基于ARM的数字图像采集系统的研究

1、摘要摘要在现代图像测量技术中，实时图像采集和处理占有极其重要的地位，其中实时图像采集是核心的技术。图像采集的速度、质量直接影响到测量的精度。目前大多数视频采集系统采用摄像头传感器，再通过实时图像采集（压缩）卡对视频图像进行采集（或压缩）后送入计算机进行处理。由于摄像机的输出已转换成模拟视频信号方式，且摄像头传感器的象素点在输出时序上很难与采集卡的采样点一一对应，因此视频图像数字化后图像质量损失较大，图像分辨力受到限制。另外，这种设备多以计算机插卡的形式存在，因此存在系统成本高、结构复杂等局限性，不能很好地满足图像测量高精度和便携式的要求。为此，本课题以ARM 芯片EP7312为处理器，提出了一

2、种新的基于32位嵌入式处理器的实时图像采集技术。本文对课题所研究的内容做了较为全面的论述，其中包括系统硬件和系统软件两个部分。首先，本文通过详细分析课题需求和基于ARM的嵌入式处理器EP7312，对系统进行了总体设计，并对该系统硬件部分进行了最优最小化设计。其次，由于课题中视频图像数字化后的大量数据要在SDRAM中进行缓存，故本文采用VHDL语言设计了SDRAM控制器。最后，本文以单元电路为单位，循序渐进的介绍了整个系统的调试过程。结果表明，基于ARM EP7312的数字图像采集系统可以作为独立的单元存在，并且具有体积小、处理能力强、成本低、精度高且功耗低等优点，在实时图像测量领域具有较为广阔

3、的应用前景。关键词图像测量；ARM；EP7312；SDRAM控制器- I -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractThe real time image collecting and processing plays a very important role in the modern image measurement technique, of which the former is the core technology. The rate and quality of the image collecting affect the measurement precision

4、directly.At present, the majority image collecting systems adopt the video camera sensor, then the video image is collected or compressed by the real time image collecting or compressing card before sent to the computer to process. Because the outputs of the camera are converted into the analog vide

5、o signal mode, and the pixel points of the video camera sensor are difficult to correspond with the sampling points of the collecting card at the output schedule, therefore the image quality is lost greatly, and the resolving capability is limited. In addition, this equipment often exists as the ins

6、erted card, which has some limitations such as high cost, complex structure etc, so it cant satisfy the high precision and portable type of the image measurement. Using the ARM EP7312 as the processor, a new kind of real-time image collecting technique based on 32bits embedded processor is put forwa

7、rd.In the article, the research work includes the system hardware and the system software. Firstly, the research requirements and the embedded processor EP7312 based on ARM are analyzed in details, and then the integrated design is made, and the optimized and minimized hardware system is designed. S

8、econdly, SDRAM is required to store the huge data of the digitized video, so the SDRAM controller is designed by using VHDL. Finally, the debug process of the unit circuit of the whole system is introduced in proper sequence.As a result, the digital image collecting system based on ARM EP7312 exists

9、 as a sole unit, and has lots of advantages such as small volume, strong processing ability, low cost, high precision, and low power consumption. So it has a wide prospect of application in the field of the real time image measurement.Keywords image measurement; ARM; EP7312; SDRAM controller- II -目录

10、目录摘要.I Abstract.II第1章 绪论.11.1课题来源、研究目的及意义.11.2嵌入式系统及其应用现状.21.3 ARM及其发展现状.31.4课题研究方案及主要内容.4第2章 系统分析及系统总体设计.52.1 CCD图像数据及系统分析.52.2基于ARM的嵌入式处理器EP7312.72.2.1嵌入式处理器概述.72.2.2 ARM处理器结构分析.102.2.3嵌入式处理器EP7312功能分析.132.3系统总体设计.192.4本章小结.20第3章 系统的硬件设计.213.1 EP7312控制信号分析.213.2 EP7312系统的硬件设计.223.2.1电源电路与晶振电路.223.

