嵌入式ARM设计说明书.doc
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1、ARM概述第1章 ARM概述ARM处理器是Acorn计算机有限公司面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。全称Acorn RISC Machine。ARM处理器本身是32位设计,但也配备16位指令集。一般来讲比等价32位代码节省达35%,却能保留32位系统的所有优势。1.1 ARM处理器的特点ARM处理器的三大特点是:耗电少功能强、16位/32位双指令集和合作伙伴众多。1、体积小、低功耗、低成本、高性能;2、支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集,能很好的兼容8位/16位器件;3、大量使用寄存器,指令执行速度更快;4、大多数数据操作都在寄存器中完成;5、寻址方式灵活简单,执行效
2、率高;6、指令长度固定。1.2 ARM的体系结构CISC(ComplexInstructionSetComputer,复杂指令集计算机)在CISC指令集的各种指令中,大约有20%的指令会被反复使用,占整个程序代码的80%。而余下的80%的指令却不经常使用,在程序设计中只占20%。RISC(ReducedInstructionSetComputer,精简指令集计算机)RISC结构优先选取使用频最高的简单指令,避免复杂指令;将指令长度固定,指令格式和寻址方式种类减少;以控制逻辑为主,不用或少用微码控制等。1.2.1 RISC体系结构特点RISC体系结构应具有如下特点:采用固定长度的指令格式,指令归
3、整、简单、基本寻址方式有23种。使用单周期指令,便于流水线操作执行。大量使用寄存器,数据处理指令只对寄存器进行操作,只有加载和存储指令可以访问存储器,以提高指令的执行效率。除此以外,ARM体系结构还采用了一些特别的技术,在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积,并降低功耗:所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行,从而提高指令的执行效率。可用加载/存储指令批量传输数据,以提高数据的传输效率。可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。1.2.2 寄存器结构ARM处理器共有37个寄存器,被分为若干个组(BANK),这些寄存器包括:31个通用
4、寄存器,包括程序计数器(PC指针),均为32位的寄存器。6个状态寄存器,用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态,均为32位,目前只使用了其中的一部分。1.2.3 指令结构ARM微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集:ARM指令集和Thumb指令集。其中,ARM指令为32位的长度,Thumb指令为16位长度。Thumb指令集为ARM指令集的功能子集,但与等价的ARM代码相比较,可节省30%40%以上的存储空间,同时具备32位代码的所有优点。1.3 处理器模式用户模式(usr) ARM处理器正常的程序执行状态系统模式(sys) 运行具有特权的操作系统任务快中断模式(fiq) 支持高速数据传输
5、或通道处理管理模式(svc) 操作系统保护模式数据访问终止模式(abt) 用于虚拟存储器及存储器保护中断模式(irq) 用于通用的中断处理未定义指令终止模式(und) 支持硬件协处理器的软件仿真除用户模式外,其余6种模式称为非用户模式或特权模式;用户模式和系统模式之外的5种模式称为异常模式。ARM处理器的运行模式可以通过软件改变,也可以通过外部中断或异常处理改变。1.4 市场前景微软公司(2011年)宣布,下一版Windows将正式支持ARM处理器。这是计算机工业发展历史上的一件大事,标识着x86处理器的主导地位发生动摇。目前在移动设备市场,ARM处理器的市场份额超过90%;在服务器市场,今年
6、(2011年)就会有2.5GHz的服务器上市;在桌面电脑市场,现在又有了微软的支持。ARM成为主流,恐怕指日可待。难怪有人惊呼,Intel公司将被击败!ARM微处理器核技术广泛应用于便携式通信产品、手持运算、多媒体和嵌入式解决方案等领域,已成为RISC的标准。与这场轰轰烈烈的变革相比,它的主角ARM公司却没有受到太多的关注,显得不太起眼。这家远离硅谷、位于剑桥大学的英国公司,到底是怎么走到今天的,居然能将芯片巨人Intel拉下马?展望未来,即使Intel成功地实施了Atom战略,将x86芯片的功耗和价格大大降低,它与ARM竞争也将非常吃力。因为ARM的商业模式是开放的,任何厂商都可以购买授权,
7、所以未来并不是Intel vs. ARM,而是Intel vs. 世界上所有其他半导体公司。那样的话,Intel的胜算能有多少呢?2012年10月29日AMD做出了一个震惊业界的宣布:AMD将会设计基于64-bit ARM架构的处理器,首先从云和数据中心服务器领域开始。AMD、ARM在服务器领域的合作已经得到了戴尔、惠普两大服务器厂商,以及服务器系统厂商RedHat的鼎力支持,新的生态系统已具雏形,AMD能否借此东山再起AMD的首批ARM处理器预计于2014年问世,仍将披挂Opteron皓龙品牌。这种64位的多核心SoC会针对数据中心中份额最大的密集型高能效服务器进行优化,提供现代计算体验,并
