（计算机应用技术专业论文）基于arm的喷绘设备控制系统的设计与实现.pdf

弗 摘要 j i i i ii ii i i i i ii ii i i iiii y 17 9 5 0 9 5 喷绘设备作为广告设备及技术发展的新兴成果，一经问世，就在全球范围内迅速普 及发展开来。而大幅面数码彩色喷绘机的问世，则是在广告制作领域注入了新的力量， 使得户外广告越来越被人们所接受和重视，极大地推动了户外广告媒体的发展。 另一 方面，伴随着电子技术与软件技术的飞速发展，嵌入式系统开发技术越来越广泛的应用 在生产和消费的各个领域，同时也更加推动了喷绘设备无论在速度和精度上都走向一 场重大的变革。 喷绘设备是采用喷绘技术在特制的基材上喷印特定画面的大型设备，而喷绘技术中 目前使用得最多的也是最具有优势的就是数字压电技术。该技术中对于喷头的控制尤为 重要，直接关系到喷绘设备的速度和精度。 本文设计了一种相对于数据传输而独立出来的喷绘设备的控制系统，不仅提高了设 备通信的速度和效率，更增加了设备的灵活性和使用性。控制系统采用了韩国三星公 司推出的1 6 3 2 位r i s c 微处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 作为喷绘设备的主控制处理器，利用n e c 公司新推出的7 8 k 0 5 0 3 d 作为喷头的控制芯片，通过实现i i c 通信来控制高精度喷头的 喷印工作。本文介绍了喷绘设备喷头的工作原理和a r m 处理器，详细介绍了控制系统 的设计架构和系统组成，介绍了硬件部分和相关电路的设计。在软件方面，完成了对 控制信号结构的设计定义，并利用软件分层和缓冲队列提高数据传输效率，实现了主控 制器和控制芯片的通信，给出了通信流程和流程代码，最后搭建验证平台，进而给出最 终的结果和分析。 关键词：控制系统；a r m ；$ 3 c 2 4 4 0 a ；i i c 总线 t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fp r i n t i n ge q u i p m e n tc o n t r o ls y s t e m b a s e do na r m a b s t r a c t ： a san e wt e c h n o l o g yr e s u l to fa d v e r t i s i n ge q u i p m e n ta n dt e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n t ， p r i n t i n ge q u i p m e n tr a p i d l ys p r e a da r o u n dt h ew o r l d a f t e ra p p e a r e d 1 1 1 ei n v e n t i o no fl a r g e m a r g i nd i g i t a lc o l o rp r i n t e rp r o d u c e dan e wf o r c ei n t ot h ef i e l do fa d v e r t i s i n ga n dm a k i n g o u t d o o ra d v e r t i s i n gm o r ea n dm o r ea r ea c c e p t e da n dv a l u e db yp e o p l e ，w h i c hp r o m o t e dt h e d e v e l o p m e n to fo u t d o o ra d v e r t i s i n gm e d i ag r e a t l y o nt h eo t h e rh a n d a l o n gw i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n t o fe l e c t r o n i c t e c h n o l o g y a n ds o f t w a r e t e c h n o l o g y ，e m b e d d e ds y s t e m s d e v e l o p m e n tt e c h n o l o g ya p p l i e di n v a r i o u sf i e l d so fp r o d u c t i o na n dc o n s u m p t i o nw i d e l y a l lo ft h e s ea r ed r i v i n gt h ep r i n t i n ge q u i p m e n tt oas i g n i f i c a n tc h a n g ei nt e r m so fb o t hs p e e d a n da c