基于ARM的數(shù)字圖像采集系統(tǒng)的研究

1、摘要摘要在現(xiàn)代圖像測量技術(shù)中，實(shí)時(shí)圖像采集和處理占有極其重要的地位，其中實(shí)時(shí)圖像采集是核心的技術(shù)。圖像采集的速度、質(zhì)量直接影響到測量的精度。目前大多數(shù)視頻采集系統(tǒng)采用攝像頭傳感器，再通過實(shí)時(shí)圖像采集（壓縮）卡對視頻圖像進(jìn)行采集（或壓縮）后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。由于攝像機(jī)的輸出已轉(zhuǎn)換成模擬視頻信號方式，且攝像頭傳感器的象素點(diǎn)在輸出時(shí)序上很難與采集卡的采樣點(diǎn)一一對應(yīng)，因此視頻圖像數(shù)字化后圖像質(zhì)量損失較大，圖像分辨力受到限制。另外，這種設(shè)備多以計(jì)算機(jī)插卡的形式存在，因此存在系統(tǒng)成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等局限性，不能很好地滿足圖像測量高精度和便攜式的要求。為此，本課題以ARM 芯片EP7312為處理器，提出了一

2、種新的基于32位嵌入式處理器的實(shí)時(shí)圖像采集技術(shù)。本文對課題所研究的內(nèi)容做了較為全面的論述，其中包括系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件兩個(gè)部分。首先，本文通過詳細(xì)分析課題需求和基于ARM的嵌入式處理器EP7312，對系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，并對該系統(tǒng)硬件部分進(jìn)行了最優(yōu)最小化設(shè)計(jì)。其次，由于課題中視頻圖像數(shù)字化后的大量數(shù)據(jù)要在SDRAM中進(jìn)行緩存，故本文采用VHDL語言設(shè)計(jì)了SDRAM控制器。最后，本文以單元電路為單位，循序漸進(jìn)的介紹了整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試過程。結(jié)果表明，基于ARM EP7312的數(shù)字圖像采集系統(tǒng)可以作為獨(dú)立的單元存在，并且具有體積小、處理能力強(qiáng)、成本低、精度高且功耗低等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)時(shí)圖像測量領(lǐng)域具有較為廣闊

3、的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞圖像測量；ARM；EP7312；SDRAM控制器- I -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文AbstractThe real time image collecting and processing plays a very important role in the modern image measurement technique, of which the former is the core technology. The rate and quality of the image collecting affect the measurement precision

4、directly.At present, the majority image collecting systems adopt the video camera sensor, then the video image is collected or compressed by the real time image collecting or compressing card before sent to the computer to process. Because the outputs of the camera are converted into the analog vide

5、o signal mode, and the pixel points of the video camera sensor are difficult to correspond with the sampling points of the collecting card at the output schedule, therefore the image quality is lost greatly, and the resolving capability is limited. In addition, this equipment often exists as the ins

6、erted card, which has some limitations such as high cost, complex structure etc, so it cant satisfy the high precision and portable type of the image measurement. Using the ARM EP7312 as the processor, a new kind of real-time image collecting technique based on 32bits embedded processor is put forwa

7、rd.In the article, the research work includes the system hardware and the system software. Firstly, the research requirements and the embedded processor EP7312 based on ARM are analyzed in details, and then the integrated design is made, and the optimized and minimized hardware system is designed. S

8、econdly, SDRAM is required to store the huge data of the digitized video, so the SDRAM controller is designed by using VHDL. Finally, the debug process of the unit circuit of the whole system is introduced in proper sequence.As a result, the digital image collecting system based on ARM EP7312 exists

9、 as a sole unit, and has lots of advantages such as small volume, strong processing ability, low cost, high precision, and low power consumption. So it has a wide prospect of application in the field of the real time image measurement.Keywords image measurement; ARM; EP7312; SDRAM controller- II -目錄

10、目錄摘要.I Abstract.II第1章 緒論.11.1課題來源、研究目的及意義.11.2嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用現(xiàn)狀.21.3 ARM及其發(fā)展現(xiàn)狀.31.4課題研究方案及主要內(nèi)容.4第2章 系統(tǒng)分析及系統(tǒng)總體設(shè)計(jì).52.1 CCD圖像數(shù)據(jù)及系統(tǒng)分析.52.2基于ARM的嵌入式處理器EP7312.72.2.1嵌入式處理器概述.72.2.2 ARM處理器結(jié)構(gòu)分析.102.2.3嵌入式處理器EP7312功能分析.132.3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì).192.4本章小結(jié).20第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).213.1 EP7312控制信號分析.213.2 EP7312系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).223.2.1電源電路與晶振電路.223.