8、整合收购而来的SeaMicro Freedom超级计算光纤互联技术38基于ARM7的LCD显示方案设计基于ARM7的LCD显示方案设计第2章 基于ARM7的LCD显示方案设计本次课程设计使用的是LPC2106控制LCD1602显示移动的字符。设计效果为显示屏上第一行移动循环首尾相连显示学号“10700201”,第二行移动循环首尾相连显示姓名“heguanmin”。本课程设计采用了LPC2106 ARM嵌入式处理器和LM016L液晶显示模块,在实现软件上使用了Proteus Version 7.5进行电路仿真和设计,程序设计上采用RealView MDK来设计实现,下面对芯片LPC2106和LM
9、016L以及开发软件Proteus Version 7.5和RealView MDK做一下介绍:2.1 芯片LPC2138简介LPC2138包含一个支持仿真的ARM7TDMI-S CPU、与片内存储器控制器接口的ARM7 局部总线、与中断控制器接口的AMBA高性能总线(AHB)和连接片内外设功能的VLSI外设总线(VPB ,ARMAMBA 总线的兼容超集)。LPC2138将ARM7TDMI-S配置为小端(little-endian)字节顺序。 AHB外设分配了2M 字节的地址范围,它位于 4G字节ARM存储器空间的最顶端。每个 AHB外设都分配了16k 字节的地址空间。LPC2138的外设功能
10、(中断控制器除外)都连接到VPB 总线。AHB到VPB 的桥接将VPB 总线与AHB总线相连。VPB 外设也分配了2M 字节的地址范围,从3.5GB 地址点开始。每个VPB 外设在VPB 地址空间内都分配了16k 字节地址空间。 它拥有以下特性:ARM7TDMI-S处理器 128k字节片内Flash程序存储器,具有ISP 和IAP 功能。 Flash编程时间:1ms 可编程512 字节,扇区擦除或整片擦除只需400ms 。 64/32/16K 字节静态RAM(LPC2138) 向量中断控制器 仿真跟踪模块,支持实时跟踪 RealMonitor模块支持实时调试 标准ARM测试/ 调试接口,兼容现
11、有工具 极小封装:TQFP48 (77mm2) 双UART,其中一个带有完全的调制解调器I2C 串行接口 SPI 串行接口 两个定时器,分别具有4 路捕获/ 比较通道 多达6 路输出的PWM 单元 实时时钟 看门狗定时器 通用I/O 口 CPU 操作频率可达60MHz 双电源 CPU 操作电压范围:1.65V1.95V(1.8V 8.3%) I/O 电压范围:3.0V3.6V(3.3V 10%) 两个低功耗模式:空闲和掉电 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒 外设功能可单独使能/ 禁止,实现功耗最优化 片内晶振的操作频率范围:10MHz25MHz 片内PLL 允许CPU 以最大速度运行,可以
12、在超过整个晶振操作频率范围的情况下使用。由于拥有以上特性,LPC2106适用于internet 网关、串行通信协议转换器、访问控制、工业控制、医疗设备及其它各种类型的应用。2.2 芯片OCM128128简介2.2.1液晶显示原理液晶显示的原理是利用液晶的物理特性,通过电压对其显示区域进行控制,有电就有显示,这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点,目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。2.2.2 OCM128128 LCD相关参数主要工艺: COG显示内容: 128X128 点阵显示模式: STN,
13、POSITIVE驱动条件: 1/128Duty,1/9Bias视向: 6: 00背光: LED, 白色工作温度: 常温 1055 / 宽温 -20 -+70储存温度: 常温 -1060 / 宽温-30 -+80驱动 IC: ST7541_14引脚功能说明CM128128 LCD采用标准的14脚(无背光)或16脚(带背光)接口,各引脚接口说明如表1所示:表1 引脚接口说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源
14、正极8D1数据16BLK背光源负极第1脚:VSS为地电源。第2脚:VDD接5V正电源。第3脚:VL为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地时对比度最高,对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚:RS为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚:R/W为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号,当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚:E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令。第714脚
