（机械设计及理论专业论文）基于arm嵌入式系统的远程机器人控制器的设计及应用.pdf

g l s l 撼 毽劝 北京邮电大学硕士论文摘要 摘要 嵌入式技术是当今最热门的技术之一，由于其简洁、高效等优点，使得其广泛应用在 各个领域；所谓嵌入式系统就是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪， 适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一 般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组 成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 本文主要阐述了基于嵌入式处理器l p c 2 2 9 2 的远程机器人智能控制器的设计过程；文 章的首先介绍了嵌入式系统、嵌入式微处理器l p c 2 2 9 2 和操作系统u c o s i i 的结构特点； 接着介绍了基于l p c 2 2 9 2 的智能控制器的设计，包括硬件的设计和软件设计；其中控制器 硬件平台采用3 2 位的a r m 处理器作为核心，扩展了外部存储器、串行口和c a n 总线，通过 输出p w m 信号进入驱动电路模块，从而实现控制机器人运动的目的；在软件设计过程中， 把控制器c a n 接口驱动嵌入到操作系统，通过不同任务间的切换来实现通信过程，而不再 采用无操作系统的工程文件的形式，这样不但有利于项目的调试，也有利于对其它接口的 扩展。还对该控制器进行了测试和分析最后总结论文的研究内容以及存在的不足之处，并 由此得出对未来的展望 关键字a r mu c o s - i i 移植c a n t h ed e s i g ho fi n t e l li g e n tc o n t r o l l e rf o rr e m o t er e b o tb a s e d o na r m 7 t d m i a b s t r a c t 乜m b e d d e ds y s t e mi so n eo ft h eh o t t e s tc o n c e p t st o d a yi t i s a p p l i e dw i d e l vi n v a r l o u sf l e l d sb e c a u s eo fi t sc o n c i s i o na n de f f e c t i v i t y t h e e m b e d d e ds y s t e mi s a sa p p l i c a t i o na sc e n t e r ， b a s e do nt h ec o m p u t e rt e c h n o l o g ya n di t sh a r d w a r ea n d s o 士t w a r ec a nb ec u td o w n s oi ti sa p p r o p r i a t e t ot h es p e c i a lc o m p u t e rs y s t e m sw h i c h a r es t r l c tw i t hf u n c t i o n 、r e l i a b i l i t y 、 c o s t 、b u l ka n dl o w p o w e r c o 姗0 n l y jtjs m a k e u p ? 士f o u rp a r t s ，m i c r o p r o c e s s o r ，e x t e r n a lh a r d w a r e ，e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m a n dt h ea p p l l c a t i o np r o g r a m s o fu s e r i tc a nb eu s e dt oa c c o m p l i s ht h ec o n t r 0 1 m o n i t o ra n dm a n a g e rf o rt h eo t h e rd e v i c e s 上nt h l sp a p e r ， ac o n t r o l l e rw h i c hi sb a s e do nt h em i c r o p r o e e s s o ro f l p c 2 2 9 2 a n dl su s e dt oc o n t r o lt h er e m o t er o b o ti sd e s i g n e d a t f i r s t ，t h ee m b e d d e ds v s t e m t n em l c r o p r o c e s s o r o fl p c 2 2 9 2a n dt h e s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i co fe m b e d d e d o p e r a t l n gs y s t e mu c o s 一工工a r e i n t r o d u c e d l a t e r ，t h ed e s i g no f a ni n t e l l e c t i v e c o n t r o 上l e rw h i c hi sb a s e do nl p c 2 2 9 2 i si n v o l v e d ，t h ed e s i g ni n c l u d e s h a r d w a r e d e s l