（检测技术与自动化装置专业论文）基于internet的远程监控系统嵌入式平台的硬件设计与实现.pdf

北京邮电大学硕士学位论文 基于| i n t e r n e t 的远程监控系统嵌入式平台 的硬件设计与实现 摘要 随着信息技术的快速发展和i n t e m e t 技术的广泛应用，监控系统领 域正在发生深刻的变革。以模拟和数字混合的传统集散监控系统正逐渐 朝着以嵌入式为主的网络化监控系统的方向发展。微处理芯片的不断发 展和革新，给嵌入式系统的设计和应用注入了新的生机。 对于网络化监控系统的设计而言，它涉及到的知识很多，主要有电 子技术、微机系统应用、计算机软硬件和网络通讯等。总的来说，网络 化监控系统的设计分为两大部分：硬件平台设计和系统软件设计。根据 预设计系统的功能需求，结合嵌入式系统的理论和实践经验以及国内外 监控系统的发展状况，本论文对基于m t e m e t 的远程监控系统硬件平台进 行了研究和详细设计。本论文的工作为今后该系统的扩展和升级奠定了 良好的基础。 整个研究工作分为四个部分：监控系统总体结构的设计、主c p u ( a r m 7 t d m i ) 控制系统的设计、从c p u ( d s p ) 系统的设计和硬件平 台测试软件的设计。 本论文首先构造了一个通用的基于网络的嵌入式远程监控系统总体 结构。 论文具体说明了主c p u 系统的设计，并对主c p u 系统的各个子模 块，包括系统复位模块、系统存储模块、通信模块( u s b 接口、串口和 网络接口) 和液晶l c d 显示模块的设计分别进行了阐述。 论文对从c p u 系统进行了研究和原理设计。其包括数据采集信号的 分析、数据处理单元的设计和数据传输与通信接口的设计( 主c p u 和 d s p 之间) 等。 最后，针对硬件实体的各个模块，详细说明了硬件测试软件设计的 具体实现，利用该软件对所设计的硬件进行了测试，一定程度上检验了 所开发硬件系统的可行性。 关键词：嵌入式监控a r i dd s p 北京邮电大学硕士学位论文 d e s i g no ft h eh a r d 硝艇p l a t f o r m 0 ft h er e m o t em o n i t o r i n g & c o n t r o l l i n gs y s t e m b a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g ya n di n t e r n e t t e c h n o l o g y a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y a n dt h eb r o a d a p p l i c a t i o no fi n t e r n e tt e c h n o l o g y , t h er e f o r m a t i o ni sc o m i n gi nt h ef i e l do f m o n i t o r i n g & c o n t r o l l i n gs y s t e m t h e t r a d i t i o n a l s y s t e m o f u s i n g t h e a n a l o g u ea n dd i g i t a ls i g n a lt od e s i g n t h em o n i t o r i n g & c o n t r o l l i n gs y s t e mh a s b e e ns u b s t i t u t e d b yi n t r o d u c i n ge m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g ya n di n t e r n e t t e c h n o l o g yi n t ot h ed e s i g no f t h es y s t e m f u r t h e r m o r e ，t h eq u i c kd e v e l o p m e n t o fm i c r o - c p ui ch a sp r o v i d e dt h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no ft h ee m b e d d e d s y s t e mw i t hm o r ev i t a l i t ya n d c h o i c e s a st ot h e d e s i g n o fm o n i t o r i n g & c o n t r o l l i n gs y s t e m u s i n g i n t e m e t t e c h n o l o g y , i t r e l a t e sw i t hs o m ek n o w l e d g e ，s u c ha se l e c t r o n i c s k _ n o w l e d g e m i c r o c o m p u t e rk n o w l e d g e c o m p u t e r s o f t w a r e & h a r d w a r e t e c h n o l o g y , j ! 塞鲤皇查兰堕主堂竺堡苎 n e t w o r kk n o w l e d g ea n ds oo n a saw h o l e ，t h ed e s i g no ft h es y s t e mc a nb e d i v i d e di n t ot w op a r t s ，w h i c ha r et h ed e s i g no fh a r d w a r ep l a t f o r ma n dt h e d e s i g no fs y s t e ms o f t w a r e b a s e d o nt h ed i s c u s s i o no ff u n c t i o nr e q u i r e m e n to f t h ed e s i g n e dr e m o t em o n i t o r i n g & c o n t r o l l i n gs y s t e m ，t h e s i t u a t