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基于ARM单片机的人机交互接口硬件设计.doc
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基于ARM单片机的人机交互接口硬件设计.doc
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1 引 言
1.1 课题的背景及意义
由于网络与通信技术的发展,嵌入式系统在经历了近 20 年的发展历程后,又进入
了一个新的历史发展阶段,即从普遍的低端应用进入到一个高、低端并行发展,并且不
断提升低端应用技术水平的时代,其标志是近年来 32 位 MCU 的发展。
当网络、通信和多媒体信息家电业兴起后,出现了嵌入式系统高端应用的市场,而
在嵌入式系统的高端应用中,进行多年技术准备的 ARM 公司适时地推出了 32 位 ARM 系
列嵌入式微处理器,以其明显的性能优势和知识产权平台扇出的运行方式,迅速形成 32
位机高端应用的主流地位,以至于使不少传统嵌入式系统厂家放弃了自己的 32 位发展
计划,转而使用 ARM 内核来发展自己的 32 位 MCU。网络、通信、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;同时,也为力
不从心的 8 位机向高端发展起到了接力作用。一般来说,嵌入式系统的高、低端应用模
糊地界定为:高端用于具有海量数据处理的网络、通信和多媒体领域,低端则用于对象
系统的控制领域。32 位机的市场需求发展由两方面所致:一方面是高端新兴领域(网络、
通信、多媒体和信息家电)的拓展;另一方面是低端控制领域应用在数据处理能力的提
升要求。
在嵌入式系统已经越来越广泛的今天,基于 EASY ARM 的人机接口的软硬件设计有
着如下意义:
(1) 通过本次设计过程,对人机接口的硬件设计结构,及驱动方法会更为深入的掌
握。
(2) 对嵌入式操作系统及目前流行的 ARM 架构的嵌入式微处理器的开发和应用进行
探索。
1.2 ARM 的发展阶段及发展趋势
1.2.1 发展阶段
ARM(Advanced RISC Machines)是微处理器行业的一家知名企业,设计了大量高性
能、廉价、耗能低的 RISC 处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗
省的特点。适用于多种领域,比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP 和移动式应用等。
ARM 将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和 OEM 厂商,每个厂商得到的
都是一套独一无二的 ARM 相关技术及服务。利用这种合伙关系,ARM 很快成为许多全球
性 RISC 标准的缔造者。
ARM 架构是面向低预算市场设计的第一款 RISC 微处理器。
ARM 即 Advanced RISC Machines 的缩写,既可以认为是一个公司的名字,也可以认
为是对一类微处理器的通称,还可以认为是一种技术的名字。
1985 年 4 月 26 日,第一个 ARM 原型在英国剑桥的 Acorn 计算机有限公司诞生,由
美国加州 San Jose VLSL 技术公司制造。
20 世纪 80 年代后期,ARM 很快开发成 Acorn 的台式机产品,形成英国的计算机教
育基础。
1990 年成立了 Advanced RISC Machines Limited(后来简称为 ARM Limited,ARM 公
司)。20 世纪 90 年代,ARM 32 位嵌入式 RISC(Reduced Instruction Set Computer)处理
器扩展到世界范围,占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。
ARM 公司既不生产芯片也不销售芯片,它只出售芯片技术授权。
1.2.2 发展趋势
后 PC 时代的到来以及 32 位嵌入式系统的高端应用吸引了大量计算机专业人士的
介入,加之嵌入式系统软/硬件技术的发展,导致了嵌入式系统应用模式的巨大变化,
即使嵌入式系统应用进入到一个基于软/ 硬件平台、集成开发环境的应用系统开发时代,
并带动了 SOC 技术的发展。
在众多嵌入式系统厂家参与下,基于 ARM 系列处理器的应用技术会在众多领域取得
突破性进展。Intel 公司将 ARM 系列向更高端的嵌入式系统发展;而 PHILIPS 公司则在
向高端嵌入式系统发展的同时,向低端的 8 位和 16 位机的高端应用延伸。Intel 公司和
PHILIPS 公司的发展都体现了各自的特点,并充分发 挥了各自的优势。因此,在 32 位
嵌入式系统的应用中,ARM 系列会形成 ARM 公司领军,众多厂家参与,计算机专业、电
子技术专业以及对象专业人士共同推动的局面,形成未来 32 位嵌入式系统应用的主流
趋势。这种集中分工的技术发展模式有利于嵌入式系统的快速发展。
随着市场的需求增长,集成工艺水平的可行性以及计算机自动设计技术的不断提高,
促使单片系统成为集成电路设计的发展方向,这一趋势表现一下几个方面:
(1) 超大规模集成电路的集成度和工艺水平的不断提高,深亚微米工艺已经走向成
熟,在一个芯片上完成系统已经成为可能。
(2) 市场对电子产品提出了更高要求。
(3) 高性能的 ARM 工具得到了迅速发展,其自动化和智能化程度不断提高,为嵌入
式系统设计提供了强大的开发环境。
总之,系统及芯片集成 RAM 和微处理器,整个 ARM 和集成电路设计都朝这个方向发
展。
1.3 人机交互接口和界面的设计展望
人机交互(Human-Computer Interaction, 简写 HCI):是研究关于设计、评价和实
现供人们使用的交互计算系统以及有关这些现象进行研究的科学。
人机界面(Human-Computer Interface,简写 HCI):是人与计算机之间传递、交换