g na n ds o f t w a r ed e s i g n t h ec o n t r o l l e rp l a t f o r mu s e s3 2b i t s a r ma si t sc p u ， e x t e n d e di n s i d em e m o r y 、u a r tb u sa n dc a nb u s ；t h e o u t p u to fp w mw a si n p u t t e di n t h ee l e c t r o m o t o rd r i v e rm o d u l e t oc o n t r o lt h er e m o t er o b o t 工ns o f t w a r ed e s i g n ， c a nb u sd r i v e ri se m b e d d e d i n t ot h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t 0 南o f u c o s i i t h e c o n t r o 上l e rc a nc o m m u n i c a t ew i t ho t h e rd e v i c e st h r o u g hc a n b u sb ys w i t c hd i f f e r e n t m a s k s i nt h i sw a y ， i t s n o to n l y g o o dt od e b u g ，b u ta l s o g o o dt oe x t e n dt h e o t h e rb u si n t e r f a c e t h e nt h e c 。n t r 。1 1 e ri st e s t e da n da n a l y z e d a t l a s t ，t h e p r 。c e s so ft h isd e s i g nis s u m m a r iz e da n ds o m ee x p e c t a ti 。na r ep u tf 。r w a r d k e yw o r d s a r mu c o s ii m i g r a t ec a n 北京邮电大学硕士论文 声明 声明 独创性( 或创新性) 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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的硎究成果也 不包含为获得北京邮电大学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地说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一。剀相关责任。 本人签名 日期：蹦；p 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和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北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、 缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文 不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名逸堡叁 日期 导师签名 肋弗，如 日期：皂堡! 皇! ! 一 北京邮电大学硕士论文日u 鬲 课题研究背景 1 厶j l 一 日u 舌 随着电子技术的发展，控制系统逐渐由模拟走向数字化，大规模集成电路也逐渐应用 于各个领域，实时嵌入式系统逐渐代替原来的微型计算机、单片机、外围设备组成的系统 的全部功能，并使其精简化，易扩展化。目前嵌入式系统已经广泛应用到工业控制、远程 监控、智能仪表、机器人控制等。所谓嵌入式系统，就是以应用为中心、以计算机技术为 基础、软硬件可裁剪、适应对功能、可靠性、成本、体积、功耗要求严格的计算机系统。 u c o s i i 是由美国人j e a nj l a b r o s s e 编写的一个公开源代码的、微内核嵌入式实 时操作系统，其实时性和内核的健壮性早已经在大量的实用中得到了实证。程序开发人员 可以按自己需要改写源代码，裁减掉不需要的部分，使操作系统变得小巧、灵活，并且能 满足用户特定的需要。u c o s 对于学校研究完全免费，只有在应用于盈利项目时才需要支 付少量的版权费，因此特别适合学习、研究和开发。随着嵌入式系统在制造业、过程控制、 通讯、仪器仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费产品等各个领域的广泛应用， 对人机交互界面的要求也越来越高。 本文的主要工作 本文主要是以l p c 2 2 9 2 ( c p u ) 为核心设计了一个能够进行c a n 和串口通信能力的机器人 控制器，分析了u c o s i i 的结构，对嵌入式实时操作系统u c o s i 工进行了移植，编写了 u a r t 以及c a n 接口的驱动。 文章的章节安排：第一章简要论述了嵌入式系统的概念；第二章主要阐述了a r m 系统 构造和l p c 2 2 9 2 的内部结构；第三章简要介绍了u c o s i i ；第四章介绍了控制器硬件设计 过程；第五章介绍了系统软件编写；第六章是测试与总结。 