（轮机工程专业论文）嵌入式智能工程机械监控器的研究.pdf

中文摘要 摘要 工程机械从2 0 世纪诞乍到发展的5 0 年间，在人类改造自然、利用自然的过 程中发挥了重要作用，我国从建国初期的一穷二白到现在繁荣昌盛、欣欣向荣， 每年的g d p 以1 0 速度增长。 稻：机械为我国的基础设施的建设立f 了汗马功劳。 进入2 l 世纪，中国进入经济增长的高速增长期，国内基础设施建设的蓬勃发展和 工程机械市场的变化，使丁程机械租赁业务有了巨大的市场发慢空问并促使其迅 速发展。但是同时也面l 临耆前所未有的挑战：租赁公司对施工乍辆的管理问题很 大程度上制约了租赁设备的流通，直接影响了他们的经济效益。出租后的车辆能 否被合理使用? 是否按规定及时科学保养? 车辆工作的时| 日j 段和累计工作时间是 多少? 完全了解这些类似信息对于租赁公司是件非常困难的事t ，。 本文针对租赁 亍业面i 瞌t 的施- 车辆的管理难题设计了一套系统的解决方案， 提出了一种基于s 3 c 4 4 b o x ( ，、r m 7 ) 的智能机械监控器的设计方法，能够很好的解决 租赁公司对所有机器设备的状念参数的监控的需求，从而能够提高工程机械设备 的利用效率。 文中详细介绍了系统的硬件组成，u c o s - i i 操作系统的移植，以及各个功能模 块的实现，最后是对全文的总结，提出了本课题一些不足和发展的前景。全文共 分5 章： 第一章详细介绍了本课题产生的主要市场背景、和国内外研究的现状。 第二章详细阐述了系统的解决方案包括硬件的搭建和软件的框架。 第三章是对具体功能的描述和实现方案。 第四章是几个重点电路的实现方案。 最后是本文的结束语，作出总结。 关键词：工程机械；嵌入式；u c o s ii ：8 3 0 4 4 b o x 英文摘要 t h es t u d yo ft h ee m b e d d e dm o n i t o rw i t hi n t e l l i g e n c eo f c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y k b s t r a c t c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yp l a y sas i g n i f i c a n tr o l e d u r i n gt h er e b u i l d i n ga n d u t i l i z a t i o no fn a t u r ei nt h el a s t5 0y e a r s , f r o mi t sn a i s s a n c ei nt h e2 0 t hc e n t u r yt o d e v e l o p m e n t a n do u rc o u n t r y h a v eb e e ns u f f e r e df r o mt h ep o v e r t ya tt h eb e g i n n i n go f n e wc h i n at ot h ep r o s p e r i t yn o w ，i nw h i c hc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yc o n t r i b u t e dg r e a t l yt o t h ec o n s t r u c t i o no fb a s i ce s t a b l i s h m e n t i n2 1 s tc e n t u r y , c h i n ah a se n t e r e dt h e b o o m i n gp e r i o do fe c o n o m y , a n dt h et r e m e n d o u sd e v e l o p m e n to fd o m e s t i cf u n d a m e n t a l c o n s t r u c t i o na n dt h ec h a n g e so fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r ym a r k e t ，m a k et h ec o n s t r u c t i o n m a c h i n e r yl e a s i n gb u s i n e s sh a v et h es p a c eo f t h em a r k e te x p a n d i n ga n dc o n t r i b u t et oi t s g r o w t l ：l ，b u tf a c et ou n p r e c e d e n t e dc h a l l e n g ea tt h es a m et i m e ：m a n a g e m e n tp r o b l e mo f l e a s i n gc o m p a n yf o r c o n s t r u c t i o nv e