i o no ft h e d e v e l o p m e n t t h e o r ya n dp r a c t i c eo f t h ee m b e d d e d m o n i t o r i n g & c o n t r o l l i n g s y s t e m s t h ed e s i g no f t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h er e m o t em o n i t o r i n g & c o n t r o l l i n gs y s t e m s b a s e do ne m b e d d e d t e c h n o l o g ya n d i n t e r n e tt e c h n o l o g y i ss t u d i e di nt h i st h e s i s t h er e s e a r c ho ft h et h e s i si n c l u d e sf o u rp a r t s ，w h i c ha r et h ed e s i g no f t h es t r u c t u r eo far e m o t em o n i t o r i n g c o n t r o l l i n gs y s t e mu s i n gi n t e m e t t e c h n o l o g y , t h e m a i nc p uc o n t r o l l i n g s y s t e mm o d u l e ，t h e s u b o r d i n a t e c p u ( d s p ) s y s t e m m o d u l ea n dt h et e s t i n gs o f t w a r eo ft h ed e s i g n e dh a r d w a r e t h ed e s i g no ft h em a i nc p us y s t e mm o d u l ei sc a r r i e do u ti nt h i st h e s i s t h es p e c i f i c d e s i g no ft h e w h o l es u b m o d u l e sw h i c hi n c l u d es y s t e m - r e s e t s u b m o d u l e ，s y s t e mm e m o r ys t o r a g es u b m o d u l e ， c o m m u n i c a t i o n s u b m o d u l e ( u s b ，s e r i a l a n dn e t w o r k i n t e r f a c e ) a n d l c d d i s p l a y s u b m o d u l ei si n t r o d u c e di nd e t a i lr e s p e c t i v e l y t h e d e s i g n o ft h es u b o r d i n a t ec p u ( d s p ) s y s t e mm o d u l ei sa l s op r e s e n t e d ， w h i c hi n c l u d e st h ea n a l y s i so ft h ed a t as a m p l i n gs i g n a l ，t h ed e s i g no fd a t a p r o c e s su n i t ，a n d t h ed e s i g no fd a t at r a n s m i t t i n gi n t e r f a c e f i n a l l y , t h ed e s i g no f t h es o f t w a r ew h i c hi su s e dt ot e s tt h eh a r d w a r ei s 北京邮电大学硕士学位论文 i n t r o d u c e da n dt h et e s tr e s u l ti ss h o w nw h i c hd e m o n s t r a t e st h ev a l i d i t yo ft h e d e s i g n e dh a r d w a r e k e yw o r d s ：e m b e d d e d s y s t e mm o n i t o r i n g & c o n t r o l l i n g a r md s p 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。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，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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 何贡献均己在论文中作了明确的漉明并表示了谢意。 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： 霪强 日期：圣! 蓝! 玉主l 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一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 导师签名 冯强 斟卜 日期：鲤堕：三：! f 日期；砸l 。王三2 北京邮电大学硕士学位论丈 1 1 课题背景 第一章绪论 随着监控技术、计算机技术、通信、网络等技术的发展，传统的监控系统已 越来越不能满足现代工业的要求。以信息技术为基础的网络监控系统已经成为当 今监控领域技术发展的热点之一，它的出现标志着工业监控领域又一个新时代的 开始，并将对该领域的发展产生重要影响。人们都知道监控系统的发展进程经历 了三次大的飞跃：从信号监控到信息监控：从仪表监控到智能监控；从单机监控 到网络监控。现代网络监控系统正向着前端一体化、采集数字化、监控网络化、 系统集成化方向快速发展。