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1、基于ARM嵌入式处理器的数字视频监控系统的设计 来源:机电论文 | 类别:技术 | 时间:2009-3-20 10:42:14 字体:大 中 小 引言 图像与视频监控系统是应用计算机与通信技术实现对目标地区信息监控的系统,常应用于交通、能源、公安、电信、军事等部门。 随着图像与视频监控系统的应用领域不断扩大,远程图像与视频监控系统应运而生,它满足了远距离监控的要求。数字视频监控系统是以计算机或嵌入式系统为中心、视频处理技术为基础,是符合图像数据压缩的国际标准。综合利用图像传感器、计算机网络、自动控制和人工智能等技术的一种新型监控系统。由于数字视频监控系统对视频图像进行了数字化,所以与传统的模拟

2、监控系统相比,数字监控具有许多优点。数字化的视频系统可以充分利用计算机的快速处理能力,对其进行压缩、分析、存储和显示。 数字化视频处理技术提高了图像的质量与监控效率,使系统易于管理和维护。整个系统是模块化结构,体积小,易于安装、使用和维护。正是由于数字视频监控技术具有传统模拟监控技术无法比拟的优点,而且符合当前信息社会中数字化、网络化和智能化的发展趋势,所以数字视频监控技术正在逐步取代模拟监控技术,广泛应用于各行各业。嵌入式系统以体积小、实时性强、性价比高、稳定性好等特点在社会的各个领域中得到了广泛应用。基于ARM嵌入式的数字化远程监控是基于现代通信技术的一种新应用。本设计是一种嵌入式系统,以

3、 ARM硬件平台为核心实现了对现场的实时监控,并通过无线网络把视频图像传输到主机端,以实现分析、存储和显示等功能,与传统的模拟监控系统相比:它的组网成本大大降低,系统体积重量大大减小,运行维护更容易。 1 监控系统方案介绍 远程监控系统的网络结构设计直接影响到系统的性能,目前监控系统网络的实现大致有三种方案。分别介绍如下: (1)采用代理服务器的方法 代理服务器一般由PC来充当,一方面运行TCP/IP协议实现Internet接入功能,另一方面通过简单总线结构(RS232、RS485等)与嵌入式系统相连接。如图1所以。系统中只需要有一部分与代理服务器通信的代码即可。其优点是可以很方便地解决设备上

4、网的问题,开发难度低;缺点是接入成本比较高,不利于大规模推广。该方案比较适合大型或较昂贵工业设备的上网需求,不适合用于低价格的设备。 (2)通过直接在嵌入式处理器上实现TCP/IP协议来实现Internet接入功能这种方案没有使用操作系统,大大节省了资源,但是对处理器的性能要求较高,同时增加了开发的难度,技术实现上也比较困难。如图2所示。 (3)采用一个基于ARM Linux 的网络监控系统 这种方案和第二种方案类似,但是它只用嵌入式ARM Linux 操作系统,在操作系统上运行TCP/IP 协议。目前大多数嵌入式操作系统都带有TCP/IP协议栈,这降低了开发的难度,实现起来比较灵活。由于嵌入

5、式操作系统的运行需要占用相当的处理器资源和存储器空间,对硬件配置也有较高的要求。采用第三种方案,可以节省开发时间、缩短开发周期。监控系统一般都还要在控制现场配置一台工控机或高性能微机做服务器,用来存储中间数据,处理实时性要求较高的事件,响应监控终端的监控请求。 2 监控系统硬件设计 采用基于ARM嵌入式的网络监控系统,它采用TCP/IP网络协议标准,系统组网简单,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额外程序,通过WEB浏览器就能对设备进行检测,而且应用程序易于开发、实现信息的完整共享。在该系统中ARM负责程序控制和网络通信,图像和视频采集模块负责数据

6、获取和处理。当数据或命令数据传输过来后,ARM系统进行命令处理后,将命令数据传输或显示在LCD上,同时系统负责将处理的结果经过网络接口上传出去。系统接收到数据命令后,经过算法处理后,驱动D/A输出或根据A/D输入进行数据处理后,将结果传给ARM。系统具有以下几个基本功能:数据采集、数据分析和处理、程序控制、网络传输。 2.1 ARM视频监控平台 如图3所示为视频监控应用系统的开发平台。ARM的系统扩展槽和设备扩展槽,用于为ARM系统添加如以太网接口、海口数据存储接口和PCMCIA等接口,或者用于其他的功能开发板,为ARM系统扩展了CMOS图像获取功能和VGA显示功能。 其中,VGA接口是通过电

