（电路与系统专业论文）货运铁路货检终端的设计与实现.pdf

谚0 0。器量遭一 o i i 一、 成果 包含 教育 何贡 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适慧f 授权l e i l o 多修 日j = ! ：三：竺 日期：趁牡- l m鹫p；_卜：f一。、；。 4 r，吧ij u 一，於、 三l： 文 做为货 持续了很长 给货检系统 而专门设计的一款手持嵌入式系统终端设备。 本论文即着眼于此，提供了一款货检终端的硬件平台的体系结构 和软件平台的体系结构，以及系统的总体设计方案，最大的优化了系 统的高效性、稳定性。硬件平台是以欧洲s t 公司的基于c o r t e x m 3 内核的3 2 位嵌入式微处理器芯片s t m 3 2 f 1 0 3 r c t 6 为控制核心，外 部扩展了用于大量数据存储的f l a s h 、用于为用户提供显示的l c d 、 用于数据交互的m o d e m 等硬件资源模块，所有的这些构成了系统 的整体硬件架构。文中对各个硬件模块的硬件设计和实现做出了比较 详尽的论述，并包括相应的电路图。在上述硬件平台的基础上，移植 了嵌入式实时操作系统 t c o s i i ，按照操作系统、文件系统、图形用 户界面、驱动程序、上层应用的分层软件体系结构的思想，设计了所 有的系统软件和相应的通信流程，为整个系统的开发打下了严实的基 础。最后，文中对现有系统的不足之处提出了改进的方案和措施，以 期在进一步的工作中得到更好的效果。 关键字：l x c o s i ic o r t e x m 3c m x 4 6 9 a 货检终端 。，。!it-辱，量、； ；t!，j、7，客，i!-fltl 广 a bs t r a c t t h ef u l lm a n u a lm o d eo fo p e r a t i o nh a sl a s t e dal o n gt i m ei nc a r g o i n s p e c t i o ns y s t e m ，w h i c hi sa l li m p o r t a n tp a r ti nc a r g or a i l w a ys y s t e m i t s e r i o u s l y a f f e c t st h e e f f i c i e n c y o ft h er a i l w a y s y s t e m t h ec a r g o i n s p e c t i o nt e r m i n a l ，ak i n do fe m b e d d e ds y s t e m , i st op r o v i d e a l l a u t o m a t e d s o l u t i o n , w h i c h c a l le n h a n c e c a r g oi n s p e c t i o n s t a f f p r o d u c t i v i t y t h ep a p e rp r e s e n t st h es c h e m eo fi n t e l l i g e n tt e r m i n a lh a r d w a r ea n d s o f t w a r es y s t e m i tg r e a t l yo p t i m i z e st h ee f f i c i e n c ya n dt h es t a b i l i t yo ft h e s y s t e m t h es t m 3 2 f 10 3 r c t 6i sc o r ec p uo ft h et e r m i n a l sh a r d w a r e p l a t f o r m ，w h i c hi st h e3 2 - b i tc o r t e x m 3k e r n e le m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r p e r i p h e r ye x p a n d sd a t as t o r a g ef l a s h ，d i s p l a y i n gl c d ，d a t ar e c e i v i n g a n ds e n d i n gm o d e ma n do t h e rh a r d w a r em o d u l e a l lo ft h e s ea r et h e b a s i sp a r to ft h eh a r d w a r es y