（机械制造及其自动化专业论文）基于arm的绣花机嵌入式控制系统设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 当今绣花机市场蓬勃发展，绣花机控制系统作为绣花机最核心的部分，是提高性能和降 低成本的关键。本文结合浙江虎王科技有限公司与浙江大学的合作项目“绣花机控制系统”， 设计出一套基于a r m 的技术先进、功能精简、高性价比的绣花机控制系统。论文按照嵌入 式系统的开发过程，先根据市场需求划分了控制系统的功能模块并构建了总体架构，选择了 系统的软硬件平台，然后采用先进的设计方法对绣花机控制系统的硬件和软件进行了设计。 第一章介绍了绣花机及其控制系统的发展过程和现状，论述了嵌入式系统的定义、特点 和发展，阐述了a r m 的发展历史、研究和应用现状，提出了论文的主要研究内容，最后给 出了论文的总体结构。 第二章阐述了嵌入式系统的开发过程，选择了软硬件协同设计法为本系统的设计方法， 论述了e d a 技术的工作范围和设计步骤，详细讨论了软件的结构化设计方法和面向对象设 计方法的原理，最后给出了绣花机控制系统的设计原则。 第三章根据市场需求划分了绣花机控制系统的功能模块，构建了系统总体架构，并分 析了每个模块的具体功能；根据选型原则选出了适用于绣花机控制系统的上位机和下位机 c p u 芯片、操作系统及开发环境。 第四章根据总体架构，在选好的c p u 芯片的摹础上确定了绣花机控制系统的硬件框架， 详细设计了电源电路、复位电路、存储器接口电路、键盘与显示电路、u s b 接口电路、串 行通信接口电路和下层机电接口电路。 第五章按照上位机和下位机的层次构建了绣花机控制系统的软件框架，设计了键盘输 入模块、图形显示模块、u s b 驱动模块、花样存储与管理模块、串口通信模块、机电控制 模块的程序。 第六章回顾与总结全文的主要研究内容，归纳了本文的主要研究成果，并对今后的研 究工作作了展望。 关键词。绣花机控制系统嵌入式系统 a r m 实时操作系统协同设计l h 7 a 4 0 4 l p c 2 2 1 4v x w 0 r k s t o r n a d o 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t o d a yt h em a r k e to f e m b r o i d e r ym a c h i n ei sd e v e l o p i n gq u i c k l y , a st h em o s te s s e n t i a lp a r to f e m b r o i d e r ym a c h i n e ，t h ec o n t r o ls y s t e mi st h ek e yo fp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ta n dc o s t r e d u c t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n , ae m b r o i d e r ym a c h i n ec o n t r o ls y s t e mb a s e do na r mp r o c e s s o r , w h i c hp o s s e s s e sa d v a n c e dt e c h n o l o g y , c o m p a c tf u n c t i o na n dh i g hc o s tp e r f o r m a n c e , i sd e s i g n e d u n i f y i n gt h ec o l l a b o r a t i v ep r o j e c t “e m b r o i d e r ym a c h i n ec o n t r o ls y s t e m ”o fh u w a n gs c i e n c ea n d t e c h n o l o g yc o r p o r a t i o na n dz h e j i a n gu n i v e r s i t y a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so f e m b e d d e ds y s t e m , t h ef u n c t i o n a lm o d u l eo f t h ec o n t r o ls y s t e mi sd i v i d e d , t h eo v e r a l lf r a m e w o r ki s c o n s t r u c t e d , t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r ma r ec h o s e n , a n dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei s d e s i g n o du s i n ga d v a n c e dm e t h o d i nc h a p t e r1 ，t h ed e v e l o p i n