（计算机软件与理论专业论文）嵌入式车载系统的研究与设计.pdf

摘要 以前的汽车电子大多采用单片机来进行控制和实现智能化，随着汽车电子功 能的增多、增强，采用单片机的控制己不能满足实际需求，引入嵌入式系统的应 用将成为必然。文中采用嵌入式方式，利用三星的a r m 7 芯片s 3 c 4 4 b o x ，设计 了基于手机远程控制的车辆防盗报警系统。 本文首先介绍嵌入式开发的理论，主要是a r m 的体系结构，基于a r m 的编 程模式和流水线结构。其次介绍了嵌入式车载防盗系统的总体设计方案和系统工 作机理、系统的硬件设计方案和具体实现、软件的构件化设计思想和基于该思想 的系统控制软件的设计实现。在系统设计中主要采用嵌入式技术，并引入g p s 定 位和g p r s 远程无线通讯技术，文中详细说明了这几种技术的应用。 基于理论和技术的讨论，本文最终设计出了一个车载防盗终端设备模型，编 制了设备的控制软件。文章最后介绍了系统功能的测试情况，经测试，系统能正 常工作，且性能稳定。 关键词：嵌入式a r ms 3 c 4 4 b o x g p r s 车载防盗 a b s t r a c t i nt h e p a s t m o s ti n t e l l i g e n t e l e c t r o l i c p r o d u c t s o fv e h i c l ea r ec o n t r o l l e d b y s i n g l e c h i pp r o c e s s o rb u t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n de n h a n c e m e n ti nt h ef u n c t i o n a l i t yo f t h o s ep r o d u c t s ，t h ec o n t r o lw i t hs i n g l e c h i pp r o c e s s o rc a n tm e e tt h ea c t u a l d e m a n d p r e s e n t l ya no b v i o u st r e n di st oa d o p te m b e d d e ds y s t e m i nt h i sp a p e la na l a r ms y s t e m o fv e h i c l eb a s e do nm o b i l et e l e p h o n el o n g d i s t a n c ec o n t r o lm e c h a n i s mi s d e s i g n e d u s i n gt h ee m b e d d e dp r o c e s s o rc h i p - - s 3 c 4 4 b o x o f s a m s u n g a r m 7 p r o c e s s o r t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h et h e o r yo fe m b e d d e ds y s t e mw h i c hi n c l u d e sa r m a r c h i t e c t u r e ，p r o g r a m m o d ea n d p i p e l i n es t r u c t u r e s s e c o n d l y w e p r o p o s e t h e f r a m e w o r kf o rt h eo v e r a l ld e s i g na n d p r e s e n tt h ed e t a i lt h ew o r k i n gm e c h a n i s m ，s y s t e m h a r d w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n ，t h ed e s i g ni d e ao fs o f t w a r eb a s e do nc o m p o n e n t a n d i m p l e m e n t a t i o n o ft h ec o n t r o ls o f t w a r eb a s e do nt h ei d e a t h ee m b e d d e d t e c h n o l o g y ，g p st e c h n o l o g ya n dg p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya r eu s e di n o u rs y s t e m t h eu s eo ft h e s et e c h n o l o g ya r ee x p l i c a t e di nt h ep a p e r b a s e do nt h et h e o r ya n dt e c h n