（生物医学工程专业论文）基于ARM9内核的MPACS终端设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t p a c s( p i c t u r e觚h i v i n ga n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m )i sa h o s p i t a li m a g e i n f o n n a t j o ns y s t e mt od e a lw j t ht h ec a p t u r c ，t r a l l s m i s s i o n ，s t o t a g e ， d i s p l a ya n d m a n a g e m e n to fm e d i c a li m a g e s nh a sb e e nt h em a i nc o n t e mo fh o s p i t a ld i g i t a l i z a t i o n c o n s t n l c t i o n 加m i n ga tt h ed i s c o 舢o d i t yo fp a c si nd o c t o r s d a i l yc l i i c a ld i a g n o s i s a n dt r e 栅e n t ，t 址sp a p e rp r e s e n t sad e s i g ns c h e m eo fm o b i l ep a c s ( m p a c s ) e m b e d d e ds y s t e mt e 珊i n a lb a s e do na r m t od e s c r i b et h eb a s i ct h e o f yo fm p a c se m b e d d e ds y s t e m ，t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e s t h ec o n c e p t so fp a c sa n de m b e d d e ds y s t e m t h e n ，am p a c st e 咖i n a lh a r d w a r e p i a t f o n ni sd e s i g n e dw i t hc p u o fs 3 c 2 4 1 0e m b e d d e dp m c e s s o rw h i c hh a st h ek e m e lo f a r m 9 t h ee m p h a s i si sp u to nt h ec u r r e n ti n t e r f a c eo fh a r d w a r ep l a t f o r ma n ds p e c i a l i n t e a c eo fr e a l i z i i l gn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ：e t h e m e ti n t e r f a c ea n dc fi n t e r f a c e i n a d d i t i o n ，t h es o f t w a r ef r a m eo fm p a c st e m l i n a li sd i s c u s s e di nd e t a i l s 。a n di h e s o f t w a r es t r u c t u r ep r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o no fm i ) a c st e m i n a li si n t r o d u c e df r o mt h r e e p a r t s ：b s p ( b o a r ds u p p o np a c k a g e ) l e v e l ，o p e m t i n gs y s t e ml e v e la n da p p l i c a t i o n s o f h v a r e1 e v e lo fm p a c st c m i n a l f i n a l l 弘t h em p a c si e r n l i n a lp r o t o t y p es y s t e mi s a c c o m p l i s h e d t h es y s t e mi so f g o o dp e r f b 珊a n c e s i n a p p l i c a b i 王i t y ，e x p a n d a b i 【i t ya n d c a n