c u r a c y 1 2 e tp r i n t i n ge q u i p m e n ti st h el a r g ee q u i p m e n t t h a tp r i n ts p e c i f i cp a i n t i n gi ns p e c i a l l y d e s i g n e dm a t e r i a l su s e dp r i n t i n gt e c h n o l o g y d i g i t a lp i e z o e l e c t r i c i t yt e c h n o l o g yi st h em o s t u s e df r e q u e n t l yi nn u m b e ro fp r i n t i n gt e c h n o l o g y t h i st e c h n o l o g yi sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t f o rt h ec o n t r o lo ft h ep r i n t h e a d ，r e l a t e dt ot h ep r i n t i n gd e v i c es p e e da n da c c u r a c yd i r e c t l y t h i sp a p e rp r e s e n t sar e l a t i v ei n d e p e n d e n c ec o n t r o ls y s t e mo fp r i n t i n ge q u i p m e n tf r o m d a t at r a n s m i s s i o n t h ed e s i g nn o ti m p r o v e st h es p e e da n de 瓶c i e n c y ，a n di n c r e a s et h e f l e x i b i l i t yo fe q u i p m e n t c o n t r o ls y s t e ma d o p ts o u t hk o r e as a m s u n g $ 3 c 2 4 4 0 a16 3 2 - b i t r i s cm i c r o p r o c e s s o r sa st h em a i nc o n t r o lp r o c e s s o ro ft h ep r i n t i n ge q u i p m e n t ，u s i n gn e c s n e w7 8 k 0 5 0 3 da st h ec o n t r o lc h i po fp r i n t h e a d t h es y s t e mc o n t r o lc o m m u n i c a t et a s ko f h i g h p r e c i s i o np r i n t h e a dt h r o u g ht h er e a l i z a t i o ni i cc o m m u n i c a t i o n t h i s a r t i c l ed e s c r i b e st h e w o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ep r i n t h e a d a r mp r o c e s s o r s ，d e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r e a n ds y s t e mc o m p o n e n t s a n dt h ep a p e rd e s c r i b e st h eh a r d w a r ep a r ta n dt h e a s s o c i a t e dc i r c u i t o nt h es o f t w a r es i d e c o m p l e t e dt h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h ec o n t r o ls i g n a l ，a n du s et h e s o f t w a r el a y e ra n dt h eb u f f e rq u e u et oi m p r o v ed a t at r a n s m i s s i o ne m c i e n c y ，r e a l i z et h e c o m m u n i c a t i o no fm a i nc o n t r o l l e ra n dt h ec o n t r o l l e rc h i p