（通信与信息系统专业论文）曲面断层x光射线机智能控制系统硬件部分的设计与实现.pdf

摘要 摘要 x 光成像技术自问世以来，在现代医疗领域中扮演了越来越重要的角色，为 辅助医生对患者进行科学诊断和治疗发挥了重大作用。在牙科诊断领域，传统 的x 光射线机采用固定患者头部，手动移动x 光机，从各角度采集图像，再通 过对比，生成最终的x 光照片，成像时间长，误差可能较大。曲面断层牙科x 光射线机是采用数字化控制，可按照患者颚部的大小自动选择摄影轨道全景拍 摄，并将结果综合投影到一张或多张x 光片上，提供清晰的图像供医生进行更 准确的诊断。 本文从实际应用出发，将基于a r m 体系的高性能嵌入式技术与曲面断层x 射线机相结合，采用嵌入式l i n u x 系统对x 光机的控制系统进行改良，提高牙 科x 光机的速度、控制精度和设备的智能程度，也为今后更多功能的实现提供 扩展空间。 本文在阐述本课题研究背景和意义的基础上，以典型的x 光成像设备为例， 介绍了曲面断层x 光射线机的系统组成和各个模块的工作原理，分析了它们的 主要优缺点；阐述了嵌入式技术的发展状况和应用前景，描述了本文所采用的 i n t e lx s c a l e 嵌入式硬件平台及嵌入式l i n u x 系统，并详细介绍了嵌入式硬件的 设计与实现；最后给出本文的总结，开发过程中的问题和今后的展望。 关键词曲面断层牙科x 光成像硬件设计x s c a l e 嵌入式l i n u x 系统 a b s t r a c t s i n c et h et e c h n o l o g yo fx - r a yi m a g i n gh a dc a m eo u t , i tp l a y e di n o r ea n dm o r e i m p o r t a n tr o l ei nt h em e d i c a lf i e l d , a n dm a d eb i gh e l pf o rd o c t o r s d i a g n o s i sa n d t h e r a p y i nt h ed e n t i s t r yf i e l d ，t r a n d i t i o n a lx r a ye x a m i n a t i o nw a sh o l d i n gt h eh e a do f p a t i e n t ，m o v i n gt h ex r a ym a c h i n ea r o u n dt h eh e a d ，t a k i n gi m a g e sf r o me v e r ya n g l e ， c o m p a r i n gt h ep h o t o sa n dc o m p o s i n gt h ef i n a li m a g e i tt a k e dal o n gt i m ea n dw a s n o tv e r yp r e c i s e t h ep a n t o m o g r a p h yx r a yi m a g i n gh a sd i g i t a lc o n t r o l ，w i l lc h o o s e t r a c ka n dt a k ep h o t o sa u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt ot h es h a p eo ft h ep a t i e n t sj o w l i tc a n c o m eo u to n eo rm o r eh i - q u a l i t yp h o t o sf o rd o c t o r st om a k em o r ep r e c i s ed i a g n o s i s t h i st h e s i sc o m p o s e st h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yb a s e do na r ms t r u c t u r ea n dt h e p a n t o m o g r a p h yx r a yi m a g i n g ，i m p r o v i n gt h ec o n t r o lp a r tw i t he m b e d d e dl i n u x s y s t e m i te n h a n c e st h es p e e d ，t h ep r e c i s i o na n dt h ei n t e l l i g e n c eo fp a n t o m o g r a p h y x r a yi m a g i n g ，a n dm a k e se x t e n d e ds p a c ef o rt h ef u t u r ef u n c t i o n s b a s e do nt h eb a c k g r o u n da n dt h ep u r p o s eo ft h et a s k ，t h i st h e s i si n t r o d u c e se a c h m o d e lo ft h ep a n t o m o