的软硬件实现上都有很多创新，主要有以下几点： 针对传统的工控机仿真系统在复杂实时仿真中的不足，提出以a r m + d s p 作为仿真计算机的新方法，把当前一般用于p d a ，i p 电话等消费电子产品中的 a r m + d s p 嵌入式系统应用在仿真和控制领域。 制作出基于a r m + d s p 双核处理器t m s 3 2 0 v c 5 4 7 0 处理器的嵌入式仿真平 台硬件核心部分的评估板。 在c c so m a p 开发环境下，将嵌入式实时操作系统i x c o s - i i 移植到 a r m + d s p 双核处理器t m s 3 2 0 v c 5 4 7 x 处理器上。 基于a r m + d s p 硬件系统和i t c o s i i 嵌入式实时操作系统建立了实时仿真 应用程序实例，给出了该环境下实时仿真应用程序的基本结构和开发方法。 1 5 本课题的价值和意义 本课题针对船舶推进装置仿真对仿真计算机实时性和精确度的要求开发了 a r m + d s p 嵌入式仿真平台，这个成果具有很大的价值和意义。具体说来主要有如 下几方面： 课题构建出a r m + d s p 嵌入式仿真平台的软硬件基础，这在诸如船舶推进 装置这类复杂系统的实时仿真新技术探索中迈出了具有基础性和开拓性的一步。以 后在这个基础上进一步开发，将会解决很多以前无法解决的问题。本课题的开发工 作基础而且意义深远。 当前a r m + d s p 的结构组合一般还主要用于p d a ，i p 电话等消费电子产品 中，在仿真领域应用该系统，应该说是一种大胆尝试，通过这方面的探索，可以扩 展a r m + d s p 架构系统的应用范围。在仿真领域和工业控制领域采用这种高效的解 决方案可以达到精确的数学或物理仿真，实时有效的控制算法的实现，易于操作的 工作平台，是非常有实用价值和实际意义的。 探索在复杂的嵌入式系统中应用嵌入式操作系统来管理系统资源，是当前 嵌入式系统开发的一个热点。针对仿真的实时要求，嵌入式实时操作系统l _ t c o s - i i 在本系统中的移植和应用为嵌入式操作系统的发展提供了一些思路。 4 开发过程中遇到的问题及相应的解决办法，都会成为以后嵌入式系统或其 它计算机系统开发的经验和教训l 。 课题中自己开发研制a r m + d s p 嵌入式仿真平台的硬件评估版不仅适应了 仿真应用中的特殊要求，自己掌握了具体的技术细节，而且大大节省了硬件部分的 费用。 本课题中开发的t m s 3 2 0 v c 5 4 7 0 评估板具有广泛的应用前景。该评估板硬 件上留出了很多可扩展的空间，只要针对不同的应用扩展相应的外部电路，就可以 让评估板应用于其它的领域，如i p 电话，p d a 等等。 第二章a r m + d s p 嵌入式仿真系统简介 嵌入式系统是以应用为中心、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、功耗等严格要求的专用计算机系统。它是面向 用户、面向产品、面向应用的，是先进的计算机技术、半导体技术和电子技术及各 个行业的具体应用相结合的产物。嵌入式系统具有内核小，系统精简，专用性强， 开发需要专门的开发工具和环境等特点。 嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成。硬件方面的核心部件是微处理器，它 一般可分为4 类：嵌入式微处理器( m p u ) ，嵌入式微控制器( m c u ) ，嵌入式d s p 处理器和嵌入式片上系统( s o c ) 。 嵌入式系统的软件一般由嵌入式操作系统和应用软件组成。嵌入式系统的应用 程序可以没有操作系统直接运行，但随着嵌入式功能的不断增强，嵌入式应用的不 断复杂，嵌入式操作系统的采用变得越来越普遍【2 ，3 1 。 2 1 a r m 体系结构简介1 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 】 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名称，也可以认为 是对一类r i s c 微处理器的通称，还可以认为是一种技术。 