东北大学自动化】毕业设计（论文）：自动泊车与智能停车场系统的设计与实现.doc

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1、东北大学【自动化】毕业设计（论文）：自动泊车与智能停车场系统的设计与实现 自动泊车 与 智能停车 场 系统的设 计 与实现东 北 大 学 2007 年 6 月 Design and Implementation of Automatically Parking and Intelligent Park System by Tang HeguoSuperviso Associate Professor Jiang Linyingr: Associate Supervisor: Engineer Cui Kai Northeastern UniversityJune 2007- I - 东北大 学

2、毕 业设 计 ( 论文 )摘要自动泊车 与智能 停车场系 统的设 计与实现 摘 要 随 着 小 汽 车 产业 的 发 展, 我 国 大 中 城市 机 动 化是 不 可 遏 制 的事 实 。 我国 大 中 城 市 应严 肃 正 视 这个 问 题 。停车 问 题 在 我国 大 城 市现已 成 为 难 题, 如 何 对停车 设 施 进 行合 理 地规 划 , 对 车辆 停 放 进行有 效 地 管 理, 成 为 我国大 中 城 市 迫切 解 决 的问题 。 智 能 停车 场 管理 系 统 的 最终 目 的 是改善 停 车 麻 烦的 状 况 ,提高 城 市 交 通系 统 的 效率与 功 能 , 通过 为

3、 司机 提 供 泊 位信 息 , 帮助找 到 合 适 的停 车 位 置。要 达 到 这 个目 的 , 需要建 立 在 城 市整 体 停车 信 息 的 把握 上 , 因此, 通 过 建 立一 套 完 整的智 能 停 车 管理 系 统 ,将会 更 好 的 将停 车 资源合理配置。 智 能 停 车 场 系统 是 强 调一 种 在 最 少 的参 与 人 员下 , 完 成 汽 车的 入 库 、停 车 、 出 库 、入库记录、 出库记录以及车位安排, 从而节省驾驶人员的时间, 降低停车场的管理成本。最 终 实 现 了车 主 将 汽车停 在 停 车 场入 口 处 ,然后 车 主 可 以离 开 汽 车,此 时

4、 汽 车 就可 以 根据 车 场 内 的车 辆 引 导系统 将 车 引 入停 车 场 ,接受 车 场 管 理系 统 发 送给汽 车 的 命 令, 根 据命令汽车自动行驶入停车位。 本文详细描述了自动泊车与智能停车场系统的设计与实现,重点描述了如何驱动电机和舵机, 如何实现停车场管理系统和电动汽车之间的无线通信,如何引导电动汽车进入停车场以及如何进行车辆的准确定位。 本 着 实 事 求 是的 基 本 原则 , 此 论 文 真实 的 描 述了 自 动 泊 车 与智 能 停 车场 系 统 的 设 计与 实 现 , 虽然 此 系 统仍然 处 在 实 验室 的 探 索阶段 , 但 论 文中 的 一 些解

5、决 方 案 具 有很 强 的实用性和重用性,有一定的参考价值。关键词: 智能停车场,自动泊车系统,无线通信- II - 东北大 学毕 业设 计 (论 文)AbstractDesign and Implementation of Automatically Parking and Intelligent Park System Abstract With the developing of vehicle industry, there is a reality cannot be keeping within limit is the tendency of mechanize in our

6、countrys big city. Our countrys big city should envisage this problem seriously. Parking problem has been a difficult problem in our countrys big city, how to make parking devices layout rationally, how to make vehicle parking management more effective has been the exigent problem of our countrys bi

7、g city. The target of intelligent park management system is to change the actuality of trouble of parking, to improve the urban transport system efficiency and function, through berths for the driver information to help find a suitable parking place. To achieve this aim, we need to create in the who

8、le city parking information grasp, therefore, through the establishment of a complete system - intelligent parking management system will be better stopping the rational allocation of resourcesIntelligent parking system is stressed in a minimum of participants, complete vehicle storage, parking, war