s t e m t h ep a p e rw i l ld e p i c tt h ed e s i g no ft h e h a r d w a r ei nd e t a i la n dt h ec i r c u i t s b a s e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m ， e m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mg c o s i ii sp o r t e d a n dt h ew h o l e s o f t w a r es y s t e mi sd i v i d e di n t os e v e r a lp a n s ，i n c l u d i n go s ，f s ，g u i ， d r i v e r , a p p l i c a t i o n t h em o d e mc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ew i l lb ei n 冬；r i d e t a i la n a l y s i s f i n a l l y , t h ep a p e rp r o p o s e dt oi m p r o v et h ee x i s t i n gs y s t e m o fp r o g r a m sa n dm e a s u r e s ，w i t hav i e wt of u r t h e rw o r ko nt h er e s e a r c h r e s u l t si nb e t t e r k e y w o r d s ：i ，t c o s - i ic o r t e x - m 3c m x 4 6 9 ac a r g oi n s p e c t i o n 毋i 0 - 屐 一 f 一 第一章绪论 1 1 货运铁路货检系统现状 1 2 货检系统改进的方向 1 3 货检系统的整体方案 1 4 本论文的主要工作 第二章系统的硬件架构4 2 1 处理器s t m 3 2 f 1 0 3 i t 6 4 2 1 1a r mc o r t e x - m 3 内核介绍。4 2 1 2s t m 3 2 f 1 0 3 r c t 6 的介绍1 0 2 2 又寸毛 机。1 1 2 3 调制解调器c m x 4 6 9 a n 2 4 键盘。1 2 2 5l c dt b m l 2 f 6 4 3 6 a 1 3 2 6d a t a f l a s h i i - r z l 5 d b 6 4 2 d 1 5 第三章系统的软件架构1 7 3 1 p c o s i i 介绍1 7 3 1 1 j t c o s i i 的特点1 7 3 1 2 1 t c o s i i 内核的工作原理。1 8 3 1 3 i t c o s 1 i 的体系结构。1 9 3 1 4 p c o s i i 的扩展。1 9 3 2 i _ t c o s i i 的移植1 9 3 2 1 编写o sc p u h 文件2 1 3 2 2 编写o sc p uc c 文件2 2 3 2 3 编写o sc p ua a s m 文件2 3 3 3 构建文件系统2 6 3 3 1 p c f s 的介绍2 6 3 3 2 1 1 c f s 的移植。2 7 l 3 4 构件图形用户界面2 8 3 4 1 i t c g u i 的介绍2 8 3 4 2 心g i j i 的移植2 9 3 4 3 i t c g u i 对汉字的支持3 0 3 4 4 p c g t a 对中文输入法的支持3 1 3 5 集成开发环境i a r 3 3 第四章系统的通信流程3 5 4 1 应用层3 5 4 2 协议层3 6 4 2 1 协议层数据包格式。3 6 4 2 2 协议层整体架构3 8 4 2 3c r c 校验3 8 4 3 传输层4 0 4 3 1戈莱码。4 0 4 3 2 交织：4 4 4 4 物理层4 5 4 4 1 设备驱动4 5 4 4 2 前导码和结束码4 6 4 4 3 冗余和大数判决4 6 第五章系统实现4 7 5 1 货检员工终端的任务的划分4 7 5 2 任务间的同步和通信4 8 5 3 任务优先级的设定4 9 5 4 堆栈资源分配4 9 5 5 系统的优化4 9 第六章总结与展望5 1 参考文献5 2 致谢5 4 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 5 嘎 妒 第一章绪论帚一早珀v 匕 十一届三中全会以来，在党的正确领导下，经过全国人民不遗余力的奋斗， 改革开放成果显著。