t h ec o m m u n i c a t i o np r o c e s sa n d t h ek e yc o d eh a v eb e e np r o v i d e d f i n a l l y ，t h ef i n a lr e s u l t sa n da n a l y s i sa r eg a v e nt h r o u g h t h ev e r i f i c a t i o np l a t f o r m k e yw o r d s ：c o n t r o ls y s t e m ；a r m $ 3 c 2 4 4 0 a ；i i cb u s 辽j2 师范人学硕十学何论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i l 绪论l - 1 1 选题背景和研究意义一1 - 1 2 喷绘设备核心喷印的工作原理一2 1 2 1 喷印技术分类2 1 2 2 压电式喷印工作原理3 1 3 论文研究内容和主要工作一4 2 喷绘控制系统的设计6 2 1系统设计概述6 2 2 嵌入式a r m 处理器。8 。 2 2 1a r m 概j 签8 2 2 2a r m 微处理器系列8 2 2 3a r m 微处理器的选型11 2 3 i i c 总线通信接口一1 3 2 3 1i i c 总线概述1 3 2 3 2i i c 通信接口定义和控制方法13 。 2 4 通信操作流程设计1 9 2 4 1主控制处理器作为主设备的通信设计1 9 2 4 2 喷头控制芯片作为从设备的通信设计2 1 - 3 硬件设计与实现2 4 3 1主控制处理器开发板硬件资源2 4 3 2 喷头控制芯片及其i i c 接口一2 5 3 2 17 8 k 0 5 0 3 硬件资源- 2 5 3 2 2 控制芯片i i c 接口一2 6 。 3 3 相关电路2 8 4 软件设计与实现3 3 4 1 通信格式定义3 3 4 2 软件调用方式3 4 4 3 设定通信传输时钟3 5 4 4 各寄存器相关结构的定义和设定3 8 基ta r m 的喷绘设备控制系统的设计与实现 4 5 通信初始化处理4 0 。 4 6 主设备相关的操作。4 卜 4 7 从设备相关的操作4 5 4 8 下位机数据通信的实现4 7 5 应用验证4 9 5 1 验证平台一4 9 5 2 验证程序4 9 结 论5 3 参考文献5 4 攻读硕士学位期间发表学术论文情况5 6 致 谢5 7 辽j 1 师范人学硕十学位论文 1 绪论 1 1选题背景和研究意义 随着我国经济的蓬勃发展，广告业和制造业的发展也达到了前所未有的高度， 而 与此同时大型喷绘设备的应用得到了越来越广泛的重视。近些年来由于嵌入式技术与 喷绘机接口技术的不断飞跃，喷绘技术以其速度快、质量高等优点受到了户外广告、印 刷、展览、室内外装饰和摄影等多个行业越来越多的青睐。这除了它具有速度快、色彩 逼真和颜色还原性好的优点之外，还具有其他工艺难以取代的特殊优势。例如在一些气 候恶劣的地区，因为不能经受气候的侵蚀，就不能够使用纸制的广告画面而只能在广告 表面覆盖乙烯材料，这样就只能使用喷绘技术来实现。另外在一些广告绘制方面，虽 然手绘的价格会比喷绘价格低很多，但是质量效果的差别也非常大，随着经济的发展和 品牌意识的加强，越来越多的企业对广告的质量要求在提高，因此喷绘技术将以自身的 优势成为越来越多的客户的首选目标。另外还有当前背景灯箱的普及，也给喷绘技术 带来了更大的市场商机和应用领域，随着喷绘设备的不断改进，喷绘广告画在国际和国 内的市场的前景将更好，喷绘技术的市场前景将越来越广阔。 简单的说喷绘的过程，就是喷绘设备利用控制指令来控制喷嘴孔，喷嘴孔位于喷墨 打印头上，然后定量的墨水被喷嘴孔喷出在喷印介质上。所以，喷墨的控制方法决定 了彩色喷绘设备的优劣，也就是将墨点均匀且精确地喷在介质上的能力是关键。各厂商 丌发出的喷墨打印头都有所不同，其喷墨的控制方法也相应的有些差别，但主要有热气 泡式( t h e r m a lb u b b l e ) 和压电式( p i e z o e l e c t d c ) 两种。热气泡式喷墨打印机的喷嘴上 含有许多的微加热原件，利用空气加热后膨胀的原理，使墨水在墨嘴中迅速达到沸点从 而产生气泡，这种气泡会产生极大的压力，将墨水从喷头挤压而出喷印在特定的喷印介 质上。热气泡式喷印技术中，喷嘴温度的变化容易造成喷墨打印头老化的现象，并且喷 印过程可能会受到温度的影响不稳定，所以这种技术已经逐渐被压电式喷印技术所取 代。压电式喷墨打印机则是使用压电喷墨打印技术。它与热气泡式喷墨打印机不同的地 方在于，控制喷墨的介质是一个晶体。晶体具有导电性，当晶体通电的时候会产生膨 胀的作用，膨胀的晶体将墨水自喷嘴内挤压而出喷印在喷印介质上。而晶体在没有电流 通过时又会收缩，于是停止打印。 随着喷绘行业的高速发展，其核心技术喷头也在进行着快速的更新换代。