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来源:互联网 编辑:王志 手机版

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M0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,NVIC

ABSTRACT

This article describes the ARM Cortex-M0 embedded microprocessor interrupt control system design. ARM Cortex-M0 is the development of a company to provide ultra-low-power, low-cost microprocessors, using a unique interrupt control system that can effectively accelerate the process interrupt response. By M0 processor's interrupt control system can be more in-depth understanding of microprocessor architecture and interrupt control system design.

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 priority 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 control.

Keywords: ARM Cortex-M0, interrupt, NVIC

摘 要 I

ABSTRACT II

1 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究内容 1

1.3 研究成果 1

1.4 论文结构 2

2 嵌入式系统 3

2.1 嵌入式系统简介 3

2.2 嵌入式系统的组成与分类 4

2.3 常见嵌入式处理器的体系结构 5

2.4 嵌入式处理器的发展趋势 6

3 中断 8

3.1 中断的定义 8

3.2 中断源 9

3.3 中断分类 9

3.4 中断应具有的功能 10

3.5 中断嵌套与优先级 10

3.5.1 中断优先级 10

3.5.2 中断嵌套 11

3.6 中断控制方式的优点 12

4 ARM Cortex-M0的中断 13

4.1 ARM Cortex-M0简介 13

4.2 ARM Cortex-M0总线架构 13

4.3 异常处理模型 14

4.3.1 异常状态 14

4.3.2 异常类型 14

4.3.3 异常处理 15

4.3.4 异常向量表 16

4.3.5 异常优先级 16

4.3.6 异常处理的进入与返回 17

4.3.7 Cortex-M0异常处理机制 20

4.4 嵌套向量中断控制器 22

4.4.1 异常模式和系统中断映射 23

4.4.2 操作描述 25

4.4.3 Cortex-M0中断的特点 27

4.5 CMSIS软件接口标准 28

4.5.1 CMSIS标准的软件架构 29

4.5.2 CMSIS规范 30

5 实验 33

5.1 控制要求 33

5.2 实验准备 33

5.2.1 Keil uVision4简介 33

5.2.2 ALTERA DE2-115简介 33

5.3 程序流程图 35

5.4 程序代码及分析 35

5.5 实验结果 36

结 论 37

参考文献 38

致 谢 39

附 录 40

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。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]。

网 络

图 嵌入式系统的应用领域

图2.1 嵌入式系统的应用领域

嵌入式系统可以说无处不在,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。

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。

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。

① 嵌入式微处理器:嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit,简称MPU)的基础是通用计算机中的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。

② 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、IO、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。

③ 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。

④ 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、IO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]。

① 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。

② 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。

③ MIPS体系结构:MIPS是美国历史悠久的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。

④ 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。

⑤ 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。

⑥ 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Inter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

① 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。

② 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处理器当中。如内存控制器已经被普遍集成到处理器当中,未来USB 控制器、网络控制器,甚至是图形显示功能都可能被集成到处理器当中。

③ 更低的功耗和更小的体积。嵌入式系统因其工作环境的限制,往往决定了其体积必须小巧,这就要求其核心部分嵌入式处理器也必须在性能保证的情况下尽可能的小。同时,嵌入式系统的能耗也必须很低,有的系统需要在一节电池供电的情况下使用几个月,这就对嵌入式处理器的功耗提出了近乎苛刻的要求,而这些也正是推动嵌入式处理器发展的动力。

④ 嵌入式处理器中将会实现CPU和GPU的融合。CPU和GPU的融合并不是把一个CPU核心和一个GPU核心简单的集成到一块芯片当中。其还需要一套适合的调度算法,融合CPU强大的处理能力和GPU强大的运算能力,使之可以协同工作[2]。目前,AMD已经在通用处理器上实现了上述功能,而其嵌入式产品APU- C系列也开始出现在市场上,并被运用在平板电脑等领域,带来了性能的巨大提升,由此可见嵌入式处理器中CPU和GPU的融合是未来发展的必然趋势[15]。3 中断3.1 中断的定义

中断是指CPU正常执行程序被某种临时发生的事件所打断,当前程序暂时中止,处理器转去处理所发生的事件,处理完毕在返回执行暂时中止的程序。就是说,在当前程序中插进一段别的程序——中断服务程序或中断处理程序。CPU执行现行的程序被中断时的后继指令(下一条指令)的地址称为断点地址(简称断点)。中断时,CPU执行程序过程中所处的状态成为现场。中断流程如图3.1。