gp r o c e s sa n ds t a t u so fe m b r o i d e r ym a c h i n ea n di t sc o n t r o l s y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h ed e f i n i e u s , c h a r a c t e r i s t i ca n dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e ma r e d i s s e r t a t e d t h ed e v e l o p m e n th i s t o r y , s t u d y i n ga n da p p l y i n gs t a t u so f a r mp r o c e s s o ri se x p a t i a t e d t h em a i nc o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r er i s e d f i n a l l y , t h es l t u e t o r eo f t h i sd i s s e r t a t i o ni sg i v e m i nc h a p t e r2 ，t h ed e v e l o p i n gp r o c e s so fe m b e d d e ds y s t e mi se x p a t i a t e d t h ec o o r d i n a t e d d e s i g nm e t h o di sc h o s e na st h ed e s i g nm e t h o do f t h i sc o n t r o ls y s t e m t h et e c h n i c a lf u n c t i o na n d d e s i g np r o c e d u r eo fe l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o nt e c h n o l o g ya r ed i s s e r t a t e dt h ep r i n c i p l e so f s t r u c t u r e dd e s i g nm e t h o da n do b j e c t o r i e m e dd e s i g nm e t h o da r ed i s c u s s e di np a r t i c u l a r , f i n a l l y , t h ed e s i g nc r i t e r i o no f t h ee m b r o i d e r ym a c h i n ec o n t r o ls y s t e mi sg i v e n i nc h a p t e r3 ，a c c o r d i n gt ot h ec o n s u m e rd e m a n d , t h ef u n c t i o n a lm o d u l eo ft h ee m b r o i d e r y m a c h i n ec o n t r o ls y s t e mi sd i v i d e d , t h eo v e r a l lf r a m e w o r ko ft h es y s t e mi sc o n s w u c t e d , a n dt h e f u n c t i o no fe a c hm o d u l ei sa n a l y z e di np a r t i c u l a r , t h ec p uc h i p so fm a s t e rs y s t e ma n ds l a v e s y s t e m ，t h er e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e ma n dt h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，w h i c ha r ea p p l i c a b l et o t h ee m b r o i d e r ym a c h i n ec o n t r o ls y s t e m ，a r ec h o s e ni nt e r m so f t h el e e t o t y p ep n 。