纵观压电 喷头的发展历史，第一代压电式喷头是双色集成式喷头，也是喷绘行业的革命性变更， 解决了发泡式喷头寿命短的问题，但随着喷头技术高速更新、喷绘要求的一次次提高， 第一代喷头在精度和速度方面已经难以接受，因此也慢慢被淘汰了。第二代喷头是分体 基于a r m 的喷绘设备控制系统的设计与实现 式喷头，一个喷头只有一个颜色。双排喷嘴，每排有多喷嘴，喷头惰性好，墨水适合范 围广，是打印方式、使用范围最广的喷头。第三代喷头是集成式喷头，有8 排喷嘴，单 排多个孔，把原来四个颜色的喷头集成为一个喷头，安装更加方便快捷了，但是在墨点 大小和精度上基本没有什么提高。随着相继推出的技术更为先进和成熟的的下一代喷 头，第三代喷头已经慢慢的成为过渡性产品。第四代喷头也是集成式喷头，有l o 排喷 嘴，但是单排有更多的喷孔，单色通道，无论是在精度还是在颜色范围上都可达到更好 的效果，通过更好的控制压电晶体而控制墨点，同时还采用了先进的自动喷嘴检测技术。 以上几代喷头的墨点都只有大中小三种墨滴，而先进的第五代喷头依靠新一代的打印头 技术能够喷出7 种不同形状的墨滴，先进的墨水喷射系统，能够十分精确地打印出光滑 渐变、完美和漂亮的纯色，并且避免了深浅条纹的出现。 以上的研究可以看出，如何保证喷头在工作时压力的长期稳定，同时供墨充足均匀， 这直接决定了喷印的成品率，同时决定了设备的稳定性。喷头的使用和控制技术直接 影响到喷绘设备的速度和精度，所以对喷头控制的改进对于该领域有着重要的意义，并 具有很高的研究价值。 1 2 喷绘设备核心喷印的工作原理 1 2 1喷印技术分类 喷绘设备按工作原理可分为固体喷墨和液体喷墨两种，随着喷绘技术的发展，现在 最广泛使用的就是液体喷墨方式，而液体喷墨方式又可分为气泡式与液体压电式。气 泡技术的主要原理是通过加热喷嘴的方法使墨水产生气泡，进而再将气泡喷到打印介质 上。最典型的热感应式喷墨技术就是将墨水加热，使一部分的墨水气化成一个相对扩展 丌的气泡，再将气泡一滴滴的喷印到打印介质上。而压电技术则是利用特殊的压电材 料根据加压在其上不同的电压值而不同的膨胀收缩，来实现将墨水喷印在打印介质上。 具体来说，热感应式喷墨技术是在墨水喷出区中将一定比例的的墨水加热，加热 的过程主要是利用一个薄膜电阻器，进而将墨水形成一个气泡，而该气泡以小于1 0 微 妙的极快的速度扩散开，进而迫使喷嘴喷射出墨滴。再经过几微秒，气泡便退回到电阻 器上，而此时，喷嘴的墨水也就缩回去了。然后由于表面的张力作用又会产生吸力， 这样又使得墨水喷出区中又补充到了新的墨水。这样一个整合的循环技术程序就架构 出来了完整的一套热感应式喷墨技术。不过此技术也有着不可忽视的缺点，因为在高 温下墨水容易发生化学变化，导致其性质不稳定，进而会在一定程度影响打出的色彩真 实性，同时也不好掌握通过气泡喷出的墨水微粒的体积大小和方向性，容易导致打印线 辽j 。师范人学硕+ 学位论文 条边缘参差不齐，也使得打印质量收到了一定程度的影响，以上这些都是该技术的缺点 和不足。 压电式喷墨技术中，墨水也是由喷嘴所喷出，该喷嘴和热感应式喷墨技术的喷嘴类 似，但是墨滴的形成方式却完全不同，主要是由缩小墨水喷出的区域来决定的。而缩小 的喷出区域，主要是将喷出区内一个或多个压电板上施加电压来实现和控制的。 压电 式喷墨技术是在喷出墨滴前，将微微收缩墨滴，于是无论墨水液面在原来喷嘴处是持平 还是突出，液面全都会凹进去的。接下来在一个较大的脉冲下，微压电元件会产生一 个较大的延伸，于是将迅速的从喷嘴推出墨滴。接着在喷嘴即将与墨滴分离的那一刻， 又一个脉冲信号将发送到微压电元件上，从而使得液面在喷嘴处迅速收网，同时墨滴被 切断，进而一个相对完整的喷印过程结束。在这个过程当中，在喷嘴推出墨滴之前， 墨水的液面在喷嘴处有可能有多种形状。液面时内凹状态时喷嘴喷出的墨滴是相对圆 的，液面是突出状态时喷嘴喷出的墨滴将会较大，表面形状可能不太规则，而当液面是 持平状态时，则会形成墨滴的拖尾。另外喷出后，在整个飞行过程当中，墨滴的方向 是不容易控制的，形成雾状墨滴或是星点墨滴则可能是飞行中途破裂而导致的。 总体 来说，微压电喷头技术将墨水在常温状态下稳定的喷出，主要是利用晶体在加压时会放 电的特性。压电式喷墨技术对墨滴控制能力强，可以实现高精度的喷印打印质量，并且 在微压电喷墨时不需要对墨水进行加热，墨水也不会因为温度升高而发生化学变化，对 墨水的要求大大的降低了i 。 总体来说，压电式喷头的生产工艺相对热发泡喷头的生产工艺来说要复杂很多，但 是压电式喷头的寿命相比热发泡喷头来说也是相当长的，所以有着远远低于热发泡式喷 头的应用成本。同时又因为热发泡喷头中高温下的墨水容易发生化学变化，性质不稳 定，而压电式喷头则不需要对墨水进行加热，极大的提高了喷印质量，使得压电式喷头 在应用上有着越来越大的优势。 1 2 2 压电式喷印工作原理 压电式喷印的具体的工作又是非常复杂的。在压电式喷印中，给压电晶体进行施 加电压，使得压电晶体发生轻微且高速的形变，进而将油墨在喷嘴中喷压出。