7、阻网络实现4096色彩色显示。与SRAM访问相关的寄存器有:SDRAM控制寄存器、读地址低16位、读地址高16位、读出数据寄存器、写地址低16位、写地址高16位、写入数据寄存器;与CMOS图像采集有关的寄存器有CMOS采集控制寄存器、CMOS采集状态寄存器;与VGA显示有关的寄存器是VGA显示控制寄存器。它具有以下特点: (1)实时性好,能满足数据采集和数据处理的实时性要求。 (2)性价比高,在满足要求的情况下,系统成本应尽量低。 (3)可控性好,能够实现远距离控制和数据传输。 2.2数据采集模块 视频源信号来自于一个高集成度的CMOS数字图像传感器模块MB86S20,它是富士通的产品。MB8

8、6S02不但集成了CMOS图像传感阵列、自动增益信号放大器、模数转换器,还包括了色彩信号处理和微型镜头,包含了图像采集的所有前端处理,可以直接输出数字信号。模块的系统框图如图4。 MB86S02是基于CMOS工艺,使用有源像素的传感器,与传统的CCD传感器相比有如下不同点。 (1)成像过程 ccd和cmos使用相同的光敏材料,因而受光后产生电子的基本原理相同,但是读取过程不同:ccd是在同步信号和时钟信号的配合下以帧或行的方式转移,整个电路非常复杂,读出速率慢;cmos 则以类似 dram的方式读出信号,电路简单,读出速率高。 (2)集成度 采用特殊技术的ccd读出电路比较复杂,很难将a/d转

9、换、信号处理、自动增益控制、精密放大和存储功能集成到一块芯片上,一般需要 38 个芯片组合实现,同时还需要一个多通道非标准供电电压。借助于大规模集成制造工艺,cmos图像传感器能非常容易地把上述功能集成到单一芯片上,多数cmos图像传感器同时具有模拟和数字输出信号。 (3)电源、功耗和体积 ccd需多种电源供电,功耗较大,体积也比较大。cmos只需一个单电源(3v5 v)供电,其功耗相当于ccd的1/10,高度集成cmos芯片可以做的相当小。 (4)性能指标 ccd技术已经相当成熟,而 cmos正处于蓬勃发展时期,虽然目前高端cmos图像质量暂时不如ccd,但有些指标(如传输速率等方面)已超过

10、ccd。由于cmos具有诸多优点,国内外许多机构已经应用cmos图像传感器开发出众多产品。本文主要介绍已商品化的cmos图像传感器的发展现状以及最新发展动态,希望对下游产品的开发有所帮助 CMOS技术的最大优点是每一个像素单元可以集成一个或多个晶体管,这样就具有了低功耗和小型化的优点,非常适用于手持设备,可以降低系统功耗、体积,提高电池效率;它的高度集成性大大简化了图像应用系统的设计。 MB86S02的主要特性如下: l/7英寸图像传感器,有效像素为352288共11万像素; 超低功耗30mW15fps; 输出8位CMOS电平并行数字信号,YCbCr422或YUV422格式; 色彩信号处理包括

11、:自动增益、自动曝光、自动白平衡、Gamma校正等; 寄存器设置通过标准I2C串行接口; 支持CIF(352288)QCIF(176144)格式; CCIR656标准头输出; 抗闪烁功能; 低功耗模式; 掉电模式功耗3w; 嵌入式处理器通过与MB86S02 CMOS图像模块的连接,读取图像数据后通过同步SRAM接口存储在外部高速SRAM中,然后还可以由UART模块或RTL8019模块把已经存储的图像数据发送到PC,最后PC上的接收程序将显示接收的图像。通过调试板上的按键可以选择采集图像、地址复位、串口发送、网口发送这几种功能。 3 监控系统软件设计 如图5所示是ARM主程序流程图。ARM处理器