15、:D0D7为8位双向数据线。第15脚:背光源正极。第16脚:背光源负极。OCM128128LCD的指令说明及时序表2 控制命令表序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM)10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据
16、内容 表3时序图2.3 Proteus简介Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能,还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件),从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真,一键切换到PCB设计,真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台,其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086
17、和MSP430等。在编译方面,它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。在Proteus绘制好原理图后,调入已编译好的目标代码文件:*.hex(或者*.axf),可以在Proteus的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。Proteus不仅可将许多单片机实例功能形象化,也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果,后者则是实物演示实验难以达到的效果。它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能,例:元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。2.4 RealView MDK简介
18、RealView MDK(RealView Microcontroller Development Kit)开发套件源自德国Keil公司,被全球超过10万的嵌入式开发工程师验证和使用,是ARM公司目前最新推出的针对各种嵌入式处理器的软件开发工具。RealView MDK集成了业内最领先的技术,融合了中国多数软件开发工程师所需的特点和功能。包括Vision集成开发环境与 RealView编译器,支持ARM7、ARM9和最新的Cortex-M3核处理器,自动配置启动代码,集成Flash烧写模块,强大的Simulation设备模拟,性能分析等功能。 RealView MDK的特点: l 自动生成启动
19、代码:RealView MDK开发工具可以帮您自动生成完善的启动代码,并提供图形化的窗口,随您轻松修改。无论对于初学者还是有经验的开发工程师,都能大大节省时间,提高开发效率。提供软件模拟器:RealView MDK的设备模拟器可以仿真整个目标硬件,包括快速指令集仿真、外部 信号和I/O仿真、中断过程仿真、片内所有外围设备仿真等。开发工程师在无硬件的情况下即可开始软件开发和调试,使软硬件开发同步进行,大大缩短开发周期。而一般的ARM开发工具仅提供指令集模拟器,只能支持ARM内核模拟调试。提供性能分析器:RealView MDK的性能分析器可以让工程师看得更远和更准,它辅助您查看代码覆盖情况,程序
20、运行时间,函数调用次数等高端控制功能,指导您轻松的进行代码优化,成为嵌入式开发高手。通常这些功能只有价值数千美元的昂贵的Trace工具才能提供。支持Cortex-M3:RealView MDK支持的Cortex-M3核是ARM公司最新推出的针对微控制器应用的内核,它提供业领先的高性能和低成本的解决方案,未来几年将成为MCU应用的热点和主流。目前国内只有ARM公司的MDK和RVDS开发工具可以支持CortexM3芯片的应用开发。模块设计第3章 模块设计3.1 电源模块图3-1 电源模块3.2 IO口模块图3-2 IO模块103.3 LCD1602显示模块图3-3 OCM128 128显示模块3.
21、4 按键模块 图3-4 按键模块11仿真运行心得体会第4章 仿真运行附上本人照片一张以及专业和学校和联系方式演示效果如下:12心得体会 图 4-1显示效果第5章 心得体会本次课程设计对于已经学过单片机的我来说,是比较简单的。因为除了接口的设置使用方式不一样之外,其他的数据和指令的传送原理基本相同。为期两周的ARM课程设计,我体会很多。本设计以LPC2138芯片为核心,控制整个显示系统的运行,稳定可靠。通过此次设计,首先让我认识到了学好书本知识和实际动手来做的差距,也就是理论和实际的差距。在实际动手做嵌入式这种设计的时候一定要有一个很清晰的总体思路,必须明白自己首先要干什么,然后按照自己制定的计
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