arm-cortex-m0-嵌入式微处理器中断控制系统研究--毕业论文.doc
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1、河南城建学院本科毕业设计(论文) 摘要毕 业 设 计 论 文题 目:ARM Cortex-M0 嵌入式微处理器中断控制系统研究学 院: 电气与信息工程学院 专 业: 自动化 摘 要本文介绍了ARM Cortex-M0嵌入式微处理器中断控制系统的设计。Cortex-M0是ARM公司开发的一款提供超低功耗、低成本微处理器,采用独特的中断控制系统,能够有效加速中断响应过程。通过对M0处理器的中断控制系统研究,可以更深入的了解微处理器架构以及中断控制系统设计。本文首先简述了嵌入式系统的结构、现状以及发展趋势,然后解释了中断和中断嵌套优先级的概念,重点介绍了ARM Cortex-M0的结构特点,总结了M
2、0异常和中断的特点,并对M0的中断优先级、嵌套向量中断控制器(NVIC)和ARM Cortex微控制器软件接口标准(CMSIS)作说明,最后在ALTERA DE2-115上用按键边沿触发中断,通过观察LED的闪烁状态来验证编写的中断控制程序。关键词:ARM Cortex-M0,中断,NVICIABSTRACTThis article describes the ARM Cortex-M0 embedded microprocessor interrupt control system design. ARM Cortex-M0 is the development of a company t
3、o provide ultra-low-power, low-cost microprocessors, using a unique interrupt control system that can effectively accelerate the process interrupt response. By M0 processors interrupt control system can be more in-depth understanding of microprocessor architecture and interrupt control system design
4、.This paper outlines the structure of the embedded system, status quo and development trends, then explained the priority of interrupts and interrupt nesting concept, focusing on the ARM Cortex-M0 structural characteristics, summarized M0 exception and interrupt characteristics, and the interrupt pr
5、iority for M0, nested Vectored Interrupt controller (NVIC) and the ARM Cortex microcontroller Software Interface Standard (CMSIS) for illustration, the last in ALTERA DE2-115 with the keypad on edge-triggered interrupts, by observing the status LED flashing to verify that implements interrupt contro
6、l.Keywords: ARM Cortex-M0, interrupt, NVICII目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 研究背景11.2 研究内容11.3 研究成果11.4 论文结构22 嵌入式系统32.1 嵌入式系统简介32.2 嵌入式系统的组成与分类42.3 常见嵌入式处理器的体系结构52.4 嵌入式处理器的发展趋势63 中断83.1 中断的定义83.2 中断源93.3 中断分类93.4 中断应具有的功能103.5 中断嵌套与优先级103.5.1 中断优先级103.5.2 中断嵌套113.6 中断控制方式的优点124 ARM Cortex-M0的中断134.1 ARM
7、Cortex-M0简介134.2 ARM Cortex-M0总线架构134.3 异常处理模型144.3.1 异常状态144.3.2 异常类型144.3.3 异常处理154.3.4 异常向量表164.3.5 异常优先级164.3.6 异常处理的进入与返回174.3.7 Cortex-M0异常处理机制204.4 嵌套向量中断控制器224.4.1 异常模式和系统中断映射234.4.2 操作描述254.4.3 Cortex-M0中断的特点274.5 CMSIS软件接口标准284.5.1 CMSIS标准的软件架构294.5.2 CMSIS规范305 实验335.1 控制要求335.2 实验准备335.2