9、ehousing, storage records, from the records and parking arrangements, thereby saving staff time driving, lower car park management costs. Owners of the ultimate realization of the vehicle parked in the parking lot entrance, and then the owner left the car. At this point the vehicle guidance system w

10、ill be the introduction of car parking. Accept yard management systems sent to the vehicle orders, according to an order automatically allowed to enter the car parking spaces. This thesis described the designation and realization of automatically parking and intelligent park system in detail, pay mu

11、ch attention to how to drive the motor and the rudder motor, how to realize the wireless communication between the carport management system and electric motorcar, how to lead the electric motorcar to the carport and how to make accuracy orientationAbide by the basic principle of being practical and

12、 being realistic, this thesis truly described the design and implementation of automatically parking and intelligent park systemEven though this system is still in the phase of grope, there are some solutions in the paper which with powerful utility and worth reusing, and worthy of referencing Key w

13、ords: intelligent park, automatically parking, wireless communication- III - 东北大 学毕 业设 计( 论文 ) 目录目 录 毕业设计 任务书错 误! 未定义 书签 。 摘 要II ABSTRACT. III 第1 章 绪 论. 1 1.1 课题背景、目的与意义 1 1.2 国内外现状2 1.3 研究内容 4 1.4 论文组织结构. 5 第2 章 关键技术介绍6 2.1 ARM 简介6 2.1.1 ARM 微处理器的应用领域及特点6 2.1.2 ARM 微处理器系列7 2.1.3 ARM 微处理器结构7 2.2 LMD

14、18200 简介. 9 2.2.1 主要性能. 9 2.2.2 内部结构和引脚说明9 2.3 舵机简介. 11 2.4 光电位移传感简介 12 第3 章 系统分析13 3.1 自动泊车功能分析 13 3.2 智能车场管理功能分析. 14 第4 章 系统设计16 4.1 系统结构. 16 4.2 无线通信模块的设计16 4.2.1 无线通信模块硬件的设计. 17 4.2.2 无线通信模块软件的设计. 17 4.2.3 STR710FZ2T6 开 发板端软件的设计19 4.3 光电引导传感模块的设计 22 4.3.1 硬件设计22 4.3.2 软件与算法设计23 4.4 驱动电机模块的设计29 -

15、 IV - 东北大 学毕 业设 计( 论文 ) 目录4.4.1 硬件设计29 4.4.2 软件设计30 4.4.3 LMD18200 在自动 泊车系统中的应用 30 4.5 舵机控制模块的设计32 4.6 光电位移传感模块的设计 32 4.6.1 光电位移传感模块与 STR710FZ2T6 的 接口 32 4.6.2 光电位移传感模块的硬件接口设计 36 4.6.3 光电位移传感器初始化操作 36 4.7 倒车模块的设计. 37 4.7.1 策略设计37 4.7.2 软件设计38 4.8 智能车场设计38 第5 章 自动泊车系统的实现 42 5.1 无线通信模块的实现42 5.2 光电引导传感

16、模块的实现 44 5.3 驱动电机模块的实现46 5.4 舵机控制模块的实现47 5.5 光电位移传感模块的实现 48 第6 章 测 试51 6.1 无线通信模块测试 51 6.2 电机模块测试51 6.3 舵机模块测试52 6.4 光电位移模块测试 52 第7 章 结 论53 参考文献. 54 致 谢错 误! 未定义 书签 。 - V -东北大 学毕 业设 计 ( 论文 ) 第1 章 绪论第 1 章 绪 论 1.1 课题背 景 、 目的与意 义 车 辆 停 放 是 交通 过 程 不可 分 割 的 组 成部 分 。 世界 上 许 多 大 城市 的 交 通阻 塞 , 其 重 要原 因 之 一 是

