Thạc Sĩ Giao tiếp với vi điều khiển ARM

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hà Nội - 2011


MỤC LỤC


MỞ ĐẦU 6
PHẦN I - LÝ THUYẾT CHUNG 7
CHƯƠNG 1 - CẤU TRÚC VI ĐIỀU KHIỂN ARM 7
1.1 Đôi nét về lịch sử hình thành và phát triển vi điều khiển ARM . 7
1.2 Cấu trúc cơ bản ARM . 8
1.3 Mô hình kiến trúc . 8
1.4 Mô hình thiết kế ARM . 11
1.4.1 Lõi xử lý 11
1.4.2 Các thanh ghi của ARM . 12
1.5 Cấu trúc load-store . 13
1.6 Cấu trúc tập lệnh của ARM 13
1.6.1 Thực thi lệnh có điều kiện 13
1.6.2 Phương thức định địa chỉ . 13
1.6.3 Ngăn xếp 14
1.6.4 Tập lệnh ARM . 14
1.7 Kết luận 17

CHƯƠNG 2 - GIAO TIẾP VỚI VI ĐIỀU KHIỂN ARM 18
2.1 Mô hình giao tiếp trong vi điều khiển ARM . 18
2.2 Các giao tiếp cơ bản trong vi điều khiển ARM . 19
2.2.1 Giao tiếp với bộ nhớ 19
2.2.2 Giao tiếp với bộ điều khiển ngắt . 22
2.2.3 Giao tiếp với bộ định thời 26
2.2.4 Giao tiếp với bộ điều khiển tạm dừng và Reset 29
2.2.5 Giao tiếp với khối GIPO 31
2.2.6 Giao tiếp với khối truyền/thu không đồng bộ đa năng (UART) 33
2.2.7 Giao tiếp ngoại vi nối tiếp (SPI) . 35
2.2.8 Giao tiếp USB 36
2.2.9 Kiến trúc bus truyền dữ liệu cao cấp của vi điều khiển ARM . 38
2.3 Kết luận 42

CHƯƠNG 3 - ĐẶC ĐIỂM CÁC DÒNG LÕI XỬ LÝ ARM . 44
3.1 Phân loại và tính năng các dòng lõi xử lý ARM 44
3.2 Đặc điểm các dòng lõi xử lý ARM . 46
3.2.1 Đặc điểm của kiến trúc dòng lõi xử lý ARM v4T . 46
3.2.2 Đặc điểm kiến trúc dòng lõi xử lý ARM v5 47
3.2.3 Đặc điểm kiến trúc dòng lõi xử lý ARM v6 48
3.2.4 Kiến trúc dòng lõi xử lý ARM v7 . 49
3.3 Kết luận 50
PHẦN II - THỰC NGHIỆM . 51

CHƯƠNG 4 - ỨNG DỤNG MỘT SỐ GIAO TIẾP VỚI VI ĐIỀU KHIỂN AT91SAM7S64 51
4.1 Giới thiệu . 51
4.2 Đặc tính cơ bản của vi điều khiển AT91SAM7S64 . 52
4.3 Khối nguồn cung cấp 54
4.4 Cổng kết nối chuẩn JTAG 56
4.5 Mạch cảm biến nhiệt độ 56
4.6 Giao tiếp với IC thời gian thực DS12C887 . 59
4.7 Hiển thị dữ liệu trên LED 7 đoạn 70
4.8 Giao tiếp với SD Card 73
4.9 Giao tiếp với máy tính qua cổng COM . 80
4.10 Sơ đồ nguyên lý mạch 83
4.11 Sơ đồ mặt trên mạch in . 85
4.12 Sơ đồ mặt dưới mạch in 85
4.13 Mạch hoàn chỉnh 86
4.14 Kết quả . 86
4.15 Lưu đồ thuật toán . 89
KẾT LUẬN 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO 91
DANH MỤC BẢNG . 92
DANH MỤC HÌNH 93
PHỤ LỤC
TÀI LIỆU THAM KHẢO



