（计算机应用技术专业论文）基于arm的车辆动力性能测试系统设计与研究.pdf

山东理丁人学硕七学位论文中文摘要 摘要 汽车的动力性能是汽车综合性能好坏的标志性参数，直接关系到人民的生 命财产安全、环境保护、能源利用等多方面的问题。其准确的检测数据，不仅 可以真实的反映车辆的综合性能技术状况，而且对汽车的合理使用、维修质量 的监控都有十分重要的意义。 随着我国汽车产业和交通事业的迅猛发展，车辆的技术性能和质量越来越 高，对车辆动力性能检测仪器的使用也越来越普及，对检测仪器的需求量也越 来越大。目前动力性能检测有台架法和路试法，台架法虽然被广泛使用，但是 由于其检测结果不能直接反映机动车的实际状况，存在一定的缺陷。而路试法 能确切的检测汽车道路行驶的动力性能。随着计算机技术的飞速发展，越来越 多的融入先进技术的便携式道路动力性能测试系统被研制出来。 本文介绍了动力性能检测方法，设计了一套基于a r m 的车辆动力性能测 试系统。该系统采用目前先进的嵌入式软硬件技术，软件方面移植了i 上c o s i i 嵌入式实时操作系统，设计开发了1 2 c 、u s b 和液晶模块驱动程序。硬件方面 以a r m 7 内核的微处理器l p c 2 2 9 2 为核心，扩展了键盘、l c d 液晶显示、试 验数据存储、u s b 接口等硬件模块。通过定时器捕获等功能接口，采集来自 a r m 系统前端的非接触式传感器的车速信号和制动信号，处理后的数据可以 在液晶上显示出来，存储在数据存储单元，同时也可以通过u s b 接口将采集 和计算的各种数据传送到上位机中。 关键词：动力性能检测；l p c 2 2 9 2 ； t c o s - i i 山东理下人学硕l 学位论文 英文摘要 a b s t r a c t d y n a m i cp e r f o r m a n c e o fm o t o rv e h i c l e sa r eav e r yv i t a lp e r f o r m a n c e p a r a m e t e r so fm o t o rv e h i c l e s ，a n dd i r e c t l yr e l a t e dt op e o p l e sl i v e sa n dp r o p e r t y s a f e t y ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，e n e r g yu s e ，a n dm a n yo t h e rq u e s t i o n s a c c u r a t e t e s td a t ac a nn o to n l yr e f l e c tt h et r u ep e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l e ，b u ta l s op l a ya v e r yi m p o r t a n tr o l ei nu s i n gc a r s ，m o n i t o r i n gt h eq u a l i t yo fr e p a i r w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fc h i n a sa u t o m o b i l ei n d u s t r ya n d t r a n s p o r t a t i o n ，t h et e c h n i c a lp e r f o r m a n c eo fv e h i c l e sb e c o m e sm o r ee f f e c t i v e ，t h e h i g h q u a l i f i e dt e s te q u i p m e n t sa r eg e t t i n gm o r ep r e v a l e n t ，a n dt h ed e m a n d f o rt e s t e q u i p m e n t si sg r o w i n g a tp r e s e n t ，t h e r e a r et w om e t h o d sf o rt e s t ：d y n a m i c p e r f o r m a n c et e s tb e n c ha n dr o a d t e s to ft h el a w a l t h o u g ht h eb e n c hh a sb e e n w i d e l yu s e d ，b u tb e c a u s et h e i rt e s tr e s u l t sc a nn o td i r e c t l y r e f l e c tt h ea c t u a l s i t u a t i o no fm o t o rv e h i c l e s ，t h o s em e t h o d sn e e df u r t h e rm o d i f i c a t i o n a n dt h er o a d t e s tm e t h o dc a nd e t e c tt