11、2.2唤醒电路与复位电路.233.2.3 FLASH存储器接口电路.253.2.4 SDRAM接口电路.293.2.5串行接口电路.323.2.6 LCD接口电路.343.2.7键盘接口电路.353.2.8 JTAG接口电路.353.2.9通用I/O接口电路.373.3本章小结.37第4章 SDRAM可编程控制器设计.38- III -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4.1引言.384.2 VHDL编程的SDRAM控制器.384.2.1 SDRAM简介.384.2.2 SDRAM控制器功能.404.2.3 SDRAM控制器FPGA设计.434.2.4 SDRAM控制器VHDL描述.454.3 S

12、DRAM控制器的仿真结果.474.4本章小结.47第5章 系统调试.485.1引言.485.2系统硬件调试.485.2.1电源、晶振、唤醒及复位电路.485.2.2 EP7312及JTAG接口电路.485.2.3 SDRAM接口电路的调试.505.2.4 FLASH接口电路的调试.525.3本章小结.53结论.54参考文献.55附录.57致谢.58IV - -第1章 绪论第1章绪论1.1 课题来源、研究目的及意义在现代图像测量技术中，实时图像采集和处理占有极其重要的地位，其中实时图像采集是核心的技术。图像采集的速度、质量直接影响到测量的精度。目前大多数视频图像采集采用摄像头传感器，再通过实时图

13、像采集（压缩）卡对视频图像进行采集（或压缩）后送入计算机进行处理。由于摄像机的输出已转换成模拟视频信号方式，且摄像头传感器的象素点在输出时序上很难与采集卡的采样点一一对应，因此视频图像数字化后图像质量损失较大，图像分辨力受到一定限制。另外，这种方法存在系统成本高、结构复杂等局限性，不便于推广和普及应用。为此，最新出现了采用先进摄像技术的图像采集卡，极大地弥补了图像质量损失较大、成本高、不便于推广等缺点。这类先进摄像技术（如CMOS摄像技术）的采集卡的突出优点是占用计算机资源少，数据传输速率较高，通用性好。例如采用USB接口的摄像头在一定程度上满足了实时性要求，突出了采样速率高、图像质量高、通用

14、性好的特点。但采用这种技术的图像采集卡必须进行压缩处理，且图像大小受限制，成本随之提高1。为此，人们提出了多种解决方案，其中比较有代表性的方案有以下两种：一是在中央控制器的调度下，两片或多片图像处理主芯片并行对图像进行处理。二是整个图像处理系统由图像采集系统和图像处理系统组成，其中图像采集系统负责接收原始的图像数据并对其进行一定的预处理；图像处理系统负责接收图像采集系统预处理后的数据并对数据进一步处理2。以CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合器件）作为图像传感器，与计算机配合，即可组成功能强大的数字视频图像数据采集系统，在工业检测和在线监控方面充分发挥其作用。CCD图像

15、传感器不仅是高科技发展的产物，而且更由于与其它各种固态图像传感器相比，不仅体积小、重量轻、功耗低以及坚固耐用等优点外，CCD自扫描性（且频率可调）可以很方便的把图像信号的空间分布按照一个确定的线形关系转换为电路中信号的时序分布，便于根据具体应用的需要作进一步的处理。除此之外，CCD还有光谱- 1 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文响应范围宽、感光灵敏度高、动态范围大、容易和计算机接口、光敏单元几何位置的高精度等特点3-4。本课题提出了一种新的基于32位嵌入式处理器的实时图像采集技术，旨在利用其图像处理速度快、图像质量高、成本低和便携式的特点。1.2 嵌入式系统及其应用现状嵌入式系统被定义为以应用

16、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。嵌入式系统的最大特点是其所具有的目的性或针对性，即每一套嵌入式系统的开发设计都有其特殊的应用场合与特定功能，这也是嵌入式系统与通用的计算机系统最主要的区别。另外，由于嵌入式系统是为特定的目的而设计的，且常常受到空间、成本、存储、带宽等条件的限制，因此，它必须最大限度地在硬件上和软件上“量身定做”以提高效率，这样的结果最终导致了实时性的增强。在单片机进入我国的15年中，过去大量的是8/16位单片机的应用，这只是嵌入式系统的初级阶段。当低端的嵌入式系统无法满足信息化、智能化、网络化时代

17、的更高要求时，32位嵌入式系统应运而生。32位嵌入式系统是电脑硬件与软件的有机结合。嵌入式系统的大体构架可分为五部分：处理器、内存、输入与输出、操作系统与应用软件。32位嵌入式系统可分为硬件和软件两个平台。硬件平台的设计包括处理器电路、网络功能、无线通信及使用接口等设计。嵌入式软件为信息、通信网络或消费性电子产品等系统中的必备软件，为硬件产品的驱动程序、控制处理和基本接口功能服务，以提高硬件产品的价值。嵌入式软件为该硬件产品不可缺少的重要组成部分。嵌入式系统把微处理器（CPU）或者微控制器（MCU）的系统电路与其专用的软件平台相结合，以此来达到系统操作的最高效率。目前的移动电话、手表、电子游戏

