小型足球机器人踢球器的设.docx

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小型足球机器人踢球器的设

毕业设计论文

摘要............................................错误!

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第1章小型足球机器人踢球器的研究背景及意义.......错误!

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1.1足球机器人踢球器的研究背景..................错误!

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1.2小型足球机器人的研究意义....................错误!

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第2章足球机器人踢球器的系统结构.................错误!

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2.1足球机器人多智能体系统......................错误!

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2.2设计目标....................................错误!

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2.3足球机器人系统结构..........................错误!

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2.4机器人踢球器子系统..........................错误!

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2.4.1视觉子系统............................错误!

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2.4.2通讯子系统............................错误!

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第3章足球机器人的电路系统分析与设计.............错误!

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3.1主芯片介绍及选择............................错误!

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3.2主芯片性能..................................错误!

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3.3最小系统....................................错误!

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3.4电路系统总述................................错误!

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3.5各个执行机构的驱动和控制电路................错误!

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3.5.1运动机构控制电路及其原理...............错误!

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3.6速度检测电路及其原理........................错误!

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第4章系统软件设计...............................错误!

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4.1软件设计基本思想............................错误!

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4.2主程序设计..................................错误!

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4.3通信子程序设计..............................错误!

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4.4中断服务程序................................错误!

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总结..............................................错误!

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致谢..............................................错误!

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参考文献..........................................错误!

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摘要

机器人足球比赛是近十年在国际上迅速兴起的一种高技术对抗竞赛。

主要涉及到微机械、机器人学、多传感器信息融合、通信、图像处理、机电一体化、计算机技术、对策与决策、智能控制和人工生命等多个相关领域。

而足球机器人踢球器系统由通讯子系统,决策子系统,视觉子系统和踢球器子系统四个部分组成。

机器人踢球器子系统是整个系统的执行机构。

它的好坏影响整个足球机器人的状态,从系统的提升性能、简化设计、扩展功能和应用移植的角度出发,论文的主要研究工作具体如下,小型足球机器人踢球器的系统设计、电路设计及其软件设计,论文对核心器件的选型,单元电路的设计及控制原理都进行了详尽的说明。

关键词:

足球机器人、踢球器、nRF2401

第1章小型足球机器人踢球器的研究背

景及意义

机器人足球最早是由加拿大大不列颠哥伦比亚大学教授Mackworth在1992年的一次国际人工智能会议上首次提出的,他的目的是通过机器人足球比赛,为人工智能和智能机器人学科的发展提供一个具有标志性和挑战性的课题。

此想法一经提出,便得到了各国科学家的普遍赞同和积极响应,国际上许多著名的研究机构和组织开始开展研究,将其付诸实现并不断推动其发展。

2050年前研制一队全智能类人型机器人足球队员,并击败世界杯冠军,这个梦想离我们到底有多远?

国际机器人杯的组织者与爱好者勇敢接受挑战,义无反顾地向着这个目标努力,但它决不仅是他们的梦想,更是我们大家共同的梦想。

足球运动作为一项体育竞技项目,完美地体现着人类追求配合、协作、体能、竞争……揭示着人类对于美的追求。

机器人足球则是以足球为载体的前沿高科技研究和高技术对抗,是连接基础研究与实际应用的中介和桥梁,它广泛涉及人工智能计算机视觉自动控制、精密仪器、传感和信息等一系列学科的创新研究,是人工智能和机器人学新的标准问题,其研究成果可广泛应用于工业、农业、军事信息技术等实际领域,是自动化前沿研究成果的窗口和促进产、学、研结合的新途径,集中反映出一个国家的高科技水平和综合国力。

1.1足球机器人踢球器的研究背景

在人工智能发展的历史上,博奕曾经作为典型问题极大的推动了人工智能的发展。

40年代提出了用计算机与人类下棋的目标,1997年IBM的超级计算机“深蓝”击败了世界冠军卡斯帕罗夫,是人工智能学科的一个里程碑,实现了研究人员40年的梦想。

随着信息技术的飞速发展,多机器人的应用需求不断的增加,多主体动态不可预测环境中的问题求解已成为信息-自动化领域基础研究和应用研究的重大挑战性课题。

因此博奕已经不能作为这些研究的载体,必须寻找新的标准问题来考核人工智能技术的发展。

而足球机器人为此提供了一个典型的应用和测试平台。

与机器人象棋比赛不同,足球机器人是人工智能的全面体现,也就是说除了“思维”之外,还包括“感知”与“行动”。

它涉及的学科也更广泛。

足球机器人是智能机器人的一个新领域,集高新技术和体育比赛于一体,是科技理论和实际密切结合的极富生命力的成长点,兴起仅仅几年,便引起各国学者的普遍关注。

足球机器人系统是多个机器人活动在一个实时、噪声以及对抗性的复杂环境下,通过协作、配合朝向一个共同的目标（或完成复杂任务。

足球机器人研究

的目的是研究对未来社会有深远意义的多机器人（或多智能体在复杂动态环境和多重制约下,完成多任务和多目标所需的实时推理和规划技术。

所以,一个新兴的领域-足球机器人领域已逐渐形成,它是一个多学科交叉领域,包括:

智能机器人系统、多智能体系统、实时图像处理与模式识别、智能体结构设计、实时规划和推理、移动机器人技术、机器传动与驱动控制、传感器与数据融合和无线通讯等。

它既是一个典型的智能机器人系统,又为研究发展多智能体系统、多机器人合作等理论提供了生动的研究模型和标准的测试平台。

首次提出用机器人进行足球比赛,是AlanMackworth（UniversityofBritishColumbia,Canada于1992年在“OnSeeingRobots”一文中提出的。

与此同时,1992年10月在日本东京召开的关于“人工智能领域的巨大挑战”学术研讨会（WorkshoponGrandChallengesinArtificialIntelligence,Oct.1990,Tokyo上,与会者认真讨论了开展机器人足球比赛对于发展科学技术的意义。

他们普遍认为让机器人踢足球是机器人与人工智能领域最具挑战性的研究课题。

这一提议得到了广泛的赞同。

韩国学者金钟焕于1996年开始主办微型机器人足球比赛;日本学者北田宏明提出了机器人世界杯足球赛,并在1997年得以实施。

目前,国际上机器人足球已发展为两大系列:

一是由国际机器人足联（FIRA组织的微型机器人世界杯足球赛（MIROSOT,成立于1997年6月5日,总部设在韩国大田的韩国科学（技术院（KAIST。

目前已有30余个国家的近百个学校与科研院所是其成员单位,到目前为止已经成功举行了八届机器人足球比赛;之所以得到迅速的发展,主要是MiroSot中所包含的技术含量以及它对相关产业的推动作用。

另一个是由国际人工智能学会组织的机器人世界杯足球赛（RoboCup,成立于1996年,总部设在日本名古屋,主席是SONY公司计算机科学研究院的北野宏明教授。

在此之前,日本的国家电子技术实验室（ETL研制了用于机器人足球仿真比赛的软件平台,而日本大坂大学和美国卡内基-梅隆大学的学者也都率先开发了足球机器人。

RoboCup正式成立之后,先后举行了七届机器人足球世界杯赛,数十个国家的上百支球队前来参加比赛。

1997年,日本本田技研公司成功的研制了双足行走机器人,这一重大突破引起了全世界的关注。

由六足机器人发展到双足机器人用了将近20年的时间,在机器人的手、足、视觉方面都有突破,达到了一定的水平。

通过机器人足球赛,将在大脑的思维方面进行重点的研究。

正是近20年的舆论准备与技术准备,进入90年代一些国家开始研制足球机器人并在近几年取得令人瞩目的成绩。

相信在不久的将来具有人体体型的以及思考能力的类人机器人一定会出现在足球场上。

也许那时机器人足球队将与世界足球冠军同场比赛,展开一场别开生面的“人机大战”。

1.2小型足球机器人的研究意义

足球机器人踢球器作为足球机器人的主要工作部件,是实现机器人踢球动作必不可少的关键性部件,一个好的踢球器将大大提升足球机器人在赛场上的发挥,所以我们研究足球机器人为了用最简单的方式实现最为流畅,有效的踢球动作,实现足球机器人的关键动作的简单化,高效化,解决了关键性动作部件之后,更有利于机器人技术的整体提升。

机器人技术包含了力学,机械等众多学科内容,而这些就技术必将对我国新型产业的建设及对传统产业的改造都具有非常重要的意义。

机器人足球赛有利于将人工智能理论研究与实践结合起来,检验新思想、新技术,促进相关科技发展。

机器人足球赛所催生成熟的一系列高新技术,将为社会经济和文化的发展提供重要手段。

机器人足球既是一种前沿研究的竞争和高技术对抗活动,又具有与足球类似的娱乐性、观赏性和刺激性。

可以预料,这一活动将产生极大的市场需求和新的产业机会,带来不可估量的经济效益和社会效益。

借助机器人足球赛,将人工智能技术的最新研究成果与实践结合起来,对人工智能技术的前沿研究成果进行检验,探索多个智能机器人在不可预测的动态环境中如何密切配合、协同作战,使人工智能技术更加成熟,加速人工智能技术的商品化、产业化进程。