12、获取图像信息,执行压缩程序,压缩后的文件通过公共电话线路传递到监控主机端。由于系统采用相同的图像分辨率和常量表,所以文件头都相同。为了减少传输数据量,不传送文件头,文件头在监控主机端由软件自动添加。 本系统还使用调制解调器通过公共电话网来简历远程数据连接,在远程图像监控终端处的调制解调器处于待命状态,它使用“ATS0=3&D0W&W1”命令设置为自动应答方式,在3次振铃后自动摘机,经历“数据风暴”以后与主叫方建立连接。监控中心的调制解调器由监控软件控制拨号建立连接或者挂断连接。 数据连接建立好后ARM会收到“CONNECT”字符串,表明通信线路连接成功,此时就可以像使用普通串口一样使用调制解调

13、器建立的远程数据连接。ARM接收到从监控中心发来的采集命令后,依次完成图像采集、压缩处理,然后通过串口以ASCII码形式直接发送图像数据到监控中心,完成一次操作后等待下一个采集命令。 在应用中需要从MODEM接收图像数据,并将它加上文件头以标准JPEG图像或MPEG视频格式存储于本地硬盘上。在对话框相应位置还要显示出刚接收的图像,这就需要相应的解码程序,可以不需要自己编写,Windows操作系统包含对JPEG或MPEG格式的支持。MsCOMM控件是Microsoft 通信控制器6.0,它包含在VC 6.0中。通过MsCOMM控件可以方便地访问PC的串行通信口。对MODEM的访问是通过串口实现的

14、,外置的MODEM通过真正的PC串口连接,内置的MODEM则通过一个虚拟串口来进行控制。 4 结束语 视频监控技术在政治、经济、军事、文化设施的安全防范中有着举足轻重的作用,随着多媒体和计算机网络技术的发展,视频监控系统经历了模拟监控和数字监控的发展阶段,目前已到了网络数字视频监控阶段。基于ARM处理器的低成本数字化远程图像监控系统,是一个高可靠性、高效率的用于嵌入式系统开发的软件、硬件工作平台,它使用集成数字化视频采集模块,直接获得数字化影像信号;图像压缩不使用专用的压缩芯片,而是在高速处理器内部由压缩软件实现;最后打包经由公共电话网发送。 本文着重从ARM嵌入式图像视频监控应用开发和流程给

15、出了解决方案,建立了低开发成本与方便易使用的嵌入式图像视频系统。使用ARM嵌入式处理器和Linux操作系统,开发出可实际应用的远程视频监控系统,适用于低分辨率、低成本、长距离的监控应用。它的特点和优点主要有: 构建了ARM嵌入式处理器开发平台,提出了嵌入式系统的低成本开发流程。 前端使用便宜的一体化高集成度数字化视频采集 模块,简化了系统前端的设计,大大降低了前端成本。 编写简单的嵌入式操作系统程序,动态加载应用程序,加快其执行速度。 信号处理使用由高速、高性能的ARM处理器构建的嵌入式系统,通过软件来实现图像压缩。 来源:机电之家机电行业电子商务平台!附录资料:不需要的可以自行删除ARM经典

16、40问答第1问:Q:请问在初始化CPU堆栈的时候一开始在执行mov r0, LR这句指令时处理器是什么模式A:复位后的模式,即管理模式。第2问: Q:请教:MOV中的8位图立即数,是怎么一回事 0 xF0000001是怎么来的 A:是循环右移,就是一个0255 之间的数左移或右移偶数位的来的,也就是这个数除以4一直除, 直到在0-255的范围内它是整数就说明是可以的! A:8位数(0-255)循环左移或循环右移偶数位得到的,F0000001既是0 x1F循环右移4位,符合规范,所以是正确的。这样做是因为指令长度的限制,不可能把32位立即数放在32位的指令中。移位偶数也是这个原因。可以看一看 H

17、YPERLINK t _blank arm体系结构(ADS自带的英文文档)的相关部分。第3问: Q:请教: HYPERLINK t _blank arm微控制器基础与实战2.2.1节关于第2个操作数的描述中有这么一段:#inmed_8r常数表达式。该常数必须对应8位位图,即常熟是由一个8位的常数循环移位偶数位得到。 合法常量:0 x3FC,0,0 xF0000000,200,0 xF0000001. 非法常量:0 x1FE,511,0 xFFFF,0 x1010,0 xF0000010. 常数表达式应用举例: LDR R0,R1,#-4 ;读取 R1 地址上的 HYPERLINK / t _b

