论文总字数：32952字

摘 要

16012125 汤之宇

指导教师 尤鋆

上个世纪70年代开始，大量的复杂数学方程求解以及数据处理问题日益增长了人们对更高速、更高效的计算工具的需求。微处理器的出现，满足了人们对高效计算工具和信息处理的需求，使得信息由脑力分析上升到了由计算机进行大量驱动处理的阶段。由于微处理器体积小，集成度高，而且价格很便宜的特点，人们开始将其嵌入到某一个具体的对象体系中，来实现对这一系统的人工智能化控制，由此嵌入式系统诞生。

随着嵌入式系统技术日臻完善，嵌入式系统的应用范围也是日趋复杂化和多元化，被广泛应用于消费电子、工业生产以及日常生活等方面。同时嵌入式微处理器在性能、成本、功耗等指标上面临着苛刻的要求。ARM Cortex-M系列内核针对低功耗，高性能的应用市场开发，广泛的应用于智能仪表、智能卡、智能家电、智能玩具、短距离联网应用、汽车电子和高效电机控制等领域。

本毕设项目基于德州仪器Tiva系列TM4C1294NCPDT微控制器，研究Cortex-M4处理器存储器结构，系统架构以及各部件工作原理。在此基础上，结合嵌入式技术，数字通信技术和智能控制技术进行硬件体系和软件系统的总体设计，重点实现其以太网接口，USB总线等功能模块的开发。为工控、通信监控、测量、汽车电子等领域的嵌入式系统的设计提供开发平台。

关键词：Cortex-M4；嵌入式系统；USB通信；以太网通信

Abstract

Abstract： Since the 70's of last century, a large number of mathematical complex equations and data processing problems have increased people's demand for the more high-speed and more efficient computing tools. The emergence of microprocessor meets the needs of people in the process of efficient computing tools and information processing, which makes the information from mental analysis to the stage of a large number of computer driven processing. The microprocessor has the advantages of small size, high integration degree and characteristics of the price is very cheap, people began to embedded it into a specific object system to achieve artificial control of the system of, thus the embedded system was born.

With the improvement of embedded system technology, the application of embedded system is becoming more complex and diversified, which is widely used in consumer electronics, industrial production and daily life. At the same time, the embedded microprocessor is faced with demanding requirements on performance, cost, power consumption and other indicators. The kernel of ARM Cortex-M series is designed for low power, high performance application market, and a wide range of applications in the field of intelligent instrument, intelligent card, intelligent household appliances, intelligent toys, short distance networking applications, automotive electronics and efficient motor control.

The graduation project is based on the TI Tiva series TM4C1294NCPDT microcontroller, to research Cortex-M4 processor memory structure, system architecture and the working principle of the parts. On this basis, combined with embedded technology, digital communication technology and intelligent control technology to design the hardware system and software system, the emphasis is on the realization of the Ethernet interface, USB Bus function module development. Provide development platform for embedded system design in the field of industrial control, communication control, measurement, automotive electronics and other fields.

Keywords:Cortex-M4; embedded system; USB communication; Ethernet communication

目录

摘要 I

Abstract 2

第一章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 Cortex-M4应用技术的现状和分析 1

1.3 研究意义 2

1.4 主要研究内容 2

1.5 本文主要章节安排 3

第二章 处理器和软硬件开发环境介绍 4

2.1 嵌入式微处理器 4

2.1.1 嵌入式系统概述 4

2.1.2 嵌入式微处理器的分类 6

2.1.3 嵌入式微处理器的特点 6

2.2 Cortex-M4微处理器 7

2.2.1 ARM处理器 7

2.2.2 Cortex-M4和Cortex-M3的对比 8

2.2.3 Cortex-M4的运行模式 9

2.2.4 Cortex-M4的寄存器 11

2.3 EK-TM4C1294核心板 12

2.4 软件开发环境 13

2.4.1 CCS集成开发环境 13

2.4.2 Tivaware函数库 14

2.4.3 μC/OS-Ⅱ操作系统 14

2.5 本章小结 16

第三章 基于Cortex-M4嵌入式系统的应用设计 17

3.1 液晶显示模块 17

3.1.1 液晶显示模块概述 17

3.1.2 液晶显示模块驱动程序设计 19

3.2 USB通信模块 21

3.2.1 USB的引脚 22

3.2.2 USB的数据传输 22

3.2.3 USB库 24

3.2.2 批量传输设备类驱动设计 25

3.3 以太网通信模块 25

3.4 本章小结 28

第四章 基于Cortex-M4嵌入式系统的调试 29

4.1 电路板硬件测试 29

4.2 LCD液晶显示模块测试 29

4.3 USB功能模块测试 31

4.4 以太网功能模块测试 33

第五章 总结与展望 35

致谢 36

参考文献 37

第一章 绪论

1.1 课题背景

随着科学技术的高速发展，从上个世纪50年代起，大量的数学复杂方程求解以及数据处理问题日益增长了人们对更高速、更高效的计算工具的需求。从最开始的电子管，到1946年诞生的由18000多个电子管组成的世界上第一台计算机ENIAC，再到之后小体积、低功率消耗的晶体管的发明代替了电子管，最后到数以百万计的晶体管集成的硅片半导晶体，被誉为20世纪最伟大出现之一的中央处理器（Central Processing Unit）诞生了，它还有另外一个名字：微处理器（MPU），微处理器是由一片或者少数几片大规模集成电路组成的，这些集成电路执行数字逻辑以及控制的功能，是一台计算机的运算核心和控制核心。它解释了计算机指令操作，并且能够处理和分析计算机软件数据，满足了当时人们对高效计算工具和信息处理的需求。微处理器的出现掀开了人类历史新的一页，使得信息由脑力分析上升到了由计算机进行大量驱动处理的阶段。

微处理器遵循着“摩尔定律”中所描述的速度发展着，每隔18至24个月就会有新的芯片诞生，集成电路上的可容纳的元器件数比之前增加了一倍，同时性能也提升了一倍。“摩尔定律”揭示了信息时代微处理器技术更新换代的速度，其每一次的更新都标志着人类生活在信息技术、微处理器技术驱动下的一次全新变革。

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