DANH MỤC BẢNG


Bảng 1.1: Các chế độ hoạt động của RAM . 10
Bảng 2.1: Các địa chỉ trên vùng RAM. 21
Bảng 2.2: Các bit định nghĩa trong bộ điều khiển ngắt. 25
Bảng 2.3: Bản đồ nhớ bộ điều khiển ngắt . 26
Bảng 2.4: Mô tả các bit trong thanh ghi điều khiển cho bộ định thời 28
Bảng 2.5: Chế độ các bit của bộ chia tỉ lệ xung trong thanh ghi điều khiển 29
Bảng 2.6: Bản đồ địa chỉ bộ định thời 29
Bảng 2.7: Bản đồ nhớ bộ điều khiển tạm dừng và Reset 31
Bảng 2.8: Bảng tổng quát các thanh ghi GPIO. 32
Bảng 3.1: Đặc điểm kỹ thuật chung của dòng ARMv5 . 47
Bảng 4.1: Chức năng các chân IC LM358AD 58
Bảng 4.2: Bảng ký hiệu và chức năng các chân DS12C887 60
Bảng 4.3: Chức năng các chân IC 74HC595 72
Bảng 4.4: Bảng chân lý IC 74HC595. 72
Bảng 4.5: So sánh các loại SD Card. 74
Bảng 4.6: Chức năng các chân của SD Card trong chế độ giao tiếp SPI. 74
Bảng 4.7: Các thanh ghi của SD Card 75
Bảng 4.8: Một số lệnh thường dùng của SD Card trong giao tiếp SPI 76
Bảng 4.9: Khung đáp ứng R1. 76
Bảng 4.10: Khung đáp ứng R2. 77
Bảng 4.11: Khung đáp ứng R3. 77
Bảng 4.12: Chức năng các chân IC PL-2303 83