h ee x a c tr o a dv e h i c l ed y n a m i cp e r f o r m a n c e w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，m o r ea n dm o r ea d v a n c e dt e c h n o l o g ya p p l i e s i n t ot h ep a t ho ft h ep o r t a b l e d y n a m i cp e r f o r m a n c e t e s ts y s t e m sh a v eb e e n d e v e l o p e d t h i sp a p e rd e s c r i b e st h et e s tm e t h o do ft h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e ，d e s i g nas e t o fa r m b a s e dp e r f o r m a n c et e s t i n gs y s t e mf o rv e h i c l ed y n a m i ct e s t t h es y s t e m u s e sa d v a n c e de m b e d d e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r et e c h n o l o g y 1 x c o s i ir e a l - t i m e e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi st r a n s p l a n t e di n t ot h i ss y s t e ma st h es o f t w a r e p l a t f o r m ，i 2 c ，u s ba n dl c d d r i v e rm o d u l ea r ed e v e l o p e d a sf o rh a r d w a r ea s p e c t ， a r m 7m i c r o p r o c e s s o rc o r e ，l p c 2 2 9 2 ，i sa p p l i e d t h ee x p a n s i o nd e v i c e si n c l u d e l c dl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y , t e s td a t as t o r a g e ，u s bi n t e r f a c ea n do t h e rh a r d w a r e m o d u l e s t i m e r sa r eu s e dt o c a p t u r ef e a t u r e s s u c ha si n t e r f a c e s ，f r o n t - e n d a c q u i s i t i o ns y s t e mf r o ma r m sn o n c o n t a c ts p e e ds e n s o rs i g n a la n db r a k es i g n a l t h e nt h ed a t ac a nb ed i s p l a y e do nt h el c d ，w h i c ha r es t o r e di nt h ed a t as t o r a g e u n i t ，i na d d i t i o n ，t h ed a t ac a nb ec o l l e c t e d ，c a l c u l a t e d ，o rs e n tt oh o s tc o m p u t e rv i a i ，s bi n t e r f a c e k e yw o r d s ：d y n a m i cp e r f o r m a n c et e s t ；l p c 2 2 9 2 ；i a c o s i i 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得山东理工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。 研究生签轹裎i 沿海1 ，一 时间： 衣一7 年f 月么日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 箍治琦 膨粝k 时间：盆1 年月g 日 悯：西，7 年月日 山东理t 大学硕f j 学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 汽车检测技术是伴随汽车技术的发展而发展的，汽车综合性能检测是汽车 后市场的一个组成部分，是对维修车辆实行质量监督，建立质量监控体系的重 要措施。目前，国内对机动车性能指标的检测主要通过两类仪器，一类是机动 车检测线，主要用于常规性能及安全性能检测，需要有固定的厂房安装检测设 备，典型应用为交警车辆管理所、机动车生产厂商等。