i m p r o v e t h el e v e lo fc l i n i c i a ns e r v i c er e m a r k a b l y 1 【e y w o r d s ：i a c s e m b e d d e ds y s t e ma r mm o b i l et e n n i n a l 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其它人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 本人签名：日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名：盎鱼垂 日期 日期：! ! ：! ：! ! 兰二童竺丝一二 1 1 1 n 姬s 概述 第一章绪论 1 1 研究的背景和意义 随着网上医疗和远程会诊等新的医疗形式的不断涌现，传统的医疗信息化改 造已经迫在眉睫。当前，国内很多医院都希望构建自己的放射科p a c s ( 图片存档 及通信系统，p i c t u r ea 砌曲i n ga n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，以实现放射医疗的数 字化，同时国内一些大型医院已经成功地构建了自己的p a c s “7 。“。p a c s 是旨在 全面解决医学影像的获取、传输、存储、显示和管理的医院信息系统“。它是随着 数字戒像技术“、计算机技术及网络技术的进步而迅速发展起来的，将医院内部 的各类x 光、c t 、m r i 以及超声等医学影像数字化以后，输入到计算机进行分类 归档存储，并通过计算机网络进行快速传输，使医院内有关科室和部门能够进行 医学影像信息的共享。在显示过程中，使影像以高质量的方式呈现给终端用户。 同时，通过远程网络的传输进行远程医疗服务，使得医学影像信息得到最大程度 的利用。p a c s 是以计算机为中心，由图像信息的获取、传输与存档和处理等部分 组成。它包括以下几个主要功能模块： 1 图像信息的获取 c t 、m r i 、c r 及e c t 等数字化图像信息可直接输入p a c s ，而众多的x 线图 像需经信号转换器转换成数字图像信息才能输入。可由摄像管读取系统、电耦合 器读取系统或激光读取系统完成信号转抉。 2 图像信息的传输 在p a c s 中，传输系统对数字化图像信息的输入，检索和处理起着桥梁作用。 目前医院内部主要通过专用的内部计算机局域网进行传输。 3 图像信息的储存与压缩 图像信息的储存可用磁带、磁盘、光盘和各种记忆卡片等，目前主要由医院 内部的海量图片存储服务嚣来完成存储功能。但与此同时图像信息的压缩储存还 是非常必要的，因为一张x 线照片的信息量很大，相当于1 5 0 0 多页4 0 0 字稿纸写满 汉字的信息量，而一张普通的光盘也只能存储2 0 0 0 张x 线照片的信息。目前采用较 多的如哈夫曼编码压缩。 4 图像信息的处理 2基于a r m 9 内核的嵌入式m p a c s 终端设计 图像信息的处理由计算机中心完成。 计算机的容量、处理速度和接入终端的 数目决定着p a c s 的大小和整体功能。软件则关系到检索能力、编辑和图像再处理 的功能。 采用p a c s 代替传统的手工来管理医学影像已经得到了公认。它与传统的手工 管理方式相比具有以下的优点： 1 实现无胶片存储，降低成本 据统计，在中国的一个5 0 0 床位的医院每天大约生成2 5 g b 的图像数据。如 果这些数据用传统胶片形式保存的话不仅占用空间，而且还浪费大量的人力和财 力。 2 提高效益，降低成本 由于采用p a c s ，疏通了医院就医的工作流程，减少了重拍机会，提高了医院 设备和工作的效率，从而增加医院的收入。 3 健全了全自动化管理 由于p a c s 可采用多极存储设备结构和大型数据库管理系统，可以实现医学影 像数据和病人资料的自动化存储管理。 4 能提供丰富的后处理管理 由于p a c s 可采用多级存储设备结构和大型数据库管理系统，可以实现医学影 像数据和病人资料的自动化存储管理。 5 实现和h i s 瓜i s 的互联 p ：a c s 和m s r i s 的互联，实现较为完整的医院信息系统，奠定了数字化医院 的基础。 p a c s 具有上述的诸多优势，已经成为医院信息化的主要趋势之一m ，但是随 着p a c s 在医院大量投入实用后，它也暴露出一些缺点。传统的p a c s 是以图形工 作站和p c 机及其有线网络设备为基础来构建的。这些相对“笨重”的终端设各给 医生尤其是临床医生的使用带来很大的不便，尤其是在临床住院部的一些紧急情 况下和野外不具备有线网络的情况下。因此，一种可以随身携带，随时随地都可 以接收病人信息的移动p a c s 终端设备显然更适应这些场合，能够更有效地提高 p a c s 的可用性。 