刁j “ 西華大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 作者鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行研究 工作所取得的成果。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用內(nèi)容和致謝的地方外， 本論文不包含其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表的研究成果，也不包含其他已申請(qǐng) 學(xué)位或其他用途使用過(guò)的成果。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的貢獻(xiàn) 均已在論文中做了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 若有不實(shí)之處，本人愿意承擔(dān)相關(guān)法律責(zé)任。 學(xué)位論文作者簽名：王春囊 指導(dǎo)教師簽名：彳夠老j 吊 日期：聊o 6 1 日期加f j 西華大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，在校 攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)屬于西華大學(xué)，同意學(xué)校保留并向國(guó)家 有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱，西 華大學(xué)可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采 用影印、縮印或掃描等復(fù)印手段保存和匯編本學(xué)位論文。( 保密的論文在解 密后遵守此規(guī)定) 學(xué)位論文作者簽名：互蠢熱 指導(dǎo)教! j i i ；簽名：礱移誓j 昂 日期：期d 6 1 日期 釉f o 6 、i i 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 為了提高晶振與時(shí)間繼電器的測(cè)試效率，實(shí)現(xiàn)儀器的便攜性與可程控，本設(shè)計(jì)研制 了一種可對(duì)晶振頻率和時(shí)間繼電器的時(shí)間參數(shù)自動(dòng)測(cè)量的儀器?？梢酝瑫r(shí)接收八路輸入 信號(hào)，自動(dòng)測(cè)試完畢后，在t f t 液晶屏上實(shí)時(shí)顯示出測(cè)量結(jié)果、絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差。 本設(shè)計(jì)以l u m i n a r y 公司c o r t e x - m 3 內(nèi)核的單片機(jī)l m 3 s 8 9 6 2 和a l t e r a 公司c y c l o n e n 系列的f p g a 芯片e p 2 c 8 0 2 0 8 為核心構(gòu)成硬件系統(tǒng)平臺(tái)。采用高性能的c o r t e x - m 3 內(nèi) 核單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了智能化測(cè)量。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)和f p g a 外圍電路設(shè)計(jì)、鍵 盤(pán)與l c d 接入設(shè)計(jì)、被測(cè)信號(hào)調(diào)理模塊等。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)有：用c 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的 控制，用混合描述方式實(shí)現(xiàn)f p g a 內(nèi)測(cè)試模塊，用l a bw i n d o w s c v i 實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件界 面的控制。測(cè)量和計(jì)算結(jié)果采用3 2 0 * 2 4 0 液晶屏顯示，界面友好，人機(jī)交互方便。 該作品做為一種智能程控儀器，可以進(jìn)行本地控制和遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)程控制時(shí)，通過(guò) 儀器內(nèi)部的通用接口模塊，可以與實(shí)驗(yàn)室研制的t c p i p 、g p i b 、u s b 等接口及接口驅(qū)動(dòng) 軟件對(duì)接，組合為多接口兼容可程控儀器，由上位機(jī)發(fā)送s c p i 指令完成測(cè)量過(guò)程，進(jìn) 而與計(jì)算機(jī)構(gòu)成具備t c p i p 、g p i b 、u s b 等接口的自動(dòng)測(cè)試測(cè)試系統(tǒng)。 本論文對(duì)上述的各項(xiàng)工作進(jìn)行了詳盡的討論，并以相應(yīng)的實(shí)物模塊為例，證明了該 系統(tǒng)的可行性。參照國(guó)標(biāo)要求，對(duì)繼電器測(cè)試精度達(dá)到1 0 娟，對(duì)晶振的測(cè)試精度達(dá)到1 0 9 。 突破了目前市場(chǎng)多種繼電器測(cè)試儀，晶振測(cè)試儀，測(cè)試功能單一的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 和測(cè)試應(yīng)用的結(jié)果證明，該測(cè)試系統(tǒng)具有較小的測(cè)量不確定度、較高的工作效率。 關(guān)鍵詞：晶振；時(shí)間繼電器；f p g a ；l m 3 s 8 9 6 2 ；自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng) 晶體振蕩器與時(shí)間繼電器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) a b s t r a c t i no r d e rt oe n h a n c et 1 1 et e s te f f i c i e n c yf o ro s c i l l a t o r sa n dt i m er e l a y s ，a n dm a k et h et e s t e r p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e da n dp o r t a b l e ，t h ei n s t m m e n tu s e df o rt e s t i n gf r e q u e n c ya n dr e l a y s t i m ep a r a m e t e r sh a sb e e nd e s i g n e d t h et e s t e re q u i p p e d 謝也e i g h tc h a n n e l sf o re i g h ts i g n a l s i n p u ts i m u l t a n e o u s l y w h e na u t o m a t i ct e s tc o m p l e t e d ，t h em e a s u r e m e n tr e s u l t s ，a b s o l u t ee r r o r s a n dr e l a t i v ee r r o r sa r ed i s p l a y e