HB嵌入式ARM系統(tǒng)設(shè)計(jì)作業(yè)

1、大作業(yè)成績(jī)課程名稱現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)班級(jí)通信01班姓名賀斌學(xué)號(hào)（說明：除有關(guān)原理圖、仿真圖和程序代碼外其他答案部分必須為A4紙手寫；嚴(yán)禁抄襲，抄襲者和被抄襲者均不計(jì)成績(jī)；時(shí)間1周。）一、DSP部分（8小題，共計(jì)50分）1.說明DSP具有哪些主要特點(diǎn)，DSP的型號(hào)如何確定？（4分）答：（1）DSP具有如下主要特點(diǎn)：DSP普遍采用數(shù)據(jù)總線和程序總線分離的改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)即一條程序總線和多條數(shù)據(jù)總線；DSP一般都采用多總線結(jié)構(gòu)，可同時(shí)進(jìn)行取指令和多個(gè)數(shù)據(jù)存取操作；DSP采用多級(jí)流水線技術(shù)，可以多指令并行執(zhí)行；DSP采用結(jié)構(gòu)特殊的專用硬件乘法-累加器，適合數(shù)字信號(hào)處理；DSP內(nèi)部有多個(gè)處理單元，特別適用于

2、大量乘加操作的矩陣運(yùn)算、濾波、FFT、Viterbi譯碼等；DSP一般都具有特殊功能的指令，專用于數(shù)字信號(hào)的處理；由于采用哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的指令以及集成電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，所以DSP具有極短的指令周期，運(yùn)算速度快；（8具有較高的運(yùn)算精度，字長(zhǎng)長(zhǎng)達(dá)16、24、32位，還有的累加器達(dá)到40位。片上外設(shè)硬件配置豐富，具有較強(qiáng)的接口功能；O許多DSP芯片都支持多處理器的結(jié)構(gòu);DSP一般都具有節(jié)電管理和低功耗結(jié)構(gòu)，適用于便攜式數(shù)字終端設(shè)備。（2） DSP型號(hào)的確定：DSP應(yīng)用領(lǐng)域很廣，但沒有一款能滿足所有的應(yīng)用需要，需要根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)、性能要求、成本、功耗以及技術(shù)開發(fā)周期等因素進(jìn)

3、行綜合考慮，一般主要考慮以下幾個(gè)方面的因素：1系統(tǒng)特點(diǎn)、2算法格式、3系統(tǒng)精度、4處理速度、5功耗、6性能價(jià)格比、7支持多處理器、8系統(tǒng)開發(fā)的難易程度。2 .DSP應(yīng)用系統(tǒng)的典型開發(fā)過程是怎樣的？（4分）答：一般開發(fā)過程如附件圖D2-1：3 .討論一個(gè)能獨(dú)立運(yùn)行和調(diào)試的TMS320VC5416最小系統(tǒng)應(yīng)具備怎樣的硬件條件？（4分）答：一個(gè)能獨(dú)立運(yùn)行和調(diào)試的TMS320VC5416小系統(tǒng)應(yīng)具備以下的基本硬件條件：能為DSFW供I/O口與內(nèi)核正常供電的供電電路；能為DS物供穩(wěn)定與精確時(shí)鐘的時(shí)鐘電路；（DDSPft線調(diào)試需要的JTAG仿真調(diào)試接口電路復(fù)位電路，可以軟件復(fù)位，但一般都有硬件上電復(fù)位和手

4、動(dòng)復(fù)位相結(jié)合的電路；©DSP擴(kuò)展必要的存儲(chǔ)器（如EEPROM/FlashROM）電路；區(qū)外加的輔助電路有：工作模式選擇電路、外部中斷輸入引腳與未用輸入引腳的上拉保護(hù)電路及指示LED的電路等。4當(dāng)TMS320C54x的CPU接收到可屏蔽的硬件中斷時(shí)，滿足哪些條件中斷才能被響應(yīng)？（3分）答：Q出現(xiàn)多個(gè)中斷時(shí)，此中斷的優(yōu)先級(jí)最高；2INTM=0允許全局中斷；當(dāng)INTM=0W,IMR中某位為1,則開放相應(yīng)的中斷。5TMS320C54X指令系統(tǒng)的尋址方式各有哪些？各尋址方式舉一例說明（6分）答：各尋址方式如下圖:尋址方式用途舉例指令含義聿元的內(nèi)容，向的地址單元去讀取程序存發(fā)據(jù)存儲(chǔ)器P）立即尋址

