基于ARM7最小系统设计.doc

1、 1 基于 ARM7 的 最小 系统 毕业设计 目录 摘要 错误 !未定义书签。 ABSTRACT 错误 !未定义书签。 第 1 章 引言 3 1.1 选 题背景 3 1.2 研 究意义 3 1.3 研 究现状 4 1.4 发 展前景 4 1.5 研 究内容 4 第 2 章 基于 ARM7 最小系统的设计 2 1 系统硬件设计 6 2 2 系 统调试及现象 19 第 3 章 基于 ARM7 最小系统的设计 2 3 1 基于 LPC2210 氨电炉电流设计 系统硬件设计 6 3 2 基于 LPC2210 氨电炉电流设计系统 软件 设计 结论 20 致谢 参 考文献 附录 3 第 2章 引言 1.

2、1 选题背景 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决定性作用。 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 最小系统 的 研究 对于嵌入式系统的发展非常有意义。 ARM 主要是 ARM 公司自 1990 年正式成立以来，在 32 位 RISC（ Reduced Instruction Set Computer） 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（

3、Intelligence Property）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。 1.2 研究意义 作为一名工科大学生有必要跟上 社会发展 趋势， ARM 微处理器目前 非常 受 厂家的 欢迎 ， 并且 在以后的日子里 有很大发展前景 ， 市场价值 也是非常 巨大 的。在 ARM的发展阶段需要更多的人来 研究

4、、扩张它的研究层面。 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。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 最小系统是一种学习该技术的极佳方法。 ARM（ Advanced RISC Machines），既可以认为它是一个公司的名字，也可以认为它是一类微处理器的统称，还可以认为它是一种技术名称，习惯上称之为 “高级精简指令集计算机机器公司 “。目前，各种各样 ARM 微处理器的设备应用数量已经远远超过了通用计算机。在工业和服

5、务领域中，使用 ARM 微处理器的数字机床、智能工具、工业机器人、服务机器人正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。因此，基于 ARM 微处理器的开发应用正成为数据 时代的应用技术潮流 。 4 1.3 研究现状 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 的各个型号也都在完善在各个方面的不足。力求做到最好。 ARM 芯核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 ARM 芯核有 ARM7TDMI， StrongARM，ARM720T， ARM9TDMI， ARM922T，

6、 ARM940T， RM946T， ARM966T， ARM10TDMI 等。自V5 以且， ARM 公司提供 Piccolo DSP 的芯 核给芯片设计得，用于设计 ARMDSP 的 SOC（ System On Chip）结构芯片。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、 BeOS 等。 现在设计、生产 ARM 芯片的国际大公司已经超过 50 多家，国中兴通讯和华为通讯等公司已经购买 ARM 公

7、司芯核用于通讯专用芯片的设计。 1.4 发展前景 由于网络 、通讯、多媒体和信息家电时代的到来，无疑为 32 位 嵌入式系统高端应用提供了空前巨大的发展空间。在 着个巨大的空间里， ARM最小系统的研究显的尤为重要，因为它是很多高端系统研究的决定性因素。它的完善性很可能影响 到最后的成功。所以， ARM最小系统的进一步研究和完善在这里显的尤为重要。 随着国内嵌入式应用领域的发展， ARM 芯片必然会获得广泛的重视和应用。但是，由于 ARM 芯片有多达十几种的芯核结构， 70 多芯片生产厂家，以及千变万化的内部功能配置组合，给开发人员在选择方案时带来一定的困难。所以，对 ARM芯片做一对比研究是

8、十分必要的。 所以说， ARM 最小系统的设计是非常重 要的。 ARM最小系统的发展前景 也是 非常广阔 的 。 据 ARM 微处理器特点及应用领域，分为 ARM7、 ARM9、 ARM9E、 StrongARM 、 ARM10等系列，其中 ARM7 系列微处理器为低功耗的 32 位 RISC 处理器，适合对功耗要求较高的应用如便携式产品，具有很高的性价比。 1.5 研究内容 5 本文主要研究的是一个 基于 ARM7 最小系统的 研究 设计 ，本系统主要由 LPC2210， 以及复位电路、晶振电路、程序存储器、蜂鸣器等部分组成。 本系统的特点是性能高、成本低并且耗能小 等特点 。 主要研究内容