另一类是便携式测试仪， 可用于机动车的道路试验，直接反映机动车的实际状况，使用方便，价格便宜， 应用面广【。 汽车的性能检测包括动力性能、安全性能和经济性能检测。其中动力性能 是汽车综合性能好坏的标志性参数，直接关系到人民的生命财产安全、环境保 护、能源利用等多方面的问题。其准确的检测数据，不仅可以真实的反映车辆 的综合性能技术状况，而且对汽车的合理使用、维修质量的监控都有十分重要 的意义【2 1 。 目前，基于a r m 技术的微处理器应用约占据3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无 线系统等各个领域。8 位m c u 市场已逐步趋向稳定，3 2 位m p u 代表着嵌入 式技术的发展方向，正在加速发展。在3 2 位嵌入式微处理器市场上，基于a r m 内核的微处理器在市场上处于绝对的领导地位，因此追踪a r m 技术的发展趋 势显得尤为重要。 本课题研究的是一种基于a r m 的车辆动力性能测试系统。该系统是以基 于a r m 内核的微处理器单元( m p u ) 为核心，配以各种传感器组成嵌入式测试 系统，并通过友好易用的界面与测试人员交互。本系统不仅适合各类汽车的动 力性能指标测试，而且还可应用于农用运输车辆、摩托车及其他机动车辆的产 品测试。目前该类测试系统一般属于微控制器单元( m c u ) 加数码显示方式， 功能较弱，不易扩充，数据处理能力较差，编程复杂，不易升级。因此，设计 一种以a r m 为内核、编程简单、功能强大、使用方便、测试精度及可靠性高、 易用性和交互性好的车辆动力性能测试系统是十分必要的。特别是我国加入 w t o 以后，汽车工业的发展、机动车辆的增加以及公路运输的发展，对汽车 动力性能要求越来越高。因此，对基于a r m 的车辆动力性能测试系统设计与 研究具有很重要的现实意义。 山东理t 大学硕一j ：学位论文 第一章绪论 1 2 车辆性能检测技术发展概况 7 0 年代以来，随着科学技术的进步，国外汽车检测设备在智能化、自动 化、精密化、综合化方面都有新的发展，应用新技术开拓新的检测领域，研制 新的检测设备，出现了汽车检测诊断、控制自动化、数据采集自动化、检测结 果直接打印等功能的现代综合性能检测技术和设备。从而在检测技术上向“智 能化、自动化检测”方向发展。 7 0 年代，我国大力发展了汽车检测技术，汽车不解体检测技术及设备被 列为国家科委的开发应用项目。由交通部主持研制开发了反力式汽车制动试验 台；惯性式汽车制动试验台；发动机综合检测仪；汽车性能综合检验台p j 。 进入8 0 年代，随着国民经济的发展，科学技术的各个领域都有了较快的 发展，汽车检测及诊断技术也随之得到快速发展，加之我国的汽车制造业和公 路交通运输业发展迅猛，对汽车检测诊断技术和设备的需求也与日俱增。我国 机动车保有量迅速增加，随之而来的是交通安全和环境保护等社会问题。如何 保证车辆快速、经济、灵活，尽可能避免造成社会公害等问题，已逐渐被提到 政府有关部门的议事日程，因而促进了汽车诊断和检测技术的发展。交通部主 持研制开发了汽车制动试验台、侧滑试验台、轴( 轮) 重仪、速度试验台、灯光 检测仪、发动机综合分析仪、底盘测功机等测试仪器1 4 j 。 目前国外的汽车检测设备已大量应用光、机、电一体化技术，并采用计算 机测控，有些检测设备具有专家系统和智能化功能，能对汽车技术状况进行检 测，并能诊断出汽车故障发生的部位和原因，引导维修人员迅速排除故障。我 国目前的汽车检测设备在采用专家系统和智能化诊断方面与国外相比还存在 较大差距。如四轮定位检测系统，电喷发动机综合检测仪等，还主要依靠进口。 今后我们要在汽车检测设备智能化方面加快发展速度。 我国的汽车综合性能检测站部分已实现了计算机管理系统检测，虽然计算 机管理系统采用了计算机测控，但各个站的计算机测控方式千差万别。即使采 用计算机网络系统技术的，也仅仅是一个站内部实现了网络化。随着技术和管 理的进步，今后汽车检测将实现真正的网络化，从而做到信息资源共享、硬件 资源共享、软件资源共享。目前国际上，车辆性能检测正朝着智能化、高精度、 便携式、网络化、一体化的方向发展。a r m 公司设计的芯核具有功耗低、成 本低等显著优点，因此获得了众多半导体厂家和整机厂商的大力支持，目前设 计和生产a r m 芯片的国际大公司已经超过5 0 家。国内，中兴通讯和华为通 讯等公司也已经购买a r m 公司的芯核，用于通讯专用芯片的设计。此外，a r m 芯片还获得了许多实时操作系统供应商的支持，比较知名的有：w i n d o w sc e ， l i n u x ，p s o s ，v x w o r k s ，n u c l e u s ，e p o c ，i 上c o s i i 等。 2 山东理t 大学硕1 j 学位论文第一章绪论 近两年来国内的3 2 位嵌入式开发也异常火爆，比较流行的a r m 芯核有 a r m 7 t d m i ，s t r o n g a r m ，a r m 7 2 0 t ，a r m 9 t d m i ，a r m 9 2 2 t ，a r m 9 4 0 t ， a r m 9 4 6 t ，a r m 9 6 6 t ，a r m l 0 t d m i 等。