5、主要用于常數(shù)或寄存:LD#F伽，A將立即數(shù)F18c加載到A1絕對(duì)尋址利用16位地址尋址，MVKDSAMP將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SAMPLE址.要帶AR輔助寄存器AR5O累加器尋址將累加器中的內(nèi)容件READASmer以累加器A中的內(nèi)容為地址儲(chǔ)器，寫入Smemf指向的專直接尋址禾用數(shù)據(jù)頁指針和堆1LD車讓A（DP+x的低7位地址）？A間接尋址利用輔助寄存器作為:LD指AR1,1(AR1)->A1存儲(chǔ)器映像寄存器尋址快速尋址存儲(chǔ)器映喙LDM摘T1,B(ST1)>B堆棧尋址壓入/彈出數(shù)據(jù)存保存儲(chǔ)器映像寄存器朗和PISMIRAG(SP)-1>SP,(AG)>(S6.請(qǐng)說明實(shí)現(xiàn)TMS320V

6、C5416處理器串行EEPROM自舉的硬件設(shè)計(jì)要求，以及如何利用CCS環(huán)境2次編程實(shí)現(xiàn)DSP串行EEPROM自舉。（6分）答：（1）要實(shí)現(xiàn)TMS320VC5416理器的串行EEPROM舉，DSPg統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)必須滿足一定的要求：A、需要將EEPROMUSPI接口與DSP的MCBSP2聯(lián)，同時(shí)，為避免DSP昔誤的進(jìn)入其他自舉方式，需將DSP勺MCBSP接口的BDX2引腳與其外部中斷3引腳相連，從而保證DSP系統(tǒng)加電后，DSP片上Bootloader進(jìn)入串行EEPROM舉方式，再者，DSP外部中斷2輸入引腳臉最好接上拉電阻以防止噪聲或干擾的影響，具體的硬件原理圖如圖D4-2所示：D4-2B、SPI

7、接口EEPROM件須滿足如下幾個(gè)條件：其一，EEPROM一幀數(shù)據(jù)必須為32bit,且每幀格式分別為8bit指令、16bit地址、8bit數(shù)據(jù)，如附件圖D6-1所示：其二，EEPROM支持SPI通信協(xié)議的0（0,0）工作模式；其三，由于DSPt上Bootloader只能尋址EEPROM64KB數(shù)據(jù)，所以EEPROM容量不要大于64KE（2）利用CCS境2次編程實(shí)現(xiàn)DSP用彳TEEPROM舉的主要步驟如下：第1步，在CCS環(huán)境下編寫用戶DSPS統(tǒng)應(yīng)用程序，仿真調(diào)試完畢后，生成.out程序代碼文件，這是CC科境下的第1次編程；第2步，將CCS境下生成的.out文件通過程序代碼中間過渡轉(zhuǎn)換（如圖D6-

8、2點(diǎn)畫線框所示）最終生成.dat文件，這一步驟是由多個(gè).exe批處理文件在DO/境下完成；第3步，再次在CC*境下編程，將第2步生成的.dat文件中的用戶程序代碼通過DSP勺MCBSP2口移植到EEPRO腫。上述三步過程完成以后，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在沒有仿真器與軟件仿真環(huán)境的條件下，加電后獨(dú)立運(yùn)行。7 .請(qǐng)查閱相關(guān)資料，設(shè)計(jì)以TI公司TPS73HD301芯片為基礎(chǔ)TMS320VC5416處理器雙電源供電電路，并畫出其電路原理圖。（8分）答：以TI公司TPS73HD30芯片為基礎(chǔ)的TMS320VC5416理器雙電源供電電路，其電路原理圖如附件圖D7-1所示：8 .請(qǐng)先利用MATLAB軟件設(shè)計(jì)一個(gè)FIR帶

9、通濾波器，然后在CCS軟件中建立名為FIR.pjt的工程項(xiàng)目，接著以在MATLAB軟件中設(shè)計(jì)的FIR帶通濾波器參數(shù)為基礎(chǔ)，編寫TMS320VC5416處理器FIR帶通濾波器C語言實(shí)現(xiàn)程序，并以本章介紹的DSP軟件仿真實(shí)例為參考，嘗試?yán)肅CS軟件完成對(duì)該FIR帶通濾波器工程項(xiàng)目的DSP軟件仿真，請(qǐng)給出MATLAB與C語言的主要程序代碼以及仿真運(yùn)行結(jié)果圖。(15分)答：1:首先利用MATLA歆件設(shè)計(jì)一個(gè)FIR帶通濾波器，并進(jìn)行仿真：(1)首先確定所要設(shè)計(jì)的FIR帶通濾波器參數(shù)設(shè)置如下：濾波器通帶帶寬為10Hz,其中上下兩個(gè)通帶截止頻率分別為10Hz和20Hz,其中采樣頻率為100Hz,采用FIR

