（电路与系统专业论文）嵌入式通用家电智能卡板的设计与网络控制研究.pdf

摘要 摘要 作为一种专用的计算机系统，嵌入式系统已经广泛应用于国防、工业、交通、 能源、信息技术以及日常生活的各个领域，并发挥着极其重要的作用。嵌入式系 统的研究与开发已经成为现代电子设计领域的重要研究方向之一。随着i n t e m e t 的 发展，网络技术为嵌入式系统提供了新的研究领域。嵌入式系统的网络化成为目 前技术发展的一个重要方向，具有巨大的市场需求。 本文提出并设计了一种嵌入式通用家电智能卡板。该系统基于3 2 位a r m 微 处理器，结合嵌入式操作系统m c o s i i ，通过移植嵌入式t c p i p 协议栈，实现了 嵌入式系统的网络连接。 本文首先介绍了嵌入式系统的发展现状，分析了a r m 核的特点和体系结构， 和基于a r m 处理器( l p c 2 2 1 4 ) 的系统硬件设计。接着分析了嵌入式实时操作系统 # c o s i i ，包括任务管理、任务通信和内存管理等机制，介绍了i c o s i i 在l p c 2 2 1 4 上的移植。最后介绍了嵌入式t c p i p 协议栈，分析了各个模块的工作流程，并完 成了系统的测试。 关键词：嵌入式系统a r ml p c 2 2 1 4 嵌入式实时操作系统p x ：o s - n a b s t r a c t a sac u s t o m i z a t i o nc o m p u t i n gs y s t e m , e m b e d d e ds y s t e mh a sn o ww i d e l yb e e n u s e da n dp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nm a n yf i e l d ss u c ha sn a t i o n a ld e f e n c e ，i n d u s u y ， u a f 6 c , e n e r g ys o u f c ：e , i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dc i v i lr i v i n g t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o fe m b e d d e ds y s t e mh a st u r n e di n t oo n ei m p o r t a n tr e s e a r c hd o m a i na n d a s p e c to fm o d e me l e c t r o n i cd e s i g n i n gf i e l d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e m e t , n e t w o r k t e c h n i q u eb r i n g sf o r w a r dan e wr e s e a r c hf i e l df o re m b e d d e ds y s t e m t h ee n t r a n c et o i n t e m e t0 ft h ee m b e d d e dd e v i c eh a sb e c o m eas i g n i f i c a n td i r e c t i o na n dh a sav a s t m a r k e tp o t e n t i a l i nt h i sd i s s e r t a t i o n , au n i v e r s a le m b e d d e db o a r df o rh o m ea p p f i a n c ei sp 1 0 i ，0 s c da s w e l la sd e s i g n e d b a s e do nt h e3 2 b i t sc h i po fa r m ( l p c 2 2 1 4 ) ，w i t ht h eh e l po f u c o s - i lw h i c hi s 越e m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i o ns y s t e m ( r t o s ) , t h i ss y s t e m r e a l i z e sn e t w o r kc o n n e c t i o nb ym 黜o f p o f l i n ge m b e d d e dt ( 珊佃s t a c k a tt h eb c g i n n i n go ft h i st h e s i s ，t h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e mi si n t r o d u c e d w ea n a l y z et h ea r c h i t e c t u r eo fa r mc o r e , a n di n t r o d u c et h ed e s i g no fh a r d w a r e p l a t f o r mi nd e t a i l s e q u e n t i a l l yt