h i c l ec o n f i n e st h ec i r c u l a t i o no f l e a s i n g e q u i p m e n t s ，a n di ta f f e c t st h ep r o f i td i r e c t l y c a nt h el e a s i n ge q u i p m e n t sw h c t h e rb e u s e dn o r m a l l y 7 w h e t h e rb em a i n t a i n e di nt i m eb yr e g u l a t i o n ? w h a ti st h ea c c u m u l a t i v e w o r k i n gt i m ea n dt h ew o r k i n gt i m es p a no fv e h i c l e ? i ti sv e r yd i f f i c u l tt oc o l l e c tt h i s f a m i l i a ri n f o r m a t i o nf o rl e a s i n gc o m p a n y t h i sp a p e rd e s i g nas o l u t i o ns y s t e m a t i c a l l yf o rt h i sm a n a g e m e n tp r o b l e mo f l e a s i n gc o m p a n y , a n dp r o p o s eam e t h o do fi n t e l l i g e n tm o n i t o r f o rc o n s t r u c t i o n m a c h i n e r y ，w h i c hs o l v e dt h ed e m a n dt h a tt h ed y n a m i cp a r a m e t e ro fe q u i p m e n t sn e e dt o b ei nt h ec o n t r o lo f l e a s i n gc o m p a n y , a n dh e i g h t e nt h eu t i l i z i n ge f f i c i e n c yo f m a c h i n e r y t h eh a r d w a r el a y o u t ，t h et r a n s p l a n to fu c o s - i i ，t h es o l u t i o no ft h ee v e r yf u n c t i o nm o d e l a n dt h ep a p e rc o n c l u s i o na r ei l l u s t r a t e di nt h i sp a p e r t h eo u t l i n eo ft h i sp a p e ra s f o l l o w s 1 s tc h a p t e r ：t h em a r k e tb a c k g r o u n da n dt h ei n t e r n a t i o n a lc o n d i t i o no f t h i sp a p e r 2 n dc h a p t e r ：d e s c d p t i o no f s y s t e ms o l u t i o ni n c l u d i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f i w a r e 3 r dc h a p t e r ：i n t r o d u c t i o no ff u n c t i o nm o d e la n ds o l u t i o n 4 t hc h a p t e r ：s o l u t i o no f i m p o r t a n tc i r c u i t 5 t hc h a p t e r ：c o n c l u s i o n 英文摘要 k e yw o r d s ：c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y ；e m b e d d e d ；u c o s i i ；s 3 c 4 4 8 0 x 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文 = ：送& 堡笪! 叠翌堡暨! ! 茎! ! ! 王窒：。除论文 中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确、注明的其他个人或集体已经公 开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：寻小融f0 7 年岁月，同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位沦文属于：保密口 不保密口( 诘在以上方框内打“”) 论文作者签名：孙叫导师签名：孤是 同期：护7 年3 月沙e l 嵌入式i 稃机械犁浇脓控器的研究 第一章绪论 1 1 课题背景： 进入2 1 世纪，作为人类开发利用资源和进行基础建设最为有力工具的工程机 械，也进入了一个新的发展时期。