它以信息处理为核心，以智能节点为基础，以信息网 络为框架，将系统中所有的监控设备、管理计算机、数据库均通过信息网络联接 在一起，组成一个监控网，形成一个信息共享的有机整体。这是一门将通信网络 技术、自动化监控技术、计算机技术融合在一起的一门前沿学科“”。 现代网络监控具有以下特点。1 ： ( 1 ) 网络化，可实现远程监控及信息共享； ( 2 ) 智能化，可实现智能监控： ( 3 ) 分散化，使监控系统实现底层现场控制。 1 2 国内外研究现状 2 1 监控系统简介 现代监控系统是集计算机技术、监控技术于一体的技术密集型产品系统，具 有控制功能强、操作方便、可靠性高等特点，广泛她用于工业生产和社会生活的 各个领域。随着通信技术( 网络通信、无线通信) 、计算机技术、自动化技术的不 断发展，传统的工业监控领域正在发生深刻的变革，模拟和数字混合集教的传统 监控系统正逐渐朝着以嵌入式为主的网络化监控系统的方向发展。如2 0 世纪8 0 年 代中期发展起来的总线技术。它完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现 北京邮电丈学硕士学位论空 底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换，沟通了生产过程现场控制设 备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，就代表了监控系统向分散化、网 络化、智能化发展的方向“。”。 当前网络监控有以下几种发展类型： l 、电话网远程监控系统 监控数据以电话线( 有线或无线) 为通信媒介，以载波调制的方式进行传送。 它的特点是：建设速度快、投资少、但速率低、实时性差。 2 、r s 一4 8 5 分布式监控系统 r s 一4 8 5 仅仅是一种单点发对多点收的串行通信的电气接口标准( 半双工、双 绞线平衡传输) ，人们自定通信协议，利用r s 一4 8 5 接口标准，建立的一主多从分 布式监控系统。它的特点是简单、价廉。 3 、现场总线系统 现场总线应用于工业生产现场环境，用于智能化监控设备之间，实现双向、 串行、多节点数字通信。它有了分层结构有了公开规范的通信协议是一个较 为廉价的系统。 ( 1 ) l o n 总线和l o n w o k s 技术 l o n 总线是由美国e c h e l o n 公司推出的现场总线，它采用o s i 七层结构，采 用神经元芯片，支持多通信介质( 双绞线、电力线、无线、光纤等) ，类型丰富 ( 神经元节点、路由器、收发器、协议及开发工具) ，资源丰富( 功能块、接口、 系统集成、钡试等) 。 ( 2 ) c a n 总线( c o n t r o la r e a n e t w o r k ) c a n 总线是由德国b o s c h 公司开发出的控制局域网络，它建立在o s i 标准体 系结构上，但只有三层( 物理层、数据链路层、应用层) ，采用短帧结构，数据 长度8 字节，具有自动关闭功能，有较强抗干扰能力，开始主要用于汽车上，现 广兔泣鬲。 c3 ) 基合会现场总线监控系统( f f ，f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 基金会现场总线是由美国f i s h e r r o s e m o u n t 等8 0 家公司制定的i s p 协议与 欧洲1 5 0 家公司制定的f i p 协议合并统一的现场总线协议，它以o s i 开放互联七 层模型为基础，支持多通信介质( 双绞线、电力线、无线、光纤等) ，可通过总 线供电( 直流或交流1 6 k h z ) 。 ( 4 ) h a r t 总线监控系统( h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s 4 u c c r ) h a r t 总线是r o s e m o u n t 公司开发的可寻址远程传感器高速通道的开放通 北京邮电大学硕士学位论文 信协议。它在现有模拟线上实现数字信号传输，( 采用f s k 技术，在4 2 0 m a 测 量模拟信号上叠加数字信号可使用模拟仪表、纪录器、控制器，属模拟系统向 数字系统转换的过渡产品。它可租用电话线，可利用总线供电。 4 、以太网( i n t e r n e t ) 监控系统 利用以太网作为监控信息传输的媒体，利用其巨大资源来实现最佳控制，在 最大的范围内信息共享。 1 2 2 嵌入式系统简介 嵌入式系统被定义为：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，适应于应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求 的专用计算机系统。它一般由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和 用户应用程序四部分组成”“”。 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处理器的最大 不同之处在于嵌入式c p u 大多数工作在为特定用户群设计的系统中。它通常把通 用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋 于小型化，并具有高效率、高可靠性等特性，其分类如下： 1 ) 嵌入式微处理器( e m p u ) 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 ) 的核一1 1 , 是通用计算机中的 c p u 。在实际应用中，为了大幅度地减小系统的体积和功耗，微处理器通常被装 配在专门设计的电路板上，仅保留和嵌入式应用有关的功能。嵌入式微处理器虽 然在功能上与标准微处理器基本上一样，但为了满足嵌入式应用的特殊要求和场 合，在工作温度、抗电磁干扰、以及可靠性等方面一般都做了各种增强。与工业 控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优 点；但是由于在电路板上必须包含r o m 、r a m 、总线接口、各种外设等器件， 从而降低了系统的可靠性，并且技术保密性也较差。 