【正文】 目前使用最廣泛的 32 位嵌入式 RISC處理器，屬低端 ARM處理器核。 ARM7 系列微處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋汗I(yè)控制、 Inter 設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備、移動(dòng)電話等多種多媒體和嵌入式應(yīng)用。 － 指令系統(tǒng)與 ARM9系列、 ARM9E系列和 ARM10E系列兼容，便于用戶的產(chǎn)品升級(jí)換代。 － 代碼密度高并兼容 16位的 Thumb指令集。 － 極低的功耗，適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用，如便攜式產(chǎn)品。 ARM7微處理器系列： ARM7 系列微處理器為低功耗的 32 位 RISC 處理器，最適合用于對(duì)價(jià)位和功耗要求較高的消費(fèi)類應(yīng)用。 － ARM7系列 － ARM9系列 － ARM9E系列 － ARM10E系列 － SecurCore系列 － Inter的 Xscale － Inter的 StrongARM 其中， ARM ARM ARM9E和 ARM10為 4個(gè)通用處理器系列，每一個(gè)系列提供一套相對(duì)獨(dú)特的性能來(lái)滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。 除此以外， ARM微處理器及技術(shù)還應(yīng)用到許多不同的領(lǐng)域，并會(huì)在將來(lái)取得 更加廣泛的應(yīng)用。 ⑤ 成像和安全產(chǎn)品：現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用 ARM 技術(shù)。此外， ARM在語(yǔ)音及視頻處理上進(jìn)行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對(duì) DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。 ② 無(wú)線通訊領(lǐng)域：目前已有超過(guò) 85%的無(wú)線通訊設(shè)備采用了 ARM 技術(shù)， ARM 以其高性能和低成本，在該領(lǐng)域的地位日益鞏固。 ARM架構(gòu)是面向低預(yù)算市場(chǎng)設(shè)計(jì)的第一款 RISC微處理器 。目前，總共有 30多家半導(dǎo)體公司與 ARM簽訂了硬件技術(shù)使用許可協(xié)議，其中包括 Intel、 IBM、 LG半導(dǎo)體、 NEC、 SONY、菲利浦和國(guó)民半導(dǎo)體這樣的大公司，至于軟件系統(tǒng)的合伙人，則包括微軟、升陽(yáng)和 MRI 等一系列知名公司。 ARM概述 ARM（ Advanced RISC Machines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè) ， 1991年 ARM 公司成立于英國(guó)劍橋。 （ 4）友好 的人機(jī)界面 大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)都與人進(jìn)行交互，所以友好的人機(jī)界面是開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)的基本要求。 未來(lái)的嵌入式產(chǎn)品，是軟硬件高度集成的產(chǎn)品。其開(kāi)發(fā)工具包括硬件工具和軟件工具。 （ 1）開(kāi)發(fā)平臺(tái)的完備性 3 嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)系統(tǒng)的工程，涉及到軟件，硬件，系統(tǒng)集成等諸多方 面。 第四階段是以基于 Inter 為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)，這是一個(gè)正在迅速發(fā)展的階段。 第二階段是以嵌入式 CPU為基礎(chǔ)、以簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史及趨勢(shì) 嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)至今已經(jīng)有 30 多 年的 歷史了 （歷史很短，說(shuō)明前景很廣闊） ，嵌入式技術(shù)也歷經(jīng)了幾個(gè)發(fā)展階段。 （ 7）電信設(shè)備。 （ 6）網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備。還有各種協(xié)議分析器，用于分析網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。 （ 5）現(xiàn)場(chǎng)儀器。 （ 4）生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)。 （ 3）控制系統(tǒng)與工業(yè)自動(dòng)化。 （ 2）辦公自動(dòng)化產(chǎn)品。如： （ 1）消費(fèi)類電子產(chǎn)品。大部分嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員選用的軟件開(kāi)發(fā)模式是先在 PC 機(jī)上編寫軟件，再進(jìn)行軟件的移植工作。應(yīng)用程序直接對(duì)底層硬件進(jìn)行訪問(wèn)。 2 (2) 嵌入式操作系統(tǒng) 在嵌入式操作系統(tǒng)中，一般都要采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（ RTOS）， RTOS 一般包括實(shí)時(shí)內(nèi)核（ kernel） 及用戶特定的板級(jí)支持包（ BSP），它介于硬件系統(tǒng)及上層軟件之間，為所有的上層軟件提供一個(gè)多任務(wù)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)環(huán)境及一整套 API。