n c i p l e s i nc h a p t e r4 ，o nt h eb a s i so f t h es e l e c t e dc p uc h i p s ，t h eh a r d w a r e 厅a m eo f t h ee m b r o i d e r y m a c h i n ec o n t r o ls y s t e mi sd e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h eo v e r a l lf r a m e w o r k t h ep o w e rc i r c u i t , r e s e t c i r c u i t ，m e m o r yi n t e r f a c ec i r c u i t ，k e y b o a r da n dd i s p l a yc i r c u i t ，u s bi n t e r f a c ec i r c u i t ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i ta n dn e t h e re l e c t r o m e c h a n i c a li n t e r f a c ec i r c u i ta r ed e s i g n e di n p a r t i c u l a r i nc h a p t e r5 ，t h es o f t w a r ef r a m eo f t h ee m b r o i d e r ym a c h i n ec o n t r o ls y s t e mi sc o n s t r u c t e di n t h el i g h to ft h eh i e r a r c h yo fm a s t e rs y s t e ma n ds l a v es y s t e m t h ep r o 伊a m ao fk e y b o a r de n t r y , g r a p h i c a ld i s p l a y , u s bd r i v e , p a t t e r ns t o r ea n dm a n a g e m e n t ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o na n d e l e c t r o m e c h a n i c a lc o n t r o la r ed e s i g n e d 浙江大学硕士学位论文 i nc h a p t e r6 ，t h er e v i e wa n dc o n c l u s i o n so ft h i st h e s i sa l es u m m a r i z e da n dt h e f u t u r e r e s e a l c hw o r ki ss k e t c h e do u t k e y w o r d s ：e m b r o i d e r ym a c h i n ec o n t r o ls y s t e m ，e m b e d d e ds y s t e m ，a r i v l ，r t o s ，c o o r d i n a t e d d e s i g n , l h 7 a 4 0 4 ，l p c 2 2 1 4 ，v x w o r k s , t o r n a d o 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据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，也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机 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的说明并表示谢意。 学位论文作者签名t 万易研签字嗍沙7 年月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎婆盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 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，允许论文被查阅和 借阅。本人授权澎婆盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、扎一编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址：邮编 导师签名： 签字日期： 粥俦暂 。7 年石月加日 电话： 锄叫拍蹈叻 乃 轹产 签 力 凇 一泖 乍姘 瓤 硷 日工业r 籼 鞋 浙江大学硕士学位论文第章绪论 第一章绪论 摘要z 本章介绍了绣花机及其控制系统的发展和现状，论述了嵌入式系统的定义、特点和发 展，阐述了a r m 的发展历史、研究和应用现状，提出了论文的主要研究内容，最后给出了 论文的总体结构。 1 1 引言 随着人们生活水平的提高，生活消费品的市场越来越大，“衣、食、住、行”方面的产 业正在蓬勃发展，其中服装纺织行业更是如此。绣花机产业是纺织行业中的高端产业，它决 定了服装企业的生产数量和产品质量。市场的庞大需求和消费档次的提高成为了促进绣花机 性能不断改进的强大动力。而改进绣花机性能最重要的就是绣花机控制系统的升级。起初的 绣花机控制系统由于电子、计算机技术的不成熟，机械生产技术与控制技术结合性差，只能 实现一些简单的基本功能，没有其他的辅助模块，生产出来的绣品也只停留在低端，不能满 足高档产品的需要。