18、lank 存储器单元内容,且 R1 = R1-4 针对这一段,我的疑问: 1. 即常数是由一个8位的常数循环移位偶数位得到,这句话如何理解 2. 该常数必须对应8位位图,既然是8位位图,那么取值为0-255,怎么0 x3FC这种超出255的数是合法常量呢 3. 所举例子中,合法常量和非法常量是怎么区分的 如0 x3FC合法,而0 x1FE却非法0 xF0000000,0 xF0000001都合法,而0 xF0000010又变成了非法 4. 对于汇编语句 LDR R0,R1,#-4,是先将R1的值减4结果存入R1,然后读取R1所指单元的 值到R0,还是先读取R1到R0,然后再将R1减4结果存入R

19、1 A:提示,任何常数都可用底数*2的n次幂 来表示。 1. HYPERLINK t _blank arm结构中,只有8bits用来表示底数,因此底数必须是8位位图。 2. 8位位图循环之后得到常数,并非只能是8位。 3. 0 xF0000010底数是9位,不能表示。 4. LDR R0, R1, #-4 是后索引,即先读,再减。 可以看一看 HYPERLINK t _blank arm体系结构对相关寻址方式的说明。第4问: Q:在程序移植的过程中,什么代码段处于什么样的模式,这可真是一个困扰人的大难题,有没有一种标志或办法能够识别代码段处于什么样的模式 A:读取 CPSR ,任何时候都是可以

20、读。第5问: Q:为什么保护现场时,总是保护 R0-R3,R12,为什么不保护R4-R11A:请看一看 HYPERLINK t _blank arm-thumb过程调用标准这个文档。第6问: Q:请问 mov R1,#0 x00003DD0 错误: out of the range of operation是怎么回事情 我就是想IODIR=0 x00003dd0,汇编就是 LDR R0,=IODIR MOV R1,#0 x00003dd0 STR R1,R0 编译时候说是超出操作范围 A:使用ldr,mov的操作数为8位位图数。第7问: Q:在 HYPERLINK t _blank arm7T

21、DMI(-S)处理器内部有37个用户可见的寄存器: 问题:用户可见应该怎样理解 这37个寄存器是否是37个不同的物理寄存器, 例如R8与R8_fiq应该是两个不同的物理寄存器吧 A:用户可见是指用户可以通过程序操作的。R8与R8_fiq是两个不同的寄存器。第8问: Q: USR模式,SVC模式,IRQ模式分别有哪些限制 A:对于外设操作限制与芯片设计有关。USR模式不能设置CPSR寄存器。 用户模式下无SPSR寄存器,代码可以为 HYPERLINK t _blank arm,Thumb.第9问: Q:请问在初始化堆栈时就决定了工作模式是什么意思 如何决定工作模式的 A:设置CPSR寄存器。第1

22、0问: Q:请问: HYPERLINK t _blank arm汇编程序设计中所谓的文字池作何理解 A:可以理解为常量数组,文字池中保存的是常量,这些常量可以是正常的常量,也可以是地址。第11问: Q:为什么在中断向量表中不直接LDR PC,异常地址.而是使用一个标号,然有再在后面使用DCD定义这个标号 A:因为LDR指令只能跳到当前PC 4kB范围内,而B指令能跳转到32MB范围,而现在这样在LDR PC, xxxx这条指令不远处用xxxxDCD定义一个字,而这个字里面存放最终异常服务程序的地址,这样可以实现4GB全范围跳转。 Q: LDR 不是可以全空间跳转的吗 HYPERLINK t _

23、blank arm微控制器基础与实战程序清单5.3. A: LDR伪指令通过设置指令缓冲池才能实现全范围跳转,而LDR指令则只能实现4KB范围跳转。第12问: Q: ARM7TDMI-S和 HYPERLINK t _blank arm7TDMI有何区别 A: ARM7TDMI-S是ARM7TDMI的可综合(synthesizable)版本(软核)。 对应用工程师来说,除非芯片生产厂商对ARM7TDMI-S进行了裁减,否则ARM7TDMI-S与ARM7TDMI没有太大的区别,其编程模型与 HYPERLINK t _blank arm7TDMI一致。第13问: Q: DCD伪指令的疑惑。 Stac