17、停 车 紧 张对动 态 交 通 的影 响 。 工业化 对 城 市 交通 的 影 响、经 济 的 迅 速发 展 、城 市 ( 非 )机 动 车 保有量 的 猛 增 、特 别 是 大量私 有 汽 车 的出 现 , 使得包 括 中 国 在内 的 很多 国 家 的 大城 市 的 停车问 题 日 趋 严重 。 一 方面动 静 态 的 交通 相 互 干扰造 成 道 路 通行 能 力的 下 降 , 增加 了 运 输成本 , 另 一 方面 长 期 低速、 怠 速 行 驶的 汽 车 排放出 的 废 气 又给 城 市环 境 带 来 严重 污 染 。因此 , 对 我 国大 中 城 市停车 问 题 对 策进 行 研

18、究,合 理 地 解 决好 停 车12问题,已经迫在眉睫 。 当前,中国正 处于经济发展的重要阶段,随着新世纪全国各大中城市经济持续健康快速发展,以及加入WTO 后私人购车高峰期 的即将到来,交通需求将显著增加,停车设施的水平直接影响到城市的交通运行效率和生活环境品质,停车设施的过度短缺、布局不合理和管理不规范,都将对提高城市的综合竞争力产生不利影响。因此,从长远发展目标来看,结合城市布局结构的调整,建立和完善与城市社会经济发展相适应的城市停3车系统,十分紧迫和必要 。 一个城市的汽车保有量,取决于社会经济发展水平、人口规模、道路容量限制、全国汽车产业政策和城市交通发展政策等因素。全 国大多数大

19、中城市已经开始进入机动车快速增长时期,如上海人均GDP 已达到4500美元,全市机动车拥有量从1995年底的40多万辆增至1999年底的70 万辆。 当前, “鼓励轿 车进入家庭 ” 已被列入国家 “十五” 计划纲要中, 随着国家一系列鼓励私人轿车消费的政策进一步出台及各种型号轿车的争相上市,全国的私车消费将会加速发展。为了适应城市机动交通的发展趋势,必须在轿车家庭消费的高潮来临之前,未雨绸缪,提高前瞻意识,适度超前规划和建设停车设施,以免加剧现有停车供需的矛盾。 较长时期以来,全国大中城市的停车设施建设相对滞后于机 动车辆的快速增长,致使停车矛盾愈加严重,“ 停车难、 乱停车 ” 的 恶性循

20、环成为城市交通管理的难点和热点问题。停车泊位供给短缺直接引发出行不便、堵塞交通、损毁绿化、破坏环境、威胁安全等问题,从而影响生活质量,提高生产成本,阻碍社会经济的正常发展,其危害不言而喻。如果不及早采取措施,将不利于城市有序、健康、可持续的发展。因此,必须对停45车的供需关系进行优化调整,促进城市停车系统的协调发展 。 与城市急剧扩大的停车位需求相比,城市公共停车位缺口大、配建停车位不足。对- 1 -东北大 学毕 业设 计 ( 论文 ) 第1 章 绪论广州市番禺区的调查发现现有机动车停车泊位75139个,摩托车停车泊位85964个。而目前机动车保有量为22.7 万辆, 摩托车保有量为38.5万

21、辆, 停车需求量远大于停车设施供应的泊位数。随着机动车的迅速发展,供需矛盾将进一步加剧。而没有足够的停车设施,势必造成大量车辆占路停车,严重影响行车速度和道路通行能力,降低运营效率。 尽管当前停车泊位十分紧张,但许多公共停车场库的使用率却很低,经营状况普遍较差。一项抽样调查表明,车主和司机大多数其实都愿意将车入库停放,但由于停车库收费相对偏高、不便于就近停放等原因,而选择了路边停车。南京市新街口附近立体停车库在高峰期 间的停放率也不超过20% ,造成亏损和经营困难,极大地挫伤了投资建设经营停车场主的积极性。 现代城市交通理论把交通分为静态交通和动态交通,道路建设是为解决动态交通问万km , 按

