畢業(yè)論文-非接觸式IC卡讀卡器設(shè)計(jì).doc

畢業(yè)論文-非接觸式IC卡讀卡器設(shè)計(jì)(終稿) 學(xué) 生 畢 業(yè) 論 文非接觸式IC卡讀卡器設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 姜雅萍 入學(xué)時(shí)間 2008年9月 專業(yè)名稱 計(jì)算機(jī)控制技 班 級(jí) 08級(jí)計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 指導(dǎo)教師 李 穎 職 稱 講 師 煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院二一一年五月非接觸式IC卡讀卡器設(shè)計(jì)摘要 非接觸式IC卡是IC卡領(lǐng)域的一項(xiàng)新興的技術(shù)它是射頻識(shí)別技術(shù)和IC卡技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物由于非接觸式IC卡具有操作快捷抗干擾性強(qiáng)工作距離遠(yuǎn)安全性高便于一卡多用等優(yōu)點(diǎn)在自動(dòng)收費(fèi)身份識(shí)別和電子錢包等領(lǐng)域具有接觸式所無法比擬的優(yōu)越性具有廣泛的市場前景非接觸IC卡讀卡器是非接觸式IC卡應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一 本文首先研究了基本的理論包括射頻識(shí)別技術(shù)ARM處理器體系結(jié)構(gòu)和嵌入式系統(tǒng)然后基于這些理論給出了非接觸式IC卡讀卡器的設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)由三個(gè)部分組成第一部分是讀卡器的收發(fā)模塊選用Philips公司的高集成度非接觸式讀寫芯片MF RC500設(shè)計(jì)射頻收發(fā)模塊對射頻芯片接口電路設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的論述第二部分是核心控制模塊以Philips公司的ARM7芯片LPC2292為核心對電源供應(yīng)電路存儲(chǔ)器電路通信接口電路LED顯示電路等設(shè)計(jì)做了一定的描述并給出了電路第三部分是系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)采用移植嵌入式系統(tǒng)并添加任務(wù)的模式來實(shí)現(xiàn)讀卡器的各功能通過對軟硬件的調(diào)試實(shí)現(xiàn)了非接觸式IC卡讀卡器的硬件與軟件平臺(tái)的構(gòu)建關(guān)鍵詞 非接觸式IC卡 讀卡器 嵌入式系統(tǒng)Contactless IC card readerAbstract Contactless IC card is IC card field an emerging technology it is rfid technology and IC card techniques Because contactless IC card have operation quick anti-jamming of strong work high security distance etc card holders for a fee in automatic identification and electronic purse which fields of the incomparable advantages of contact with wide prospect of market Non-contact IC card reader is contact IC card is one of the key equipment application systemThis paper first studied the basic theory including the rfid technology the ARM processor architecture and embedded systems and then based on these theories giving a contactless IC card reader design scheme System consists of three parts the first part is the card reader transceiver module selects the high level of integration Philips company RC500 non-contact literacy chip MF designing rf transceiver module interface circuit design for rf chip to do a detailed elaboration The second part is the core control module Philips company in the LPC2292 ARM7 chip for the core to power supply circuit memory circuit the communication interface circuit LED display circuit design done some description and gives the circuit The third part is the system programming adopt transplant embedded system and add tasks to realize the card reader mode of each function Through the software and hardware debugging realized contactless IC card reader hardware and software platform buildingKeywords Contactless integrated circuit card card reader embedded system目 錄第一章111 非接觸式IC卡發(fā)展歷程112非接觸式IC卡的主要特點(diǎn)213非接觸式IC卡讀寫器國內(nèi)外現(xiàn)狀314選題背景及課題任務(wù)315本文的機(jī)構(gòu)安排4第二章 RFID技術(shù)及理論521 RFID系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)522 RFID系統(tǒng)的電子標(biāo)簽讀卡器間能量傳輸623 RFID系統(tǒng)的電子標(biāo)簽讀卡器間信息傳輸7231編碼類型8232數(shù)字信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)11233讀寫器電子標(biāo)簽信息傳輸12234電子標(biāo)簽讀寫器信息傳輸1224本章小結(jié)12第三章 ARM技術(shù)1331 ARM處理器概述1332 ARM處理器系列1333ARM的體系結(jié)構(gòu)16331ARM處理器核的結(jié)構(gòu)16332馮諾依曼結(jié)構(gòu)及哈佛結(jié)構(gòu)在ARM中的應(yīng)用16333 ARM的兩種工作狀態(tài)16334 ARM的運(yùn)行模式16335 ARM處理器的寄存器1734 ARMThumb指令系統(tǒng)1735 ARM處理器的選擇1736 LPC2292微處理器18361 概述18362 主要特性1837 