研究对象及意义 随着科学技术的发展，一切事务都朝着智能化、人性化的方向发展，本课题是希望通 过对实时嵌入式技术的研究和应用，将机器人控制器做的更智能化，让机器人与人实现人 机对话、甚至具备思考的能力。 一 北京邮电大学硕士论文 第一章嵌入式系统简介 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是当今最热门的概念之一，然而到底什么是嵌入式系统 呢? 什么样的技术可以称之为嵌入式系统技术昵? 1 1 嵌入式系统 1 1 1 嵌入式系统的定义 由于目前嵌入式系统已经渗透到日常生活的各个方面，因此难以给“嵌入式系统”下一 个明确的定义。根据i e e e ( w 际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监 视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”( 原文为d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r ，o ra s s i s t t h eo p e r a t i o no f e q u i p m e n tm a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精 髓。目前国内普遍被认同的定义是：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。可 以从以下几个方面来理解国内对嵌入式系统的定义： 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具 有生命力、才更具有优势。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个行业的具体应 用相结合后的产物。 嵌入式系统必须能够根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠 性、成本、体积等要求。 1 1 2 嵌入式系统的特点 从前面对嵌入式系统所作的定义可以看出嵌入式系统的几个重要特征： 1 、系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源相对有限，所 以内核较之传统的操作系统要小得多。比如e n e a 公司的o s e 分布式系统，内核只有5 k b ， 而w i n d o w s 的内核则要大得多。 2 、专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一 一 北京邮电大学硕士论文第一章嵌入式系统简介 般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件 的变化和增减不断进行修改。 3 、系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能的 设计及实现过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。 4 高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固化存储，以提 高速度。软件代码要求高质量和高可靠性。 5 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的应 甩程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务，利用系统资 源、系统函数以及专家库函数接口，用户必须自行选配r t o s ( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m l 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 6 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身不具各自主开发 能力，即使设计完成以后，用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，因此必须有一套 开发工具和环境才能进行开发，1 这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以 及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程 序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。 1 1 3 嵌入式微处理器 从硬件方面来讲，嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。据不完全统计，全世界嵌 入式处理器的品种数量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 多个，其中8 0 5 1 体系占大 多数。生产8 0 5 1 单片机的半导体厂家有2 0 多个，共3 5 0 多种衍生产品，仅p h i l i p s 就有近 1 0 0 种。目前嵌入式处理器的寻址空间可以从6 4 k b 到2 5 6 m b ，处理速度从o 1 m i p s 到 2 0 0 0 m i p s 。嵌入式微处理器一般具有以下4 个特点： 对实时多任务操作系统具有很强的支持能力。能够实现多任务并且有较短的中断响 应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时问减少到最低限度。 具有功能很强的存储区保护功能。