18、机、PDA、电视、冰箱等民用电子与通信设备，电动汽车、电动机车等电动产品的控制核心，无不与32位嵌入式系统息息相关。随着后PC时代的到来，有理由相信32位嵌入式系统会呈现出蓬勃发展的趋势。因此，国内的IT产品的开发应该更新理念，即：逐步采用16/32位高性能的CPU；采用C等高级语言编程；采用RTOS及其平台进行开发；采- 2 -第1章 绪论用模块化方式从事项目开发应用。ARM 32位RISC处理器可以满足IT产品的开发要求，缩短上市时间，为嵌入式应用提供了一种更有效的CPU选择。1.3 ARM及其发展现状 ARM即Advanced RISC Machines的缩写5。1985年4月261日,

19、第一个ARM原型在英国剑桥的Acorn计算机有限责任公司诞生，由美国加洲San Jose VLSI技术公司制造。1990年成立了Advanced RISC Machine Limited(后来简称ARM Limited，即ARM公司)。20世纪90年代，ARM 32位嵌入式RISC(Reduced Instruction Set Computer)扩展到世界范围，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。ARM公司使用通用的基础体系结构，以极低的成本和功耗提供了高性能、多系列的32位处理器核。ARM处理器在耗电、数据传送、数据处理速度在业界处于领先地位，很快成为移动通信、手持

20、计算、多媒体数字消费和嵌入式解决市场的RISC标准。 ARM公司是一个设计公司，是知识产权(IP)供应商，本身不生产芯片，靠转让设计许可由合作伙伴来生产各具特色的芯片。 ARM处理器的三大特点如下： 小体积、低功耗、成本低、高性能 16位/32位双指令集ARM公司全球众多的合作伙伴自1990年正式成立以来，ARM公司在32位RISC CPU开发领域不断取得突破，其结构己经从V3发展到V6。由于ARM公司一直以IP (Intelligence Patent)提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而自己从不介入芯片的生产销售，加上其设计的内核具有功耗低，成本低等显著优点，因此获得众多的半导体

21、厂家和整机厂商的大力支持，在32位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前已经占有70%以上的32位嵌入式产品市场。在低功耗，低成本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位。现在设计、生产ARM芯片的国际大公司已经超过50多家，国内中兴通讯和华为通讯等公司也己经购买了ARM公司的内核用于通讯专用芯片的设计。目前非常流行的ARM内核有ARM7TDMI，StrongARM，ARM720T，- 3 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文ARM9TDMI，ARM922T，ARM940T，ARM946T，ARM966T，ARMIOTDMI等，自V5以后，ARM公司提供PICCOLO DSP的内核给芯片设计者，用于设计A

22、RM+DSP的SOC (System On Chip)结构的芯片。此外，ARM芯片还获得了许多实时操作系统(Real Time Operating System)供应商的支持，比较知名的有：Windows CE、Linux、pSOS、VxWorks、Nucleus、EPOC、uCOS等5。ARM 32位体系结构目前被公认为是业界领先的32位嵌入式RISC微处理器结构。所有的ARM处理器共享这一体系结构。这可确保当开发者转向更高性能的ARM处理器时，在软件开发上可获得最大的回报。1.4 课题研究方案及主要内容鉴于32位ARM RISC处理器的各种优点，本课题摈弃了过去常用的8/16位单片机或者D

23、SP，采用最近出现但已经十分流行的ARM（EP7312）作为处理器，开发出一种可以独立工作，并且具有体积小、处理能力强且功耗低等特点的数字图像数据采集系统6。EP7312的工作频率高达90MHZ，完全满足数字图像的数据采集、处理与计算；具有多种接口，可以直接进行鼠标和标准键盘的接口；具有LCD控制器，可以直接支持TFT真彩液晶显示，也可以直接驱动VGA显示器；具有多种外部存储器访问，可以扩展各种存储器，使处理器工作起来更加快捷。这所有的一切证明该处理器完全满足该课题的要求，完全能实现所要求的功能，与过去的单片机和DSP，ARM可以节省很多外设接口和电路7。本课题要研究的主要内容如下：1. 掌握