本章小結(jié)19第四章 讀卡器的硬件電路設(shè)計(jì)2041 功能模塊結(jié)構(gòu)圖2042中央處理器2043 射頻芯片接口電路設(shè)計(jì)21431 射頻卡讀寫芯片MF RC500的使用概述21432MF RC500的管腳定義22433與處理器的接口23434 MF RC500的匹配電路設(shè)計(jì)2344讀卡器核心電路板25441 電源電路和復(fù)位電路25442 系統(tǒng)時(shí)鐘電路25443 存儲(chǔ)器電路26444 通信接口電路26445 蜂鳴器控制電路2645 人機(jī)交接口模塊27451 Led模塊27452鍵盤2746 系統(tǒng)實(shí)物圖2747 本章小結(jié)28第五章 系統(tǒng)軟件的構(gòu)建2951 軟件結(jié)構(gòu)框架2952 嵌入式操作系統(tǒng)2953 讀卡器讀寫模塊軟件設(shè)計(jì)30531 MFRC500的PCD指令集以及PICC指令集30532 讀卡模塊軟件3254 系統(tǒng)初始化及運(yùn)行3255本章小結(jié)33第六章 總結(jié)與展望3461 總結(jié)3462 展望34致謝35參考文獻(xiàn)36第一章 緒論11 非接觸式IC卡發(fā)展歷程非接觸式ICCICC-Contactless Integrated Circuit Card也稱為無觸點(diǎn)集成電路卡射頻卡或非接觸式智能卡早在1968年德國的Jurgen Dethloff和Helmut Grotrupp就提出將集成電路裝入身份識(shí)別卡中的想法并與同年獲得專利授權(quán)1969年12月日本的Kunitaka Arimura提出一種制造安全可靠的信用卡方法并與1970年獲得專利授權(quán)但是被稱為識(shí)別卡或ID卡Identification Card然而在當(dāng)時(shí)他們僅僅是提出把集成電路芯片裝入卡中并沒有具體給出完整的應(yīng)用方案直至1974年法國的羅蘭莫雷諾Roland Moreno的工程師提出了將一個(gè)集成電路芯片嵌裝于一塊塑料基片上構(gòu)成一張存儲(chǔ)卡的想法并按此方法做出了一張卡片這是世界上的第一張IC卡1977年6月CII-Honeywell bull公司將4Kbit的MOS存儲(chǔ)器引入芯片形成了存儲(chǔ)型IC卡的雛形1978年第一張采用Siemens SIKART集成電路芯片的IC卡身份識(shí)別及交易卡identification and transaction card誕生了1980年11月第一張裝有CPU的IC卡cardiac pacemaker user identity card誕生卡中裝有CP8微處理器由CII-Honeywell Bull公司制造1984年法國的PPT PostsTelegrath and Telephones 將IC卡用于電話卡由于IC卡具有良好的安全性和可靠性獲得了意想不到的成功隨后國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISOInternational Organization for standardization 與國際電工技術(shù)委員會(huì)IECInternational Electro-technical commission的聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)為IC卡及相關(guān)技術(shù)指定了一系列的國際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范極大地推動(dòng)了IC卡的發(fā)展歷程早期的IC卡為接觸式Contact Card即卡片與讀卡器間的信息和能量傳遞只能通過機(jī)械式電觸點(diǎn)進(jìn)行隨著應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大和范圍的拓展卡片與讀卡器雙方這些裸露且存在相互位移的機(jī)械式電觸點(diǎn)的易受污染腐蝕和磨損等不良因素既影響工作可靠性又增大維護(hù)難度的缺陷日益明顯而卡片餓插拔的方向性要求和耗時(shí)更大的制約了其使用的方便快捷性尤其對于老人小孩和殘疾人甚至限制阻礙了其在環(huán)境惡劣流動(dòng)性大但對使用的快捷便利性要求較高的公共交通和通道控制等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用而另一方面這些深入人類生活各個(gè)方面的非金融應(yīng)用市場卻呈現(xiàn)出來越來越誘人的燦爛前景于是尋求解決上述難題的途徑和方法成為世界各大電子公司競相追逐的目標(biāo)以致從20世紀(jì)90年代中期開始建立于現(xiàn)代微電子技術(shù)和80年代已經(jīng)蓬勃發(fā)展的射頻識(shí)別Padio Frequency IdentificationRFID技術(shù)至上的各種非接觸式IC卡CICCContactless Integrated Circuit Card應(yīng)運(yùn)而生當(dāng)前世界上生產(chǎn)IC卡的企業(yè)主要有SiemensAtmelMotorolaBull 法國布爾公司 schlumberger 法國斯倫貝謝公司 ISSISTMicoroelectronics 意法半導(dǎo)體有限公司 SamsungPhilipsToshibaHitachi等公司國內(nèi)IC卡及相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)主要有上海復(fù)旦微電子股份有限公司深圳市明華澳漢科技有限公司北京握奇智能科技有限公司北京航天金卡電子工程公司北京大唐微電子有限公司上海貝嶺股份有限公司上海華虹集團(tuán)有限公司等中國IC卡產(chǎn)業(yè)起步雖晚但發(fā)展迅猛通過引進(jìn)先進(jìn)的IC卡封裝生產(chǎn)線在短短的幾年間整體生產(chǎn)能力達(dá)到2億張左右全國IC卡應(yīng)用裝置的開發(fā)和系統(tǒng)集成廠商也達(dá)到500多家左右金卡工程作為中國信息化建設(shè)的起步工程之一于1993年啟動(dòng)實(shí)施隨著金卡工程建設(shè)的不斷深入發(fā)展IC卡的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展目前已經(jīng)建立起一條完整的IC卡產(chǎn)業(yè)鏈各類IC卡IC卡讀寫器等產(chǎn)品已將占據(jù)了國內(nèi)市場80以上的份額新興的IC卡產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)新的持續(xù)增長點(diǎn)12非接觸式IC卡的主要特點(diǎn)由于非接觸式IC卡與讀寫器之間的通信時(shí)借助空間媒介電磁波進(jìn)行不存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和電觸點(diǎn)因此在保留接觸式IC卡原有的有點(diǎn)的同時(shí)又具備如下諸多有點(diǎn)1操作便利快捷無需拔插卡將卡片靠近或者掠過讀寫器表面即完成操作操作極其方便2可靠性高壽命長卡片與讀寫器間無機(jī)械接觸和位移故不存在接觸式讀寫器可能出現(xiàn)的各種機(jī)械故障卡與讀寫器均無裸電觸點(diǎn)無需擔(dān)心出點(diǎn)破損和脫落所導(dǎo)致的卡片失效卡與讀寫器均為全封閉防水防塵結(jié)構(gòu)既避免了靜電塵污和水汽等對卡和讀寫器的影響可以防止粗暴插卡異物插入讀寫器插槽以及因讀寫器吃卡而導(dǎo)致使用者惱怒之極對其報(bào)以拳腳等認(rèn)為破壞現(xiàn)象這些都將大大提高卡片乃至機(jī)具的可靠性和使用壽命3防偽性好卡上擁