最新版基于ARM的智能控制最小系统 机电专业毕业设计Word文档格式.docx

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ARM微处理器将以其极好的性能和极低的功耗与高端的MIPS和PowerPC嵌入式微处理器抗衡。

可以预见，在将来一段时间内，ARM微处理器仍将主宰32位嵌入式微处理器市场。

因此学习和掌握ARM微处理器技术是非常必要的，而设计ARM微处理器最小系统是非常有意义的。

本文就基于ARM的智能控制最小系统进行了设计。

此次设计选用的芯片是LPC2378，利用ARM新能高、能耗省、资源丰富具有较强的事务管理功能等特点，进行了就最小系统的硬件和软件的构建。

硬件方面就最小系统方面进行了电源模块，复位电路模块，JTAG电路模块，存储器模块，时钟电路模块进行了设计，此外就键盘和显示屏进行了补充设计。

软件方面主要介绍了uCOS-II。

本文简单的介绍了uCOS-II的概述和内核分析。

同时移植了uCOS-II作为系统的软件平台，编写了启动与移植相关代码。

uCOS-II作为开源的嵌入式实时操作系统，拥有极为精简的内核和出色的实时性与可靠性，作为控制单元的操作系统平台对任务进行管理与调度，从软件上保证了系统的稳定性与可靠性。

关键词：

ARM微处理器；

LPC2378；

最小系统；

嵌入式系统；

uCOS-II

Abstract

Withthedevelopmentofcomputertechnology,theembeddedsystemthegeneralprocessor,wecanfindtheminelectronicequipmentalmostallaroundus,theapplicationoftheembeddeddevelopmentembeddedapplication,ARMmicroprocessoriswelcomedbymanufacturers.WithitsexcellentperformanceandlowconsumptiontheARMmicroprocessoriscontendwiththeforeseeablefuture,inaperiodoftime,theARMmicroprocessorwillstilldominate32bitsembeddedmicroprocessorsmarket.SostudyandgrasptheARMmicroprocessortechnologyisverynecessaryanddesignminimumARMmicroprocessorsystemisverysignificant.

ThispaperisdesignedtheminimuminligentcontrolsystembasedontheARM.ThedesignofthechipistheARMLPC2378,which,newcanprovinces,richresourcescharacteristics,wedesignedthesmallestsystem.

TheHardwaredesignincludesthepowermodule,theresetcircuitmodule,theJTAGcircuitmodule,thememorymodule,theclockcircuitmodule,andaddsthekeyboardandscreendesign.

SoftwaremainlyintroducedtheuCOS-II.ThispapersimplyintroducesthesummaryofuCOS-IIandanalysisofthekernel.WhileintroducesthetransplantingofuCOS-IIasthesystemsoftwareplatform,writeastartupandtransplantationcode.UCOS-IIasasourceofembeddedreal-timeoperatingsystem,andextremelyconcisekernelandoutstandingperformanceandreliability,asthecontrolunitofoperatingsystemplatformandoperationmanagementoftasks,itassuredthesystemstabilityandreliability.

Keywords:

ARMmicroprocessor;

LPC2378;

Minimalsystems;

Embeddedsystem;

uCOS–II

1.2.5MIPS4

1.3ARM的特点5

第二章嵌入式系统7

2.1嵌入式系统的定义、特点及组成7

2.1.1嵌入式系统的定义7

2.1.2嵌入式系统的特点7

2.2嵌入式操作系统的种类9

2.3嵌入式操作系统及应用10

2.3.1嵌入式操作系统10

2.3.2嵌入式系统应用11

2.4嵌入式系统的发展趋势11

第三章最小系统的硬件设计13

3.1最小系统结构及框图13

3.4.2片内静态RAM16

4.3.2uCOS-II的移植内容31

第五章总结与展望38

参考文献40

致谢42

附录43

第一章绪论

1.1课题研究的背景

当今社会，嵌入式系统高端发展迅速，ARM最小系统的研究对于高端技术的发展有着重要的意义。

开发提高ARM最小系统显得尤为重要。

它的性能好坏关系到高端开发的很多性能。

所以，做好最小系统的研究是对于ARM学习的第一步也是最重要的一步。

ARM主要是ARM公司自1990年正式成立以来，在32位RISC（ReducedInstructionSetComputer）CPU开发领域不断取得突破，其结构已经从V3发展到V6。

由于ARM公司自成立以来，直以IP（InligenceProperty）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，加上其设计的芯核具有功耗低、成本低等显著优点，因此获得众多的半导体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75%以上32位RISC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。