国民生产总值逐年飙升；国家综合实力大幅增强；人民生活 水平发生了翻天覆地的变化。社会主义市场经济给中国注入了新鲜血液，经济高 速发展惠及万民，异地间物资和人员的流动大量增加，这也给我国的交通系统带 来了巨大的挑战。 新中国成立以来，我国已经经历了六次铁路提速。但是，在整体调整的过程 中难免会碰到一些前所未有的状况，其中货运铁路的货检系统中就暴露出了一些 问题，主要是效率较低的人工操作无法适应新形势下的整体调度，成为整个系统 提速的瓶颈，进而成为制约经济发展的一个桎梏，亟待解决。 1 1 货运铁路货检系统现状 和客运火车不同，货运火车每到达一个站台就需要进行货物检查。一般情况 下，一列货运火车的每节车厢的目的地可能不同，所以当达到一个站台后就需要 将对应的车厢从整列火车上拆卸下来，在拆卸的过程中需要对货物进行检查。另 外，车厢中的货物在运输过程中可能发生倾斜，受雨雪天气等的影响，诸如此类 的情况也需要进行货物检查。总之，当一列货运火车到达站台后，要经历很繁杂 的检查工作，这需要消耗大量时间。 在传统方式下，货检工作是完全由货检员工完成的。其过程大概是：货检中 心统计货检任务。货检中心将货检任务分发给各个货检员工，主要是将货检任务 誊写到纸质的任务书上。到岗的货检员工到货运中心领取任务书。货检员工携带 任务书进行实地操作，并将货检结果填写到任务书上。货检员工将任务书回送到 货检中心。当另一列货运火车到达后，重复进行上面的操作。 但是，在这样的条件下，经过长期的实践总结，在货检过程中暴露出很多问 题，其中主要包括：通常货检中心距离站台较远，货检员工将大量的时间浪费 在往来的路上，这样就极大的耽误了货检员工的工作效率。由于任务书是纸质 的，货检中心需要大量的档案柜来保存历史任务书。当遇到雨雪天气的时候， 任务书极易淋湿。货检员工需要大量的攀爬动作，在攀爬的同时完成书写操作 是比较困难的。货检员工之间、货检员工和货检中心之间有时候需要进行语音 沟通。 1 2 货检系统改进的方向 考虑到在一段时间内货检工作不可能完全摆脱人工操作，所以急需一种设备 来协助货检员工的工作，以提高其工作效率。这种设备应该至少满足以下功能： 能够进行语音通话。可以在货检员工和货检中心之间进行数据传输，即进行 货检任务的分发和货检结果的汇报。携带方便，操作简单。在恶劣天气下可 以照常工作。 另外，现行的货检系统已经具备了一些货检辅助设备，主要是广泛使用的对 讲机。如果将已经装备的设备整合到改进后的系统当中，这将有效的节约成本， 降低货检员工的熟悉时间，便于快速而有效的展开工作。 1 3 货检系统的整体方案 根据上面的论述，考虑到方案的使用环境和适用对象，特提出下面的解决方 案。本方案的主要目的是降低货检中心的工作强度，提高货检员工的工作效率。 主要手段是用无线数据传输来取代货检员工往返于工作地点和货检中心之间，将 时间浪费降到最低，从而提高工作效率，提升工作业绩。 货检中心货检终端 图1 - 1货检系统的整体方案 为了实现上述目的，方案组织如下：基本手段是为货检中心和每个货检员工 都配备一个终端，所有的终端都通过无线连接与货检中心的终端形成互联互通。 那么这种终端就成为了本系统实现的重点。 终端将按照下面的结构进行组织，终端共由两部分组成：一部分是对讲机， 主要完成语音通话和充当数据无线通信的模拟信道；另外一部分就是系统需要主 要完成的手台( 即一块电路板) ，上面配置微处理器、液晶、键盘、外部存储器、 无线m o d e m 等模块。两部分通过无线m o d e m 和对讲机上面的麦克耳机线连 接，最终实现语音和数据的两种通信方式。货检中心的终端将实现和计算机的串 口通信，货检中心的工作人员通过特定的软件来控制终端。这就是本系统总体的 设计方案，如图1 1 所示。需要说明的是，本文只涉及终端的设计和实现，和计 算机的通信不是本文的重点。 对于本文中重点实现的手台部分，将被设计成一款手持的嵌入式系统终端。 在该终端中，通过对讲机实现数据的无线传输。货检员工可以通过液晶查看任务 书，通过按键输入信息并且可以将货检结果回送给货检中心。 使用本终端，货检员工上班后，使用本终端向管理员发送到岗信息，代替点 名。货检中心根据排班情况，分别向货检员工发送各自要检查的车辆信息，如： 车次、股道位置、顺序号、车号、车种、货物名称、到站等，收到货检员工发送 的作业完毕信息后，向货检员工发送新的车辆信息，货检员工不用手工抄写和多 2 ，l置 次往返于货检中心、货检现场之间，提高了工作效率，降低了劳动强度；货检员 工在现场按照顺序或者倒序检查车辆，每屏显示一节车辆的信息，若货检没有问 题，则翻页进入下一节车辆，所检车辆如果发现问题，按功能键，插入已经设定 好的问题内容，如车门未关好、货物倾斜、货物未捆扎好、泄露等，不需要手工 记录，操作方便。