随着技术的不断成熟和对系统的不断改进，现在的绣花机控制系统将控 制电路、可编程芯片和各部分机械装置相结合，通过嵌入式集成将软件硬化和集中在c p u 控制模块和各个功能模块上。不仅控制系统体积大大减小，而且实现的功能越来越多，囊括 的模块也越来越复杂。绣花机控制系统进入了嵌入式时代。 嵌入式系统是随着信息电子和计算机技术的普及而发展起来的。随着人们需求的不断提 高，所有的技术都在向着小型化，便携化的方向发展，而嵌入式系统正是凭借体积小、性能 强、功耗低、可靠性高的优势全面渗透到人类社会的每一个角落。手机、个人数字助理p d a 、 m p 3 、v c d 、数码相机、智能家电、网络家电、g p s 设备等产品都已经应用到了人们生活 的各个方面。在工业控制领域，通信、仪器仪表、汽车、航天航空等都是嵌入式系统的天下， 数控机床、智能机器人等嵌入式产品正在改变传统的工业生产方式i l j 。 起初的嵌入式系统的应用是基于单片机的，主要用作一些设备的内嵌电子装置，能够实 现的功能相对比较简单。随着i n t e m e t 的普及和信息家电的出现，市场对嵌入式设备的网络 功能提出了更高的要求。8 1 6 位单片机的速度和内存已经很难满足设备的各种复杂要求。随 着集成电路的发展，3 2 位r i s c 处理器受到开发者的青睐。 a r m 公司是业界领先的1 6 3 2 位嵌入式r 1 s c 处理器技术提供商，占据了大约7 5 的 市场，它能够为一个完整系统的开发提供全面的技术支持。a r m 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【2 j 。事实上a r m 处理器已经成 为开发人员首选的嵌入式处理器。 浙江大学硕士学位论文第章绪论 1 2 绣花机及其控制系统的发展和现状 刺绣是我国的一项传统工艺，一直在世界上享有盛誉。2 0 世纪以来刺绣产品越来越 受欢迎、需求越来越大，手工刺绣已远远不能适应市场的需求唧。伴随着计算机、电子和机 械加工技术的不断发展，高自动化的刺绣设备全自动绣花机应运而生。作为传统的刺绣 与电子、机械相结合的产物，全自动绣花机是当代最先进的绣花机械，它能使传统的手工绣 花得到高速度、高效率的实现 4 1 。 1 9 7 7 年，世界上第一台全自动绣花机由日本百灵达( b a r i j d a n ) 公司研制成功，这 台全自动绣花机为当今刺绣行业奠定了基础。1 9 8 1 年，百灵达又成功开发了可以刺绣汉字、 片假名、平假名等文字的绣花机并投入市场；1 9 8 6 年，全自动特种绣花机问世，使特种绣 摆脱手摇方式实现了自动化；1 9 9 3 年百灵达推出世界上首台全自动换色手工仿真绣花机； 1 9 9 6 年，1 2 0 0 r p m 的超高速全自动绣花机开发成功吲。百灵达公司迅速成为世界绣花机行业 的领导者，并与日本田岛( 圳i m a ) 公司一度占据全球绣花机市场分额的7 0 以上。 8 0 年代末以来，随着中国绣花机企业以及韩国日星( s w f ) 公司的崛起，全球绣花机 产业的格局逐渐发生转变。1 9 8 8 年，在引进和参考德国和日本的全自动绣花机的基础上， 北京一轻研究所与青岛缝纫机厂共同研发生产出了我国第一台全自动绣花机，并由此组建了 我国首家专业的全自动绣花机控制系统开发公司北京兴大豪科技开发有限公司。这使得 我国全自动绣花机全部依赖进口的局面得以打破剃。1 9 9 5 年，韩国日星公司投资2 5 亿元， 将积累了2 5 年的缝纫机械生产技术和缝纫机控制技术结合在一起，于1 9 9 6 年成功开发多头 全自动绣花机。2 0 0 2 年，随着其1 2 头t u b u l a r 型自动绣花机等产品的成功开发。日星开辟 了绣花机历史上的新纪元m 。 当今国际上著名的仝自动绣花机生产厂商有日本田岛( t a j i m a ) 公司、百灵达 ( b a r u d a n ) 公司、兄弟( b r o t h e r ) 公司、幸福( h a p p y ) 公司、丰田( t o y o t a ) 公 司、德国蔡斯克( z s k ) 公司、百福( p f a f f ) 公司、美国m e l c o 公司、韩国日星( s w f ) 等。 我国国内随着绣花机行业的蓬勃发展，绣花机生产企业也越来越多，除了北京兴大豪公司以 外，还有北京北方天鸟职能科技开发有限公司、青岛电脑刺绣机总厂、杭州经纬机械电子制 造有限公司，浙江飞鹰缝制设备有限公司等。国内企业正在频繁与国外著名公司合作，产品 质量越来越得到国内乃至国际市场的认同心。 全自动绣花机的核心是绣花机控制系统。从全自动绣花机诞生的那一天起，它就被人们 不断地改进和完善，这些改进在提高机器性能和降低成本方面取得了巨大的成功。如今，随 着时间的推移和技术的成熟，绣花机机械方面的改进已经不会有太大的效果，而改进控制系 统就成了提高性能和降低成本的关键，也是各大绣花机品牌的竞争重点。目前甚至有相当一 部分公司专门制作伞自动绣花机的控制系统，用于绣花机生产厂商的产品更新。 在绣花机控制系统领域，日本田岛公司首先走在了国际前列。2 0 0 3 年中国国际缝制设 备展览会上，田岛公司展出的全自动绣花机配置了自动检测上下断线的装置，很好地保证了 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 绣品质量；配置了自动底线检测装置和底线更换装置，当底线不足时，绣花机自动报警，底 线用完后自动更换；配置了自动剪线装置，在绣花完成后，绣花机自动剪断底线和面线：配 置了自动加油装置，自动整匹绣装置等。