o l o g y ，a l la l a r mp r o d u c tm o d eo fv e h i c l eh a sb e e n a c c o m p l i s h e da n dt h ec o n t r o ls o f t w a r eh a sb e e nd e s i g n e d t h ep a p e rf i n a l l yg i v e st h e r e s u l to f s y s t e mt e s t t h r o u g ht e s t i n g ，t h es y s t e mc a nw o r kw e l la n da c h i e v e das t a b l e p e r f o r m a n c e k e y w o r d ：e m b e d d e d a r ms 3 c 4 4 b o xg p r sa l a r mo fv e h i c l e 独创性( 或创新性) 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1 ：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研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 鉴是翌 日期丝止f ：! f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文：i ：作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公御论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存沦文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。 本人签名 导师签名 f 期) ! 鲨：型： 同期迎! 色璺 第一苹绪论 。 第一章绪论 1 1 引言 随着人们生活水平的提高，汽车已逐步进入家庭，但日益猖獗的汽车盗窃案 件也呈上升趋势，如何有效防止汽车被盗是车主们最关心的问题。近年来，科学 技术飞速发展，结合各种新技术的新型汽车防盗装备相继出现。随着通信技术的 发展，无线远程通信技术也被应用于汽车领域中。以前的汽车防盗装置大多采用 单片机来进行控制和实现智能化，随着汽车电子功能的增多、增强，采用单片机 的控制己越来越适应，在汽车电子中采用嵌入式技术将成为必然。 嵌入式作为一种新技术，最近几年才从单片机发展而来。其处理能力介于单 片机和微型机之间，随着嵌入式技术的不断研究和发展，嵌入式己应用到很多方 面，其技术也变得越来越成熟，其成本也在不断降低，因此开发基于嵌入式的产 品既能提高产品的档次，又能提高产品的功能和性能，我们开发的基于s 3 c 4 4 b o x 网络型汽车防盗控制系统是采用a r m7 微处理器构造的嵌入式系统，结合了传统防 盗技术和新型的g p r s 无线通信技术，实现已有防盗器现有各种功能的基础上，开发 了远程控制功能。它充分利用了g p r s 网络优势，可全天2 4 d , 时监控，成本低，实现 完全自我服务：不论身在何地，通过手机查询，可具体了解车辆的布防撤防状态、 门锁状态、车门是否打开、发动机是否运转等情况；更能对车辆进行远程控制， 从开关门锁、远程启动到命令停车。大大提高了防盗系统的安全性、灵活性和可 靠性。 1 2 车载防盗系统现状”们 汽车防盗报警其是伴随汽车工业的崛起而诞生的，从其发展，我们能发现其 功能由最初的简单正变得越来越强大，技术也从最初的机械式过渡到单片机控制， 再到目前的嵌入式控制，其技术含量正越来越高，具体来讲，其产品一般有如下 几种类型： 1 、人们最初普遍使用的是机械式防盗装置，如锁住转向盘、控制踏板或档等， 是市面上最简单、最廉价的种防盗装置，其缺点是只防盗不报警，容易被发现 和破坏。 2 、现在广泛使用的遥控汽车防盗报警器。该报警器的特点是所有功能的实现 是通过微型式无线发射机遥控操作，在防盗模式下，无论是前机器盖、后备箱或 车门被开启，还是车辆被碰撞或被振动，或是用钥匙发动车辆，均会触发报警。 此外，汽车遥控防盗报警装置还具有许多附加功能，如中央门锁控制、声光寻车、 遥控启动、强制熄火等等。它的不足之处是误报警现象严重，噪音扰民，有效遥 控距离短，且被动防盗也没有根本上解决车辆丢失问题。 2 嵌入式车载系统的研究与设计 3 、现在应用和推广的是g s m 无线通信汽车防盗系统和g p s 全球卫星定位跟踪 汽车防盗系统。g s m 汽车防盗系统是依托无线通信覆盖网络，通过现有的手机设 备控制和获取报警信息。不论您身在何地，没有距离的限制，在g s m 网络覆盖区 域内，均可以通过手机具体了解车辆的状态信息，更能对车辆进行远程控制，从 开关门锁、远程启动到命令停车。最为先进的是正在研究和试用的g p s 网络式汽 车防盗系统，该系统功能强大，可以实时了解汽车的位置和状态信息，可靠地实 现防盗防劫，是汽车防盗的发展趋势，但整个系统结构复杂，投资巨大，服务成本 高，某些地域也会出现盲点。