第2章足球机器人踢球器的系统结构

2.1足球机器人多智能体系统

足球机器人比赛不仅包括多智能体系统要研究的全部内容,而且通过比赛来验证各方策略的优劣,所以机器人足球比赛是研究多智能体系统标准的实验平台。

足球机器人系统由四大部分组成:

通讯子系统、视觉子系统、决策系统,踢球器子系统

2.2设计目标

足球机器人踢球器的设计无沦是在方案设计、选材、制作质量、机器人本身的重量控制方而,还是在运动的路径的规划、定位和避障等相关的因素都直接关系到在比赛过程中能否战胜对手,取得比赛的胜利。

针对上述分析,设计的机器人及其控制系统应当达到下列目标:

1.足球机器人的外形尺寸应符合比赛要求且结构应具有高的稳定性和刚性。

选材上主要部件可以采用铝合金,装配时最好是三角形连接增以强稳定性,低的重心能具有较高的抗冲撞能力。

2.执行机构要简单高效,用简单装置实现动作。

2.3足球机器人系统结构

足球机器人踢球器系统有通讯子系统、视觉系统、决策系统和踢球器子系统四个子系统组成,各个系统之间的相互联系如图2-1所示。

比赛控制方式有集中式和分布式两种:

图2-1各个子系统之间的相互关系

集中式指比赛时通过挂在场地上方的摄像头（1个或者多个采集场上信息,提取出有用的信息后传送给单个决策程序,决策程序根据场上情况做出决策,再通过无线通讯模块传送相应的命令给自己方的机器人,机器人根据指令做出各种

动作,如此循环反复。

决策系统处理来自视觉系统的场景辨识实时数据,在此基础上做出决策并发出命令,由无线通信模块把控制命令字传送给机器人,再由机器人完成决策要求的动作。

可见决策系统是一个典型的非结构化的知识型系统。

决策子系统就相当于大脑,视觉系统此时就相当于眼睛,而无线通信系统就相当于人的神经系统,机器人车体相当于人的身体。

2.4机器人踢球器子系统

当小型组机器人成为RoboCup比赛最激烈的比赛之一的时候,机器人车体本身性能在一定的程度上影响该队伍的水平高低,。

机器人小车系统包含以下如下几个部分:

（1执行机构

执行机构是决策系统发出命令的最终执行者,包括运动机构和球处理机构。

运动机构包括各个轮子和驱动电机,则球处理机构包括带球机构和射球机构。

电路控制机构

电路控制机构是控制各个执行机构,接收决策命令,和上位机进行通讯等等功能。

电路控制机构包括:

各个执行的驱动和控制电路、传感器电路、无线接收发送电路。

2.4.1视觉子系统

视觉子系统是足球机器人系统的信号检测机构,它由摄像头、图像采集卡等硬件设备和图像处理软件组成。

随着图像处理技术的不断发展,对视觉子系统的处理速度要求越来越高因此大都采用数字摄像头和高速采集卡。

作为机器人的眼睛,视觉系统担任了识别双方的机器人车体和球的位置、速度、方向等信息,然后才能通过决策系统做出正确的决策,因此视觉系统是决策系统的基础。

2.4.2通讯子系统

1.串口通讯电路

串口通信模块设计的电路如图2-2串口通讯电路所示。

其工作原理如下:

PC机侧的逻辑电平为V12±（+3~+12V表示逻辑0,-3~-12V表示逻辑1,而ARM侧的逻辑电平为V5±,所以电路设计一定要有电平转换。

本电路设计通过光耦器件PC817,使RS232电平与TTL电平相互转换,PC817在PC机侧的电源由RS232C接口的4脚提供。

U1

图2-2串口通讯电路

机器人的串口通讯模块主要在调试时使用,和上位机相连的发送模块通过串口与PC相互通信,上位机发出的命令通过串口由发送模块发送到各足球机器人,从而实现上位机和下位机的通信和远程控制。

2.人机交互电路

键盘与显示模块设计的电路如图2-3键盘及所示。

其工作原理如下:

图2-3键盘及LED显示原理

LPC2138通过MOSI0端口,将需要显示数据的端码和位码信息在SCLK脉冲的控制下分别移入到两片74HC164中,段码在第一个74HC164中,位码在第二个74HC164中。