2 ) 嵌入式徼控制器( m c u ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r 0 1 l e r u n i t ) 又称单片机，预名思义，就是将整个 计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心， 芯片内部集成r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、看门狗定 时器、i o 、串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s h 、e e p r o m 等各种必要的 功能和外蹬。为适应不同的应用场合，一般某种系列的单片机都具有多种衍生产 品，每种衍生产品的处理器内核一样，不同的是存储器和外设的配置及封装。这 样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能齐全又不浪费，而且减少了 北京邮电大学顼士学位沦丈 功耗及产品成本。与嵌入式微处理器相比，微控制器的最大优点就是单片化，体 积大大减小，降低了功耗和成本，并提高了可靠性。微控制器是目前嵌入式系统 工业的主流，微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称之为 微控制器。 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e d s p ) 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 ) 对系统结构和指令 进行了特殊设计使其适合于执行d s p 算法，编译效率较高，指令执行速度快。 d s p 算法币大量进入嵌入式领域，在数字滤波、f f t 、频谱分析等方面，d s p 应 用正从通用单片机中以普通指令实现d s p 功能，过渡到采用嵌入式d s p 处理器。 由于智能化算法一般运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这 些正是d s p 处理器的长处所在，例如应用在带有智能逻辑的消费类产品，生物特 征识别的终端，实时语音解压缩系统等方面的应用。 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e m o n c h i p ) 随着电子数据交换( e d i ) 的推广和v l s i 设计的普及化，以及半导体工艺的 迅速发展，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 y s t e m o nc h i p 。各种通用处理器内核将作为s o c 设计公司的标准库，和许多其 他嵌入式系统外设一样，成为v l s i 设计中一种标准的器件，用标准的v h d l 等 语言进行描述，并存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通后 就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件外，整个 嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将交得很简 洁，对于减小体积和功耗，以及提高可靠性都非常有利。 与通用型计算机系统相比，嵌入式计算机系统具有以下特点。”： 1 ) 嵌入式系统通常面向特定应用 嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群设计的系统中，通常具有功耗低、 体积小、集成度高的特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片 内部，从而使嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大太增强，与网络的耦合也 越来越紧密。 2 ) 嵌入式系统是多种技术的集成系统 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具 体应用相结合后的产物。这一点决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度 分散、不断创新的知识集成系统。 3 ) 嵌入式产品的生存能力很强 北京邮电太掌硕士学位论文 嵌入式系统与具体应用有机结合，它的升级换代也和具体产品同步进行，因 此嵌入式产品一旦进入市场，具有较强的生命周期。 4 ) 嵌入式系统的软件通常作为固件形式存在 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统的软件一般固化在存储器芯片 或单片机中，而不是存储在磁盘等外部载体中。 5 ) 嵌入式系统需要特定的开发环境和开发工具 嵌入式系统本身不具各自举开发能力，即使设计完成后用户也不能对其中的 程序功能进行修改，必须利用特定的开发环境和开发工具。 1 2 3 国外监控系统与嵌入式系统的研究现状 近几年来，整个网络监控系统向着采用成熟、开放、通用技术、分布化、智 能化实时控制的技术的方向发展，整个控制网络与管理网络信息集成、全面数字 化、同时网络结构趋向简单。其中一个重要的发展趋势就是采用以嵌入式为主的 网络化监控系统，它采用t c p i p 网络协议标准，系统组网容易，传输数据量大、 速度快，整个系统结构简单、尺寸微小、价格低廉。远程计算机可做到无需任何 额外程序，通过w e b 浏览器( i e ) 就能对设备进行监测，而且开发软件繁多，使 应用程序易于开发。在这种趋势下，以t c p i p 和以太网为代表、成熟度较高的 开放式网络技术，正逐渐地被应用在各个自动化系统，连接并控制所有设备将 i n t e m e t 网络技术引入监控领域，将i n f r a n e t 与i n t r a n e t 、i n t e r n e t 相连，实现信息 的完整共享。该项技术的应用为i s t ( i n t e r n e ts e n s o r t e c h n o l o g y 网络传感技术) 、 h v a c ( 家庭环境自动控制) 、局部环境自动控制、i a ( i n f o r m a t i o n a p p l i c a t i o n 信 息家电) 、智能小区管理以及网络化交通管理等i n t e r n e t 化提供了技术保证。 