目前还难以普及和推广。 4 、近年来，汽车上丌始出现了一些生物特征的防盗锁，给车主提供了极大方 便。这种锁的特点是将声音、指纹等人体生物特征作为密码输入，由微电脑进行 识别，控制丌锁。因此，生物锁的安全程度相当高，也是汽车防盗锁的最新技术， 但目f i i 这些技术f 处于研究之中，还不成熟。 1 3 嵌入式车载防盗系统的意义 嵌入式是一种新的技术，能应用于很多方面。其中主要是智能控制，以前的 控制基本上用8 位单片机实现，其处理能力有限，对于简单的控制还能胜任，但 随着目前自动化程度的提高，很多控制必须用3 2 位嵌入式处理器加上带操作系统 的复杂控制软件才能实现，另外，还有高级的应用如多媒体、通讯等更是如此： 虽然采用微机系统也能实现，但由于其体积庞大，相对嵌入式系统而言，又大大 缺少了灵活性。随着汽车行业的快速发展，汽车电子的功能越来越强大，除智能 防盗外，还有智能导航、智能检测、移动视频、车载电话等等功能需求，只有采 用嵌入式技术，这些功能才能完美实现。 我们采用嵌入式技术开发车载防盗系统，一方面能增强拄制能力，提高汽车 防盗的智能化程度，另一方面，缩小了系统的体积，提高了系统应用的灵活性， 同时电为将来进一步增强汽车电子的功能提供了扩展守间。 1 4 论文工作内容 本文柬源于嵌入式车载终端的研制，笔者从事的主要工作内容如_ _ ： 】、系统整体方案的设计：摒弃了传统基于单片机的设计方法，系统主体采用嵌入 式设计，c p u 为常用的三星公司的a r m 7 系列s 3 c 4 4 b o x ，数据的传输采用目前先进 的g p r s 模块，并引入g p s 定位技术获取车辆的位置信息。软件基于嵌入式操作系 统u c o s 一【i ，采用多任务思想，简化了软件的设计，同时也提高了系统的功能和 性能。 2 、系统的硬件设计与实现：设计了三块电路板，一块主控板，系统的核心控制 板，带a r m 7 型的c p u ，8 ms d r a m 内存，2 mf l a s h 存储器，还有g p r s 模块用于远程 第一章绪论 无线通讯和g p s 模块用于车辆位嚣定位。一块车辆状念信息采集和实现车辆控制 的电路板，该电路板作为车辆电路与主控板之间的信息传输桥梁。还有一块短距 离无线遥控控制板，实现近距离对车辆的控制。 3 、系统控制软件的设计与实现：引入构架化软件设计思想和嵌入式操作系统， 基于构件化思路，改造了u c o s i i 操作系统，设计了系统的构件，并采用多任务 的方式实现了系统的具体应用。其功能主要是车辆状态信息的采集，按键处理和 信息显示，与车主手机的通讯，串口通讯，对车辆的控制。 4 、进行了系统硬件的调试和系统部分功能的测试。 5 、系统样机的制作。 1 5 论文各章节的内容安排 第二章主要讨论系统的理论基础。首先是介绍a r m 的体系结构：随后分析了 a r m 的编程模式，和a r m 的流水线结构。 第三章介绍系统设计方案。最开始分析系统目标，接着根据系统鞫标设计了系 统的结构模型，介绍了其工作机理，最后详细分述了系统硬件设计方案和软件设 计方案。 第四章详细介绍系统硬件的具体实现。将硬件按功能模块的设计分类描述，每 个部分包括主要芯片的功能介绍和使用规则，主要管脚的说明、线路的连接和对 应的原理图示例。 第五章详细介绍系统软件的具体设计。将系统软件划分为1 i 同构件模块，然后 具体分析每个构件的实现，主要是构件的设计思想和工作流稗。最后，基f 多任 务，设计系统运行图，实现车辆防盗控制的具体应用。 第六章介绍系统功能的测试情况。是g p r s 的仿真和测试；另个是无线遥 控的仿真和测试。 第七章结束语，总结了系统的一 作，以及进一步的i ：作改想。 嵌入式车载防盗系统的研究与设计 第二章嵌入式车载系统的理论基础 2 1 a r m 体系结构 2 1 1a r m 架构的特点m 1 a r m 作为嵌入式系统中的处理器，具有低电压、低功耗和高集成度等特点： 并具有开放性和扩充性。事实上，a p d v i 架构己成为嵌入式系统首选的处理器架 构。 a r m 作为嵌入式系统中的处理器，具有低电压、低功耗和高集成度等特点； 并具有开放和可扩展性。事实上，a r m 架构已成为嵌入式系统首先的处理架构。 1 r i s c 型处理器结构 据统计，在常用的指令使用中，数据传送类指令占4 3 ( 如表2 1 所列) 指令类型使用指令使用频度 数据传送类 4 3 转跳控制类 2 3 算术运算类 1 5 比较类 1 3 逻辑运算类 5 其他 l 表2 1 指令使用频度 除了分支指令外，其余类指令使用频度都在1 5 以下。而在百余条指令的复杂指 令计算机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 ) 中，用得最多的m o v 类指 令只占2 0 左右。因此，减少复杂功能的指令，减少指令条件，选用使用频度最 高的指令，简化处理器的结构，减少处理器的集成度；并使每一条指令都在一个 机器周期内完成，可提高处理器的速度。因此，a r m 也采用r i s c 结构，并使一个 机器周期执行一条指令。 