有一由制造商在產(chǎn)品出廠前固化于芯片的32152位字長序列號(hào)一旦寫入即永遠(yuǎn)不可以更改且世界唯一4安全性好卡與讀寫器可采用3次相互確認(rèn)的雙向驗(yàn)證機(jī)制在讀寫器驗(yàn)證卡的合法性的同時(shí)卡耶對讀寫器的合法性進(jìn)行驗(yàn)證通信數(shù)據(jù)可加密以防止型號(hào)截取卡內(nèi)各存儲(chǔ)區(qū)可擁有自己的操作密碼和訪問條件以防止未授權(quán)非法訪問并實(shí)現(xiàn)芯片傳輸密碼保護(hù)5抗干擾能力強(qiáng)可建立防沖突反碰撞Anti-collision機(jī)制同一時(shí)間同時(shí)處理多張卡且不出現(xiàn)相互間的數(shù)據(jù)干擾6一卡多用用戶根據(jù)自己自身需求靈活定義個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)的密碼和訪問條件以便互不影響地分別滿足不同場合不同用途的需求7隱蔽性必要時(shí)刻將讀寫器安裝于非金屬的建筑物體內(nèi)以防止人為攻擊和環(huán)境破壞又可以兼?zhèn)浒踩佬l(wèi)和管理控制等所需要的隱蔽性13非接觸式IC卡讀寫器國內(nèi)外現(xiàn)狀日前國內(nèi)非接觸式IC卡讀卡器按照應(yīng)用的場合不同出現(xiàn)全面發(fā)展的趨勢有讀寫器模塊便攜式讀寫器高頻讀寫器雙頻標(biāo)簽讀寫器微波讀寫器低頻讀寫器等各種各樣的產(chǎn)品供應(yīng)這些產(chǎn)品有適合近距離讀寫有適合遠(yuǎn)距離讀寫的他們都有一個(gè)共同的特點(diǎn)同質(zhì)化嚴(yán)重各種產(chǎn)品之間的差別不大性能也相似基本上都采用讀卡器芯片加單片機(jī)的結(jié)構(gòu)而核心技術(shù)并不在自己手上缺乏成套系統(tǒng)的自主產(chǎn)權(quán)讀卡器的核心部件讀卡器芯片的控制權(quán)掌握在國外公司手中整個(gè)讀卡器市場的利潤的最大一塊也被國外公司如TINXP等芯片廠商拿走而且隨著市場的發(fā)展這些國外公司在加強(qiáng)對整個(gè)非接觸式IC卡系統(tǒng)的控制而且不斷的有新的實(shí)力雄厚的公司加入這一行如ST意法半導(dǎo)體等覬覦這一發(fā)展迅速的市場TI公司提供從讀卡芯片讀卡模塊讀卡器電子標(biāo)簽系統(tǒng)應(yīng)用等一整套設(shè)備及服務(wù)NXP提供讀卡芯片電子標(biāo)簽等核心部分給下游廠商牢牢控制著市場的主動(dòng)權(quán)不過欣慰的是我國在非接觸式IC卡技術(shù)的研究方面發(fā)展很快在非接觸式IC卡技術(shù)研究及產(chǎn)品開發(fā)方面國內(nèi)已具有了自主開發(fā)低頻高頻與微波的電子標(biāo)簽與讀寫器的技術(shù)能力及系統(tǒng)集成能力目前國產(chǎn)核心芯片電子標(biāo)簽芯片業(yè)出現(xiàn)了市場上與國外巨頭爭奪市場復(fù)旦微電子研制的FM17XX系列讀卡器專用芯片可以喝NXP公司的MFRC500MFRC531MFRC632管腳兼容FM11RF系列非接觸式IC卡芯片容量從512位到32K位適合大部分應(yīng)用場合隨著技術(shù)的進(jìn)步讀卡器會(huì)隨著多功能如條碼識(shí)別無線數(shù)據(jù)傳輸以太網(wǎng)傳輸?shù)确较虬l(fā)展讀卡器的成本也會(huì)越來越低同時(shí)閱讀器將實(shí)現(xiàn)多制式多頻段兼容多功能多制式小型化模塊化嵌入式方向是讀卡器發(fā)展的趨勢本文中的讀卡器是符合這一發(fā)展方向的嘗試具有多樓口可擴(kuò)展的特點(diǎn)14選題背景及課題任務(wù)本課題的背景是校園一卡通系統(tǒng)收費(fèi)終端的應(yīng)用隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展社會(huì)的日益信息化技術(shù)的不斷革新要求的不斷提高需要設(shè)計(jì)出一個(gè)擴(kuò)展功能豐富性能更加穩(wěn)定的具有友好人機(jī)界面的嵌入式智能終端來取代現(xiàn)在市場上的基于51單片機(jī)的收費(fèi)終端本讀卡器必須簡單易用為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸必須具有相應(yīng)的接口因此對本讀卡器的要求是人機(jī)交流界面友好具有擴(kuò)展接口可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口功能15本文的機(jī)構(gòu)安排本文研究和設(shè)計(jì)的主要對象是基于ARM的非接觸式IC卡讀卡器第1章 緒論主要是介紹課題的意義非接觸式IC卡及非接觸式IC卡讀卡器在國內(nèi)外應(yīng)用與發(fā)展的一些情況第2章 射頻識(shí)別技術(shù)及理論主要對射頻識(shí)別技術(shù)的發(fā)展情況和系統(tǒng)的組成分類作了進(jìn)一步的闡述較全面地概括了射頻識(shí)別系統(tǒng)的基本情況第3章 ARM處理器體系結(jié)構(gòu)主要對ARM處理器作了簡要概述從ARM技術(shù)的發(fā)展歷程來對ARM處理器做了闡述然后簡要敘述了下ARM的體系結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)最后從實(shí)際的應(yīng)用選型角度考慮分析如何選擇基于ARM核的芯片組件嵌入式硬件系統(tǒng)第4章 讀卡器硬件電路設(shè)計(jì)這一章是本文的核心章節(jié)重點(diǎn)介紹了讀卡器的硬件電路設(shè)計(jì)包括MCU模塊射頻芯片模塊天線通信模塊電源模塊等硬件電腦設(shè)計(jì)第5章 讀卡器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在讀卡器硬件基礎(chǔ)上對系統(tǒng)的軟件框架作了分析然后對讀卡器所使用的uCOS-II操作系統(tǒng)作了簡單的介紹并詳細(xì)敘述了uCOS-II的移植重點(diǎn)介紹了射頻芯片RC500的指令系統(tǒng)部分程序設(shè)計(jì)以及軟件流程第6章 總結(jié)總結(jié)全文并進(jìn)行展望對那里課題研究中的成果與不足第二章 RFID技術(shù)及理論RFID的全文是Radio Frequency Identification直譯成中文是無限射頻識(shí)別系統(tǒng)還有其他很多的稱呼像是無線IC標(biāo)簽射頻識(shí)別標(biāo)簽技術(shù)電子標(biāo)簽感應(yīng)卡等等是一種透過無線電波來做到非接觸的資料存取的技術(shù)通過無線通訊Wireless Communication結(jié)合資料存取技術(shù) Information Technology 再連結(jié)背后的資料庫系統(tǒng)形成一個(gè)龐大且串連在一起的系統(tǒng)正是射頻識(shí)別技術(shù)的大力發(fā)展使之能夠與IC芯片的發(fā)展相結(jié)合將很多技術(shù)應(yīng)用到IC芯片中促進(jìn)了非接觸式IC卡的產(chǎn)生及迅猛發(fā)展正是非接觸式IC卡的大量運(yùn)用因此有時(shí)射頻識(shí)別結(jié)束就是指非接觸式IC卡的應(yīng)用系統(tǒng)因此本章將簡略介紹一些射頻識(shí)別技術(shù)的相關(guān)知識(shí)以利用進(jìn)一步了解非接觸式IC卡的原理和應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)21 RFID系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)RFID技術(shù)是指一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)基本原理是利用無線射頻識(shí)別信號(hào)的空間耦合電磁感應(yīng)或者是電磁傳播的傳輸特性實(shí)現(xiàn)對被識(shí)別對象的自動(dòng)識(shí)別RFID系統(tǒng)通常由電子標(biāo)簽讀寫器計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)三部分組成圖21是RFID系統(tǒng)射頻識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖圖21 RFID系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖電子標(biāo)簽存儲(chǔ)著需要被識(shí)別物品的信息通常被放置在需要識(shí)別的物品上它所存儲(chǔ)的信息通?？