外界的脉 冲电压作用于压电晶体时，压电晶体就会产生变形，而这一变形的结果直接导致减少了 喷嘴油墨腔的容积，于是便从喷嘴中喷射出一滴油墨。接着压电晶体由于没有压电的 作用了而恢复成原先的形状，新的油墨由于表面张力作用又补充到了喷嘴。 以此循环 往复，理想的喷印宽度和解像度，将利用喷嘴的大量并排排列进一步获得。 以上所提 到的特殊的压电晶体，是由一种半导体压电晶体材料制作而成的，该材料叫做p z t 。p z t 在生产过程使用了极性化处理，实现强行按照指定的方向将物料的原子电荷进行排列， 基丁a r m 的喷绘设备控制系统的设计与实现 经过极性化的材料如果附加在外接的电场效应时，p z t 就会根据它定义的方向产生一个 物理性的变形。 具体的喷墨打印头工作是根据电化学原理来实现的。喷墨打印头的水道在出水口 的上端，电极在水道的两侧。电极两端在打印头工作时将分别产生气体，而此时两极 间的液体体积将增大，因为受到了上部液体带来的压力，而同时水道又非常狭小，此时 只能从位于电极下面的出水口挤出液体来。很多类型的出水口的大小是不一样的，喷 墨头工作时，出水口大的类型出水所需要的压力要小，而出水口小的类型所需要的压力 则相对的要大。可以通过喷墨水的电导率来调节压力的大小。电导率越小的液体中所 含的离子就越少，因而液体的电阻就越大，所以通过电极的电流就越小，相应的在电极 两端产生的气体就越少，结果导致产生越小的压力。相反的，当电导率越大时，液体 中所含的离子就越多，液体的电阻就越小，于是电流通过电极的也就越大，因而在电极 两端生成的气体就越多，最终将产生的压力也就越大。各厂家都根据一定的科学依据 来设定喷墨水的电导率。一些类型的喷头为了通过电极的电流小，设置了小的电导率， 电极的耗损也就小，则相应的就产生耐用型的喷墨头。而有些类型为了特殊的需要则 需要设置大的电导率，这样电极的耗损也就大，因为通过电极的电流也是相对大的。电 极与墨水是化学能和的物理能交换对接口，它们之间进行的交换是等质等量的。可以 将电子流的数字传输到电脑中去，进而反应墨水中离子数量的变化，从而可以实现将 原存有的数字和电离提供的信息进行对比，根据结果来决定应该进入何种处理。如果 接收到的全部是电极一样小或一样大的电流，则应该进行清洗墨盒的处理，而如果只 接受到部分电极的电流，则应该进行墨将尽的处理，相应的，如果接收到全部电极的 电流大于原来的最大电流，则应该进行不认墨盒的处理等等。压电式喷头的这些先进的 技术，使得各种打印应用更加富有灵活性，并不断带来更高的产品质量。 1 3 论文研究内容和主要工作 喷绘设备的控制系统是整个喷绘过程的核心，在传统的设计中，压电式喷头的一些 重要配置指标如容积电压、温度电压曲线等控制数据，都是固定在控制：芭= 片中，一旦更 换喷头或喷头出现新的问题，这些数据的更新只能通过卸载芯片重新编程和烧录来实 现。同时控制系统同时分担着控制信号和传输打印数据的任务，导致当需要打印的数 据量增大的时候，将不可避免的影响系统的速度和精度。针对以上的这些问题，考虑 提出一种新的控制系统的设计，实现这些重要数据可以根据需要随时进行更新，同时不 会影响数据的喷印过程。 辽宁师范大学硕十学位论文 本文提出了一种将喷绘设备控制系统独立出来的设计，并能实现喷头的驱动数据利 用p c 机进行随时设定，不仅提高了设备通信的速度和效率，更增加了设备的灵活性和 使用性。根据以上思想，本设计的控制系统在基于a r m 的基础上，通过选用的喷头控 制芯片实现i i c 协议通信，进行控制信号的通信传输。利用7 8 k 0 5 0 3 d 的i i c 接口应用 到数字印染机的控制传输部分，提高传输的速度和可剪裁性，做到相对于数据传输的 独立传输。本文研究和分析了喷绘设备的工作原理以及a r m 处理器的类型和选型，在 此基础上，给出了系统的总体设计架构，进行流程分析、硬件设计，并实现了软件设 计和实现，最终完成整个控制系统的设计和实现。最后通过搭建的测试平台完成系统 结果的验证。 谬。 2 2 1 的设 个发 生时 时更 理， 以上 定数 控制 传输 器将 芯片 信，对于这种一对多的方式最好的选择是使用共享总线的方式进行通信。对于共享总 线的方式来说，s p i 、r s 2 3 2 等方式显然是不合适的，因为其主要实现的是点对点的通 信，共享总线实现起来很困难。而r s 4 8 5 实现共享总线也是很不方便，同样，对于 u s b 通信来说，得使用专用的收发芯片才能实现共享总线，另外对于c a n 总线，虽 然不用使用专用的芯片，但是一样得选择支持c a n 的单片机，相对应用来说也有着很 大的限制。如此一来，方便灵活的i i c 总线就成了设计中最好的选择，同时由于i i c 只 需要少量的信号线，更加方便了我们的通信传输实现，因此在该控制系统的设计中 a r m 和喷头控制芯片采用i i c 总线通信。因为控制信号及相关控制参数相对于数据信 号的使用来说，频率相对能低一些，所以系统采用查询方式是不合适的，因而在系 统中采用了中断的方式来进行控制信号的通信。 