10、窗函數(shù)設(shè)計(jì)法，選擇Kaiser窗(最優(yōu)化窗)，階數(shù)指定為40階。(2)利用MATLAH012bAPPS中的FilterDesign&AnalysisTool工具輸入第(1)步中確定的FIR帶通濾波器參數(shù)，參數(shù)設(shè)置如附件圖D8-12所示：(3)按照?qǐng)DD8-12所示輸入?yún)?shù)，并單擊工具條中“FilterCoefficients”按鈕，可以得到如圖D8-13所示濾波器系數(shù)：(4)按照?qǐng)DD8-13所得濾波器系數(shù)，編寫MATLAB2012b&真程序，具體代碼如附件代碼圖D8-141;D8-142：(5)在(4)代碼中，輸入信號(hào)x(n)由5Hz>15Hz.25Hz三個(gè)頻點(diǎn)的正弦波信號(hào)

11、合成，其中，15Hz為有用信號(hào)，而5Hz和25Hz信號(hào)為噪聲，則將此合成波信號(hào)經(jīng)過濾波器濾波后的輸出信號(hào)y(n)時(shí)域圖及有用信號(hào)濾波前后的時(shí)域圖如附件圖D8-151所示。圖D8-152為濾波器輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的幅度譜圖。2:利用CCSt件完成又t設(shè)計(jì)的FIR帶通濾波器進(jìn)行DSPt件仿真：(1)雙擊CCSt件(v3.3版本)“SetupCCStudiov3.3”圖標(biāo)桌面快捷方式(如果無法打開，請(qǐng)進(jìn)入兼容模式WINXPSP31行)，并完成DSPt件仿真的相關(guān)設(shè)置。DSP軟件仿真的相關(guān)配置如附件圖D8-21所示。(2)雙擊CCSt件(v3.3版本)“CCStudiov3.3”圖標(biāo)桌面快捷方式(如果

12、無法打開，請(qǐng)進(jìn)入兼容模式WINXPSP3運(yùn)行)，并建立FIR軟件工程項(xiàng)目。建好后的軟件工程項(xiàng)目名為FIR,如附件圖D8-22所示，包括三個(gè)文件，分別是：MAIN.c文件、VECTORS.ASM文件、C5416.cmd文件。其中MAIN.c是主程序文件，完成DSP初始化和輸入信號(hào)的FIR濾波運(yùn)算；VECTORS.ASM中斷矢量文件，C5416.cmd為鏈接命令文件。(3)完成FIR軟件工程項(xiàng)目三個(gè)程序文件：MAIN.c、VECTORS.ASMC5416.cmd的代碼編寫分別如附件圖D8-2311、D8-2312、D8-2313；D8-2321、D8-2322、D8-2323；D8-2331、D8

13、-2332；(4)編譯并裝載FIR.out文件，運(yùn)行程序，圖像化顯示運(yùn)行結(jié)果。FIR帶通濾波器輸入信號(hào)完整時(shí)域波形圖如附件圖D8-241所示;FIR帶通濾波器輸入信號(hào)099點(diǎn)的時(shí)域波形圖如附件圖D8-242所示；FIR帶通濾波器輸出信號(hào)時(shí)域完整的波形圖如附件圖D8-243所示；FIR帶通濾波器輸出信號(hào)099點(diǎn)時(shí)域波形圖如圖D8-244所示;FIR帶通濾波器輸入信號(hào)幅頻特性波形圖如圖D8-245所示；FIR帶通濾波器輸出信號(hào)幅頻特性波形圖如圖D8-246所示；ARM部分(6小題，共計(jì)50分)1嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程包括那些？其中操作系統(tǒng)的移植是必要的嗎？為什么？(8分)答：嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過