由于设备具备背光、防尘、防跌落等功能，所以即使雨天、夜 晚也可以全天候使用，货检员工只要将终端固定在手臂上，对讲机挂载肩膀或者 腰带上，通话时使用终端盒上的通话键即可，携带和操作方便。 作业信息保存在终端盒里，可以方便的下载到计算机上，通过硬盘或者光盘 备份，可以永久保存，节约纸张，不用单独占用大量库存来保存历史档案。 货检中心统计货检员工作业量等信息，可以在计算机上产生日报表、月报表、 年报表等，统计数据准确方便。 1 4 本论文的主要工作 本文第一章主要阐述所涉及的一些基本背景，以及设计本终端的基本方案。 第二章主要介绍系统的硬件平台。第三章主要介绍系统的软件平台，主要是操作 系统相关内容的介绍和移植工作。第四章主要介绍系统实现通信的软件架构，对 系统软件进行分层说明。第五章主要介绍系统的整体实现，主要是所创建任务的 分析和说明。第六章主要是总结，并对系统的不足之处提出改进建议。 3 第二章系统的硬件架构 本章将介绍整个系统所使用的硬件平台，其中包括系统核心处理器和主干的 外围硬件。硬件是一个嵌入式系统运行的根本，正确恰当地选择硬件资源对于提 高系统稳定性、降低产品成本、提升市场竞争力有着决定性的意义。 在硬件选型方面，是本着低功耗、低成本、高性能的要求来选择系统的整体 硬件资源的，使嵌入式终端的性价比达到最优。系统采用的核心处理器是s t 公 司的s t m 3 2 f 1 0 3 r c t 6 ，外接d a t a f l a s ha t 4 5 d b 6 4 2 d 、l c d 模块t b m l 2 f 6 4 3 6 a 、 调制解调器c m x 4 6 9 a 、键盘等资源，图2 - 1 即是系统主干硬件的架构图。 l c d d a t a f l a s h t b m l2 f 6 4 孛碜 a t 4 5 d b 6 4 2 d 3 6 a c p u s t m 3 2 f10 3 r c t 6 入 ，1 m o d e m k e y b o a r d 暴i 。 厂、c m x 4 6 9 a 图2 - 1货检系统的主干硬件架构图 2 1处理器s t m 3 2 f l0 3 r c t 6 s t m 3 2 f 1 0 3 r c t 6 是s t 公司s t m 3 2 f 1 0 3 增强型处理器家族中的一款，内部 使用a r mc o r t e x m 3 内核，被广泛应用于医疗和手持设备、工业控制、p c 外设 等各个有关嵌入式的领域。全新理念的c o t e x m 3 内核，使其在成本、功耗、处 理速度方面都有得天独厚的优势。下面首先介绍c o r t e x m 3 内核，然后对 s t m 3 2 f 1 0 3 r c t 6 进行具体说明。 2 1 1a r m c o r t e x m 3 内核介绍 c o r t e x m 3 是a r m 公司近几年推出的一款全新概念的处理器内核，它以高 性能、高代码密度、小硅片面积等诸多特性，赢得了消费者的广泛赞誉，在低成 本单片机、汽车电子、数据通信、工业控制、消费电子等方面得到广泛应用。 c o r t e x m 3 是一个3 2 位的处理器内核。内部数据总线、寄存器、存储器接 口均为3 2 位。c o r t e x m 3 采用了哈佛结构，拥有独立的指令总线和数据总线， 可以使指令和数据的访问并行操作，从而提升处理器的性能。为了实现这个特性， c o d e x m 3 内部共设计了几条总线接口，每条都为自己的应用场合优化过，并且 可以并行访问。但是，指令总线和数据总线共享同一个存储器空间，可寻址空间 为4 g b i l l 。 4 一 盖 套争罄誊工，、o：；，；秦：f。ff；一 比较复杂的应用需要更多的存储系统功能，为此c o r t e x m 3 提供了一个可选 的m p u ，而且在需要的情况下也可以使用外部的c a c h e 。c o r t e x m 3 既支持大端 模式又支持小端模式。c o r t e x m 3 内部还增加了很多的调试组建，用于在硬件水 平上支持调试操作，比如指令断点、数据观察点等。另外，为了支持更高级的调 试，还有其他的可选组件。 图2 2 是c o d e x m 3 内核的简化视图，形象的展示了各个模块之间的组织关 系。下面将对c o r t e x m 3 内核的具体特性进行介绍： 外中断 信号组 2 1 1 1 寄存器组 图2 - 2c o n e x m 3 内核简化视图 c o r t e x m 3 处理器拥有通用寄存器、特殊寄存器等组等组成的寄存器组，它 们均有各自的独特之处。 