22、时速35kin 计算, 则每辆车的动态行驶时间不足500h, 还有8000 多个小时处于静态停放状态,车辆 “动态 ”时间不到“静态” 时间的7% 静态交通的投入不足,停车位严重短缺会导致大部分车辆停放在路边或路上,使道路通行能力下降,交通事故增多,影响动态交通的效率和安全 。因此发展静态交通,推动停车产业化进程意义重大。 随着小汽车产业的发展,我国大中城市机动化是不可遏制的事实。我国大中城市应严肃正视这个问题。停车问题在我国大城市现已成为难题,如何对停车设施进行合理地规划, 对车辆停放进行有效地管理, 切实地处理好路边、 路外停车与路上运行车辆的动、 6 7静态关系,成为我国大中城市迫切解决

23、的问题 。 1.2 国内外 现状 随 着 城 市 化 的发 展 和 汽车 的 普 及 。 汽车 拥 有 量不 断 增 加 。 城市 停 车 难成 为 当 今 世 界各 国 面 临 的共 同 难 题。无 论 是 发 达国 家 。 还是发 展 中 国 家。 都 毫 无例外 地 承 受 着停 车 场容 量 和 汽 车拥 有 量 严重不 对 称 的 现实 。 致 使有车 无 处 停 ,以 及 停 车场设 备 科 技 含量 低 的困扰。 我 们 知 道 , 要解 决 停 车难 最 直 接 的 方法 是 多 修建 停 车 场 。 但城 市 可 供修 建 停 车 场 的资 源 有 限 ,这 种 供 需矛盾

24、的 日 益 严重 性 已 被人们 广 泛 认 知。 因 而 ,从系 统 的 角 度出 发 ,将 停 车 场 ,停 车 场 诱导系 统 , 停 车场 管 理 系统用 通 信 , 计算 机 , 传感与 控 制 等 先进 技 术有 效 的 集 成, 建 立 于一种 在 城 市 大范 围 的 实时、 准 确 、 高效 的 数 字化、 网 络 化 、智 能 化8的停车诱导,管理系统是城市停车场发展的必然趋势 。 据最新一项对我国 16 个大中城市停车泊位与汽车数量的调查表明, 公共停车泊位与汽车数量的 比例为 1:3, 有的城市甚至达到 1 :5, 也就是说 3 辆车或者 5 辆车才有一个车位,特别是商

25、业区、城市旅游景点的比例高达 1:10 这种停车实 施建设严重落后于机动 车 的 增 长, 导 致 停车矛 盾 愈 加 严重 , 停 车难、 乱 停 车 的恶 性 循 环成为 城 市 交 通管 理 的- 2 -东北大 学毕 业设 计 ( 论文 ) 第1 章 绪论难 点 , 也 直接 导 致 交通堵 塞 。 阻 碍经 济 发 展。 与 此 同 时 ,也 有 一 些停车 场 收 费 高或 者 不了 解 停 车 场位 置 而 使用率 低 。 要 解决 这 种 供需矛 盾 , 一 方面 要 修 建停车 场 、 立 体停 车 库外,更重要的是利用科技手段建设智能停车系统。 由于世界各国的经济技术水平各异

26、, 发展智能停车场的政策和投资方向也不尽相同,所 以 目 前 对于 智 能 停车场 还 没 有 一个 明 确 的定义 。 从 人 工管 理 停 车场到 遥 控 道 闸再 到 现在无人值守的读卡器,停车场产品和技术一直在不断进行改进和完善。从 20 世纪 90 年代中后期迅速发展到城市商业区、 中心区交通已不能满足日益增长的汽车增长, 城市停车 场 状 况 紧张 , 国 内一些 企 业 开 始研 究 将 计算机 、 控 制 和通 信 技 术运用 于 停 车 场管 理 系统 , 引 进 开发 了 不 少先进 的 城 市 停车 场 诱 导系统 、 数 据 采集 系 统 、停车 场 泊 位 管理 系