9、： 以高速低功耗的 ARM 作为 控制核心，设计 ARM 最小系统的有关软硬件； MCU 与存储器和串行通信的接口设计； 与计算机进行通信的软硬件设计6 第 2章 系统 硬件设计 最小系统介绍 一个嵌入式处理器自己是不能独立工作的，必须给它供电 ，加上时钟信号，并提供复位信号，如果芯片没有片内程序存储器，则还要加上存储器系统，然后嵌入 式处理器 芯片才可能工作。这些提供嵌入式处理器运行所必须 的条件的电路与嵌入式处理器共同构成了这个嵌入式处理器的最小系统。而大多数基于 ARM7 处理器核的微控制器都有调试 接 口，这部分在芯片 实际工作时不是必需的，但这部分在开发时很重要 。 最小 系统原理

10、框图 方案论证 硬件： LPC2210 电源 复位电路 时钟电路 JTAG 调试电路 存储器电路 7 软件： 微控制器 LPC2210 LPC2210微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入跟踪的 32/16 位ARM7TDMI-S CPU。对代码规模有严格控制的应用可使用 16 位 Thumb 模式将代码规模降低超过 30%，而性能的损失却很小。 由于 LPC2210的 144 脚封装、极低的功耗、多个 32 位定时器、 8 路 10 位 ADC、PWM 输出以及多达 9 个外部中断管脚使它们特别适用于工业 控制、医疗系统、访问控制和电子收款机（ POS）。通过配置总线， LPC2210最多可提

11、供 76 个 GPIO。由于内置了宽范围的串行通信接口， LPC2210也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用。 主要特性 16/32 位 ARM7TDMI-S 微控制器， LQFP144 和 TFBGA144 封装。 16 /64 kB 片内静态 RAM。 串行 boot 装载程序通过 UART0 来实现在系统下载和编程。 EmbeddedICE-RT 和嵌入式跟踪接口使用片内 RealMonitor 软件对任务进行实时调试并支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。 8 路 10 位 A/D 转换器，转换时间低至 2.44s 。 2 个 32 位定时器带

12、 4 路捕获和 4 路比较通道、 PWM 单元（ 6 路输出）、实时时钟（ RTC）和看门狗。 多个串行接口，包括 2 个 16C550 工业标准 UART、高速 I2C 总线（ 400 kbit/s）和 2 个 SPI 接口。 向量中断控制器 (VIC)，可配置优先级和向量地址。 通过外部存储器接口可将存储器配置成 4 组，每组的容量高达 16Mb，数据宽度为 8/16/32 位。 多达 76 个通用 I/O 口（可承受 5V 电压）。可使用 9 个边沿或电平触发的外部中断管脚。 通过可编程的片内锁相环（ PLL）可实现最大为 60/75 MHz的 CPU 操作频率，设置时间为 100us。

13、 带外部晶体的片内振荡器频率范围： 1 30 MHz，外部振荡器的频率高达50MHz。 2 个低功耗模式：空闲和掉电。 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 8 可通过个别使能 /禁止外部功能来优化功耗。 双电源 CPU 操作电压范围： 1.65V 1.95 V(1.8 V 0.15 V) I/O 操作电压范围： 3.0 3.6 V(3.3 V 10%)， I/O 口可承受 5V 电压。16/32 位 ARM7TDMI-S 处理器。 功能描述 结构概述 ARM7TDMI-S 是一个通用的 32 位微处理器，它可提供高性能和低功耗。 ARM 结构是基于精简指令集计算机 (RISC)原理而设计的

14、。指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多。这样使用一个小的、廉价的处理器核就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应。 由于使用了流水线技术，处理和存储系统的所有部分都可连续工作。通常在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从 存储器中取出。 3.2 片内静态 RAM 片内静态 RAM 可用作代码和 /或数据的存储。 SRAM 支持 8 位、 16 位和 32 位访问。 LPC2210具有 16 kB 静态 RAM。 3.3 中断控制器 向量中断控制器 (VIC)接收所有的中断请求输入，并将它们编程分配为 3 类：FIQ、向量 IRQ 和非向量 IRQ。可编程分配机制

15、意味着不同外设的中断优先级可以动态分配和调整。快速中断请求 (FIQ)具有最高优先级。如果分配给 FIQ 的请求多于 1 个， VIC 将中断请求“相或”向 ARM 处理器产生 FIQ 信号。当只有一个被分配为 FIQ 时可实现最短的 FIQ 等待时间，因为 FIQ 服务程序只要简单地启动器件的处理就可以了。但如果分配给 FIQ 级的中断多于 1 个， FIQ 服务程序从 VIC 中读出一个字以识别产生中断请求的 FIQ 中断源是哪一个。 向量 IRQ 具有中等优先级。该级别可分配 16 个中断请求。中断请求中的任意一个都可分配到 16 个向量 IRQ slot 中的任意一个，其中 slot0