信息的媒介和对话接口,是计算机系统的重要组成部分。
操作系统的人机交互功能是决定计算机系统“友善性”的一个重要因素。人机交互
功能主要靠可输入输出的外部设备和相应的软件来完成。人机交互部分的主要作用是控
制有关设备的运行和理解并执行通过人机交互设备传来的有关的各种命令和要求。随着
模式识别,如语音识别、汉字识别等输入设备的发展,操作员和交互设备在类似于自然
语言或受限制的自然语言这一级上进行交互成为可能。此外,通过图形进行人机交互也
吸引着人们去进行研究。这些人机交互可称为智能化的人机交互。
1.4 本章小结
本章首先对所研究课题的背景做以阐述,从嵌入式系统发展的历程到今天的广泛应
用,进一步说明了人机交互接口设计的意义,然后介绍了 ARM 发展的不同阶段和发展趋
势,最后对人机交互的发展做一个设计展望。
2 ARM 的新型器件
2.1 ARM 架构介绍
从最初开发到现在,ARM 指令集体系结构有了巨大的改进,并在不断的完善和发展,
为了清楚的表达每个 ARM 应用实例所使用的指令集,ARM 公司定义了 5 种主要的 ARM 指
令集体系结构,以版本号 V1-V5 表示。本章主要介绍常用的 ARM7TDMI-S 的内部逻辑结
构和原理,以及 LPC 系列的器件。
2.1.1 内核系列
ARM 版本Ⅰ:V1 版架构。该版架构只在原型机 ARM1 出现过,只有 26 位的寻址空间,
没有用于商业产品。
ARM 版本Ⅱ:V2 版架构。该版架构对 V1 版进行了扩展,例如 ARM2 和 ARM3(V2a)
架构。包含了对 32 位乘法指令和协处理器指令的支持。版本 2a 是版本 2 的变种,ARM3
芯片采用了版本 2a,是第一片采用片上 Cache 的 ARM 处理器。同样为 26 位寻址空间,
现在已经废弃不再使用。
ARM 版本Ⅲ:V3 版架构。ARM 作为独立的公司,在 1990 年设计的第一个微处理器采
用的是版本 3 的 ARM6。它作为 IP 核独立的处理器,具有片上高速缓存、MMU 和写缓冲的
集成 CPU。变种版本有 3G 和 3M。版本 3G 是不与版本 2a 向前兼容的版本 3,版本 3M 引
入了有符号和无符号数乘法和乘加指令,这些指令产生全部 64 位结果。V3 版架构(目
前已废弃)对 ARM 体系结构作了较大的改动。
ARM 版本Ⅳ:V4 版架构。V4 版架构在 V3 版上作了进一步扩充,V4 版架构是目前应
用最广的 ARM 体系结构,ARM7、ARM8、ARM9 和 Strong ARM 都采用该架构。
ARM 版本Ⅴ:V5 版架构。V5 版架构是在 V4 版基础上增加了一些新的指令,ARM10
和 X scale 都采用该版架构。
ARM 版本Ⅵ:V6 版架构。V6 版架构是 2001 年发布的,首先在 2002 年春季发布的
ARM11 处理器中使用。在降低耗电量地同时,还强化了图形处理性能。通过追加有效进
行多媒体处理的 SIMD(Single Instruction, Multiple Data,单指令多数据 )功能,将
语音及图像的处理功能提高到了原型机的 4 倍。
ARM 公司开发了很多系列的 ARM 处理器核,目前最新的系列已经是 ARM11。ARM7、
ARM9、ARM9E 和 ARM10 为 4 个通用处理器系列。每一个系列提供一套相对独特的性能来
满足不同应用领域的需求。
2.1.2 ARM7TDMI-S 内核结构与原理
(1)ARM7 微处理器系列
低功耗的 32 位 RISC 处理器,冯·诺依曼结构。极低的功耗,适合便携式产品。具
有嵌入式 ICE-RT 逻辑,调试开发方便。3 级流水线结构。能够提供 0.9MIPS 的三级流
水线结构。代码密度高,兼容 16 位的 Thumb 指令集。对操作系统的支持广泛,包括
Windows CE、Linux、Palm OS 等。指令系统与 ARM9 系列、ARM9E 系列和 ARM10E 系列兼
容,便于用户的产品升级换代。主频最高可达 130MIPS。
主要应用领域:工业控制、Internet 设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多
种多媒体和嵌入式应用。
(2)ARM7TDMI 微处理器
4 种类型:ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。ARM7TMDI 是目前使用最广
泛的 32 位嵌入式 RISC 处理器,属低端 ARM 处理器核。ARM7TMDI-S 含义如图 1 所示:
ARM7 T D M I - S
ARMTDMI 的可综合版本(软核);
嵌入式 ICE,支持断点和片上调试点;
支持 64 位长乘法;
支持片上 Debug;
支持高密度 16 位的压缩 Thumb 指令集;
图 1 ARM7TDMI-S 的含义
(3)ARM7TDMI 内部结构
组成:处理器核、用于边界扫描的 TAP 控制器、在线仿真器 ICE。双向数据总线
D[31:0]被分割成单向输入和输出总线,以便于与外部存储器兼容。ARM7TDMI 内部结构
如图 2 所示:
图 2 ARM7TDMI 内部结构
(4)ARM7TDMI 的模块和内核框图如图 3 所示:
图 3 ARMTDMI 模块
RANGEOUT0
RANGEOUT1
EXTERN0
EXTERN1
嵌入式 ICE
宏单元
扫描链 0
扫
描
链
1
扫
描
链
2
总
线
分
割
器
ARM7TDMI
主处理器逻辑
其他
信号
nOPC
nTRANS
nRW
MAS[1:0]
nMREQ
A[31:0]
D[31:0]
DIN[31:0]
DOUT[31:0
]
TCK
TMS
nTRST
TDI
TDO
SCREG[3:0]
IR[3:0]
TAPSM[3:0
]
TAP 控制器
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oligaga
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