h e s i si n t r o d u c e st h ef e a t u r eo fg c o s i i ，a n da n a l y z e s t h ef o l l o w i n gp a r t so f 肛c o s - 1 1 , t a s km a n a g e m e n t , t a s kc o m m u n i c a t i o na n dm e m o r y m a n a g e m e n t , a n dt h ep r o c e s so fp o r t i n g z c o s - i it ol p c 2 2 1 4 t h e n , w ei n t r o d u c et h e f e a t u r e so fe m b e d d e dt c p i ps t a c k , a n a l y z ei t sm e c h a n i s ma n dw o r kf l o w a tl a s t , t h e e m b e d d e ds y s t e mi st e s t e d k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e ma r ml p c 2 2 1 4r t o s 芦c 0 s - 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：瓤 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工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：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名： 导师签名： 日期：趟：! ：! ! 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 在信息时代，网络技术的发展已经深刻地影响了人类的生活。目前办公环境 的网络化比较成熟，商业活动的网络化和工业环境网络化蓬勃发展，而作为与人 类生活最密切相关的家庭网络化( 或称之为智能家居) 还远远没有达到应有的应用 程度。将家电接入i n t e m e t 使之成为真正意义上的信息家电，已经成为当前的研究 热点之一。家庭网络化不仅会带来普通居民用户家庭生活方式上的变革，而且必 将波及工业控制等许多与i n t e r a c t 相关的嵌入式应用领域。 本文中讲的信息家电是在现有家电的基础上，集成很多实用性功能，使得更 多普通家庭的家电能以较小的成本获得强大的功能。家电的信息化实际上是世界 技术发展的一个潮流，家电所带来的服务，会随着网络的发展，大大提升人们的 生活质量。从长远来看，为普通家电植入网络技术，是未来信息家电十分重要的 一个发展方向。 1 2 1 嵌入式系统概述 1 2 嵌入式系统 计算机技术发展到今天，过去的分类方法已经很难再用来将计算机进行分类。 现在，人们更加习惯于根据计算机的应用，也就是按照计算机的嵌入式应用和非 嵌入式应用将其分为嵌入式计算机系统和通用计算机系统。 通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算，技术发展的方向是总 线速度的无限提升和存储容量的无限扩大。而嵌入式计算机系统的技术要求则是 对象的智能化控制能力，其技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控 制能力与控制可靠性的提高。 嵌入式系统可以认为是“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。“嵌入性”、“专 用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。其中，对象系统则是指嵌入 式系统所嵌入的宿主系统。“嵌入性”特点：由于是嵌入到对象系统中，必须满足对 象系统的环境要求。“专用性”特点：软硬件的裁剪性和满足对象要求的最小软硬 件配置等。“计算机系统”特点：嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算 机系统，必须配置与对象系统相适应的接口电路。 总之，嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪， 从而适应应用系统对功能、可靠性、成本、功耗等严格要求的专用计算机系纠1 1 ， 2 嵌入式通用家电智能卡板的设计与网络控制研究 是面向用户、面向产品、面向应用的系统。 1 2 2 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是为了完成特殊的应用并综合考虑性能、 尺寸、功耗和价格等因素而设计的处理器。嵌入式处理器通常分为四类【2 l ： ( 1 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t 。e m 兀n 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。虽然功能上与标准微处理器 类似，但为了满足嵌入式应用的特殊要求，在工作温度、抗干扰和可靠性等方面 都做了各种增强。