27、统以 及 与 之 相配 套 的 停车场 电 子 管 理设 施 , 形成了 一 个 新 的停 车 产 业。目 前 我 国 市场 上 停车场的主要设备还是电动栏杆机, 由于技术比较陈旧, 性能较差, 只 能适应小 型停车场。 国内最早采用停车诱导系统的是北京王府井大街商业区,2001 年建成的停车场诱导系统。 王府井是商业集中区域, 车流量大, 平 均小汽车流量在 1.1 万辆, 而实际仅有 1800个停车泊位,远远不能满足停车需求,但王府井地区有 14 个停车场 3800 多个泊位。要引 导 车 辆 的合 理 分 流,就 需 要 对 各个 停 车 场资源 仓 库 的 调配 , 将 信息及 时 准

28、 确 地传 给 司机。 在这种情况下,2001 年 8 月王府井开始启动建设智能停车场诱导系统, 同年 12 月投入运行, 连通了王府井地区停车场 80% 以上的停车位, 实时显示王府井地区停车位情况,指 导 司 机 就近 停 车 ,在一 定 程 度 上缓 解 路 面无序 停 车 所 造成 的 拥 堵。后 来 陆 续 建成 了 西单和崇文门停车诱导系 统 这些智能停车诱导 系统主要包括路边停车 诱导在显示屏和停车场入口小型电子显示牌, 可以提供车位信息 停车场分布、 位置信息、 收费情况和对外910开放时间 。 经过几年的发展。 现在上海、 广州、 深圳大中 城市已不同程度建立了停车诱导系统,

29、但 这 些 城 市诱 导 系 统相对 独 立 , 只是 一 个 或几个 停 车 场 的联 网 , 由于数 据 采 集 和信 息 联通 等 因 素 影响 还 不 能达到 建 立 全 市范 围 统 一的停 车 诱 导 系统 。 值 得欣慰 的 是 上 海市 决 定在 2010 年内最终建成一个全市统一的停车场数据采集处 理发布平台, 到时 车主可以通过网络或 查询停车场车位情况,并提前预约车位。 智 能 停 车 场 管理 系 统 的最 终 目 的 是 改善 停 车 难的 状 况 , 提 高城 市 交 通系 统 的 效 率 与功 能 , 通 过为 司 机 提供泊 位 信 息 ,帮 助 找 到合适 的

30、 停 车 位置 。 要 达到这 个 目 的 ,需 要 建立 在 城 市 整体 停 车 信息的 把 握 上 ,因 此 , 通过建 立 一 套 完 整的 智 能停车 管 理 系 统会 更 好的将停车资源 合理配置。 停 车 诱 导 系 统作 为 智 能交 通 系 统 得 重要 组 成 部分 , 欧 美 等 国家 已 经 进行 了 大 量 的 研究工作,并将其应用于市中心。美国智能交通雏形始于 20 世纪 60 年代末期的电子路径导向系统,1990 年 美国 运 输 部 成 立智 能 化 车辆 道 路 系 统 组织 , 它 的目 标 是 实 现 面向 21世 纪 的 公 路交 通 智 能化, 从 根

31、 本 上解 决 和 减轻事 故 、 低 效率 等 交 通中的 各 种 问 题。 欧 洲- 3 -东北大 学毕 业设 计 ( 论文 ) 第1 章 绪论的智能交通系统是 1986 年几个欧盟国家的高校、研究所和企业共计 70 多个单位,投资50 多亿美元,联合执行一项旨在完善道路设施,提高服务质量的 DIVE 计划,目前欧洲各 国 正 在 进行 远 程 信息处 理 的 全 面应 用 开 发工作 , 计 划 在全 欧 范 围内建 立 专 门 的交 通 无限数据通信网。智能交通在日本的发展始于 20 世纪 70 年代,从 1973 年到 1978 年,日本成功地组织了一个叫动态路径诱导系统的实验, 从