24、kUsr DCD UsrStackSpace + (USR_STACK_LEGTH - 1) * 4 这句话是什么意思 DCD后面的程序标号或数字表达式是何意 A:它的内容是初始化递减堆栈的最高地址,看 HYPERLINK t _blank arm微控制器基础与实战2.3.2节。 第2章 编译器与语言第14问: Q:00254: Unimplemented RDI message是什么错误提示 我的设置连接都正常,是不是芯片烧了 A:是JTAG的问题。可以先使用ISP操作试试就知道了,如果能ISP,说明LPC2104没有损坏,还能正常运行程序。第15问: Q:请教:我在调试程序的时候在AXD中

25、出现这样的提示信息: RDI Warning 00159:could not open specified device port. 我是根据配套教程的步骤设置的。 A:请按照光盘easy HYPERLINK t _blank arm_drivereadme.txt安装驱动程序。第16问: Q:我用实验程序运行经常出现下列信息! 程序不能 HYPERLINK / t _blank 下载到目标板。 Warnning! interrupt vectors data is not correct! Program you downloaded can not run freely! A:1.仿真器配

26、置一定要正确,即Easy HYPERLINK t _blank arm Configuration设置窗口中的FLASH项中选择Erase Flash when need; 2.向量表累加和要为0; 3.可以先在RAM调试一个程序(运行),然后STOP,再使用File-Load Image加载要 HYPERLINK / t _blank 下载到FLASH的调试文件。第17问: Q:在ADS中是否可以进行软件调试基于UCOS-II的程序 A:ADS软件调试只能调试 HYPERLINK t _blank arm的内核,不能调试外设。但是取消 PLL 锁定检测后,可以调试任务切换,最终到空闲任务上。

27、开始移植时软件仿真是最好的工具。第18问: Q: HYPERLINK t _blank armulate软件是干什么的 2104不是用EasyJTAG.dll来仿真吗 A:软件仿真只能仿真 HYPERLINK t _blank arm 核。第19问: Q:有关LPC2106.INC的问题。我无法在project引用lpc2106.inc文件,只能引用lpc2106.h文件, 这是什么原因 且当我的主程序用汇编编写时,不能引用lpc2106.h,用lpc2106.inc则无法加入project,请问汇编器应如何设置 A:不用加2106.inc只要该文件在你的工程文件夹中,就可以直接在汇编程序的开

28、始处加 include 2106.inc. 注意:该文件是汇编文件定义的头文件,定义内部寄存器。第20问: Q:入口点是什么意思 我在使用LPC2106上移植UCOS-II,每次MAKE时总是提示我 Image does not have an entry point,可是我是把光盘的vetctors.s 复制过来的,而且仔细看了看,已经声明了ENTERY,这是怎么回事A:需要在ADS中设置入口。第21问: Q:请教:如何定义不被初始化变量 A:让编译器不知道有这个内存地址即可。 A:如用分散加载文件分配RAM故意预留一部分RAM不分配,用它来存您不需要初始化的东西。或者不调用编译器提供的启动

29、代码,不过这样可能编程会麻烦一些。第22问: Q:我直接通过JTAG口 HYPERLINK / t _blank 下载EasyArm板带的Ext1_test程序到 HYPERLINK t _blank arm中,出现中断向量的告警: interrupt vector is not correct HYPERLINK t _blank arm is not running freely. 果然复位后芯片不能运行。但是我用串口 HYPERLINK / t _blank 下载后芯片能正常工作,中断也行的。 并且我用JTAG仿真的话,芯片能正常工作,中断也行的,唯独JTAG口 HYPERLINK /

30、t _blank 下载不行。 不知道是什么原因 A:仿真器配置中要设置Erase Flash when need.也可以这样试试: 1.可以先打开一个工程在RAM中调试运行; 2.stop程序; 3.使用File-Load Image重新加载Ext1_test生成的*.axf文件。 Q:仿真器配置中我是设置了Erase Flash when need,但照你说的话,那不是在RAM下调试吗 在RAM下调试我是可以的,但是下载后出现interrupt vector data is not correct. 我又看了几篇文章,是不是跟中断向量表的累加和不为零有关系啊 A:是的,是向量表的累加和不为零