从统计中还可以得到：与存储器打交道的指令执行时划远远大于在寄存器内 操作的指令执行时间。因此，r i s c 型处理器都采用了l o a d s t o r e 结构，即只有 l o a d s t o r e 的存取指令可与存储器打交道，其余指令都不允许进行存储器操作。 因此，a r m 也采用l o a d s t o r e 的结构。为了进一步提高指令和数据的存取速度， 有的还增加指令快存i c a c h e 和数据快存d - c a c h e ：同时，还采用了多寄存器的结 构，使指令的操作尽可能在寄存器之间进行。 由于指令相对比较精简，降低了处理器的复杂性，因此，中央控制器就没必要 采用微程序的方式。a r m 则采用了硬接线p l a 的方式。另外，a r m 为了便于指令 操作的控制，所以指令采用3 2 位定长。除了单机器周期执行一条指令外，每条指 第二章嵌入式车载系统的理论基础 5 十一 。一 令都具有多种操作功能，提高了指令使用频率。 2 t h u m b 指令集 由于3 2 位r i s c 型处理器的指令利用率较低，a r m 为了弥补此不足，在新型 a r m 架构( v 4 t 版以上) 定义了1 6 位的t h u m b 指令集。t h u m b 指令集比通常的8 位和1 6 位c i s c r i s c 处理器具有更好的代码密度，而芯片面积只增加了6 ，可 使程序存储器更小。 3 多处理器状态模式 a r m 可以支持用户、快中断、中断、管理、中止、系统和未定义等7 种处理 器模式。除了用户模式外，其余的均为特权模式。这也是a r m 的特色之一，它可 以大大提高a r m 处理器的效率。 4 嵌入式在线仿真调试 a r m 架构的处理器芯片都嵌入了在线仿真i c e r c 逻辑，便于通过3 t a g 来仿 真调试a r m 架构芯片，可以省去昂贵的在线仿真器。另外，在处理器核中好可以 嵌入跟踪宏单元e t m ( e m b e d d e dt r a c em a c r o c e l l ) ，用于监控内部总线，实时跟 踪指令和数据的执行。 5 灵活和方便的接口 a r m 架构具有协处理接口，这样，既可使基本的a r m 处理器内核尽可能小， 又可方便地扩充各种功能。a r m 允许接1 6 个协处理器，例如c p l 5 用于系统控制， c p l 4 用于调试控制器。另外，a r m 处理器核还具有片上总线o c b ( o n c h i pb u s ) 的a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ) 。a m b a 定义了3 组总线： 先进高性能总线a h b ( a d v a n c e dh i g h p e r f o r m a n c eb u s ) 、先进系统总线a s b ( a d v a n c e ds y s t e mb u s ) 和先进外围总线a p b 。通过a m b a 来方便扩充各种处理 器及i o 。这样，可以把d s p 、其他处理器和i o ( 如u a r t 、定时器和接口等) 都 集成到一块芯片中。 6 低电压、低功耗的设计 由于a r m 架构的处理器主要用于手持式嵌入式系统之中，因此，a r m 架构在 设计中十分注意低电压、低功耗这一点，因而在手持式嵌入式系统中得到广泛的 应用。根据c m o s 电路的功耗关系： p c = l 2 f v 。“a g c “式( 2 1 ) 式中：f 为时钟频率；v 。为工作电源电压：a g 是逻辑门在一个时钟周期内翻转次 数( 通常为2 ) ；c 。为门的负载电容。 因此，a r m 架构的设计采用了以下些措施： 1 、降低电源电压，可工作在3 o v 以下； 2 、减少门的翻转次数，当某个功能电路不需要时，禁止门翻转： 嵌入式车载防盗系统的研究与设计 3 、减少门的数目，即减低芯片的集成度； 4 、降低时钟频率( 不过这样也会损失系统的一些性能) ； 2 1 2a r m 架构瞳2 ” 如图所示为a r m 架构图。它由3 2 位a l u 、3 1 个3 2 位通用寄存器及6 位状态 寄存器、3 2 8 位乘法器、3 2 x 3 2 位桶形移位寄存器、指令译码及控制逻辑、指 令流水线和数据地址寄存器组成。 图2 1a r m 架构 1 a l l 它与常用的a l u 逻辑结构基本相同，是由2 个操作数锁存器、加法器、逻辑 功能、结果及零检测逻辑构成。 2 桶形移位寄存器 为了减少移位的延迟时间，a r m 采用了3 2 3 2 位的桶形移位寄存器。这样， 可以使左移右移n 位、环移n 位和算术右移1 3 位等都可以一次完成，桶型移位寄 存器所有的输入端通过交叉开关( c r o s sb a r ) 与所有的输出端相连。对于采用预 充电路的动态逻辑，交叉开关可由n m o s 晶体管来实现。 3 高速乘法器 乘法器一般采用“加一移位”的方法来实现乘法。a r m 为了提高运算速度， 第二章嵌入式车载系统的理论基础 则采用两位乘法的方法。