do nt f t l i q u i dc r y s t a lp a n e li nr e a lt i m e 1 1 1 eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h i st e s ti n s t r u m e n tb a s e do nl u m i n a r y sl m 3s 8 9 6 2w i 也 c o r t e x - m 3c o r ea n da l t e r a s c y c l o n e i is e r i e sf p g ac h i p se p 2 c 8 q 2 0 8 i n t e l l i g e n t m e a s u r e m e n ti sa c h i e v e ds i n c et h eu s eo ft h e h i g h - p e r f o r m a n c e c o r t e x - c o r e m i c r o c o n t r o l l e r t h eh a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e sm i c i 0 c o n t i 0 n e ra n df p g ae x t e r n a lc i r c u i t d e s i g n , t h ec i r c u i to fk e y b o a r da n dl c d ，t h ec o n d i t i o n i n gm o d u l ef o re a s u r e ds i g n a l s y s t e m s o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e s ：u s e i n gc l a n g u a g et oa c h i e v em c uc o n t r o l ，u s i n gh y b r i dd e s c r i p t i o n o ff p g at 0r e a l i z et e s tm o d u l ei n s i d e ，u s i n gl a bw i n d o w s c v is o f t w a r ei n t e r f a c et oa c h i e v e t h eu p p e rm a c h i n ec o n t r 0 1 n em e a s u r e da n dc a l c u l a t e dr e s u l t sa r ed i s p l a y e do nl c d l i q u i d c r y s f l ap a n e l 誦t h3 2 0 2 4 0p e l s ，u s e r - f r i e n d l yi n t e r f a c et o f a c i l i t a t eh u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o n a sa ni n t d l i g e n tp r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e dt e s t e r , i tc a nb el o c a lc o n t r o la n dr e m o t e c o n t r 0 1 i nr e m o t ec o n t r o lm o d e ，t h r o u g hac o m m o ni n t e r f a c em o d u l ed e s i g n e di nt h e i n s t r u m e n t , c o m b i n e dw h t ht c p 瑕g p i b ，u s bi n t e r f a c ea n di n t e r f a c e - d r i v e ns o f t w a r e ，a m u l t i i n t e r f a c e c o m p a t i b l ed e v i c ei si n t e g r a t e d ，h o s tc o m p u t e rs e n ds c p ic o m m a n d st o c o m p l e t em e a s u r e m e n tp r o c e s s ，t h u sc o n s t i t u t e sa na u t o m a t i ct e s ts y s t e m 謝t l lc o m p u t e ra n d t c p 珉g p m ，u s bo ro t h e ri i l t e r f a c 銘 i nt h i sp a p e r ，t h ew o r ko ft h ea b o v eh a dad e t a i ld i s c u s s i o n ，a n du s i n gc o r r e s p o n d i n g p h y s i c a lm o d u l e sp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h es y s t e m r e f e r e n c et on a t i o n a ls t a n d a r d ，r e l a y t e s ta c c u r a c ya c h i e v e dl0 ，c r y s t a la c h i e v e dl0 叫b r e a k t h r o u g ht h ec h a r a c t e ro fav a r i e t yo f r c l a yt e s t e r , c r y s t a lt e s t e ro n l yh a v es i n 百ef u n c t i o ni nt h ec u r r e n tm a r k e t t h ee x p e r i m e n t a l a n a l y s i sa n dr e s u l to ft e s t sp r o v e dt h a tt h i ss y s t e mo f f e r ss m a l l e ru n c e r t a i n t yo fm e a s u r e m e n t a n dh i g h e re f f i c i e n c y k e yw o r d ：c r y s t a l ；t i m er e l a y ；f p g a ；l m 3 s 8 9 6 2 ；a u t o m a t i ct e s ts y s t e m 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 摘 要i a b s t r a c t i i l 者論1 1 1 研究背景及意義。l 1 2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1 1 3 本課題研究的主要內(nèi)容2 2 時(shí)間頻率測(cè)量方法4 2 1 直接測(cè)頻法4 2 2 間接測(cè)頻法。