（信号与信息处理专业论文）基于arm的嵌入式系统硬件建立与应用.pdf

商京雠1 u 人学碗 研，f 生学位论文 摘要 嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适 应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机 系统。目前嵌入式系统已经应用于越来越多的领域，如工业控制、通信行业、电 子类消费产品等等，其发展6 f 景也是一片光明。 本文的目的是建立一个以a r m 为基础的嵌入式系统硬件平台，为嵌入式系统 的丌发提供比较完整的硬件环境。本硬件平台办作为嵌入式系统的底层核心板。 本文首先介绍了嵌入式系统的相关知识，在比较各种嵌入式处理器之后，平 台选择了a t m e 公司的a t 9 1 r 腱9 2 0 0 嵌入式微处理器作为核心；接着深入分折了 a t g l r m 9 2 0 0 的工作原理，然后详细研究了硬件平台设计过程，平台的外围配置包 括s ) r a m 、f a s hr o m 、e e p r 、r s 2 3 2 串、以太网接口、u s b 接口及3 t a g 调试接 口等多种功能模块，还包括各个功能模块的芯片选择和原理图、p c b 设计过程。 本文还研究了利用串口和j t a g 接口进行调试的方法，阐述了嵌入式l i n u x 操作系 统移植到平台的步骤。最后，对全文作了总结并提出进一步工作的方向。 关键词：嵌入式系统，a 跚，a 1 9 1 r m 9 2 0 0 ，j t a g ，嵌入式l i n u x ，操作系统移植 南京邮i u 人学倾j ：研究生学位论文 a b s t r a c t a ne m b e d d e ds y s t e mi ss o m ec o m b i n a ti o no fc o m p u t e rh a r d w a r ea n d s o f t w a r e ，e i t h e rf i x e di n c a p a b i l i t y o r p r o g r a u n a b ie ，t h a t i s s p e c i i l i c a ll yd e s i g n e df o rap a r t i c u l a rk i n do fa p p l i c a t i o nd e v i c e t h e m a i r lp u r p o s eo ft h i st h e s isist ob u i i dah a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do na r m e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r t h ep l a t f o r mc a np r o v i d eac o m p l e t eh a r d w a r e d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tf o re m b e d d e da p p l i c a t i o n f tc a na l s ob eu s e da s ac o r eb o a r d t h ep l a t f o r mu s e sa t 9 1 r m 9 2 0 0d e s i g n e db ya t m e la st h ek e r n e l ，s o m e o t h e rf u n c t i o nb l o c k sa r ei n c l u d e ds u c ha ss d r a m ，f l a s hr o m ，e e p r o m ，r s 2 3 2 u s b ，j t a g ，e t h e r n e tin t e r f a e ea n ds oo n ， f i r s t l y ，ac o m p r e h e n s i v ed e s c r i p t i o na b o u t e m b e d d e ds y s t e mi s d i s e u s s e d t h e nt h ew o r kp r i n c i p l eo fa t 9 l r m 9 2 0 0i sd e s c r i b e di nd e t a il s t h e nt h ed e s i g np r o c e s so ft h ep l a t f o r mi sd i s c u s s e d ，t h ec h i ps e l e c t i o n a n df u n c t i o nb l o c k sa r ea ls oin c l u d e d a n dt h e nt h ew a y so fd e b u g g i n gu s i n g r s 2 3 2a n d 、j t a ga r ee x p a ti a t e d f u r t h e r m o r e ，t h et r a n s p l a n tp r o c e s so f e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi 。