32、 20 世纪 80 年代中期至 90 年代, 相继 完 成 了 路车 间 通 信系统 、 交 通 信息 通 信 系统、 智 能 车 辆系 统 、 安全车 辆 系 统 及新 交 通管理系统, 在 20 世纪末向全国推广。 我国的职能交通系统建设起步于 20 世纪 70 年代末期。 但发展步伐较慢。 但真正应用推广在 1996 年, 通过自主研发与引进相结合的办法开发了交通信息系统, 如交通监控。 从 2001 年北京王府井智能停车诱导系统建成开始。 现在 城 市 停 车诱 导 系 统和停 车 场 管 理系 统 已 经在全 国 大 中 城市 规 模 推广。 北 京 、 上海 、 广州 为 满 足

33、奥运 会 、 世博会 、 亚 运 会等 大 型 活动的 交 通 需 求, 都 在 完善建 立 交 通 基础 信 息数 据 库 、 交通 诱 导 系统、 智 能 调 度系 统 、 停 车诱 导 系 统 及智 能 交 通管理 指 挥 系 统。2005年 4 月, 重庆市渝中区建立了中西部首个智能停车诱导系统, 覆盖商务区 28 个室内停车场的 6000 多个停车位 ,2006 年 10 月深圳市 罗湖区人民南路也建成了国内最具规模、技术领先的三级停车诱导系统平台。 包括了 139 个社会停车场的 6000 多个停车位, 上海市11也计划在 2010 年实现全市停车诱导信息共享 。 目前,国内停车场

34、设备生产企业有 300 多家 。也有一些国外大公司如西门子等等进入这一市场, 其中国产和组装的停车场产品约占市场份额 80%左右, 高端市场占 20% 。一 般 的 住 宅小 区 、 中低档 写 字 楼 基本 使 用 国产、 组 装 产 品。 而 机 场、宾 馆 等 大 部分 使 用进口或者组装的高端产品。 产 生 这 种 情 况的 原 因 主要 是 国 内 停 车场 市 场 产品 成 熟 度 比 较低 , 技 术水 平 和 可 靠 性实 际 上 还 不能 满 足 更高的 要 求 , 设备 还 没 有形成 主 流 品 牌, 能 够 提供成 套 设 备 的厂 家 并不 多 。 另 一个 原 因

35、是一般 业 主 不 注重 停 车 场建设 的 质 量 ,而 且 大 部分停 车 场 都 是采 用 人工 管 理 办 法, 对 设 备依赖 程 度 不 高。 但 是 ,随着 城 市 建 设的 不 断 发展, 智 能 停 车场 需 求迅 速 增 长 ,也 引 起 了各地 有 关 部 门的 重 视 。哈尔 滨 市 部 分政 协 委 员“ 关 于 停 车 难问 题 ,提倡修建立体停车场 , 设立车辆停放车架” 的 建议成为 2006 年卡大重点提案, 一些智能立 体 停 车 场项 目 的 规划审 批 已 经 通过 : 沈 阳市和 平 区 准 备投 资 一 亿元在 太 原 街 道建 设 高标 准 智 能

36、 化的 停 车 场,杭 州 市 在 钱江 新 城 修建浙 江 省 最 大地 下 停 车场, 单 层 泊 车位 达 到829 个: 深圳市在 2004 年建设了地王大厦片区第一个停车诱导系统,2006 年又在罗湖商业区建成 6000 多个车位的智能停车诱导系统, 这也是目前国内最大、 世界领先的智能停车诱导系统。 据业内人士估计, 到 2008 年, 国内智能停车诱导系统、 智能停车场的市场可望达到 200 亿元, 由此可见,智能停车场是停车场发展的必然趋势并且拥有广阔的市场前景。 1.3 研究内 容 - 4 -东北大 学毕 业设 计 ( 论文 ) 第1 章 绪论智 能 停 车 场 系统 是 强