由于嵌入式系统的软件结构一般为模块化，为了 避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利 于软件故障诊断。 处理器结构可扩展。能够快速开发出满足各种应用和高性能的嵌入式微处理器。 低功耗。尤其是用于便携式的无线及移动计算和通信设备的嵌入式系统，功耗可以 达到m w 级甚至u w 级。 嵌入式处理器一般分成4 类( 如图1 1 所示) ，即嵌入式微处理器( m i c r op r o c e s s o ru n i t ， m p u ) 、嵌入式微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 、嵌入式d s p 处理器( d i g i t a ls i g n a l 一黪 北京邮电大学硕士论文第一章嵌入式系统简介 p r o c e s s o r ，d s p ) 和嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。 图1 1 嵌入式处理器分类 ( 一) 嵌入式微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适 合于控制，因此称为微控制器。m c u 低廉价格、优良的功能，所以拥有的品种和数量最 多。比较有代表性的包括8 0 5 1 、m c s 2 5 1 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、p 5 1 x a 、c 1 6 6 1 6 7 、6 8 k 系 列以及m c u 8 x c 9 3 0 9 3 1 、c 5 4 0 、5 4 1 ，并且具有很高的性价比。 ( 二) d s p 处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了 特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。在数字滤波、频普分析等仪器上，d s p 获得了大规模的应用。 ( 三) 嵌入式微处理器fm i c r op r o c e s su n i t ，m p u ) 嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变而来的。它的特征是具有3 2 位以上的 处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是，在实际 嵌入式应用中，它只保留与嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分， 这样就以最低的功耗和资源实现了嵌入式应用的特殊要求。 ( 四) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 片上系统s o c 是追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领域的热门话 题之一。s o c 最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统 的代码模块。而且s o c 具有极高的综合性，在一个硅片内部运用v h d l 。等硬件描述语言， 实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一 点点地连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处 理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。 4 一 北京邮电大学硕士论文第一章嵌入式系统简介 1 2 嵌入式操作系统 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。操作系统是连接计算机硬 件与应用程序的系统程序。操作系统有两个基本功能：使计算机硬件便于使用；高效组织 和正确地使用计算机的资源。操作系统有4 个主要任务：进程管理、进程间通信与同步、 内存管理和i o 资源管理。 嵌入式操作系统可以分为实时操作系统和分时操作系统两类。实时操作系统是指具有 实时性，能支持实时控制系统工作的操作系统。实时操作系统的首要任务是调度一切可利 用的资源完成实时控制任务；其次才着眼于提高计算机系统的使用效率，其重要特点是通 过任务调度来满足对于重要事件在规定的时间内做出正确的响应。实时操作系统与分时操 作系统有着明显的区别。具体地说，对于分时操作系统，软件的执行在时间上的要求并不 严格，时间上的延误或者时序上的错误，一般不会造成灾难性的后果。而对于实时操作系 统，主要任务是对事件进行实时的处理，虽然事件可能在无法预知的时刻到达，但是软件 必须在事件随机发生时，在严格的时限内做出响应( 系统的响应时间) 。即使是系统处在尖 峰负荷下，也应如此，系统时间响应的超时就意味着致命的失败。另外，实时操作系统的 重要特点是具有系统的可确定性，即系统能对运行的最好和最坏情况做出精确的估计。 实时系统又可以分为“硬实时系统”和“软实时系统”。如下图所示： 图1 2 嵌入式系统分类 硬实时系统和软实时系统实现的区别主要是在选择调度算法上。对于软实时系统，选 择基于优先级调度的算法足以满足软实时系统的需求，而且可以提供高速的响应和大的系 统吞吐量；而对硬实时系统来说，需要使用的算法就应该是调度方式简单，反应速度快的 实时调度算法。 对于一个商业的r t o s 必须具有以下两个评价指标： 中断响应时间，指从中断发生到相应的i s r ( q u 断服务程序1 运行的时间间隔。