g r a p h yx - r a yi m a g i n ga n de a c hp a r to ft h es y s t e mb yt h e s a m p l eo ff a m i l i a rx - r a yd e v i c e i td e s c r i b e st h es i t u a t i o no fe m b e d d e dt e c h n o l o g y , i n t r o d u c e st h ex s c a l ee m b e d d e dh a r d w a r ef l a ta n dt h ee m b e d d e dl i n u xs y s t e m i t d e s c r i b e st h ed e s i g no fh a r d w a r ei nd e t a i l ，s m n m a r i z e st h ew h o l et h e s i sa n dp r o s p e c t s t h ef u t u r ei nt h ee n d k e y w o r dp a n t o m o g r a p h yx - r a yi m a g i n g h a r d w a r e d e s i g n x - s c a l e e m b e d d e dli n u xs y s t e m l i 目录 图目录 图2 1 牙科曲面断层全景x 射线机6 图3 1a r m 寄存器结构示意图1 3 图3 2 大端格式示意图。14 图3 3 小端格式示意图1 4 图3 4p x a 2 5 5 结构框图。2 1 图3 5p x a 2 7 2 结构框图。2 2 图5 1 系统硬件结构框图2 5 图5 2p x a2 7 2 片内结构框图2 6 图5 3f l a s h 连接图。3 2 图5 4s d r a m 连接图3 3 图5 5l c d 连接图3 4 图5 6 t o u c hs c r e e n 设计电路图3 5 图5 7c s 8 9 0 0 a 内部结构图。3 5 图5 8 触摸屏模块连接图。3 6 图5 9 板上电源设计示意图。3 6 v i 目录 图6 1选择处理器类型及板级支持5 5 图6 2选择串口设备支持。5 5 v i i 目录 表目录 表3 1 异常类型及处理模式1 6 表3 2 异常优先级1 6 v i i l 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：曲易爹 矽汐彦年厂月2 彦日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 由彦手 。2 乃口参年夕月2 莎日 第一章绪论 第一章绪论 第一节课题提出背景及研究意义 随着科学技术的快速发展，x 光成像技术在得到了广泛的应用，表现出了巨 大的市场潜力和良好的前景。x 光线图像在医学、生命科学、军事、各工业部门 和工程领域中都得到了广泛应用。根据统计，医疗诊断仪器中x 光的使用便占 了6 0 。x 光透视与成像，早就在医疗系统中广泛使用。 x 光成像技术在医疗诊断领域占有举足轻重的地位，特别是在牙科方面。近 几十年来，牙齿疾病的诊断和治疗已经不仅仅在发达国家中倍受重视，在我国 也开始得到越来越多的关注。调查显示，目前国内牙齿疾病的发病率占我国总 人口的7 4 ；几乎每个成年人都有不同程度的牙齿问题，每年用于牙科诊断的 费用巨大。医用电子仪器有了急速的发展，其中医学影像诊断装置占据着特别 重要的地位。x 光图像已经成为牙齿疾病临床诊断的重要依据，对x 光图像的 分析，已经成为观察治疗效果，探索新治疗方式的客观评价手段。 随着技术的发展和成本的不断降低，嵌入式技术已经普及到人们生活的方 方面面，在工控、手持设备、数字终端、娱乐等方面都发挥了巨大的作用。本 文将嵌入式技术与电子医疗仪器这一热点应用相结合，研究基于a r m 体系嵌入 式平台的牙科x 光成像设备，进行了硬软件的设计，并对其应用前景进行了展 望。 第二节国内外数字x 光成像技术的应用和发展状况 x 光成像设备是医学影像诊断、医学影像治疗和工业检测中广泛使用的精密 光电仪器，它主要应用于医学临床诊断和医学临床治疗，并可用于铁路、公路、 桥梁、水利、建筑、大型机械的检测工作中【l 】。自从1 8 9 5 年德国物理学家伦琴 发现了x 射线( x 光) 以来，近一百多年来，x 射线的应用发展相当迅速，尤其广 泛的应用于医学影像诊断和医学影像治疗，成为医院里面必不可少的医疗设备。 x 光早期主要应用于骨骼、关节等身体部位的检查，随着造影剂和血管造影技术 第一章绪论 的出现，x 光可以对肠胃、肝胆系统和血管等进行准确的检查。1 9 7 2 年，英国 工程师汉斯菲尔德( c t n h o u n s f i d d ) 首次研制成功世界上第一台用于颅脑的c t 机( c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y 或c o m p u t e dt o m o g r a p h y ，c t ) ，即电子计算机断层 成像术，这是电子技术、计算机技术和x 光技术相结合的产物；它的问世，是 1 8 9 5 年x 光发现以来医学影像设备的一个革命性进展，为现代医学影像设备的 发展奠定了基础，同时，x c t 的出现也使医学影像设备与技术进入了一个以 计算机和体层成像相结合、以图像重建为基础的新阶段。