在2 0 世纪工程机械诞生和发展的5 0 年间，他 在人类改造自然、利用自然的过程中发挥了重要作用。从二战历的经济恢复期， 高速增长期，到现存的经济f 稳期。工程机械在能源丌发，交通建设，设施建设 方面发挥了重要作用。 随着世界人口的增长，t 地利用率的要求进一步提高，发展中国家( 包括哑 洲、扣美和非洲) 大舰模公路及其他公共设施的基建的规模也进步扩大，工程 机械西| | 瞄着前所未有的发展机遇。在发达国家中，美国8 0 以i 二的设备靠租赁得 以流通使用，租赁总额高达2 6 0 0 亿美元，占全球租赁总额的4 5 ，市场渗透率高 达3 1 7 ，而中国租赁的渗透率只有万分之三。我国施工工程机械的租赁业务是在 2 0 世纪9 0 年代爿出现的新! 事物，由于近年来国内基础设施建设的蓬勃发展和亡 程机械市场的变化，工程机械租赁业务得到了迅速的发展，虽尚处初级阶段，f 黾 其巨大的市场潜力，已深深吸引了众多工程机械生产商和租赁业主。 随着西电东送、南水北调、西部大开发、城镇化建设的实施和推进，国内 工程机械租赁业发展良机j 下在到来。国家建殴急需的重大技术装备，国内制造企 业的新产品，在未完善技术之f ； j 先租出去试用，在试用中进行考核和改进，待技 术完善之后再正式进入市场。这样既赢得了改善产品性能的时问，又赢得了占领 市场的空间。 业内人士认为，工程机械租赁之所以能得到长足的发展，是由于它有着充分 的合理性和必然性。然而，目的国内工程机械租赁市场还存在一些问题，屋大的 问题是租赁机械进入现场以后的责任目题，现场如何管理，现场的安全协议，租 赁合同怎么搞，政府部门的协调以及行业协会的管理都尚不规厄。对于施工工程 车车砖的管理，确实是一个令租赁公司感到头疼的问题。 第一学绪伦 另一疗面，如果在监控技术上能有所突破，使租赁公司能够随时监控剑租借 出去工程乍辆的状态，就可以帮助一2 租赁企业做好设备的管理工作。出租后的车 辆能否被合理使用? 是否按规定及时科学保养? 车辆工作的时间段和累计 作时 间是多少? 完全了解这些类似信息在没有工程机械远程监控系统f i 对于租赁公司 是件非常困难的事情。 1 2 课题的目的和意义 本课题“嵌入式工程机械智能控制器的研究”，目的是设计新型智能化工程 机械机群通讯与定位系统，该系统以基j 二3 2 位嵌入式微处理器的智能监控器为核 心，通过扩展g p r s 无线通讯模块和g p s 全球定位等系统，实现租赁车辆的远程 监控功能。 这个目的正是根据上面提到的租赁公司的市场需求才得以产生的。如果能够 设计成功，则能使租赁公司能够全面的，实时的掌握工程车辆的状态，从而能更 好的管理整个租赁的流程，提高租赁设备的流通，更好的为社会服务。 1 3 国内外研究的现状 监控器作为工程机械的监控核心，在各种复杂工程机械中占据着及其重要的 地位，当然价格也不菲，进口的监控器售价达到每台几十万元人民币，在这个巨 大的市场中，国外的监控器几乎占领了圈内的全部市场，象芬兰的e p e c 、闩本的 h i t a c h i 、王菱、德国的西门子【i l 。 在这些监控器中，核心的几乎都是呵编程的p l c ，p l c 算法成熟，性能稳定 可靠，因此在监控器的使用中，非常广泛，以往的工程机械监控器功能比较简单， 所实现的功能只是将面板上的按钮转换为系统指令【2 。l ，以及检测系统状态，数掘 采集等。这些监控器力求稳定可靠并且尽可能使控制简单快捷。但是随着社会节 奏的加快，人们更注重提高工作效率，力求使监控器的界面更加人性化，所以现 在的监控器不仅强调本地的控制功能，还具备各种接口，包括网络，c a n 总线， 显示接口等，最先进的还带无线通信模块l “】，可以将本机的状态发送到远程控制 中心，在大屏幕上实时显示，如芬兰的e p e c 公司生产的e p e co y 控制系统及其 嵌入式i 。群机械智能出控器的 究 编程器，这套系统多大5 2 个i o ，具有8 m b 的闪存8 m b 的d r a m 雨l5 1 2 k 的 s r a m ，有两个c a n 和两个r s - - 2 3 2 和两个r s - - 4 8 5 ，处理器相当于4 8 6 的水平， 可以直接驱动1 2 片电液比例阀，配有专门的。应示屏，具有防水，防电磁f 扰，抗 冲击等功能，因而又被成为重型设备的移动p c 监控器，e p e co y 可以说是新一代 控制器的典型代表，丰富的接口，人性化的齐面，便其获得更广泛的认同。 另外新型等监控器。还要求有g i s 的功能，对j 二一项道路工程的建没，施工 现场可能绵延几十千米。物料的调度和管理都非常复杂，因此在工程车辆的运行 过程中，时刻掌握每两车的位置和状态，对j ：生产训度管理，合理配置资源，有 着非常重要的意义，所以一些监控器上带有g p s 和g i s 模块，美国的t r i m b l e 公 司的施工定位设备，通过g p s 可以设立施工标准，肛至可以控制铲车的铲动角度 1 7 】。 