11、2.2喚醒電路與復(fù)位電路.233.2.3 FLASH存儲器接口電路.253.2.4 SDRAM接口電路.293.2.5串行接口電路.323.2.6 LCD接口電路.343.2.7鍵盤接口電路.353.2.8 JTAG接口電路.353.2.9通用I/O接口電路.373.3本章小結(jié).37第4章 SDRAM可編程控制器設(shè)計(jì).38- III -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文4.1引言.384.2 VHDL編程的SDRAM控制器.384.2.1 SDRAM簡介.384.2.2 SDRAM控制器功能.404.2.3 SDRAM控制器FPGA設(shè)計(jì).434.2.4 SDRAM控制器VHDL描述.454.3 S

12、DRAM控制器的仿真結(jié)果.474.4本章小結(jié).47第5章 系統(tǒng)調(diào)試.485.1引言.485.2系統(tǒng)硬件調(diào)試.485.2.1電源、晶振、喚醒及復(fù)位電路.485.2.2 EP7312及JTAG接口電路.485.2.3 SDRAM接口電路的調(diào)試.505.2.4 FLASH接口電路的調(diào)試.525.3本章小結(jié).53結(jié)論.54參考文獻(xiàn).55附錄.57致謝.58IV - -第1章 緒論第1章緒論1.1 課題來源、研究目的及意義在現(xiàn)代圖像測量技術(shù)中，實(shí)時(shí)圖像采集和處理占有極其重要的地位，其中實(shí)時(shí)圖像采集是核心的技術(shù)。圖像采集的速度、質(zhì)量直接影響到測量的精度。目前大多數(shù)視頻圖像采集采用攝像頭傳感器，再通過實(shí)時(shí)圖

13、像采集（壓縮）卡對視頻圖像進(jìn)行采集（或壓縮）后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。由于攝像機(jī)的輸出已轉(zhuǎn)換成模擬視頻信號方式，且攝像頭傳感器的象素點(diǎn)在輸出時(shí)序上很難與采集卡的采樣點(diǎn)一一對應(yīng)，因此視頻圖像數(shù)字化后圖像質(zhì)量損失較大，圖像分辨力受到一定限制。另外，這種方法存在系統(tǒng)成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等局限性，不便于推廣和普及應(yīng)用。為此，最新出現(xiàn)了采用先進(jìn)攝像技術(shù)的圖像采集卡，極大地彌補(bǔ)了圖像質(zhì)量損失較大、成本高、不便于推廣等缺點(diǎn)。這類先進(jìn)攝像技術(shù)（如CMOS攝像技術(shù)）的采集卡的突出優(yōu)點(diǎn)是占用計(jì)算機(jī)資源少，數(shù)據(jù)傳輸速率較高，通用性好。例如采用USB接口的攝像頭在一定程度上滿足了實(shí)時(shí)性要求，突出了采樣速率高、圖像質(zhì)量高、通用

14、性好的特點(diǎn)。但采用這種技術(shù)的圖像采集卡必須進(jìn)行壓縮處理，且圖像大小受限制，成本隨之提高1。為此，人們提出了多種解決方案，其中比較有代表性的方案有以下兩種：一是在中央控制器的調(diào)度下，兩片或多片圖像處理主芯片并行對圖像進(jìn)行處理。二是整個(gè)圖像處理系統(tǒng)由圖像采集系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)組成，其中圖像采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收原始的圖像數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行一定的預(yù)處理；圖像處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收圖像采集系統(tǒng)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理2。以CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合器件）作為圖像傳感器，與計(jì)算機(jī)配合，即可組成功能強(qiáng)大的數(shù)字視頻圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在工業(yè)檢測和在線監(jiān)控方面充分發(fā)揮其作用。CCD圖像