正是有了中断,外部设备才能主动的改变CPU正常执行程序的顺序。何时中断,CPU预先并不知道,因此,中断具有随机性。由外部硬件引起的终端成为硬中断。有主机内部产生,或由程序预先安排的中断称为软中断。

通常,在接收到来自外围硬件(相对于中央处理器和内存)的异步信号,或来自软件的同步信号之后,处理器将会进行相应的硬件软件处理。发出这样的信号称为进行中断请求(interrupt request,即IRQ)。硬件中断导致处理器通过一个上下文切换(context switch)来保存执行状态(以程序计数器和程序状态字等寄存器信息为主);软件中断则通常作为CPU指令集中的一个指令,以可编程的方式直接指示这种上下文切换,并将处理导向一段中断处理代码。中断在计算机多任务处理,尤其是即时系统中尤为有用[10]。3.2 中断源

凡是能够引起中断原因或提出中断请求的设备和异常故障均称被称为“中断源”。有以下几种:

① 外部设备请求中断。一般的外部设备(如键盘、打印机和A D转换器等)在完成自身的操作后,向CPU发出中断请求,要求CPU为他服务。由计算机硬件异常或故障引起的中断,也称为内部异常中断。

② 故障强迫中断。计算机在一些关键部位都设有故障自动检测装置。如运算溢出、存储器读出出错、外部设备故障、电源掉电以及其他报警信号等,这些装置的报警信号都能使CPU中断,进行相应的中断处理。

③ 实时时钟请求中断。在控制中遇到定时检测和控制,为此常采用一个外部时钟电路(可编程)控制其时间间隔。需要定时时,CPU发出命令使时钟电路开始工作,一旦到达规定时间,时钟电路发出中断请求,由CPU转去完成检测和控制工作。

④ 数据通道中断。数据通道中断也称直接存储器存取(DMA)操作中断,如磁盘、磁带机或CRT等直接与存储器交换数据所要求的中断。

⑤ 程序自愿中断。CPU执行了特殊指令(自陷指令)或由硬件电路引起的中断是程序自愿中断,是指当用户调试程序时,程序自愿中断检查中间结果或寻找错误所在而采用的检查手段,如断点中断和单步中断等[6]。3.3 中断分类

按中断处理方式,中断可分为以下几类:

① 简单中断,即采用周期窃用的方法来执行中断服务,有时也称数据通道或DMA。

② 程序中断,它不是窃用中央处理机的周期来进行中断处理,而是中止现行程序的执行,转去执行中断服务程序。

按中断产生的方式,中断可分为:

① 自愿中断,即通过自陷指令引起的中断,或称软件中断。

② 强迫中断,这是一种随机发生的实时中断。

按中断产生的位置,中断可分为:

① 外部中断,或称外部硬件实时中断,它由发至CPU某一引脚上的信号引起。

② 内部中断,或称软件指令中断,是为了处理程序运行过程中发生的一些意外情况或调试程序而提供的中断。3.4 中断应具有的功能

中断应具有以下功能:

① 实现中断及返回。当某一中断源发出申请时,CPU能决定是否响应这个中断请求(当CPU在执行更紧急、更重要的工作时,可以暂不响应中断),若允许响应这个中断请求,CPU必须在现行的指令执行完成后,把断点处的IP和CS值(即下一条应执行的指令的地址)、各个寄存器的内容和标志位的状态推入堆栈保留下来——称为保护断点和现场。然后转到需要处理的中断源的服务(Interrupt Service Routine,即ISR)的入口,同时清除中断请求触发期。当中断处理完后,再恢复被保留下来的各个寄存器和标志位的状态(称为恢复现场),恢复IP和CS值(称为恢复断点),使CPU返回断点,继续执行主程序。

② 实现优先权排队。在系统中通常有多个中断源,会出现两个或更多个中断源同时提出中断请求的情况,这样就必须要设计者事先根据轻重缓急,给每个中断源确定一个终端级别——优先权。当多个中断源同时发出中断申请时,CPU能找到优先权级别最高的中断源,响应它的中断请求;在优先权级别最高的中断源处理完了以后,在相应级别较低的中断源。

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