i n u xi sd e s e r i b e d s u m m a r yo ft h ea r t i c l eis m a d ei nt h ee n d ，a n dt h ef u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o ni sp r o p o s e d k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，j t a g ，e m b e d d e dl ir l u x o fo p e r a t i n gs y s t e m 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学信号与信息处理 研究方向：现代通信中的信号与信息处理 作者：2 0 0 3 级研究生巢小平指导教师龚建荣 题目：基于a r m 的嵌入式系统硬件建立与应用 英文题目：t h eh a r d w a r ed e s i g no fe m b e d d e ds y s t e mb a s e do n a r ma n di t sa p p l i c a t i o n 主题词： 嵌入式系统 a r ma 四1 r m 9 2 0 0j t a g 嵌入式l i n u x操作系统移植 k e y w o r d s ： e m b e d d e ds y s t e ma r ma t 9 1 r m 9 2 0 0 j t a g e m b e d d e dl i n u x t r a n s p l a n to fo p e r a t i n gs y s t e m 南京邮电大学学位论文独创性声明 y8 5 0 8 5 5 本人声明所呈交的学位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。尽我所知，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经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：f i 期 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：导师签名： 南京硒：l u 人学颀h 卅究生j # 位论文 第一章绪论 1 1 嵌入式系统简介 1 1 1 嵌入式系统概念 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是计算机软件和硬件的综合体，它是以应用为中心和以 计算机技术为基础的，并且软硬件是可以裁减的，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、 体秘、功耗等指标的严格要求的专用计算机系统。它可以实现对设备的控制、监视或管理 等功能。 1 1 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统主要l b 嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及j ：层应用软件系 统等组成，它是集软件、硬件于一体的可独立工作的系统、有以下特点： ( 1 ) 面向用，“、面向产品、面向应用 和通用计算机不同，嵌入式系统的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电 磁兼容性等方面均受到应用要求的制约，如果独立于应用自行发展。则会失去市场。 ( 2 ) 高效性、高可靠性 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，力争以同样的 成本实现更强的功蘸，这样彳能在具体应用的选择面i i 具有更强的竞争力。在硬件方面， 嵌入式系统要针对用户的具体要求，对系统配置进行裁剪和添加彳能达到理想的性能，甚 至 诞掘用j 。的特殊需要，改计不同的系统以面向不同的用户。在软件方面，要求代码商质 量、r 瓿可靠性，要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少二：进制代码k 度，提高执行 速度，节省：釜贵的存储空削。 ( 3 ) 年h 对稳定性 嵌入式系统和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问步进行， 【_ x l t t - k 嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。嵌入式系统中的软件，一般都 刚化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体，可以随意更换，所以嵌入式系统的生命周期 也羊u 嵌入式产鼎一样长。另外，各个行! l k 的应用系统和产品、通用计算机软件不同，很少 发生突然性的跳跃，嵌入式系统中的软件也因此更强调可继承性和技术衔接性，发展比较 稳定。嵌入式微处理器的发展咆体现出稳定性，一个体系一般要存在8 1 0 年的时问一个 南京| | | | ：i u 人学埘i 。