嵌入式微处理器一般都具有体积小、重量轻、成本低等特点。 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c m 嵌入式微控制器就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。根据不同应用的 需求，在芯片内部集成了各种不同的功能部件和外设配置。微控制器的最大特点 是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降，可靠性也大为提高。目前， 微控制器是嵌入式系统工业的主流，m c u 占嵌入式系统约7 0 的市场份额。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 在数字信号处理应用中，各种数字信号处理算法相当复杂，一般结构的处理 器无法实时地完成这些运算。由于d s p 处理器对系统结构和指令进行了专门设计， 使其特别适合于实时地进行数字信号处理。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 随着技术的飞速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已经来 临，这就是s o c 。这样，除某些无法集成的器件以外，整个嵌入式系统的绝大部 分均可集成到一块或几块芯片中，使应用系统电路变得很简单，从而减小了整个 应用系统的体积和功耗，并提高了系统的可靠性。 1 2 3 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统( r e a l - t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m , r t o s ) 是一种支持嵌 入式系统应用的操作系统软件。它是嵌入式系统中极为重要的组成部分，通常包 括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口等。嵌入式操作系统是 由于工程实践的需要而诞生的，而嵌入式操作系统所使用的技术，基本上是从台 式计算机操作系统下推而得来的。由于应用的需要和硬件条件的限制，嵌入式操 作系统一般都具有占用空间小和效率高等特点。目前嵌入式操作系统种类很多， 其中较为流行的有：嵌入式l i n u x 、w i n d o w sc e 、v x w o r k s 、c c o s 和u c o s i i 等 第一章绪论 3 1 2 4 嵌入式i n t e m e t 技术 嵌入式i n t e r a c t 是近几年随着嵌入式系统的发展和i n t e r n e t 技术的应用而兴起 的新兴技术。通过为现有的嵌入式系统增加i n t e r a c t 接入功能，以i n t e r a c t 为媒介 扩展其功能，实现信息交互，这就产生了嵌入式i n t e m e t 技术【3 】。嵌入式i n t e r a c t 系统的完成将使得各种嵌入式设备( 至少包含一个m c u 或d s p ) 如家用电器、工业 控制装置、安全监控系统等的i n t e m e t 互联成为可能。从而使产品性能得到了极大 的提高。 目前，利用微处理器实现嵌入式i n t e m e t 方案大致可分为两种【4 】。 ( 1 ) 采用8 位m c u + t c p i p 协议栈 目前，8 位m c u 已经广泛应用于现代社会的各个领域，获得了巨大的经济效 益。这种方案的优点在于硬件电路相对简单。将8 位单片机系统与i n t e r n e t 相连， 使用网络与嵌入式设备进行信息交互，大大扩展了低成本嵌入式系统的应用范围。 缺点在于8 位m c u 受其内部资源和处理器速度的限制，应用性能打了折扣。 ( 2 课用3 2 位m c u + r t o s ， 采用3 2 位高档微处理器在r t o s 平台上进行软件开发，在嵌入式系统中实现 t 捌口协议处理。这种方案的优点在于系统的软硬件可裁减，可移植性好，并可 完成很多复杂的功能，缺点是成本较高，开发周期较长，对开发人员的能力要求 较高。这种方案一般适用于高端的应用。 1 3 本课题研究内容和本论文所做工作 本课题选择基于a r m t t d m i - s 内核的l 朋2 1 4 微处理器作为硬件平台的核 心。a r m 是目前嵌入式领域应用最为广泛的r i s c 微处理器结构，以其低成本、 低功耗、高性能等优点占据了嵌入式系统应用领域的领先地位。本课题设计并完 成了这一硬件平台，实现了具有网络协议的实时操作系统软件平台。该软件平台 基于z c o s i i 操作系统，在分析了嵌入式t c p i p 协议栈的基础上，将嵌入式t c p i p 协议栈嵌入到| c t c o s i i 的内核上，从而实现了将该嵌入式智能家电卡板接入网络。 虽然本课题主要方向是将该卡板嵌入信息家电，但同样的，在无需大幅改动的情 况下也可以将其应用于工业控制和通信设备等相关领域。因此，该课题的研究具 有广泛的应用价值。 本文的主要内容是： 第一章，概述嵌入式系统，包括嵌入式微处理器和嵌入式操作系统，同时介 绍了新兴的嵌入式系统接入网络的技术 第二章，详细介绍a r m 体系结构 第三章，介绍以p h i l i p s 的a r m 芯片l p c 2 2 1 4 为核心的嵌入式系统硬件平台 4 嵌入式通用家电智能卡板的设计与网络控制研究 的设计。 