基于arm的智能控制最小系统机电专业毕业论文(编辑修改稿)

基于arm的智能控制最小系统机电专业毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

M9E Nintendo DS， Nokia NGageConexant chips； STMicroSTR91xF， ARM11 Nokia N93， Zune， Nokia N800， NOKIA E72Cortex Texas Instruments OMAP3； Broad is a user； Luminary Micro[3] 微控制器家族。 基于 ARM 的智能控制最小系统 4 MIPS 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 ” （ Microprocessor without interlocked piped stages），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。 2020 年， MIPS 公司发布了针对 MIPS32 4Kc 的版本以及 64 位 MIPS 64 20Kc处理器内核。 MIPS324KcT 处理器是采用 MIPS 技术特定为片上系统（ SystemOnaChip）而设计的高性能、低电压 32 位 MIPS RISC 内核。 MIPS 64 20Kc 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 Origin 2020 服务器；这种 CPU 更适合图形工作站使用。 MIPS 最新的 R12020 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。 PPC 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（ Performance Optimized With Enhanced） RISC；《 IBM Connect 电子报》 2020 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 I/O，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，而不是象台式机浙江理工大学毕业设计（论文） 5 芯片中那样采用反转页表 [7]。 ARM 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、 Intel、 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： Thumb 16 位指令集，为了改善代码密度；DSP DSP 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]。 研究的意义 ARM（ Advanced RISC Machines） 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、资源丰富具基于 ARM 的智能控制最小系统 6 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。 浙江理工大学毕业设计（论文） 7 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]。 嵌入式系统的定义、特点及组成 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]。 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，在基于 ARM 的智能控制最小系统 8 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]。 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 和浙江理工大学毕业设计（论文） 9 Compact ISC 的转变， 常有的体系结构有： X8 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、 A/D 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 16/32/64 位的高档微控制器，有实时性要求。 而 4/8/16 位的单片机系统，一般均无 OS 要求，控制和编程相对简单 [11]。 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、 MC/OS 等； （ 4）面向 Inte 类： Palm OS、 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。 实时系统有两种类型：软实时系统和硬实时系统。 软实时系统仅要求事件响应是实时的，并不要求限定某一 任务必须在多长时间内完成；而在硬实时系统中，不基于 ARM 的智能控制最小系统 10 仅要求任务响应要实时，而且要求在规定的时间内完成事件的处理。 通常，大多数实时系统是两者的结合。 实时操作系统可分为可抢占型和不可抢占型两类。 对于基于优先级的系统而言，可抢占型实时操作系统是指内核可以抢占正在运行任务的 CPU 使用权并将使用权交给进入就绪态的优先级更高的任务。 不可抢占型实时操作系统使用某种算法并决定让某个任务运行后，就把 CPU 的控制权完全交给了该任务，直到它主动将 CPU 控制权还回来。 实时操作系统主要用于对系统时间由严格要求 的场合，如航空航天以及对时间有严格要求的工业控制场所。 一般家用和消费类产品，对实时性的要求一般不高，可以采用非实时性的操作系统 [13]。 嵌入式操作系统及应用 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统完成系统初始化以及嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能。 具有内核较精简、可配置、与高层应用紧密关联等特点。 嵌入式操作系统具有相对不变性。 嵌入式操作系统具有一下特点。 （ 1）体积小 嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用闪存（ Flash Memory）作为存储介 质。 这就要求嵌入式系统只能运行在有限的内存中，不能使用虚拟内存，中断的使用也受到限制。 因此，。