r o r 1 2 ：通用寄存器： r 0 - - - r 1 2 都是3 2 位通用寄存器，用于数据操作。但是，绝大部分1 6 位t h u m b 指令只能访问r 0 , - - r 7 ，而3 2 位t h u m b 2 指令可以访问所有的寄存器。复位后的 初始值是不可预料的。 r 1 3 ：两个堆栈指针 r 1 3 也可以写作s p ，也就是c o d e x m 3 的堆栈指针。c o r t e x m 3 拥有两个独 立的堆栈指针s p ( m s p 和p s p ) ，因此也就可以支持两个堆栈。但是同时只能访 问其中的一个，这就是所谓的b a n k e d 寄存器。堆栈指针的最低两位永远是0 ， 这就意味着堆栈总是4 字节对齐的。 主堆栈指针m s p ：复位后默认使用的堆栈指针，用于操作系统内核以及异 常处理例程( 包括中断服务程序) 。 进程堆栈指针p s p ：由用户的应用程序代码使用。 5 r 1 4 ：连接寄存器 当调用一个子程序时，由r 1 4 存储返回地址。不像大多数其他处理器， c o r t e x m 3 为了减少访问内存的次数( 访问内存的操作往往要3 个以上指令周期， 带m m u 和c a c h e 的更加不确定) ，把返回地址直接存储在寄存器中。这样足以 使很多只有一级子程序调用的代码无需访问堆栈内存，从而提高了子程序调用的 效率。如果多于一级，则需要将前一级的r 1 4 压栈。 r 1 5 ：程序计数寄存器 r 1 5 指向当前的程序地址。如果修改这个寄存器的值，就能改变程序的执行 流程。在汇编语言中一般称之为p c 。因为c o r t e x m 3 内部采用了指令流水线， 读p c 的值时返回的是当前指令的地址+ 4 。 特殊功能寄存器 c o r t e m 3 在内核水平上添加了若干个特殊功能寄存器，包括程序状态字寄存 器组、中断屏蔽寄存器组、控制寄存器。 程序状态寄存器( x p s r ) 包括3 个子状态寄存器：应用程序状态寄存器 ( a p s r ) 、中断号程序状态寄存器( i p s r ) 、执行程序状态寄存器( e p s r ) 。通 过m r s m s r 指令，这3 个p s r 既可以单独访问，也可以组合访问。表2 1 即 说明了各个寄存器字段的含义。 表2 - 1程序状态寄存器组各个字段的说明n 1 p s r3 l3 02 92 82 72 6 ：2 52 42 3 ：1 6 1 5 ：1 0 987654 ：0 a p s rnzcv q i p s r e x c e p t i o nn u m b e r e p s ri c i i tti c l i t x p s rnzcv q i c i i tti c i i t e x c e p t i o nn u m b e r 中断屏蔽寄存器组包括p r i m a s k 、f a u l t m a s k 和b a s e p r i 。p r i m a s k 是一个单一比特的寄存器。在它被置l 后，就关掉所有可屏蔽的异常，只剩下 n m i 和硬f a u l t 可以响应。它的默认值是0 ，表示没有关中断。f a u l t m a s k 也 是一个单一比特的寄存器。当它被置1 后，只有n m i 才能被响应，所有其他的 异常，甚至是硬f a u l t 也被关掉。它的默认值是o ，表示没有关异常。b a s e p r i 最多可以有9 位，由表达优先级的位数决定。它定义了被屏蔽中断的优先级的阈 值。当它被设定成某个值后，所有优先级号大于等于此值的中断都被关闭。但是 若被设置成0 ，则不关闭任何中断，0 也是默认值。 对于对时间要求比较严格的任务而言，恰如其分地使用p r i m a s k 和 b a s e p r i 来暂时关闭一些中断是非常必要的。而f a u l t m a s k 则可以被操作系 统用于暂时关闭f a u l t 处理器使能，这种处理在某个任务崩溃时可能需要，因为 在任务崩溃时，常常伴随着许多的f a u l t 。在系统处理完必需的事件后，通常不再 需要响应这些f a u l t 。总之，f a u l t m a s k 就是专门为操作系统而设计的。 控制寄存器c o n t r o l 有两个用途，一是用于定义特权级别，二是用于选 择当前使用哪个堆栈指针。由两个比特位来分别行使这两个职能。 2 1 1 2 操作模式和特权级别 c o r t e x m 3 处理器支持两种处理器的操作模式，还支持两个级别的特权操作。 两种操作模式分别为h a n d l e r 模式和t h r e a d 模式。