中断响应 时间与应用程序相匹配，而且是可预测的。如果同一时问有多个中断发生，则中断响应时 间的数量级要增加。 临界情况执行时1 司( w o r s t c a s ee x e c u t i o nt i m e ，w c e t ) 表示每个系统调用的时间，它是 可预测的，而且系统的每个任务都有独立的数据。 一 北京邮电大学硕士论文第一章嵌入式系统简介 1 3 嵌入式系统的应用领域 嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括： 1 工业控制 基于嵌入式芯片的工业自动化设备具有很大的发展空间，目前已经有大量的8 、1 6 、 3 2 位嵌入式微控制器应用在工业过程控制、数控机床、电力系统、电网安全、电网设备监 测、石油化工系统等领域。就传统的工业控制产品而言，低端型往往采用8 位单片机，但 是随着技术的发展，3 2 位、6 4 位的微处理器逐渐成为工业控制设备的核心，在未来几年内 必将获得更大的发展。 2 交通管理 在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛 的应用，内嵌g p s 模块、g s m 模块的移动定位终端已经在各种运输行业成功使用。目前 g p s 设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭，只需要几百元，就可以随时随地找到你 的位置。 3 家电系统 这将成为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的 生活步入一个崭新的空间。即使不在家里，也可以通过电话线、网络进行远程控制。在这 些设各中，嵌入式系统将大有用武之地。 4 家庭智能管理系统 水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌入的专用控制芯片将 代替传统的人工检查，并实现更高、更准确和更安全的性能。目前在服务领域中，一些手 持设备已经体现出了嵌入式系统的优势。 5 p o s 网络及电子商务 公共交通无接触智能卡( c o n t a c t l e s ss m a r t c a r d ，c s c ) 发行系统、公共电话卡发行系统、 自动售货机( 如图1 1 4 所示) 、各种智能a t m 终端将全面走八人们的生活，到时手持一卡 就可以行遍天下。 6 环境监测 环境监测包括水文资料实时监测、防洪体系及水土质量监测、堤坝安全、地震监测网、 实时气象信息网、水源和空气污染监测等。在很多环境恶劣、地况复杂的地区，嵌入式系 统将实现无人监测。 7 机器人 嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化、智能化方面的优势更加明显，同时会大幅度 降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。除了以上这些应用领 一霉 北京邮电大学硕士论文第一章嵌入式系统简介 域，嵌入式系统还有其他方面的应用。可以毫不夸张地说，嵌入式系统已经进入到现代社 会中人们生活的方方面面，可是说是“无处不在”，尤其是在控制方面的应用。就远程家电 控制而言，除了开发出支持t c p d p 的嵌入式系统之外，家电产品的控制协议也需要制订 和统一，这需要家电生产厂家来做。同样的道理，所有基于网绍的远程控制器件都需要与 嵌入式系统之间实现接口，然后再由嵌入式系统来控制并通过网络实现。所以，开发和探 讨嵌入式系统有着十分重要的意义。 1 4 嵌入式系统的发展史和发展趋势 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔的发展空间。美 国著名未来学家尼葛洛庞帝1 9 9 9 年1 月访华时预言，4 5 年后嵌入式智能( 电脑) 工具将是 p c 和因特网之后最伟大的发明。我国著名嵌入式系统专家沈绪榜院士1 9 9 8 年1 1 月在武汉 全国第1 1 次微机学术交流会上发表的计算机的发展与技术一文中，对未来1 0 年以嵌 入式芯片为基础的计算机工业进行了科学的阐述和展望。进入2 0 世纪9 0 年代，嵌入式技 术全面展开，目前已成为通信和消费类产品的共同发展方向。在通信领域，数字技术正在 全面取代模拟技术。在广播电视领域，美国已开始由模拟电视向数字电视转变，欧洲的 d v b ( 数字电视广播1 技术已在全球大多数国家推广。数字音频广播( d a b ) 也已进入商品化 试播阶段。而软件、集成电路和新型元器件在产业发展中的作用日益重要。所有上述产品 中，都离不开嵌入式系统技术。在个人领域中，嵌入式产品将主要是作为个人移动的数据 处理和通信软件。由于嵌入式设备具有自然的人机交互界面，g u i 屏幕为中心的多媒体界 面给人以很大的亲和力。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图 像己取得初步成效。 今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1 万亿美元。来自1 9 9 7 年美国嵌入式系统 大会( e m b e d d e ds y s t e mc o n f e r e n c e ) 的报告指出，未来5 年仅基于嵌入式计算机系统的全 数字电视产品，就将在美国产生一个每年1 5 0 0 亿美元的新市场。美国汽车大王福特公司的 高级经理也曾宣称，“福特出售的计算能力已超过了i b m ”。由此可以想象嵌入式计 算机工业的规模和广度。1 9 9 8 年1 1 月在美国加州举行的嵌入式系统大会上，基于r t o s 的 e m b e d d e di n t e r n e t 成为一个技术新热点。 