蓜e射頻讀寫器通過非接觸方式讀寫獲取1讀寫器讀寫器是可以利用射頻技術(shù)讀寫電子標(biāo)簽信息的設(shè)備讀寫器讀出的電子標(biāo)簽信息可以通過計(jì)算機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行管理和信息傳輸2計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)在射頻識(shí)別系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)通常用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理完成通信傳輸功能讀寫器可以通過標(biāo)準(zhǔn)的接口與計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)連接以便實(shí)現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)傳輸功能22 RFID系統(tǒng)的電子標(biāo)簽讀卡器間能量傳輸載頻 1356MHz的標(biāo)準(zhǔn)RFID系統(tǒng)屬于近場識(shí)別范疇此時(shí)之電子標(biāo)簽讀卡器通信可簡單的歸納為兩種類型信號(hào)傳輸能量傳輸和信息即數(shù)據(jù)傳輸前者是單向的傳輸方向只能是讀寫器-電子標(biāo)簽后者是雙向的存在由讀卡器至電子標(biāo)簽的寫和由電子標(biāo)簽到讀卡器的讀兩個(gè)方向的操作此節(jié)先介紹前者鑒于非接觸式IC卡系統(tǒng)選取1356MHz載波的波長為22m較電子標(biāo)簽與讀寫器天線間的距離大許多倍則可將電子標(biāo)簽和讀卡器間的內(nèi)磁場視為簡單交變磁場電子標(biāo)簽和讀卡器間的的耦合關(guān)系理解為以讀寫器天線為初級(jí)線圈電子標(biāo)簽天線為次級(jí)線圈的變壓器耦合正式這種耦合確定了電子標(biāo)簽和讀卡器雙方特有的結(jié)構(gòu)形式因此對耦合方式的了解是理解PFID系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)的前提該部分的內(nèi)容實(shí)際上也是相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)涵ISO7810國際標(biāo)準(zhǔn)的ID-1規(guī)范對于電子標(biāo)簽的厚度的限制和超薄電池的實(shí)用化還有待時(shí)日的現(xiàn)狀使得當(dāng)今所有保準(zhǔn)非接觸式IC卡都只能是無源式電子數(shù)據(jù)載體芯片所需要能量必須經(jīng)天線耦合有讀卡器的交變磁場即射頻RF能量場感應(yīng)獲取讀寫器的天線線圈L1與電容Ci組成的LC并聯(lián)諧振賄賂其諧振頻率與工作發(fā)射頻率相符以增大讀寫器天線電流提高磁場強(qiáng)度改善電子標(biāo)簽和讀卡器間耦合效果電子標(biāo)簽的天線線圈L2與電容C1組成具有相同諧振的振蕩回路此諧振也有利于改善耦合效果即能量傳輸效率從理論上講電子標(biāo)簽諧振頻率與讀寫器諧振頻率的精確一致是提高耦合效果的最佳選擇他們之間的任何差異都將降低系統(tǒng)性能嚴(yán)重時(shí)甚至可能發(fā)生零調(diào)制電子標(biāo)簽和讀卡器間諧振頻率的失配將導(dǎo)致讀寫器載波信號(hào)與電子標(biāo)簽返回的調(diào)制信號(hào)間的相移當(dāng)此相移達(dá)到90度是兩信號(hào)將相互抵消調(diào)制信號(hào)丟失導(dǎo)致電子標(biāo)簽電源電壓減小信號(hào)丟失但實(shí)踐中并非總是如此原因如下所述1LC原件制造和安裝精度的有限性將導(dǎo)致實(shí)際LC參數(shù)乃至二諧振頻率的偏差和差異為此部分芯片制造商在電子標(biāo)簽芯片中附加了微調(diào)電容器以便在生產(chǎn)時(shí)通過對這些電容器的針對性接通和斷開調(diào)整電子標(biāo)簽諧振頻率減小次偏差實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽和讀卡器間的諧振頻率的匹配該手段也可用于讀寫器的LC振蕩回路通過增加或減少福建電容的方法實(shí)現(xiàn)讀寫器諧振頻率的最佳化而另一些電子標(biāo)簽芯片如Atmel公司的Temic系列RFID中的e55605561加密讀寫應(yīng)答器則具備自適應(yīng)調(diào)諧功能芯片每次進(jìn)入RF場即上電復(fù)位時(shí)均可自動(dòng)轉(zhuǎn)接與其LC振蕩電路并聯(lián)的片上電容將自己的諧振頻率調(diào)整至讀寫器的諧振頻率則即便讀寫器諧振頻率稍有便或或者同一電子標(biāo)簽用于諧振頻率有異的多個(gè)讀寫器電子標(biāo)簽芯片也能自動(dòng)選取最佳的諧振頻率2技術(shù)的原因要求人為使電子標(biāo)簽諧振頻率稍高于讀寫器諧振頻率譬如鑒于同時(shí)出現(xiàn)在同一磁場且相互靠近的兩個(gè)電子標(biāo)簽的共同諧振頻率總是低于單個(gè)電子標(biāo)簽的諧振頻率因此在具備反碰撞功能要求的1356MHz系統(tǒng)常常將電子標(biāo)簽諧振頻率提高幾個(gè)百分點(diǎn)為1518MHz以減小這類影響電子標(biāo)簽和讀卡器間的能量傳輸效果不僅與讀寫器的場頻天線線圈匝數(shù)和環(huán)繞面積且與線圈電流有關(guān)與調(diào)制方式等也有關(guān)因此在降低天線驅(qū)動(dòng)級(jí)功耗的同時(shí)適當(dāng)提升其電源電壓和輸出功率常常是增加場強(qiáng)擴(kuò)大能量和數(shù)據(jù)傳輸距離的有效途徑23 RFID系統(tǒng)的電子標(biāo)簽讀卡器間信息傳輸讀寫器與電子標(biāo)簽間的信息傳輸是一種建立在已有數(shù)字通信理論和技術(shù)機(jī)床之上的電感耦合式半雙工數(shù)字通信圖22即為數(shù)字通信的系統(tǒng)模型其中 發(fā)送端 接收端圖22 