4 2 3 等精度測(cè)量法5 2 4 測(cè)試儀設(shè)計(jì)方案論證6 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)8 3 1 硬件總體設(shè)計(jì)8 3 2 單片機(jī)主控模塊設(shè)計(jì)8 3 2 1 l m 3 s 8 9 6 2 單片機(jī)介紹9 3 2 2 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)1 7 3 3 f p g a 內(nèi)部的測(cè)試模塊1 9 3 3 1 f p g a 芯片介紹1 9 3 3 2 完成測(cè)試的各功能模塊設(shè)計(jì)2 l 3 3 3 通用接口設(shè)計(jì)2 9 3 3 4g pib 接口與s c pi 協(xié)議3 2 3 4 外圍電路設(shè)計(jì)3 4 3 4 1 鍵盤(pán)接口電路設(shè)計(jì)3 5 3 4 2 液晶顯示電路設(shè)計(jì)3 6 3 4 3j t a g 及a s 配置電路設(shè)計(jì)3 8 3 4 4 電源模塊設(shè)計(jì)3 9 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4 1 4 1基于l m 3 s 8 9 6 2 的程序開(kāi)發(fā)4 2 4 1 1l m 3 s 8 9 6 2 開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹4 2 4 1 2 單片機(jī)主程序設(shè)計(jì)4 3 4 1 3 鍵盤(pán)掃描子程序設(shè)計(jì)4 3 4 2 基于f p g a 的程序4 7 4 2 1f p g a 開(kāi)發(fā)環(huán)境4 7 4 2 2f p g a 單元模塊的實(shí)現(xiàn)5l 4 3 上位機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境l a b w in d o w s c vi 5 4 4 3 1虛擬儀器界面模塊5 5 4 3 2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。5 6 5 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果6 0 5 1調(diào)試過(guò)程6 0 5 1 1 硬件調(diào)試6 0 5 1 2 軟件調(diào)試6 0 i 晶體振蕩器與時(shí)間繼電器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5 2 系統(tǒng)測(cè)試6 l 5 3 作品實(shí)物及測(cè)量結(jié)果顯示6 3 結(jié)論6 5 參考文獻(xiàn)6 6 附錄a晶振與時(shí)間繼電器測(cè)試儀p c b 板圖6 8 附錄b 單片機(jī)m ain 函數(shù)6 8 參考文獻(xiàn)7 7 致謝8 0 i v 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒論 1 1研究背景及意義 在國(guó)防航空、工業(yè)電子、科研計(jì)量等部門(mén)，常常需要了解所用的晶體振蕩器的諧振 頻率、頻率準(zhǔn)確度等性能。采用傳統(tǒng)的計(jì)數(shù)器或示波器等測(cè)試設(shè)備面臨測(cè)試效率低、測(cè) 試不方便的問(wèn)題。對(duì)于低端諧振器、振蕩器的測(cè)試，更是因?yàn)闇y(cè)試比較困難而無(wú)法得到 測(cè)試確認(rèn)，甚至?xí)绊懻紫到y(tǒng)的性能。高穩(wěn)定度晶振的準(zhǔn)確度、老化等性能的測(cè)試校 準(zhǔn)，傳統(tǒng)方法需要一套專門(mén)龐大的計(jì)量測(cè)試設(shè)備，成本高昂而且無(wú)法保障在實(shí)際應(yīng)用中 的性能和精度。 而在工業(yè)生產(chǎn)和制造業(yè)中常用的時(shí)間繼電器如j s l 4 s 、d h l 4 s 等系列，隨著使用中的 磨損和老化，它的定時(shí)精度和可靠性都會(huì)降低。為了能夠提前知道時(shí)間繼電器的定時(shí)準(zhǔn) 確度，從而進(jìn)行校正、修理或者在定時(shí)的時(shí)候把誤差考慮進(jìn)去，就需要定期的對(duì)時(shí)間繼 電器進(jìn)行檢定。在以往，時(shí)間繼電器的檢定裝置主要是用電秒表。但是有幾個(gè)方面的的 原因限制了它的發(fā)展：一是有些電秒表使用的時(shí)間基準(zhǔn)就是使用市電的5 0 h z 作為時(shí)間 基準(zhǔn)，它的精度不高。二是它最多只有兩個(gè)通道，效率不高，無(wú)法使用于大批量檢定。 三是它的操作不便，必須人工值守，無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)量的自動(dòng)化。 通過(guò)參觀成都某工業(yè)公司，發(fā)現(xiàn)他們的晶體振蕩器測(cè)試技術(shù)還使用人工測(cè)試，工作 效率低下，測(cè)試精度有隨機(jī)性誤差等弊端，鑒于這種現(xiàn)狀，結(jié)合兩種測(cè)量原理的相近之 處，本設(shè)計(jì)研制了一臺(tái)功能復(fù)用的高精度晶振與時(shí)間繼電器測(cè)試儀，可以解決對(duì)可編程 儀器標(biāo)準(zhǔn)命令s c p i 的解析，和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中可程控儀器通信協(xié)議生成，與國(guó)際儀器 設(shè)計(jì)遵循的標(biāo)準(zhǔn)s c p i 兼容，并可通過(guò)t c p i p 、g p i b 、u s b 等接口與p c 機(jī)構(gòu)成自動(dòng)測(cè)試 系統(tǒng)，從而將計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、智能儀器、總線與接口技術(shù)等有機(jī)地結(jié)合在一起。 高速、高精確度、多參數(shù)、多功能的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，是電子測(cè)量技術(shù)與自動(dòng)控制和 電子計(jì)算機(jī)技術(shù)密切結(jié)合的成果，是電子測(cè)量?jī)x器數(shù)字化與數(shù)字信息系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn) 物，能避免了人為因素的誤差，可獲得十分良好的測(cè)試復(fù)現(xiàn)性；通過(guò)進(jìn)行大量的冗余測(cè) 量，進(jìn)行判斷、分析和折算，可以在很大程度上消除或削弱隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，從而 獲得極高的測(cè)量精確度。 1 2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 時(shí)間繼電器屬于低壓電器控制類，其發(fā)展史可追溯到7 0 年代，隨著我國(guó)電子技術(shù) 的不斷發(fā)展和專用時(shí)間繼電器芯片的研發(fā)和應(yīng)用，使國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的時(shí)間繼電器，從產(chǎn)品外 觀到性能上都得到了很大程度的發(fā)展。用戶在使用時(shí)可通過(guò)面板外設(shè)的撥碼或功能按鍵 進(jìn)行時(shí)間或控制方式的預(yù)置，從具體使用上有些產(chǎn)品基本上可與國(guó)外產(chǎn)品進(jìn)行等同互 換。