嵌入式系统本身就是一个将先进的计算机技术、半导体工艺、电子工艺和通 信网络技术与各领域的具体应用相结合的产物，通常是面向特定应用的，般都 有实时要求。早在二十世纪六、八十年代嵌入式系统就应用于工业控制领域。随 着工业、医疗、国防等部门对智能控制的需求不断增长，嵌入式微处理器在运算 速度、可扩充能力、可靠性、功耗和集成度等方面得到了显著提高，也使得嵌入 式系统的应用领域不断扩展。二十世纪末的信息技术革命极大地推动了各项产业 和技术的发展，嵌入式技术也不例外，随着信息技术的发展和数字化产品的普及， 嵌入式系统以其独特的优势正被广泛应用到网络、手持通信设备、国防军事、消 费电子和l 自动化控制等各个领域中。在以太网互联网等网络架构已逐渐在自动 化产业内被广泛采用的过程中，各类相关嵌入式产品也已在生产过程控制、交通 控制、个人数据处理、多媒体通信、在线事务处理等领域纷纷涌现。就嵌入式系 北京邮电大学硕士学位论文 统的发展前景蜕，嵌入式系统在工业自动化领域中的应用正进入飞速发展的时代， 它使网络和工业设备的耦合也越来越紧密“1 。 网络技术、嵌入式技术带动了监控技术向网络化、小型化、集成化的方向飞 速发展。随着新一代i p v 6 技术的逐渐应用化和嵌入式芯片的微型化，地球上的 每一物体都可能通过一个嵌入式芯片通过网络以终端的形式存在与一个监控系统 中。换句话说，地球上的所有事物将形成一个庞大的监控系统。研究基于i n t e m e t 的嵌入式监控系统有着广阔的应用和技术前景。 1 2 4 国内应用状况 由于工业监控网络和嵌入式技术属于发展中的新技术，我国各工业企业在这 个领域的开发应用才刚刚起步不久我国有关部门都已认识到发展该技术对加速 我国国民经济信息化的重大作用，并与国外有关公司合作，引进先进技术，成立 有关集团、公司，以加速我国网络控制技术的应用。基于i n t e m e t 的远程监控技 术正逐渐被广泛应用于邮电、电力、通讯、银行、工业等国民经济中的各个领域。 鉴于控制网络的i n t e r n e t 化是控制技术的一个发展趋势，随着i n t e m e t 和监控技术 的发展，嵌入式技术必将能够更好地被应用到网络监控产品中去，基于r n t e m e t 网络的远程监控系统也必将会在我国经济建设中得到迅速发展。目前国内一些单 位己推出相关产品。 1 3 本课题的主要工作 本课题结合“2 儿工程”二期建设项目和教育部重点项目主要进行以下几个 方面的研究工作： 1 ) 构造一个通用的基于网络的嵌入式远程监控系统总体结构： 2 ) 对嵌入式主c p u 系统进行研究，分折设计系统启动与复位、内存管理与 分配、中断响应与处理、外部总线与接口、外围控制与通信接口、时钟与 电源管理以及系统开发与调试功能各个模块； 3 ) 对数据处理从c p u 系统进行研究，分析设计数据采集、数据处理模块、 内存管理与分配、中断响应与处理、外部总线与接口、外围控制各个模块； 4 ) 根据现有条件，完成硬件板卡平台的制作： 5 ) 根据已经完成的硬件，编写测试程序，调试硬件各模块，完善硬件设计。 北京邮电大学硕士学位论文 第二章a r m 处理器和l l s p 芯片概述 2 1a r m 微处理器简介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以 认为是对一类微处理器的通称还可以认为是一种技术的名字。1 9 9 1 年成立于英 国剑桥的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，主要出售芯 片设计技术的授权，本身不直接从事芯片生产。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。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，使产品更容易进入市场被消 费者所接受，更具有竞争力。a r m 体系结构目前被公认为是业界领先的3 2 位嵌 入式r i s c 微处理器结构“”。 a r m 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构的 处理器：a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 e 系列、s e c u r c o r e 系 列、i n t e l 的x s c a l e 、i n t e l 的s t r o n g a r m 。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，提供一套相对独 特的性能来满足不同应用领域的需求。其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l 0 为4 个通用处理器系列，s e c u r c o r e 系列则专门为安全要求较高的应用而设计。 1 ) a r m 7 微处理器系列 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 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0 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 mo 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 北京邮电大学顺士学位论文 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。 a r m 7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、i n t e r n 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 系列微处理器包括如下几种类型的核：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 。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。t d m i 的基本含义为1 ： t ：支持1 6 为压缩指令集t h u m b ； d ： 支持片上d e b u g ： m ： 内嵌硬件乘法器( m u l t i p l i e r ) ： i ：嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点。 