數(shù)字通信系統(tǒng)模型信源是擬傳輸?shù)脑夹畔?shù)據(jù)即基帶信號(hào)信宿為信息傳輸?shù)慕K點(diǎn)與信源對應(yīng)在非接觸式IC卡應(yīng)用系統(tǒng)他們即為電子標(biāo)簽和讀卡器雙方的存儲(chǔ)區(qū)信道是信息傳輸?shù)穆窂胶涂臻g對標(biāo)準(zhǔn)非接觸IC卡系統(tǒng)只能是以電磁波為媒介的無線信道信源編碼又稱壓縮編碼其作用是使模擬信號(hào)數(shù)字化和以相應(yīng)形式編碼表示二進(jìn)制數(shù)1和0對其基本要求是在保證一定傳輸質(zhì)量的前提下用盡可能少的數(shù)字脈沖表示信源的基帶信號(hào)以提高信號(hào)傳輸有效性信道編碼又稱糾錯(cuò)編碼其作用是在信源編碼輸出信號(hào)中按相應(yīng)的規(guī)則增添若干位糾減錯(cuò)信息形成對應(yīng)至信息編碼輸出以便接收端可按此發(fā)現(xiàn)和糾正信號(hào)在信道傳輸中出現(xiàn)的錯(cuò)誤保證通信的可靠性調(diào)制的作用是鑒于將基帶信號(hào)直接送至信道的基帶傳輸只能使用有限信道且傳輸距離有限因此將基帶信號(hào)調(diào)制到高頻載波信號(hào)上形成頻帶信號(hào)后再送入有線或無線通道已實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)距離頻帶傳輸接收端的信源解碼信道解碼和解調(diào)是分別與發(fā)送端信源編碼信道編碼和調(diào)制相對應(yīng)的反變換231編碼類型數(shù)字通信系統(tǒng)有信源編碼和信道編碼兩類編碼前者以提高信息傳輸?shù)挠行詾槟繕?biāo)即力求在保證一定的傳輸質(zhì)量的前提下盡可能減少傳輸信息冗余度后者的作用則在于降低誤碼率提高可靠性由發(fā)送端在擬傳輸信息序列加入與之存在某種約束關(guān)系的若干位監(jiān)督嗎糾檢錯(cuò)信息接收方則根據(jù)接收信息中這種關(guān)系被破壞與否來檢查傳輸錯(cuò)與乃至糾錯(cuò)顯然由于其增大了傳輸信息的冗余度因此其提高可靠性的代價(jià)是犧牲傳輸有效性現(xiàn)在對二類編碼分別介紹如下2311信源編碼數(shù)字通信系統(tǒng)所需要的所有傳輸信息都是以二進(jìn)制數(shù)0和1表示的脈沖序列在送入信道發(fā)送前往往要先對之進(jìn)行信源編碼以形成相應(yīng)的傳輸碼由于傳輸信道的特性差異和不同場合對傳輸指標(biāo)的不同需求這類編碼即0和1的表示形成常常也不同常用的數(shù)字信號(hào)編碼有不歸零編碼曼徹斯特編碼和差曼徹斯特編碼米勒編碼1不歸零編碼不歸零編碼是基帶信號(hào)的最簡單表示形式在這類編碼的每個(gè)碼元周期中信號(hào)電平均保持不變其包含單極性不歸零碼和雙極性不歸零碼兩種形式單極性不歸零碼用信號(hào)波形的零電平和正或負(fù)電平分別表示邏輯0和1特點(diǎn)是脈沖極性單一脈沖寬度與碼元寬度等同傳輸信道中有較大直流分量雙極性不歸零碼則用脈沖的正負(fù)極性表示邏輯0和1特點(diǎn)是脈沖快讀與碼元寬度等同當(dāng)0和1的出現(xiàn)概率相同時(shí)無直流分量抗干擾能力強(qiáng)2曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼亦稱為裂相編碼或雙向嗎每一碼元均被分成互補(bǔ)的兩半部分單前一半為高電平時(shí)后一半必須為低電平表示邏輯1當(dāng)前一半為低電平時(shí)后一半必須為高電平表示邏輯0特點(diǎn)是每個(gè)碼元的中心均存在電平跳變?nèi)魺o跳變則視為異常在ISOTEC14443中的Type A類型非接觸IC卡的反碰撞檢測中正是利用此特性且其傳輸中無直流分量缺陷是頻帶占用為原二進(jìn)制碼的兩倍3差分曼徹斯特差分曼徹斯特編碼是曼徹斯特編碼的一種修改格式其不同之處在于每位的中間跳變只用于同步時(shí)鐘信號(hào)而0或1的取值判斷是用位的起始處有無跳變來表示若有跳變則為0若無跳變則為1這種編碼的特點(diǎn)是每一位均用不同電平的兩個(gè)半位來表示因而始終能保持直流的平衡4米勒編碼米勒編碼又稱為延遲調(diào)制碼在碼元中點(diǎn)的電平和負(fù)跳變均表示邏輯1無跳變表示邏輯0前后碼元交界處的電平正和負(fù)跳變則表示連續(xù)的0特點(diǎn)是頻帶占用窄RFID有關(guān)的信源編碼方式還有變形米勒編碼差分編碼脈沖間隔編碼脈沖位置調(diào)制編碼等就不作詳述了2312信道編碼信道編碼又稱差錯(cuò)控制編碼抗干擾碼和糾錯(cuò)碼是數(shù)字通信差錯(cuò)控制理論和技術(shù)的核心用于克服信息傳輸過程中由于系統(tǒng)特性不理想和信道噪聲干擾引起的錯(cuò)誤相對于接觸式IC卡非接觸式IC卡的卡機(jī)通信環(huán)境要惡劣很多其傳輸信道電磁波極易成為各種噪聲的耦合途徑因此對通信的差錯(cuò)控制常常有較高的要求以致不得不大量借助通信領(lǐng)域的已有技術(shù)和成就此處僅圍繞非接觸IC卡這個(gè)主題首先對數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e(cuò)誤類型和數(shù)字通信差錯(cuò)控制的分類方式做簡要概述然后再介紹3種出現(xiàn)較早且在非接觸IC卡系統(tǒng)得以大量應(yīng)用的差錯(cuò)控制編碼方式1數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤類型和差錯(cuò)控制方式分類數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤可分兩種形式隨機(jī)錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤其中隨機(jī)錯(cuò)誤又稱獨(dú)立錯(cuò)誤各出錯(cuò)碼元的錯(cuò)誤相互獨(dú)立互無關(guān)聯(lián)一般不會(huì)成片出現(xiàn)對應(yīng)信道稱為無記憶信道或隨機(jī)信道而突發(fā)錯(cuò)誤的前一碼元錯(cuò)誤則可能影響后續(xù)碼元的準(zhǔn)確性導(dǎo)致誤碼的成片密集出現(xiàn)對應(yīng)的信道稱之為記憶信道或突發(fā)信道不過由于實(shí)際信道的復(fù)雜性這兩種錯(cuò)誤往往并存同一信道只不過有的信道以其中一種錯(cuò)誤為主罷了數(shù)字通信系統(tǒng)的差錯(cuò)控制方式有圖23所示之四種類型 發(fā)方 可以糾正錯(cuò)誤的碼 收方 FEC 能夠發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的碼 ARQ 應(yīng)答信號(hào) 可以糾正和發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的碼 HEC 數(shù)據(jù)信息 IRQ 數(shù)據(jù)信息圖23差錯(cuò)控制基本類型1檢錯(cuò)重發(fā)Automatic Repeat RequestARQ又稱判別反饋和反饋糾錯(cuò)發(fā)送端對數(shù)據(jù)分組編碼使所有編碼具備一定的檢錯(cuò)能力接收端進(jìn)行無錯(cuò)判別并通過反饋信道將判別結(jié)果送至發(fā)送端發(fā)送端則將接收端認(rèn)為出錯(cuò)的信息再次重發(fā)直至接收端確認(rèn)無誤優(yōu)點(diǎn)所需要額外碼元少即信息冗余度小設(shè)備復(fù)雜性和成本低因此在非接觸式IC卡系統(tǒng)有較多應(yīng)用缺點(diǎn)需要反饋信道強(qiáng)干擾場合的通信效率低由于反饋的重復(fù)的隨機(jī)性不適宜實(shí)時(shí)通信2前向糾錯(cuò)Forward Error CorrectingFEC發(fā)送端對數(shù)據(jù)編碼使所得編碼具備一定糾錯(cuò)能力接收端按編碼規(guī)則自動(dòng)檢測出錯(cuò)位置并糾正優(yōu)點(diǎn)無須反饋信道解碼延時(shí)小且固定適宜實(shí)時(shí)通信缺點(diǎn)所需額外碼元多即信息冗余度大傳輸效率低解碼設(shè)別復(fù)雜3混合差錯(cuò)控制Hybrid Error