原先的乘法是根据乘法的一位来实现“加一移位”运算， 而两位乘法则可根据乘法的2 位来实现“加一移位”运算： 乘数a 。- , a 。：0 0 原部分积s 右移2 位； o l 原部分积s 加被乘数后，右移2 位； 1 0 原部分积s 加2 倍被乘数后，右移2 位； l l 原部分积s 加3 倍被乘数后，右移2 位； 2 倍被乘数可通过将被乘数左乘1 位来实现；3 倍可看作4 - 1 ( 1 i = 1 0 0 一i ) ， 故先减l 倍被乘数，再加4 倍被乘数来实现。而4 倍被乘数的操作实际上是在该 2 位乘数1 l 的高l 位乘数加“l ”可暂存在c o u t 进位触发器中。 a r m 的高速乘法器采用3 2 8 位的结构，这样，可以降低计集成度( 其相应 芯片面积不带并行乘法器的i 3 ) ，完成3 2 x 3 2 位乘法也只需5 个时钟周期。 4 浮点部件 浮点部件是作为选件a r m 架构选用。f p a i o 浮点加速器是作为协处理器方式 与a r m 相连，并通过协处理器指令的解释来执行。 浮点的l o a d s t o r e 指令使用频度要达到6 7 ，故f p a i o 内部也采用 l o a d s t o r e 结构。它有8 个8 0 位浮点寄存器组，其指令执行也采用流水线结构。 5 控制器 a r m 的控制器采用硬接线的可编程逻辑阵列p l a ，新型的a r m 采用了2 块p l a ： l 块小的快速p l a ，用来产生与时间相关的输出：1 块大的慢速p l a 用来产生其 他输出。 2 ，2 a r m 处理器编程模式”。”“ 1 、处理器工作状态 从程序员的角度上按，a e m 7 t d m i 内核有下面下面两种工作状态： a r m 状态：此时执行3 2 位字对齐的a r m 指令。 t h u m b 状态：此时执行1 6 位半字对齐t h u m b 指令。在这种状态下，p c 采 用第1 位来选择一个字中的哪个半字。 2 状态切换 两种工作状态可以相互切换，但这两种状态的转换不影响处理器状态和寄存 器的内容。切换操作如下： 进入t h u m b 状态： 进入t h u m b 状态，可以通过执行b x 指令，同时操作数寄 存器的状态位( 0 位) 置l 来实现。当从异常( i r q ，f i q ，u n d e f ，a b o r t ，s w i 等) 返回时，也会自动进入t h u m b 状态，只要进入异常处理前处理器处于t h u m b 状态。 进入a 脚状态：进入a r m 状态，可以通过执行b x 指令，并且操作数寄存器的 嵌入式车载防盗系统的研究与设计 状态位( 0 位) 清零来实现。当处理器进入异常( i r q ，f i q ，r e s e t ，u n d e f ，a b o r t ， s w i 等) 。这时，p c 的值保存在异常模式下的1 i n k 寄存器中，并从异常向量地址 处开始执行异常处理程序。 3 、数据类型 a r m 7 d m l 支持字节( b y t e ，8 一b i t ) ，半字( 1 6 - - b i t ) 和字( 3 2 一b i t ) 数据 类型。字必须按照4 字节排列，半字必须按照2 字节排列。 4 、存储空间的格式 a r m 7 t d m i 将存储器空间视为一个从0 开始由字节组成的线性集合，字节0 到 3 中保存第一个字，字节4 到7 保存第二个字，依次类推。a r m 7 t d m i 对存储的字 数据，可以按照小端( 1 i t t l ee n d i a n ) 或大端( b i ge n d i a n ) 的方式对待。 大端格式：在这种格式中，字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低 字节则存放在高地址中，格式如下图： 图2 2 大端模式 小端模式：与大端存储格式相反，在小端存储格式中，低地址中存放的是字 数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字节。格式如下图所示： 图2 3 小端模式 5 、操作模式 a p & 1 7 t d m i 内核支持7 种操作模式： 用户模式( u s e r 模式) ，运行应用程序的普通模式。 第二章嵌入式车载系统的理论基础 _ _ 一 一 超级用户模式( s v c 模式) ，主要用于s w i ( 软件中断) 和o s ( 操作系统) 。 这个模式有额外的特权，允许你进一步控制处理器。 外部中断模式( i r q 模式) ，用作通用中断处理。这个模式也是有特权的。 导致i r q 的设备有键盘、定时器、串行口、硬盘、软盘等等。 快速中断模式( f i o 模式) ，用来处理外设发起的快速中断。用于支持特 殊的数据传送与通道处理。这个模式是有特权的。 数据访问中止模式( a b t ) ：当数据或指令预取中止时进入该模式，可用于 虚拟存储及存储保护。 系统模式( s y s ) ：运行具有特权的操作系统任务。 未定义模式( u n d 模式) ：当执行了未定义指令时进入该模式。 