37、 调一 种 在 最 少 的参 与 人 员下 , 完 成 汽 车的 入 库 、停 车 、 出 库 、入库记录、 出库记录以及车位安排, 从而节省驾驶人员的时间, 降低停车场的管理成本。智 能 停 车 场由 上 位 机的智 能 管 理 与调 度 软 件统筹 管 理 整 个停 车 场 ,通过 无 线 通 信模 块 发送指令信息到电动汽车上,电动汽车根据管理系统发过来的信息自动进入停车场。 1.4 论文组 织结 构 本 课 题 在 理 论结 合 实 践的 基 础 上 , 研究 了 有 关自 动 泊 车 与 智能 停 车 场系 统 的 设 计 与实 现 , 全 文采 用 从 整体到 局 部 , 从理 论

38、 到 实践的 论 述 方 法, 具 体 的组织 方 式 为 :一 共 分为六章,第 1 章论述了 自动泊车与智能停车场的现状以及研究的目的与意义。第 2 章对系统进行分析。第 3 章 介绍此次毕业设计中所用到的关键技术。第 4 章对自动波车系统和智能停车场系统进行分析与设计。第 5 章主 要介绍自动波车系统的实现。第 6 章为功能模块的测试用例。第 7 章对全文作总结。- 5 -东北大 学毕 业设 计 ( 论文 )第2 章 关 键技 术介 绍 第 2 章 关键技术介绍 2.1 ARM 简介 ARM (Advanced RISC Machines ) , 既可以认 为是一个公司的名字, 也可以认

39、为是对一类微处理器的通称,还可以认为是一种技术的名字。1991 年 ARM 公司成立于英国剑桥, 主要出售芯片设计技术的授权。 目前, 采用 ARM 技术知识产权 (IP ) 核的微处理器,即我们通常所说的 ARM 微处理器,已遍及工业控制、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 技术的微处理器应用约占据了 32 位 RISC微处理器 75%以上的市场份额,ARM 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 ARM 公司是专门从事 基于 RISC 技术芯片设 计开发的公司,作为知识产权供应商,本 身 不 直 接从 事 芯 片生产 , 靠 转 让设 计 许 可由

40、合 作 公 司 生产 各 具 特色的 芯 片 , 世界 各 大半导体生产商从 ARM 公司购买其设计的 ARM 微处理器核,根据各自不同的应用领域,加入适当 的外围电路,从而形成自己的 ARM 微处理器芯片进入市场。目前,全世界有几十家大的半导体公司都使用 ARM 公司的授权, 因此既使得 ARM 技术获得更多的第三方 工 具 、 制造 、 软 件的支 持 , 又 使整 个 系 统成本 降 低 , 使产 品 更 容易进 入 市 场 被消 费 者1213所接受,更具有竞争力 。 2.1.1 ARM 微 处理器 的应用领 域及特 点 到目前为止,ARM 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域

41、。 (1) 工业控制领域: 作为 32 的 RISC 架构, 基于 ARM 核的微控制器芯片不但占据了 高 端 微 控 制 器 市 场 的 大 部 分 市 场 份 额 , 同 时 也 逐 渐 向 低 端 微 控 制 器 应 用 领 域 扩 展 ,ARM 微控制器的低功耗、高性价比,向传统的 8 位/16 位微控制器提出了挑战。 (2)无线通讯领域:目前已有超过 85% 的无 线通讯设备采用了 ARM 技术, ARM以其高性能和低成本,在该领域的地位日益巩固。 (3) 网络应用: 随着宽带技术的推广, 采用 ARM 技术的 ADSL 芯 片正逐步获得竞争优势。此外,ARM 在语音及视频处理上行了

42、优化,并获得广泛支持,也对 DSP 的应用领域提出了挑战。 (4)消费类电子产品:ARM 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。 (5)成像和安全产品:现在流行的 数码相机和打印机中绝大部分采用 ARM 技术。 中的 32 位 SIM 智 能卡也采用了 ARM 技术。 - 6 -东北大 学毕 业设 计 ( 论文 )第2 章 关 键技 术介 绍 除此以外,ARM 微处理器及技术还应用到许多不同的领域, 并会在将来取得更加广泛的应用。 采用 RISC 架构的 ARM 微处理器一般具有如下特点 。 (1)体积小、低功耗、低成本、高性能; (2) 支持 Thumb (16