近年来发展迅速，在众多领域得到广泛应用，成为目前移动计算领域研究热 点的嵌入式系统如果结合p ：a c s ，将会很好的满足以上的要求。 1 1 2 嵌入式系统 捉入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 根据英国电机工程师协会的定义所做的翻译： “嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器甚至工厂操作的设各”。它具备了下 第一章绪论 列四项特性： 1 通常执行特定功能； 2 以微电脑与外围构成核心； 3 严格的时序与稳定性要求； 4 全自动操作循环。 嵌入式系统是电脑软件与硬件的综合体，也可涵盖机械或其它的附属装置。 整个综合体的目的在于满足某种特殊功能。嵌入式系统的构架可分为五个部分： 处理器、内存、输入与输出、操作系统与应用软件。它常用于各类实验仪器、办 公设备、交通运输设备、电信设备、医疗设备及个人电脑等。典型的嵌入式系统 构架如图1 1 所示。 嵌入式系统从结构上可分为硬件及软件两部分，其中硬件包括m c u ( m i c r o c o n t r o iu n i t ) 控制电路、网络功能、无线通信及接口等部分，嵌入式软件负责硬件 部分的驱动、控制处理、或基本接口通信等功能，用以提升硬件的价值，是嵌入 式系统中不可或缺的重要部分。 应用程序 操作系统 内存 处理器 图1 1 典型的嵌入式系统 嵌入式系统已经悄悄地融入了我们生活中的各个领域。今日举凡移动电话、 手表、电子游戏机、p d a 、电视、冰箱等民用电子与通信产品，电动机车、电动 脚踏车、甚至于汽车等交通工具的控制核心，无不与嵌入式系统息息相关。 嵌入式系统处理器，是嵌入式系统的核心，它的发展方向也代表了嵌入式系 统的发展方向。世界上很多著名厂商都在这一领域推出了他们的嵌入式产品如： i n t e l 、s 0 n y 、s a m s u n g 等。而在众多的嵌入式处理器生产商中，由a r m ( a d v a n c e d r i s cm a c h i n e s ) 公司所提供的a r mr i s c ( 精简指令集) 构架微处理器凭借其低功 耗、高运算效率及高度整合性等特质已经广泛应用于工业控制、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。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，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 微处理嚣核，根据各自不同 的应用领域，加入适当的外围电路，形成自己的a r m 微处理器芯片。 4 基于a r m 9 内核的嵌入式m p a c s 终端设计 基于a r m 技术的微处理器应用占据了3 2 位r i s c 微处理器约7 5 以上的市 场份额，a r m 技术诈在逐步渗入到我们生活的各个方面”。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 位的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 的无线通讯设各采用了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。 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 在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛支持，也对 d s p 的应用领域提出了挑战。 4 消费类电了产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和 游戏机中得到广泛应用。 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，并且手机中的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。 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。 a r m 微处理器目前包括a r m 7 、a r m 9 、a r m l o 这三个通用处理器系列，每 系列提供一套独特的性能来满足不同领域的需求。本文所介绍的m p a c s 就是采 用由s a m s u n g 公司生产的基于a r m 9 内核的s 3 c 2 4 1 0 处理器作为整个系统的核心， 并结合医院p a c s 而构建的一种移动式高效医学信息交换系统。 