i r q 和f i q 之间的区别是对于f i q ，你必须尽快处理事情并离开这个模式。i r q 可以被f i q 所中断但i r q 不能中断f i q 。为了使f i q 更快，所以f i q 有更多的影 子寄存器。f i q 必须禁用中断，f i q 也不能调用s w i 。 a r m 微处理器的运行模式可以通过软件改变，也可通过外部中断或异常处理改 变。绝大多数的用户应用程序运行在用户模式下，当处理器运行在用户模式下时， 某些被保护的系统资源是不能被访问的。除用户模式外，其余的所有6 种模式称 为非用户模式或特权模式，其中除去用户模式和系统模式以外的5 种模式又称为 异常模式( e x c e p t i o nm o d e s ) ，常用于处理中断或异常，以及需要访问受保护的 系统资源等情况。 6 、寄存器 a r m 7 t i d m i 共有3 7 个3 2 位的寄存器：3 1 个通用寄存器，6 个状态寄存器，但 并不是所有的寄存器都能总是被访问到。在某一时刻寄存器能否访问，由处理器 的当前工作状态和操作模式决定。 根据微处理器内核的当前状态，可分别访问a r m 状态寄存器集和t h t m b 状态 寄存器集。 a r m 状态寄存器集包含1 6 个可以直接访问的寄存器：r o r 1 5 。除r 1 5 以外， 其余的寄存器为通用寄存器，可用于存放地址或数据值。r 1 6 寄存器是当前程序 状态寄存器c p s r ，用于保存状态信息。详细的说明如下： 寄存器o 到寄存器7 是通用寄存器并可以用做任何目的。 存器8 到1 2 是通用寄存器，但是在切换到f i q 模式的时候使用它们的 影子( b a n k ) 寄存器。 寄存器1 3 典型的用做o s 栈指针，但可被用做一个通用寄存器。这是一个 操作系统问题，不是一个处理器问题，所以如果你不使用堆栈，且只要以后 恢复它，你可以在你的代码中自由的使用它。每个处理器模式都有这个寄存 器的影子寄存器。 嵌入式车载防盗系统的研究与设计 寄存器1 4 专职持有返回点的地址在系统执行一条“跳转并连接”( b l ) 指令的时候，r 1 4 将接收到一个r 1 5 的拷贝。其它的时候，它可以用作一个 通用寄存器。相应的，在其它模式下也有它的影子寄存器，其作用是在中断 或异常发生时，或是在中断或异常中的b l 指令执行时，同样用来保存r 1 5 的返回值。 寄存器1 5 是程序计数器( p c ) 。在a r m 状态下，r 1 5 的b i t s c 1 ：o 为0 ， b i t s 3 1 ：2 保存了p c 的值。在t h u m b 状态下，b i t s 3 1 ：1 保存了p c 的值。 寄存器1 6 是c p s r ( 当前程序状态寄存器) ，用来保存当前代码标志和当 前处理器模式位。 t h u m b 状态寄存器集是a r m 状态寄存器集的一个子集。可以访问的寄存器有： 8 个通用寄存器r o r 7 ，程序计数器p c 、堆栈指针寄存器s p 、连接寄存器l r 和 当前程序状态寄器c p s r 。在每一种特权模式下，都有对应的分组堆栈指针寄存 器s p 、连接寄存器l r 和备份的程序状态寄存器s p s r 。t h u m b 状态寄存器集与a r m 状态寄存器集的对应关系如下： t h u m b 状态下r o r 7 寄存器与a r m 状态下r o r 7 寄存器是相同的。 t h u m b 状态下的c p s r 和s p s r s 与a r m 状态下的c p s r 和s p s r s 是相同的 t h u m b 状态下的s p 、l r 和p c 直接对应a r m 状态寄存器r 1 3 、r 1 4 和r 1 5 。 在t h u m b 状态下，寄存器r 8 一r 1 5 不属于标准寄存器集的一部分，但在必要 的情况下，用户可以通过汇编语言程序访问他们，用作快速的临时存储将单元。 7 、程序状态寄存器 a r m 7 t d m i 包含一个当前程序状态寄存器( c p s r ) 和五个备份的程序状态寄存 器( s p s r s ) 。备份的程序状态寄存器用来进行异常处理，这些寄存器的功能包括： 保存a l u 当前操作的有关信息 控制中断的允许和禁止 设置处理器的运行模式 程序状态寄存器的组成如下所示： 3 l3 02 92 82 72 68765432 1o 条件码标识： n 、z 、c 、v 均为条件码标志位。它们的内容根据算术或逻辑运算的结果所改 变。并且用来作为一些指令是否运行的检测条件。 在a r m 状态下，绝大多数的指令都是有条件执行的。 在t h u m b 状态下，仅有分支指令是有条件执彳亍的。 条件码标志各位的具体含义如下表所示： 第二章嵌入式车载系统的理论基础 标志位含义 n当用两个补码表示的带符号数进行运算时。n = i 表示运算的结果为负数；n = 0 表 示运算的结果为正数或零 z z = i 表示运算的结果为零；z = 0 表示运算的结果为非零； c可以有4 种表示设置c 的值： 一加法运算( 包括比较指令c m n ) ：当运算的结果产生了进位时( 无符号数溢 出) ，c = 1 ，否则c = 0 。 