2 0 世纪8 0 年代开发出 的数字减影血管造影( d s a ) 矛i 计算机x 光摄影( c r ) 两种数字成像设备和技术具 有少创、实时成像、对比分辨率高、曝光量少和宽度大等优点，尤为重要的是 可作为数字化图像纳入p a c s 。 在我国，x 光设备的引进最早是在1 9 1 1 年，1 9 5 1 年我国的上海医疗器械厂 首先试制2 0 0 m a 四管单相全波整流x 光机，1 9 5 8 年，x 光摄影胶片在上海感光 胶片厂制成并投入批量生产。到2 0 世纪6 0 年代，国产的旋转阳极x 光机在上 海医疗器械九厂诞生，总之，我国医学影像设备的开发和应用起步较晚，但发 展迅速，到2 0 世纪9 0 年代初形成较为完整的规模，但总体水平还是落后世界 先进水平很多。 根据近几年国内医疗仪器市场需求情况分析，用户对高精度、高效率的自 动化、数字化的医疗仪器的需求量在明显增加，此类仪器销售量最大的主要是x - - c t 和数字x 射线成像设备。在国外，一些发达国家电子这类医疗仪器使用早 已普及。我国每年医疗器械的需求量非常大，x c t 、d r 、d s a 的年销售量近 万台。而功能多、效率高的数字化的x 光成像医疗设备之所以没有在国内普及 应用，其主要原因是此类仪器的市场主要由进口仪器占领，进口的质量虽好， 但价格过高，不适合国内广大用户的购买能力，而国内还没有质优价廉的x 光 成像医疗设备大批生产并供应市场。以牙科x 光设备为例，目前国内使用较多 的都为日本或欧洲国家制造，价格昂贵，而且使用技术一般为国际8 0 年代左右 的过时技术。虽然目前国内有少量自主研发的类似设备，但多为国外设备的仿 制品且检测精度较低，无法满足医学临床要求。随着微电子技术的不断发展， 以及嵌入式技术的成熟，将传统医疗仪器与高性能嵌入式控制系统相结合必将 成为新的趋势。 2 第一章绪论 1 3 1 研究成果 第三节研究成果和本人的主要工作 本课题是南开大学和天津市某公司的合作项目，受其委托进行嵌入式曲面 断层x 光射线机的研究。在进行理论论证和前期研究的基础上，结合已有的传 统x 光射线机，提出一套完整的嵌入式平台控制系统的硬软件设计。包括硬件 平台的选择和电路设计，嵌入式l i n u x 操作系统的移植，各模块驱动的编写，系 统软件程序的设计。该方案具有功能强大，可靠性高，测量精确，可扩展性大 等特点，为传统医疗器械与嵌入式系统的结合提供了一个可借鉴的案例。 1 3 2 本人的主要工作 在论文写作中，本人的主要工作是： 1 完成了方案设计。在查阅大量的文献资料，市场调研的基础上，参与了 本课题设计方案的论证和撰写。经过大量深入细致的工作，提出了一个技术先 进，符合实际的，切实可行的设计方案。 2 了解和熟悉牙科x 光射线机的概况和各模块情况，并据此进行硬件电路 设计，经过硬件构建和调试，实现了嵌入式牙科x 光机的核心控制部分。 3 进行嵌入式系统移植，在相关开发板上完成了嵌入式系统内核和文件系 统移植，并参与了相关软件设计开发。 第四节本论文的结构 本文通过研究和实践，设计了一个基于嵌入式系统的曲面断层牙科x 光射 线机控制部分的方案。主要章节安排如下： 第一章为全文的绪论。介绍了提出课题的背景和意义，论证总体方案选择 和本课题的创新点。 第二章详细介绍曲面断层牙科x 射线机的基本组成和实现原理，系统的性 能指标，以及使用a r m 结构完成系统智能控制部分的方法概述和可行性论述。 第三章介绍i n t dx s c a l e 系列硬件和软件系统以及特点，阐述了本课题选用 3 第一章绪论 的芯片的结构、功能和特点，并对了其硬件平台进行了重点的介绍。 第四章介绍本课题的硬件平台体系结构设计和原理，介绍核心板上各个模 块的硬件设计及功能概述，给出相应设计的部分原理图或电路图。 第五章简单介绍了嵌入式l i n u x 操作系统，叙述了基于x s c a l e 的嵌入式系 统开发方法，介绍了开发嵌入式l i n u x 系统的环境和步骤，并以命令行和图形的 方式给出了嵌入式l i n u x 系统启动、内核和文件系统的移植建立过程。 第六章是全文的总结和提高，展望了相应a r m 芯片在高精密医疗器械领域 的应用前景，对目前使用单片机控制为主设备的升级和改良，并提出了后续工 作的方向。 4 第二章曲面断层牙科x 射线机的基本组成和实现原理 第二章曲面断层牙科x 射线机的基本组成和实现原理 第一节曲面断层牙科x 射线机概述 2 1 1 曲面断层( 全颌体层摄影) 的原理 曲面断层又叫全颌体层摄影，系芬兰学者p a a te r o 于1 9 4 9 年所提出。此种 检查原称p a n t o m o g r a p h y 或o r t h o p a n t m g r a p h y 等，国内亦称全颌体层或全景摄 影，以及曲面体层摄影等。 全颌体层摄影，是在一般平面体层摄影的基础上发展起来的，因此，它不 同于一般体层摄影。平面体层摄影是以身体某一平面为轴心，摄影结果仅能使 该层结构的平面影象清楚显示。颌骨却为一弯曲结构，故摄影必须以符合颌骨 弧形结构的弯曲弧面为轴心，才能将颌骨在一次摄影过程中，完全投照到一张x 线片上。