然而在國(guó)內(nèi)對(duì)這些大量應(yīng)用的數(shù)顯時(shí)間繼電器的計(jì)時(shí)準(zhǔn)確性的自動(dòng)測(cè)試儀的研究卻 晶體振蕩器與時(shí)間繼電器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 沒(méi)有得到同步發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)使用單位仍然在大量采用傳統(tǒng)的機(jī)械式或者是模擬 式時(shí)間檢測(cè)儀器來(lái)測(cè)量時(shí)間繼電器的計(jì)時(shí)準(zhǔn)確度，這種檢測(cè)儀體積大、精度低、操作復(fù) 雜對(duì)測(cè)試人員要求高。這嚴(yán)重的制約了智能時(shí)間繼電器的推廣應(yīng)用，因而就迫切的需要 研究一款體積小、重量輕、操作簡(jiǎn)便的數(shù)顯時(shí)間繼電器智能測(cè)試儀，能夠同時(shí)對(duì)多款不 同型號(hào)不同種類數(shù)顯時(shí)間繼電器的準(zhǔn)確性進(jìn)行快速檢測(cè)。 晶振測(cè)試儀廣泛應(yīng)用于晶體行業(yè)、郵電、通信、廣播電視、學(xué)校、研究所及工礦企 業(yè)的科研和生產(chǎn)之中，但在2 0 0 4 年以前，晶振測(cè)試儀仍依賴于國(guó)外進(jìn)口。目前市場(chǎng)上 最精確的計(jì)時(shí)計(jì)頻儀器是產(chǎn)自美國(guó)福祿克的p m 6 6 8 1 r p m 6 6 8 5 r 計(jì)時(shí)計(jì)頻器它提供了 使所有的p m 6 6 8 1 r p m 6 6 8 5 r 的功能和穩(wěn)定性精度都相當(dāng)高的內(nèi)置銣時(shí)基，可給出1 0 位 的可靠顯示，價(jià)格高達(dá)1 6 萬(wàn)人民幣。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的晶振測(cè)試儀也都價(jià)格不菲，所以在 提高精度、降底成本上下功夫是很有意義的。 總之，目前市場(chǎng)上涉及到測(cè)量精度的儀器，普遍成本較高，如果將晶體振蕩器和時(shí) 間繼電器的測(cè)試?yán)靡慌_(tái)儀器來(lái)完成，就可以很大程度上降底成本。本文提出的可程控 的晶振與繼電器高精度測(cè)試儀，不但是一臺(tái)測(cè)試功能齊全的晶振測(cè)試儀，也可以僅通過(guò) 軟件菜單的選擇，切換內(nèi)部測(cè)試模式，形成一臺(tái)高準(zhǔn)確度的繼電器測(cè)試儀，無(wú)需增添其 他任何硬件設(shè)備。通過(guò)專利查詢還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)相關(guān)的技術(shù)。 1 3 本課題研究的主要內(nèi)容 本課題研究的晶體振蕩器與時(shí)間繼電器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)原理如下：由于在電子測(cè)量中 頻率信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量精度高，因而利用頻率信號(hào)去測(cè)量時(shí)間，l m 3 s 8 9 6 2 完成控 制、處理與顯示，f p g a 完成分頻、計(jì)數(shù)、閘門(mén)控制等模塊。被測(cè)時(shí)間繼電器的信號(hào)和基 準(zhǔn)頻率信號(hào)在單片機(jī)的控制下進(jìn)入f p g a ，由f p g a 內(nèi)部的閘門(mén)控制模塊和計(jì)數(shù)模塊完成 繼電器高脈沖下的時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)，繼電器吸合的同時(shí)f p g a 內(nèi)停止計(jì)數(shù)，然后單片機(jī)讀回測(cè) 量結(jié)果，并計(jì)算出設(shè)置值與測(cè)量值之間的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差，最后將測(cè)量和計(jì)算結(jié)果 送到l c d 上進(jìn)行顯示。 測(cè)量晶振精度時(shí)，外部基準(zhǔn)頻率源切換到銣標(biāo)，此時(shí)基信號(hào)經(jīng)過(guò)分頻形成1 s 到 1 0 0 0 s 的精確閘門(mén)時(shí)間，這時(shí)做為計(jì)數(shù)脈沖的是被測(cè)晶振。其它原理與繼電器的測(cè)試相 同，在不增加成本的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了功能的擴(kuò)展。 歸納起來(lái)本論文主要對(duì)以下幾方面內(nèi)容進(jìn)行討論： 研究了晶體振蕩器與時(shí)間繼電器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量原理和結(jié)構(gòu)； a r m 、f p g a 硬件系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，包括配置電路、l c d 電路、接口轉(zhuǎn)換電路等一 些外圍電路的設(shè)計(jì)： 以單片機(jī)l m 3 s 8 9 6 2 作為系統(tǒng)的主控部件實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的管理、控制和顯示； 基于q u a r t u si i 和v h d l 語(yǔ)言在f p g a 芯片c y c l o n ei i 系列e p 2 c 8 上采用自上而下 2 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 的數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)頻率測(cè)量的硬件及軟件設(shè)計(jì)： 設(shè)計(jì)上位p c 機(jī)虛擬儀器控制程序并將上位p c 機(jī)虛擬儀器控制程序、接口轉(zhuǎn)換 卡、測(cè)時(shí)間繼電器測(cè)頻的聯(lián)調(diào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。 3 晶體振蕩器與時(shí)間繼電器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 時(shí)間頻率測(cè)量方法 時(shí)間頻率的測(cè)量n 1 是電子測(cè)量領(lǐng)域的最基本的測(cè)量之一，由于頻率信號(hào)抗干擾能力 強(qiáng)、易于傳輸、可以獲得較高的測(cè)量精度，在數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)中對(duì)時(shí)間的測(cè)量通常都是 轉(zhuǎn)化為對(duì)頻率的測(cè)量晗3 ，所以對(duì)頻率測(cè)量方法3 的研究越來(lái)越受到重視。下面將分別介 紹測(cè)頻領(lǐng)域幾種常用的測(cè)頻方式，即直接測(cè)頻法、間接測(cè)頻法和等精度測(cè)頻法。 2 1 直接測(cè)頻法 直接測(cè)頻法是根據(jù)頻率的定義廷伸出來(lái)的一種測(cè)量方法，它的工作原理框圖如圖 2 1 所示。首先，被測(cè)信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理，形成幅度一致，形狀一致的計(jì)數(shù)脈沖，即時(shí) 標(biāo)。然后，將它加到閘門(mén)的一個(gè)輸入端。