14、程如附件圖A1-1;有必要，因?yàn)楫?dāng)今，嵌入式應(yīng)用越來越廣，單片機(jī)的種類，品牌，型號(hào)繁多，當(dāng)嵌入式操作系統(tǒng)移植后，只需要做一些修改就可以使其運(yùn)行在不同的硬件平臺(tái)上，為使更好的分配系統(tǒng)資源的功能，更快的開發(fā)新產(chǎn)品，很有必要針對(duì)特定的硬件平臺(tái)和實(shí)際應(yīng)用移植操作系統(tǒng)。2電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程的一般流程是什么？每個(gè)步驟包含那些內(nèi)容？（8分）答：一：系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)按照需要確定模擬還是數(shù)字電路還是模數(shù)混合來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能；（2確定項(xiàng)目是純硬件完成還是軟硬結(jié)合來完成系統(tǒng)功能；選擇合適的集成電路、微處理器、總線、分立元件、機(jī)電元件；存儲(chǔ)器、輸入輸出方式、I/O口、傳感器、變送器、執(zhí)行結(jié)構(gòu)的接口設(shè)計(jì)。二：系統(tǒng)軟

15、件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)硬件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、功能模塊設(shè)計(jì)、軟件抗干擾設(shè)計(jì)；三：系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行硬件系統(tǒng)的功能仿真；軟件系統(tǒng)的功能仿真；軟硬件的在線聯(lián)合調(diào)試；系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試。四：系統(tǒng)的綜合測(cè)試系統(tǒng)的功能測(cè)試，分為硬件測(cè)試和軟件測(cè)試；（1）硬件測(cè)試：功能實(shí)現(xiàn)，技術(shù)指標(biāo)達(dá)標(biāo)。（2）軟件測(cè)試：操作的方便性、容錯(cuò)性，模塊功能，運(yùn)行速度。系統(tǒng)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)測(cè)試；區(qū)系統(tǒng)的容錯(cuò)性測(cè)試;系統(tǒng)的可靠性測(cè)試；(5系統(tǒng)的電氣安全性測(cè)試；(6系統(tǒng)的EMC測(cè)試；系統(tǒng)的機(jī)械特性測(cè)試。3電子系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)的主要措施有那些？(6分)答：主要措施有冗余設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)、元器件降額設(shè)計(jì)；電磁兼容性設(shè)計(jì)主要顧及不對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生影響和周圍電子

16、設(shè)備不對(duì)本系統(tǒng)造成影響，另外在印刷電路板時(shí)，注意減少寄生耦合，連線盡量短，各級(jí)電路應(yīng)盡量自成回路及就近接地，對(duì)電磁場(chǎng)敏感的元器件應(yīng)加以屏蔽保護(hù)。4設(shè)計(jì)一個(gè)以STM32F103RC為主控芯片的最小應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路。要求具有16位LED流水燈功能和兩路UART串口功能。畫出相關(guān)電路原理圖。(12分)答：相關(guān)的電路原理圖為：電源電路如附件圖A4-1;(2復(fù)位電路如附件圖A4-2;晶振電路如附件圖A4-3;(42路UART串口電路如附件圖A4-5;(516位LED流水燈的電路圖A4-6;5. 請(qǐng)說明利用MDK4.12軟件進(jìn)行ARM應(yīng)用程序開發(fā)的主要步驟及過程要點(diǎn)。(10分)答：主要步驟有：創(chuàng)建一個(gè)你

17、需要的項(xiàng)目的工程并設(shè)置芯片為STM32F103VC如附件圖A5-11和A5-12;進(jìn)行各種參數(shù)的配置如附件圖A5-21;新建幾個(gè)工程文件，并添加如附件圖A5-31、A5-32、A5-33、A5-34(4程序代碼寫好后，編譯進(jìn)行軟件仿真如附件圖A5-41要點(diǎn)是芯片選擇對(duì)，參數(shù)配置正確，仿真方式選擇正確，代碼編寫完整。6. 在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常會(huì)用到單片機(jī)、ARM、DSP、PLD等技術(shù)和器件，請(qǐng)根據(jù)你的了解，說明他們各有什么特點(diǎn)、分別適合的應(yīng)用場(chǎng)合。（6分）答：?jiǎn)纹瑱C(jī)是集成了CPU、ROM、RAM、I/O的微型計(jì)算機(jī)，較高版本的單片機(jī)運(yùn)行速度快，結(jié)構(gòu)集成，接口豐富，價(jià)格相對(duì)便宜，適合不同要求