鉴于人的颌骨并非是一规则的圆弧，而是呈类似马蹄形结构，因此， p a a t e r o 的设计原理，系运用圆弧轨道进行体层摄影而达上述目的。此种设计， 是以一侧的颞颌关节至同侧单尖牙区为一弧度，该圆弧的圆心在对侧第三磨牙 外后方；再以两侧单尖牙之间的结构为第二弧度，该弧的圆心在切牙后方( 相 当于切牙与单尖牙切线的垂线相交点) ；再以对侧单尖牙至对侧颠颌关节间为第 三个弧度，其圆心在原侧第三磨牙的外后方。上述三个弧线相连，正好为所适 应的弧形轨道。 2 1 2 曲面断层牙科x 射线机 牙科曲面断层全景x 射线机瞄堤专门为诊断口腔疾病而配备的先进医学影 像设备，如图2 1 。与一般的x 线机不同，它在拍摄时球管与胶片相对运动，人 体不动，能将口腔中的所有牙齿、上下颌骨、下颌开支、髁状突、颧骨支清晰 地拍摄出来，将物体精确地放大或缩小，如残根的放大及金属异物等。优点是 可显示整个口腔的结构，易于发现病变( 囊肿、骨折等) ；简便易行，费用低廉； 放射剂量少。临床应用于上、下颌骨肿瘤、上下颌骨骨折的临床诊断、畸形牙 5 第一章曲面断层牙科x 射线机的基本封i 成和实现原理 正畸| j 仃的定位准备、牙体种植等。 酷奄蛳l飞 l 梦同 巴誓 图21 牙科曲面断层仝景x 射线机 般来说，牙科曲面断层x 射线机应具有如下特点： 1根据x 射线曲面断层的原理设计制造。 2 采用齿科专用x 射线管，焦点小，图像清晰。 3一次就能拍摄颁面部全牙的曲面展玎图，在展开图上不仅能看到上颌、 窦、鼻腔、下颁骨结构及全部3 2 颗牙齿，而且能看到颞叶、下颚关节和咬合关 系。 4用作口腔颌面部全景摄影时，旋转曝光一次需要1 6 秒。 5 采用电机升降，适合不同高度的人摄片。 6 也可用作u 腔外科和面部外科。 213 对牙科曲面断层全景x 光射线机研究的意义 医疗器械行业被称为永远的朝阳行业，近年柬一直处于高速增长时期，并 将在今后较眭的段时期内保持高速增长势头。2 0 0 3 年，我国医疗器械上市公 司平均盈利增长达到了1 75 。另一方面，全球医疗器械、医用家具及医护辅 助设备近4 年的销售额高达1 3 7 0 亿美元，而我国仅为1 3 亿美元，市场占有率 6 第二章曲面断层牙科x 射线机的基本组成和实现原理 仅为1 ，而我国的人口和g d p 总量分别占到全球的2 0 和3 。我国从1 9 9 1 年到2 0 0 1 年卫生费用支出平均年增长率为1 6 8 ，远高于7 n 8 的g d p 增长率， 因此，我国医疗器械产业还有很大的发展潜力。 口腔医疗行业，同样经历着重大的变化。从过去的简陋牙科医疗装备到现 在数字化技术在口腔医学中的应用，信息技术也影响着口腔医疗行业。当今， 用数字化技术和设备装备口腔诊所已经成为一个发展趋势。通过口腔诊所的信 息化软件，使诊所的病历管理无纸化成为可能。通过数字化的x 线影像设备， 使过去需要胶片冲洗成为历史，直接可以通过电脑阅读各种x 线片。 全球2 0 0 5 年牙科x 光机市场规模达4 亿欧元。中国仅占4 一5 。在过 去的两年，x 光机的进口量排在首位。随着中国经济飞速增长，牙科x 光机乃 至全景数字牙科x 光机正成为齿科诊所必各设备。其市场容量和潜力之巨大不 言而喻。关键是中国齿科设备产业和企业必须具备战略眼光和全球化意识，革 故鼎新，抓住数字化机遇有效利用资本市场，加强研发拥有自主知识产权的创 新产品。 在此背景下，研发有自主产权的嵌入式牙科曲面断层全景x 射线机具有非 常大的现实意义和社会意义。 第二节曲面断层牙科x 射线机的基本组成模块 曲面断层牙科x 射线机由五部分组成。 1 核心板模块 包括x s c a l e 硬件平台的核心板，也是本文要着重介绍的部分。在本课题中 核心板仿照x b a s e 系列开发板，包括处理器芯片p x a 2 5 5 2 7 2 ，板上 s d r a m f l a s h 存储芯片，c f u s b 接口，网卡芯片及网卡接口，液晶显示屏， 串口通信接口等。 2 步进电机模块 整台设备包括三台步进电机，一台用于控制x 轴左右横移，一台用于控制 摄像头升降，一台用于操作摄像头绕曲线轨迹旋转。系统包括三台步进电机的 设计、驱动、以及行进轨迹算法。 3 x 光射线头模块 产生x 光的射线装置，由步进电机驱动位置，并由处理器控制曝光定时及 7 第二章曲面断层牙科x 射线机的基本组成和实现原理 曝光强度。有几种工作模式可切换。 4 外围电路 包括外围接口电路，a d 、d a 电路部分，系统存储芯片( 用于存放拍摄好 的图像) ，及与外部设备通信接口电路。 5 电源部分 为整个系统提供直流电源，包括核心板上的5 v 、3 v 直流电，驱动步进电机 的1 2 v 直流电，及外围电路所需供电。 第三节系统性能指标及特点 因为我们每个人的脸颊都不是正圆弧形，也就是每个人牙齿都不是排列在 一个半径上，这就使曲面断层的支点不能落在同一个点上，根据断层的原理， 离开支点的组织成像就会发生模糊及失真；还有单颗牙齿的长轴与x 线的成角 问题，如果不能跟中心线垂直，也会造成失真。传统的牙科x 射线机需要患者 移动到不同位置，采用多次成像的方式，生成牙床各个侧面的x 光像，再由医 生综合分析得出牙齿情况，速度慢，效率低，误诊率高。曲面断层全景x 射线 机采用无轨迹成像方式，能够根据患者颌骨弧线通过步进电机调整成像轨迹。 患者位置不动，x 光发生器绕患者脸部一周，一次成像，并通过断层图像分析， 综合生成牙床全景图。