f 】j 究生学位论立 第一章绪论 1 1 嵌入式系统简介 1 1 1 嵌入式系统概念 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是计。算机软件和硬件的综合体，它是以麻用为中心和以 计算# i 技术为基础的，并且软硬件是可以裁减的，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、 体秘、功耗等指标的严格耍求的争用i t 算机系统。它可以实现对设备的控制、监视或管理 等功能。 1 1 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统辛要山嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及j ：层应用软件系 统等组成，它是集软件、硬件于一体的可独立工作的系统、有以下特点： ( 1 ) 面向用，。、面向产品、面向应用 和通用计筇机不同，嵌入式系统的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电 磁兼容性等方面均受到应用要求的制约，如果独立于应用自行发展，则会失去市场。 ( 2 ) 高效性、高可靠性 嵌入式系统的硬件和软件都必须高教率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争以同样的 成本实现更强的功能，这样才能在具体应用的选择面前具有更强的竞争力。在硬件方面， 嵌入式系统要针对用户的具体要求，对系统配置进行裁剪和添加爿能达到理想的性能，共 至根拥用户的特殊需要，设计不同的系统以面向不同的用户。在软件方面，要求代码高质 量、亩町靠性，要求程序编写和编译工具的质黾要高，以减少二：进制代码长度，提高执行 速度，节省：釜贵的存储空刚。 ( 3 ) 相对稳定性 嵌入斌系统和具体应用有机地结合在一起，它的升缎换代也是和具体产品阔步进行， 凼此嵌入式系统产t 镣一旦进入市场，具有较长的生命周期。嵌入式系统中的软件，一般都 刚化n ：只读存储器中，而不是以磁盘为载体，可以随意更换，所以嵌入式系统的生命周期 也利嵌入，j “舳样k 。另外，各个行业的应用系统和产品、通用计算机软件不同，很少 发生突然性的跳跃，嵌入式系统中的软件也因此更强调可继承性和技术衔接性，发展比较 稳定。嵌入式微处理器的发展也体现出稳定性，一个体系一般要存在8l o 年的时问一个 稳定。嵌入式微处理器的发展也体现出稳定性，一个体系一般要存在8 一l o 年的时间一个 南京i l l l i l u 人学坝i 倒f 究生学位论文 体系结构及其相关的片上外设、丌发工具、库函数、应用产品是套复杂的知识系统，用 户和半导体厂商都不会轻易地放弃一种处理器。 ( 4 ) 软件要求固态化存储 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 荦i 片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 ( 5 ) 系统软件o s 一般要求较高的实时性 在多任务嵌入式系统中，对重爱性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每 个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的，这种任务训 度只能出优化编写的系统软件来完成，因此系统软件的实时性是基本要求。 1 1 3 嵌入式系统的组成 嵌入式系统在组成上一般包括嵌入式硬件和嵌入式软件两部分。 ( 1 ) 嵌入式硬件 嵌入式系统的硬件主要包括以下几个模块，如图l l 所示。 l 电源模块i外罔电路 f l as h l 时钟 微处理器r am mp u 复位 r om 8 外设 us bl cd nc ve 。ar a o t her 图1 1 硬件组成 i 核，c 、部件是嵌入式处理器，日自i 掘f ：完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量l 经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 几个系列，数据总线宽度从8 位一3 2 位，处理速度从 0 i m i s 一2 0 0 m 1 p s 。按功能和内部结构等因素可以分成下面几类： 嵌入式c 1 s c 微处理器 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在不同应用中将微处理器装配在专门 南京f l u 人学 叭l 蜘f 究生学位论殳 设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。 嵌入式微处理器目前主要有i n t e l 公司x 8 6 系列、m o t o r o l a 公司6 8 0 0 0 系列等。 嵌入式r i s c 微处理器 嵌入式微控制器将整个计算机系统或者一部分集成到一块芯片中。嵌入式微控制器 般以某种微处理器内核为核心，比如以m p s 或a r m 核为核心，在芯片内部集成r o m 、r a m 、 内部总线、定时计数器、w a t c h d o g 、i o 端口、串行口等各种必要的功能和外设。