随着我国电于技术和芯片技术的飞速发艉，已纾有一些国内公司利月最新的 a r m 系列芯片技术柬开发带有上述功能的监控器，但是以任务的形式把每个独立 的功能模块放在uc o s ，i i 操作系统束实现整个监控器的功能还是比较少见的。 1 4 本文的创新点 结合u c o s i i 操作系统技术与a r m 7 嵌入式丌发技术，提出了满足f 再场需求 的监控器的解决方案。 1 5 本文的任务和结构 本文针对租赁行业面临一个管理难题提f b 了一套系统的解决方案，详细介绍 了系统的硬件组成，操作系统的移植。以及各个功能模块的实现，最后是对全文 的总结，提出了本课题一些不足和发展的前景。具体安排如下： 第一章详细介绍了本课题产生的主要市场背景。 第二章详细阐述了系统的解决方案包括破件的搭建和软件的框架。 第三章是对具体功能的描述和实现方案。 最后是本文的结束语，作出总结。 第一二章系统解决方窠 第二章、系统解决方案 2 1 系统简介 本系统，即锣能化机群通讯与定付系统主要由各单机监控器以及中心控制台 组成，如图2 1 所示。图中每台车辆为。个移动终端，配备有智能监抨器。监控器 除了通过c a n 通讯接口和l c d 显示厨具有采集及显示本机状态信息，还连接有 g p s 接收机( 图中用天线表示) 用以确定本机位詈，同时配备g p r s 无线调制解 调器( 图中用f 机表示) ，根据系统的时钟定时向控制中心发送本机的地理和状 态信息。g p r s 模块还可以接收控制中心的加速、停车等命令。 图2 1j 群机械监控系统结构图 f i g 2 1c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r ym o n i t o r i n gs y s t e m 控制中心接入g p r s 网络，通过g p r s 协议接收各终端的信息，经数掘处理， 在电子地图上显示终端位置和运行情况。同时调用数据库进行优化计算，对移动 车辆发送调度指示。 嵌入式l 群机械钾能监控器的研究 2 2 系统结构设计 2 2 1 、硬件组成 艮摆系统整体需求，具体结构图2 2 所示； 丽 i 塑旦l i j f i2 2 监控器硬件结午勾图 f i g 2 2f r a m eo fm o n lt o th a r d w a r e 系统主要配置 c p u 板：采用s a m s u n g 公司的a r m 7 t d m i 内核的s 3 c 4 4 b o x 芯片，1 6 b i t 数掘总线，工作频率最高6 6 i h z ： 外部存储器扩展：4 1 m 1 6 b i t 的s d r a m 和2 埘1 6 b i t 的f l a s h ； 标准的r s 2 3 2 接口； 实时时钟( r t c ) 单元； l ( i s 0 3 8 a a l a k g 8 3l c d 液晶显示器( 2 4 0 x 3 2 0 ) s i m l 0 0g p r s 无线通讯模块 c a n 控制器( s j a i 0 0 0 ) + c a n 收发器( t j a l 0 4 0 t ) 组成的c a nb u s 通讯接口 g a m i n l 5g p s 模块 5 第- 二晕系统解决方案 软件结构采月j 当今流行的免费实时擞作系统uc o s 1 i 。陔操作系统具有内核 小、实时性强、稳定可靠等突出优点，j i 常适合在】程机械的现场恶劣条件下运 彳j 。 2 2 2 、开发环境简介 本系统所采用的) r 发环境为a r m 公司的a d s l 2 集成开发环境。全称a r m d e v e l o p e r s u i t ，如图2 3 所示，开发方式是主机+ j t a g + 开发板的方式，如图2 4 。 图2 3 a d s l 2 f i g 2 3a d s l 2 6 嵌入，l 群机械缯能监控器的研究 幽2 4 目标板 f 培2 4o b j e c tb o a r d 2 2 3 、系统的任务及启动过程 系统任务的建立 根据系统的要求需要建立如下任务 1 主任务( m a i nt a s k ：发送向控制中心发送状态信息) 2 键盘扫描任务( k e y _ s c a nt a s k ) 3 g p s 扫描任务( g p s _ s c a nt a s k ) 4 g p r s 扫描任务( 6 p r s s c a n t a s k ) 5 l c d 刷新显示任务( l c d _ f r e s ht a s k ) 因为控制器外围设备比较多，其中主要是串行口设备。并且这些设备与控制 器的通讯多数是双向通讯，也就是说不但需要监控器向这些设备发送控制信息， 还要实时的接收设备上传的信息。所以为了更好的进行通讯，需要专门开设任务， 对各个串行口进行扫描，并且设立专门的栈存储数据。目蓟系统的串行口采用的 是中断力式，每当串行口有数据进入，就会产生一个系统中断。在这个中断中， 系统会门动的将串行口的数据发送到串1 1 缓冲区中。