ARM的最小系统的研究现在还处在研究改进阶段。

为了更好的为高端系统提供好的运作平台和良好性能功底，ARM最小系统还在更进一步的完善中。

ARM的各个型号也都在不断的完善，力求做到最好。

ARM芯片的种类以及开发研究也得到越来越多人的关注。

目前非常流行的有ARM7TDMI，StrongARM，ARM720T，ARM9TDMI，ARM922T，ARM940T，RM946T，ARM966T，ARM10TDMI等。

此外，ARM芯片还获得了许多实时操作系统（RealTimeOperatingSystem）供应商的支持，比较知名的有：

WindowsCE、Linux、pSOS、VxWorks、Nucleus、EPOC、uCOS、BeOS等。

现在设计、生产ARM芯片的国际大公司已经超过50多家，我国中兴通讯和华为通讯等公司已经购买ARM公司芯核用于通讯专用芯片的设计[1]。

1.2目前主流的微处理器的简介

1.2.1单片机

（1）51系列单片机

公司的AT89C51、AT89S52则更实用。

ATMEL公司的51系列还有AT89C2051、AT89C1051等品种，这些芯片是在AT89C51的基础上将一些功能精简掉后形成的精简版。

而市场上目前供货比较足的芯片还要算ATMEL的51、52芯片，HYUNDAI的GMS97系列，WINBOND的78e52，78e58，77e58等。

（2）PIC系列单片机

在全球都可以看到PIC单片机从电脑的外设、家电控制、电讯通信、智能仪器、汽车电子到金融电子各个领域的广泛应用。

PIC系列单片机又分：

基本级系列，如PIC16C5X，适用于各种对成本要求严格的家电产品选用；

中级系列，如PIC12C6XX，该级产品其性能很高，如内部带有AD变换器、E2PROM数据存储器、比较器输出、PWM输出、I2C和SPI等接口；

PIC中级系列产品适用于各种高、中和低档的电子产品的设计中的高级系列，如PIC17CXX具有丰富的IO控制功能，并可外接扩展EPROM和RAM，适用于高、中档的电子设备中使用。

（3）AVR系列单片机

AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC（ReducedInstructionSetCPU）精简指令集高速8位单片机。

AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域[2]。

1.2.2CPLDFPGA

CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）复杂可编程逻辑器件，是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。

是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。

其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。

许多公司如今都开发出了CPLD可编程逻辑器件。

比较典型的就是Altera、Lattice、Xilinx世界三大权威公司的产品，这里给出常用芯片：

AlteraEPM7128S（PLCC84）、LatticeLC4128V（TQFP100）、XilinxXC95108（PLCC84）[3]。

FPGA是英文Field－ProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

目前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等[4]。

1.2.3DSP

DSP（digitalsignalprocessor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。

其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。

它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。

它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。

目前主流的DSP芯片主要有TI公司的TI2000系列、TI5000系列、TI6000系列以及ADI公司的ADIDSP系列[5]。

1.2.4ARM

ARM即AdvancedRISCMachines的缩写是对一类微处理器的通称。

ARM同时还是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。

技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。

适用于多种领域，比如嵌入控制、消费教育类多媒体、DSP和移动式应用等[6]。

目前ARM的主流分以下几类：

ARM7TDMI应用于GameBoyAdvance，NintendoDS，iPod；

ARM9TDMIArmadillo，GP32，GP2X，TapwaveZodiac（Motorolai.MX1）；

ARM9ENintendoDS，NokiaN-GageConexant802.11chips；

STMicroSTR91xF，ARM11NokiaN93，Zune，NokiaN800，NOKIAE72CortexTexasInstrumentsOMAP3；

Broadcomisauser；

LuminaryMicro[3]微控制器家族。

1.2.5MIPS

MIPS是世界上很流行的一种RISC处理器。

MIPS的意思是“无内部互锁流水级的微处理器”（Microprocessorwithoutinterlockedpipedstages），其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。