18、層次的型號(hào)都有，適合用于工業(yè)控制，對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的條件；ARM處理器耗電少、性能強(qiáng)、體積小、成本低，有大量寄存器，尋址靈活，執(zhí)行效率高適用于手機(jī)的處理器，手持式電子終端；DSP又叫數(shù)字信號(hào)處理器，運(yùn)行速度快，適合處理大數(shù)據(jù)信號(hào)，適用于需要處理大量數(shù)據(jù)的領(lǐng)域，如信號(hào)的編碼和解碼；PLD又叫可編程邏輯器件，是一種通用的集成電路，邏輯功能由用戶進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，具有靈活性高，設(shè)計(jì)成本低，質(zhì)量穩(wěn)定，可在線檢驗(yàn)，一般應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)和數(shù)量中等的產(chǎn)品生產(chǎn)。附件：文中所需圖如下所示：圖D2-1圖D6-1圖D6-2圖D7-1圖D8-12圖D8-13按照?qǐng)DD8-13所得濾波器系數(shù)，編寫MATLAB2012b仿真

19、程序，具體代碼如下：t=0:1/100:10;x1=cos(5*2*pi*t);x2=cos(15*2*pi*t);x3=cos(25*2*pi*t);x=x1+x2+x3;subplot(311);plot(t,x);xlabel('時(shí)間');ylabel('濾波器輸入信號(hào)x(n)');y=1:1001;圖 D8-142圖 D8-151圖 D8-152圖 D8-21圖 D8-22forn=1:1:41%計(jì)算前41點(diǎn)輸出tempt=0;fori=1:1:ntempt=tempt+b(i)*x(n+1-i);endy(n)=tempt;endforn=42:1:1

20、001%計(jì)算421001點(diǎn)輸出tempt=0;fo-=1:1:41tempt=tempt+b(i)*x(n+1-i);endy(n)=tempt;endsubplot(312);plot(t,y);xlabel('時(shí)間');ylabel('濾波器輸出信號(hào)y(n)');subplot(313);plot(t,y,'r-',t,x2);xlabel('時(shí)間');ylabel('濾波前后信號(hào)對(duì)比);legend(濾波后信號(hào)','濾波前信號(hào)');axis(02-11);figure(2)fs=100;X=a

21、bs(fft(x);Y=abs(fft(y);n1=(1:length(t)*fs/length(t);n2=(1:length(t)*fs/length(t);subplot(211);plot(n1,X);grid;xlabel('頻率(Hz)');title('濾波器輸入信號(hào)幅度譜');subplot(212);plot(n2,Y);grid;xlabel('頻率(Hz)');title('濾波器輸出信號(hào)幅度譜');圖 D8-2311MAIN.c的程序代碼如下：#include<stdlib.h>#include

22、<stdio.h>#include<math.h>#defineCLKMD(unsignedint*)0x58#definepi3.1415927#defineN64doublefir_input_data1001;/濾波器輸入數(shù)據(jù)doublefir_output_data1001;/濾波器輸出數(shù)據(jù)voidFIR();/FIR濾波函數(shù)/FIR濾波器參數(shù)，與MATLAB仿真程序中的FIR濾波器參數(shù)一致voidmain()inti;/DSP處理器寄存器初始化fir_output_datan+=bi*xn-i;一一asm("stm#0000h,CLKMD"

23、);while(*CLKMD&0x01);for(n=41;n<1001;n+)asm("stm#50asm("stm#7eI/O,7forextdata,2forec7h,CLKMD");/設(shè)置CPU運(yùn)行頻率=101M08h,SWWSRoUtpUs_datahs=0tecontrolregfor:7forxtprogramf(5r(i=0；i<41;i+)asm("stmovly=1,drom=0asm("stm#00e0h,PMST");/MP/MC=1,IPTR=001,#08nobankswitching;

24、PS-D/生成FIR濾波器輸入數(shù)掘fir_output_datan+=bi*xn-i;00h,BSCR");/*setexternal-banksswitchcontrolfor:S=1BH=0,EXIO=0*/圖D8-2313for(i=6;i<1001;i+),VECTORS.ASM文件程序代碼如下:fir_input_dataicos(10*pi*0.01*i)+cos(30*pi*0.01*i)+cos_c_int0001*i);調(diào)用FIR濾波函數(shù)，對(duì)輸入sect"：vrcto舐算結(jié)果存儲(chǔ)/于輸出數(shù)據(jù)rsroutpUD_dcn料,data進(jìn)行FIR濾波運(yùn)算，計(jì)

25、FIR(fir_input_data);while(1)；/FIR濾波函數(shù)voidFIR(double*x)intn,i;for(n=0;n<41;n+)nmi:nopnopretenopnopnopsint17:retenopnopsint18:retefir_output_datan=0;for(i=0;i<n;i+nopnop圖D8-2312sint19:retenopnopsint20:retenopnopsint21:retenopnopsint22:retenopnop圖D8-2322sint23:retenopnopnopsint24:retedmac0:retenopnopnopnopsint2