和嵌入 式微处理器相比，嵌入式微控制器的最大特点是单片化，实现同样功能时系统的体积大大 减小。嵌入式微控制器的品种和数量较多，比较有代表性的通用系列包括a t m e l 公g a t g l 系列、三星公司s 3 c x x x x 系列，j n t e l 公司p x a 2 5 x 系列等。 嵌入式d s p 处理器 d s p 处理器对系统构和指令进行了特殊设计，使其适合于进行数字滤波、f f t 、谱分 析等方面的运算。由于嵌入式系统的智能化的趋势，例如具有生物信息识别功能、实时语 音编解码功能，推动了嵌人式d s p 处理器的发展。比较有代表性的产品是t i 公司的( n a i 系 列。当前，嵌入式系统处i 里器的发展趋势主耍采用r i s c 技术、3 2 位嵌入式微控制器，其丰 流系列基于m i p s 或a r m ( 2 ) 嵌入式软件 嵌入式软件是与嵌入式系统密不可分的。嵌入式软件分为应用软件和系统软件。嵌入 式应用软件运行于嵌入式操作系统之上，是实现嵌入式系统功能的关键。由于嵌入式系统 提供的软硬件机制一般用于完成特定的嵌入式应用，因此不同的系统需要设计不同的嵌 入式应用软件。早期的应用软件都采用汇编语言编写，维护很困难。后来发展到使用c 浯 苗使应用软件具有了软件模块和运行库的概念。到如今使用叶+ 语占，使得应用软件功 能越来越强大，而且具各了一定的跨平台移植能力。随着嵌入式软硬件技术的发展，出现 了若干新技术，如：自由软件技术，行业性a p t 规范i p 构件库，嵌入式j a v a 等。 嵌入式操作系统是嵌入式系统的一个重要组成部分，是嵌入式软件运行的软件平台。 嵌入式操作系统一般有以一f ) l 方面的特点：实时性、可裁减性、支持网络和图形功能、功 能c ，j 扩胜。日河市场上的嵌入式实时操作系统的提供厂商超过1 0 0 多家。品种多达数f 种。 分类方法出多种多样。按操作系统支持的硬件平台的种类分专用操作系统和通用操作系 统，代表性的产晶分别是t i 公司的d s p b i o s 和微软公司的w i n d o w sc e 。按操作系统的实时 性分硬实时操作系统和软实时操作系统，代表性的产品分别是w i n dr i v e f 公司的v x w o r k s 和微软公司的w i n d o w sc e 。按源代码的公丌性分自山软件和商用软件，大多数嵌入式操作 南京i _ | | l i u 人学f l ! i i 。1 i j | ) 生学位论义 _-_h-_-_-_h_-_-_-_ 系统都是商用软件，自由软件中具有代表性的操作系统是l i n u x 和uc o s 嵌入式实时操作 系统典型产品如下： v x w o r k s w in dr i v e r 公司研制的高实时性可扩展的嵌入式实时操作系统，具有嵌入式实时应用 中最新一代的开发和执行环境，支持多种处理器和丌发平台，是目i i 仃世界上应用最广泛的 商用嵌入式实时操作系统。 n u c l e u s a t i ( a c c e l e r a t e dt e c h n o l o g y ) 公司的系列产品，其特点是约9 5 的代码用c 语占编写， 方便移植，同时可提供网络、图形、文件系统等模块。可全部提供源代码，用户只需通过 d l l 动态连接便可进行任务级调试。 嵌入式l i n u x 该嵌入式操作系统突出的优势是公丌源代码，是一种丌放式的自由软件。它符合p o s ix 标准l j l n ix 操作系统兼容，它适用于多种c p l 和多种硬件平台，性能稳定，裁剪性好，丌 发和使用都很容易。它是发展未来嵌入式设备的绝佳资源，具有广泛的应用自u 景。 w ir l d o w sc e 微软公司的嵌入式实时操作系统，支持众多的硬件平台，其最主要特点是拥有与桌 ： 型w i n d o w s 家族一致的程序丌发界面，因此，在桌上型w i n d o w s 家族上丌发的程序稍加修改 就能在w i n c e 上运行。 1 1 4 嵌入式系统的发展 随着人1 f j l , j 嵌入式系统需求的多样性和相关领域技术的发展，嵌入式系统具有如下的 发展趋辨： ( 1 ) 商集成度、低功耗、小型化 随着半导体技术的发展，芯片的集成度越来越高。使得嵌入式系统朝着小型化、低功 耗的方向继续发展。 ( 2 ) j l ：发工具的高度集成 “t 】：嵌入式系统功能同趋复杂、专业，要求更多的计算机以外的专业知t ，其丌发人 员 ：i t f 足各个应用领域的专家。因此开发工具朝着高度集成、易学易用、图形操作界面的 方向发展。 ( 3 ) j a v a 平台 嵌入式系统开发f 从相互独立、互不兼容向丌放化、跨平台的方向发展。嵌入式微处 4 南京i l l f f i u 人学坝i 删究生学位论文 理器、操作系统以及开发工具的生产厂商已经设计、生产出了支持j a v a 吾言的相关产品。 使用j a v a 语言的丌发人员愈来愈多。i a v a r 虚拟机与嵌入式j a v a 将成为丌发嵌入式系统的有 力工具。 ( 4 ) 多媒体化 随着音视频信息处理技术的发展和嵌入式硬件平台技术的提高，为嵌入式系统的多 媒体化创造了良好的条件。而且通过相关技术的发展，使得嵌入式系统可以提供精巧的人 机界面，更加人性化、智能化具有无限的应用前景。 