a r m 7 t d m i 是公司授权用户最多的 一项产品，它把a r m 7 指令集同t h u m b 扩展指令集组合在一起，大大减少内 存容量和系统成本，己广泛用于工业控制、移动通信、i n t e r n e t 设备、网络和 调制解调器、便携式检测设备等多种多媒体和嵌入式应用之中。基于3 2 位s o c 芯片的应用系统能够大大提高产品的性能和附加值，增强产品的市场力，越来 越多的工程师开始将目光从8 位、1 6 位转移到3 2 位微处理器上。因此，开发 一种基于a r m 的成本低、功能强、安装简单、使用方便的车辆测试系统，是 目前车辆测试的发展趋势。 1 3 汽车动力性能检测方法 1 3 1 汽车滑行试验方法 汽车滑行是指汽车加速至某一预定车速后摘档，利用汽车的动能( 惯性) 继续行驶直至停车。汽车的滑行性能直接反映出了汽车在行驶过程中滚动阻力 和空气阻力对汽车行驶的影响，从而也反映了汽车行驶的经济性。 进行滑行试验时应保证汽车的状态符合汽车进行基本性能试验的条件，同 时气象等条件也应符合一般试验条件的要求。在进行汽车的滑行试验时只用到 测量距离的传感器和数据处理及输出的二次仪表。 根据国家标准g b t 12 5 3 6 19 9 0 汽车滑行试验方法1 5 l 规定，在长约10 0 0 m 的试验路段两端立上标杆作为滑行区段。试验时，汽车以预定的车速进入试验 路段，摘档滑行，同时启动测试仪器，根据一定的采样间隔记录滑行试验过程 中的速度、距离、时间。试验至少需往返各进行一次，往返区段尽量重合，取 其两次试验的算术平均值作为试验结果。 1 3 2 汽车加速性能试验方法 汽车的加速能力可用它在水平良好路面上行驶时能产生的加速度来评价， 但是由于其数值不易测量所以实际中常用加速时间来表明汽车的加速能力。 按照国家标准g b t 1 2 5 4 3 - 1 9 9 0 t 6 l 规定，汽车加速性试验方法为：在试验道 路上，选取合适长度的路段，作为加速性能试验路段，在两端各放置标杆作为 记号。汽车在变速器预定档位，以预定车速( 从稍高于该档最低稳定车速起， 选5 的整数倍之速度如2 0 、2 5 、3 0 、3 5 、4 0 k m h ) 作等速行驶，当车速稳定后( 偏 3 山东理- t 大学硕十学位论文第一荦绪论 差l k m h ) ，驶入试验路段，迅速将油门踏板踩到底，使汽车加速行驶至该档 最大车速的8 0 以上，对于轿车应达到1 0 0 k m h 以上。 试验往返各进行一次，往返加速试验的路段应重合。根据记录数据，分别 绘制试验车往返两次的加速性能曲线( v - t 和v s ) ，取两次曲线的平均值绘制 汽车的加速性能曲线。并从加速性能曲线中取出合适的点按标准填入相应的表 格中作为加速性能试验的结果。 1 3 3 汽车制动性能试验方法 1 汽车的制动性 汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向稳定性和在下长坡时能维 持一定车速的能力，称为汽车的制动性。制动性能是汽车的主要性能之一。制 动性能的好坏直接关系到行车安全，性能良好和可靠的制动系统可保证行车安 全，避免交通事故。反之，很容易造成车毁人亡的恶性事故。同时，制动性能 的好坏还影响到汽车动力性的发挥。因此，无论是新车出厂检测还是在用车辆， 都将其作为重点检测项目之一。 2 制动性的评价指标 汽车的制动性主要由下列三个方面来评价： ( 1 ) 制动效能，即制动距离与制动减速度。 ( 2 ) 制动效能的恒定性，即抗热衰退性能。 ( 3 ) 制动时汽车的方向稳定性，即制动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失 去转向能力的性能。 在良好的路面上，制动效能是汽车制动性能首要考虑的因素，是最基本的 评价指标。 2 0 0 4 年1 0 月1 日起实施的g b 7 2 5 8 - 2 0 0 4 机动车运行安全技术条件【_ 7 1 规 定，用测量制动距离或充分发出的平均减速度的方法来检验汽车的制动性能。 3 制动性试验方法 根据国家标准g b l 2 6 7 6 1 9 9 9 8 1 规定，制动试验场地应为平整匀质路面。 试验时，汽车进入试验路段前，驾驶员调整汽车以预定的车速直线行驶，并开 始记录测量参数的信号。进入试验路段后，对汽车实施紧急制动，以尽可能大 的制动减速度制动到停车。标准规定，制动的参考初速度分别为3 0 k m h 、6 5 k m h 和8 0 k m h 。 1 4 本课题的主要研究内容及创新点 4 山东理工人学硕十学位论文第一覃绪论 本课题来源于王振友教授的校级科研基金项目“基于a r m 的便携式机动 车性能检测仪器的研究 。该研究是在现有检测仪器的基础上，研制以a r m 为核心，配以各种传感器并采用l c d 即时显示测试曲线的便携式、多功能、智 能型新一代机动车性能检测系统。本研究属于其中一个子课题。 1 4 1 本课题的主要研究内容 本课题研究的是一种基于a r m 的车辆动力性能测试系统。该系统是以 a r m 7 内核的微处理器l p c 2 2 9 2 为核心，配以各种传感器组成嵌入式测试系统。 本文的主要工作如下： 1 确定动力性能测试的标准与检测项目。 2 选用测试传感器，设计传感器的信号调理电路。 