喷头控制处理器采用n e c 公司最新推出的7 8 k 0 k x 2 微控制器系列中的带有片上调 试功能的产品7 8 k 0 5 0 3 d 。该微控制器功能很强大，带有片上单电源供电的3 2 k b 的f l a s h 存储器，支持自编程，1 k b 的高速r a m ，6 4 k b 的存储器空间以及8 位3 2 个寄存器，使用 高速系统时钟工作在2 0 m h z 时，指令最短执行时间可以在0 1 u s 的高速和1 6 u s 的低速 之间改变。7 8 k 0 5 0 3 d 将来的应用领域很广泛，例如汽车设备、家用电器、工业设备、 自动化领域等，还可以用于控制次级微控制。 辽j 。师范人学硕+ 学位论文 a n m 士坊劁碰搀 一m ，一 r e 3 - ，”? 一”拱lr 广1 。一k 章曼： “叠卜啊 了嘉划i 蛩锺刹 i ! 釜j 量j ( ：0 ：篓! 釜i 臣丑， ( ： = 兰三3 i固： 、 7 c 疆。嚣| 瞄 ( e 翻嬲l 留” 。j 一一一i ：i ：c ：c兰。j 圈 f 口 臣 ；。3 口 翌j ： ：f 州 麓二 o j i = = i _ l ：= 兰l 【，：”一l ： c ： 三 图2 i 系统结构 f i g 2 is y s t e ms t r u c t u r e - 7 t k 绀秘，i j 意 钆柠再 静 h l 0 一l l l l l ：。一l ： 蠢 ；，一l l i l = 襄 t l l iltll 一 一 一 一 m钆 ： 、- ； 。 t 1 舢 - 一 ：。鼋 ? 一； 喀 暑：篱翟 基丁a r m 的喷绘设备控制系统的设计与实现 2 2 嵌入式a r m 处理器 2 2 1 a r m 概述 a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的英文缩写，a r m 公司是以嵌入式处理器i p c o r e 设计而获得巨大成功的i pc o r e 设计公司，是目前在嵌入式系统中占有统治地位的 微处理器设计商【z j 。 当前，a r m 公司专门从事基于r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o n s e t c o m p u t e r ，精简指令集计算机) 芯片的设计和开发，是知识产权供应商。a r m 公司自 身并不直接生产芯片，而是靠转让设计许可让其合作的各大公司生产各种功能的芯片。 a r m 将其技术授权给世界上很多著名的软件、半导体和o e m 厂商，各厂商都得到a r m 提供的独一无二的相关技术及服务，利用这样的合作关系，a r m 很快成为了全球性的 r i s c 标准的缔造者1 3 巧j 。a r m 为世界各大半导体厂商设计其独有的a r m 微处理器， 这些著名厂商再根据各自特有的应用领域添加适当的外围电路，从而生产自己的a r m 微处理器芯片。目前，全世界有几十大半导体公司都在使用a r m 公司的授权，从而使 得a r m 技术已经获得了越来越多的第三方的制造、工具以及软件的支持，同时降低整 个系统成本，进而使得a r m 更容易打入市场从而也更具有竞争力【6 诏j 。 采用a r m 技术的i p 核微处理器已经应用在我们生活中的各大领域，涉及到消费娱 乐、汽车电子、影响、网络、无线、存储装置及安全应用等各个领域。a r m 公司能提 供1 6 3 2 位的r i s c 微处理器、数据引擎、数字单元库、三维图形处理器、外设、嵌入 式存储器、软件、开发工具等多种产品，协同众多支持的技术合作伙伴，a r m 公司能 够为业界提供快速、稳定、完整的系统解决方案1 9 j 。随着全球范围内a r m 处理器的流 行，3 2 位的r i s c 嵌入式处理器已经成为嵌入式设计和应用的主流，a r m 技术也越来 越多的被国内外嵌入式工程师选择来设计自己的产品。 2 2 2a r m 微处理器系列 a r m 公司至今为止定义了七种主要的的a r m 指令集体系结构，又称a m r i s a ( i n s t r u c t i o ns e ta r c h i t e c t u r e ) ，随着版本的不断升级，指令集不断的改进，功能也不 断的强大。a r m 版本号从v 1 v 7 ，同时各版本还有各自的变种，定义了各自指令集中不 同的上办能，其中对于相同的体系结构，基于他们的应用软件都是兼容的。其现有的体 系结构中至少都支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集，t h u m b 指令集是a r m 指令集的功能子集，但是同相等功能的a r m 代码相比较，t h u m b 指令集的使用可以获 得密度更高的代码。在相同指令集下，和不同部件的配置就可以组装出具有不同功能的 处理器，比如有无调试功能、有无内存管理单元等啦! 