1 2 论文主要工作及内容安排 根据以上叙述，本项目选择了a t m e l 公司的a t 9 1 r 1 9 2 0 0 嵌入式微处理器，主要1 ：作 为基- 1 ：a t 9 1 r m 9 2 0 0 嵌入式系统的平台丌发包括硬件设计、调试以及软件环境。所丌发 的平台留有扩展接口，可作为通用底层核心板，在此基础上加上各种功能板即可成为完整 的嵌入式应用系统。 本文的内容安排如下： 第一章本文的课题背景简介和内容安排； 第二二章介绍常用的嵌入式微处理器，重点分析了a t 9 1 r m 9 2 0 0 微处理器的特点、组成 以及工作原理； 第三章本文重点，首先叙述了系统平台的模块组成，然后详细研究了各个模块的原 理图设计过程及p c b 设计，包括芯片的选择； 第四章分析了系统调试以及嵌入式操作系统移植问题； 第五章对全文的总结，提出了改进的方向。 南京l j | | f i 匕人学坝i ：t i j d z 生学位论文 第二章a t 9 l 础垤9 2 0 0 嵌入式微处理器 2 1 a r m 概述 2 1 1a r m 简介 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字，也可以认为是对一 类微处理器的通称，还可以认为是- - s t 技术的名字。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，采舟a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通 常所滢的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，基于a r m 技术的微处理器应用约占掘了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的 市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到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 技术芯片没计丌发的公司，作为知识产权供应商，本身 不直接从事芯片生产，靠转让设计许可出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 困电路，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 m 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、制造、软件的支 持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。 2 1 2a r m 微处理器的应用领域及特点 ( 1 ) a r m 微处理器的应用领域 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域： 工业控制领域：作为3 2 的r 1 s c 架构，基于a r m 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 r 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。 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，在该领域的地位只益巩固。 网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获得竞争优势。 此外，a r m 在语音及视频处理上二进行了优化，并获得广泛支持，也x , i d s p 的应用领 域提出了挑战。 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。 南京1 1 j | ：i u 人学碘i 研究生学位论文 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 智能一f - 也采用- f a r m 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 ) a r m 微处理器的特点 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 体积小、低功耗、低成本、高性能。 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件。 大量使用寄存器，指令执行速度更快。 大多数数据操作都在寄存器中完成。 寻址方式灵活简单，执行效率高。 指令长度固定。 2 2a r m 微处理器系列 a r m 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构的处理器，除了 具有a r m 体系结构的共同特点以外，每个系列篚j a r m 微处理器都有各自的特点和应用领 域。 a r m 7 系列 a r m 9 系列 a r m 9 e 系列 a r m l o 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 i n t e l 的s t r o n g a r m 其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l o 为4 个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对 独特的性能来满足不同应用领域的需求。