MIPS最早是在80年代初期由斯坦福大学Hennessy教授领导的研究小组研制出来的。

MIPS公司的R系列就是在此基础上开发的RISC工业产品的微处理器。

这些系列产品为很多计算机公司采用构成各种工作站和计算机系统。

2000年，MIPS公司发布了针对MIPS324Kc的版本以及64位MIPS6420Kc处理器内核。

MIPS324KcT处理器是采用MIPS技术特定为片上系统（System-On-a-Chip）而设计的高性能、低电压32位MIPSRISC内核。

MIPS6420Kc的浮点能力强，可以组成不同的系统，从一个处理器的Octane工作站到64个处理器的Origin2000服务器；

这种CPU更适合图形工作站使用。

MIPS最新的R12000芯片已经在SGI的服务器中得到应用，目前其主频最大可达400MHz。

1.2.6PPC

PowerPC是一种精简指令集（RISC）架构的中央处理器（CPU），其基本的设计源自IBM（国际商用机器公司）的POWER（PerformanceOptimizedWithEnhanced）RISC；

《IBMConnect电子报》2007年8月号译为“增强RISC性能优化”架构。

二十世纪九十年代，IBM（国际商用机器公司）、Apple（苹果公司）和Motorola（摩托罗拉）公司开发PowerPC芯片成功，并制造出基于PowerPC的多处理器计算机。

PowerPC架构的特点是可伸缩性好、方便灵活。

PowerPC处理器有非常强的嵌入式表现，因为它具有优异的性能、较低的能量损耗以及较低的散热量。

除了象串行和以太网控制器那样的集成IO，该嵌入式处理器与“台式机”CPU存在非常显著的区别。

例如，4xx系列PowerPC处理器缺乏浮点运算，并且还使用一个受软件控制的TLB进行内存管理，而不是象台式机芯片中那样采用反转页表[7]。

1.3ARM的特点

ARM公司于1990年11月在英国剑桥成立，是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司。

作为嵌入式RISC处理器的知识产权IP供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，在处理器核的基础上进行再设计，嵌入各种外围和处理部件，从而形成自己的ARM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ARM公司的授权，如ATMEL、Philips、In、Sansung、Sharp等，因此既使得ARM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。

ARM处理器的三大特点是：

耗电少功能强、16位32位双指令集和众多合作伙伴。

ARM商品模式的强大之处在于它在世界范围有超过100个的合作伙伴。

ARM是设计公司，本身不生产芯片。

采用转让许可证制度，由合作伙伴生产芯片。

当前ARM体系结构的扩充包括：

Thumb16位指令集，为了改善代码密度；

DSPDSP应用的算术运算指令集；

Jazeller允许直接执行Java字节码。

ARM处理器系列提供的解决方案有：

无线、消费类电子和图像应用的开放平台；

存储、自动化、工业和网络应用的嵌入式实时系统；

智能卡和SIM卡的安全应用。

ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。

一般来讲存储器比等价32位代码节省达35％，然而保留了32位系统的所有优势[8]。

1.4研究的意义

ARM（AdvancedRISCMachines）是基于RSIC架构数据宽为32位可嵌入操作系统的微处理器。

该微处理器以其低功耗、高性能和低成本等优势广泛应用于工业控制、PDA、移动通信、路由器等领域。

利用ARM新能高、能耗省、资源丰富具有较强的事务管理功能等特点，设计应用于智能控制系统的ARM最小系统模块进行系统通信、后台管理、界面显示、等功能，可以运行操作系统等应用程序。

随着嵌入式相关技术的迅速发展，嵌入式系统的功能越来越强大，应用接口更加丰富，根据实际应用的需要设计出特定的嵌入式最小系统和应用系统，是嵌入式系统设计的关键。

第二章嵌入式系统

嵌入式系统是不同于常见计算机系统的一种计算机系统，它不以独立设备的物理形态出现，即它没有一个统一的外观，它的部件根据主体设备以及应用的需要嵌入在设备的内部，发挥着运算、处理、存储以及控制的作用。

从体系结构上看，嵌入式系统主要由嵌入式处理器、支撑硬件和嵌入式软件组成。

其中嵌入式处理器通常是单片机或微处理器；

支撑硬件主要包括存储介质、通信部件和显示部件等；

嵌入式软件则包括支撑硬件的驱动程序、操作系统、支撑软件以及应用中间件等[9]。

2.1嵌入式系统的定义、特点及组成

2.1.1嵌入式系统的定义

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件均可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。