24、EP7312芯片资料、进行方案分析并进行系统总设计。2. 进行系统硬件设计。3. 进行系统软件设计。4. 对该系统的软硬件进行调试、仿真。 对该系统进行进一步开发，最大限度的利用该系统资源。- 4 -第2章 系统分析与系统总体设计第2章系统分析与系统总体设计2.1 CCD图像数据及系统分析由于目前市售CCD摄像头不适于进行精密图像测量，所以本课题采用了特殊的数字化面阵CCD摄像头，其工作原理如图2-1所示3：图2-1 数字化面阵CCD摄像头原理图Fig.2-1 Schematic of Digitized Area CCD Camera由上图看出，数字化面阵CCD摄像头中设计了灵活、专用和低成

25、本的CCD驱动电路、相关箝位保持电路、CCD图像信号的A/D转换电路。这样使驱动程序中各主要参数可以很方便地根据不同的应用场合而作适当的调整。例如，主振频率、水平像元个数、垂直像元个数、曝光时间等，这是目前一般的CCD数字图像系统如电视兼容摄像机图像A/D采集卡所无法作到的。采用相关箝位保持电路有效的抑制复位噪声和1/f噪声。在A/D转换电路中，A/D采用的采样脉冲是由前面的驱动电路产生，因而能与CCD输出的各像元电荷保持高度的同步，A/D转换方式就可以准确的将CCD输出的图像信号变为相应的数字形式，更有利于保留许多的重要信息。摄像头电路分为三个部分：1) 时序电路部分：用于产生CCD工作，信

26、号处理和A/D转换，以及各种逻辑脉冲，其中包括行时钟脉冲、列时钟脉冲、场转移脉冲、行同步脉冲和帧同步脉冲等等。2) 驱动电路部分：用于将CCD工作所需的逻辑脉冲，经电平转换，功率放大，整形后送入CCD，驱动面阵CCD输出各像元信号。- 5 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3) 信号处理与视频A/D转换电路：信号处理电路包括低噪声前放和抑制噪声的相关取样电路。经过A/D转换电路使CCD输出的逻辑信号转换为数字信号输出。因此，数字化面阵CCD摄像头输出的是一帧图像的依序各像元8位数字信号和帧同步信号CLK2、行同步信号CLK1和像元时钟信号CLK0等。它们之间的时序逻辑如图2-2所示，其中CLK0

27、为10MHz，每一帧图像是600×800，即600行，800列。图2-2 CCD图像时序逻辑图Fig.2-2 Sequential Logic Diagram of CCD Image由于数字化面阵CCD输出的数字图像数据是高速大量和连续的，因此要求图像数据采集系统必须具有高速及功能强大的处理器；另外，为了便于图像测量，系统最好采用便携式设计，因此把该图像采集系统设计成嵌入式系统是很好的选择。图2-3 嵌入式系统框图Fig.2-3 Embedded System Block Diagram- 6 -第2章 系统分析与系统总体设计嵌入式系统的框架可以分成四个部分：处理器、存储器、输入输

28、出和软件。首先，嵌入式系统最核心的部分就是嵌入式处理器了。目前，世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过了1000多种，30多个系列。不同的处理器有其不同的功能和优势。但是低成本、低功耗、高性能是嵌入式系统应用的特殊要求。目前主要的嵌入式处理器类型有Power PC、X86、MIPS、ARM/StrongARM系列等。其次，存储器也是构建嵌入式系统的重要部分。本系统就需要FLASH和SDRAM。虽然存储器的选择依赖于处理器的选择，但是就功能需求来说，需要考虑容量大的，性能稳定的存储器。就FLASH来说，还需要考虑FLASH的擦除等软件操作是否方便。再次，要结合实际情况和处理器的功能，确定系统外

29、围设备。本系统是一个数字图像采集系统，根据实际的应用需要以下通信接口：1. RS-232串行接口目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。系统需要通过该串口下载程序，或者进行串行通信。2. 键盘和液晶屏键盘和液晶屏是常用的输入输出设备，结合各具特色的嵌入式应用软件，可以把嵌入式控制器的功能发挥更大，并且可以用于现场调试。3. JTAG接口JTAG(Joint Test Action Group，联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试。2.2 基于ARM的嵌入式处理