1 2 国内外研究现状 在发达国家，医学是规模最大的产业部门之一，也是计算机应用最广泛的领 域之一。几乎所有计算机技术的最新成果都或先或后的应用于医学，形成新的跨 第一章绪论 学科边缘科学医学信息学。 世界上许多国家十分重视对该领域的研究和开发工作，尤其是在美国、欧洲 已经获得了较大范围的应用。例如：美国国防部远程医疗试验台远程医疗项目的 局部数据调用；俄克拉荷马大学健康科学中心心脏病心律不齐咨询系统；比萨大 学放射学系病人图像和数据通讯系统等等。可见，世界各国都充分认识到远程和 无线医疗信息交互系统的巨大市场潜力，它也是目前科技研究的前沿。目前国外 成功应用的类似系统如： 1 爱立信的m o b i h e a l t h 系统 爱立信研制的系统是m 曲j h e a l m ，目前正在欧洲进行测试，该系统以p d a 为依 托，将所收集的数据通过无线电话网络系统传输给医生，供医生诊断咨询及治疗 监护之用，m o b i l h e a l t h 通过蓝牙技术与放置在人体上的传感器进行连接，将传感 器获取的病人数据传到医生诊断室。 2 b i o m e r i c a 公司的r e a d y s c r i p t 使医生能够通过无线连接开具处方 b i o m e r i c a 公司为医生配备的r e a d ys c r i p t 解决方案是一个保健现场无线手持处 方开具和药物治疗管理解决方案。由s y b a s es o la n y w h e t es t i l d i o 移动数据库驱动 的r e a d vs c r i p t 应用允许医生开具以电子方式传送的处方。此外，r e a d ys c r p t 还为 医生提供了一系列可提高他们工作效率与能力的工具和资料，从而使他们能够为 患者提供更好的治疗及更大的便利。利用r e a d ys c r i p t 无线手持设备或台式计算机， 医生可以经由血t e m e t 或其它电子连接将处方以电子方式传送到患者选择的药房。 与国外在该领域投入大量入力物力并以获得的进展相比，目前我国类似的同 类的研究工作还只是在小范围内的、研究面狭窄的状况下进行的而且多数只是在 实验室的研究和试验阶段。 我国的上海医科大学与上海交通大学、南京军区、北京医科大学信息中心、 清华大学等研究机构和中心也开发和设计了类似的医疗信息系统，有些已用于临 床或即将用于临床，如家庭监护、心电超声图像的远距离传输、等某些科目。目 前国内已经开发出的类似成型系统例如： 亿通移动医疗系统 亿通移动医疗系统是亿通网络系统有限公司与i n t e l 合作开发，采用了h n e l 移 动技术，基于正e e 8 0 2 1 1 b 无线通讯协议。它的访问控制保证敏感数据只限有效的 用户进行访问，充分保护医院现有应用系统和病人私密不受无线网络安全影响。 可通过平板电脑、p d a 等移动平台，在业务执行现场可使用移动平台与原有医院 信息系统联系，实时记录、查寻和传递信息。 但是上述系统与m p a c s 相比具有以下缺点： 1 大部分是基于移动p c 平台的，体积较大，不便于随身携带，少部分是 在p d a 上添加算法和软件构成，非专用系统； 基_ 丁a r m 9 内核的嵌入式m p a c s 终端设计 2 基本上是基于w e b 的或者是基于t c p i p 出议的，不具有d i c o m 接口， 不能直接与d i c o m 设备通信； 3 一般只能传输心电超声等一维图像，不能进行二维和三维阅片以及图像 处理功能； 因此，国内对于整个远程医疗信息交互、医疗图像的获取与智能处理技术的 研究还处于空白或薄弱的状况。 该方向近期的发展趋势主要是在多种通讯线路并存的情况下向移动性、多样 集成性方向发展。 1 移动性是针对硬件平台提出的更高的要求，如：随着嵌入式系统目新月 异的发展使该系统终端体积更小，更省电，提供更高的运算速度，提供 更高的显示分辨率； 2 多样集成性是指向通用化、专业化方向发展，集成更多的医用功能从而 更大的方便医生的日常工作。 综上所述，m p a c s 的前景将是十分乐观的，我们也在为我国医院的信息化数 字化而不懈努力，并做出自己的一份贡献。 1 3 本文研究内容及章节安排 本文首先对p a c s 和嵌入式系统的基本概念进行了介绍，并分析了它们的基本 结构和发展方向，在此基础上针对p a c s 终端不便于临床医生的日常诊疗的缺点， 结合嵌入式系统提出了m p a c s 移动终端的概念。本文深入研究了m p a c s 终端的硬 件组成原理和软件架构和实现中的一些关键技术。最后给出系统原型。 概括起来，本文主要取得以下研究成果： 1 针对目前p a c s 的诸多不便，提出了基于嵌入式系统的mp _ a c s 移动终端的 概念，并给出了系统设计方案。 2 给出了m p a c s 终端的硬件实现方案，并按其功能模块分别给出详细的实现 原理。 