高实时性使嵌入式系统的基本要求，其次，还要求代码尽可能的小，运行速度尽可能的快，可靠性尽可能高。

嵌入式系统试将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合的产物。

它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。

嵌入式系统的硬件是嵌入式系统软件环境运行的基础，它提供了嵌入式系统软件运行的物理平台和通信接口；

嵌入式操作系统和嵌入式软件则是整个系统的控制核心，控制整个系统的运行，提供人机交互的信息等。

整个嵌入式系统所应用的软硬件技术统称为嵌入式技术[1]。

2.1.2嵌入式系统的特点

嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。

概括起来，嵌入式系统有以下几个特点。

（1）嵌入式系统无所不在

嵌入式技术广泛应用于自动控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事、消费等各个领域。

嵌入式系统几乎存在于我们周围各种电器设备中，在数量上远远超过了各种通用计算机。

（2）嵌入式系统是完成专用功能的最小系统

嵌入式系统不仅和通常PC机上的应用系统不同，就是针对不同的具体应用而设计的嵌入式系统之间差别也很大。

嵌入式系统一般功能单一，用来完成某种具体应用，在兼容性方面要求不高；

但在功耗、成本、体积方面限制较多，要求硬件、软件都要发挥最高效率，可靠性高，力争以最小系统达到最高性能。

（3）嵌入式系统对软件的要求

由于嵌入式产品要求体积小、成本低，一般不具有硬盘等大容量存储设备，嵌入式系统软件一般固化在容量较小的Flash存储器中。

这就要求软件代码具有较高的质量和可靠性，有的系统还要求软件具有实时处理能力。

（4）嵌入式系统的开发环境和开发工具

由于嵌入式系统自身没有足够的资源，不具备自主开发能力，所以一般嵌入式系统的开发模式是作为目标机的嵌入式系统与作为宿主机的主机相连接，构成交叉开发环境。

另外，还需要编译器、链接器等作为开发工具[10]。

2.1.3嵌入式系统的组成

既然嵌入式系统也是计算机系统，那么必须有硬件系统和软件系统组成。

其硬件不可避免地必须有三大部分组成，那就是中央处理器（CPU）、存储器以及输入输出手段。

它要求软硬件结合，并融为一体而成为产品。

芯片加软件就成为产品但要有相应的开发工具辅助进行开发。

嵌入式系统是面向应用、面向产品的（与桌面计算机PC不同）、因此成本因素是非常关键、它决定了下面的诸多选择。

（1）硬件系统

据不完全统计，全世界嵌入式处理器已经超过1000种，流行的体系结构有30多个系列。

在手机、PDA行业，大部分采用ARM核结构为主。

把嵌入式计算机分为下面几类：

嵌入式微处理器EMPU、嵌入式微控制器MCU、嵌入式DSP处理器EDSP和嵌入式片上系统SOC。

嵌入式处理器体系结构经历了从CISC到RISC和CompactISC的转变，常有的体系结构有：

X86、ARM、MIPS及PowerPC等。

其它外设有液晶屏、触摸屏、键盘控制、串行口、并口、网口、AD和PCI总线等。

（2）软件系统

嵌入式系统是现代多学科相互融合的产物，它以应用技术产品为核心，以计算机技术为基础，是适应应用环境的产品。

嵌入式系统无多余软件并且软件一般固化在ROM或FLAH芯片上，硬件也无多余RAM存储容量，具有要求系统运行可靠性高、成本低、体积小和功耗少等特点。

在嵌入式系统中，采用OS的嵌入式系统一般都是任务相对复杂，CPU数据长度为163264位的高档微控制器，有实时性要求。

而4816位的单片机系统，一般均无OS要求，控制和编程相对简单[11]。

2.2嵌入式操作系统的种类

嵌入式操作系统根据应用对象不同，大体分成下列几类：

（1）基于Windows兼容的：

嵌入式Linux、WindowsCE、EPOC等；

（2）工业与通信类：

VxWorks、PSON、QNX、VRTX、Neculeus等；

（3）单片机类：

iRMX、CMX、MCOS等；

（4）面向Intenet类：

PalmOS、Visor、Hopem、PPSM等。

从操作系统的本身特性来说，嵌入式操作系统可以分为两类，一类是面向控制、通信等领域的实时操作系统，如WinDrive公司的VxWorks、ISI的pSOS、QNX系统软件公司的QNX、ATI的Neculeus等；

另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统，这类产品包括个人数字助理、移动电话、机顶盒、电子书、WebPhone等。

这里重点介绍一下工业控制领域常用的实时操作系统[12]。

实时系统是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步事件做出响应的计算机系统。

其操作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度，而且与操作进行的时间有关。

“在确定的时间内”是该定义的核心。

也就是说，实时系统是对响应时间有严格要求的。

在这些场合，如果逻辑和时序出现偏差将会引起严重后果