这些装置大大提高了绣花机的自动化程度，使操作 更方便，绣花质量更好阳。 在国内，以大豪公司为例，目前该公司的绣花机控制系统在中国市场几乎形成了垄断地 位，占据了7 0 的市场份额，一些高档绣品的生产商也开始成为大豪公司的客户。大豪公 司的绣花机控制系统不仅能满足常规的普通绣，还能实现各种特种绣，如金片绣、盘带绣、 绗缝绣等。更重要的是，大豪的绣花机和国际上的著名品牌一样带有如自动剪线、自动换色、 断线检测、针位检测等多种自动装置，实现了生产的高度自动化，提高了生产效率，而且具 有很好的稳定性和抗干扰能力，能及时处理一些意外情况，将损失减少到最低限度， 1 3 嵌入式系统 1 3 1 嵌入式系统的定义及特点 英国电机工程师协会将嵌入式系统定义为“控制、监视或辅助设备、机器甚至工厂操作 的装置”【1 0 】，嵌入式系统作为计算机的一种应用形式，它所强调的是：隐藏计算机的常见 形式，辅助寄宿主设备，使宿主设备的功能智能化。它在国内被普遍定义为：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 耗严格要求的专用计算机系统1 1 l 】。 嵌入式系统是面向用户、产品和应用的，必须与具体应用相结合才能发挥其特有的优势， 它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用1 ”，以满足应用系统的 功能、可靠性、成本、体积和功耗等要求。所以，比较好的发展模式是：先建立相对通用的 硬件和软件基础，然后在其上开发出适应各平叶嚅要的嵌入式系统i l 。由于和具体应用有机 她结合在一起，因此它的升级换代也是和具体产品同步进行的。嵌入式系统的产品一旦进入 市场，就具有较长的生命周期”。 所以，嵌入式系统不同于通用计算机系统应用的多样化和实用性，相比于通用计算机系 统它具有以下几个重要特征i 嘲1 1 q ； ( 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。 ( 2 ) 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 设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。 ( 3 ) 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， 一般要针对硬件进行系统的移植。针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改。 ( 4 ) 高可靠性。随着半导体技术的发展，嵌入式系统硬件质量得到保证，因而软件部 分显得尤为重要。为了提高系统运行的可靠性，嵌入式系统的软件都要求固化存储。 ( 5 ) 高实时性和多任务的操作系统。为了充分利用系统资源函数以及专家库函数接 3 浙江大学硕士学位论文第章绪论 口，用户必须自行选配多任务r t o s 开发平台。在多任务操作系统中，系统软件对重要性不 同的任务统筹兼顾、合理调度从而保证程序执行的实时性。 ( 6 ) 专门的开发工具和环境。通用计算机有完善的输入输出界面，可以进行自身的开 发。而嵌入式系统并不具备自主开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 1 3 2 嵌入式系统的发展 很早以前，“嵌入式”的概念就已经存在。在通信方面，嵌入式系统在2 0 世纪6 0 年代就 用于对电子机械电话交换的控制，当时被称为“存储式程序控制系统”( s t o t e dp r o g r a m c o n t r 0 1 ) ，它是美国贝尔系统于2 0 世纪5 0 年代研制出的以计算机控制的空分交换机，并安 装在伊里诺州的m o m r d s 城试用l l “。 嵌入式系统的真正发展是在微处理器出现之后。1 9 7 1 年1 1 月1 5 日，h t e l 公司成功将 算术运算器和控制器电路集成在一起，并推出了世界上第一款微处理器h e l4 0 0 4 ，它首次 将一台编程计算机所需的各种元素融合在一颗单独的芯片上。i n t e l4 0 0 4 是单芯片处理器， 夕 层有1 6 只针脚，内置2 3 0 0 个晶体管，采用l o 微米制程，最高频率有7 4 0 k h z ，能执行4 位运算，支持8 位指令集和1 2 位地址集 1 9 7 2 年，i n t e l 公司又推出8 0 0 8 微处理器，它内置6 0 0 0 颗晶体管，可以处理8 位的信 息i 】q 。并在此基础上诞生了被公认为第部家用计算机的m a r k - 8 装置，这是嵌入式技术真 正意义上的第一次应用。1 9 7 4 年，8 0 0 8 发展成为8 0 8 0 ，成为第二代微处理器，并被应用于 各种应用电路和设备中，例如世界上第一台个人计算机a l t a k 和第一台电子秤“w 。