第四章，分析实时操作系统a o s - i i ，并介绍u c _ , o s i i 在l p c 2 2 1 4 上的移植。 第五章，分析嵌入式t c p i p 协议栈z l g i p 的工作机制，实现了嵌入式协议 栈在操作系统下的应用。 第六章，系统测试和调试。 第二章a r b l 体系结构 5 第二章a r m 体系结构 2 1 a r m 概述 a i u 订即a d v a n c e dr l s cm a c h i n e s 的缩写。1 9 8 5 年，第一个a r m 原型在英国 剑桥的a c o r n 计算机有限公司诞生。1 9 9 1 年，a r m 公司成立于英国剑桥，主要出 售芯片设计的授权。目前，采用a r m 技术知识产权( 口) 核的处理器，已经遍及 全球。a r m3 2 位嵌入式r i s c 处理器占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系 统应用领域的领先地位。基于a r i d 技术的微处理器应用约占3 2 位r i s c 微处理 器7 5 以上的市场份额，a r m 技术已经逐步渗入到人类生活的各个方面1 5 l 。 a r m 公司本身不生产芯片，而是通过转让高性能、低成本、低功耗的r i s c 微处理器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴，使他们能用这些技术来生产各 自的芯片。a r m 的3 2 位体系结构目前被公认为业界领先的3 2 位嵌入式r i s c 微 处理器结构，所有a r m 处理器共享这一体系结构。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 技术容易获得更多的第三 方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，从而更具市场竞争力。 2 2a r m 微处理器应用领域和特点 2 2 1 删微处理器应用领域 到目前为止，a r m 微处理器已经广泛应用于现代社会的各个领域。 ( 1 ) 工业控制领域：作为3 2 位的r i s c 架构，基于删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 ) 无线通信领域：目前已有超过8 5 的无线通信设备采用了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，删在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛支持，对 d s p 的应用领域也提出了挑战。 ( 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 游戏机中得到广泛应用。 ( 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。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。 除此之外，a r m 微处理器及技术还应用到其他许多不同的领域，并且在将来 必将取得更加广泛的应用l “。 6 嵌入式通用家电智能卡板的设计与网络控制研究 2 2 2a r m 微处理器特点 采用r t s c 架构的a r m 微处理器一般具有以下特点川： ( 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能； ( 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集； ( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快； ( 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成； ( 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高； ( 6 ) 指令长度固定。 2 3a r m 体系结构版本 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 l l 了，而a r m 6 核以及更早的系列已经很罕见了。目前应用比较多的是a r m 7 系列、 a r m 9 系列、a r m l 0 系列和i n t e l 的s t r o n g a r m 、x s c a l e 系列 s 3 。 ( 1 ) a r m 7 系列 a r m 7 系列包含a r m 7 t d m i 、a r m t t d m i - s 、带有高速缓存处理器宏单元的 a 】5 强1 7 2 0 1 r 和a i 陋删s 。在该系列处理器中，a r m 7 t d m i 是公司授权用户最多 的一项产品。a r m 指令集同t h u m b1 6 位压缩指令集相结合，同时，利用嵌入式 i c e 调试技术，使得该系列适用于大规模的s o c 设计中。a r m 7 是小型、快速、 低功耗、集成式的r i s c 内核，广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括i n t e r n e t 设 备、网络和调制解调器设备以及移动电话、p d a 等设备。 ( 2 ) a r m 9 系列 a r m 9 系列包含a r m 9 t d m i 、a r m 9 2 0 t 和带有高速缓存处理器宏单元的 a r m 9 4 0 t 。所有的a r m 9 处理器都具有t h u m b 压缩指令集和基于嵌入式i c e 的 软件调试方式。在生产工艺相同的情况下，性能是a r m 7 t d m i 的两倍之多。该系 列兼容a r m 7 系列，而且能够比a r m 7 进行更加灵活的设计。a r m 9 系列主要应 用于仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、p d a 和智能电话等设备。 o ) a r m l 0 系列 a r m l 0 系列包括a r m l 0 t d m i 和a r m l 0 2 0 e 。其核心在于使用向量浮点单 元( v f p ) 提供高性能的浮点解决方案，从而极大地提高了处理器的整型和浮点运 算性能，a r m l 0 系列主要应用于视频游戏机和高性能打印机等设备。 ( 4 ) s t r o n g a r m 系列和x s c a d e 系列 s t r o n g a r m 处理器将i n t e l 处理器技术和a r m 体系结构融为一体，致力于为 移动通信和消费类电子设备提供理想的解决方案。i n t e lx s c a l e 微处理器结构则提 供全性能、高性价比和低功耗的解决方案，支持1 6 位t h u m b 指令和d s p 指令。 第二章a r m 体系结构 7 在本文中选择的是基于a r m t t d m i 内核的芯片，之所以不采用更高版本内核 的芯片是基于以下几点考虑：首先，a r m 7 的功能对于本系统来说已经足够强大； 再者，对于开发者而言，a r m y i d m i 相对简单一些，更容易上手；况且，由于 a r m 内核的兼容性，使得在a r m 7 平台上所作的工作可以很方便的移植到更高版 本内核的芯片( 例如a r m 9 ) 上，甚至可以移植到其他公司生产的a r m 芯片上。在 综合考虑了这些因素后，本系统中选择基于a r m 7 t d m i 内核的l p c 2 2 1 4 微处理 器作为系统硬件平台的核心。 2 4a r m t t d m i 的体系结构 a r m t t d m i 为低功耗的3 2 位内核，最适用于对价位和功耗敏感的消费类应 用中，应用范围非常广泛。a r m t t d m i 的后缀字母原意为f 9 l ：t 代表1 6 位压缩指 令集t h u m b ；d 代表支持片上调试( d e b u g ) ；m 代表增强型乘法器( m u l t i p l i e r ) ，支 持6 4 位乘法指令；i 代表嵌入式i c e 硬件提供片上断点和调试点支持；s 代表代 表a r m t t d m i 的可综合( s y n t h e s i z a b l e ) 版本 2 4 1a r m 处理器支持的数据类型 a r m 处理器支持下列数据类型： ( 1 ) b y t e 字节，8 位； ( 2 ) i - i a l f w o r d 半字，1 6 位( 半字必须与2 字节边界对准) ； ( 3 ) w o r d 字，3 2 位( 字必须与4 字节边界对准) 。 2 4 2 处理器模式 a r m 体系结构支持如表2 1 所列的7 种处理器模式：用户模式、快中断模式、 中断模式、管理模式、中止模式、未定义模式和系统模式。 表2 1 处理器的模式 处理器模式说明备注 用户( u s r ) 正常的执行模式 不能直接切换到其他模式 快中断( n o 支持高速数据传送或通道处理f i o 异常响应时进入此模式 中断( i r q ) 用于通用中断处理i r 0 异常响应时进入此模式 管理( s v c )操作系统保护模式系统复位和软件中断时进入此模式 中止( a b t ) 实现虚拟存储器和，或存储器保护在a r m t t d m i 用处不大 未定义( u n d ) 支持硬件协处理器的软件仿真未定义指令异常响应时进入此模式 系统( s y s ) 运行特权操作系统任务 与用户类似但可直接切换到其他模式 8 嵌入式通用家电智能卡板的设计与网络控制研究 大多数应用程序在用户模式下执行。当处理器工作在用户模式时，正在执行 的程序不能访问某些被保护的资源，也不能改变模式，除非异常发生。除了用户 模式外的其它模式称为特权模式。它们可以自由的访问系统资源和改变模式。系 统模式与用户模式有完全相同的寄存器，然而，它是特权模式，不受用户模式的 限制。它供需要访问系统资源的操作系统任务使用。其余5 种模式称为异常模式。 当特定的异常出现时，处理器进入相应的模式。 2 4 3 处理器的工作状态 a r m t i d m i 采用精简指令结构( r i s c ) ，这种指令结构在指令集上更为简单， 同时在指令吞吐量和实时中断响应性能上更加优秀。a r m t i d m i 内核除了有a r m 指令集还有t h u m b 指令集。t h u m b 指令集是a r m 指令集的扩展，它以a r m 指 令集为基础，用1 6 位方式重新进行了编码。由于t h u m b 指令只有正常a r m 指令 的一半，因此它提供了非常高效的指令密度。 