引入两个模式的本意是用于区 6 言 太 别普通应用程序的代码和异常服务例程的代码包括中断服务程序的代码。 c o r t e x m 3 的另一方面则是特权的分级特权级和用户级。这可以提供一种存 储器访问的保护机制，使得普通的用户程序代码不能意外地甚至是恶意地执行涉 及要害的操作。处理器支持两种特权级，这也是一个基本的安全模型。 在c o r t e x m 3 运行主应用程序时( t h r e a d 模式) ，既可以使用特权级，也可 以使用用户级；但是异常服务例程必须要在特权级别下执行。复位后，处理器默 认进入t h r e a d 模式，特权级别访问。在特权级别下，程序可以访问所有范围的存 储器，并且可以执行所有命令。 在特权级别的程序可以切换到用户级别。一旦进入用户级别，用户级的程序 不能简单地通过试图改写c o n t r o l 寄存器来返回到特权级别，而必须先要执 行一条系统调用指令s v c 。这会触发s v c 异常，然后由异常服务例程接管，通 过异常服务例程修改c o n t r o l 寄存器，才能在用户级别下切换到特权级别下。 图2 - 2c o r t e x m 3 模式切换转移图n 1 事实上，从用户级别到特权级别的唯一途径就是异常：如果在程序执行过程 中触发了一个异常，处理器总是先切换到特权级别，并且在异常服务例程执行完 毕退出时，再返回先前的状态，正规的操作模式的转化图如图2 2 所示。 通过引入特权级别和用户级别，就能够在硬件水平上限制某些不受信任的或 者还没有调试好的程序，不让他们随便地配置涉及要害的寄存器，因而可以提高 系统的可靠性。例如，操作系统的内核通常工作在特权级别下执行。在操作系统 创建了一个用户程序后，通常都会让它在用户级别下执行，从而使系统不会因某 个程序的崩溃或恶意破坏而受损。 2 1 1 3 中断和异常 c o r t e x m 3 的所有中断机制都由嵌套向量中断控制器n v i c 来实现，除了支 持2 4 0 条外部中断之外( 具体数目由芯片厂商决定) ，n v i c 还支持1 1 个内部异 常源，可以实现f a u l t 管理机制。具体的类型如表2 2 所示： 表2 2n v i c 的中断源列表n 1 编号类型优先级介绍 y ， o n an a ， n a 7 ，7 雹：， ，? ? ， 。? j ，t # ；gs 如o - 。t ? ， 。”。 一 ! ， _ ，：t _ t ? f 7 1复位一3 最高复位 。_ 1 ：2，n m i 一 2 ：7 不可屏蔽中断 ，； ，：j ，t ? ?。? 7 。 ，：， 一 i 3h a r df a u l t- i 所有被屏蔽的异常 ， 4， 。m e m m a n a g ef a u l t 可编程存储器错误 该_ 一lr ? i 赢，j i ；，、嘉赫“。：。，7” i 。 ? 。，、i i 5b u sf a u l t 可编程 总线错误 e i ：j “色 一 u s a g ef a u l t可编程程序错误异常 ， 、： 。f 。，”：，7 ，。 ， t i i 2 一# 7 ， ，一 。，：，一；学。? ? ：? 一 7 1 0预留n an a 正掌。7n。0 ：7”j 誓。s v c 。v g - , p j f “j 。j7 ：。o 可编程7 7 j 、 二蟛系统服务调用。、孳 荔：7 ： 。 ： ； = 一 ：一： 1 2 调试监视器可编程调试监视器 ；麓n 。 7 预留：n a + j f 二“ n a7，| ，7 j。 i 、i 一，： 一? 二：j j ，i “：07 。一一j ，? 。； 1 一，j 一? j 1 4p e n d s v可编程可悬挂请求 ，；1 51 ：。s y s t i c k 可编程。，系统定时器 ： 积? + 纛磊o ：，| o ? 毫 j 。7 1 6 i r q # 0可编程外中断0 7 j 一”。姐 “ i r q # i可编程 外中断l ，一z j 7一 t ，j 托j!?。j f 2 5 5 i r q # 2 5 5可编程外中断2 3 9 。 2 1 1 4 嵌套向量中断控制器 c o r t e x m 3 在内核水平上集成了一颗中断控制器嵌套向量中断控制器 n v i c ( n e s t e dv e c t o r e di n t e r r u p tc o n t r o l l e r ) 。它与内核是紧耦合的。n v i c 提供 如下的功能：可嵌套中断支持、向量中断支持、动态优先级调整支持、中断延迟 时间大大缩短、中断可屏蔽。 可嵌套中断支持 可嵌套中断支持的作用范围很广，覆盖了所有的外部中断和绝大部分系统异 常。外在表现是，这些异常都可以被赋予不同的优先级。当前优先级被存储在 x p s r 的专用字段中。