之后许多 厂商陆续推出了自己的8 位、1 6 位以及3 2 位微处理器，如m o t o r o l a 于1 9 7 4 年推出的6 8 0 0 系列1 6 位微处理器和1 9 8 4 年推 的6 8 0 0 0 系列3 2 位微处理器口1 i 【2 2 l ，z i l o g 于1 9 7 6 年推出 的z 8 0 系列8 位微处理器和1 9 7 9 年推出的z 8 0 0 0 系列1 6 位处理器【2 3 l 口”，i m e l 公司此后又 推出了1 6 位微处理器8 0 8 6 及后来被i b m 应用于其p c 机的8 0 8 8 口”l “。此后。微处理器便 按照“性能按指数规律每1 8 个月倍增”的摩尔定律高速发展，不断出现性能越来越高的 微处理器。 微处理器发展之初，软件只能用汇编语言编写，控制系统功能单一、效率低下，不能 适应高效的现代工业控制和新兴信息家电等领域的需求，对于复杂的嵌入式系统还需要有实 时操作系统的支持。于是8 0 年代起，一批软件公司开始进行商用操作系统和专用操作系统 的研发，并出现了一些著名的嵌入式操作系统。 1 9 8 1 年，r 由s y s t e m 公司发布了世界上第一个商业嵌入式实时操作系统v r t x ，它 具有一组满足用户需要的模块化界面和工具，能保证用户在将来支持和重复利用源代码b m 。 1 9 8 3 年，w m dr i v e r 公司成功设计出v x w o r ( s 操作系统，该系统为程序员提供了一致的开 发和运行环境，被广泛应用于航空、舰船、通信、医疗等领域冽。1 9 9 1 年一位叫l i n i i st o r v a l d s 的计算机业余爱蚶者发布了l i n u x 操作系统的最早版本l i n u xv 0 们，l i n u x 的最大特点是源 代码公开，用户不用支付仟何费用j 。1 9 9 2 年美国嵌入式系统专家j nj l a b r 在嵌 4 浙江大学硕士学位论文第章绪论 入式系统编程杂志b b s 上发布p c o s 的源代码，众多工程技术人员下载了该代码并将其 应用到了网络设备、电话系统和工业机器人等各个领域i 。1 9 9 6 年美国m i e r o s o r 公司发布 w i n d o w sc e i 0 操作系统，它是一套3 2 位、多任务。多线程的操作系统。采用开放架构设 计，可用于各种通讯、娱乐和移动方式的计算机设备懈j 。 近3 0 年来，嵌入式系统随着微处理器和操作系统的更新而不断发展。如今，世界上最 大的两个半导体厂商i n t e l 和a m d 正在向市场推行6 4 位处理器，目前最为流行的v x w o r k s 操作系统已经开始预发布最新版本v x w o r k sv 6 0 。同时随着互联网的发展以及网络技术与 信息家电、工业控制技术结合日益密切。新一代的嵌入式系统正在网络通信接口和通信组网 协议方面快速发展，嵌入式系统的应用日益广泛1 3 习。 1 4a r m 的发展和研究 1 4 1a r m 的发展历史 2 0 世纪8 0 年代，美国加州大学伯克利分校的p a t t e r s o n 教授领导的研究生团队设计核实 现了世界上第一块l u s c 处理器r i s ci 。在此基础上，位于英国剑桥的a c o r nc o m p u t e l l i m i t e d 公司在1 9 8 3 至1 9 8 5 年问研发出了第一代a r m r i s c 处理器，1 9 8 5 年4 月a c o m 公 司对首批a r m 样片进行了测试并成功运行了测试程序。8 0 年代后期，a r m 处理器已经发 展成为可支持a c o r n 公司的台式计算机产品，奠定了英国教育界计算机技术的基础删。 1 9 9 0 年1 1 月a c o r n 公司提供技术和1 2 名工程师，联盟美国苹果电脑公司和v l s i t e c h n o l o g y 在英国剑桥组建a r m 公司。公司成立以后，将a r m 拓展到了嵌入式应用领域， 并采取出售i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y 。知识产权核) 使用权或所有权为主的市场策略，专门 从事c p u 芯片内核的设计，并从那时开始，推出y a r m v 3 至a r m v 7 的五款体系 4 0 l ： 1 9 9 1 年，a r m 作为独立的公司研发出了第三代r i s c 体系a r m y 3 ，它具有3 2 位地址，分 开的当前程序状态寄存器和备份程序状态寄存器，增加了两种异常模式，使操作系统代码可 以方便地使用数据访问中止异常、指令预取中止异常和未定义指令异常，以便在监控模式下 支持协处理器仿真和虚拟存储器。基于v 3 版本的c p u 代表是a r m 6 。 1 9 9 3 年，a r m 公司推出a r m y 4 体系，该体系增加了有符号、无符号半字和有符号字节 的l o a d 和s t o r e 指令，并为结构定义的操作预留了一些s w i 空间；增加了破种，处理器可工 作于t h u m b 状态，在该状态下的指令集是1 6 位t h u m b 指令集：引入了特权模式，几个未使用 指令空间的角落作为未定义指令使用。基于v 4 版本的c p u 代表是a r m 7 t d m i 和a r m 9 2 2 t 。 