3 设计a r m 系统硬件电路和外围扩展器件电路。 4 移植嵌入式操作系统，并设计底层驱动程序，在此基础上设计应用程 序。 5 系统调试与分析。 1 4 2 本课题的创新点 本文创新点如下： 1 本课题采用我校自行研发具有专利的变中频有源带通滤波技术对采 集的信号进行处理，并结合相应的测试算法，对车辆动力性能测试中 的车辆滑行性能、制动性能和加速性能等参数进行测试。 2 本动力性能测试系统将使用工业控制领域中功能强大的低功耗a r m 嵌入式系统，通过一定的接口电路对各种信号进行采集处理，速度快、 功能强。 3 移植嵌入式实时操作系统l a c o s i i ，缩短了开发周期。 1 5 论文组织结构 本文内容分为以下六章： 第一章介绍了课题研究的目的和意义，车辆性能检测技术发展概况和动 力性能检测方法以及本文的主要研究内容、创新点和组织结构。 第二章介绍了a r m 核及a r m 微处理器，针对本课题的实际情况选择合适 5 山东理t 大掌硕l j 学位论文 第一辛绪论 的a r m 芯片。 第三章介绍了嵌入式实时操作系统i 上c o s i i ，并对其任务管理、系统的 初始化和启动进行了详细的分析。 第四章确定整个控制系统的硬件选型和单元电路的设计方案。 第五章在第四章基础上对系统的软件进行设计，移植嵌入式实时操作系 统g c o s i i ，实现了基于a r m 的车辆动力性能测试系统的设计，最后对试验数 据进行了分析。 第六章总结全文并进行展望。 6 山东理t 大学硕l 学位论文第二章a r m 核及a r m 微处理器简介 曼曼曼鼍曼曼曼曼量曼曼曼曼曼n u i _ _ _ 鼍量曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 鼍 第二章a r m 核及a r m 微处理器简介 2 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 ) 是微处理器行业的一家知名企业，也是一 种微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。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。 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国c a m b r i d g e ，主要出售芯片设计技术的授权。 目前，采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的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据了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【9 l 。 a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权 供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色 的芯片，世界各大半导体生产商( 如p h i l i p s 、t i 、i n t e l 、b r o a d c o m 、a t m e l 等) 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 入适当的外围电路，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，产品更 容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。 2 2a r m 7 微处理器简介 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 i1 了，应用比较多是：a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l0 e 系列、s e c u r c o r e 系列和i n t e r 的x s c a l e 、s t r o n g a r m l l o j 。除了具有a r m 体系结 构的共同特点以外，每一个系列的a r m 微处理器都有各自的特点和应用领域。 其中a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l 0 e 为四个通用处理器系列，每个系列提 供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。s e e u r c o r e 系列专门为安 全要求较高的应用而设计【9 j 。下面主要介绍a r m 7 系列微处理器的特点及应用 领域。 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位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 r m 7 系列微处理器主要应用于工业控制、 7 山东理1 = 人学硕i j 学位论文第章a r m 核及a r m 微处理器简介 i n t e m e t 设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。 