速度快，精度高，有利于医生做出精确诊断。 该系统的特点如下： 1 节省临床时间提高工作效率 数字化影像省略了胶片冲洗和储存过程，电子病案系统使患者的信息自动 记录在案。治疗信息及影像信息的电子化免除了以往使用纸张和胶片所需烦琐 的维护和手工劳动，如患者记录的整理，x 光装置的维护，胶片盒的更换等。因 此工作效率得到很大提高。 。2 获得更高质量的诊疗信息 一 数字化系统可为牙科临床带来至关重要的诊疗信息，并大大提高和保证了 信息质量。因为数字化影像可以通过图像处理加以修正，从而可以获得传统x 光片无法得到的图像结果。此外，也可在不损伤影像质量的前提下很容易地复 制拷贝。 3 增加安全性 8 第二章曲面断层牙科x 射线机的基本组成和实现原理 因为数字化影像在很大程度上减少了患者所接受的辐射量，x 射线剂量是螺 旋c t 的五百分之一，从而对医患双方都更加安全。同时，由于数字化影像不再 需要传统的胶片冲洗，使用胶片所带来的空间占用、有毒气体以及化学废物等 问题就不复存在了。 4 更加融洽的医患关系 使用数字化影像设备具有许多优势。尤其是数字化的诊疗可以使医生及患 者直接在牙椅旁获得直观生动的图像和信息，从而建立更为融洽的医患关系。 5 切片最薄o 1 m m ，可根据医生需要设定从0 1 m m 起的任意切片厚度。拥有 大视野达到1 2 7 c m 。依照生理口腔结构而设计的旋转轨迹，保证了每个部位的 放大比率是相同的。系统采用的驱动方式兼用重力平衡和电动方式，最小化噪 音及震动。 6 x 射线控制器( m c u ) 从整体上控制和设定x 射线设备的装置，采用自动 曝光控制，用最少的x 射线剂量可以获得最清晰的影像。x 光机轨迹的人性化 设计，提供有效的颈椎补偿拍摄模式，确保前牙拍摄无影像干扰。 9 第三章x s c a l e 处理器概述 第三章x - s c a l e 处理器概述 第一节a r m 处理器概述 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，即高级精简指令系统处理器，不仅可以 认为是对一类微处理器的通称，也可以认为是一个公司的名字，还可以认为是 一种技术的名字。 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，与一般公司不同，它只提供基于a r m 处 理器内核的系统芯片技术授权和解决方案，自身并不制造和销售芯片。目前， 采用a r m 技术知识产权( 口) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器， 已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产 品市场，基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的 市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供 应商，本身不直接从事芯片生产，转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯 片，世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据各 自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片 进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用a r m 公司的授权，因 此既使得a r m 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统 成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。 3 1 1 a r m 微处理器的应用领域 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域： 1 工业控制领域：作为3 2 的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片不 但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应 用领域扩展，a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控制 器提出了挑战。 2 无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术， a r m 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 1 1 第三苹x - s c a l e 处理器概述 3 网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步 获得竞争优势。此外，a r m 在语音及其处理上行了优化，并获得广泛支持，也 对d s p 的应用领域提出了挑战。 4 消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶 盒和游戏机中得到广泛采用。 