8、.1 Keil uVision4简介335.2.2 ALTERA DE2-115简介335.3 程序流程图355.4 程序代码及分析355.5 实验结果36结 论37参考文献38致 谢39附 录40IV河南城建学院本科毕业设计(论文) 绪论1 绪论1.1 研究背景随着半导体行业进入深亚微米乃至纳米时代,在单一集成电路芯片上就可以实现一个复杂的电路系统,即SoC系统。随着人们对消费电子产品的多功能、智能化的要求越来越高,SoC芯片被大量使用,而微处理器是SoC系统的核心。纵观嵌入式微处理器的发展历史,从高端微控制器领域到低端微控制器领域,人们对低成本、低功耗、高性能的追求似乎永无止境。ARM 公
9、司推出了低成本、低功耗、高性能的Cortex-M系列产品,其中于2009年初推出了Cortex-M0 处理器,这是市场上现有的除Cortex-M0+ 外尺寸最小、能耗最低、最节能的ARM 处理器。该处理器能耗非常低、门数量少、代码占用空间小,能以8位器的价位获得32位处理器的性能,将逐步取代现有市场中的8051微控制器。1.2 研究内容ARM Cortex-M0处理器采用独特的中断控制系统,能够有效加速中断响应过程。通过对M0处理器的中断控制系统的研究,了解主流的嵌入式微处理器及其主流架构,掌握基本的微处理器中断处理流程,了解M0中断控制系统,并针对M0微处理器编写实例程序,使用keil软件仿
10、真器仿真验证M0的中断控制过程。本次设计需要有单片机原理和C语言基础,自行查阅Cortex-M0的有关资料,了解M0中断控制系统,在此理论基础上,用M0的中断控制系统去控制LED的闪烁状态,具体来说就是:当按下电源开关后,LED开始慢闪,当按下按键后,LED进入快闪状态,当松开后,LED恢复慢闪,但是当按键按下去和松开的时间间隔小于200ms时,NVIC禁止中断,LED保持常亮。编写相应的程序代码,用keil uvision4编译代码并在ALTERA DE2-115上进行中断控制实验。实验结果应符合中断控制系统控制要求,体现出M0中断控制的特点。1.3 研究成果在ARM Cortex-M0中断
11、控制系统的设计中,了解基本的微处理器中断处理流程,重点是掌握ARM Cortex-M0中断控制系统,对Cortex-M0处理器的抢占、末尾连锁、迟到等加速中断响应的技术作细致的了解,并对比所学过的51单片机的中断控制过程,充分的体会到M0能够有效加速中断响应过程的特点。1.4 论文结构第二章讲述了嵌入式系统的概念、结构及应用领域,嵌入式微处理器分类、主流的体系结构和未来发展趋势,并介绍了当前主流的嵌入式操作系统。第三章简要的阐述了计算机技术上中断的概念、类型和作用,同时也介绍了中断嵌套优先级的概念。第四章介绍ARM Cortex-M0的中断,首先简单介绍了M0的结构特点,其次讲解了M0的异常处
12、理模型,另起一节讲解了嵌套向量中断控制器 (NVIC),并在此总结了M0中断的特点,最后介绍了CMSIS软件接口标准。第五章为实验,按照控制要求进行硬、软件的设计,绘制程序流程图,编写程序代码,并记录下实验结果,并对其进行分析。43河南城建学院本科毕业设计(论文) 嵌入式系统2 嵌入式系统2.1 嵌入式系统简介嵌入式系统是将计算机的硬件或是软件嵌入其他机、电设备或应用系统中去,所构成了一种新的系统,即嵌入式系统。是以应用为中心,以计算机技术为基础,采用可裁剪软硬件,适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统,用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统具有系统
13、内核小、专用性强、系统精简、高实时性的特征1。由于嵌入式系统具有体积小、性能好、功耗低、可靠性高以及面向应用的突出特点,因此嵌入式系统已被广泛应用于军事、国防、电子信息、家电、网络通信、工业控制等领域。嵌入式系统的应用前景是非常广阔的,IC 卡、手持电脑、智能手机、车载GPS、数字电视机顶盒,人们在生活中无时无处不接触到嵌入式产品,尤其是嵌入式无线网络产品的出现,使嵌入式产品和我们的生活紧密相连2。军事电子信息家电嵌入式应用工业设备智能玩具智能仪表通讯设备汽车电子移动设备网络设备电子商务网 络图 嵌入式系统的应用领域工业控制消费电子军事国防网络其他 图2.1 嵌入式系统的应用领域嵌入式系统可以
14、说无处不在,无所不在,有着广阔的发展前景,也充满了机遇和挑战3。 2.2 嵌入式系统的组成与分类嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统(可选),以及用户应用软件系统等四个部分组成4。嵌入式系统结构如图2.2所示。嵌入式应用软件系统嵌入式操作系统嵌入式处理器为核心的硬件平台应用系统的I/O图2.2 嵌入式系统结构嵌入式系统由嵌入式硬件与嵌入式软件组成。嵌入式硬件以芯片、模板、组件、控制器形式埋藏于设备内部。嵌入式软件是实时多任务操作系统和各种专用软件,一般固化在ROM或闪存中。嵌入式系统软硬兼施,融为一体,成为产品,但在开发过程中需要一些开发工具进行辅助开发。如图2.3所示
15、。功能层应用程序软件层文件系统图形用户接口任务管理实时操作系统(RTOS)中间 层BSP/HAL硬件抽象层/板极支持包硬件层D/A嵌入式微处理器通用接口A/DROMI/OSDRAM人机交换接口图2.3 嵌入式系统的整体架构嵌入式处理器毫无疑问是嵌入式系统的核心部分,其直接关系到整个嵌入式系统的性能。通常情况下嵌入式处理器被认为是对嵌入式系统中运算和控制核心器件总的称谓,但如果要仔细划分的话,大体上可以将其分为四大类,即嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式数字信号处理器、系统级芯片。 嵌入式微处理器:嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit,简称MPU)的基础是