由石英振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)經(jīng)放大整形，形 成方波，在分頻控制電路的控制下，形成不同周期的門(mén)控信號(hào)，加到閘門(mén)的另一個(gè)輸入 端。閘門(mén)由門(mén)控信號(hào)來(lái)控制其關(guān)閉時(shí)間，只有在閘門(mén)打開(kāi)時(shí)間t 內(nèi)，通過(guò)計(jì)數(shù)器記錄被 測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)n 。根據(jù)頻率的定義計(jì)算出被測(cè)信號(hào)的頻率為g a ：型( 2 1 ) 7 圖2 1 直接測(cè)頻法原理圖 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ed i r e c tf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm e t h o d 2 2 間接測(cè)頻法 間接測(cè)頻法嘲是通過(guò)測(cè)量被測(cè)信號(hào)的周期來(lái)計(jì)算頻率的，即通過(guò)測(cè)量被測(cè)信號(hào)的周 期t x ( 即被測(cè)信號(hào)兩間隔脈沖間的時(shí)間) ，并由周期為頻率的倒數(shù)來(lái)確定被測(cè)向信號(hào)的 頻率。其測(cè)量電路框圖如圖2 2 所示。 4 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 2 間接測(cè)頻法的原理圖 f i g2 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ei n d i r e c tf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm e t h o d 被測(cè)信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路變成方波信號(hào)后，經(jīng)分頻形成門(mén)控信號(hào)t x ，控制閘門(mén)的開(kāi) 閉。當(dāng)閘門(mén)打開(kāi)時(shí)，周期為t o 的時(shí)基信號(hào)通過(guò)閘門(mén)送到計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。閘門(mén)關(guān)閉時(shí)，停 止計(jì)數(shù)。設(shè)記錄下閘門(mén)由打開(kāi)到關(guān)閉期間輸出的計(jì)數(shù)脈沖n ，則有： tx=nto ( 2 2 ) 以= i 1 = 擊= 魯 ( 2 3 ) 2 3 等精度測(cè)量法 等精度測(cè)頻方法哺1 是在直接測(cè)頻方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。它的閘門(mén)時(shí)間不是固定 的值，而是被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍，即與被測(cè)信號(hào)同步，因此，去除了對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù) 所產(chǎn)生1 個(gè)字誤差，并且達(dá)到了在整個(gè)測(cè)試頻段的等精度測(cè)量。等精度測(cè)頻的最大特 點(diǎn)就是在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都能達(dá)同樣的測(cè)量精度，且與被測(cè)信號(hào)頻率大小無(wú)關(guān)。原理框 圖如圖2 3 。 圖2 3 等精度測(cè)頻法原理框圖 f i g2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ep r e c i s i o nf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm e t h o d 在測(cè)量時(shí)間內(nèi)，被測(cè)信號(hào)由計(jì)數(shù)器n x 計(jì)數(shù)，時(shí)基脈沖信號(hào)做為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)由計(jì)數(shù)器 n s 計(jì)數(shù)。預(yù)置門(mén)的打開(kāi)和關(guān)閉由被測(cè)信號(hào)和預(yù)置的測(cè)量時(shí)間控制，兩個(gè)計(jì)數(shù)器的開(kāi)關(guān)由 控制預(yù)置輸出的時(shí)間預(yù)置電路和同步門(mén)電路來(lái)完成，使閘門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉和被測(cè)信號(hào)的 有效跳變同步，從而得到完全相同的閘門(mén)開(kāi)門(mén)時(shí)間。其原理波形如圖2 4 所示。 晶體振蕩器與時(shí)間繼電器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 在測(cè)量過(guò)程中，兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和被測(cè)信號(hào)同時(shí)計(jì)數(shù)。首先給出閘門(mén)開(kāi) 啟信號(hào)( 預(yù)置閘門(mén)上升沿) ，此時(shí)計(jì)數(shù)器并不開(kāi)始計(jì)數(shù)，而是等到被測(cè)信號(hào)的上升沿到 來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器才真正開(kāi)始計(jì)數(shù)。然后預(yù)置閘門(mén)關(guān)閉信號(hào)( 下降沿) 到時(shí)，計(jì)數(shù)器并不立 即停止計(jì)數(shù)，而是等到被測(cè)信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)才結(jié)束計(jì)數(shù)，完成一次測(cè)量過(guò)程。可以 看出，實(shí)際閘門(mén)時(shí)間t 與預(yù)置閘門(mén)時(shí)間t 。并不嚴(yán)格相等，但差值不超過(guò)被測(cè)信號(hào)的一個(gè) 周期。 2 4 測(cè)試儀設(shè)計(jì)方案論證 依據(jù)對(duì)前面介紹的時(shí)間頻率測(cè)量原理的理解，考慮到本測(cè)試儀要完成對(duì)晶振和繼 電器各自獨(dú)立的測(cè)試，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的具體情況，最后定下的方案是：在共用軟硬件的基 礎(chǔ)上，通過(guò)在f p g a 內(nèi)設(shè)置的一個(gè)選擇接口電路，針對(duì)不同的測(cè)試功能，靈活地選擇相 對(duì)精確適用的測(cè)量方法。 具體做法是，對(duì)時(shí)間繼電器測(cè)試時(shí)，考慮到它屬于低頻信號(hào)，故采用間接測(cè)頻法， 即測(cè)周期法。在繼電器與主板之間，設(shè)計(jì)一個(gè)外圍電路，實(shí)現(xiàn)的功能為：在繼電器的定 時(shí)時(shí)間間隔內(nèi)，同繼電器輸入主板內(nèi)測(cè)量模塊的被測(cè)信號(hào)為高電平，定時(shí)時(shí)間到或不工 作時(shí)，此被測(cè)信號(hào)變?yōu)榈碗娖?。