3 给出了m p a c s 终端的软件设计方案，并给出了基于多任务设计运行图。 本文的主要研究内容和章节安排如下： 第一章是绪论，综述了p a c s 和嵌入式系统的基本概念。 第二章主要讨论系统的理论基础。针对p a c s 终端不便于临床医生的日常诊疗 的缺点，提出了m p a c s 移动终端的概念。然后介绍m p a c s 的理论基础：a r m 9 的体 系结构及编程模式和p a c s 的系统结构。 第三章介绍系统的硬件设计实现方案。将硬件按功能模块的设计分类描述， 第一章绪论 7 每部分包括主要芯片的功能介绍和使用规则，主要管脚的说明、线路的连接和对 应的原理图示例，并着重分析了以太网接口和c f 接口这两个c p u 未集成的接口的 实现原理。 第四章详细介绍系统软件的具体设计。并分b s p ( b o a r ds u p p o f tp a c k a g e ) 层、 操作系统层、m p a c s 终端应用软件层三个部分详细介绍了m p a c s 终端的软件构成 原理与实现方法。最后给出了基于多任务设计运行图。 最后，对论文工作进行了全面的总结，并对今后的研究方向进行了展望。 第二章嵌入式m p a c s 的理论基础 9 第二章基于a i u 9 内核的嵌入式m p a c s 体系结构 2 1 引言 m 队c s 终端，即m j n i 的和移动的( m o b i l e ) p a c s 终端。传统的p a c s 在具体应 用中主要有三个面向用户的单元，其中一个是面向诊断医生的医学影像工作站， 一个是面向院内临床医生的远程浏览工作站，一个是面向d i c 0 m 的激光相机。 m p a c s 终端就是在利用原有p a c s 系统的基础上，在d l c o ms e e r 后连接一台 m p a c ss e e r 并用数台无线a p 与其连接，在医院内部组成基于e e 8 0 2 1 1 b 无线传 输协议的无线局域网，即可利用无线局域网接入m p a c s 终端。其具体的组成结构 如图2 1 所示。 i 因特两l - 图2 1m p a c s 组成结构示意图 它使用基于a r m 9 内核的s 锄s u n gs 3 c 2 4 1 0 嵌入式处理器作为硬件平台核心， 内部集成存储器，l c d 显示屏和各种通用接口。同时在该硬件平台基础上可以运 行w i n d o w sc e 操作系统和针对m p a c s 终端设计的应用层软件。 m p a c s 终端轻便小巧，医生可以像病历一样随身携带，并且它使用无线网络，可 以在无线网络覆盖的范围内随意移动。医生可以利用它远程调阅病人的d i c o m 图 像等信息，从而做出诊断，并可向科室发送诊断结果。 综上所述，m p a c s 是在嵌入式系统理论基础之上结合医院p a c s 而产生的一种 。基r a r m 9 内核的嵌入式m p a c s 终端设计 便携式可移动的p a c s 终端设备。因此，a r m 9 内核的嵌入式处理器和p a c s 结构 是m p a c s 的理论基础。本章结合m p a c s 对其理论基础即a r m 9 内核的嵌入式处 理器和p a c s 体系结构进行了研究。 2 2a r m 体系结构及其编程模式 2 2 1a r m 体系结构的特点 a r m 作为嵌入式系统中的处理器，具有低电压、低功耗和高集成度等特点； 并具有开放性和扩充性。事实上a r m 架构已成为嵌入式系统首选的处理器架构9 1 。 它的结构具有以下的主要特点： 1 r i s c 型处理器结构 据统计，在常用的指令使用中，数据传送类指令占4 3 ( 如表2 1 所列) ： 表2 1 指令使用频度 指令类型使用指令频度 数据传送类 4 3 转跳控制类 2 3 算术运算类 1 5 比较类1 3 逻辑运算类 5 其他1 除了分支指令外，其余各类指令使用频度都在1 5 以下。而在具有百余条指令的 复杂指令计算机即c i s c ( c o m p l e xh s t r i l c t i o ns e tc o m p u f e r ) 中，用的最多的m o v 类指令也只占2 0 左右。因此，减少复杂功能的指令，减少指令条件，选用频度 最高的指令，简化处理器的结构，减少处理器的集成度：并使每一条指令部在一 个机器周期内完成，可提高处理器的速度。因此，a r m 采用r i s c 结构，并在一 个周期内执行一条指令。 从统计中还可以得到：与存储器打交道的指令执行时间远远大于在寄存器内 操作的指令执行时间。因此，r i s c 型处理器都采用了i j 0 a 媚t o r e 结构，即只有 l o a 鄙s t o r e 的存取指令可与存储器打交道，其余指令都不允许进行存储器操作。 因此，a r m 也采用l o a d s t o r e 的结构。