s e c u r c o r e 系列专门为安全要求较高的应用而设 计+ 。 2 2 1a r m 7 微处理器系列 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 立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 跳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，调试丌发方便。 塑皇坐! ! 查兰坐! 型! ! 兰兰竺堡兰 极低的功耗，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 i i z 的三级流水线结构。 代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b n 令集。 对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w s c e 、l i n u x 、p a l m o s 等。 指令系统与a r 鹕系列、a r m 9 e 系列和a r m l o e 系列兼容，便于用户的产品升级换代。 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 r n e t 设备、网络和调制解调器 蹬备、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 j l 种类犁的核： 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。t d m i 的基本含义为： ，i ：支持1 6 为压缩指令集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 ) i ：嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点 2 2 2a r m 9 微处理器系列 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： j 级整数流水线，指令执行效率更高。 提供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 位鲍高速a m b a 总线接口。 全性能的m m u ，支持w i n d o w s c e 、l i n u x 、p a l m o 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片j 于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打日】机、 数，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。 2 2 3a 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 、 1 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 南京l l | i i i u 人学坝i1 i ：j f 究生学位论史 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卜： 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 s c e 、l i n u x 、p a l m o 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 。 a r m 9 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、 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 f s 三种类型，以适用于不同的应用场合。 2 2 4s e c u r c o r e 微处理器系列 s e c u r c o r e 系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的3 2 位r i s c 技术的安全解 决方案，因此，s e c u r c o r e 系列微处理器除了具有a r m 体系结构的低功耗、高性能的特点外 还具有其独特的优势，即提供了对安全解决方案的支持。 2 2 5s t r o r l 舭r m 微处理器系列 i n t e ls t r o n g a r ms a 一11 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 t v 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，己成功应用于多家公司的掌上电脑系列产 【_ ；i ! i 。 