也就是說(shuō)，此時(shí)充當(dāng)閘門(mén)信號(hào)的是繼電器的高電平輸出 信號(hào)，充當(dāng)時(shí)基脈沖的是恒溫晶體振蕩器( 0 c x 0 ) 的輸出，它的標(biāo)稱頻率為5 m ，在系統(tǒng)開(kāi) 機(jī)5 m i n 后晶振頻率準(zhǔn)確度達(dá)2 6 1 0 。6 。 對(duì)晶振進(jìn)行測(cè)試時(shí)，采用適用于高頻段的測(cè)量方法，即直接測(cè)頻法，為了盡可能保 證閘門(mén)時(shí)間的精確度，基準(zhǔn)源采用銣標(biāo)，頻率準(zhǔn)確度為5x1 0 q o ，銣時(shí)標(biāo)株子共振理論 從本質(zhì)上說(shuō)，其穩(wěn)定性是機(jī)電結(jié)構(gòu)晶體振蕩器的1 0 0 倍，由它引進(jìn)的量化誤差( l 誤 差) 基本上可以忽略?；鶞?zhǔn)源信號(hào)經(jīng)過(guò)分頻電路形成可以選擇的不同時(shí)間間隔的閘門(mén)輸 6 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 出，被測(cè)晶振經(jīng)整形放大后充當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖，符合直接測(cè)頻法的定義。 這樣做的好處在于即節(jié)省了硬件資源，又保證了測(cè)量精度，僅通過(guò)軟件上程序的執(zhí) 行就可方便地切換測(cè)試功能。對(duì)于前面提到的等精度恒誤差測(cè)頻原理由于是近幾年才發(fā) 展起來(lái)的所以沒(méi)有在本設(shè)計(jì)中采用，但是如果要對(duì)系統(tǒng)的改進(jìn)或升級(jí)則需要優(yōu)先考慮這 種方法，這也是本設(shè)計(jì)下一步需要改進(jìn)的地方。 本測(cè)試儀h 1 采用美國(guó)l u m i n a r y 公司的l m 3 s 8 9 6 2 作為系統(tǒng)的主要控制部件，實(shí)現(xiàn)對(duì) 整個(gè)電路的測(cè)試信號(hào)控制、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理、鍵盤(pán)掃描和控制液晶顯示器的顯示輸出等。 以一塊現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件f p g a 芯片( c y c l o n e i i 系列的e p 2 c 8 ) ，完成時(shí)基分頻、時(shí)序 邏輯控制、計(jì)數(shù)、輸出等功能陋1 ?；趒 u a r t u si i ，用v h d l 語(yǔ)言編程對(duì)f p g a 進(jìn)行設(shè)計(jì)、 編譯、調(diào)試、仿真和下載，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試儀的模塊化設(shè)計(jì)。這樣相對(duì)于分離器件來(lái)說(shuō)大大 的縮小了體積、減輕了重量，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性陽(yáng)1 。在a r m 控制下，當(dāng)打開(kāi) 閘門(mén)時(shí)，被測(cè)器件時(shí)間繼電器的信號(hào)和時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)分別被送入各自計(jì)數(shù)器的輸入端開(kāi) 始計(jì)數(shù)，當(dāng)閘門(mén)信號(hào)關(guān)閉時(shí)計(jì)數(shù)器都同時(shí)停止計(jì)數(shù)，單片機(jī)將f p g a 內(nèi)的1 2 位十進(jìn)制計(jì) 數(shù)器的計(jì)數(shù)值讀入其內(nèi)存進(jìn)行處理后，并將計(jì)數(shù)結(jié)果送l c d 顯示1 1 0 1 。通過(guò)對(duì)本地鍵盤(pán)或 遠(yuǎn)地可程控面板操作，可以分別對(duì)時(shí)間繼電器和時(shí)基信號(hào)計(jì)數(shù)器的開(kāi)啟、停止計(jì)數(shù)功能 進(jìn)行控制，也可以對(duì)各個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行初始化。系統(tǒng)將單片機(jī)的控制靈活性及f p g a 芯片 ( a c e x1 k 3 0 ) 的現(xiàn)場(chǎng)可編程性相結(jié)合，不但大大縮短了開(kāi)發(fā)研制周期、降低了設(shè)計(jì)成本， 而且使本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、可靠性好、精度高、易于升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)。 7 晶體振蕩器與時(shí)間繼電器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 3 1 硬件總體設(shè)計(jì) 整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)與f p g a 組成的主機(jī)測(cè)試系統(tǒng)、鍵盤(pán)、液晶顯示、通 用接口模塊、被測(cè)繼電器組晶振組以及上位機(jī)虛擬儀器控制模塊等。總體框圖如圖3 1 所示，其中單片機(jī)與f p g a 組成的主機(jī)測(cè)試系統(tǒng)是本儀器的主體部分，鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)停 止測(cè)量、初始值設(shè)置、測(cè)時(shí)間繼電器或者測(cè)晶振的功能選擇，以及測(cè)時(shí)間繼電器的時(shí)標(biāo) 設(shè)置和測(cè)晶振時(shí)的閘門(mén)時(shí)間設(shè)置等。測(cè)試儀虛擬顯示控制面板可以進(jìn)行本地和遠(yuǎn)程測(cè)試 設(shè)置及顯示，實(shí)現(xiàn)本地鍵盤(pán)所具有的一切控制功能，達(dá)到可程控智能化測(cè)試的目的。 圖3 1 系統(tǒng)總體框圖 f i g 3 1 t h eo v e r a l lb l o c kd i a g r a m o f s y s t e m 系統(tǒng)復(fù)位后，各部分都處于準(zhǔn)備工作狀態(tài)。在啟動(dòng)信號(hào)到來(lái)后，被測(cè)時(shí)間繼電器的 信號(hào)和基準(zhǔn)頻率信號(hào)在單片機(jī)的控制信號(hào)的控制下進(jìn)入f p g a 中的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié) 束后其結(jié)果送到緩沖器，當(dāng)單片機(jī)接收到計(jì)數(shù)結(jié)束信號(hào)后到緩沖器取出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后 送到液晶顯示器進(jìn)行顯示輸出。鍵盤(pán)控制命令通過(guò)單片機(jī)的g p l 0 口讀入單片機(jī)，實(shí)現(xiàn) 啟動(dòng)停止測(cè)量、初始值設(shè)置、測(cè)時(shí)間繼電器或者測(cè)頻選擇功能以及測(cè)時(shí)間繼電器的時(shí) 標(biāo)基設(shè)置和測(cè)頻率時(shí)的閘門(mén)時(shí)間設(shè)置等。 