15、傳感器不僅是高科技發(fā)展的產(chǎn)物，而且更由于與其它各種固態(tài)圖像傳感器相比，不僅體積小、重量輕、功耗低以及堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)外，CCD自掃描性（且頻率可調(diào)）可以很方便的把圖像信號的空間分布按照一個(gè)確定的線形關(guān)系轉(zhuǎn)換為電路中信號的時(shí)序分布，便于根據(jù)具體應(yīng)用的需要作進(jìn)一步的處理。除此之外，CCD還有光譜- 1 -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文響應(yīng)范圍寬、感光靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、容易和計(jì)算機(jī)接口、光敏單元幾何位置的高精度等特點(diǎn)3-4。本課題提出了一種新的基于32位嵌入式處理器的實(shí)時(shí)圖像采集技術(shù)，旨在利用其圖像處理速度快、圖像質(zhì)量高、成本低和便攜式的特點(diǎn)。1.2 嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用現(xiàn)狀嵌入式系統(tǒng)被定義為以應(yīng)用

16、為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是其所具有的目的性或針對性，即每一套嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)都有其特殊的應(yīng)用場合與特定功能，這也是嵌入式系統(tǒng)與通用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最主要的區(qū)別。另外，由于嵌入式系統(tǒng)是為特定的目的而設(shè)計(jì)的，且常常受到空間、成本、存儲、帶寬等條件的限制，因此，它必須最大限度地在硬件上和軟件上“量身定做”以提高效率，這樣的結(jié)果最終導(dǎo)致了實(shí)時(shí)性的增強(qiáng)。在單片機(jī)進(jìn)入我國的15年中，過去大量的是8/16位單片機(jī)的應(yīng)用，這只是嵌入式系統(tǒng)的初級階段。當(dāng)?shù)投说那度胧较到y(tǒng)無法滿足信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代

17、的更高要求時(shí)，32位嵌入式系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。32位嵌入式系統(tǒng)是電腦硬件與軟件的有機(jī)結(jié)合。嵌入式系統(tǒng)的大體構(gòu)架可分為五部分：處理器、內(nèi)存、輸入與輸出、操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件。32位嵌入式系統(tǒng)可分為硬件和軟件兩個(gè)平臺。硬件平臺的設(shè)計(jì)包括處理器電路、網(wǎng)絡(luò)功能、無線通信及使用接口等設(shè)計(jì)。嵌入式軟件為信息、通信網(wǎng)絡(luò)或消費(fèi)性電子產(chǎn)品等系統(tǒng)中的必備軟件，為硬件產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)程序、控制處理和基本接口功能服務(wù)，以提高硬件產(chǎn)品的價(jià)值。嵌入式軟件為該硬件產(chǎn)品不可缺少的重要組成部分。嵌入式系統(tǒng)把微處理器（CPU）或者微控制器（MCU）的系統(tǒng)電路與其專用的軟件平臺相結(jié)合，以此來達(dá)到系統(tǒng)操作的最高效率。目前的移動(dòng)電話、手表、電子游戲

18、機(jī)、PDA、電視、冰箱等民用電子與通信設(shè)備，電動(dòng)汽車、電動(dòng)機(jī)車等電動(dòng)產(chǎn)品的控制核心，無不與32位嵌入式系統(tǒng)息息相關(guān)。隨著后PC時(shí)代的到來，有理由相信32位嵌入式系統(tǒng)會呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢。因此，國內(nèi)的IT產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)該更新理念，即：逐步采用16/32位高性能的CPU；采用C等高級語言編程；采用RTOS及其平臺進(jìn)行開發(fā)；采- 2 -第1章 緒論用模塊化方式從事項(xiàng)目開發(fā)應(yīng)用。ARM 32位RISC處理器可以滿足IT產(chǎn)品的開發(fā)要求，縮短上市時(shí)間，為嵌入式應(yīng)用提供了一種更有效的CPU選擇。1.3 ARM及其發(fā)展現(xiàn)狀 ARM即Advanced RISC Machines的縮寫5。1985年4月261日,

19、第一個(gè)ARM原型在英國劍橋的Acorn計(jì)算機(jī)有限責(zé)任公司誕生，由美國加洲San Jose VLSI技術(shù)公司制造。1990年成立了Advanced RISC Machine Limited(后來簡稱ARM Limited，即ARM公司)。20世紀(jì)90年代，ARM 32位嵌入式RISC(Reduced Instruction Set Computer)擴(kuò)展到世界范圍，占據(jù)了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。ARM公司使用通用的基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)，以極低的成本和功耗提供了高性能、多系列的32位處理器核。ARM處理器在耗電、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)處理速度在業(yè)界處于領(lǐng)先地位，很快成為移動(dòng)通信、手持