串行口扫描的主要任务就是 将这些数掘从串口缓冲区中读出，并且根掘不同的设备执行相应的任务。在本系 7 第一章系统解决力棠 统中，串行i j0 连接的是g p s 模块，串豹口i 违接的是g p r s 设备。 系统启动流程 圈一圈压 匡 巨至卜宙 图2 5 系统启动流程 f i g 2 5f l o wc h a r to fs y s t e ms t a r t 程序如下 i n tm a i n ( o n ta r g c ，c h a r ”a r g v ) a r m t a r g e t l n i t o ；d ot a r g e t ( u l - t a lb a s e da r ms y s t e m ) i n t i a l i z a t i o n o s l n i t 0 ；nn e e d e db y “c ，o s i i u h a l r _ r e s e t m m u 0 ； l c d _ i n i t 0 ；i n i t i a l i z et h el c d m o d e l l c d _ p r i n t f ( ”l c di n i t i a l i z a t i o ni so l 【n ”) ； l c d _ p r i n t f ( ”2 4 0 x 1 2 8t e x tm o d e l n ”) ； l o a d f o n t 0 ； c r e a t et h es y s t e mt a s k 8 【妖入式拌机触钾能监抒器的研究 l c p _ p r i n t f ( ”c r e a t et a s ko n z c o s - - i i ”) o s t a s k c r e a t e ( m a i n _ t a s k ，( v o i d ) o ，( o s s t k + ) & m a i n _ s t a c k s t a c k s i z e 。8 1 】， m a i l l j a s k _ _ p f i o ) ；1 o s t a s k c r e a t e ( l c d _ f r e s h _ t a s k ，( v o i d + ) 0 ，( o ss t k 4 ) & l c d _ f r e s h s t a c k s t a c k s i z e + 8 一l 】，l c d f r e s h _ p d o ) ；i 1 0 o s t a s k c r e a t e ( k e ys c a n _ t a s k ，( v o i d ) o ，( o ss t k + ) & k e y _ s c a n _ s t a c k s t a c k s i z e 。8 1 】，k e y _ s c a np r i o ) ；玎 o s t a s k c r e a t e ( g p s _ s c a n _ t a s k ，( v o i d + ) o ，( o ss t k + ) & g p ss c a n _ s t a c k s t a c k s i z e 8 1 】 g p s s c a n p r i o ) ；1 2 o s t a s k c r e a t e ( g s ms c a n _ t a s k ，( v o i d + ) 0 ，( 0 s - s t k + ) & g s m _ s c a ns t a c k s t a c k s i z e + 8 1 】，g s m s e a n _ p r i o ) ；1 3 l c dp r i n t f ( ”s t a r t i n g # t c o s - - 1 i n ”) ； l c d _ p r i n t f ( ”e n t e r i n gg r a p hm o d e 协”) ； l c d _ c h a n g e m o d e ( ”l c di n i t i a l i z a t i o n i so k ”) ； i n i t o s g u i ( ) ； i n i t g t c 0 ； l c d f r e s h _ m b o x = o s b o x c r e a t e ( n u l l ) ； 刨建l c d 刷新邮箱 i c d d i s p _ s e m = o s s e m c r e a t e ( 1 ) ； 创建l c d 缓冲区控制权旗语，初值为1 ，满足互斥条件 n a n d r w s e m = o s s e m c r e a t e ( 1 ) ； 9 第章系统解决方窠 危u 建n a n d f l a s h 读写控制权旗语，仞值为1 满足互斥条件 a r m t a r g e t s t a r t o ；s t a r tt h e ( u h a lb a s e da r ms y s t e m ) s y s t e mr u n n i n g o s s t a r t 0 ； s t a r tt h es y s t e m 2 3a r m 基础知识介绍 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。