在国内，“维纳斯计划”和“女娲计划”一度闹得沸沸扬扬，机顶盒、信息家电这两 年更成了i t 热点，而实际上这些都是嵌入式系统在特定环境下的一个特定应用。据调查， 目前国际上已有两百多种嵌入式操作系统，而各种各样的发工具、应用于嵌入式开发的仪 器设备更是不可胜数。在国内，虽然嵌入式应用、开发很广，但该领域却几乎还是空白， 只有两三家公司和极少数人员在从事这方面工作。 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了新的挑战。从中可以看出未来嵌入式系统的几 一 北京邮电大学硕士论文第一章嵌入式系统简介 大发展趋势： 1 嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系 统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。 目前很多厂商已经充分考虑到这一点，在主推系统的同时，将开发环境也作为重点推 广。比如三星在推广a r m 7 、a r m 9 芯片的同时还提供开发板和板级支持包( b s p ) ，而w id o w s c e 在主推系统时也提供e m b e dv c + + 作为开发工具，还有v x w o r k s 的t o r n a d o 开发环境、d e l t a 0 s 的l i m d a 编译环境等都是这一趋势的典型体现。当然，这也是市场竞争的结果。 2 网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的加大而日益提高，使得以往 单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构更加复杂。这就要求 芯片设计厂商在芯片上集成更多的功能。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如3 2 位、6 4 位r i s c 芯片或信号处理器d s p 增强处理能力，同时增 加功能接口( 如u s b ) ，扩展总线类型( 如c a n b u s ) ，加强对多媒体、图形等的处理，逐步实 施片上系统( s o c ) 的概念。软件方面，采用实时多任务编程技术和交叉开发工具来控制功能 复杂性，简化应用程序设计，保障软件质量和缩短开发周期( 如h p ) 。 3 网络互联成为必然趋势。 未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然要求硬件上提供各种网络通信接口。 传统的单片机对于网络支持不足，而新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络接口，除了 支持t c p i p 协议，有的还支持1 e e e l 3 9 4 、u s b 、c a n 、b l u e t o o t h 或i r d a 通信接口中的一 种或者几种，同时也提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。软件方面，系统内 核支持网络模块，甚至可以在设备上嵌入w e b 浏览器，真正实现随时随地用各种设备上网。 4 精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。 未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备，为了降低功耗和成本，需要设计者尽量 精简系统内核，只保留和系统功能紧密相关的软硬件，利用最低的资源实现最适当的功能， 这就要求设计者选用最佳的编程模型，不断改进算法，优化编译器性能。因此，软件开发 人员既要有丰富的硬件知识，又需要发展先进的嵌入式软件技术，如j a v a 、w e b 和w a p 等。 5 提供友好的多媒体人机界面。 嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素就是它能提供非常友好的用户界面、图 像界面和灵活的控制方式，使得人们感觉嵌入式设备就像是一个熟悉的老朋友。这方面的 要求使得嵌入式软件设计者要在图形界面、多媒体技术上多下功夫。手写文字输入、语音 拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像都会使用户获得自由的感受。目前一些先进 的p d a 在显示屏幕上己实现汉字写入、短消息语音发布，但一般的嵌入式设备要达到这个 要求还有很长的路要走。 一惫 北京邮电大学硕：| - 论文第二章a r m 体系结构 第二章a r m 体系结构 a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写，它是一家微处理器行业的知名企业，该企 业设计了大量高性能、廉价、耗能低的r i s c ( 精简指令集) 处理器。公司的特点是只设 计芯片，而不生产。它将技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和o e m 厂商，并提 供服务。 2 1a r m 的体系版本结构 传统的c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，复杂指令集计算机) 结构有其固有的缺 点，即随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集，为支持这些新增的指令，计 算机的体系结构会越来越复杂，然而，在c i s c 指令集的各种指令中，其使用频率却相差 悬殊，大约有2 0 的指令会被反复使用，占整个程序代码的8 0 。