30、器EP73122.2.1 嵌入式处理器概述目前基于嵌入式操作系统应用开发的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，现有的嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种，流行体系结构有三十几个系列。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从64KB到l632MB，处理速度从0.1MIPS到2000MIPS，常用封装从8个引脚到144- 7 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文个引脚。根据其现状，嵌入式处理器可以分成下面几类5。1. 嵌入式微处理器（Embedded Microprocessor Unit，EMPU）嵌入式微处理器的基础是通用计

31、算机中的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、电磁干扰、可靠性等方面一般做了各种增强。和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，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。如STDBUS、PC104等。近年来，德国、日本的一些公司又开发出了类似

32、“火柴盒”式名片大小的嵌入式计算机系列OEM产品。嵌入式处理器目前主要有Aml86/88、386EX、SC400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等。2. 嵌入式微控制器（Microcontroller Unit，MCU）嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，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一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、Watchdog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash、RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍

33、生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，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，功能不多不少，从而减少功耗和成本。和嵌入式微处理器相比，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、可靠性提高。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，因此称为微控制器。嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8051、P5lXA、MCS251、MCS96/196/296/、MC68HC05/11/12/16、68300、MPCSXX等。另外还有许多半通用系列如：支持USB接口的MCU 8

34、XC930/931、C540、C541；支持I2C、CANBus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系统约70的市场份额。特别值得注意的- 8 -第2章 系统分析与系统总体设计是近年来提供X86微处理器的著名厂商AMD公司，将Aml86CC/CH/CU等嵌入式处理器称之为Microcontroller，MOTOROLA公司把以Power PC为基础的 PPC505和PPC555亦列入单片机行列。TI公司亦将其TMS320CZXXX系列DSP作为MCU进行推广。3. 嵌入式DSP处理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP） DSP处理器

35、对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器有两个发展来源，一是DSP处理器经过单片化、EMC改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理器，TI的TMS320C2000/C5000等属于此范畴；二是在通用单片机或SOC中增加DSP协处理器，例如Intel的MCS296和Siemens的TriCore。推动嵌入式DSP处理器发展的另一个因素是嵌入式系统的智能化，例如各种带有智能逻辑的消费

36、类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘，ADSL接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是DSP处理器的长处所在。嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是Texas Instruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。另外PHILIPS公司

37、今年也推出了基于可重置度DSP结构低成本、低功耗技术上制造的R.E.A.L DSP处理器，特点是具备双Harvard结构和双乘/累加单元，应用目标是大批量消费类产品。4. 嵌入式片上系统（System On Chip）随着EDI的推广和VLSI设计的普及化，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来临，这就是System On Chip（SOC）。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂

38、制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，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- 9 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。SOC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Siemens的TriCore，Motorola的MCore，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。专用SOC一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。一个有代表性的产品是Philips的Smart XA，它将XA单片机内核和支持超过2048位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可加载JAVA或

39、C语言的专用的SOC，可用于公众互联网如Internet安全方面。2.2.2 ARM处理器结构分析2.2.2.1 ARM处理器系列ARM(Advanced RISC Machines)处理器本身是32位设计，但也配备了16位指令集，以允许软件编码为了更短的16位指令。与等价的32位代码相比，占用的存储空间节省高达35，然而保留了32位系统所有的优势(例如，访问一个全32位地址空间)。Thumb状态与正常的ARM状态之间的切换是零开销的。在CPU功能上，DSP指令集提供了增强的16位和32位算术运算能力，提高了性能和灵活性。ARM还提供了两个前沿特性：嵌入式ICE-RT逻辑和嵌入式跟踪宏核系列，

40、用以辅助带深嵌入式处理器核的、高集成的SOC器件的调试。多年来，嵌入式ICE-RT一直是ARM处理器重要的集成调试特性。实际上他们己经做进所有的ARM处理器，允许代码在任何地方一甚至在ROM中设置断点。ARM业界领先的跟踪解决方案一嵌入式跟踪宏单元(ETM，Emvedded Trace Macrocell)，被设计成驻留在ARM处理器上，用以监控内部的总线，并能以核速度无妨碍地跟踪指令和数据访问，具有强大的软件可配置过滤和触发逻辑，以允许开发者精确地选择让ETM捕获哪条指令和数据，然后将信息压缩，通过分布，可配置的跟踪器和FIFO缓冲器从芯片中输出。ARM处理器当前有5个产品系列：ARM7、A