从2 0 世纪9 0 年代开始，a r m3 2 位嵌入 式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 ) 处理器扩展到世界范围，逐渐占据 了低助耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。在实验开始之前， 有必要对有关它的一些基础知识进行了解。 2 3 1 跚寄存器 a r m 处理器共有3 7 个寄存器。其中包括：3 1 个通用寄存器，包括程序计数器 ( p c ) 在内。这些寄存器都是3 2 位寄有器。以及6 个3 2 位状态寄存器。但目前只 使用了其中1 2 位。a r m 处理器共有7 种不同的处理器模式，在每一种处理器模式 中有一组相应的寄存器组【引。任意时刻( 也就是任意的处理器模式下) ，可见的寄存 器包括1 5 个通用寄存器( r o a r l 4 ) 、一个或两个状态寄存器及程序计数器( p c ) 。 在所有的寄存器中，有些是各模式共用的，日一个物理寄存器：有一些寄存器是各 模式自己拥有的独立的物理寄存器。表1 1 列出了各处理器模式下可见的寄存器 情况【9 】。 0 l i , x 式i 利机械智能监控器的研究 太2 1 芹种处理器模式 的寄打器 t a b2 ，1 h er e g i s t e ri nd i t f e r e n tp r o c e s s o rm o g e 未定义指外部巾断快速中断 用户模式系统模式舶权模式中止模式 令模式模式 模式 r o r o r or or or or o r 1r 1 r 1 r 1r lr lr 1 r 2r 2r 2r 2 r 2r 2 r 2 1 t 3 r 3 r 3r 3r 3 k ：j r 3 r 4r 4r 4r 4r 4 r 4r 4 r 5 r 5 r 5r 5r 5r 5r 5 r 6r 6r 6 r 6r 6r 6r 6 r 8r 8r 8 r 8 r 8 r 8 r 8 一f i q r 9r 9r 9 r 9r 9r 9 r 9 一f i q r 1 0r i or l or 1 0r 1 0 r 1 0 r i o j i q r 1 lr 1 lr 1 lr 1 1r 1 1r l l r 1 l f i q r t 2r 1 2r 1 2r 1 2 r 1 2r 1 2 r 1 2 一f i q r 1 3r 1 3r 1 3s v cr 1 3 a b tr 1 3u n d r 1 3 一i n q r 1 3 j i q r 1 4r 1 4r 1 4s v c r 1 4 一a b t r 1 4 u n d r 1 4 一i n qr 1 4 一f i q p cp cp cp cp cp c p c c p s rc p s rc p s rc p s rc p s r c p s r c p s r s 阿ks v cs p s ra b t s p s ru n d s p s i | 一in q s p s r f i q 通用寄存器 1 1 第，章系统解；九疗案 通用奇存器可以分为f 面3 炎：未备份奇存器( 7 f h eu n b a n k e dr e g i s t e r q ) ， 包括r o r 7 。备份寄存器( t h eb a n k e dr e g i s t e r s ) ，包括r 8 r 1 4 。程序计数器 p c ，即r 1 5 。 未备份寄存器 未备份寄存器包括r o a r 7 。对于每个未备份寄存器来说，在所有的处理器 模式下指的都是同一个物理寄存器。在异常中断造成处理器模式切换时，由f 不 同的处理器模式使用相同的物理寄存器，可能造成寄存器中数据被破坏。未备份 寄存器没彳j 被系统用于特别的用途，任何可采用通用寄存器的应用场合都可以使 用未备份寄存器。 备份寄存器 对于备份寄存器r 8 r 1 2 来说，每个寄存器对应两个不同的物理寄存器。例 如，当使用快速中断模式f 的寄存器时，寄存器r 8 和寄存器r 9 分别记作r 8 _ f i q 、 r 9 一f i q ；当使用用户模式f 的寄存器时，寄存器r 8 和寄存器r 9 分别已作r 8 一u s e 、 r 9 一u s r 等。在这两种情况下使用的是不同的物理寄存器。系统没有将这几个寄存 器用于任何的特殊用途，但是当中断处理非常简单，仅仅使用r 8 r 1 4 寄存器时， f i q 处理程序可以不必执行保存和恢复中断现场的指令，从而可以使中断处理过程 非常迅速。对于备份寄存器r 1 3 和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和系统模式共用的；另外的5 个对应于其他5 种处 理器模式。采用记号r 1 3 一 束区分各个物理寄存器： 其中， 可以是下面几种模式之一：u s r 、s v c 、a b t 、u n d 、i r q 及f i q 。 