ControlHEC為ARQ和FEC方式的綜合發(fā)送端發(fā)送的碼同時(shí)具備糾錯(cuò)和檢錯(cuò)功能如果傳輸錯(cuò)誤未超出碼的糾錯(cuò)能力接收端自動(dòng)糾錯(cuò)若錯(cuò)誤超出碼的糾錯(cuò)能力按ARQ方式請求重發(fā)該方式是保證通信實(shí)時(shí)性且適當(dāng)降低解碼設(shè)備復(fù)雜性和成本的一種折中選擇4信息反饋Information Repeat RequestIRD也稱回程校驗(yàn)是一種與信道編碼無關(guān)的差錯(cuò)控制方式接收端將收到的數(shù)據(jù)序列通過反饋信道全部送回發(fā)送端由發(fā)送端進(jìn)行發(fā)出數(shù)據(jù)和反饋數(shù)據(jù)的比較以確定出錯(cuò)與否并重發(fā)被認(rèn)定出錯(cuò)數(shù)據(jù)直至不再發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤優(yōu)點(diǎn)無須進(jìn)行糾檢錯(cuò)的編碼解碼設(shè)備簡單缺點(diǎn)數(shù)據(jù)的來回傳輸導(dǎo)致延時(shí)大實(shí)時(shí)性差受擾出錯(cuò)的可能性增大甚至出現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)無錯(cuò)卻因反饋數(shù)據(jù)出錯(cuò)而導(dǎo)致誤判重發(fā)因此僅適宜傳輸速率和信道差錯(cuò)率均較低的系統(tǒng)上述方式除IRQ外前三種差錯(cuò)控制方式均需要采用相應(yīng)之差錯(cuò)控制編碼即信道編碼以實(shí)現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤的檢測和糾正2奇偶校驗(yàn)碼奇偶校驗(yàn)碼Parity check code是一種最簡單應(yīng)用也最廣泛的檢錯(cuò)碼其編碼和校驗(yàn)規(guī)則為發(fā)送端首先將欲傳輸數(shù)據(jù)序列分組然后再等長的每個(gè)數(shù)據(jù)組后增加一位校驗(yàn)位譬如將IC卡系統(tǒng)的每個(gè)字節(jié)8位作為一組為之生成為一校驗(yàn)位并附于該字節(jié)后并發(fā)送每字節(jié)實(shí)際發(fā)送9位校驗(yàn)位的取值規(guī)則為在奇校驗(yàn)時(shí)若數(shù)據(jù)組含1個(gè)數(shù)為奇數(shù)則校驗(yàn)位取0否則取1在偶校驗(yàn)時(shí)若數(shù)據(jù)組含1個(gè)數(shù)為奇數(shù)則校驗(yàn)位取1否則取0即使包括校驗(yàn)位在內(nèi)的各分組含1個(gè)數(shù)在奇校驗(yàn)時(shí)始終為奇數(shù)在偶校驗(yàn)時(shí)始終為偶數(shù)這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡單易實(shí)現(xiàn)缺點(diǎn)是只能檢測奇數(shù)個(gè)錯(cuò)誤對偶數(shù)個(gè)錯(cuò)誤無效且不能確定出錯(cuò)位位置以致只能檢錯(cuò)不能糾錯(cuò)由于奇數(shù)個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤的出現(xiàn)概率遠(yuǎn)大于偶數(shù)個(gè)隨機(jī)錯(cuò)則該方法在以隨機(jī)錯(cuò)為主的計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)有較多應(yīng)用但在突發(fā)錯(cuò)誤較多的信道中不宜單獨(dú)使用3縱向冗余校驗(yàn)縱向冗余校驗(yàn)Longitudinal Redundancy CheckLRC亦稱XORLogical Exclusive-OR Operations校驗(yàn)或者累加和校驗(yàn)是一種主要用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟铄e(cuò)檢測編碼操作過稱為發(fā)送端對擬傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)字節(jié)進(jìn)行按位邏輯異或XOR計(jì)算所得校驗(yàn)和附于傳輸數(shù)據(jù)后一并發(fā)送接收端對接收信息序列所有字節(jié)包括數(shù)據(jù)及校驗(yàn)和進(jìn)行相同之邏輯異或計(jì)算如果傳輸無誤所得新校驗(yàn)和應(yīng)為00H若其不為00H則表示存在傳輸錯(cuò)誤該方法的優(yōu)點(diǎn)是算法簡單僅用微控制器的最常見XOR命令即可簡單快速的實(shí)現(xiàn)缺點(diǎn)是對傳輸序列中的字節(jié)交換錯(cuò)誤無效且不能檢出偶數(shù)個(gè)字節(jié)的同一位錯(cuò)誤4循環(huán)碼循環(huán)碼Cyclic Codes又稱CRC碼即循環(huán)冗余校驗(yàn)Cyclic Redundancy CheckCRC碼的簡稱是建立在現(xiàn)代代數(shù)理論基礎(chǔ)之上的一種線性分組碼在數(shù)據(jù)發(fā)送端根據(jù)CRC算法原理計(jì)算得到發(fā)送時(shí)的CRC值將該值填充到數(shù)據(jù)幀的CRC字段在接收端根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)幀計(jì)算CRC的值并將計(jì)算得到的值與接收到來自發(fā)送端的CRC值進(jìn)行比較如果兩個(gè)值一樣則數(shù)據(jù)準(zhǔn)確如果數(shù)據(jù)不一樣則數(shù)據(jù)出錯(cuò)這樣通過采用CRC糾可以實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)檢驗(yàn)循環(huán)碼的糾錯(cuò)能力強(qiáng)但算法卻相對簡單因此較適宜存儲(chǔ)空間有限的非接觸式IC卡采用但是最大的缺點(diǎn)是計(jì)算緩慢該算法最初是為硬件實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)采用軟件實(shí)施時(shí)將因該計(jì)算所需之逐位移位而使耗時(shí)過長232數(shù)字信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)電磁波的三個(gè)特征是幅度頻率相位這三個(gè)特征都可以被改變從而產(chǎn)生各種不同的信號(hào)波形這就是調(diào)制過程未被改變的電磁波稱為載波顧名思義就死可以加載信號(hào)的電磁波由于電磁波有三個(gè)特征于是改變幅度的調(diào)制方法稱為振幅調(diào)制簡稱調(diào)幅改變頻率的調(diào)制方式稱為頻率調(diào)制簡稱調(diào)頻改變相位的調(diào)制方式稱為相位調(diào)制簡稱調(diào)相還有其他的一些調(diào)制方法由這三種基本調(diào)制方法衍生出來有的同事調(diào)制其中兩個(gè)特征RFID系統(tǒng)采用的調(diào)制方法是ASK振幅鍵控FSK頻移鍵控和PSK相移鍵控其中ASK的使用最廣本讀卡器既是采用這種調(diào)制方式1振幅鍵控ASK振幅鍵控調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)起來比較簡單當(dāng)需要表示二進(jìn)制1時(shí)使載波的幅值為1當(dāng)需要調(diào)制出二進(jìn)制數(shù)0時(shí)就改變載波的幅值為0這樣一串二進(jìn)制編碼就對應(yīng)為載波幅值的對應(yīng)1或02頻移鍵控FSK這種按照編碼0或1的不同規(guī)定兩個(gè)頻率給他們?nèi)胍?guī)定0的頻率為f1的頻率為2f的