a r m 公司作为知识产权( i p ) 供应商，本身不生产芯片，靠转让设计许可由合 作公司生产各具特色的芯片。目前，全世界几十家大的半导体公司都使用a r m 公 司的授权，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，构成自己的a r m 微 处理器芯片。采用a r mi p 核的微处理器，即a r m 微处理器，已遍及工业控制、 消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场。 a r m 微处理器目前包括a r m 7 ，a r m 9 ，a r m l 0 等系列，每一个系列的a r m 微处理器都有各自的特点。a r m 7 t m d i 是a r m 7 系列的一员，是目前世界上使用 最为j 。泛的3 2 位r i s c 处理器核，它属于低端的a r m 核。 a r m 7 t m d i 使用冯纽曼( v o nn e u m a n l l ) 结构，3 级流水线，指令和数据共 用一条3 2 位总线，而且只有加载、存储和交换指令可以对存储器中的数据进行访 问，其它操作都是在其内部寄存器中进行。a r m 7 t m d l 支持的8 位、1 6 位及3 2 位 数据类型，支持两种指令集：3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集，并可随时 在两种指令集之间切换。相应地，也就有两种状态：当a r m 微处理器执行3 2 位的 a r m 指令集时，工作在a r m 状态；当a r m 微处理器执行1 6 位的t h u m b 指令集 时，工作在t h u m b 状态。 a r m 7 t m d i 将存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合，以8 位字节为单 位进行编址，它所支持的最大寻址空间为4 g b ，对3 2 位数据的存储有大端格式和小 端格式两种组织方式1 4 ，。 a r m 体系结构支持7 种处理器模式：用户( u s e r ) 模式，快中断( f i q ) 模式，中 断( i r q ) 模式，管理( s u p e r v i s o r ) 模式，中止( a b o r t ) 模式，系统( s y s t e m ) 模式和未定 义( u n d e f i n e d ) 模式( 见表2 1 ) 。a r m 7 t m d i 完全支持这7 种模式。其中，除用户 模式外，均为特权模式。a r m 的一些内部寄存器和片上外设在硬件设计上只允许 特权模式下访问。在特权模式下可以自由切换处理器模式，但在用户模式下不能直 接进行切换。快中断，中断，管理，中止，未定义的这5 种模式还可由特定的异常 进入，因此又被称为异常模式。 表2 - 1a r m 的7 种运行模式 处理器模式描述 用户模式( u s e r , u s r )正常程序执行的模式 快中断模式( f i q ，f i q ) 用于高速数据传输和通道处理 外部中断模式( i r q i r q ) 用于通常的中断处理 管理模式( s u p e r v i s o r , s v c ) 供操作系统使用的一种保护模式 数据访问终止模式( a b o r t , a b t ) 用于虚拟存储及存储保护。 未定义指令中止模式( u n d e f i n e d ，u n d )用于支持硬件协处理器的软件仿真。 系统模式( s y s t e m ，s y s ) 用于运行特权级的操作系统任务。 a r m 共有3 7 个3 2 位寄存器，其中3 1 个为通用寄存器。6 个为状态寄存器。但是 这些寄存器不能被同时访问，具体哪些寄存器是可编程访问的，取决微处理器的工 作状态及具体的运行模式。在a r m 状态下，1 6 个通用寄存器及个或两个状态寄存 器都是可访问的。a r m 状态下各模式的寄存器见图2 1 。 