当一个异常发生时，硬件会自动比较该异常的优先级是否 比当前的异常优先级要高。如果发现发生了更高优先级的异常，处理器就会中断 8 一誉#兰 当前的中断服务程序( 或者普通程序) ，而服务新发生的异常即被立即抢占a 向量中断支持 当开始响应一个中断后，c o r t e x m 3 会自动定位一张向量表，并且根据中断 号从表中找出中断服务程序的入口地址，然后跳转过去执行，不需要像以前的 a r m 那样，由软件来分辨到底是哪个中断发生了，也不需要半导体厂商提供私 有的中断控制器来完成这项工作。 动态优先级调整支持 软件可以在运行时更改终端的优先级。如果在某个i s r 中修改了自己所对应 中断的优先级，而且这个中断又有新的实例处于挂起中。也不会自己打断自己， 从而没有重入风险。 中断延迟大大缩减 c o r t e x m 3 为了缩短中断延迟，引入了好几种新特性，包括自动的现场保护 和恢复、“咬尾中断”和“晚到中断 的处理等措施。 中断可屏蔽 既可以屏蔽优先级低于某个阈值的中断异常，也可以全部屏蔽。这是为了 保证时间要求严格的任务在最后期限( d e a d l i n e ) 到来之前完成，而不被干扰。 2 1 1 5 存储器映射和保护 总体来讲，c o r t e x m 3 支持4 g b 的存储空间，被划分为若干区域。c o r t e x m 3 预先定义好了基本的存储器映射地址。通过把片上外设的寄存器映射到外设区， 就可以简单地以访问内存的方式来访问这些外设的寄存器，从而控制外设的工作。 c o r t e x m 3 有一个可选的存储器保护单元m p u 。配上它之后，就可以对特 权级访问和用户级访问施加不同的访问限制。当检测到违反访问规则时，m p u 会产生一个f a u l t 异常，可以由f a u l t 异常的服务例程来分析该错误，并且可以修 正。m p u 有很大的用法，最典型的就是由操作系统使用m p u ，以使特权级别代 码的数据，包括操作系统本身的数据不被其他程序破坏。 2 1 1 6 指令集 c o r t e x m 3 只使用t h u m b 2 指令集，摆脱了a r m 指令集和t h u m b 指令集混 合编程的状态 2 1 ，更大限度的增加了代码密度，节约了存储空间，提高了处理器 的整体性能。 2 1 1 7 调试支持 ， c o r t e x m 3 在内核水平上搭载了若干种调试相关的特性。最主要的就是程序 执行控制，包括停机( h a l t i n g ) 、单步执行( s t e p p i n g ) 、指令断点、数据观察点、寄 存器和存储器访问、性能速写( p r o f i l i n g ) 以及各种跟踪机制。 c o r t e x m 3 的调试系统基于a r m 最新的c o r e s i g h t 架构。不同于以往的 a r m 处理器，内核本身不再含有j t a g 接口。取而代之的，是c p u 提供称为“调 试访问接口( d a p ) ”的总线接口。通过这个总线接口，可以访问芯片的寄存器， 也可以访问系统存储器，甚至是在内核运行的时候访问! 对此总线接口的使用， 是由一个调试端n ( d p ) 设备完成的。d p 不属于c o r t e x m 3 内核，但它们是在芯 片的内部实现的。 此外，c o r t e x m 3 还能挂载一个所谓的“嵌入式跟踪宏单元( 删) ”。e t m o 可以不断地发出跟踪信息，这些信息通过一个被称为“跟踪端口接口单元( t p i u ) ” 的模块而送到内核的外部，再在芯片外面使用一个“跟踪信息分析仪”，就可以把 t i p u 输出的“已执行指令信息”捕捉到，并且送给调试主机。 2 1 2s t m 3 2 f 1 0 3 r c t 6 的介绍 s t m 3 2 f 1 0 3 r c t 6 使用高性能的a r mc o r t e x m 33 2 位的r i s c 内核，最高 工作频率为7 2 m h z ，内置高速存储器( 高达2 5 6 k 字节的闪存和4 8 k 字节的 s 黜蝴) ，丰富的增强i o 端口和联接到两条a p b 总线的外设。所有型号的器件 都包含2 个1 2 位的a d c 、3 个通用1 6 位定时器和一个p w m 定时器，还包含标 准和先进的通信接口：2 个1 2 c 和s p i 、3 个u s a r t 、1 个u s b 设备控制器和1 个c a n 。s t m 3 2 f 1 0 3 增强型系列工作于4 0 0 c 至+ 1 0 5 0 c 的温度范围，供电电压 2 0 v 至3 6 v ，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求【3 】。 