ARM嵌入式系统应用原理和特点

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：ARM微处理器已经遍及工业控制、消费类电子通信系统、网络系统、无线系统各类产品市场，基于ARM技术的微处理器应用占据了32位RISC微处理器80%以上的市场份额。ARM嵌入式技术在联网方面的优势，为弧焊电源实现网络化控制奠定了基础。ARM9可以达到180～200MHz的工作速率，它能驱动的周边装置比ARM7多，应用范围也比较广。ATMEL公司的AT91AM9200是基于ARM9的，具有丰富的接口功能。ARM芯片通信接口能力强，一般用于焊接过程及设备人机界面系统的核心芯片。

ARM（Advanced RISC Machines）是通用的32位微处理器，它是基于精简指令系统计算机（RISC）构建的。ARM微处理器已经遍及工业控制、消费类电子通信系统、网络系统、无线系统各类产品市场，基于ARM技术的微处理器应用占据了32位RISC微处理器80%以上的市场份额。采用RISC架构的ARM微处理器的主要特点包括以下方面：

1）小体积、低功耗、低成本、高性能。

2）支持双指令集，能很好地兼容8位/16位器件。

3）大量使用寄存器，指令执行速度更快。

4）大多数数据操作都在寄存器中完成。

5）寻址方式灵活简单，执行效率高。

6）指令长度固定。

在焊接生产过程管理信息化方面，焊接工作者做了大量研究工作，例如焊接工艺制定、焊材用量计算和统计、焊工技术档案管理、焊接工艺专家系统等，但这些研究还主要集中在焊接生产的管理和决策层，对焊接现场设备的网络化研究还十分薄弱。

ARM嵌入式技术在联网方面的优势，为弧焊电源实现网络化控制奠定了基础。若单片机控制的焊接设备具有网络功能则可以与企业现有的网络信息系统无缝连接，实现焊接过程的网络化管理与监控，这对于焊接质量控制和提高，焊接制造过程的敏捷性具有重要意义，并使焊机的远程故障诊断与维护成为可能。

ARM处理器当前有6个系列产品，分别为ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、ARM11和SecurCore，每个系列包含不同类型的产品。ARM7内核采用冯·诺伊曼体系结构，数据和指令使用同一条总线，内核有一条3级流水线，执行ARMv4指令集。ARM7的优点是耗电量少和成本低，但ARM7的最大执行速率不到100MHz，在应用上它和8051之类的单片机类似，但在功能上ARM7通常优于单片机。ARM9采用5级流水线，ARM9处理器能够运行在比ARM7更高的时钟频率上，改善了处理器的整体性能；存储器系统根据哈佛体系结构重新设计，区分了数据总线和指令总线。ARM9E是ARM9内核带有E扩展的一个可综合版本，执行v5TE架构指令。ARM9可以达到180～200MHz的工作速率，它能驱动的周边装置比ARM7多，应用范围也比较广。ARM10的流水线扩展到6级，支持可选的向量浮点单元VFP；ARM10E系列采用新的节能模式，提供64位的Load/Store体系，支持包括向量操作的满足IEEE754的浮点运算协处理器。ARM11执行ARMv6架构指令，它继承了一条具有独立的Load/Store和算术流水线的8级流水线。Cortex-M3和MPCore，Cortex-M3主要针对微控制器市场，而MPCore主要针对高端消费产品。Cortex-M3改进了代码密度，减少了中断延时并有更低的功耗。Cortex-M3采用最新Thunb-2指令集。MPCore提供了Cache一致性，每个支持1～4个ARM11核。

在ARM嵌入式微处理器中，典型的产品有：Philips基于ARM7的LPC21xx、LPC22xx，基于ARM9的LPC31xx，这些芯片可用于工业过程控制。Samsung公司生产的基于ARM7的S3C44xx、S3C45xx系列和基于ARM9系列的S3C24xx，它们是优秀的网络控制器。ATMEL公司的AT91AM9200是基于ARM9的，具有丰富的接口功能。

许多ARM芯片都具有网络控制功能，从硬件的角度看，以太网接口电路主要由MAC控制器和物理层接口（Physical Layer，PHY）两大部分构成，目前常见的以太网接口芯片，如RTL8019、RTL8029、RTL8039、CS8900、DM9008等，其内部结构也主要包含这两部分。从网络化实现的技术可行性来看，利用ARM嵌入式微处理器中的网络模块，采用以太网络通信技术，在每台弧焊电源中内置IP地址，这样弧焊电源就可以通过RJ45接口直接连接到企业的Intranet网中。

LM3S828是Luminary公司Stellaris（群星）系列ARM中的一款，它采用ARM公司专为ARM市场设计的最新内核Cortex-M3，最高主频可达50MHz，可以满足精细控制和高速运算的要求，并在片上集成了大量外设，是SOC级的MCU。LM3S828 MCU包括如下组成部分：最高主频为50MHz的Cortex-M3内核；64kB单周期FLASH存储器和8kB单周期SRAM存储器；每个I/O引脚都可以产生中断的GPIO模块；多达3个通用计时器；8路10Bit ADC通道，采样率高达1万次/s，带片内温度传感功能；1路模拟比较器；6路电机控制PWM单元；正交编码器接口（QEI）；2路完全可编程的16C550型UART；1路同步串行接口（SSI），兼容SPI总线；看门狗定时器。LM3S828内部框图如图5-1-14所示。

ARM芯片通信接口能力强，一般用于焊接过程及设备人机界面系统的核心芯片。图5-1-15就是采用ARM+CPLD的设计方式来对数字化面板的输入输出设备进行控制。利用ARM的控制和运算能力对面板的输入输出操作进行程序控制，产生相应控制命令，并将命令发送至CPLD；同时利用CPLD丰富的I/O引脚和可灵活编程的特点，接收ARM发送的命令，并把命令转化为面板上数码管和相应LED的显示，显示焊接电源状态。