20、計(jì)算、多媒體數(shù)字消費(fèi)和嵌入式解決市場的RISC標(biāo)準(zhǔn)。 ARM公司是一個(gè)設(shè)計(jì)公司，是知識產(chǎn)權(quán)(IP)供應(yīng)商，本身不生產(chǎn)芯片，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可由合作伙伴來生產(chǎn)各具特色的芯片。 ARM處理器的三大特點(diǎn)如下： 小體積、低功耗、成本低、高性能 16位/32位雙指令集ARM公司全球眾多的合作伙伴自1990年正式成立以來，ARM公司在32位RISC CPU開發(fā)領(lǐng)域不斷取得突破，其結(jié)構(gòu)己經(jīng)從V3發(fā)展到V6。由于ARM公司一直以IP (Intelligence Patent)提供者的身份向各大半導(dǎo)體制造商出售知識產(chǎn)權(quán)，而自己從不介入芯片的生產(chǎn)銷售，加上其設(shè)計(jì)的內(nèi)核具有功耗低，成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此獲得眾多的半導(dǎo)體

21、廠家和整機(jī)廠商的大力支持，在32位嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域獲得了巨大的成功，目前已經(jīng)占有70%以上的32位嵌入式產(chǎn)品市場。在低功耗，低成本的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域確立了市場領(lǐng)導(dǎo)地位?，F(xiàn)在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)ARM芯片的國際大公司已經(jīng)超過50多家，國內(nèi)中興通訊和華為通訊等公司也己經(jīng)購買了ARM公司的內(nèi)核用于通訊專用芯片的設(shè)計(jì)。目前非常流行的ARM內(nèi)核有ARM7TDMI，StrongARM，ARM720T，- 3 -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文ARM9TDMI，ARM922T，ARM940T，ARM946T，ARM966T，ARMIOTDMI等，自V5以后，ARM公司提供PICCOLO DSP的內(nèi)核給芯片設(shè)計(jì)者，用于設(shè)計(jì)A

22、RM+DSP的SOC (System On Chip)結(jié)構(gòu)的芯片。此外，ARM芯片還獲得了許多實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(Real Time Operating System)供應(yīng)商的支持，比較知名的有：Windows CE、Linux、pSOS、VxWorks、Nucleus、EPOC、uCOS等5。ARM 32位體系結(jié)構(gòu)目前被公認(rèn)為是業(yè)界領(lǐng)先的32位嵌入式RISC微處理器結(jié)構(gòu)。所有的ARM處理器共享這一體系結(jié)構(gòu)。這可確保當(dāng)開發(fā)者轉(zhuǎn)向更高性能的ARM處理器時(shí)，在軟件開發(fā)上可獲得最大的回報(bào)。1.4 課題研究方案及主要內(nèi)容鑒于32位ARM RISC處理器的各種優(yōu)點(diǎn)，本課題擯棄了過去常用的8/16位單片機(jī)或者D

23、SP，采用最近出現(xiàn)但已經(jīng)十分流行的ARM（EP7312）作為處理器，開發(fā)出一種可以獨(dú)立工作，并且具有體積小、處理能力強(qiáng)且功耗低等特點(diǎn)的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6。EP7312的工作頻率高達(dá)90MHZ，完全滿足數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)采集、處理與計(jì)算；具有多種接口，可以直接進(jìn)行鼠標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)鍵盤的接口；具有LCD控制器，可以直接支持TFT真彩液晶顯示，也可以直接驅(qū)動(dòng)VGA顯示器；具有多種外部存儲器訪問，可以擴(kuò)展各種存儲器，使處理器工作起來更加快捷。這所有的一切證明該處理器完全滿足該課題的要求，完全能實(shí)現(xiàn)所要求的功能，與過去的單片機(jī)和DSP，ARM可以節(jié)省很多外設(shè)接口和電路7。本課題要研究的主要內(nèi)容如下：1. 掌握

24、EP7312芯片資料、進(jìn)行方案分析并進(jìn)行系統(tǒng)總設(shè)計(jì)。2. 進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。3. 進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。4. 對該系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行調(diào)試、仿真。 對該系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步開發(fā)，最大限度的利用該系統(tǒng)資源。- 4 -第2章 系統(tǒng)分析與系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)第2章系統(tǒng)分析與系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 CCD圖像數(shù)據(jù)及系統(tǒng)分析由于目前市售CCD攝像頭不適于進(jìn)行精密圖像測量，所以本課題采用了特殊的數(shù)字化面陣CCD攝像頭，其工作原理如圖2-1所示3：圖2-1 數(shù)字化面陣CCD攝像頭原理圖Fig.2-1 Schematic of Digitized Area CCD Camera由上圖看出，數(shù)字化面陣CCD攝像頭中設(shè)計(jì)了靈活、專用和低成