完整的s t m 3 2 f 1 0 3 增强型系列产品包括从3 6 脚至1 0 0 脚的五种不同封装 形式；根据不同的封装形式，器件中的外设配置不尽相同。本系统中采用了6 4 引脚封装的s t m 3 2 f 1 0 3 r c t 6 。 由于s t m 3 2 f 1 0 3 r c t 6 使用的是c o r t e x m 3 内核，所以s t m 3 2 f 1 0 3 r c t 6 自然的就继承了c o r t e x m 3 内核的众多优点，这里不再赘述，下面将就 s t m 3 2 f 1 0 3 r c t 6 本身的，并且将在本文中用到的一些特点进行阐述。 外部中断事件控制器( e x t i ) 外部中断事件控制器包含1 9 个边沿检测器，用于产生中断事件请求。每个 中断线都可以独立地配置它的触发事件( 上升沿或下降沿或双边沿) ，能够单独地 被屏蔽；有一个挂起寄存器维持所有中断请求的状态。e x t i 可以检测到脉冲宽 度小于内部a p b 2 的时钟周期。通用i o 口连接到1 6 个外部中断线。 低功耗模式 s t m 3 2 f 1 0 3 增强型支持三种低功耗模式，可以在要求低功耗、短启动时间 和多种唤醒事件之间达到最佳的平衡。 睡眠模式：在睡眠模式，只有c p u 停止，所有外设处于工作状态并可在发 生中断事件时唤醒c p u 。 停机模式：在保持s r a m 和寄存器内容不丢失的情况下，停机模式可以达 到最低的电能消耗。在停机模式下，停止所有内部1 8 v 部分的供电，p l l 、h s i 和h s e 的r c 振荡器被关闭，调压器可以被置于普通模式或低功耗模式。可以 通过任一配置成e x t i 的信号把微控制器从停机模式中唤醒，e x t i 信号可以是 1 6 个外部i o 口之一、p v d 的输出、r t c 闹钟或u s b 的唤醒信号。 待机模式：在待机模式下可以达到最低的电能消耗。内部的电压调压器被关 闭，因此所有内部1 8 v 部分的供电被切断；p l l 、h s i 和h s e 的r c 振荡器也 被关闭；进入待机模式后，s r a m 和寄存器的内容将消失，但后备寄存器的内容 仍然保留，待机电路仍工作。从待机模式退出的条件是：n r s t 上的外部复位信 号、i w d g 复位、w k u p 管脚上的一个上升边沿或r t c 的闹钟到时。 通用定时器( t i m x ) s t m 3 2 f 1 0 3 增强型系列产品中内置了多达3 个同步的标准定时器。每个定 时器都有一个1 6 位的自动加载递加递减计数器、一个1 6 位的预分频器和4 个 独立的通道，每个通道都可用于输入捕获、输出比较、p w m 和单脉冲模式输出， 在最大的封装配置中可提供最多1 2 个输入捕获、输出比较或p w m 通道。它们 还能通过定时器链接功能与高级控制定时器共同工作，提供同步或事件链接功能。 l o e ， 二 ； 亲、 在调试模式下，计数器可以被冻结。任一标准定时器都能用于产生p w m 输出。 每个定时器都有独立的d m a 请求机制。 串行外设接口( s p i ) 多达2 个s p i 接口，在从或主模式下，全双工和半双工的通信速率可达1 8 兆位秒。3 位的预分频器可产生8 种主模式频率，可配置成每帧8 位或1 6 位。 硬件的c r c 产生校验支持基本的s d 卡和m m c 模式。2 个s p i 接口都可以使 用d m a 操作。 a d c ( 模拟数字转换器) s t m 3 2 f 1 0 3 x x 增强型产品内嵌2 个1 2 位的模拟数字转换器( a d c ) ，每个 a d c 有多达1 6 个外部通道，可以实现单次或扫描转换。在扫描模式下，转换在 选定的一组模拟输入上自动进行。 a d c 接口上额外的逻辑功能允许：同时采样和保持、交叉采样和保持、单 次采样。a d c 可以使用d m a 操作。 模拟看门狗功能允许非常精准地监视一路、多路或所有选中的通道，当被监 视的信号超出预置的阀值时，将产生中断。 由标准定时器( t i m x ) 和高级控制定时器( t i m l ) 产生的事件，可以分别内部级 联到a d c 的开始触发、外部触发和d m a 触发，以使应用程序能同步a d 转换 和时钟。 2 2 对讲机 系统所使用的对讲机是m o t o r o l a 公司的g p 8 8 s 。g p 8 8 s 对讲机通话质量清 晰、外观小巧、结构设计充分体现了现代感。g p 8 8 s 对讲机坚固、可靠、操作简 便，更具有灵活的扩展能力，可以使工作得心应手，轻松自如。采用智能9 0 分 钟快速充电器，只需要很短的时间就可完成充电