43、位)/ARM (32 位) 双 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; 2.1.2 ARM 微 处理器 系列 ARM 微处理器目前包括下面几个系列, 以及其它厂商基于 ARM 体 系结构的处理器,除了具有 ARM 体系结构的共同特点以外, 每一个系列的 ARM 微处理器都有各自的特点和应用领域。 (1)ARM7 系列 (2)ARM9 系列 (3)ARM9E 系列 (4)ARM10E 系列 (5)SecurCore 系列 (6)Inter 的 Xs

44、cale (7)Inter 的 StrongARM 其中,ARM7 、ARM9 、ARM9E 和 ARM10 为 4 个通用处理器系列,每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。SecurCore 系列 专门为安全要求较高的应用而设计。 2.1.3 ARM 微 处理器 结构 传统的 CISC (Complex Instruction Set Computer , 复杂指令集计算机) 结构有其固有的 缺 点 , 即随 着 计 算机技 术 的 发 展而 不 断 引入新 的 复 杂 的指 令 集 ,为支 持 这 些 新增 的 指令, 计算机的体系结构会越来越复杂, 然而, 在 CIS

45、C 指令集的各种指令中, 其使用频率却相差悬殊, 大约有 20 %的指令会被反复使用, 占整个程序代码 80%。 而余下的 80%的指令却不经常使用,在程序设计中只占 20%,显然,这种结构是不太合理的。 - 7 -东北大 学毕 业设 计 ( 论文 )第2 章 关 键技 术介 绍 基 于 以 上 的 不 合 理 性 ,1979 年 美 国 加 州 大 学 伯 克 利 分 校 提 出 了 RISC (Reduced Instruction Set Computer , 精简指令集计算机) 的概念, RISC 并非只是简单地去减少指令,而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度

46、上。RISC 结构优先 选 取 使 用频 率 最 高的简 单 指 令 ,避 免 复 杂指令 ; 将 指 令长 度 固 定,指 令 格 式 和寻 址 方式种类减少;以控制逻辑为主,不用或少用微码控制等措施来达到上述目的。 到目前为止,RISC 体 系结构也还没有严格的定义,一般认为 RISC 体系结构应具有特点为 采用固定长度的指令格 式, 指令归整、 简单、 基本寻址方式有 23 种。 使用单周期 指 令 , 便于 流 水 线操作 执 行 。 大量 使 用 寄存器 , 数 据 处理 指 令 只对寄 存 器 进 行操 作 ,只有加载/ 存储指令可以访问存储器,以提高指令的执行效率。 除此以外,A

47、RM 体系结构还采用了一些特别的技术, 在保证高性能的前提下尽量缩小 芯 片 的 面积 , 并 降低功 耗 , 所 有的 指 令 都可根 据 前 面 的执 行 结 果决定 是 否 被 执行 , 从而提高指令的执行效率。 可用加载/ 存储指令批量传输数据, 以提高数据的传输效率。 可在 一 条 数 据处 理 指 令中同 时 完 成 逻辑 处 理 和移位 处 理 。 在循 环 处 理中使 用 地 址 的自 动 增减来提高运行效率。 当然和 CISC 架构相比较,尽管 RISC 架构有上述的优点,但决不能认为 RISC 架构就可以取代 CISC 架构,事实上,RISC 和 CISC 各有优势,而且界 限并不那么明显。现代的 CPU 往往采用 CISC 的外围, 内部加入了 RISC 的特性, 如超 长指令集 CPU 就是融合了 RISC 和 CISC 的 优势,成为未来的 CPU 发展方向之一。 ARM 处理器共有 37 个寄存器, 被分为