1 9 9 5 年，a r m 公司发布a r m y 5 体系，提高了t 变种中a r m t h u m b 混合使用的效率：增 加了前导零记数( c l z ) 指令，使整数除法和中断优先级排队操作更为有效；增加了软件断 点( b k p t ) 指令；为协处理器设计提供了更多的可供选择的指令；更加严格地定义了乘法 指令对条件码标志位的影响。基于v 5 版本的c p u 代表是a r m 9 4 6 e 和a r m 9 2 6 e j 。 2 0 0 1 年，a r m 公司发布a r m y 6 体系，v 6 版本在降低耗电量的同时，进一步增强了d s p 以及多媒体处理运算的支持，通过增加s i m d ( s i n g l ei n s t r u c t i o nm u l t i p l ed a t a ) 指令扩展， 5 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 使常用的音频、视频处理性能得到了极大提升。从v 6 版本开始，a r m 逐渐在c p u 里面采用 一些更新的增强型技术。v 6 体系首先被应用于2 0 0 2 年发布的a r m i l 处理器中。 2 0 0 4 年，a r m 公司发布新的结构体系a r m y 7 ，并将其命名为c o r t e x ，这是a r m 首次为 其结构体系命名。在新版的结构体系中，a r m 一如既往地提升结构体系的效率，并在微控 制器应用领域中增加低成本实现方案。 随着众多版本的推出，a r m 处理器的市场占有率不断上升。1 9 9 9 年底市场销售额捧在 前三位的公司分别是a r m ，m o t o r o l a 和m i p s ，其中a r m 公司的芯片销售量达1 5 亿个，市场 份额超过5 0 0 , 6 ；2 0 0 0 年，全球a r m 处理器的发货量达到4 亿；到2 0 0 1 年，a r m 处理器就拥有 超过7 6 8 0 , 6 的r i s c 处理器的市场份额；2 0 0 2 年则几乎垄断了全球嵌入式r i s c 处理器市场。据 d a t a q u e s t 的最新报告显示，2 0 0 2 年a r m 公司再次成为排名第一的口提供商，其市场份额高 出排名第二的r a m b u s 公司约一倍左右。 2 0 0 2 年7 月，a r m 在上海设立了中国地区的全资分公司安谋咨询( 上海) 有限公司。 通过积极的中国策略，a r m 用一年的时间在中国发展了九家合作伙伴，其中两家为工具代 理商：科汇亚太、旋极；三家为集成电路设计合作伙伴：上海集成电路设计研究中心、上海 华虹集成电路有限公司、深圳市中兴集成电路设计有限责任公司；科银京城、中科红旗、上 海汉峰为实时操作系统合作商；位于南京的东南大学是a 州大学计划成员。 1 4 2a r m 的研究和应用现状 由于技术高超和授权价格低廉，加盟a r m 的厂商越来越多，目前全球共有一百多家厂 商在使用a r m 公司的技术授权，世界排名前2 0 的半导体公司有1 9 家采用了a r m 的授权。其 中不少都是通信业巨叉，如安捷伦、阿尔卡特、爱立信、摩托罗拉、三星、高通、n e c 、英 特尔。国内伙伴有中兴、华为、上海华虹。另外有7 0 多家公司正在生产a k m 芯片。而a k m 的全球技术合作伙伴包括领先的半导体和系统厂商、r t o s 的开发商、e d a 工具供应商、应 用软件公司、芯片制造商和设计中心。 因此，市场上绝大部分微处理器芯片都是以a r m 核为基础的。各芯片厂商结合自身的技 术优势和芯片的市场定位使芯片设计最优化，推出一大批高度集成、各具特色的产品，例如 i n t e l 公司的集成了l c d 控制器、音频编解码器的x s c a l e 系列，定位于智能p d a 市场 4 l l ；a t m e l 公司的集成了大容量f l a s h 翮r a m 、高精度a d 转换器以及大量可编程i o 端口的a t g l 系列， 特别适合于工业控制领域 4 2 l ：p h i l i p s 公司的集成了1 2 8 位宽的零等待f l a s h 存储器以及1 2 c 、 s p i 、p w m 、u a r t 等传统接口的l p c 2 0 0 0 系列，极高的性价比使它对传统的8 1 6 位m c u 提 出了严峻挑战 4 3 1 。如此众多的高集成度芯片由于其内核都统一于a r m 核心，使得软硬件平 台的移植变得相当容易，只要掌握了a r m 开发技术的核心，就可以达到“一通百通”的目 的，为用户大大降低了培训、学习的成本，缩短了产品上市的时间”j 。 于是大量的研究人员都在选用各种基于a r m 核的芯片进行嵌入式系统的开发，这些开 发更是应用到了人们生产和生活的各个领域。国防科学技术大学的刘晓军等人采用基于 6 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 a r m 7 t d m i 核的处理器芯片a t 9 1 r 4 0 0 0 8 和p c o s - i i 实时操作系统，开发出了一种能够在移 动载体( 车、船、舰等) 上进行卫星通信和电视信号接收的系统，无论移动载体处于何种运 动状态都可以实现对指定卫星的快速跟踪和实时通信咐】。