25、本的CCD驅(qū)動(dòng)電路、相關(guān)箝位保持電路、CCD圖像信號的A/D轉(zhuǎn)換電路。這樣使驅(qū)動(dòng)程序中各主要參數(shù)可以很方便地根據(jù)不同的應(yīng)用場合而作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。例如，主振頻率、水平像元個(gè)數(shù)、垂直像元個(gè)數(shù)、曝光時(shí)間等，這是目前一般的CCD數(shù)字圖像系統(tǒng)如電視兼容攝像機(jī)圖像A/D采集卡所無法作到的。采用相關(guān)箝位保持電路有效的抑制復(fù)位噪聲和1/f噪聲。在A/D轉(zhuǎn)換電路中，A/D采用的采樣脈沖是由前面的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生，因而能與CCD輸出的各像元電荷保持高度的同步，A/D轉(zhuǎn)換方式就可以準(zhǔn)確的將CCD輸出的圖像信號變?yōu)橄鄳?yīng)的數(shù)字形式，更有利于保留許多的重要信息。攝像頭電路分為三個(gè)部分：1) 時(shí)序電路部分：用于產(chǎn)生CCD工作，信

26、號處理和A/D轉(zhuǎn)換，以及各種邏輯脈沖，其中包括行時(shí)鐘脈沖、列時(shí)鐘脈沖、場轉(zhuǎn)移脈沖、行同步脈沖和幀同步脈沖等等。2) 驅(qū)動(dòng)電路部分：用于將CCD工作所需的邏輯脈沖，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換，功率放大，整形后送入CCD，驅(qū)動(dòng)面陣CCD輸出各像元信號。- 5 -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文3) 信號處理與視頻A/D轉(zhuǎn)換電路：信號處理電路包括低噪聲前放和抑制噪聲的相關(guān)取樣電路。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路使CCD輸出的邏輯信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。因此，數(shù)字化面陣CCD攝像頭輸出的是一幀圖像的依序各像元8位數(shù)字信號和幀同步信號CLK2、行同步信號CLK1和像元時(shí)鐘信號CLK0等。它們之間的時(shí)序邏輯如圖2-2所示，其中CLK0

27、為10MHz，每一幀圖像是600×800，即600行，800列。圖2-2 CCD圖像時(shí)序邏輯圖Fig.2-2 Sequential Logic Diagram of CCD Image由于數(shù)字化面陣CCD輸出的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)是高速大量和連續(xù)的，因此要求圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須具有高速及功能強(qiáng)大的處理器；另外，為了便于圖像測量，系統(tǒng)最好采用便攜式設(shè)計(jì)，因此把該圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)成嵌入式系統(tǒng)是很好的選擇。圖2-3 嵌入式系統(tǒng)框圖Fig.2-3 Embedded System Block Diagram- 6 -第2章 系統(tǒng)分析與系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的框架可以分成四個(gè)部分：處理器、存儲器、輸入輸

28、出和軟件。首先，嵌入式系統(tǒng)最核心的部分就是嵌入式處理器了。目前，世界上具有嵌入式功能特點(diǎn)的處理器已經(jīng)超過了1000多種，30多個(gè)系列。不同的處理器有其不同的功能和優(yōu)勢。但是低成本、低功耗、高性能是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的特殊要求。目前主要的嵌入式處理器類型有Power PC、X86、MIPS、ARM/StrongARM系列等。其次，存儲器也是構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)的重要部分。本系統(tǒng)就需要FLASH和SDRAM。雖然存儲器的選擇依賴于處理器的選擇，但是就功能需求來說，需要考慮容量大的，性能穩(wěn)定的存儲器。就FLASH來說，還需要考慮FLASH的擦除等軟件操作是否方便。再次，要結(jié)合實(shí)際情況和處理器的功能，確定系統(tǒng)外