a r m 7 系列包含a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s 、a r m 7 2 0 t 和a r m 7 e j s 四种 类型。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。 a r m 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，调试开发方便。 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o 9 m i p s m h 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 指令集。 对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l m o s 等。 指令系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m l 0 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。 2 3a r m 微处理器结构 2 3 1r i s c 体系结构 如前文所述，a r m 是基于r i s c 体系结构的微处理器。r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ，精简指令系统计算机) 与传统意义上的c i s c ( c o m p l e x i n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ，复杂指令系统计算机) 相对应。传统的c i s c 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j 。 基于以上的不合理性，l9 7 9 年美国加州大学伯克利分校提出了r i s c 的概 念，r i s c 并非只是简单地去减少指令，而是把重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i l2 1 。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。 r i s c 体系结构具有以下特点： 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。 8 山东理| t 入学硕仁学位论文第二章a r m 核及a r m 微处理器简介 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。 作为具有r i s c 体系结构的a r m 微处理器，具有以上所提及的r i s c 体系结 构的所有特点，同时a r m 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。 2 3 2a r m 微处理器的寄存器结构 a r m 处理器共有3 7 个寄存器，按其在用户编程中的功能划分，可分为2 类 寄存器，即通用寄存器和状态寄存器【3 5 1 。3 1 个通用寄存器均为3 2 位的寄存器， 其中r 1 5 为程序计数器( p c 指针) ；6 个状态寄存器也是3 2 位寄存器，用来标识 c p u 的工作状态及程序的运行状态，目前只使用了其中的一部分。 同时，a r m 处理器又有7 种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均 有一组相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器 包括1 5 个通用寄存器( r 0 r 1 4 ) 、程序计数器和一至二个状态寄存器。在所有 的寄存器中，有些是在7 种处理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些寄 存器则是在不同的处理器模式下有不同的物理寄存器。 2 3 3a r m 微处理器的指令结构 a r m 微处理器支持两种指令集：3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集， a r m 指令集效率高，但是代码密度低；而t h u m b 指令集具有较高的代码密度， 却仍然保持a r m 的大多数性能上的优势，它是a r m 指令集的子集。所有的a r m 指令都是可以有条件执行的，而t h u m b 指令仅有一条指令具备条件执行功能。 a r m 程序和t h u m b 程序可相互调用，相互之间的状态切换开销几乎为零。 a r m 微处理器的指令集是l o a d s t o r e 型的。即指令只能处理存储在寄存器 中的数据，而且处理结果要放回寄存器中，而对系统寄存器的访问则需要通过 专门的加载存储指令来完成。