寄存器r 1 3 在a r m 中常用作栈指针。在a r m 指令集中，这只是一种习惯的用 法，并没有任何指令强制性的使用r 1 3 作为栈指针，用户也可以使用其他的寄存 器作为栈指针；而在t h u m b 指令集中，有一些指令强制性地使用r 1 3 作为栈指针。 每一种异常模式拥有自己的物理的r 1 3 。应用程序初始化该r 1 3 ，使其指向该 异常模式专用的栈地址。当进入异常模式时，可以将需要使用的寄存器保存在r 1 3 所指的栈中：当退出异常处理程序时，将保存在r 1 3 所指的栈中的寄存器值弹出。 这样就使异常处理程序不会破坏被其中断程序的运行现场。 嵌人式i 群机械智能簖控器的研究 寄存器r 1 4 又被称为近拨寄存器( l l n kr e g i s t e r ，l r ) ，香a r m 体系中具仃i ? i f i 】两种特殊的作用：每- - g , 处理器模式自己的物理r 1 4 中存放在当前子程序的返 p 一1 地址。当通过b l 或b l x 指令调用予科序时，r 1 4 被殴胃成该f 程序的返刚地址。 存子程序中，当把r 1 4 的值复制到程序计数器p c 中时，予程序即返回。 当异常中断发生时，该升常模式特定的物理r 1 4 被设置成该异常模式将要返 回的地址，对于有些异常模式，r 1 4 的值可能与将返回的地址有一个常数的偏移量。 具体的返回方式与上面的予利序返回方式基本相同。 r 1 4 寄存器也可以作为通用寄存器使用。 程序计数器r 1 5 程序计数器r 1 5 又被u 作p c 。它虽然可以作为一般的通用寄存器使用，f h 赴 有一些指令在使用r 1 5 时有一些特殊限制。当违反了这些限制时，该指令执行的 结果将是不可预料的。 由于a r m 采用了流水线机制，当正确读取了p c 的值时，该值为当时指令地址 值加8 个字节。也就是说，对于a r m 指令集来说，p c 指向当前指令的下两条指令 的地址。 由于a r m 指令是字对齐的，p c 值的第0 位和第1 位总为0 。需要注意的是， 当使用指令s t r s t m 保存r 1 5 时，保存的可能是当前指令地址值加8 字节，也可 能保存的是当前指令地址加1 2 字节。到底是哪种方式，取决于芯片具体设计方式。 无论如何，在同一芯片中，要么采用当前指令地址加8 ，要么采用当前指令地址加 1 2 ，不能有些指令采用当前指令地址加8 ，另一些指令采用当前指令地址加1 2 。 因此对于用户来说，尽量避免使用s t r s t m 指令来保存r 1 5 的值。当不可避免这 种使用方式时，可以先通过。些代码束确定所用的芯片使用的是哪种实现方式。 对于a r m 版本4 以及更高的版本，程序必须保证写入r 1 5 寄存器的地址值的 b i t s 1 ；o 为o b 0 0 ；否贝4 将会产生不可预知的结果。 对于t h u m b 指令集柬浣，指令是半字对齐的。处理器将忽略b i t 0 ，即写入 r 1 5 的地址值首先与o x f f f f f f f c 做与操作，再写入r 1 5 中。 第章系统解决方案 还有一些指令对于f “5 的用法有一些特殊的要求。比如指令b x 利用b i l 0 来确定是a r m 指令，还赴t h u m b 指令。这种读取p c 值和写入p c 值的不对称的操 作需要特别注意。 程序状态寄存器 c p s r ( 当前程序状念爵存器) 可以在任何处理器模式下被访问。它包含了条件 标志位、中断禁止位、”1 前处理器模式标志以及其他的一些控制和状态位。每一 种处理器模式下都有一个专用的物理状态寄存器，称为s p s r ( 备份程序状态寄存 器) 。当特定的异常中断发生时，这个寄存器用于存放当前程序状态寄存器的内容。 在异常中断程序退出时，可以用s p s r 中保存的值来恢复c p s r 。 由于用户模式和系统模式不是异常中断模式，所以它们没有s p s r 。当在用户 模式或系统模式中访问s p s r ，将会产生不可预知的结果。 c p s r 的格式如下所示。s p s r 格式与c p s r 格式相同。 表2 2c p s r 的格式 t a b2 2t h ef o r m a to fc p s r 2 3 2 、条件标志位f 1 0 l n ( n e g a t i v e ) 、z ( z e r o ) 、c ( c a r r y ) 及v ( o v e r f l o w ) 统称为条件标志位。大部分 的a r m 指令可以根据c p s r 中的这些条件标志位来选择性地执行。各条件标志位的 具体含义如表1 2 所示。 表2 3c p s r 中的条件标志位 t a b2 3f l a gb i t o ft e r mi nc p s r l 标，位含义 | n 奉位潋冒成”1 前指令运笋结果的b i t 3 1 ) 的值 与曲个补码表小的仃符j 整数运算时，n = i 表小运算的结果为免数；n = 0 表小结果为正数或零 z z = 1 表小运算的结果为零：z = 0 表示运算的结果小为零 1 4 嵌入式f j 机械智能监控器的研究 对j 。