2 j 。a r m 处理器可以分成8 个系 列，系列名中还有7 个后缀，并且可以各自组合，这些后缀都有各自的含义。t 表示支 辽j 叫币范人学硕十学位论文 持t h u m b 指令集；d 表示支持片上调试( d e b u g ) ；m 表示内嵌硬件乘法器( m u l t i p l i e r ) ；i 表示支持片上断点和调试点；e 表示支持增强型d s p 功能；j 表示支持j a v a 加速器技术： s 表示全合成式。8 个系列中的a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 和a r m l l 都是通用 处理器系列，各自都提供相对独立的一套性能来满足不同应用领域的需求。而s e c u r c o r e 系列则是专门为安全级别要求较高的应用而设计的。具体各a r m 微处理器系列的简要 介绍一下【13 1 。 ( 1 ) a r m 7 系列 a r m 7 微处理器系列是低功耗的3 2 位r i s c 处理器，数据和指令使用同一条总线， 采用三级流水线a r m 核，执行a r m v 4 指令集。a r m 7 系列处理器适合低价位要求和 功耗要求敏感的产品系列，包含a r m 7 2 0 t 、a r m 7 e j s 、a r m 7 t d m i s 几种型号。a r m 7 系列处理器的最高主频达到1 3 0 m i p s ，功耗低，代码密度高，兼容1 6 位微处理器，调 试机制完善，代码与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m l 0 e 系列兼容。 ( 2 ) a r m 9 系列 a r m 9 系列于采用了5 级指令流水线，因而能够运行在比a r m 7 更高的时钟频率 上，处理器的整体性能得到了改善。存储器系统根据程序和数据空间独立的哈佛体系结 构重新进行设计，区分了指令总线和数据总线。a r m 9 2 0 t 是a r m 9 系列的第一个处理 器，包含m m u 和独立的数据指令c a c h e ，要求有虚拟存储器支持的操作系统上可以使 用该系列处理器1 1 4 】。a r m 9 2 0 t 系列的变种a r m 9 2 2 t 只有a r m 9 2 0 t 一半大小的数据 指令c a c h e 。而a r m 9 4 0 t 则包含了一个更小的数据指令c a c h e 和m p u ，是设计给那些 不要求运行操作系统的应用领域的。a r m 9 系列执行v 4 t 架构指令。 ( 3 ) a r m 9 e 系列 a r m 9 系列的下一个处理器系列是基于a r m 9 e s 内核的，该内核是a r m 9 内核带 有e 扩展的一个带有综合功能的版本。它有两个变种a r m 9 4 6 e s 和a r m 9 6 6 e s ，这 两个变种都执行v 5 t e 架构指令。同时该系列处理器也支持嵌入式跟踪宏单元，该单元 为可选配的。该系列处理器也可以让开发者实时跟踪处理器上数据和指令的执行。这一 种方法是非常重要的，尤其是当调试对时间敏感的程序段时。a r m 9 4 6 e s 包括大小可 配置的t c m 和c a c h e ，以及一个m p u 。该处理器的设计是针对有确定的实时响应的嵌 入式控制要求的。a r m 9 6 6 e s 没有m p u 和c a c h e 扩展，但是有t c m 可供配置。a r m 9 系列的a r m 9 2 6 e j s 内核是具有可综合性质的处理器内核，该处理器是针对小型便携式 j a v a 设备要求而设计的，例如p d a 和3 g 手机的应用。而第一个包含j a z e l l e 技术的a r m 处理器内核是a r m 9 2 6 e j s ，该处理器可加速j a v a 字节码执行，它配有一个m m u ，t c m 为可选择配置的，数据指令c a c h e 带有零或非零等待存储器l l 5 。 基ta r m 的喷绘设备控制系统的设计与实现 ( 4 ) a r m l 0 e 系列 a r m l 0 e 系列包括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 等类型。a r m l 0 具 有高性能、低功耗的特点。它采用了新的体系结构，使其成为所有a r m 产品中具有最 高的m i p s m h z 性能的处理器。a r m l 0 的核，t 5 在于它采用了6 级整数流水线技术，指 令执行效率更高，并使用了向量浮点单元v f p 。v f p 提供的高性能的浮点解决方案明显 增强了处理器的整型和浮点运算的性能。a r m l 0 e 系列处理器同时采取了新的节能模 式，利用6 4 位的l o a d s t o r e 体系，提供了可以进行包括向量操作的浮点运算协处理器， 使得更加方便的集成系统，并拥有完整的软件和硬件开发工具。 ( 5 ) a r m l1 系列 a r m ll 系列包括a e m l1 3 6 j ( f ) s 、a r m i1 5 6 t 2 ( f ) s 以及a r m i1 7 6 j z ( f ) s 等几种 类型。a r m l1 3 6 j s 的设计是针对高性能和高能效应的应用而进行的。a r m l1 3 6 j s 执 行的是a r m v 6 架构指令，也是第一个执行这种架构指令的处理器。针对媒体处理， a r m v 6 架构指令包含了单指令流多数据流扩展，并利用特殊的设计完成了改善其视频 的处理能力。a r m ll 具有8 级流水线技术，该流水线具有独立的l o a d s t r o e 和算术流 水线。a r m ll 处理器最高可达到1 g h z 的速度，重点提高了对多媒体处理的性能，具 有更低的耗电量。a r m l1 不仅能用于p d a 和3 g 应用中，同时还将应用在其他要求高 效紧凑的家庭网关、多媒体无线通信设备以及其他嵌入式设备中。 ( 6 ) c o r t e x m 3 和m p c o r e c o r t e x m 3 和m p c o r e 两个新的处理器的推出，是a r m 为了适应市场新的需要。 c o r t e x m 3 主要是针对微控制器市场而设计的，而m p c o r e 则主要是针对高端消费类产 品的应用而设计的。c o r t e x m 3 微处理器适用于高性能及低成本需求的嵌入式应用，对 代码密度进行了改进，并减少了中断延时，从而具有更低的功耗。同时在c o r t e x m 3 中 还可以使用当前最新的t h u m b 2 指令集。m p c o r e 则是确保了c a c h e 的一致性，都进 行支持l - 4 个a r m ll 核。这种设计主要是为了很好的平衡现代消费类产品对性能和功 耗的需求。为了改善系统的整体性能，还使用了l 2 c a c h e 控制器。 ( 7 ) s e c u r c o r e 系列 s e c u r c o r e 系列包含s e c u r c o r es c10 0 、s e c u r c o r es c110 、s e c u r c o r es c 2 0 0 以及 s e c u r c o r et s c 2 1 0 等几种类型。s e c u r c o r e 系列处理器是专为高性能的安全需要而设计 的，提供了3 2 位r i s c 技术的安全解决方案，考虑了高性能的安全性。该系列处理器 具有体积小、功耗低、代码密度高等特点，同时还提供了高性能的安全解决方案。改系 列处理器提供了最大限度的灵活性，采用了软内核技术，进而防止了外部对其进行扫描 探测的行为，同时支持t h u m b 指令集和a r m 指令集，以此提高系统性能和代码密度， 辽j 1a ) i v 范大学硕十学位论文 同时可以抵制攻击，提供了独特的安全特性。s e c u r c o r e 系列处理器还可以集成其他的 协处理器到用户自己的安全特性保护中，同时集成了基于智能卡和低成本的存储保护单 元m p u ，以确保应用数据和操作系统的安全。 ( 8 ) i n t e l 的s t r o n g a r m 系列 s t r o n g a r m 处理器目前有s a l l 0 、s a i l 0 0 和s a i l l 0 三个版本，融合了i n t e l 公司的 设计和处理器技术以及a r m 的体系结构的电源效率优势，在兼容a r m v 4 体系结构的 同时，还能够具有i n t e l 的技术优点。i n t e l 的s t r o n g a r m 系列处理器为消费电子类设 备和手提式通信提供了理想的解决方案。 ( 9 ) i n t e l 的x s c a l e 系列 i n t e lx s c a l e 微处理器体系结构目前用得较多的是x s c a l ep x a 2 5 0 和x s c a l e 8 0 2 0 0 8 0 3 1 2 l ，是一种全性能、低功耗、高性价比的处理器，它支持1 6 位的t h u m b 指 令和d s p 指令，是i n t e l 目前主要推广的a r m 处理器。 2 2 3a r m 微处理器的选型 随着国内外嵌入式应用领域的广泛发展，a r m 处理器芯片已经获得了越来越广泛 的应用和重视，不过由于a r m 芯片有多达十几种的芯内核结构、几十个芯片生产厂商 和数以千变万化的内部功能组合配置，开发人员在选择处理器时难免会无从下手，所以 我们在这罩给出一些选择a r m 处理器的一般原则和参考方向。 a r m 处理器的内核：如果希望减少软件开发时间而使用l i n u x 或w i n d o w sc e 等操 作系统，就需要选择带有m m u ( m e m o r ym a n a g