本系统所用三星公司的s 3 c 4 4 8 0 x 即属于该系列的处理器。 2 ) a r m 9 微处理器系列 a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。该系列微 处理器具有以下特点： 5 级整数流水线，指令执行效率更高； 提供1 1 m i p s m h z 的哈佛结构： 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集； 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口： 全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入 式操作系统； m p u 支持实时操作系统； 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 a r m 9 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、 高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。a r m 9 系列微处理器包含a r m 9 2 0 t 、 a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型，以适用于不同的应用场合。 3 ) a r m 9 e 微处理器系列 a r m 9 e 系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了微控 制器、d s p 、j a v a 应用系统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和系统的复杂 程度。a r m 9 e 系列微处理器提供了增强的d s p 处理能力，很适合于那些需要同 时使用d s p 和微控制器的应用场合。 北京酃电大学硕士学位论文 a r m 9 e 系列微处理器的主要特点如下： 支持d s p 指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合； 5 级整数流水线，指令执行效率更高： 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集； 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口； 支持v f p 9 浮点处理协处理器； 全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌 入式操作系统； m p u 支持实时操作系统： 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更离的指令和数据处理能力； 主频最高可达3 0 0 m i p s 。 a r m 9 系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、 工业控制、存储设备和网络设备等领域。a r m 9 e 系列微处理器包含a r m 9 2 6 e j s 、 a r m 9 4 6 e s 和a r m 9 6 6 e s 三种类型，以适用于不同的应用场合。 4 ) a r m l 0 e 微处理器系列 a r m l 0 e 系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系结 构，与同等的a r m 9 器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近5 0 ，同 时，a r m l 0 e 系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。 a r m l o e 系列微处理器的主要特点如下： 支持o s p 指令集。适合于需要高速数字信号处理的场合： 6 级整数流水线，指令执行效率更高； 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集： 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口； 支持v f p l 0 浮点处理协处理器； 全性能的m m u 。支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入 式操作系统： 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力； 主频最高可达4 0 0 m i p s ： 内嵌并行读写操作部件， a r m l 0 e 系列微处理器主要应用于下一代无线没冬、数字消费品、成像设备、 工业控制、通信和信息系统等领域，a r m l 0 e 系列微处理器包含a r m l 0 2 0 e 、 a r m l 0 2 2 e 和a r m l 0 2 6 e j - s 三种类型，以适用于不同的应用场合。 北京邮电丈学硕士学使论文 5 ) s e c u r c o r e 微处理器系列 s e c u r c o r e 系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的3 2 位r i s c 技 术的安全解决方案，因此，s e c u r c o r e 系列微处理器除了具有a r m 体系结构的低功 耗、高性能的特点外，还具有其独特的优势，即提供了对安全解决方案的支持。 s e c u r c o r e 系列微处理器除了具有a r m 体系结构各种主要特点外，还在系统安 全方面具有如下的特点： 带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全： 采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测； 可集成用户自己的安全特- 眭和其他协处理器。 s e c u r c o r e 系列微处理器主要应用于一些对安全性要求较高的应用产品及应 用系统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。