3 2 單片機(jī)主控模塊設(shè)計(jì) 8 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 2 1 l m 3 s 8 9 6 2 單片機(jī)介紹 本設(shè)計(jì)的c p u 選用美國(guó)l u m i n a r y 公司的a r mc o r t e x - m 3 內(nèi)核芯片l m 3 s 8 9 6 2 。 c o r t e x - m 3 是首款基于a r m v 7 - m 架構(gòu)的處理器n u ，其包含的處理器基于a r m v 7 架構(gòu)的三 個(gè)分工明確的部分，a 部分面向復(fù)雜的尖端應(yīng)用程序，用于運(yùn)行開(kāi)放式的復(fù)雜操作系統(tǒng)； r 部分針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)；m 部分為成本控制和微控制器應(yīng)用提供優(yōu)化。是專門(mén)為了在微控 制器，汽車車身系統(tǒng)，工業(yè)控制系統(tǒng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等對(duì)功耗和成本敏感的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域 實(shí)現(xiàn)高系統(tǒng)性能而設(shè)計(jì)的，它大大簡(jiǎn)化了可編程的復(fù)雜性。 ( 1 ) c o r t e x - m 3 內(nèi)核介紹 a r m 內(nèi)核的發(fā)展如圖3 2 所示，圖中都是較為常見(jiàn)的a r m 內(nèi)核，目前最新的已經(jīng)不 是c o r t e x 系列了，在過(guò)去的十年里，a r m 7 系列處理器被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。c o r t e x - m 3 在a r m 7 的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)成功，為基于a r m 7 處理器系統(tǒng)的升級(jí)開(kāi)辟了道路。它的中心內(nèi)核 效率更高，編程模型更簡(jiǎn)單，它具有出色的確定中斷行為，其集成外設(shè)以低成本提供了 更強(qiáng)大的性能。下面我們重點(diǎn)介紹本項(xiàng)目中使用的c o r t e x 內(nèi)核。 圓園圓圈圈園 圖3 2a r m 內(nèi)核的發(fā)展 f i g 3 2 t h ed e v e l o p m e n to f a r mc o l e c o r t e x m 3 內(nèi)核【1 2 】的特點(diǎn)主要有：具有a r m v t m 架構(gòu)，在a r m v 4 t 架構(gòu)基礎(chǔ)上拓 展了3 6 條新指令；具有更高的性能，t h u m b 2 指令集架構(gòu)( i s a ) 使其具有業(yè)界領(lǐng)先的 代碼密度；具有存儲(chǔ)器保護(hù)單元( m p u ) ，m p u 加強(qiáng)了優(yōu)先權(quán)和訪問(wèn)規(guī)則，在多任務(wù)操 作系統(tǒng)中通過(guò)分離代碼、數(shù)據(jù)和堆棧來(lái)實(shí)現(xiàn)安全的優(yōu)先級(jí)，同時(shí)通過(guò)控制存儲(chǔ)地址的讀、 寫(xiě)和執(zhí)行來(lái)實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)的限制；具有標(biāo)準(zhǔn)化的存儲(chǔ)器映射，高密度的內(nèi)存使用，支持8 位、 1 6 位、3 2 位等非對(duì)齊訪問(wèn)和位操作( b i t b e n d i n g ) ；支持最大8 層的硬件中斷嵌入，自 動(dòng)壓棧和出棧，高優(yōu)先級(jí)中斷可以遲來(lái)中斷，多掛起中斷占先出棧，大大降低了中斷延 遲，并集成了嵌套向量中斷控制器( n v i c ) 和內(nèi)建系統(tǒng)時(shí)鐘；增強(qiáng)了調(diào)試和跟蹤的能 力；更加節(jié)省了功耗，具有兩種睡眠模式；能夠更好地支持帶有c o r e s i g h t 以及其它系 統(tǒng)特性的多核系統(tǒng)。c o r t e x m 3 內(nèi)核比a r m t d m i 有著更加優(yōu)良的性能，具體比較如表 3 1 所示。 9 晶體振蕩器與時(shí)間繼電器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 表3 1c o r t e x - m 3 與a r m 7 t d m i 性能比較所示 t a b l e3 1t h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nb e t w e e nc o r t e x - m 3 與a r m 7 t d m i 特性 a i w 7 t d m ic o r te x - m 3 架構(gòu) a r m v 4 t ( 馮若依曼) a r m v 7 一m ( 哈佛) i s a 支持t h u m b a r m t h u m b t h u m b 一2 流水線3 級(jí)3 級(jí)+ 分支預(yù)測(cè) 中斷f i q i r q2 4 0 個(gè)物理中斷 中斷延時(shí)2 4 4 2 個(gè)時(shí)鐘周期1 2 個(gè)時(shí)鐘周期( 未尾連鎖僅6 個(gè)周期) 休眠模式無(wú)內(nèi)置 存儲(chǔ)器保護(hù)無(wú)8 段存儲(chǔ)器保護(hù)單元 硬件除法無(wú)2 - 1 2 個(gè)時(shí)鐘周期 運(yùn)行速度 0 9 5d m i p s m h z1 2 5d m i p s m h z 功耗 0 2 8m w m h z0 1 9m w m h z 面積 0 6 2m m 2 0 8 6m m 2 ( 內(nèi)核+ 外設(shè)) c o r t e x - m 3 內(nèi)核的內(nèi)部方框圖如圖3 3 所示，它主要分為以下幾個(gè)組件：處理器內(nèi) 核、嵌套向量中斷控制器( n v i c ) 、存儲(chǔ)器保護(hù)單元( m p u ) 、總線接口、低成本調(diào)試解決 方案。下面逐一介紹n 羽。 處理器內(nèi)核，特點(diǎn)：門(mén)數(shù)目少，中斷延遲短。 a r m v 7 - m ：t h u m b - 2i s a 子集，包含所有基本的1 6 位和3 2 位t h u m b - 2 指令 只有s p 是分組的，寄存器集比a r m 7 簡(jiǎn)單 硬件除法指令，s d i v 和u d i v ( t h u m b - 2 指令 處理模式( h a n d l e rm o d e ) 和線程模式( t h r e a dm o d e ) t h u m b 狀態(tài)和調(diào)試狀態(tài) 可中斷一可繼續(xù)( i n t e r r u p t i b l e c o n t i n u e d ) l d m s t m ，p u s h p o p ，實(shí)現(xiàn)低 中斷延遲 自動(dòng)保存和恢復(fù)處理器狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)低延遲地進(jìn)入和退出中斷服務(wù)程序 ( i s r ) 支持8 位、1 6 位和3 2 位等非對(duì)齊訪問(wèn) 1 0 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖3 3a r mc o r t e x - m 3 內(nèi)核內(nèi)部方框圖 f i g 3 3 t h ei n t e r n a lb l o c kd i a g r a mo f a r mc o r t e x - m 3c o r e 嵌套向量中斷控制器( n v i c ) ，與處理器內(nèi)核緊密結(jié)合實(shí)現(xiàn)低延遲中斷處理。 