41、RM9、ARM9E、ARM10和SecurCore，还有一些和第三方合作的产品(如Strong ARM)。ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10是四个通用的处理器系列。每个系列提供一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能和体积的需求58-13。ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10产品系列提供了一系列处理器可供选择，为特定目的而设计，包括：- 10 -第2章 系统分析与系统总体设计 用于低价位应用的整形核；用于Windows CE操作系统的、带集成存储器管理单元(MMU，Memory Management Unit)的核；最适合运行实时嵌入式操作系统(RTOS)的核。目前用的最多的ARM

42、处理器都是基于ARM7核的，下面重点介绍ARM7系列。ARM7系列为低功耗32位核，最适用于对价位和功耗敏感的消费类应用。ARM7系列具有下列特性：1) 嵌入式ICERT逻辑；2) 非常低的功耗；3) 能提供0.9MIPS/MHz的三级流水线和冯诺曼结构。ARM主要应用领域为：因特网设备、网络和调制解调设备以及移动电话等多媒体和嵌入式应用。1. ARM7TDMIARM7TDMI是世界上广泛使用的32位嵌入式RISC处理器。它是目前用于低端的ARM处理器核，且应用范围很广。 ARM7TDMI名字原义如下：ARM7： AM6 32位整形核的3V兼容版本； T：16位压缩指令集； D：在片上调试(d

43、ebug)支持，允许处理器响应调试请求暂停；M：增强型乘法器(multiplier)，与以前处理器相比性能更高，产生全64位运算结果；I：嵌入式ICE硬件提供片上断点和调试点支持 2. ARM7TDMI-SARM7TDMI的可综合(synthesizable)版本(软核) 最适用于可移植性和灵活性为关键的现代设计 3. ARM720T 全性能的MMU 最适用于低功耗和体积为关键的应用 4. ARM7EJARM7EJ是Jazelle和DSP指令集的最小和最低功耗的实现2.2.2.2 ARM处理器结构ARM处理器实现加载/存储(Load/Store)体系结构是典型的RISC处理- 11 -哈尔滨工

44、业大学工学硕士学位论文器，只有加载和存储指令可以访问存储器。数据处理指令只对寄存器的内容进行操作。1) RISC特点如下：指令规整、对称、简单。指令小于100条，基本寻址方式有2-3种 单周期指令¨D¨D指令长度一致，单拍完成，便于流水操作；¨D¨DARM7 三级流水线：取指、译码、执行；¨D¨DARM9 五级流水线； ¨D¨DARM10 六级流水线；大量的寄存器，寄存器不少于32个，数据处理器的指令只对寄存器的内容操作，只有加载和存储指令才可以访问寄存器。2) ARM和ThumbARM处理器有两类指令集，ARM指

45、令集和Thumb指令集。ARM体系结构v4T及以上版本定义了称为Thumb指令集的16位指令集。Thumb指令集的功能是32位ARM指令集的功能子集。Thumb在性能和代码大小之间提供了出色的折中。正在执行Thumb指令集的处理器必须工作在Thumb状态下。正在执行ARM指令集的处理器也必须工作在ARM状态下。在ARM状态下的处理器不能执行Thumb指令，在Thumb状态下的处理器也不执行ARM指令。但是ARM处理器状态和Thumb处理器状态可以相互切换，必须确保处理器不接受对当前状态来说为错误指令集的指令。所有ARM指令是32位长度。指令以字对准保存，这样ARM状态指令地址的最低2位总是零。

46、一些指令使用最低有效位判定代码是转向 Thumb代码还是ARM代码。所有的Thumb指令是16位长度，在存储器中半字对准保存。因此，指令的最低有效位在Thumb状态下总是零。对于所有的Thumb数据处理指令有：操作寄存器中全部为32位值今数据访问和取指使用全32位地址Thumb是32位体系结构的扩充。Thumb指令集是大多数常用的32位ARM指令集的子集，压缩成16位宽操作码。在执行时，16位指令透明地实时的解压缩成32位的ARM指令集，且没有性能损失。设计者可以灵活使用16位Thumb和32位ARM指令集。在子程序级- 12 -第2章 系统分析与系统总体设计可根据应用需求，灵活地强调性能和代码大小。Thumb指令集比通常的