話一串編碼經(jīng)過調(diào)制后就變成頻率交替變化的波形信號(hào)這種方式特點(diǎn)是抗干擾性好但是占用的帶寬較ASK要多3相移鍵控PSK相移鍵控按照數(shù)據(jù)編碼的值調(diào)制載波信號(hào)的相位如可以規(guī)定移動(dòng)相位180度表示1而不移動(dòng)相位表示0這樣編碼經(jīng)過調(diào)制后就成為一串相位隨著數(shù)據(jù)值變化的波形信號(hào)233讀寫器電子標(biāo)簽信息傳輸一個(gè)射頻識(shí)別系統(tǒng)要完成數(shù)據(jù)的傳送有兩個(gè)部分1閱讀器中的數(shù)據(jù)信號(hào)需要進(jìn)行編碼編碼后經(jīng)過調(diào)制由天線轉(zhuǎn)換成載有數(shù)據(jù)的載波信號(hào)發(fā)送出去2電子標(biāo)簽接收到載波信號(hào)后對信號(hào)進(jìn)行解調(diào)得到編碼的數(shù)據(jù)然后再通過譯碼過程得到傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)簡單來說就是信號(hào)的解碼調(diào)制與解調(diào)譯碼過程數(shù)據(jù)通過這個(gè)過程后就傳送給了電子標(biāo)簽234電子標(biāo)簽讀寫器信息傳輸在射頻識(shí)別系統(tǒng)中數(shù)據(jù)從電子標(biāo)簽返回到讀卡器采用負(fù)載調(diào)制方式所謂負(fù)載調(diào)制就是通過改變電子標(biāo)簽中的負(fù)載電阻的大小達(dá)到改變信號(hào)幅度的調(diào)制方式副載波在進(jìn)行負(fù)載調(diào)制時(shí)首先在圍繞操作頻率副載波的兩側(cè)同距離上產(chǎn)生兩條譜線再使副載波調(diào)制后的信息編碼的數(shù)據(jù)流傳輸?shù)絻蓷l副載波譜線的邊帶中這種調(diào)制方式與從讀卡器到電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳送調(diào)制方式類似也可以選擇調(diào)頻調(diào)幅調(diào)相等方法副載波的頻率一般是對工作頻率的分頻這種對于射頻識(shí)別系統(tǒng)來說容易實(shí)現(xiàn)常用的是1632或64分頻所以1356MHz射頻識(shí)別系統(tǒng)的副載波的頻率一般為847KHz16分頻424KHz32分頻212KHz64分頻24本章小結(jié)本章主要RFID系統(tǒng)做了簡要的概述再對RFID系統(tǒng)常見的編解碼和調(diào)制方式做了總結(jié)和比較描述了RFID系統(tǒng)的能量傳輸和信息傳輸?shù)墓ぷ髟淼谌?ARM技術(shù)31 ARM處理器概述ARM公司于1990年11月在英國劍橋成立主要從事轉(zhuǎn)讓芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)全稱是advanced RISC machine LtdARM公司的第一個(gè)客戶是蘋果電腦公司為其新開發(fā)的Newton掌上電腦提供高速度低功耗的RISC精簡指令集算法處理器由于ARM公司只有技術(shù)缺乏資金購買昂貴的芯片制造封裝和測試設(shè)備因此ARM公司授權(quán)伙伴公司VLSL Technology生產(chǎn)并提供必要的技術(shù)支持這種合作方式的初步成功也為今后ARM公司的發(fā)展規(guī)模奠定了基礎(chǔ)ARM公司專門從事基于RISC技術(shù)芯片的設(shè)計(jì)開發(fā)作為知名產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商本身不直接從事芯片生產(chǎn)靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從ARM公司購買其設(shè)計(jì)的ARM微處理器核根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域加入適當(dāng)?shù)耐鈬娖鲝亩纬勺约旱腁RM微處理器芯片進(jìn)入市場而ARM技術(shù)獲得第三方工具制造軟件的支持使整個(gè)系統(tǒng)成本降低產(chǎn)品更容易進(jìn)入市場并更具有競爭力目前采用ARM技術(shù)支持產(chǎn)權(quán)IP核的微處理器即通常所說的ARM CPU版本已經(jīng)從V3發(fā)展到V6已遍及工業(yè)控制消費(fèi)類電子產(chǎn)品通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場份額ARM技術(shù)正逐步滲入到人們生活的各個(gè)方面ARM的構(gòu)架師面向低預(yù)算市場設(shè)計(jì)的一款RISC微處理器是一種可擴(kuò)展可移植可集成的處理器采用RISC構(gòu)架的ARM微處理器一般具有的特點(diǎn)如表31所示 表31ARM CPU的特點(diǎn)序號(hào)特 點(diǎn)1體積小低功耗低成本高性能2支持Thumb16位ARM32位雙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執(zhí)行速度更快4大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成5尋址方式靈活簡單執(zhí)行效率高6指令長度固定32 ARM處理器系列基于ARM系列結(jié)構(gòu)的處理器除具有ARM系類結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)外每一個(gè)系列的ARM微處理器都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域其中ARM7-ARM11為通用處理器系列每一個(gè)系列都提供相對獨(dú)特的性能來滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求Securcore系列專門為安全要求較高的應(yīng)用而設(shè)計(jì)另外還有Intel公司采用ARMV4T五級(jí)流水線結(jié)構(gòu)的StrongARMXscale系列處理器下面簡要介紹ARM微處理器各個(gè)系列的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域1ARM7微處理器系列ARM微處理器系列為低功耗的32位RISC處理器采用ARMV4TNewman結(jié)構(gòu)三級(jí)流水線平均功耗為06MwMHz時(shí)鐘速度為66MHz最適合用于對價(jià)位和功耗要求較高的消費(fèi)類應(yīng)用ARM7微處理器系類包括如下幾種類型的核ARM7TDMIARM7TDMI-SARM720TARM7EJARM7TDMI是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器T代表支持Thumb指令集D代表支持片上測試M代表內(nèi)嵌硬件乘法器I代表支持片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)該系列處理器提供Thumb16位壓縮指令集和Embedded ICE