微处理器的嵌入式系统研究 计算机论文

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－ 主频最高可达130MIPS，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。

ARM7系列微处理器的主要应用领域为：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。

ARM7系列微处理器包括如下几种类型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中，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。TDMI的基本含义为：

T： 支持16位压缩指令集Thumb； D： 支持片上Debug；

M： 内嵌硬件乘法器（Multiplier） I： 嵌入式ICE，支持片上断点和调试点；

ARM处理器共有37个寄存器，被分为若干个组（BANK），这些寄存器包括： － 31个通用寄存器，包括程序计数器（PC指针），均为32位的寄存器。

－ 6个状态寄存器，用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态，均为32位，目前只使用了其中的一部分。

同时，ARM处理器又有7种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均有一组相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包括15个通用寄存器（R0～R14）、一至二个状态寄存器和程序计数器。在所有的寄存器中，有些是在7种处理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些寄存器则是在不同的处理器模式下有不同的物理寄存器。

ARM微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中，ARM指令为32位的长度，Thumb指令为16位长度。Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，但与等价的ARM代码相比较，可节省30％～40％以上的存储空间，同时具备32位代码的所有优点。

ARM的设计实现了非常小但高性能的结构。ARM处理器结构的简单使ARM的内核非常小，这样使器件的功耗也非常低。

ARM是精简指令集计算机(RISC)，因为它集成了非常典型的RISC结构特性： ① 一个大的、统一的寄存器文件；

② 加载／存储结构，数据处理的操作只针对寄存器的内容，而不直接对存储器进行操作； ③ 简单的寻址模式，所有加载／存储的地址都只由寄存器的内容和指令域决定； ④ 统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码。

⑤ 每一条数据处理指令都对算术逻辑单元(ALU)和移位器进行控制，以实现对ALU和移位器的最大利用；

⑥ 地址自动增加和自动减少的寻址模式实现了程序循环的优化； ⑦ 多寄存器加载和存储指令实现了最大数据吞吐量；

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⑧ 所有指令的条件执行实现了最快速的代码执行。

这些在基本RISC结构上增强的特性使ARM处理器在高性能、低代码规模、低功耗和小的硅片尺寸方面取得了良好的平衡。

2 系统需求分析

2.1 需求分析

本次毕业设计的任务是基于LPC2114微处理器的嵌入式系统的开发，要求系统具有时钟电路，电源电路，复位电路，键盘电路，IC接口电路，JTAG接口电路。

CPU模块是系统中最核心的部分，系统通过CPU处理数据，控制系统中的其他模块，使其他模块根据系统发出的指令工作并且使各个部分协调工作。CPU要正常工作，最基本的就是配置相应的时钟电路和电源电路。CPU通过时钟信号的驱动，一步一步的控制程序执行。

电源模块除了给CPU提供电源外，同时给其它各功能模块也供电。 通过外部输入的5V电压，在系统的滤波以及电压转换芯片后，得到内核及片内外设所需的工作电压1.8V和I/O所需的工作电压3.3V。

复位电路为系统提供复位信号，以实现系统的初始化操作；当系统程序运行出错时或者操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需要复位信号将系统重新启动。

键盘电路主要是通过按键控制程序的执行，有时也作为参数实现一些简单的数据输入。 带有IC接口电路的器件可十分方便地用来将一个或多个微控制器及外围器件构成系统。 仿真器接口用来对程序进行调试和固化。 2.2 系统总体设计

根据要求设计的嵌入式系统的原理框图如图3.1所示：

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电源模块复位模块CPULPC2114时钟模块键盘电路IIC接口电路系统仿真模块

图1 系统原理框图

系统是通过模块化的设计方式来实现各个功能的，系统框图中包含了CPU模块、电源模块、复位电路模块、系统仿真模块、键盘接口、IC接口。

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3 系统硬件设计

3.1 核心处理器LPC2114简介

根据本系统的需求分析，从性能、功耗、价格等方面进行考虑，我们发现飞利蒲的LPC2114已完全能满足本系统的设计要求。所以我们采用LPC2114作为核心处理器来进行开发。

LPC2114 是基于一个支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMI-S CPU，并带有128 KB的高速Flash存储器，128位宽度的存储器接口和独特的加速结构，使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30％，而性能损失却很少。由于LPC2114具有非常小的尺寸和极低的功耗，它们非常适合于那些将小型化作为主要要求的应用，例如存储控制和POS机。带有宽范围的串行通信接口、片内多达64KB的SRAM，由于具有大的缓冲区和强大的处理器能力，它们非常适合于通信网关和协议转换器、软件调制解调器、声音识别以及低端的图像处理。而多个32位定时器、PWM输出和32个GPIO，使它们特别适用于工业控制和医疗系统。

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它的主要特性有：

－32位ARM7TDMI-S核，超小LQFP64封装。 －16 KB片内静态RAM。

－128KB片内Flash程序存储器，128位宽度接口/加速器可实现高达60 MHz工作频率。 －通过片内boot装载程序实现在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）。512字节行编程时间为1ms。单扇区或整片擦除时间为400ms。

－Embedded ICE可实现断点和观察点。当使用片内RealMonitor软件对前台任务进行调试时，中断服务程序可继续运行。

－嵌入式跟踪宏单元（ETM）支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。 －4路10位A/D转换器，转换时间低至2.44μs。

－2个32位定时器（带4路捕获和4路比较通道）、PWM单元（6路输出）、实时时钟和看门狗。 －多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、高速IC接口（400 kbit/s）和2个SPI口。 －通过片内锁相环（PLL）可实现最大为60MHz的 CPU操作频率。 －向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。

－多达46个通用I/O口（可承受5V电压），9个边沿或电平触发的外部中断引脚。 －片内晶振频率范围：1~30 MHz。 －2个低功耗模式：空闲和掉电。

－通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 －可通过个别使能/禁止外部功能来优化功耗。 －双电源

① CPU操作电压范围：1.65~1.95 V(1.8 V± 0.15 V)

② I/O操作电压范围：3.0~3.6 V(3.0 V± 10%)，可承受5V电压。 3.2 系统功能模块 3.2.1 电源模块

LPC2114要使用两组电源，I/O口供电电源为3.3V，内核及片内外设供电电源为1.8V，所以系统设计为3.3V应用系统。

系统电源电路如图2所示：

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