而余下的8 0 的指令却 不经常使用，在程序设计中只占2 0 ，显然，这种结构是不太合理的。基于以上的不合理 性，1 9 7 9 年美国加州大学伯克利分校提出了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 ，精简 指令集计算机) 的概念，r i s c 并非只是简单地去减少指令，而是把着眼点放在了如何使计 算机的结构更加简单合理地提高运算速度上。r i s c 结构优先选取使用频率最高的简单指 令，避免复杂指令：将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少：以控制逻辑为主，不 用或少用微码控制等措施来达到上述目的。到目前为止，r i s c 体系结构也还没有严格的定 义，一般认为，r i s c 体系结构应具有如下特点： 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。 使用单周期指令，便于流水线操作执行。 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。除此以外，a r m 体系结构还采用了一些特别的技术， 在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗。 所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率。 可用加载存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。 在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。 当然，和c i s c 架构相比较，尽管r i s c 架构有上述的优点，但决不能认为r i s c 架构 就可以取代c i s c 架构，事实上，r i s c 和c i s c 各有优势，而且界限并不那么明显。现代 一 北京邮电大学硕士论文第二章a r m 体系结构 的c p u 往往采用c i s c 的外围，内部加入了r i s c 的特性，如超长指令集c p u 就是融合了 r i s c 和c i s c 的优势，成为未来的c p u 发展方向之一。a r m 处理器为r i s c 芯片，其简 单的结构使a r m 内核非常小，这使得器件的功耗也非常低。它具有经典r i s c 的特点： 大的、统一的寄存器文件； 装载保存结构，数据处理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； 统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码。 各a r m 体系结构版本 a r m 体系结构从最初开发到现在有了巨大的改进，并仍在完善和发展。为了清楚的 表达每个a r m 应用实例所使用的指令集，a r m 公司定义了5 种主要的a r m 指令集体系 结构版本，以版本号v 1 v 5 表示。 a r m 体系结构版本w 1 该版本的a r m 体系结构，只有2 6 位的寻址空间，没有商业化，其特点为： 基本的数据处理指令( 不包括乘法) ； 字节、字和半字加载存储指令； 具有分支指令，包括在子程序调用中使用的分支和链接指令； 在操作系统调用中使用的软件中断指令。 a r m 体系结构版本_ v 2 同样为2 6 位寻址空间，现在已经废弃不再使用，它相对v 1 版本有以下改进： 具有乘法和乘加指令： 支持协处理器； 快速中断模式中的两个以上的分组寄存器； 具有原子性加载存储指令s w p 和s w p b 。 a r m 体系结构版本叫3 寻址范围扩展到3 2 位( 事实上也基本废弃) ，具有独立的程序： 具有乘法和乘加指令； 支持协处理器； 快速中断模式中具有的两个以上的分组寄存器； 具有原子性加载存储指令s w p 和s w p b 。 a r m 体系结构版本v 4 不在为了与以前的版本兼容而支持2 6 位体系结构，并明确了哪些指令会引起未定义指 令异常发生，它相对v 3 版本作了以下的改进： 半字加载存储指令； 一 北京邮电大学硕士论文第二章a r m 体系结- 1 - 1 、习t - 字节和半字的加载和符号扩展指令； 具有可以转换到t h u m b 状态的指令； 用户模式寄存器的新的特权处理器模式。 a r m 体系结构版本叫5 在v 4 版本的基础上，对现在指令的定义进行了必要的修正，对v 4 版本的体系结构进 行了扩展并增加了指令，具体如下： 改进了a r 帅u m b 状态之间的切换效率； 允许非t 变量和t 变量一样，使用相同的代码生成技术； 增加计数前导零指令和软件断点指令； 对乘法指令如何设置标志作了严格的定义。 2 2a r m 微处理器结构 2 2 1a r m 体系 a r m 公司开发了很多系列的a r m 处理器核，目前最新的系列已经是a r m l l 了，而 a r m 6 核以及更早的系列已经很罕见了。目前应用比较广泛的系列是： 固圈一一一 图2 1a r m 处理器系列 a r m 处理器核简介a r m 7 该系列包括a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s 、带有高速缓存处理器宏单元的a r m 7 2 0 t 和扩充了a r m 7 e j s 。该系列处理器提供t h u m b l 6 位压缩指令集和e m b e d e d l c e 软件调试 方式，适用于更大规模的s o c 设计中。