5 成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。 除此以外，a r m 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取 得更加广泛的应用。 3 1 2a r m 微处理器的特点 1 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： ( 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能； ( 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器 件； ( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快； ( 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成； ( 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高； ( 6 ) 指令长度固定。 2 寄存器组织 a r m 处理器共有3 7 个寄存器，其中3 1 个为通用寄存器，6 个为状态寄存 器，如图3 1 所示。这些寄存器不能被同时访问，具体哪些寄存器是可访问的， 取决于处理器的工作状态及工作模式。在任何时候，通用寄存器r 0 - - r 1 4 、程 序计数器p c 和一个或两个状态寄存器是可访问的。 1 2 第三章x s c a l e 处理器概述 铆蓐酾l & 啪 a r m g e a e r a l 硒叼棚a n dp r o g r a mc o a n t n i r q 舳 r i 勉 船 r 4 鹪 r 6 ，一： r 7 r 8 确 r 1 0 r 1 r 1 2 lr 1 3h l 散量k r 1 5 ( p c i i c p s r ll c i = i 哦 il铲敞湘ri e 户鲸l l c p 8 r l 芝塑幽l 楚墅凼笆叫、罂塑剧鼗型 一b 峨瞳髑陋材 图3 1a r m 寄存器结构示意图 其中，r 1 4 用作链接寄存器( l r ) ，当执行b l 字程序调用指令时，r 1 4 中得 n r l 5 的备份。其他情况下，r 1 4 用作通用寄存器。r 1 5 用作程序计数器( p c ) ， 保存程序计数值。r 1 6 用作当前程序状态寄存器( c p s r ) ，它包含了条件标志位以 及当前处理器模式位。 3 存储器组织 a r m 体系结构将存储器看作是从0 地址开始的字节的线性组合。从第0 字节 一第3 字节放置第一个字数据，从第4 字节一第7 字节放置第二个字数据，依次排 1 3 第三苹x - s c a l e 处理器概述 列。a r m 存储器组织既可支持大端( b i g - - e n d i n g ) 格式，又可支持小端( l i m e e n d i n g ) 格式。 ( 1 ) 大端格式。字数据的高字节存放在低地址中，而字数据的低字节则存放 在高地址中，如图3 2 所示。 高地址 3 12 42 31 61 587 0 8争1 0 l l 4567 oi2 3 低地址 高字节位子低地址中 图3 2 大端格式示意图 字地址 8 4 o ( 2 ) 小端格式。与大端格式相反，在小端格式中，低地址中存放的是字数据 的低字节，高地址中存放的是字数据的高字节，如图3 3 所示。 高地址3 12 42 31 61 587 9 t l 薹1 093 765 4 3 2 l o 低地址 低字节位于低地址中 图3 3 小端格式示意图 字地址 s 4 o 4 数据类型 a r m 处理器可支持的数据类型有：字节( 8 一b i t ) ，半字( 1 6 - - b i t ) 和字( 3 2 - - b i t ) 。 但字类型数据必须与四字节边界对齐，半字类型必须与两字节边界对齐。 5 工作模式 a r m 处理器支持7 种运行模式。 ( 1 ) 用户模式( u s r ) 。a r m 处理器正常的程序执行状态。 ( 2 ) 快速中断模式( f i q ) 。用于高速数据传输或通道处理。 1 4 第三章x - s c a l e 处理器概述 ( 3 ) 外部中断模式( i r q ) 。用于通常的中断处理。 ( 4 ) 超级用户模式( s v c ) 。供操作系统使用的保护模式。 ( 5 ) 中止模式( a b o ) 。当指令预取中止时，进入指令中止模式；当数据访问中 止时，进入数据访问中止模式，此模式支持虚拟存储及存储保护。 ( 6 ) 未定义模式( u n d ) 。此模式支持硬件协处理器的软件仿真。 ( 7 ) 系统模式( s y s ) 。运行具有特权的操作系统任务。 除用户模式外的其余6 种模式称为非用户模式或特权模式；其中，除去系统 模式外的其余5 种模式又称为异常模式，常用于处理中断或异常，以及需要访问 受保护的系统资源等情况。在特权模式下，程序可以访问所有的系统资源，也 可以任意地进行处理器模式的切换。在用户模式下，程序不能访问那些受保护 的系统资源，也不能任意地进行处理器模式的切换。大多数应用程序运行在用 户模式下，此时应用程序不能访问某些被保护的系统资源或是直接进行处理器 模式的切换，但可通过产生异常处理来切换处理器模式。