29、圍設(shè)備。本系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字圖像采集系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需要以下通信接口：1. RS-232串行接口目前RS-232是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為一種在低速率串行通信中增加通信距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)需要通過該串口下載程序，或者進(jìn)行串行通信。2. 鍵盤和液晶屏鍵盤和液晶屏是常用的輸入輸出設(shè)備，結(jié)合各具特色的嵌入式應(yīng)用軟件，可以把嵌入式控制器的功能發(fā)揮更大，并且可以用于現(xiàn)場調(diào)試。3. JTAG接口JTAG(Joint Test Action Group，聯(lián)合測試行動(dòng)小組)是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測試及對系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試。2.2 基于ARM的嵌入式處理

30、器EP73122.2.1 嵌入式處理器概述目前基于嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器，現(xiàn)有的嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有三十幾個(gè)系列。現(xiàn)在幾乎每個(gè)半導(dǎo)體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器，越來越多的公司有自己的處理器設(shè)計(jì)部門。嵌入式處理器的尋址空間一般從64KB到l632MB，處理速度從0.1MIPS到2000MIPS，常用封裝從8個(gè)引腳到144- 7 -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文個(gè)引腳。根據(jù)其現(xiàn)狀，嵌入式處理器可以分成下面幾類5。1. 嵌入式微處理器（Embedded Microprocessor Unit，EMPU）嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計(jì)

31、算機(jī)中的CPU。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能，這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本是一樣的，但在工作溫度、電磁干擾、可靠性等方面一般做了各種增強(qiáng)。和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但是在電路板上必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設(shè)等器件，從而降低了系統(tǒng)的可靠性，技術(shù)保密性也較差。嵌入式微處理器及其存儲器、總線、外設(shè)等安裝在一塊電路板上，稱為單板計(jì)算機(jī)。如STDBUS、PC104等。近年來，德國、日本的一些公司又開發(fā)出了類似

32、“火柴盒”式名片大小的嵌入式計(jì)算機(jī)系列OEM產(chǎn)品。嵌入式處理器目前主要有Aml86/88、386EX、SC400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等。2. 嵌入式微控制器（Microcontroller Unit，MCU）嵌入式微控制器又稱單片機(jī)，顧名思義，就是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、Watchdog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash、RAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個(gè)系列的單片機(jī)具有多種衍

33、生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲器和外設(shè)的配置及封裝。這樣可以使單片機(jī)最大限度地和應(yīng)用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功耗和成本。和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器。嵌入式微控制器目前的品種和數(shù)量最多，比較有代表性的通用系列包括8051、P5lXA、MCS251、MCS96/196/296/、MC68HC05/11/12/16、68300、MPCSXX等。另外還有許多半通用系列如：支持USB接口的MCU 8

34、XC930/931、C540、C541；支持I2C、CANBus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70的市場份額。特別值得注意的- 8 -第2章 系統(tǒng)分析與系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)是近年來提供X86微處理器的著名廠商AMD公司，將Aml86CC/CH/CU等嵌入式處理器稱之為Microcontroller，MOTOROLA公司把以Power PC為基礎(chǔ)的 PPC505和PPC555亦列入單片機(jī)行列。TI公司亦將其TMS320CZXXX系列DSP作為MCU進(jìn)行推廣。3. 嵌入式DSP處理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP） DSP處理器

35、對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正從在通用單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。嵌入式DSP處理器有兩個(gè)發(fā)展來源，一是DSP處理器經(jīng)過單片化、EMC改造、增加片上外設(shè)成為嵌入式DSP處理器，TI的TMS320C2000/C5000等屬于此范疇；二是在通用單片機(jī)或SOC中增加DSP協(xié)處理器，例如Intel的MCS296和Siemens的TriCore。推動(dòng)嵌入式DSP處理器發(fā)展的另一個(gè)因素是嵌入式系統(tǒng)的智能化，例如各種帶有智能邏輯的消費(fèi)

36、類產(chǎn)品，生物信息識別終端，帶有加解密算法的鍵盤，ADSL接入、實(shí)時(shí)語音壓解系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實(shí)顯示等。這類智能化算法一般都是運(yùn)算量較大，特別是向量運(yùn)算、指針線性尋址等較多，而這些正是DSP處理器的長處所在。嵌入式DSP處理器比較有代表性的產(chǎn)品是Texas Instruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列，移動(dòng)通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已經(jīng)發(fā)展成為DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等幾個(gè)不同系列的處理器。另外PHILIPS公司