31、。 因为如果用ISP下载能运行,说明向量表的累加和已为零,而用JTAG下载不能运行的情况可能是 没有正常下载代码。先在RAM中调试,目的是为了后面正确下载程序到FLASH.第23问: Q:用Scatter怎样将某个函数或文件定位在Flash的某个位置 第24问: Q:我在仿真时遇到这样的提示: Error, Flash is protected by user configation! 怎么写到flash里面呢 A:看配套 HYPERLINK t _blank arm微控制器基础与实战附录一。第25问: Q:我在移植实验中想到了两个问题,如下: 1.Debug和Release以及DebugRe

32、l有什么不同,为什么在作2104移植实验时,要用Release 2.在Release中为什么要将RW Base设置为0 x40000040 我将其设置为0 x40003000, 为什么不能工作 A:都只是一个问题,内存空间的使用,因为跑OS要比较大的内存空间,所以要腾出点地方。第26问: Q:请问没有MMU的 HYPERLINK t _blank arm芯片是否支持使用malloc()函数动态分配内存 A:是否支持malloc()函数与芯片没有多大关系,主要与编译器有关。 Q:再问:如果没有操作系统支持呢 A:也支持。第27问: Q:在I2C实验程序中,我想查看数据缓冲区DataBuf的值,怎

33、么查看 A:watch窗口或鼠标停留在要查看的变量名上。 Q:我查询的是写入DataBuf缓冲区的值,鼠标在上面根本就不会出现他的值,即使在watch中加入, 结果也是name not found. A:变量被优化,调试时可以把该变量定义为全局变量查看。第28问: Q:仿真软件和2104开发板连接不上 DBE Warning 00041: !An unspecified Debug Toolbox call failed 电源和开发板都连好,错误和没接开发板一样,驱动也安装了,安装时按确定键时,软件很长时间才有如上反应,请帮忙 A:1.并口是否正常 2.在其它操作系统(如98)下或其它台式PC

34、下试试。第29问: Q:如何生成32位hex文件 我在Release Setting- HYPERLINK t _blank arm fromELF-Output Format中设置为Intel 32bit HEX,可是好像没有生成hex文件 A:试试这种方法: Target-Target Setting- ost Link中选择 HYPERLINK t _blank arm fromELF加上你上面设的应该不成问题。第30问: Q:请问关于settings中r0 base rw base的意思 A:ro:read only,rw:read and write.第31问: Q:编译成功后的信息

35、第一行,code,R0 data,RW data,ZI data,debug分别代表什么 A:R0 只读段,即程序代码空间; RW 可读/写段,即数据变量空间; ZI 清零变量段,即需要清零初始化的数据变量空间。第32问: Q:如何在ADS里面看任务执行的一些情况 比如堆栈。 A:多任务环境下的堆栈,内存等信息需要调试软件的支持才可以实现。 ucos下有一个统计功能的模块可以间接实现部分功能。第33问: Q:请问向flash烧数据时出现:exceeds flash limitation 请予赐教! A:要写入的flash地址超过了范围。如果不是代码太大的问题,可以检查scf文件是否正确。第34

36、问: Q:在LPC2214之类的芯片中如何实现数组的绝对地址定位,比如51的_at_的用法。 A:*(char*)0 x40000300)类似访问 Q:谢谢,但这样做就无须定义数组变量,访问也不便,还有高招吗 A:可以使用分散加载。第35问: Q:请问 ADS编译错误L6221E:Execution region ER_RO overlays with Execution region ER_ZI 该如何解决 A:请用我们网站上的工程模板试一试,最大的可能是因为你的RELEASE或者DEBUG选项里面没有正确设置,按照参考 HYPERLINK t _blank arm微控制器基础与实战上面的设置,是不会有这个问题的。第36问: Q:请教一下:将程序写入flash,再用从JTAG方式调试写入之后再复位程序没什么反映。 看了很多以前的帖子,说memmap寄存器要为1,我用的是一个很简单的控制led的例子,改动了参数之后写入flash的。在这个程序的vectors中找不到关于memmap寄存器操作的部分啊,这是怎么回事,该怎么办呢 A: HYPERLINK t _blank arm微控制器基础与实战上附录有常见问题,列举了几点程序写到FLASH不能运行的原因。 memmap操作可以在target.c中的TargetResetInit()函数内添加。第37问: Q:

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