嵌入式系統(tǒng)也稱為嵌入式計(jì)算機(jī)，因此嵌入式系統(tǒng)被定義為非通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，即專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)被定義為： 以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、能適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)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)。并且為我以后的工作和學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。所以，對(duì)我來(lái)說(shuō)，任務(wù)就更加繁重。 顯然，本次設(shè)計(jì)的任務(wù)量是繁重的。包括 硬件開(kāi)發(fā)和應(yīng)用程序開(kāi)發(fā) 。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目正是“ 基于 LPC2114 微處理器的嵌入式系統(tǒng)研究 ”。雖然現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)全球化，但我們得到的只是一些落后 的技術(shù)。我國(guó)目前還沒(méi)有生產(chǎn)出可以在市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)的芯片，但是隨著國(guó)家的重視和投資，以及不斷吸收世界先進(jìn)技術(shù)，在一些領(lǐng)域已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)國(guó)產(chǎn)化了。 1 微處理器的嵌入式系統(tǒng)研究 前言 隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)將起著越來(lái)越重要的作用，無(wú)論是民用還是軍用隨處都可以看見(jiàn)嵌入式系統(tǒng)的身影。在我國(guó)，到目前為止，在嵌入式系統(tǒng)研究方面，比起世界先進(jìn)技術(shù)，落后了很多，基本上沒(méi)多少核心技術(shù)，先進(jìn)技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)都在國(guó)外。但是這離許多世界先進(jìn)技術(shù)還相差甚遠(yuǎn)。因此必須培養(yǎng)自己的人才，研究核心技術(shù)，掌握核心技術(shù)。本次設(shè)計(jì)涉及到了嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的兩個(gè)重要模塊。旨在研究嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程，掌握嵌入式系統(tǒng)的基本開(kāi)發(fā)方法，以及掌握一些硬件和軟件的開(kāi)發(fā)和調(diào)試工具。再加上，以前我并沒(méi)有接觸過(guò)嵌入式系統(tǒng)這一領(lǐng)域。但我相信，通過(guò)我的努力，一定可以完成本次設(shè)計(jì)的任務(wù)。 1 緒論 嵌入式系統(tǒng)定義 從應(yīng)用來(lái)看： 嵌入式系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的一種應(yīng)用形式，通常是指嵌入到對(duì)象系統(tǒng)中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 從組成來(lái)看：把基于處理器（通用處理器和嵌入式處理器）的設(shè)備稱為計(jì)算機(jī)，把計(jì)算機(jī)分成兩大部分，即通用計(jì)算機(jī)和嵌入式計(jì)算機(jī)。 嵌入式系統(tǒng)的組成 一個(gè)典 型的嵌入式系統(tǒng)主要由以下幾部分組成： 硬件系統(tǒng)，嵌入式操作系統(tǒng)，應(yīng)用軟件 (1) 硬件系統(tǒng) 硬件系統(tǒng)由嵌入式微處理器、外圍接口硬件設(shè)備組成。當(dāng)然，在一些簡(jiǎn)單的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，并沒(méi)有操作系統(tǒng)的支持。 (3) 應(yīng)用軟件 應(yīng)用軟 件是針對(duì)特定的應(yīng)用需求開(kāi)發(fā)的軟件，完成嵌入式系統(tǒng)的主要功能。 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 嵌入式系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用在人們生活、工作的各個(gè)方面。如機(jī)頂盒，個(gè)人移動(dòng)設(shè)備（ PDA），數(shù)碼音頻播放器（ MP3），數(shù)碼相機(jī)，視頻游戲播放器， IP電話等等。如激光打印機(jī)，傳真機(jī)，掃描儀，復(fù)印機(jī)和 LCD投影儀等。如智能控制設(shè)備，智能儀表、現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，數(shù)控機(jī)床 ，機(jī)器人等。如 X光機(jī)的控制部件， EEG和 ECG設(shè)備， CT，超聲檢測(cè)設(shè)備，核磁共振設(shè)備等。如測(cè)量溫度，濕度，電壓，電流的儀器。還有數(shù)字示波器等。調(diào)制解調(diào)器，數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)設(shè)備， IP 網(wǎng)上多媒體設(shè)備，網(wǎng)關(guān)，路由器，加密解密設(shè)備， GPS設(shè)備，交換機(jī)，網(wǎng)絡(luò)接入盒等。