DANH MỤC HÌNH


Hình 1.1: Mô hình kiến trúc lõi xử lý ARM. 9
Hình 1.2: Cấu trúc chuẩn cho tập lệnh của MU0 11
Hình 1.3: Đường truyền dữ liệu của lõi xử lý MU0 12
Hình 1.4: Mô hình các thanh ghi của ARM 12
Hình 1.5: Vị trí các bit trên thanh ghi CPSR 13
Hình 1.6: Chu kỳ thực thi lệnh theo kiến trúc đường ống. 14
Hình 1.7: Kiến trúc đường ống ba tầng 15
Hình 1.8: Kiến trúc đường ống ba tầng trong tập lệnh có nhiều chu kỳ máy . 16
Hình 2.1: Mô hình giao tiếp trong vi điều khiển ARM. 18
Hình 2.2: Sự phân tách hai trạng thái trên bản đồ bộ nhớ. 19
Hình 2.3: Vùng RAM 20
Hình 2.4: Vùng ROM 22
Hình 2.5: Các bộ điều khiển ngắt FIQ và IRQ 23
Hình 2.6: Sơ đồ một kênh của bộ điều khiển ngắt 24
Hình 2.7: Giản đồ khối bộ định thời . 27
Hình 2.8: Bộ chia tỉ lệ xung. 27
Hình 2.9: Vị trí các bit trong thanh ghi điều khiển. 28
Hình 2.10: Giao tiếp lõi ARM với bộ điều khiển tạm dừng và Reset 30
Hình 2.11: Điều khiển hướng dữ liệu GPIO (1 bit) 33
Hình 2.12: Khung truyền trong giao tiếp UART 34
Hình 2.13: Giao thức Master – Slave trong giao tiếp SPI. 35
Hình 2.14: Ghép nối một thiết bị 35
Hình 2.15: Ghép nối nhiều thiết bị. 36
Hình 2.16: Sơ đồ truyền tín hiệu theo chuẩn giao tiếp USB 36
Hình 2.17: Vi điều khiển dựa trên kiến trúc AMBA điển hình. 39
Hình 2.18: Bộ điều khiển giao tiếp kiểm thử sử dụng theo dạng khối. 42
Hình 3.1: Các kiến trúc lõi xử lý ARM 44
Hình 3.2: Tính năng các dòng lõi xử lý ARM 45
Hình 4.1: Sơ đồ khối tổng quát mạch thực nghiệm . 51
Hình 4.2: Giản đồ khối của vi điều khiển AT91SAM7S64 . 52
Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn. 54
Hình 4.4: Sơ đồ mạch nguồn vào ra cho vi điều khiển. 55
Hình 4.5: Sơ đồ mạch cổng kết nối chuẩn JTAG 56
Hình 4.6: Sơ đồ mạch cảm biến nhiệt độ 57
Hình 4.7: Sơ đồ chân và các giá trị điện áp vào ra của LM35. 57
Hình 4.8: Sơ đồ IC LM358AD và chức năng các chân tương ứng 57
Hình 4.9: Sơ đồ mạch kết nối IC DS12C887 59
Hình 4.11: Cấu trúc IC DS12C887 . 63
Hình 4.12: Bản đồ địa chỉ DS12C887 64
Hình 4.13: Vị trí các bit trong thanh ghi A. 64
Hình 4.14: Vị trí các bit trong thanh ghi B. 65
Hình 4.15: Vị trí các bit trong thanh ghi C. 66
Hình 4.16: Vị trí các bit trong thanh ghi D. 67
Hình 4.17: Quan hệ ngắt theo chu kỳ và thời gian cập nhật 68
Hình 4.18: Chu kỳ ghi theo kiểu bus định thời Intel. 69
Hình 4.19: Chu kỳ đọc theo kiểu bus định thời Intel 69
Hình 4.20: Sơ đồ mạch kết nối điều khiển LED 7 đoạn 70
Hình 4.21: Giản đồ khối của IC 74HC595. 71
Hình 4.22: Sơ đồ mạch giao tiếp với vi điều khiển với SD Card 73
Hình 4.23: Ký hiệu các chân kết nối của SD Card trong chế độ giao tiếp SPI 74
Hình 4.24: Sơ đồ khối giao tiếp chuẩn RS-232 giữa máy tính và mạch thực nghiệm 81
Hình 4.25: Sơ đồ mạch giao tiếp vi điều khiển với máy tính qua cổng COM. 81
Hình 4.26: Giản đồ khối của IC PL-2303. 82
Hình 4.27: Sơ đồ nguyên lý mạch thực nghiệm .83
Hình 4.28: Sơ đồ mạch in mặt trên mạch thực nghiệm. 85
Hình 4.29: Sơ đồ mạch in mặt dưới mạch thực nghiệm 85
Hình 4.30: Mạch thực nghiệm hoàn chỉnh 86
Hình 4.31: Hiển thị nhiệt độ trên LED 7 đoạn 87
Hình 4.32: Hiển thị thời gian thực trên LED 7 đoạn. 87
Hình 4.33: Đọc dữ liệu trên SD Card bằng đầu đọc thẻ nhớ. 88
Hình 4.34: Đọc dữ liệu trên SD Card qua cổng COM 88
Hình 4.35: Lưu đồ thuật toán chương trình 89


MỞ ĐẦU


Xuất hiện từ những năm đầu thập niên 1960, hệ thống nhúng đang phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử và công nghệ thông tin, với những ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống.
Hệ thống nhúng hiện nay đòi hỏi phải có cấu trúc mạnh, đáp ứng thời gian thực tốt, dung lượng bộ nhớ lớn, khả năng tính toán nhanh, khả năng tiêu thụ năng lượng thấp, tính ổn định cao và tích hợp sẵn nhiều ngoại vi.
Vi điều khiển ARM được đánh giá là một trong những dòng vi điều khiển mạnh, đáp ứng được những yêu cầu trong hệ thống nhúng ngày nay, được sử dụng rộng rãi ở trên thế giới và đang được nghiên cứu phát triển ở Việt Nam.
Trong khuôn khổ của đề tài, ta sẽ tìm hiểu mô hình kiến trúc, các giao tiếp với vi điều khiển ARM, đặc điểm chung của dòng lõi xử lý này và thử nghiệm một số ứng dụng giao tiếp với vi điều khiển AT91SAM7S64 có lõi xử lý là ARM7TDMI.