16、 具有最高优先级，而 slot15 则为最低优先级。 非向量 IRQ 的优先级最低。 3.4 中断源 所列为每个外围功能的中断源。每个外设都有一条中 断线连接到向量中断控制器，但可能有几个内部中断标志。单个中断标志也可能代表不同的中断源。 9 3.5 10位 A/D 转换器 LPC2210分别包含一个带 8 路输入的 10 位逐次逼近模 -数转换器。 3.5.1 特性 测量范围： 0 3V 每秒可执行 400,000 次 10 位采样 单路或多路输入的突发转换模式 根据输入脚的跳变或定时器匹配信号执行转换 3.6 I2C 总线 串行 I/O 控制器 I2C 是一个双向总线，它使用两条线：串行时

17、钟线 (SCL) 和串行数据线 (SDA) 实现互连芯片的控制 。 每个器件都通过一个唯一的地址来识别，这些器件可以是只接收器件（例如LCD 驱动器），或是可以发送和接收信息的发送器（例如存储器）。发送器和 /或接收器可以操作为主或从模式，这取决于芯片是启动数据的发送还是只被寻址。I2C 是一个多主总线，它可以由超过一个总线主控器进行控制。 LPC2210所包含的 I2C 功能支持 400kbit/s（快速 I2C）。 3.6.1 特性 遵循标准的 I2C 总线接口 可配置为主机、从机或主 /从机 可编程时钟可实现通用速率控制 主机从机之间双向数据传输 多主机总线 (无中央主机 ) 同时发送的

18、主机之间进行仲裁，避免了总线数据的冲突 串行时钟同步使器件在一条串行总线上实现不同位速率的通信 串行时钟同步可作为握手机制使串行传输挂起和恢复 I2C 总线可用于测试和诊断 3.7 通用定时器 定时器 /计数器对外设时钟周期（ PCLK）或外部时钟进行计数，可选择产生中断或基于 4 个匹配寄存器，在到达指定的定时值时执行其它动作。它还包括 4 个捕获输入，用于在输入信号发生跳变时捕获定时器值，并可选择产生中断。多个管脚通过或、与，可以实现捕获、匹配或广播功能。 3.7.1 特性 带可编程 32 位预分频器的 32 位定时器 /计数器 10 定时器操作。 当输入信号跳变时， 4 个 32 位捕获

19、通道可捕获定时器的瞬时值。捕获事件可选择产生中断。 4 个 32 位匹配寄存器： 连续操作，可选择在匹配时产生中断 匹配时停止定时器，可选择产生中断 匹配时复位定时器，可选择产生中断 每个定时器有 4 个对应于匹配寄存器的外部输出 ，具有下列特性： 匹配时置低电平 匹配时置高电平 匹配时翻转 匹配时不变 3. 8 实时时钟 当选择正常或空闲模式时，实时时钟 (RTC)提供一套用于测量时间的计数器。RTC 消耗的功率非常低， 这使其适合于由电池供电的， CPU 不连续工作 (空闲模式 )的系统。 3. 8.1 特性 对时间段进行测量以实现一个日历或时钟 超低功耗设计，支持电池供电系统 提供秒、分

20、、小时、日、月、年和星期 可编程基准时钟分频器允许调节 RTC 以适应不同的晶振频率 3.9 系统控制 3.9.1 晶振 片内集成振荡器支持的晶振范围为 1MHz 30MHz，外部振荡器频率高达 50MHz。晶振输出频率称为 fOSC，而 ARM 处理器时钟频率称为 CCLK。除非连接并运行 PLL，否则在该文档中 fOSC 和 CCLK 的值是相同的。 3.9.2 PLL PLL 可以接受范围为 10MHz 25MHz 的输入时钟频率。输入频率通过一个电流控制振荡器（ CCO）可以倍增为 10MHz 60/75MHz。倍增器可以是从 1 到 32 的整数（实际上在该系列微控制器当中，由于 CPU 频率的限制，倍增器的值不可能高于6）。 CCO 操作的范围 为 156MHz 320MHz，因此在环当中增加了一个分频器，这样PLL 在提供所需要的输出频率时，使 CCO 保持在其频率范围内。输出分频器可设