JTAG軟件調(diào)試方式適合應(yīng)用于更大規(guī)模的SOC設(shè)計(jì)中其中ARM720T告訴緩存處理宏單元還提供8KB片內(nèi)緩存讀緩沖和具有內(nèi)存管理功能的高性能處理器支持LinuxSmybianOS和WindowsCE等操作系統(tǒng)ARM7系列廣泛應(yīng)用于多媒體和嵌入式設(shè)備包括Internet設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備以及移動(dòng)電話PDA等無線設(shè)備無線信息設(shè)備領(lǐng)域的前景廣闊因此ARM7系列也瞄準(zhǔn)了下一代智能化多媒體無線設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用2ARM9微處理器系列ARM9系列包括ARM9TDMIARM920T和帶有高速緩存處理器宏單元的ARM940T所有的ARM9系列處理器都具有Thumb壓縮指令集和基于Embedded ICEJTAG軟件調(diào)試方式ARM9處理系列兼容ARM7系列而且能夠比ARM7進(jìn)行更加靈活的設(shè)計(jì)ARM9系列主要應(yīng)用于引擎管理儀器儀表安全系統(tǒng)機(jī)頂盒高端打印機(jī)PDA網(wǎng)絡(luò)電腦以及帶有MP3音頻盒MPEG4視頻多媒體格式的智能電話中3ARM9E微處理器系列ARM9E系列為綜合處理器包括ARM926EJ-SARM946E-S和ARM966E-S使用單一的處理器內(nèi)核提供了微控制器DSPJava應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案因此使用于同時(shí)使用DSP和微控制器的場合該系列強(qiáng)化了數(shù)字信號(hào)處理功能可應(yīng)用于需要DSP與微控制器結(jié)合使用的情況將Thumb技術(shù)和DSP都擴(kuò)展到ARM指令集中并具有Embedded ICE-RT邏輯更好地適應(yīng)了實(shí)時(shí)系統(tǒng)的開發(fā)需要ARM9E系列廣泛應(yīng)用于硬盤驅(qū)動(dòng)器和DVD播放器等海量存貯設(shè)備語音編碼器免提連線巡航控制反鎖剎車等自動(dòng)控制解決方案以及調(diào)制解調(diào)器和軟調(diào)制解調(diào)器PDA智能電話MP3音頻譯碼器和語音識(shí)別及合成等設(shè)備中4ARM10E微處理器系列ARM10E系列包括ARM1020EARM1022E和ARM1026EJ-S這一系列的處理器具有高性能低功耗的特點(diǎn)采用了新的體質(zhì)結(jié)構(gòu)同ARM9相比其性能有了很大的提高其核心在于使用向量浮點(diǎn)VFP單元VFP10提供高性能的浮點(diǎn)解決方案從而極大提高了處理器的整型和浮點(diǎn)運(yùn)算性能為用戶界面的2D和3D圖形引擎應(yīng)用夯實(shí)基礎(chǔ)如視頻游戲機(jī)和高性能打印機(jī)等5ARM11微處理器系列ARM11系列包括ARM1156T2-S和ARM1136JF-SARM1156T2F-S和ARM1176JZFscale微體系結(jié)構(gòu)則提供全性能高性價(jià)比低功耗的解決方案支持16位Thumb指令和集成數(shù)字信號(hào)處理DSP指令8Cortex-M3和MPCore為了適應(yīng)市場的需要ARM推出了兩個(gè)新的處理器Cortex-M3和MPCoreCortex-M3 主要針對微控制器市場而MPCore主要針對高端消費(fèi)產(chǎn)品Cortex-M3改進(jìn)了代碼密度減少了中斷延時(shí)并有更低的功耗Cortex-M3 中實(shí)現(xiàn)了最新的Thumb-2指令集MPCore提供了Cache一致性每個(gè)支持14個(gè)ARM11核這種設(shè)計(jì)為了現(xiàn)代消費(fèi)產(chǎn)品對性能和功耗的需求做了很好的平衡ARM還引入了L2 Cache控制器來改進(jìn)系統(tǒng)的整體性能33ARM的體系結(jié)構(gòu)331ARM處理器核的結(jié)構(gòu)ARM處理器核由ALU通用堆棧寄存器堆桶式移位寄存器乘法器和指令譯碼控制等部分組成332馮諾依曼結(jié)構(gòu)及哈佛結(jié)構(gòu)在ARM中的應(yīng)用1馮諾依曼結(jié)構(gòu)馮諾依曼結(jié)構(gòu)也稱為普林斯頓結(jié)構(gòu)是一種將程序指令寄存器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合并在一起的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)程序指令存儲(chǔ)地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址指向同一個(gè)存儲(chǔ)器的不同物理位置因此程序指令和數(shù)據(jù)寬度相同ARM7采用了馮諾依曼結(jié)構(gòu)2哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)師一種將程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)中央處理器首先到程序指令存儲(chǔ)器中讀取程序指令內(nèi)容解碼后得到數(shù)據(jù)地址再到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行下一步的操作程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度哈佛結(jié)構(gòu)的微處理器通常具有較高的執(zhí)行效率ARM9ARM10和ARM11屬于哈佛結(jié)構(gòu)333 ARM的兩種工作狀態(tài)在ARM體系結(jié)構(gòu)中ARM處理器支持3種數(shù)據(jù)類型字節(jié)半字和字其中字節(jié)的長度為8位半字的長度為16位字的長度為32位ARM處理器核一般有兩種工作狀態(tài)并可以在兩種狀態(tài)之間切換1ARM狀態(tài)ARM狀態(tài)下執(zhí)行字對準(zhǔn)的32位ARM指令2Tbumb狀態(tài)Tbumb狀態(tài)下執(zhí)行半字對準(zhǔn)的16位Tbumb指令在Tbumb狀態(tài)下程序計(jì)數(shù)器PC使用位1選擇另一個(gè)半字在程序執(zhí)行的工程中ARM處理器的兩種工作狀態(tài)之間可以切換ARM處理器在開始執(zhí)行代碼時(shí)只能處于ARM狀態(tài)ARM指令集和Tbumb指令集都有相應(yīng)的狀態(tài)切換命令在切換時(shí)不影響處理器的模式或寄存器的內(nèi)容334 ARM的運(yùn)行模式程序運(yùn)行時(shí)需要硬件資源的支持的而且運(yùn)行不同的程序所需要的硬件資源也不盡相同ARM處理器可以為程序提供7種不同的硬件資源組合每一種硬件資源組合叫做一種運(yùn)行模式ARM處理器支持7種運(yùn)行模式用戶模式快速中斷模式中斷模式管理模式中止模式未定義指令中止模式系統(tǒng)模式除了用戶模式外的其他6中模式成為特權(quán)模式特種模式中除了系統(tǒng)模式以外的5種模式又稱為異常模式335 ARM處理器的寄存器ARM處理器共有37個(gè)寄存器被分為若干個(gè)組其中31個(gè)通用寄存器包括程序計(jì)數(shù)器PC指針均為32位的寄存器6個(gè)狀態(tài)寄存器用以標(biāo)識(shí)CPU的工作狀態(tài)及程序的運(yùn)行狀態(tài)均為32位目前只使用其中的一部分34 ARMThumb指令系統(tǒng)ARM微處理器在一種體系結(jié)構(gòu)中支持ARMThumb兩種指令集ARM指令集效率非常高但是代碼密度相對較低Thumb指令集具有更好的代碼密度同時(shí)保持了ARM指令集大多數(shù)性能上的優(yōu)勢ARM處理器尋址方式可分為寄存器尋址立即尋址寄存器偏移尋址寄存器間接尋址基址尋址多寄存器尋址堆棧尋址快復(fù)制尋址和相對尋址九中尋址方式ARM微處理器的指令集是加載存儲(chǔ)型的即指令集僅能處理寄存器中的數(shù)據(jù)而且處理