每种异常模式都有一 组寄存器，供相应的异常处理程序使用，这样就保证了在进入异常模式时，用 户模式下的寄存器不被破坏。 6 异常 当正常执行的程序流程被中断时，便产生了异常( e x c e p t i o n s ) 。异常改变了 程序正常的执行顺序，属于非正常的执行状态，由内部或外部事件产生。当发 生异常时，处理器在执行完当前指令后便跳转到相应的异常处理程序处执行， 完毕后返回到原程序断点处继续执行。因此，在处理异常之前，处理器必须保 存中断程序的执行现场；从异常处理返回后，必须恢复被中断程序的执行现场。 a r m 体系结构支持7 种类型的异常：复位、未定义指令、软件中断、指令预 取终止、数据访问终止、保留、i r q 和f i q 。表3 1 列出了异常的类型以及处理这 些异常的处理器模式。异常出现后，将强制从相应的固定存储器地址处开始执 行，这些地址称为异常向量( e x c e p t i o nv e c t o r s ) 。 1 5 第三章x s c a l e 处理器概述 表3 1 异常类型及处理模式 地址异常模式 o ) 由1 0 0 0 0 0复位超级用户模式 锄曲眦0 删未定义摆令来定义模式 锄【o 踟唧嬲软件中断超级用户摸式 伽国咖0 脚中止( 指令预取)中止馘 伽由d l o中止( 数据访目)中止模式 氆国o 1 4僳留保留 锄舢1 8 壤q 井部中断模式 锄田0 0 d 0 0 1 c 张q 妖逮中断模式 a r m 的异常按起因不同可分为以下3 类： ( 1 ) 指令执行引起的直接异常：未定义指令和指令预取终止。 ( 2 ) 指令执行引起的间接异常：数据访问终止。 ( 3 ) 外部事件引起的异常：复位、i r q 和f i q 。 当多个异常同时发生时，系统根据固定的优先级决定异常的处理顺序。表 3 2 按由高到低的顺序列出了异常的优先级。 表3 2 异常优先级 优先级异常 l复位 2数据访问中止 3 h q 4 【q 5 指令颈取中止 6 未定义拯令，软件中断 1 6 第三章x s c a l e 处理器概述 3 1 3a r m 微处理器系列 a r m 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构的 处理器，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的a r m 微处理器 都有各自的特点和应用领域。 a r m 7 系列 a r m 9 系列 a r m 9 e 系列 a r m l 0 e 系列 s e c u r c o r e 系列 i n t e l 的s t r o n g a r m i n t e l 的x s c a l e 其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l 0 为4 个通用处理器系列，每一个系 列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。s e c u r c o r e 系列专门为 安全要求较高的应用而设计。以下介绍几种常用a r m 处理器系列的特点。 1 a r m 9 微处理器系列 a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下 特点： ( 1 ) 5 级整数流水线，指令执行效率更高。 ( 2 ) 提供1 1 m i p s m h z 的哈佛结构。 ( 3 ) 支持3 2 位a r m 指令集和16 位t h u m b 指令集。 ( 4 ) 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口。 ( 5 ) 全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入式 操作系统。 ( 6 ) m p u 支持实时操作系统。 ( 7 ) 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 a r m 9 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、 高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。 删9 系列微处理器包含删9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和删9 4 0 t 三种类型，以适 用于不同的应用场合。 2 a r m l 0 e 微处理器系列 1 7 第三章x - s c a l e 处理器概述 a r m l 0 e 系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系结 构，与同等的a r m 9 器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近5 0 ，同 时，a r m l 0 e 系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。 a r m l 0 e 系列微处理器的主要特点如下： ( 1 ) 支持d s p 指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。 ( 2 ) 6 级整数流水线，指令执行效率更高。 ( 3 ) 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集。 ( 4 ) 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口。 ( 5 ) 支持v f p l0 浮点处理协处理器。 ( 6 ) 全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入式 操作系统。 ( 7 ) 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 ( 8 ) 主频最高可达4 0 0 m i p s 。 ( 9 ) 内嵌并行读写操作部件。 a r m l 0 e 系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、 工业控制、通信和信息系统等领域。 a r m l 0 e 系列微处理器包含a r m l 0 2 0 e 、a r m l 0 2 2 e 和a r m l 0 2 6 e j s - - 种类 型，以适用于不同的应用场合。 3 s e c u r c o r e 微处理器系列 s e c u r c o r e 系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的3 2 位r i s c 技术 的安全解决方案，因此，s e c u r c o r e 系列微处理器除了具有a r m 体系结构的低功 耗、高性能的特点外，还具有其独特的优势，即提供了对安全解决方案的支持。 s e c u r c o r e 系列微处理器除了具有a r m 体系结构各种主要特点外，还在系统 安全方面具有如下的特点： ( 1 ) 带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全。 ( 2 ) 采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测。 ( 3 ) 可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。 s e c u r c o r e 系列微处理器主要应用于一些对安全性要求较高的应用产品及应 用系统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。 s e c u r c o r e 系列微处理器包含s e c u r c o r es c l 0 0 、s e c u r c o r es c l1 0 、s e c u r c o r e s c 2 0 0 和s e c u r c o r es c 2 1 0 四种类型，以适用于不同的应用场合。 1 8 第三章x s c a l e 处理器概述 4 s t r o n g a r m 微处理器系列 i n t e rs t r o n g a r ms a 一1 1 0 0 处理器是采用a r m 体系结构高度集成的3 2 位r i s c 微处理器。它融合了i n t e l 公司的设计和处理技术以及a r m 体系结构的电源效率， 采用在软件上兼容a r m v 4 体系结构、同时采用具有i n t e l 技术优点的体系结构。 i n t e ls t r o n g a r m 处理器是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选择， 已成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品。 5 x s c a l e 处理器 x s c a l e 处理器是基于a r m v 5 t e 体系结构的解决方案，是一款全性能、高 性价比、低功耗的处理器。它支持1 6 位的t h u m b 指令和d s p 指令集，已使用 在数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。 x s c a l e 处理器是i n t e l 目前主要推广的一款a r m 微处理器，也是本文中着 重采用的处理器。 第二节x s c a l e 简介 x s c a l e 是i n t e l 公司于2 0 0 2 年推出的基于s t r o n g a r m 的下一代构架。在指 令集结构上，x s e a l e 仍然属于a r m 的“v 5 t e 体系，与a r m l 0 系列内核相同， 但它拥有与众不同的7 级流水线，除了无法直接支持j a v a 解码和v 6s i m d 指令 集外，各项性能参数与a r m l l 核心都比较接近。它的最高频率可达到1 g h z ， 并保持a r m 体系贯有的低功耗特性。加上丰富的软件支持、强大的扩展能力和 附属功能，以及i n t e l 在产业界的巨大影响力，2 ( s c a l e 被广泛应用于p o c k e tp c 和p a l m 平台的p d a 产品中。 到目前为止，i n t e l 已推出p x a 2 5 x 、p x a 2 6 x 和p x a 2 7 x 三代x s c a