外部中斷可配置為1 2 4 0 個(gè) 優(yōu)先級(jí)位可配置為1 8 位 中斷優(yōu)先級(jí)可動(dòng)態(tài)地重新配置 優(yōu)先級(jí)分組。分為占先中斷等級(jí)和非占先中斷等級(jí) 支持末尾連鎖( t a i l 一c h a i n i n g ) 和遲來(lái)( 1 a t ea r r i v a l ) 中斷。這樣，在 兩個(gè)中斷之間沒(méi)有多余的狀態(tài)保存和狀態(tài)恢復(fù)指令的情況下，使能背對(duì)背中 斷( b a c k - t o - b a c ki n t e r r u p t ) 處理 處理器狀態(tài)在進(jìn)入中斷時(shí)自動(dòng)保存，中斷退出時(shí)自動(dòng)恢復(fù)，不需要多余的指 令 存儲(chǔ)器保護(hù)單元( m p u ) 。m p u 功能可選，用于對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行保護(hù)。 8 個(gè)存儲(chǔ)器區(qū) 子區(qū)禁止功能( s r d ) ，實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器區(qū)的有效使用 可使能背景區(qū)，執(zhí)行默認(rèn)的存儲(chǔ)器映射屬性 內(nèi)部總線接口 a h b l i t ei c o d e 、d c o d e 和系統(tǒng)總線接口 1 1 晶體振蕩器與時(shí)間繼電器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) a p b 專用外設(shè)總線( p p b ) 接口 b i tb a n d 支持，b i t - b a n d 的原子寫(xiě)和讀訪問(wèn) 存儲(chǔ)器訪問(wèn)對(duì)齊 寫(xiě)緩沖區(qū)，用于緩沖寫(xiě)數(shù)據(jù) 成本調(diào)試解決方案 當(dāng)內(nèi)核正在運(yùn)行、被中止、或處于復(fù)位狀態(tài)時(shí)，能對(duì)系統(tǒng)中包括c o r t e x m 3 寄存器組在內(nèi)的所有存儲(chǔ)器和寄存器進(jìn)行調(diào)試訪問(wèn) 串行線( s w - d p ) 或j t a g ( j t a g d p ) 調(diào)試訪問(wèn)，或兩種都包括 f l a s h 修補(bǔ)和斷點(diǎn)單元( f p b ) ，實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)和代碼修補(bǔ) 數(shù)據(jù)觀察點(diǎn)和觸發(fā)單元( d w t ) ，實(shí)現(xiàn)觀察點(diǎn)，觸發(fā)資源和系統(tǒng)分析( s y s t e m p r o f i l i n g ) 儀表跟蹤宏單元( i t m ) ，支持對(duì)p r i n t f 類型的調(diào)試 跟蹤端口的接口單元( t p i u ) ，用來(lái)連接跟蹤端口分析儀 可選的嵌入式跟蹤宏單元( e t m ) ，實(shí)現(xiàn)指令跟蹤 ( 2 ) c o r t e x m 3 內(nèi)核工作流程 c o r t e x m 3 中央內(nèi)核基于哈佛架構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)各使用一條總線。與c o r t e x m 3 不 同，a r m 7 系列處理器使用馮諾依曼( v o nn e u m a n n ) 架構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)共用信號(hào)總線 以及存儲(chǔ)器。由于指令和數(shù)據(jù)可以從存儲(chǔ)器中同時(shí)讀取，所以c o r t e x m 3 處理器對(duì)多個(gè) 操作并行執(zhí)行，加快了應(yīng)用程序的執(zhí)行速度。 內(nèi)核流水線分3 個(gè)階段：取指、譯碼和執(zhí)行。當(dāng)遇到分支指令時(shí)，譯碼階段也包含 預(yù)測(cè)的指令取指，這提高了執(zhí)行的速度。處理器在譯碼階段期間自行對(duì)分支目的地指令 進(jìn)行取指。在稍后的執(zhí)行過(guò)程中，處理完分支指令后便知道下一條要執(zhí)行的指令。如果 分支不跳轉(zhuǎn)，那么緊跟著的下一條指令隨時(shí)可供使用。如果分支跳轉(zhuǎn)，那么在跳轉(zhuǎn)的同 時(shí)分支指令可供使用，空閑時(shí)間限制為一個(gè)周期。c o r t e x - m 3 內(nèi)核包含一個(gè)適用于傳統(tǒng) t h u m b 和新型t h u m b 一2 指令的譯碼器、一個(gè)支持硬件乘法和硬件除法的先進(jìn)a l u 、控制邏 輯和用于連接處理器其他部件的接口。c o r t e x - m 3 處理器是一個(gè)3 2 位處理器，帶有3 2 位 寬的數(shù)據(jù)路徑，寄存器庫(kù)和存儲(chǔ)器接口。其中有1 3 個(gè)通用寄存器，兩個(gè)堆棧指針，一個(gè) 鏈接寄存器，一個(gè)程序計(jì)數(shù)器和一系列包含編程狀態(tài)寄存器的特殊寄存器。c o r t e x m 3 處理器支持兩種工作模式( 線程( t h r e a d ) 和處理器( h a n d l e r ) ) 和兩個(gè)等級(jí)的訪問(wèn) 形式( 有特權(quán)或無(wú)特權(quán)) ，在不犧牲應(yīng)用程序安全的前提下實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜的開(kāi)放式系統(tǒng) 的執(zhí)行。無(wú)特權(quán)代碼的執(zhí)行限制或拒絕對(duì)某些資源的訪問(wèn)，如某個(gè)指令或指定的存儲(chǔ)器 位置。t h r e a d 是常用的工作模式，它同時(shí)支持享有特權(quán)的代碼以及沒(méi)有特權(quán)的代碼。當(dāng) 異常發(fā)生時(shí)，進(jìn)入h a n d l e r 模式，在該模式中所有代碼都享有特權(quán)。此外，所有操作均 根據(jù)以下兩種工作狀態(tài)進(jìn)行分類，t h u m b 代表常規(guī)執(zhí)行操作，d e b u g 代表調(diào)試操作。 1 2 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 3 ) l m 3 s 8 9 6 2 最小系統(tǒng)電路 c p u 芯片的最小系統(tǒng)電路n 耵如圖3 4 所示，該電路除了c p u 以外還包括晶體振蕩器、 復(fù)位電路、c p u 電源以及以太網(wǎng)物理層接口的電路。其管腳有1 0 0 個(gè)，t q