一减法运算( 包括比较指令c m p ) ：当运算时产生了借侮( 无符号熟溢出) ，c = 0 ， 否则c = 1 。 一对于其他的非加腻法运算指令，c 的值通常不改变 v 可以有两种方法设置v 的值： 对于加减法运算指令，当操作数和运算结果为二进制的补码表示的带符号数 时，v = 1 表示符号位溢出。 一对于其他的非加减运算指令，v 的值通常不改变。 表2 2 条件标志含义 控制位： p s r 的低8 位( 包括i 、f 、t 和m 4 ：0 ) 称为控制位，当发生异常时这些位 可以被改变，如果处理器运行特权模式，这些位也可以由程序修改。 中断禁止位i 、f ： i = 1 禁止i r q 中断： f = i 禁止f i q 中断： t 标志位：该位反映处理器的运行状态。对于a r m 体系结构v 5 及以上的 版本的t 系列处理器，当该位为l 时，程序运行于t h u m b 状态，否则运 行于a r m 状态。对于a r m 体系结构v 5 及以上的版本的非t 系列处理器， 当该位为l 时，执行下一条指令以引起未定义的指令异常；当陔位为0 时，表示运行于a r m 状态。 运行模式位m e 4 ：o ：m o 、m 1 、m 2 、m 3 、m 4 是模式位。这些位决定了处理 运行模式位m 4 ：o 处理器模式可访问的寄存器 0 b 1 0 0 0 0 用户模式p c ，c p s r r o 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 f i q ，r 1 4 q r 8 一f i q ，r 7 - r 0 0 b 1 0 0 1 0 i r q 模式 p c ，c p s r ，s p s r - i r q ，r 1 4 一i r q ，r 1 3 一i r q ，r 1 2 r 0 0 b 1 0 0 1 l 管理模式 p c ，c p s r ，s p s r _ s v c ，r 1 4 一s v c ，r 1 3 _ s v c ，r 1 2 - r 0 0 b 1 0 1 l l 中止模式 p c c p s r ，s p s ra b t ，r 1 4 a b t ，r 1 3 _ a b t ，r 1 2 r 0 ! ! 堂垒塞主望堕壅墨竺箜堑窒皇塑盐一 l0 b 1 1 0 i i未定义模式 p c ，c p s r ，s p s r _ u n d ，r 1 4 _ u n d ，r 1 3 _ u n d ，r 1 2 r 0 l0 b l l l i l 系统模式p c ，c p s r ( a r mv 4 及以上版本) ，r 1 4 - r 0 表2 3 运行模式含义 由上表可知。并不是所有的运行模式位的组合都是有效地，其他的组合结果 会导致处理器进入一个不可恢复的状态。 保留位( r e s e r v e d ) ：p s r 中的其余位为保留位，当改变p s r 中的条件码标 志位或者控制位时，保留位不要被改变，在程序中也不要使用保留字来存储数据。 保留位将用于a r m 版本的扩展。 保护程序状态寄存器s p s r ( s a v e dp r o g r a ms t a t u sr e g i s t e r ) 是在处理器 系统模式下保存当前程序状态寄存器c p s r 的内容。 8 异常 当正常的程序执行流程被中断时，称为产生了异常。例如处理一个外部的中 断请求。在处理异常之前，处理器的当前状态必须保留，以便在异常处理完成之 后程序流程能正常返回。并且，多个异常可能会同时发生，这时，它们将按照固 定的优先级顺序依次处理。 当进入异常状态时，内核应该进行以下动作： 1 、将原来执行的程序的下一条指令地址保存到l r 中： 2 、拷贝c p s r 到s p s r , 3 、根据发生的异常类型改变c p s r 的模式位的值； 4 、令p c 的值指向异常处理向量所指的下一条指令； 这时也可能设置中断禁能标志，以防止不可估计的异常嵌套发生： 当处理器处于t h u m b 状态时发生了异常，当p c 再入异常矢量所在地址时，它将自 动切换到a r m 状态。 当完成异常处理，将退出该状态时，处理器应该进行如下动作： 1 、移出1 r ，减去相应的偏移量，赋给p c ( 偏移量的值依据于发生的异常的类型) 。 2 、将s p s r 拷贝到c p s r ； 3 、清除中断禁止标志( 如果丌始时设置了的话) f 表列出了推荐用来完成第1 步的指令： 返回指令之前的状态注意 a r mr 1 4xt i _ i i j m b r 1 4 一x b lm o vp c ，r 1 4p c + 4p c + 21 s w im o v sp c ，r 1 4 - s v cp c + 4p c + 21 u d e f瀚v sp c ，r 1 4u n dp c + 4p c + 21 f i qs u b s p c ，r 1 4 一f i q ，# 4 p c + 4p c + 42 第二章嵌入式车载系统的理论基础 i r os u b s p c ，r 1 4 一i r q ，# 4 p c + 4p c + 42 p a b ts u b s p c ，r 1 4 一a b t ，# 4 p c + 4p c + 41 d a b ts u b s p c ，r 1 4 一a b t ，# 8 p c + 8p c + 83 r e s e tn a4 表2 4 异常进入退出 1 这里p c 所赋的是b l s w i 等指令所取得的地址，它们在预取指的阶段就被中断了。 