ReadKey端口是键盘检测口。

在该部分的软件设计先取数据

输出显示,显示后紧接着查询Key端口（对应位码是否为低电平,如果为低电平则记录送出的位码信息。

之后进行第二次循环,显示数据并查询Key端口,当Key端口为高电平或是在Key端口为低电平时记录的位码信息与上次不相同时放弃键处理;当两次读Key端口为低电平记录下的位码信息相同时进行相应的键处理操作。

3.通讯子电路

在集控式足球机器人系统中,主机和机器人之间以无线方式进行通讯。

决策子系统通过计算得出的决策指令通过串行通讯输出至无线发射器,经调制后发射出去。

机器人子系统通过无线接收器接收主机的命令字,然后根据预先确定的通讯协议译码得出左右轮的速度给定值。

足球机器人无线通讯子系统常常使用数字信号单片射频收发芯片,加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线A讯模块,通常射频芯片采用FSK调制方式,工作于ISM频段,通讯模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议,不要求用户对无线通讯原理和工作机制有更深的了解,只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。

决策系统计算得到的数据将传给通讯子程序,通过计算机串口发送至发射器,由发射器中的通讯模块自动对数据按无线数据协议打包发送等操作。

使用无线模块就像使用其他RS232串行通讯设备一样,只要按预先约定的协议格式进行控制即可,对发送和接受的数据进行定义、解析,使其代表不同的意义,就可达到控制目的。

决策子系统对车型机器人的通讯是单向的,采用广播式无线通讯方式:

每个控制周期无线发射器发射一帧数据给本方所有机器人,各机器人根据自身编号读取数据帧的不同字段,获得自己的运动控制指令。

在本设计中使用的是nRF2401发射模块。

下面对它进行介绍。

图2-4nRF2401内部结构

4.nRF2401模块特性

nRF2401无线收发一体芯片和蓝牙一样,都工作在2.4GHz自由频段,能够在全球无线市场畅通无阻。

nRF2401支持多点间通信,最高传输速率超过1Mbit/S,而且比蓝牙具有更高的传输速度。

它采用SoC方法设计,只需少量外围元件便可组成射频收发电路,。

与蓝牙不同的是,nRF2401没有复杂的通信协议,它完全对用户透明,同种产品之间可以自由通信。

更重要的是,nRF2401比蓝牙产品更便宜。

所以nRF2401是业界体积最小、功耗最少、外围元件最少的低成本射

频系统级芯片。

图2-5nRF2401引脚图

它的特点如下:

●采用全球开放的2.4GHz频段,有125个频道,可满足多频及跳频

需要;

●速率（1Mbps高于蓝牙,且具有高数据吞吐量;

外围元件极少,只需一个晶振和一个电阻即可设计射频电路;

发射功率和工作频率等所有工作参数可全部通过软件设置;

●电源电压范围为1.9~3.6V,功耗很低;

●电流消耗很小,-5dBm输出功率时的典型峰值电流为10.5mA;

●芯片内部设置有专门的稳压电路,因此,使用任何电源（包括

DC/DC开关电源均有很好的通信效果;

●每个芯片均可以通过软件设置最多40bit地址,而且只有收到本

机地址时才会输出数据（提供一个中断指示,同时编程也很方

便;

●内置CRC纠检错硬件电路和协议;

●采用DuoCeiver技术可同时接收两个nRF2401的数据;

●采用ShockBurstTM模式时,能适用极低的功率操作和不严格的

MCU执行;

●带有集成增强型8051内核、9路10bitADC、UART异步串口、

SPI串口和PWM输出;

内置看门狗;

●无需外部SAW滤波器;

●可100%RF检验;

带有数据时隙和数据时钟恢复功能。

nRF2401使用时,首先要对其初始化,通过基带微控制器对芯片内部寄存器进行设置,设定工作频率、发射功率等参数;当nRF2401进入正常工作状态后,通过数据传输方式,微控制器进行收发转换控制,发送/接收数据或进行状态转换。

nRF2401的配置字如错误!

未找到引用源。

。

nRF2401各管脚可直接与单片机或DSP的I/O口相连,其主要功能管脚接口如错误!

未找到引用源。

所示。

该接口由9个数字输入输出I/O组成,按照工作分为三组。

表2-1nRF2401配置字描述

1.编程配置接口。

该接口由CE,CS,PWR组成,控制nRF2401的四种工

作模式:

配置模式,发射/接收模式,待机模式和掉电模式。

配置数据由

DATA,CLK1输入,各种控制模式如错误!