通用寄存器包括r 0 一r 1 5 。其中r d r 7 为未分组寄存器，在所有的运行模式下均 指向同一个物理寄存器，它们未被系统用作特殊用途。r 8 一r 1 4 为分组寄存器。对r 8 r 1 2 来说，每个寄存器对应两个不同的物理寄存器，在f i q 模式时，访问寄存器r 8 如 r 1 2n q ；在除f i q 模式以外的其他模式时，访问寄存器r 8u s r r 1 2u s r 。对r 1 3 ，r 1 4 来说，每个寄存器对应6 个不同的物理寄存器，其中的一个是用户模式与系统模式 共用，另# b 5 个对应于其他5 种异常模式。寄存器r 1 3 常用作堆栈指针，处理器的每 s y 盟q m 毒u 铀l 劬 r t 9 4 r 鼬 魁 黼 甜 r t 0 r i i r 1 2 r 臼 茕u 脯状卷下的通捆寄存罂与崔序计摊罄 s u p 蜊l 蛳f b 删ti r 0u 眦抽i i 忡d r o r 1 牲2 鞫3 冉4 p 5 r b 狂7 耘b r 9 我1 0 荆1 r j 2 kr i 屯j 虻 k 刚l 删c 黼 鼬 r r 7 r 8 鼬 r 1 0 kr 1 3 捌 k r l 4a b t r 1 r 2 崴， r 4 鼹 r 6 舯 龇 姻 r 1 0 r 崔2 k 翱盘知 kr _ i t q 融5 伊斟 r 0 r 1 r 2 r 3 r 4 r 矗 r 6 r 7 r a r a r t t r 1 2 kr l 钆u n f l k r l 4i r a d 疆收寨下羽程序状蒜奄存嚣 l c p 糠 li c 粥- o r ll c p 睾ri |c p s rl ic p s r ll c p 冁 i k 竺! 坠塑l 陵堕生芝! l 陵! ! 塑! k ! 壁垒塑l 醚! ! 坠! 型i k = 特坦g 褥矗 图2 - 1a r m 状态下的寄存器 种运行模式均有自己独立的物理寄存器r 1 3 。r 1 4 也称作连接寄存器l r ，可用来保 存子程序的返回地址，也可作为通用寄存器。r 1 5 用作程序计数器( p c ) ，虽然也可 用作通用寄存器，但一般不这么使用，因为对r 1 5 的使用有一些特殊的限制，当违 反了这些限制时，程序的执行结果是未知的。由于a r m 7 t m d i 采用了3 级流水线技 术，对于a r m 指令集而言，p c 总是指向当前正在执行的指令下面两条指令的地址， 即p c 的值为当前正在执行的指令的地址值加8 。 t h u m b 状态下的寄存器集是a r m 状态下寄存器集的一个子集，程序可以直接访 问8 个通用寄存器r 0 r 7 、程序计数器p c 、堆栈指针s p 、连接寄存器l r 和c p s r 。同 样，每一种特权模式都有一组s p 、l r 和s p s r 。具体参见文献【4 ，5 ，6 ，7 ，8 ，9 】。 a r m 体系结构包含一个c p s r ( 当前程序状态寄存器) 和5 个s p s r ( 程序状态保 存寄存器) 。a r m 的每种异常都具有其s p s r ，进入异常时，它保存c p s r 的当前值， 异常退出时，可由它恢复c p s r 。c p s r 的每一位的安排如图2 2 所示。其中n ，z ，c ， 帮件弭髓据臂拄制赶 图2 - 2a r m 程序状态寄存器格式6 8 v 均为条 串码标恚佼。它稻的内容可被舞术或逻辑运算豹结果所改变，并且可以决 定某条指令是否被执行。c p s r i 骶8 位( i ，f ，t 和m 【4 ：o 】) 为控制位，当发生异常 鼹这些位哥敷毂改变。i = l 酵，禁盎l r q 中薮；f = i 薅，禁止f i q q b 錾。罩标志整爱浚 处理器的运行状态，该位为1 时，程序运行于t h u m b 状态，荫则运行于a r m 状态。 m 4 ：o 是模式位，这些位决定了处理器的运行模式，其具体禽义如表2 2 所示。 