電話交換機(jī)，終端適配器 TA， ATM交換機(jī)，幀中繼和一些通信設(shè)備。 第一階段是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)，同時(shí)具有與監(jiān)測(cè)、伺服、指示設(shè)備相配合的功能。 第三階段是以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。 就嵌入式系統(tǒng)的而言，其發(fā)展趨勢(shì)表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。有的嵌入式廠商不公僅提供處理器，還提供完備的開(kāi)發(fā)工具。 （ 2）嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化 網(wǎng)絡(luò)化主要表現(xiàn)在在兩個(gè)方面，一方面是嵌入式處理器集成了網(wǎng)絡(luò)接口，另一方面是嵌入式設(shè)備應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中 （ 3）系統(tǒng)的集成度的提高和性能指標(biāo)的提高。這就要求設(shè)計(jì)者盡可能地提高系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的功耗，精簡(jiǎn)系統(tǒng)的內(nèi)核，降低成本，對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪，用高效率的算法開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，新的人機(jī)界面不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)，如手寫輸入技術(shù)，語(yǔ)音輸入 /輸出技術(shù)，圖像輸出技術(shù)。 ARM 公司是專門從事基于 RISC 技術(shù)芯片設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的公司，作為知識(shí)產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片，世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從 ARM公司購(gòu) 買其設(shè)計(jì)的 ARM 微處理器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當(dāng)?shù)耐鈬娐?，從而形成自己的ARM微處理器芯片進(jìn)入市場(chǎng)?；?ARM 技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了 32 位RISC微處理器 75％以上的市場(chǎng)份額， ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個(gè)方面。 到目前為止， ARM微處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域： ① 工業(yè)控制領(lǐng)域：作為 32 位的 RISC 架構(gòu)，基于 ARM 核的微控制器芯片不斷占據(jù)了高端微控制器市場(chǎng)的大部分市場(chǎng)份額，同時(shí)也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展， ARM微控制器的低功耗、高性價(jià)比，向傳統(tǒng)的 8位 /16位微控制器提出了挑戰(zhàn)。 ③ 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：隨著寬帶技術(shù)的推廣，采用 ARM技術(shù)的 ADSL芯片正逐步獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。 ④ 消費(fèi)類電子產(chǎn)品： ARM 技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒和游戲機(jī)中得到廣泛 4 采用。手機(jī)中的 32 位SIM智能卡也采用了 ARM技術(shù)。 采用 RISC架構(gòu)的 ARM 微處理器一般具有如下特點(diǎn)： ① 體積小、低功耗、低成本、高性能； ② 支持 Thumb（ 16位） /ARM（ 32 位）雙指令集，能很好的兼容 8位 /16位器件； ③ 大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快； ④ 大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成； ⑤ 尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高； ⑥ 指令長(zhǎng)度固定； ARM 微處理器目前包括下面幾個(gè)系列，以及其它廠商基于 ARM 體系結(jié)構(gòu)的處理器，除了具有 ARM體系結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)以外，每一個(gè)系列的 ARM微處理器都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。 SecurCore系列專門為安全要求較高的 應(yīng)用而設(shè)計(jì)。 ARM7微處理器系列具有如下特點(diǎn)： － 具有嵌入式 ICE－ RT邏輯，調(diào)試開(kāi)發(fā)方便。 － 能夠提供 。 － 對(duì)操作系統(tǒng)的支持廣泛，包括 Windows CE、 Linux、 Palm OS等。 5 － 主頻最高可達(dá) 130MIPS，高速的運(yùn)算處理能力能勝任絕大多數(shù)的復(fù)雜應(yīng)用。 