s e c u r c o r e 系列微处理器包含s e c u r c o r es c l 0 0 、s e c u r c o r es c l l 0 、s e c u r c o r es c 2 0 0 和 s e c u r c o r es c 2 1 0 四种类型，以适用于不同的应用场合。 6 ) s t r o n g a r m 微处理器系列 i n t e ls t r o n g a r ms a 1 1 0 0 处理器是采用a r m 体系结构高度集成的3 2 位r i s c 微处理器。它融合了i n t e l 公司的设计和处理技术以及a r m 体系结构的电源效率， 采用在软件上兼容a r m y 4 体系结构、同时采用具有i n t e l 技术优点的体系结构。 i n t e ls t r o n g a r m 处理器是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选择，已 成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品。 7 ) x s c a t e 处理器 x s c a l e 处理器是基于a r m v 5 t e 体系结构的解决方案，是一款全性能、高性 价比、低功耗的处理器。它支持1 6 位的t h u m b 指令和d s p 指令集，已使用在数 字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。 x s c a l e 处理器是i n t e l 目前主要推广的一款a r m 微处理器。 2 2a r m 微处理器结构 2 2 1r i s c 体系结构 嵌入式微处理器分为c i s c 和r i s c 两类。大家熟悉的大多数台式p c 都是使 n c i s c 微处理器，如i n t e l 的x 8 6 a r i s c 结构体系有两大主流：s i l i c o no r a p h i c s 公 司( 硅谷图形公司) 的m i p s 技术，a r m 公司的a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 技本。 止g p b h i t a c h i ( 闩立公司) 也有自己的一套r i s c 技术s u p e r h 。r i s c 平n c i s c 是目 北京邮电大学硕士学位论文 前设计制造微处理器的两种典型技术，虽然它们都是试图在体系结构、操作运行、 软件硬件、编译时间和运行时间等诸多因素中做出某种平衡，以求达到高效的目 的，但采用的方法不同，因此，在很多方面差异很大，它们主要有： 1 ) 指令系统：r i s c 设计者把主要精力放在那些经常使用的指令上，尽量使 它们具有简单高效的特色。对不常用的功能，常通过组合指令来完成。因 此，在r i s c 机器上实现特殊功能时，效率可能较低。但可以利用流水技 术和超标量技术加以改进和弥补。而c i s c 计算机的指令系统比较丰富， 有专用指令来完成特定的功能。因此i 处理特殊任务效率较高。 2 ) 存储器操作：r i s c 对存储器操作有限制，使控制简单化；而c i s c 机器的 存储器操作指令多，操作直接。 3 ) 程序：r i s c 汇编语言程序般需要较大的内存空间，实现特殊功能时程 序复杂，不易设计：而c i s c 汇编语言程序编程相对简单科学计算及复 杂操作的程序设计相对容易，效率较高。 4 ) 中断：r i s c 机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断：而c i s c 机器 是在条指令执行结束后响应中断。 5 ) c p u ：r i s cc p u 包含有较少的单元电路因而面积小、功耗低：而c i s c c p u 包含有丰富的电路单元，因而功能强、面积大、功耗大。 6 ) 设计周期：r i s c 微处理器结构简单，布局紧凑，设计周期短，旦易于采 用最新技术：c i s c 微处理器结构复杂，设计周期长。 7 ，用户使用：r i s c 微处理器结构简单，指令规整，性能容易把握，易学易 用；c i s c 微处理器结构复杂，功能强大，实现特殊功能容易。 8 ) 应用范围：由于r i s c 指令系统的确定与特定的应用领域有关，r i s c 机器 更适合于专用机：而c i s c 机器则更适合于通用机。 a r m 微处理器就是r i s c 微处理器的主流产品，己遍及工业控制、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。1 。除了传统r i s c 的优点 外，a r m 体系结构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： 可在条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理： 北京邮电大学硕士学位论文 在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。 2 2 2 工作状态 从编程的角度看，a r m 微处理器的工作状态一般有两种，并可在两种状态之 间切换： 第一种为a r m 状态，此时处理器执行3 2 位的字对齐的a r m 指令： 第二种为t h u m b 状态，此时处理器执行1 6 位的、半字对齐的t h u m b 指 令。 当a r m 微处理器执行3 2 位的a r m 指令集时，工作在a r m 状态：当a r m 微处理器执行1 6 位的t h u m b 指令集时，工作在t h u m b 状态。在程序的执行过程 中，微处理器可以随时在两种工作状态之间切换，并且，处理器工作状态的转变 并不影响处理器的工作模式和相应寄存器中的内容。 2 2 3 存储器格式 a r m 体系结构将存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合。从零字节到 三字节放置第一个存储的字数据，从第四个字节到第七个字节放景第二个存储的 字数据，依次排列。作为3 2 位的微处理器a r m 体系结构所支持的最大寻址空 间为4 g b ( 2 3 2 字节) 。a r