37、今年也推出了基于可重置度DSP結(jié)構(gòu)低成本、低功耗技術(shù)上制造的R.E.A.L DSP處理器，特點(diǎn)是具備雙Harvard結(jié)構(gòu)和雙乘/累加單元，應(yīng)用目標(biāo)是大批量消費(fèi)類產(chǎn)品。4. 嵌入式片上系統(tǒng)（System On Chip）隨著EDI的推廣和VLSI設(shè)計(jì)的普及化，及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)更為復(fù)雜的系統(tǒng)的時(shí)代已來臨，這就是System On Chip（SOC）。各種通用處理器內(nèi)核將作為SOC設(shè)計(jì)公司的標(biāo)準(zhǔn)庫，和許多其它嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為VLSI設(shè)計(jì)中一種標(biāo)準(zhǔn)的器件，用標(biāo)準(zhǔn)的VHDL等語言描述，存儲在器件庫中。用戶只需定義出其整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設(shè)計(jì)圖交給半導(dǎo)體工廠

38、制作樣品。這樣除個(gè)別無法集成的器件以外，整個(gè)嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路- 9 -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文板將變得很簡潔，對于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。SOC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括Siemens的TriCore，Motorola的MCore，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。專用SOC一般專用于某個(gè)或某類系統(tǒng)中，不為一般用戶所知。一個(gè)有代表性的產(chǎn)品是Philips的Smart XA，它將XA單片機(jī)內(nèi)核和支持超過2048位復(fù)雜RSA算法的CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個(gè)可加載JAVA或

39、C語言的專用的SOC，可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)如Internet安全方面。2.2.2 ARM處理器結(jié)構(gòu)分析2.2.2.1 ARM處理器系列ARM(Advanced RISC Machines)處理器本身是32位設(shè)計(jì)，但也配備了16位指令集，以允許軟件編碼為了更短的16位指令。與等價(jià)的32位代碼相比，占用的存儲空間節(jié)省高達(dá)35，然而保留了32位系統(tǒng)所有的優(yōu)勢(例如，訪問一個(gè)全32位地址空間)。Thumb狀態(tài)與正常的ARM狀態(tài)之間的切換是零開銷的。在CPU功能上，DSP指令集提供了增強(qiáng)的16位和32位算術(shù)運(yùn)算能力，提高了性能和靈活性。ARM還提供了兩個(gè)前沿特性：嵌入式ICE-RT邏輯和嵌入式跟蹤宏核系列，

40、用以輔助帶深嵌入式處理器核的、高集成的SOC器件的調(diào)試。多年來，嵌入式ICE-RT一直是ARM處理器重要的集成調(diào)試特性。實(shí)際上他們己經(jīng)做進(jìn)所有的ARM處理器，允許代碼在任何地方一甚至在ROM中設(shè)置斷點(diǎn)。ARM業(yè)界領(lǐng)先的跟蹤解決方案一嵌入式跟蹤宏單元(ETM，Emvedded Trace Macrocell)，被設(shè)計(jì)成駐留在ARM處理器上，用以監(jiān)控內(nèi)部的總線，并能以核速度無妨礙地跟蹤指令和數(shù)據(jù)訪問，具有強(qiáng)大的軟件可配置過濾和觸發(fā)邏輯，以允許開發(fā)者精確地選擇讓ETM捕獲哪條指令和數(shù)據(jù)，然后將信息壓縮，通過分布，可配置的跟蹤器和FIFO緩沖器從芯片中輸出。ARM處理器當(dāng)前有5個(gè)產(chǎn)品系列：ARM7、A

41、RM9、ARM9E、ARM10和SecurCore，還有一些和第三方合作的產(chǎn)品(如Strong ARM)。ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10是四個(gè)通用的處理器系列。每個(gè)系列提供一套特定的性能來滿足設(shè)計(jì)者對功耗、性能和體積的需求58-13。ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10產(chǎn)品系列提供了一系列處理器可供選擇，為特定目的而設(shè)計(jì)，包括：- 10 -第2章 系統(tǒng)分析與系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 用于低價(jià)位應(yīng)用的整形核；用于Windows CE操作系統(tǒng)的、帶集成存儲器管理單元(MMU，Memory Management Unit)的核；最適合運(yùn)行實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)(RTOS)的核。目前用的最多的ARM