ARM7系列微處理器包括如下幾種類型的核： ARM7TDMI、 ARM7TDMIS、 ARM720T、 ARM7EJ。 TDMI的基本含義為： T： 支持 16 位壓縮指令集 Thumb； D： 支持片上 Debug； M： 內(nèi)嵌硬件乘法器（ Multiplier） I： 嵌入式 ICE，支持片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)； ARM處理器共有 37個(gè)寄存器，被分為若干個(gè)組（ BANK），這些寄存器包括： － 31個(gè)通用寄存器，包括程序計(jì)數(shù)器（ PC指針），均為 32位的寄存器。 同時(shí)， ARM處理器又有 7種不同的處理器模式，在每一種處理器模式下均有一組相應(yīng)的寄存器與之對(duì)應(yīng)。在所有的寄存器中，有些是在 7種處理器模式下共用的同一個(gè)物理寄存器，而有些寄存器則是在不同的處理器模式下有不同的物理寄存器。其中， ARM指令為 32 位的長(zhǎng)度， Thumb 指令為 16 位長(zhǎng)度。 ARM 的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了非常小但高性能的結(jié)構(gòu)。 ARM是精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī) (RISC)，因?yàn)樗闪朔浅５湫偷?RISC結(jié)構(gòu)特性： ① 一個(gè)大的、統(tǒng)一的寄存器文件； ② 加載／存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)處理的操作只針對(duì)寄存器的內(nèi)容，而不直接對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行操作； ③ 簡(jiǎn)單的尋址模式，所有加載／存儲(chǔ)的地址都只由寄存器的內(nèi)容和指令域決定； ④ 統(tǒng)一和固定長(zhǎng)度的指令域，簡(jiǎn)化了指令的譯碼。 這些在基本 RISC 結(jié)構(gòu)上增強(qiáng)的特性使 ARM 處理器在高性能、低代碼規(guī)模、低功耗和小的硅片尺寸方面取得了良好的平衡。 CPU模塊是系統(tǒng)中最核心的部分，系統(tǒng)通過(guò) CPU處理數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)中的其他模塊，使其他模塊根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的指令工作并且使各個(gè)部分協(xié)調(diào)工作。 CPU通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)，一步一步的控制程序執(zhí)行。 通過(guò)外部輸入的 5V電壓，在系統(tǒng)的濾波以及電壓轉(zhuǎn)換芯片后，得到內(nèi)核及片內(nèi)外設(shè)所需的工作電壓 和 I/O 所需的工作電壓。 鍵盤電路主要是通過(guò)按鍵控制程序的執(zhí)行，有時(shí)也作為參數(shù)實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)輸入。 仿真器接口用來(lái)對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試和固化。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 核心處理器 LPC2114簡(jiǎn)介 根據(jù)本系統(tǒng)的需求分析，從性能、功耗、價(jià)格等方面進(jìn)行考慮，我們發(fā)現(xiàn)飛利蒲的 LPC2114已完全能滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。 LPC2114 是 基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤 的 32 位 ARM7TDMIS CPU，并帶有 128 KB的高速 Flash存儲(chǔ)器， 128 位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)，使 32 位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。 由于LPC2114 具有非常小的尺寸和極低的功耗，它們非常適合于那些將小型化作為主要要求的應(yīng)用，例如存儲(chǔ)控制和 POS機(jī)。而多個(gè) 32位定時(shí) 器、 PWM輸出和 32個(gè) GPIO，使它們特別適用于工業(yè)控制和醫(yī)療系統(tǒng)。 － 16 KB片內(nèi)靜態(tài) RAM。 －通過(guò)片內(nèi) boot 裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程（ ISP）和在應(yīng)用編程（ IAP）。單扇區(qū)或整片擦除時(shí)間為 400ms。當(dāng)使用片內(nèi) RealMonitor 軟件對(duì)前臺(tái)任務(wù)進(jìn) 行調(diào)試時(shí)，中斷服務(wù)程序可繼續(xù)運(yùn)行。 － 4 路 10位 A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間低至 。 －多個(gè)串行接口，包括 2個(gè) 16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) UART、高速 I2C接口（ 400 kbit/s）和 2個(gè) SPI口。 －向量中斷控制器。 －多達(dá) 46個(gè)通用 I/O 口 （可承受 5V電壓）， 9 個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷引腳。 － 2 個(gè)低功耗模式：空閑和掉電。 －可通過(guò)個(gè)別使能 /禁止外部功能來(lái)優(yōu)化功耗。 V) ② I/O操作電壓范圍： ~ V