表2 - 2 运行模式位m 4 ：0 的具体禽义 m 【4 ：雌处理器模式可访闻鲍寄存器 曲l o o o o用户模式p c ，c p s r 0 - r 1 4 0 b 1 0 0 0 l f i q 模式 p c ，c p s r ，s p s r q ，r 1 4 一f j q r 8 一f i q ，r 0 - r 7 o b l 0 0 l o i r q 模式p c ，c p s rs p s r _ i r q ，m 4 j r q ，r 1 3i r q ，r 0 - r 1 2 髓l 0 0 1 l萤矬模式 p c ，c p s r , s p s r _ s v e ，r 1 4s v c , r 1 3s v c , r 0 - r 1 2 o b l o l l l中止模式p c ，c p s r s p s r _ a b t ，r 1 4 一a b t ，r 1 3 _ a b t , r 0 - r 1 2 0 b l l 0 1 1未定义模式p c ，c p s rs p s ru n d ，r 1 4u n d ，r 1 3u n d ，r 0 - r 1 2 0 b l l l l l系统搂式p c ，c p s r o - r 1 4 当正常的程序执行流程发生暂时停止时，就会产生异常。a r m 体系结构中的异 常，与8 1 6 经钵系缝梭斡中凝蠢稷大楚翔 鞋之处，毽冥豢与申凝戆毂念莠不竞全等 同。删体系结构所支持的异常及具体含义如袭2 3 所示。a r m 发生捍常时，会从 固定的异帮处理入口地址进入异常处瑷程序，这魑异常处联入口地址梅成了a r m 的 异常商繁表( 表2 4 ) 。 表2 - 3a r m 体系结稳蘑盘持的异常 异常类型具体含义 擞处理器的复位电平有效时，产生复位辨常，程序跳转剽复位异常处理程序她执行。 复位 当a r m 处理器或协处理器遇到不能处域的指令时，产生未定义指令异常。可使用该 未定义指令 异常机制进行软件仿真。 该异常由执行s w t 指令产生，可用于尾户模式下的程痒调用特权操作指令。可使用 软罄孛鞭 渡异常规翻赛蜣系统璃髓调用。 蓿处理器预取指令的地址不存在，或该地址爿；允许当前指令访问存储器会向处理 指令预取中止 器发出中止信母，但当预取的指令被执行时。才会产啦指令预取中止异常。 嚣姓理爨数据游秘揍奇熬避蛙萃存在，或谈缝蛙苓竞诲娄蔫揍夸谤勰对，产生鼗蜒 数据孛也 中止异常。 尚处理器的外部中断请求引脚有效且c p s r 中的1 能为0 时，产擞i r q 异常。蒸 i r q 统的外设可通j 建该异常请求中断服务。 警娃理嚣熬浚涟孛辑请求弓l 麴有效，嚣c p s r 串熬f 钕为0 对，产生f i q 异常。 f 1 q 9 表2 _ 4a r m 的异常向量表( 表中i 和f 表示先前的状态) 地址异常进入时的模式进入时1 的状态进入时f 的状态 0 x 0 0 0 0 ：0 0 0 0 复位管理 禁止禁止 0 x 0 0 0 0 ：0 0 0 4未定义指令未定义 if 0 x 0 0 0 0 ：0 0 0 8 软件中断管理禁止f 0 x 0 0 0 0 ：0 0 0 c中止( 预取指)中止 lf 0 x 0 0 0 0 ：0 0 1 0 中止( 数据) 中止if 0 x 0 0 0 0 ：0 0 1 4保留保留 0 x 0 0 0 0 ：0 0 1 8 i r q 中断 禁止f 0 x 0 0 0 0 ：0 0 1 c f i q 快中断禁止禁止 2 2 t i c 5 4 x d s p 简介1 1 q 1 1 】 d s p ( 数字信号处理器) 是针对数字信号处理需要而设计的一种可编程的微处 理器，是现代电子技术、计算机技术和信号处理技术相结合的产物。美国t i ( t e x a s i n s t r u m e n t ) 公司是d s p 行业中久负盛名的一家公司，该公司的t m s 3 2 0 c 5 4 xd s p 是业内使用最为广泛的一类d s p 。 t m s 3 2 0 c 5 4 xd s p 的体系结构采用改进的哈佛结构，程序与数据分开存放，内 部具有8 条高速并行的总线，这样可以保证在一个机器周期内可以多次访问程序空 间和数据空间。c 5 4 xd s p 内部包括有多个处理单元，如算术逻辑运算单元( a l u ) 、 辅助寄存器运