2 2 6x s c a l e 处理器 x s c a l e 处理器是基于a r m y 5 体系结构的解决方案，是一款全性能、高性价比、低功耗 的处理器。它支持1 6 位朐t h u m b 指令和d s p 指令集，己使用在数字移动电话、个人数字助理 和网络产品等场合。x s c a l e 处理器是i n t e l 目的主要推广的一款a r m 微处理器。 9 南京j | | j i u 人学帧i 。埘宄生学位论立 2 3a t 9 1 i m 9 2 0 0 微处理器 2 3 1a t 9 1 r m 9 2 0 0 微处理器的特点 a t 9 1 r m 9 2 0 0 是a t m e 公司的嵌入式a r m 9 2 0 t 内核处理器，内核工作电压为1 8 伏，输 入输出电压( i o ) 为3 3 伏，典型功耗值小于0 5 瓦，具有1 8 0 m h z 2 0 0 m i p s 性能，1 6 k b 的数捌c a c h e ，1 6 k b 指令c a c h e ，全功能的m m u ，u s b 2 0 全速主口和从口，内置i o i o o m 网 络接口，支持高性能网络服务以及其他应用，非常适合于系统控制以及通讯领域使用，同 时，也适合于汽车、医药等领域。 2 3 2a t 9 1 r m 2 0 0 的构成 ( 1 ) a r m 9 2 0 t 内核 a r m 9 2 0 t 内核结构如图2 1 所示，它是在a r m g t d m i 基础上加c a c h e 和m m u 而成的，包 含如下功能模块： a r m 9 t d m c p u 核，支持五级流水线：f e t c h 、d e c o d e 、e x e c u t e 、m e m o r y 、w r i t eb u f f e r ， 同时支持a r m 、t h u m b 指令集，支持j t a g 以及嵌入式i c e 。 内部采用哈佛结构，将内部指令总线和数掘总线分丌，分别连接i c a c h e 和d c a c h e ， 再通过a m b a 总线接口连接到a s b 总线上去访问内存。c a c h e 由l i n e 组成，i ir e 是c a c h e 进行块读取和替换的单位。 m m u 支持高级操作系统如l i n u x 、w i n d o w sc e ，提供了一个地址转换表，c p l 5 是访 问m m u 的唯一途径。 提供1 6 k bi n s t r u c t i o nc a c h e 和1 6 k bd a t a c a c h e 一个w r i t eb u f f e r ，一个w r i t e b a c kp at a gr a m 。 a m b a 总线接口、e t m 接口、协处理器接口。 南京l i 【u 人学钡 。斜究生学位论文 图2 1a r m 9 2 0 t 框图 ( 2 ) a t 9 l r m 9 2 0 0 框图 a t g l r m 9 2 0 0 的框图如图2 2 所示，它是以a r m 9 2 0 t 为内核的嵌入式处理器。 1 6 k 字节片上s r a m ，1 2 8 k 字节片上r o m 。 扩展总线接口e b 支持s d r a m 、s t a r i cm e m o r y 、b u r s tf l a s h 、c o m p a c tf l a s h 、 s m a r t m e d i a 、n a n df 1 1 a s h 。 系统外设：八级别高级中断管理器a i c 、电源管理器p m c 、时钟发生器、实时时钟、 四个可编程外部时钟信号、调试单元、四个3 2 一b i tp i o 控制器、七个外部中断源和 一个快速中断。 多媒体卡接臼( m c i ) ，最多支持两张s d 卡。 u s b 2 0 全速h o s td o u b l ep o r t 集成f 1 f o 和d m a 通道、d e v i c ep o r t 集成2 k b j 配置f i f o 。 以爪网卡接口m i i 、r m i i ，集成2 8 一b y t ef i f o 和专用d m a 接收传输通道。 ：三个同步串口控制器s s c 。 四个u s a r 1 1 ，支持i s 0 7 8 1 6t o 1 1 1s m a r tc a r d 。 主从s p i ，8 到1 6 一b i t 可编程数据长度，四个外设片选信号。 两个三通道，1 6 b i t 定时器计数器t c ，两个可编程脉冲宽度调制接口p w m 。 t w f ，支持两线b 开f p r o m 。 塑皇些l ! 叁兰! 鉴! 业! ! 兰! ：些竺兰 南京l 】| | ；i u 人学坝l + 州究生学位论史 完全的j t a g 边界扫描和嵌入式i e c 支持。 振荡器和锁相环，用于产生内核所需的1 8 4 3 2 m h z 时钟。 一个3 2 7 6 8 k h z 振荡器，用于产生低功耗的实时时钟。 复位和测试信号。 3 2 位数据总线d 0 ：3 1 ，2 6 位地址总线a 0 ：2 5 和其他控制信号。 2 4a t 9 l i t m 9 2 0 0 基本一】二作原理 a t 9 1r m 9 2 0 0 的核心功能是建立在a r m 9 2 0 t 嵌入式处理之上的，并以低功耗为目标进行 了优化。