对应的，a r m ? t d m i 处理器有两种工作状态：a r m 状态( 3 2 位) 下执行字对 准的a r m 指令；t h u m b 状态( 1 6 位) 下执行半字对准的t h u m b 指令。 a r m 7 t d m i 处理器可以在两种工作状态之间切换，且状态间的切换并不影响 处理器模式或寄存器内容。 2 4 4 寄存器组织 a r m t t d m i 处理器内部总共有3 7 个用户可见的寄存器【埘。 3 1 个通用3 2 位寄存器；分别为r 0 一r 1 5 、r 1 3 _ s v c 、r 1 4 _ s v c 、r t 3 _ a b t 、r 1 4 _ a b t 、 r 1 3 _ u n d 、r 1 4 _ u n d 、r 1 3 _ h q 、r 1 4 _ i r q 、r 8 _ f i q r 1 4 _ f i q 6 个状态寄存器：分别为c p s r 、s p s r _ s v c 、s p s r _ a b t 、s p s r _ u n d 、s p s r _ 缸q 、 s p s r _ f i q 这些寄存器并不是全都可以在同一时间被访问的，处理器的状态和操作模式 决定了程序员可以访问的寄存器。 ( 1 ) a r m 状态寄存器集 在a r m 状态下，1 6 个通用寄存器( r 0 - r 1 5 ) 和1 或2 个状态寄存器都是可见 的。表2 2 所列为每种模式所能访问的寄存器。 a 通用寄存器( 1 0 睢r 1 5 ) 未分组寄存器r 0 - r 7 ：在所有处理器模式下，它们中的每一个都对应于相同 的3 2 位物理寄存器。它们是完全通用的寄存器，不会被体系结构作为特殊的用途， 并且可用于任何使用通用寄存器的指令。 分组寄存器r 8 - - r 1 4 ：它们每一个访问的物理寄存器取决于当前的处理器模 第二章a r m 体系结构 9 式。若要访问特定的物理寄存器而不依赖于当前的处理器模式，则要使用规定的 名字。其中，寄存器r 8 - r 1 2 各有两组物理寄存器：一组为f i q 模式 限8 6 q ) ，另一组为除 以外的其它模式 2 ) 。寄存器，各eqr 1 2 _fiq(r8-r1 r 1 3r 1 4 有6 个分组寄存器。1 个用于用户模式和系统模式，而其它5 个分别用于5 种异常 模式。访问时需要指定它们的模式( 如r 1 3 和r 1 4 m o d e ，其中 可以从u s l , 钾c ，a b t , a n d , 蛔和t i q6 种模式中选取一个) 。 程序计数器r 1 5 ：r 1 5 作为程序计数器( p c ) ，总是用于特殊场合。它经常用于 通用寄存器r 肛r 1 4 所使用的位置，因此也可以认为它是一个通用寄存器。但是对 于其使用还有许多与指令相关的限制或特殊情况。 表2 2a r m 状态各模式下寄存器 寄存寄存器在各模式实际访问的寄存器 器类汇编中的用系管理中止未定义中断快中断 别名称 户 统 r 0 ( a 1 ) l m m ( a 2 ) r 1 r 2 ( a 3 ) r 2 通 r 3 ( a 4 ) 贴 用 r 4 ( v 1 ) n 寄 r s ( v 2 ) r 5 存 r 6 ( v 3 ) r 6 器 r 7 ( v 4 ) r 7 和 髓 r s _ 丘qr s ( v 5 ) 程 舶r 9f i q r 9 ( s b ，v 6 ) 序 m o ( s l v 7 ) r 1 0 r 1 0f i q 寄 r l l ( f p ，v 8 ) r 1 1 r l l _ f l q 存 r 1 2 ( i p ) r 1 2r 1 2f l q 器 r 1 3 ( s p ) r 1 3r 1 3b v cr 1 3a b tr 1 3u n d r 1 3 _ i r qr 1 3 _ f i q m 4 ( l r ) r 1 4 r 1 4s v cr 1 4a b tr 1 4u n d r 1 4 _ i r qr 1 4 _ f i q r 1 5 口c ) r 1 5 状态c p s rc p s r 寄存s p s r无s p s rs p s r s p s rs p s r s p s r 器s v ca b tu n d l r qn q b 程序状态寄存器 在所有的处理器模式下都可以访问当前程序状态寄存器c p s r l l l 】。c p s r 包含 1 0 嵌入式通用家电智能卡板的设计与网络控制研究 条件码标志、中断禁止位、当前处理器模式以及其它状态和控制信息。每种异常 模式都有一个程序状态保存寄存器s p s r 。当异常出现时，s p s r 用于保存c p s r 的状态。c p s r 各位的分配如图2 1 所示。 鑫件代码檬考儡留 厂j 3 l 静曲趣2 为2 4 8 图2 1 程序状态寄存器c t s r 各位的分配 条件代码标志：标志n ，z ，cv ( n e g a t i v e ，z e r o ，c a r r y 9o v e r f l o w ) 称为条件码标 , ：畚( c o n d i t i o nc o d ef l a g ) 。 控制位：c p s r 的最低8 位为控制位。它们分别是中断禁止位、t 位和模式位。 当发生异常时，控制位改变。当处理器在一个特权模式下操作时，可用软件操作 这些位。 