a r m 指令集可以分为六大类，分别为数据处理 指令、l o a d s t o r e 指令、跳转指令、程序状态寄存器处理指令、协处理器指令 和异常产生指令。 a r m 指令的特点有【l 3 】： 3 操作数格式 9 山东理工大学硕十学位论文第二荦a r m 核及a r m 微处理器简介 大部分的指令编码中定义了第一操作数、第二操作数、目的操作数、条件 标志影响位以及每条指令所对应的不同功能实现的二进制位。每条3 2 位a r m 指令都具有不同的二进制编码方式，和不同的指令功能相对应。 条件执行 a r m 指令根据c p s r 中的条件位自动判断是否执行指令，在条件满足时， 指令执行，否则指令被忽略。在a r m 的指令编码表中，统一占用编码的最高 四位【3 1 ：2 8 来表示“条件码 ( 即“e o n d ) 。 a r m 指令的基本格式如下： s ) ， ， 其中 号内的项是必须的， ) 号内的项是可选的。 o p c o d e ：指令助记符；c o n d ：执行条件； s ：是否影响c p s r 寄存器的值； r d ：目标寄存器；r n ：第1 个操作数的寄存器； o p e r a n d 2 ：第2 个操作数； 2 4a r m 芯片选型 目前可以提供a r m 芯片的著名半导体公司有：英特尔、德州仪器、三星 半导体、摩托罗拉、p h i l i p s 半导体、意法半导体、亿恒半导体、科胜讯、a d i 公司、安捷伦、高通公司、a t m e l 、i n t e r s i l 、a l c a t e l 、a l t e r a 、c i r r u s l o g i c 、l i n k u p 、 p a r t h u s 、l s i l o g i e 、m i c r o n a s ，s i l i c o n w a v e 、v i r a t a 、p o n a l p l a y e r i n c 、n e t s i l i c o n ， p a r t h u s 等，由于a r m 芯片有多达十几种的芯核结构，7 0 多芯片生产厂家，以 及千变万化的内部功能配置组合，给开发人员在选择方案时带来一定的困难。 所以，对a r m 芯片做一对比研究是十分必要的。 针对本课题的实际情况，从应用角度出发，主要从以下几个方面来确定选 择的a r m 芯片1 1 4 j ： 1 a r m 芯核：如果希望使用w i n c e 等商业操作系统以减少软件开发时间， 就需要选择a r m 7 2 0 t 以上带有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 功能的a r m 芯片，a r m 7 2 0 t 、s t r o n g a r m 、a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 6 t 都带有m m u 。 而a r m 7 t d m i 没有m m u ，不支持w i n d o w s c e 和大部分的l i n u x ，但目前有 p c o s i i 不需要m m u 的支持。 2 系统时钟控制器：系统时钟决定了a r m 芯片的处理速度。a r m 7 的处理 速度为0 9 m i p s m h z ，常见的a r m 7 芯片系统主时钟为2 0 m h z l3 3 m h z ， a r m 9 的处理速度为1 1 m i p s m h z ，常见的a r m 9 的系统主时钟为10 0 m h z - 2 3 3 m h z ，a r m lo 最高可以达到7 0 0 m h z 。不同芯片对时钟的处理不同，有的 1 0 山东理j r 大学硕f j 学位论文第二章a r m 核及人r m 微处理器简介 _mmmmm|o 曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 舅! 曼曼! 曼曼曼! 曼! 曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼 芯片只有一个主时钟频率，这样的芯片可能不能同时顾及u a r t 和音频时钟的 准确性，如c i r r u s l o g i e 的e p 7 3 1 2 等；有的芯片内部时钟控制器可以分别为c p u 核和u s b 、u a r t 、d s p 、音频等功能部件提供不同频率的时钟，如p h i l i p s 公司的s a a 7 7 5 0 等芯片。 3 内部存储器容量：在不需要大容量存储器时，可以考虑选用有内置存 储器的a r m 芯片。 4 g p i o 数量：在某些芯片供应商提供的说明书中，往往申明的是最大可 能的g p i o 数量，但是有许多引脚是和地址线、数据线、串口线等引脚复用的。 这样在系统设计时需要计算实际可以使用的g p i o 数量。 5 中断控制器：a r m 内核只提供快速中断( f i q ) 和标准中断( i r q ) 两个中 断向量。但各个半导体厂家在设计芯片时加入了自己不同的中断控制器，以便 支持诸如串行口、外部中断、时钟中断等硬件中断。外部中断控制是选择芯片 必须考虑的重要因素，合理的外部中断设计可以很大程度的减少任务调度工作 量。 