下面有选择地介绍a t 9 1 r m 9 2 0 0 的：f ：作原理。 2 4 1c p u 内核 a r m 9 2 0 1 、是由一个a r m 9 t d m l3 2 位r 1 s c 处理器，1 6 k b 指令c a c h e ，1 6 k b 数据c a c h e l j 一个 存储器管理单位m 构成。l 构造一个自动转换表，接收来i 刍c p u 的虚拟地址，当所需的 虚拟地址刁i 在高速缓存中时，m m u 将虚拟地址转换为物理地址。一个转换旁路缓冲器( t l b ) 被用来加速地址转换过程，并减少页表读取所需的总线传送。 2 4 2 复位 a t 9 1 r m 9 2 0 0 有两个独立的复位输入线：n r s i 、- 与n t r s t 。n r s t 与n t r s t 均为低电平有效， 在a t 9 l r m 9 2 0 0 0 足异步复位逻辑。 n r s i _ 信号必须看作系统复位信号，用以强制微控制器单元出现初始状态：对引导模式 选择( b m s ) 逻辑状态采样、保存用户接口默认状态( 默认值) 、请求处理器由地址零渎耿卜- 条指令、处理器寄存器只定义了程序计数器与当前程序状念寄存器。当微控制器的n r s l l 输入插入，处理器立即停止当前执行的指令。 n t r s t 提供测试复位，主要使用于使用内部仿真器单元的硬件调试接r | ，而且对其初 始化不影, i ；- ，j a r m 处理器难常工作。n t r s t 控制引脚对选定的t a p 控制器初始化，复位时的7 | a i 控制器是最后有效的n r s t 中j t a g s e j 弓| 脚提供的仞始逻辑状态决定的。 2 4 3i t , j o t , a t 9 l r m 9 2 0 0 的p m c 含有时钟发生器模块，时钟源有四个：慢时钟( s l k ) ，主时钟( m a in c 1 0 c k ) ，p l l a ，p l l b 。其中s l 。k 为系统常驻时钟，如果用户不去配置时钟管理，则系统将 堕塞坚! ! 苎兰竺! ：堕! i 竺兰垡笙兰 以s l k ( 3 2 7 6 8 k ) 工作。同时慢时钟也是系统启动时的时钟源。主时钟主要给p l l a 和p l l b 提 供输入时钟源。丽p l l a 和p l l b 则通过对输入时钟源进行倍频，产生高频时钟信号( 秘j m c k ) 提供给c p u n 片上外设。p l l b 主要是给u s b 提供时钟源的，一旦要启用u s b ，则必须配置p l l b ， 它将提供9 6 m - 分频或4 8 m 的时钟给u s bh o s t 和u s bd e v i c e 。时钟发生器框图如2 3 所示： x i n 艇 x o u t 9 2 ) a n x o u t c l o c kg e n e r a t o r l l s l o wc l o c k o 幽h l l i n 裔n l c e i h 叮 l - 神、c b 矗l 一 r = q , j e w o c yl f 习母 1 j 丘= j 五 磊 i 伫竺几；t 划l l i 图2 3 时钟发生器 s l o w c l o c k 8 l c k m c 鼬 p l l c f o 穗 p l l b c b 嚏 2 4 4 中断处理 a t 9 1r m 9 2 0 0 的高级中断控制器( a i c ) 是一个有8 个优先级，独立可屏蔽的向量中断控制 器，最高可处理3 2 个中断源。它的设计充分降低了软件与实时丌销内部与外部中断处理。 a 】c 驱动a r m 处理器n f i q ( 快速中断请求) 与n i r q ( 标准中断请求) 输入。a i c 输入可以是内部 外设中断或米自器件引脚的外部中断。8 线优先级控制器允许用户对每个中断源优先级进 行定义，允许商优先级中断打断低优先级中断先行处理。内部中断源可编程为电甲敏感或 边沿触发。外部中断源可编程为正沿或负沿触发或高电平或低电平敏感。快速强制特性可 改变内部或外部r 仁断源提供一个快速中断。 3 2 个独立可屏蔽向量中断源：源。为快速中断输入( f i q ) 、源l 为系统外设( s t 、r 1 c 、 p m c 、d b ( ；u ) 、源2 到源3 1 控制多达3 0 个内置外设中断或外部中断。8 级优先缴控制器驱 动处理器j f 常中断、处理中断源l 到3 l 的优先级、高优先级中断可在低优先级中断服务期 m 先行服务。 中断处理过程中断器件( 内部或者外部) 产生适当的中断： 1 如果中断屏蔽寄存器中适当的位己被设置，那么一个f i o 或i r q 将由中断控制器产 4 南京| 1 | | ；i u 人学埘h g l 究生学位论文 生： 2 如中断被使能的话，处理器将跳转到适当的地址； 3 中断调度软件读中断状念寄存器，以确定中断源并调用相应的中断服务例程： 4 中断服务例程中的软件将清除中断源，这是通过对申请中断的器件采取一些由该 器件特定的行动来实施的； 5 中断服务例程可以重新使能中断。任何其它未处理的中断都将以相同的方法被服 务。或者，它可以返回到中断调度软件。此软件能检查任何其它未处理的中断， 并能相应地调度它们。 2 4 5 启动方式 a t 9 i r m 9 2 0 0 有两种启动方式，内部启动和外部启动。系统上电，检测b m s ( 启动模式选 择