2 这里p c 所赋的是由于f i q 或i r q 取得了优先权，而没有来得及得到执行的指令地址。 3 这里p c 所赋的地址是l o a d 或s t o r e 指令的地址，它们在执行时产生了数据的异常中断。 当异常出现时，异常模式的r 1 4 和s p s r 用于保存状态。其伪代码如下： r 1 4 一 = r e t u r n li n k s p s r = c p s r c p s r 4 ：o = e x c e p t io nm o d en u m b e r c p s r 5 = o i f - r e s e to rf i qt h e n c p s r 6 = l e l s ec p s re 6 不变 c p s r 7 = l p c = e x c e p t o nv e c t o ra d d r e s s 1 ) 复位 当n r e s e t 信号为低，a r m 7 t d m i 放弃指令的执行，并从下一个字地址取指。 当n r e s e t 信号为高，a r m 7 t d m i 将执行如下动作： 1 将当前的p c 值和c p s r 值写入r 1 4 一s v c 和s p s r s v c ； 2 强制m e 4 ：o 为1 0 0 1 l ( 超级用户模式) ，将c p s r 中的i 和f 位置1 ，并将t 位清 零： 3 强制p c 从o x 0 0 地址取得下一条指令： 4 重新丌始在a r m 状态中执行。 其伪代码如下： r 1 4 一s v c = u n p r e d i c t a b l e v a l u e s p s r s v c = u n p r e d i c t a b l ev a lu e c p s r 4 ：0 = o b l 0 0 1 l c p s r 5 = o c p s r 6 = 1 c p s r 7 = 1 嵌入式车载防盗系统的研究与设计 p c = o x 0 0 0 0 0 0 0 0 2 ) 未定义指令异常 当a r m 处理器执行协处理器指令时，它必须等待协处理器应答后，才能真正 执行该指令；若协处理器没有应答，则会出现未定义指令异常。 若试图执行该未定义指令，也会出现未定义指令异常。 未定义指令异常出现时，执行下列操作： r 1 4 一u n d = a d d r e s s o fn e x ti n s t r u c t i o na f t e ru n d e f i n e di n s t r u c t i o n s p s r u n d = c p s r c p s r 4 ：0 = o c p s r 5 = o c p s r 6 不变 c p s r 7 ：1 p c = 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 在仿真未定义指令后，通过下面指令： m o v sp c r 1 4 恢复p c ( 从r 1 4 一u n d ) 和c p s r ( 从s p s r u n d ) ，并返回该未定义指令的下一 条指令。 3 ) 软件中断s w i 软件中断s w i 指令进入管理模式，该指令常用于调用操作系统，故常称为 “管理调用( s u p e r v i s o rc a l l ) ”。 当软件中断s w i 执行时，完成以下操作： r 1 4 一s v c 2 a d d r e s s o fn e x ti n s t r u n t i o na f t e rt h es w i i n s t r u c t i 。n s p s r s v c = c p s r c p s r 4 ：0 = o b l 0 0 1 l c p s t 5 = 0 c p s r 6 不变 p c = o x 0 0 0 0 0 0 0 0 c 确定中t h 原n n ，即可通过“s u b s p c ，r 1 4 ，# 4 指令从中止模式返回， 并恢复p c 和c p s r 的值。 4 ) 数据中止( 数据访问存储器中止) 当存储器数据访问无效时，存储器系统发出存储器中止信号。其伪代码如下： r 1 4 一a b t = a d d r e s s o ft h ea b o r t e di n s t r u c t i o n + 8 s p s r a b t = c p s r c p s r 4 ：0 = o b l 0 0 1 l c p s r 5 = o 第二章嵌入式车载系统的理论基础 1 5 _ _ - _ _ _