a r m 7 系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括 i n t e r n e t 设备、网络和调制解调器设备，以及移动电话、p d a 等无线设备。 a r m 处理器核简介a r m 9 该系列包括a r m 9 t d m i 、a r m 9 2 0 t 和带有告诉缓存处理器宏单元的a r m 9 4 0 t 。除 了兼容a r m 7 系列，而且能够更加灵活的设计。a r m 9 系列主要应用于引擎管理、仪器仪 表、安全系统和机顶盒等领域。 一 北京邮电大学硕士论文 第二章a r m 体系结构 a r m 处理器核简介a r m l0 该系列包括a r m l 0 2 0 e 和a r m l 0 2 0 e 处理器核，其核心在于使用向量浮点( v f p ) 单元v f p l 0 提供高性能的浮点解决方案，从而极大提高了处理器的整型和浮点运算性能。 可以用于视频游戏机和高性能打印机等场合。 a r i d 处理器核简介s e c u r c o r e 系列涵盖了s c l 0 0 、s c l l 0 、s c 2 0 0 和s c 2 1 0 处理核。该系列处理器主要针对新兴的 安全市场，以一种全新的安全处理器设计为智能卡和其它安全i c 开发提供独特的3 2 位系 统设计，并具有特定反伪造方法，从而有助于防止对硬件和软件的盗版。 a r m 处理器核简介x s c aie i n t e lx s c a l e 微控制器则提供全性能、高性价比、低功耗的解决方案，支持1 6 位t h u m b 指令并集成数字信号处理( d s p ) 指令。 2 2 2a r m 7 t d m a r m 7 t d m i 基于a r m 体系结构v 4 版本，是目前低端的a r m 核。具有广泛的应用， 其最显著的应用为数字移动电话。需要注意的是：“a r m 核”并不是芯片，它是m c u 和其 它部件如r a m 、r o m 、片内外设组合在一起才能构成现实的芯片。a r m 7 t d m l 支持3 2 位寻址范围，并弥补了a r m 6 不能在低于5 v 电源电压下工作的不足。a r m 7 t d m i 的后 缀意义为： 图2 2a r m t t d m i s a r m 7 t d m i 处理器是a r m 通用3 2 位微处理器家族的成员之一。它具有优异的性能， 但功耗却很低，使用门的数量也很少。它属于精简指令集计算机( r i s c ) ，比复杂指令集 计算机( c i s c ) 要简单得多。这样的简化实现了： 高的指令吞吐量； 出色的实时中断响应； 瞄孤： 瀵 鼍彩 北京邮电大学硕士论文 第二章a r m 体系结构 小的、高性价比的处理器宏单元。 三级流水线 a r m 7 t d m i 处理器使用流水线来增加处理器指令流的速度。这样可使几个操作同时 进行，并使处理和存储器系统连续操作，能提供0 9 m i p s m h z 的指令执行速度。 a r m 7 t d m i 的流水线分3 级，分别为：取指一译码一执行；正常操作过程中，在执行一 条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出。这三条指令之间 的位置关系如下表所示： 流水线上各指令的地址 流水线工位描述 a r m 指令集t h u m b 指令集 p cp c取指指令从存储器中取出 p c 一4p c 一2译码对指令使用的寄存器进行译码 从寄存器组中读出寄存器，执行移 p c 8p c 4执行位和削l u 操作，寄存器被写回到寄 存器组中 ( 表2 1 ) 2 3l p 0 2 2 9 2 微处理器简介 l p c 2 2 9 2 是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 的c p u ，并带有2 5 6k 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。由于l p c 2 2 9 2 的1 4 4 脚封装、极低的功耗、 多个3 2 位定时器、8 路l o 位a d c 、2 4 ( l p c 2 2 9 2 l p c 2 2 9 4 ) 路c a n 、p w m 通道以及多达9 个 外部中断使它们特别适用于汽车、工业控制应用以及医疗系统和容错维护总线。l p c 2 2 9 2 包含7 6 ( 使用了外部存储器) 112 ( 单片) 个g p i o 口。由于内置了串行通信接口，它们 也非常适合通信网关、协议转换器以及其它各种类型的应用。 2 3 1 主要特性 16 3 2 位a r m 7 t d m i s 微处理器，l q f p l 4 4 封装。 1 6k b 片内静态r a m 和2 5 6 k b 片内f l a s h 程序存储器。1 2 8 位宽接口d h 速器可实现高 达6 0 m h z 的工作频率。 】3 一 北京邮电大学硕士论文 第二章a r m 体系结构 通过片内b o o t 装载程序实现在系统编程( i s p ) 和在应用编程( i a p ) 。5 1 2 字节行编 程时间为i m s 。单扇区或整片擦除时间为4 0 0 m s 。 o e m b e d d e d i c e r t 和嵌入式跟踪接口使用片内r e a l m o n i t o r 软件对任务进行实时调试并 支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。 1 1 , 2 4 ( l p c 2 2 9 2 ) 个互连的c a n 接口，带有先进的验收滤波器。多个串行接口，包括2 个 1 6 c 5 5 0