6 扩展总线：大部分a r m 芯片具有外部s d r a m 和s r a m 扩展接口，不同 的a r m 芯片可以扩展的芯片数量即片选线数量不同，外部数据总线有8 位、1 6 位或3 2 位。 7 封装问题：a r m 芯片现在主要的封装有q f p 、t q f p 、p q f p 、l q f p 、 b g a 、l b g a 等形式，b g a 封装具有芯片面积小的特点，可有效的减少p c b 板 的面积。 本课题主要是在掌握a r m 芯片的各项功能的基础上实现对汽车动力性能 的检测，因此a r m 7 微处理器足够满足需要。并且a r m 7 目前应用最为广泛， 指令系统与a r m 9 等兼容，同时处理器所用的操作系统希望选择源代码公开的 p c o s i i 系列。而a r m 7 系列处理器的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 无论是否带有m m u 单元都可以支持r t c o s i i 。而目前a r m 7 芯片中应 用较多的有三星半导体的s 3 c 4 4 b o x 以及p h i l i p s 半导体的l p c 2 2 0 0 系列芯片。 在课题研究过程中，选择了l p c 2 2 9 2 芯片作为研究对象，其a r m 核为 a r m 7 t d m i s 。因此，下面将选取a r m 7 t d m i s 核做具体介绍。 2 5a r m 7 t d m i s 核简介 a r m 7 t d m i s t l 5 】是a r m 7 t d m i 的可综合版本，对于用户来说，这两个 a r m 核并没有区别。a r m 7 t d m l s 处理器使用了冯诺依曼( v o nn e u m a n n ) 结构指令和数据共用条3 2 位总线。只有装载存储和交换指令可以对存储器中 的数据进行访问。 山东理丁大学硕一f ：学位论文第二章a r m 核及a r m 微处理器简介 a r m 7 t d m l s 的基本含义如图2 1 所示： 图2 1a r m 7 t d m i s 的基本含义 图2 2a r m 7 t d m i s 模块框图 2 5 1a r m 7 t d m i s 的模块、内核和功能框图 协处理器 接口信号 a r m 7 t d m i s 的模块功框图如图2 2 所示，功能框图如图2 3 所示，内核框 1 2 山东理工大学硕一l ：学位论文第_ 章a r m 核及a r m 微处理器简介 曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼! 曼曼舅舅i ii 。i i 一 _i i ! 曼! 曼 图如图2 4 所示。 时钟 中断 总线控制 仲裁 调试 d b g t c k e n 1 c l k d b g t m s 1 c l k e n d b g t d i 1 r d b g n t r s t 1 n l r q d b g t d o 。 r n f i q 。 d b g n t d o e n 。 n r e s e t l a d d r 3 1 ：0 1 。 r r c f g b i g e n d 。 w d a t a 3 1 ：0 。 r r d a t a 3 1 ：0 】 d m o r e a r m 7 t d m i s a b o r t 处理器 l o c kw r i t e 。 r 1 s i z e 1 ：0 1 r d a b g i n s t r v a l i dp r o t 1 ：0 1 。 d b g r q 。 t r a n s 1 ：0 1 。 r r d b g b r e a k 。 d b g a c k c p n t r a n s 。 d b g n e x e c c p n o p c 。 d b g e x t 1 1。 r d b g e x t 0 。 c p n m r e q 。 d b g e n c p s e q 。 r d j b g r n g 1 lc p t b i t 。 1 d 。b g r n g 0 】 c p n l 。 d b g c o m m r x c p a 1 d b g c o m m t x , c p b 图2 3a r m 7 t d m i s 功能框图 1 3 同步的 e m b 刮刮i c e - f 丌 扫描调试访问端口 存储器管理接口 卜协处理器接口 r j l r， 山东理t 大学硕i ：学位论文第二章a r m 核及a r m 微处理器简介 i i 曼曼曼曼! 曼! 曼曼! 曼曼舅曼鼍曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼! 曼! 曼曼曼! ! ! ! 曼曼皇曼! 曼! 曼! 曼曼 图2 4a r m 7 t d m i s 内核框图 2 5 2a r m 7 t d m i s 的操作状态 c l k c l e n c f g b i g e n d n i r q n f i q n r e s e t a b o r t l o c k w r j t e s i z e 1 ：0 】 p r o t 1 ：o 】 t r a n s