中断禁止位：l 位置位时，则禁止i r q 中断；f 位置位时，则禁止f i q 中断； t 位清零时，处理器在a r m 状态下运行，置位时，处理器在t h u m b 状态下运行。 模式位：m 0 , m 1 ，m 2 ，m 3 和m 4o 哪4 ：o 】) 是模式位。这些位决定处理器的操作 模式，如表2 3 所示。 表2 3 c p s r 模式位 m 4 ：0 1 模式 1 0 0 0 0 用户 1 咖l快中断 1 0 0 1 0 中断 1 0 0 1 1管理 1 0 1 1 1中止 1 1 0 1 1 未定义 1 1 1 1 1 系统 保留位：除条件代码标志和控制位外，程序状态寄存器的其它位保留，用作 以后扩展。 ( 2 ) t h u m b 状态寄存器集 第二章a r m 体系结构 n t h u m b 状态下的寄存器集是a r m 状态下寄存器集的子集。程序员可以直接访 问8 个通用寄存器( r 0 - r 7 ) 、p c 、s p ( 堆栈指针) 、u t ( 连接寄存器) 和c p s r 。每一 种特权模式都有分组的s p 和l r 。 t h u m b 状态下的寄存器和a r m 状态下的寄存器的关系为：t h u m b 状态的 r 0 - r 7 与a r m 状态的r o - - r 7 是一致的：t h u m b 状态的c t s r 和s p s r 与a r m 状 态的c p s r 和s p s r 是一致的；t h u m b 状态的s p 映射到a r m 状态的r 1 3 ：t h u m b 状态的l r 映射到a r m 状态的r 1 4 ；t h u m b 状态的p c 映射到a r m 状态的 p c ( r 1 5 ) 2 4 5 异常 当正常的程序执行流程发生暂时的停止时，处理器就进入异常( e x c e p t i o n ) 模 式。在异常处理之前，处理器的状态必须保留，以便在异常处理程序完成后，原 来的程序能够重新执行。同一时刻可能出现多个异常【1 2 1 。 异常的优先级：当多个异常同时发生时，一个固定的优先级系统决定它们被 处理的顺序：复位( 最高优先级卜+ 数据中止一f i q 一瓜q 一预取中止一未定义指令 一s w l ( 最低优先级) 。 ( 1 ) 进入异常 当处理异常时，a r m 7 t d m i 内核会执行以下操作。 乱将下一条指令的地址保存在相应的l r 寄存器中。如果异常是从a r m 态进 入，则保存在l r 寄存器中的是下一条指令的地址( 当前i c + 4 或p c + 8 取决于异常 的类型) 。如果异常是从t h u m b 状态进入，则保存在l r 寄存器中的是当前p c 的 偏移值。它能使程序在异常处理返回后从正确的位置重新开始。 b 将c p s r 复制到相应的s p s r 中。 c 根据异常将c p s r 模式强制设置成某一值。 d 强制p c 从相关的异常向量中取下一条指令。 如果在异常发生时处理器是在t h u m b 状态下，那么当用中断异常向量地址加 载p c 时，自动切换进入a r m 状态。 ( 2 ) 退出异常 在完成异常处理后，将l r 寄存器的值减去相应的偏移量( 偏移量根据异常不 同而不同) ，送到p c 中；将s p s r 复制到c p s r 中；清除中断禁止位标志。 2 5a r m t t d m i 指令集 a r m 处理器是是基于精简指令集计算机皿i s c ) 原理设计的a r m t t d m i 处 理器有两个指令集：3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集。 嵌入式通用家电智能卡板的设计与网络控制研究 2 5 1a r m 基本寻址方式 寻址方式是处理器执行指令时寻找真实操作数地址的方式。a r m 处理器支持 的基本寻址方式有以下9 种：寄存器寻址、立即寻址、寄存器移位寻址、寄存器 间接寻址、基址寻址、多寄存器寻址、堆栈寻址、块拷贝寻址和相对寻址。 2 5 2a r m 指令集 所有的a r m 指令被汇编器汇编成3 2 位机器代码而被c p u 识别。几乎所有的 a r m 指令均可包含一个可选的条件码，只有当c p s r 中的条件码标志满足指定的 条件时，带条件码的指令才能执行【1 3 j 。 几乎所有的a r m 数据处理指令均可以根据执行结果来选择是否更新条件码 标志。若要更新条件码标志，则指令中须包含后缀“s ”。 ( 1 ) a r m 存储器访问指令 使用l d r 和s t r 指令可以进行双字、字、半字和字节的加载，存储处理；使 用l d m 指令加载多个寄存器和s t m 指令存储多个寄存器，它们可以传送r 0 。r 1 5 的任意组合；在寄存器和存储器之间进行数据交换可以使用s w p 指令。 ( 2 ) a r m 数据处理指令 乱数据传送指令：m o v 和m v n 为数据传送和数据非传送指令。 b 算术逻辑运算指令：a d d 、s u b 、r s b 、a d c 、s b c 和r s c 来实现带或 不带进位的加减法；a n d 、o r r 、e o r 和b i c 来实现逻辑与、或、异或和位清零。 c 比较指令：c m p 和c m n 用来比较和比较负数，聚汀和t e q 用来位测试和 测试相等。 ( 3 ) 乘法指令 用m u l 和m l a 做乘法和乘加( 3 2 位* 3 2 位，结果为低3 2 位1 ；u m u l l 、 u m l a l 、s m u l l 和s m l a l 做无符号和带符号长整数乘法和乘加( 3 2 位* 3 2 位， 结果为6 4 位1 。 ( 4 ) a r m 分支指令 分支指令有分支指令b 带链接分支指令b l 和带状态切换的分支指令b x 。 ( 5 ) a r m 协处理器指令 协处理器数据操作指令有协处理器数据操作指令( c d p ) 、协处理器数据读取指 令( l d c ) 、协处理器数据写入指令( s t c ) 、a r m 寄存器到协处理器寄存器的数据传 送指令( m c r ) 并, f l 协处理器寄存器到a r m 寄存器的数据传送指令m r c 。 ( 6 ) a r m 杂项指令 第二章a r m 体系结构 s w i 指令用于产生软中断；m r s 将c p s r 或s p s r 中的内容读出到通用寄存 器；m s r 用于设置状态寄存器c p s r 和s p s r 。 仍a r m 伪指令 a d r 和a d r l 都是将程序相对偏移地址加载到寄存器中，a d r 是小范围的 地址读取伪指令，a d r l 伪指令可以读取更大范围的地址；l d r 指令用于将3 2 位 常量或一个地址加载到寄存器；n o p 指令是空操作位指令。 2 5 3t h u m b 指令集 所有的t h u m b 指令被汇编器汇编成1 6 位二进制代码被c p u 识别。几乎所有 的t h u m b 指令不能带条件后缀，下面是t h u m b 指令的分类说明。 o ) t h n m b 存储器访问指令 l d r 和s t r 指令来处理字、字节和半字的加载和存储操作；p u s h 和p o p 指 令用来完成低寄存器和可选的l r 进栈以及低寄存器和可选的p c 出栈，需要记住 的一点是t h u m b 堆栈是满递减堆栈；l d m i a 和s t m i a 是多寄存器加载和存储指 令 ( 2 ) t h u m b 数据处理指令 扎数据传送指令：m o v 和m v n 为数据传送和数据非传送指令，n e g 为数据 取负指令。 b 算术逻辑运算指令：a d d 、s u b 、a d c 、s b c 来实现不带或带进位的加 减法；m u l 来实现乘法运算指令；a n d 、o r r 、e o r 和b i c 来实现逻辑与、或、 异或和位清零；a s r 、l s r 、l s l 和r o r 指令来实现移位操作。 c 比较指令：c m p 和c m n 用来比较和比较负数，聚 t 用来进行位测试。 ( 3 ) t h u m b 分支指令 b 指令是t h u m b 指令集中唯一的有条件指令，它完成分支操作；b l 是带链接 的分支指令，它先将下一条指令的地址拷贝到r 1 嘶即l r ) 链接寄存器中，然后跳 转到指定地址运行程序；b x 是带状态切换的分支指令。 ( 4 ) t h u m b 杂项指令 s w i 指令用于产生软中断，从而实现将用户模式切换到管理模式，c i s r 保存 到管理模式的s p s r 中，执行转移到s w i 向量地址。在其他模式下，也可以使用 s w i 指令，处理器同样地切换到管理模式。 ( 5 ) t h u m b 伪指令 a d r 指令是小范围的地址读取伪指令，将程序相对偏移地址加载到寄存器中； l d r 是大范围的地址读取伪指令，将3 2 位的立即数或一个地址加载到指定寄存器； n o p 指令产生所需的a r m 无操作代码。 1 4 嵌入式通用家电智能卡板的设计与网络控制研究 2 6 小结 在这一章中，我们介绍了a r m 处理器的特点和应用领域，a r m 核的版本和 本系统中微处理器的选择，并对a r m 处理器的编程模型、寻址方式以及指令集进 行了比较详细的介绍。通过这一章，用户可以了解a r m 的体系结构和指令系统， 为a r m 软硬件开发做好准备工作。 第三章硬件体系设计与实现 第三章硬件体系设计与实现 3 1 系统硬件设计概述 本系统以p h i l i p 公司的l p c 2 1 4 芯片为中心，包含很多其他的模块，实现各 自的功能。系统硬件框图如3 1 所示。 图3 1 系统框图 3 2l p c 2 2 1 4 微处理器 l p c 2 2 1 4 是基于一个支持实时仿真和跟踪的3 2 位a r m 7 t d m i - sc p u 的微控 制器，并带有2 5 6k 字节0 【b ) 嵌入的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接口 和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控 制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损失却很 小i “j 。l p c 2 2 1 4 的结构框图见图3 2 。 该处理器特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和p o s 机。同时由于内 置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式 软m o d e r n 以及其它各种类型的应用。 l p c 2 2 1 4 特性：3 2 位1 4 4 脚a r m t t d m i