42、處理器都是基于ARM7核的，下面重點(diǎn)介紹ARM7系列。ARM7系列為低功耗32位核，最適用于對價(jià)位和功耗敏感的消費(fèi)類應(yīng)用。ARM7系列具有下列特性：1) 嵌入式ICERT邏輯；2) 非常低的功耗；3) 能提供0.9MIPS/MHz的三級流水線和馮諾曼結(jié)構(gòu)。ARM主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋阂蛱鼐W(wǎng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)設(shè)備以及移動(dòng)電話等多媒體和嵌入式應(yīng)用。1. ARM7TDMIARM7TDMI是世界上廣泛使用的32位嵌入式RISC處理器。它是目前用于低端的ARM處理器核，且應(yīng)用范圍很廣。 ARM7TDMI名字原義如下：ARM7： AM6 32位整形核的3V兼容版本； T：16位壓縮指令集； D：在片上調(diào)試(d

43、ebug)支持，允許處理器響應(yīng)調(diào)試請求暫停；M：增強(qiáng)型乘法器(multiplier)，與以前處理器相比性能更高，產(chǎn)生全64位運(yùn)算結(jié)果；I：嵌入式ICE硬件提供片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)支持 2. ARM7TDMI-SARM7TDMI的可綜合(synthesizable)版本(軟核) 最適用于可移植性和靈活性為關(guān)鍵的現(xiàn)代設(shè)計(jì) 3. ARM720T 全性能的MMU 最適用于低功耗和體積為關(guān)鍵的應(yīng)用 4. ARM7EJARM7EJ是Jazelle和DSP指令集的最小和最低功耗的實(shí)現(xiàn)2.2.2.2 ARM處理器結(jié)構(gòu)ARM處理器實(shí)現(xiàn)加載/存儲(Load/Store)體系結(jié)構(gòu)是典型的RISC處理- 11 -哈爾濱工

44、業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文器，只有加載和存儲指令可以訪問存儲器。數(shù)據(jù)處理指令只對寄存器的內(nèi)容進(jìn)行操作。1) RISC特點(diǎn)如下：指令規(guī)整、對稱、簡單。指令小于100條，基本尋址方式有2-3種 單周期指令¨D¨D指令長度一致，單拍完成，便于流水操作；¨D¨DARM7 三級流水線：取指、譯碼、執(zhí)行；¨D¨DARM9 五級流水線； ¨D¨DARM10 六級流水線；大量的寄存器，寄存器不少于32個(gè)，數(shù)據(jù)處理器的指令只對寄存器的內(nèi)容操作，只有加載和存儲指令才可以訪問寄存器。2) ARM和ThumbARM處理器有兩類指令集，ARM指

45、令集和Thumb指令集。ARM體系結(jié)構(gòu)v4T及以上版本定義了稱為Thumb指令集的16位指令集。Thumb指令集的功能是32位ARM指令集的功能子集。Thumb在性能和代碼大小之間提供了出色的折中。正在執(zhí)行Thumb指令集的處理器必須工作在Thumb狀態(tài)下。正在執(zhí)行ARM指令集的處理器也必須工作在ARM狀態(tài)下。在ARM狀態(tài)下的處理器不能執(zhí)行Thumb指令，在Thumb狀態(tài)下的處理器也不執(zhí)行ARM指令。但是ARM處理器狀態(tài)和Thumb處理器狀態(tài)可以相互切換，必須確保處理器不接受對當(dāng)前狀態(tài)來說為錯(cuò)誤指令集的指令。所有ARM指令是32位長度。指令以字對準(zhǔn)保存，這樣ARM狀態(tài)指令地址的最低2位總是零。

46、一些指令使用最低有效位判定代碼是轉(zhuǎn)向 Thumb代碼還是ARM代碼。所有的Thumb指令是16位長度，在存儲器中半字對準(zhǔn)保存。因此，指令的最低有效位在Thumb狀態(tài)下總是零。對于所有的Thumb數(shù)據(jù)處理指令有：操作寄存器中全部為32位值今數(shù)據(jù)訪問和取指使用全32位地址Thumb是32位體系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)充。Thumb指令集是大多數(shù)常用的32位ARM指令集的子集，壓縮成16位寬操作碼。在執(zhí)行時(shí)，16位指令透明地實(shí)時(shí)的解壓縮成32位的ARM指令集，且沒有性能損失。設(shè)計(jì)者可以靈活使用16位Thumb和32位ARM指令集。在子程序級- 12 -第2章 系統(tǒng)分析與系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)可根據(jù)應(yīng)用需求，靈活地強(qiáng)調(diào)性能和代碼大小。Thumb指令集比通常的