浙江大学的吴伟等人基于统一的 硬件结构，采用a r m 处理器$ 3 c 2 4 1 0 作为核心处理器，通过软件算法进行声振信号的声级计 算、频谱分析和噪声统计分析，集成多种声振分析功能，同时利用g p r s 无线网络实现分布 式声振检测，设计出了一套分布式声振检测系统，可以在一个监控中心就完成整个城市的声 振监控和研究工作 4 6 】。清华大学的张硕等人利用三星( s a m s u n g ) 公司的s 3 c 4 4 b o x 芯片替代 5 l 单片机，基于开源的p c o s i i 嵌入式实时操作系统设计了一种高性能的数据采集分析 仪，利用a r m 7 t d m i 内核的r i s c 设计思想实现了更高的运行频率和更强大的数据处理能力 【4 7 j 。华中科技大学的刘瑶等人通过分析全光波长路由器的系统结构和工作原理，基于嵌入 式系统a r m 的单总线单c p u 的结构体系，通过光电混台控制实现了光波长路由器的控制和 网络管理，该系统可以透明地传输2 5 g b s 和1 0 g b s 的光信号。 上海交通大学的马燕等人采用状态机的模式，利用主频高达2 0 0 m h z 以上的a r m 9 处理 器对多媒体搔放器的输入输出模块和解码程序进行了优化设计，在资源受限的通用处理器上 实现了软解码的高性能计算，完成了一个高性能、低功耗、低成本的嵌入式系统1 4 9 1 。华东 师范大学的彭熙等人通过分析血压测试原理和整个生理特征测量系统的结构，划分功能模 块，并基于a r m 芯片分别进行软硬件实现，设计出基- t - l p c 2 2 1 0 的生理特征测量系统p o j 。 韩国的w o n y o n gs u n g 等人基于a r m 7 t d m i 核的r i s cc p u ，利用r i s c 处理器软件优化技术 和运算法则优化方法为一款外语学习机实现了m p 3 音频解码、语音识别和模拟发音”“。加 拿大的m b a y e m m 等人根据国内局域网的需要，基于a r m 7 核的嵌入式处理器实现了以太 网协议f i r e w i r e 的转换，为网络提供实时通信服务9 “。美国的s o n gj 等人将基于t m s 3 2 0 c 5 5 x 的高性能d s p 系统和基于a r m 9 微处理器的m p u 系统相结合，为3 g 无线技术设计了一套复杂 的低功耗高性能的开放式多媒体应用平台酬。更多地，众多国外学者还在a r m 7 核f ”】和 a r m 9 核”l 口8 1 的基础上进行软硬件扩展设计和优化，设计出了一系列颇具特色的处理器。 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用领域可以总结如下”w ： ( 1 ) 工业控制领域：作为3 2 的r i 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。 ( 2 ) 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，在该领域的地位日益巩固。 ( 3 ) 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行了优化，并获得广泛支持。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 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 7 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了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。 1 5 课题背景与论文的主要研究内容 1 5 1 课题背景 随着全自动绣花机的不断发展，机械方面的改进对机器的性能改善已经投有太大的效 果。因而，控制系统就成为了绣花机提高性能和降低成本的关键，也是各大绣花机厂商的竞 争重点。本文结合浙江虎王科技有限公司与浙江大学的合作项目“绣花机控制系统”，按照 嵌入式系统的开发过程，根据市场需求划分控制系统的功能模块并构建总体架构，基于系统 的技术要求选择合适的处理器、操作系统和开发环境，采用协同设计法对绣花机控制系统的 硬件和软件进行设计。 1 5 2 论文的主要研究内容 本文按照嵌入式系统的开发过程，先制定了绣花机控制系统的总体设计方案，再按照 方案确定了软硬件框架，然后对软硬件的具体模块进行了设计，主要内容有： 第一章介绍了绣花机及其控制系统的发展过程和现状，论述了嵌入式系统的定义、特 点和发展，阐述了a r m 的发展历史、研究和应用现状，提出了论文的主要研究内容，最后 给出了论文的总体结构。 第二章阐述了嵌入式系统的开发过程，选择了软硬件协同设计法为本系统的设计方法， 论述了电子设计自动化( e d a ) 的设计原理，详细讨论了软件的结构化设计方法和面向对 象设计方法，给出了绣花机控制系统的设计原则。 第三章按照嵌入式系统的开发过程，划分了绣花机控制系统的功能模块，构建了系统 总体架构，并分析了每个模块的具体功能：根据选型原则选出了适用于绣花机控制系统的上 位机和下位机c p u 芯片、操作系统和开发环境。 第四章根据总体架构，围绕上下位机c p u 芯片确定了绣花机控制系统的硬件框架，详 细设计了电源电路、复位电路、存储器接口电路、键盘与显