未找到引用源。

所示。

待机

模式下功耗为12A,此时发射/接收电路均关闭,只有时钟电路工作,

掉电模式功耗约为1A,此时所有电路关闭,进入最省电状态。

2.通道1接口。

它是指CLK1,DATA,DR1三线多功能接口,在配置下,

单片机通过通道1的CLK1,DATA配置nRF2401的工作参数;在发射

模式下,单片机通过通道1的CLK1,DATA线发送数据;在接收模式下,

当接收到与本机地址一致时,通过DR1输出中断指示（高电平有效,

单片机通过CLK1,DATA线接收数据。

3.通道2接口。

该接口包括CLK2,DOUT2,DR2三线数据接口,与通道

1类似,只是DOUT2只能是输出,即通道2只能接收数据而不能发射数

据。

此通道在设计中未使用。

表2-2nRF2401主要工作模式

动作并没涉及。

5.决策子系统

在足球机器人系统中决策子系统的任务就是根据当前场上的比赛形势,作出部署,给机器人发出指令。

它是整个足球机器人系统的核心,相当于系统闭环中的控制器。

真正参加机器人足球比赛,不仅要求机器人有好的机动性,还要求系统能给出最优或良好的策略。

第3章足球机器人的电路系统分析与设

计

嵌入式系统有着非常广阔的应用前景,其应用领域可以包括:

工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理系统、网络及电子商务、环境监测和机器人控制等方面。

相对于其他的领域,机电产品可以说是嵌入式系统应用最典型、最广泛的领域之一。

而机器人技术则是机电产品中,最具知识含量和技术水平的技术之一。

它的发展从来就是与嵌入式系统的发展紧密联系在一起的,嵌入式技术的发展必定促进机器人智能化的水平。

3.1主芯片介绍及选择

足球机器人踢球器底层控制系统的核心是微控制器,作为机器人控制器的核心部件,高性能的CPU是必需的,选择一个什么样的微控制器对于机器人小车的性能、控制系统的设计方式有很大的影响,应具体分析控制系统的特征和要求进行微控制器的选择,应以整个足球机器人系统的控制速度和机器人小车的智能化水平两个方面为立足点,以如下几个方面为依据来选择合适的微控制器:

系统时钟速度、运算速度、功能、兼容性、通信方式及通信速率、电机控制方式及控制板的结构尺寸。

目前应用在机器人底层控制系统的微控制器主要有数字信号处理器DSP和8位,16位单片机两种类型,单片机主要使用8位,16位处理器,硬件技术比较成熟,软件编程相对简单。

但数据处理能力不强,需要借助外加器件例如计数器,PID调节器或PWM产生器等,系统的稳定性不强,系统控制板的结构尺寸也会很大。

DSP具有数据处理能力强、速度快等优点,且其体积较小,有利于电路板布局,但是DSP在中断处理、位处理或逻辑操作方面不如单片机,且其资料相对不多,芯片价格和相应的开发套件昂贵,专用性比较强,通用性比较弱,错误!

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是几种处理器的比较。

与DSP具有同等性能的ARM微处理资源丰富,具有很好的通用性,以其高速度,高性能、低价格、低功耗,可以广泛的应用于各个领域。

ARM本身是32位处理器,但是集成了16位的Thumb指令集,这使得ARM可以代替16位的处理器例如C51系列单片机使用,同时具有32位处理器的速度。

ARM的嵌入式系统其优良的性能,良好的移植性,广泛应用与各个行业。

可以说,用单片机和DSP实现的系统,ARM都可以实现。

ARM集成了丰富的片内外设资源,利用自身资源不必增加外围器件就可实现控制要求的功能。

同时使得机器人控制板的结构尺寸可以做得更小。

另外,利用ARM处理器设计的车载嵌入式系统还具

有非常好的移植性,能够使得技术真正用于生活,这是其他型处理器所不具备的特点。

表3-1几种处理器比较

ARM（AdvancedRISCMachines,既可以认为是一个公司的名称,也可以认为是对一类处理器的通称。

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,已经遍及工业控制、消费类电子、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场。

（1ARM处理器的结构和特点

ARM处理器采用RISC（ReduceInstructionComputer,精简指令集计算机结构,与传统CISC（ComplexInstructionComputer,复杂指令集计算机相比,具有如下的特点:

采用固定长度的指令格式,指令归整、简单,基本寻址方式有9种,寻址方式灵活简单,执行效率高。

使用单周期指令,三级流水线操作执行。

大量使用寄存器,数