16、通用计算机中的CPU。在应用中将微处理器装配在专门设计的电路板上,只保留和嵌入式应用有关的母板功能,这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求,嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的,但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。 嵌入式微控制器:嵌入式微控制器(Microcontroller Unit,简称MCU,也称单片机)一般以某一种微处理器内核为核心,芯片内部集成ROM、RAM、总线、总线逻辑、定时计数器、I/O、串行口等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求,产品的处理器内核都是一样的,不同的是存储器和外设的配置及封装。和嵌入式微处理器
17、相比,微控制器的最大特点是单片化,体积大大减小,从而使功耗和成本下降、可靠性提高。 嵌入式数字信号处理器:嵌入式数字信号处理器(Embedded Digital Signal Processor,简称DSP)对系统结构和指令进行了特殊设计,使其适合于执行DSP算法,编译效率较高,指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面,DSP算法正在大量进入嵌入式领域,DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP 功能,过渡到采用嵌入式DSP 处理器。 系统级芯片:系统级芯片(System On Chip,简称SOC,也称片上系统)是一个有专用目标的集成电路,其中包含完整系统,并有嵌入式软件的
18、全部内容。在SOC中通常将一个以上MPU和DSP,以及RAM、ROM、Cache、时钟电路、定时器、中断控制器、I/O端口、ADC、DAC等电路集成到一块芯片中,同时可以由外部对芯片进行编程。应用SOC可以使系统电路板变得很简洁,起到减小体积、降低功耗、提高可靠性的作用。2.3 常见嵌入式处理器的体系结构各种嵌入式处理器层出不穷,嵌入式处理器市场呈现出百花齐放的景象。目前常用的嵌入式处理器的主要结构归结起来有:8051体系结构、ARM体系结构、MIPS体系结构、PowerPC、DSP、x86 等2。 8051体系结构:8051 单片机最早由Intel公司推出。它在一块超大规模集成电路芯片上同时
19、集成了CPU、ROM、RAM以及TIMER、COUNTER 等部件,具有64KB的寻址能力。由于某些原因,8051在国内的使用非常普遍,但总的来说8051因其微处理器性能落后,仍然是一款低端产品。 ARM体系结构:ARM处理器遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场,基于ARM技术的处理器应用约占据了32位RISC微处理器75%以上的市场。目前市面上常见的ARM处理器架构,可分为ARM7、ARM9、ARM11和Cortex系列。IPhone、NOKIA、HTC 等智能手机中的微处理器,就是由高通和德州仪器授权生产的ARM处理器。 MIPS体系结构:MIPS是美国
20、历史悠久的RISC处理器体系,分为32-bit以及64-bit两大家族,以技术授权作为主要营利模式。MIPS除了在手机中应用的比例极小外,其在一般数字消费、网络语音、个人娱乐、通讯、与商务应用市场有着相当不错的成绩,不过近年来因为其它IP授权公司的兴起,其占有比率稍有衰退。MIPS应用最为广泛的应属家庭视听电器(包含机顶盒)、网通产品以及汽车电子方面。 PowerPC体系结构:PowerPC是早期Motorola和IBM联合为Apple的MAC机开发的CPU芯片,PowerPC的体系结构也是RISC,有200多条定长32位的指令,通常只执行一个单一的操作(比如将内存加载到寄存器,或者将寄存器数
21、据存储到内存),同时支持字节(8位)、半字(16位)、字(32位)和双字(64位)数据类型。 DSP体系结构:DSP是一种专用微处理器,主要对数字信号进行实时处理,以得到相应的处理结果。DSP 在存储容量和运算速度上都很高,成为语音处理、图像硬件处理技术的基础,同时在高端的工业控制方面也得到广泛应用,如空间矢量PWM控制系统,电机的DSP控制系统等。 x86体系结构:x86处理器应用在嵌入式系统的历史相当悠久,但其普遍都有功耗过高且芯片数量庞大的缺点,因而不适合应用在要求精简省电的嵌入式架构中。可是在有些对于能耗控制要求不高的领域,如工控电脑产业中,可以看到许多x86处理器仍然在被使用。同时I
22、nter最新的嵌入式处理器Atom系列也是兼容x86结构的5。2.4 嵌入式处理器的发展趋势 嵌入式处理器性能的提高。嵌入式处理器给人的第一感觉就是稳定、功耗低、性能差。实际上嵌入式处理器确实需要有很好的稳定性,较低的功耗,但这并不表明嵌入式处理器不需要高性能。事实上对于嵌入式处理器性能的追求从来就没有停止过,尤其在消费类电子产品中,嵌入式处理器的性能往往对产品具有决定性的影响。未来对于嵌入式处理器性能的追求肯定也不会停止,更好的处理器设计和更先进的制造工艺都将被运用进来,使嵌入式处理器的性能产生巨大的提升。 更高的集成度和更丰富的功能。嵌入式处理器的集成度将不断提高,越来越多的功能将被集成到
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