c m p 指令7 = i 丧小进行i 下血分4 种怖，小，f 论c 的d 种加往指令中l 包把比较指t 生l 澈： ；j l 他情，m 下c = o 托减泣搀令中包括比较捂一 溢；其他情况下c = i 。 对于包含移位操作的非加 对十j t 他非加减，上运算指令， 对于加减，运算指令， v 表4 符号位溢出。 通带址他的指令小彬响v 位j 较们曲个教人小相等。 冒力店： c m m ，粕结果产生r 进位，则c = 1 表求尤符0 散运算发 c m n 当运算中发生 也也烈c = o 袭小七符v 数运_ 蓐发生下 或泣运算指c 中包含最后一次溢h ；的位数数值。 ：位的值通常小受蟛响。 i 圭军：们数和运算结果为一进制的补蚂表小的带符0 数时v = i 体a ，参考再指令的说明。 q 标志位 在a r m v 5 的e 系列处理器中，c p s r 的b i t 2 7 称为q 枷；志位，主要用于指示 增强的d s p 指令是否发生了溢出。同样的s p s r 中的b i t 2 7 也称为q 标志位，用 于在异常中断发生时保存和恢复c i ，s r 中的q 标志位。 在a r mv 5 以前的版本及a r mv 5 的j e 系列的处理器中，q 标志位没有被定义。 c p s r 的b i t 2 7 属于d n m ( r a z ) 。 一c p s r 中的控制位 c p s r 的低8 位i 、f 、t 及m 1 ：0 统称为控制位。当异常中断发生时这些位 发生变化。在特权级的处理器模式f ，软件可以修改这些控制位。 i ) 中断禁止位 当i = l 时禁止i r q 中断。 当f = i 时禁止f i q 中断。 2 )t 控制位 t 控制位用于控制指令执行的状态，即既明本指令是a r m 指令，还是t h u m b 指 令。对与不同版本的a r m 处理器，1 控制位的含义不同。对于a r m y 4 以及更高版本 的t 系列的a r m 处理器， t = o 表示执行a r m 指令。 t = i 表示执行t h u m b 指令。 对于a r m y 5 以及更高的版本的i t 系列的a r m 处理器，t 控制位含义如下： 1 5 第章系统解决方案 t = 0 表小执行a r m 指令。 t = i 表小强制下一条执行f 内指令产生未定义指令中断。 3 )m 控制位 控制位m 4 ：0 控制处理器模，具体含义如表l 。3 所示。 表2 4 控制位m 4 ：0 的含义 t a b2 4t h em e a n i n go fc o n t r o lb i t 4 ：0 m 1 4 ：0 】 处理器模式可诊j 闯的寄存器 o b l 0 0 0 0u s e tp c ，r 1 4 一r o ，c p s r 0 b 1 0 0 0 1 f 1 q p c ，r 1 4 _ f i q r s _ f l q ，r 7 一r 0 ，c p s r ，s p s rn q o b l 0 0 l o 1 r o p c ，r 1 4 一i r q r 1 3 一i r q ，r 1 2 一r 0 ，c p s r ，s p s r i r q o b l 0 0 1 l s u p e r v i s o r p c ，r 1 4 _ s v c - r 1 3s v c ，r 1 2 r 0 ，c p s r ，s p s r _ s v c 0 b 1 0 1 1 1a b o r tp c tr 1 4 _ a b t - r 1 3 _ a b t ，r 1 2 r 0 ，c p s r ，s p s r _ a b t o b l l 0 1 1u n d e f i n e d p c ，r 1 4 _ u n d r 1 3 一u n d ，r 1 2 - r 0 ，c p s r ，s p s r u n d c p s r 中的其他位 c p s r 中的其他位用于将来a r m 版本的扩展。应用软件不要操作这些位，以免 与a r m 将来版本的扩展冲突。 a r m 体系中存储系统 这罩仅仅介绍a r m 编程模型中与存储系统相关的一些概念。 a r m 体系中的存储空间 a r m 体系使用单一的平板地址宅问。该地址空l 日j 的大小为2 “个8 位字节。这 些字节单元的地址是一个无符号的3 2 位数值，其耿值范围为0 到2 3 2 _ 一1 。a r m 的 地址空间也可以看作是2 ”个3 2 位的字单元。这些字单兀的地址可以被4 整除，也 就是说该地址的低两位为0 b 0 0 。地址为a 的字数据包括地址为a 、a + i 、a + 2 、a + 3 4 个字节单元的内容。 在a r m 版本4 及以上的版本中，a r m 的地址空问也可以看作是2 ”个1 6 位的半 字单元。这些半字单元的地址可以被2 整除，也就是晚l 袭地址的最低位为0 b 0 。地 址为a 的半字数据包括地址为a 、a + 1 两个字节单元的内容。 嵌入式f 。样机械智能监控器的研究 备存储单7 的地je 作为3 2 位的无符号数，可以进行，曾规的整数运算。这些运 算的结果进行2 ”取校。也就是i 兑，运算结果发生上溢出徊下溢出时，地址将会发 尘卷绕