为了进一步提高指令和数据的存取速度， 有的还增加指令闪存i c a c h e 和数据闪存d c a c h e ；同时还采用了多寄存器的结构， 使指令的操作尽可能在寄存器之间进行。 由于指令相对比较精简，降低了处理器的复杂性，因此，中央控制器就没必 第二章嵌入式加p a c s 的理论基础 要采用微程序的方式。a r m 则采用了硬接线p l ，a 的方式。另外，a r m 为了便于 指令操作的控制，其指令采用3 2 位定长。除了单机器周期执行一条指令外，每条 指令都具有多种操作功能，提高了指令使用频率。 2 t h 呲出指令集 由于3 2 位甩s c 型处理器的指令利用效率低，a f t m 为了弥补此不足，在新 型a r m 架构( v 4 t 版以上) 定义了1 6 位的t h u m b 指令集。t h u m b 指令集比通常的 8 位和1 6 位c i s c 己i s c 处理器具有更好的代码密度，而芯片面积只增加了6 ， 可使程序存储器更小。 3 多处理器状态模式 a r m 可以支持用户、快中断、中断、管理、中止、系统和未定义等7 种处理 器模式。除了用户模式外，其余均为特权模式。这也是a r m 的特色之一，它呵以 大大提高a r m 处理器的效率。 4 嵌入式再现仿真调试 a r m 架构的处理器芯片都嵌入了在线仿真i c e r c 逻辑，便于通过j t a g 来 仿真调试a r m 架构芯片，可以省去昂贵的在线仿真器。另外，在处理器核中可以 便于嵌入跟踪宏单元e t m ( e m b e d d e d t r a c em a c r o c e l l ) ，用于监控内部总线，实 时跟踪指令和数据的执行。 5 灵活和方便的接口 a r m 架构具有协处理接口，这样，既可使基本的a r m 处理器内核尽可能的 小，又可方便地扩充各种功能。a r m 允许接1 6 个协处理器，例如c p l 5 用于系统 控制，c p l 4 用于调试控制器。另外，a r m 处理器核还具有片上总线0 c b ( o n c h i d b u s ) 的a m b a ( a d v a l l c e d m i c r o c o n t r o l l e r b u s a r c h i t e c t u r e ) 。a m b a 定义了3 组 总线：先进高性能总线a h b ( a d v a l l c e dh i 曲p e r f o 蛐m a n c eb u s ) 、先进系统总线 a s b ( a d v a n c e ds y s t e mb u s ) 和先进外围总线a p b ，通过a m b a 来方便扩成各种 处理器及i o 。这样，可以把d s p 、其它处理器和i o ( 如u a r t 、定时器和接口 等) 都集成到一块芯片中。 6 低电压、低功耗的设计 由于a r m 架构的处理器主要用于手持式嵌入式系统中，因此，a r m 架构在 设计中十分注意低电压、低功耗这一点，因此在手持式嵌入式系统中褥到广泛的 应用。根据c m o s 电路的功耗关系式： p c 。1 2 f v 气d g c 2 l( 2 一1 ) 式中：f 为时钟频率；v d d 为电源工作电压：a g 是逻辑门在一个时钟周期内翻转次 数( 通常为2 ) ；c 气为门的负载电容。 a r m 架构的设计采用了以下一些措施： ( 1 ) 降低电源电压，使其可工作在3 o v 以下； 基于a r m 9 内核的嵌入式m p _ a c s 终端设计 ( 2 ) 减少门的翻转次数，当某个功能电路不需要时，禁止门翻转 ( 3 ) 减少门的数目，即减低芯片的集成度： ( 4 ) 降低时钟频率( 不过这样也会损失系统的一些性能) 。 2 2 2a 。r m 9 体系结构研究 a r m 9 架构图如图2 2 所示。它由一个3 2 位a l u 、3 1 个3 2 位通用寄存器及 6 位状态寄存器、3 2 8 位乘法器、3 2 3 2 位桶形移位寄存器、指令译码及控制逻 辑、指令流水线和数据地址寄存器组成“”“。 图2 2 a r m 9 架构 1 a l u 它与常用的a l u 逻辑结构基本相同，是由2 个操作数锁存器、加法器、逻辑 功能、结果及零检测逻辑构成。 2 桶形移位寄存器 为了减少移位的延迟时间，a r m 采用了3 2 3 2 位的桶形移位寄存器。这样， 可以使左移右移n 位、环移n 位和算术右移n 位等都可以一次完成，同性移位寄 第二章嵌入式m p a c s 的理论基础 存器所有的输入端通过交叉开关( c r o s sb a r ) 与所有的输出端相连。对于采用预 存电路的动态逻辑，交叉开关可由n m o s 晶体管来实现。 3 高速乘法器 乘法器一般采用“加一移位”的方法来实现乘法。a r m 为了提高运算速度则采 用的是两位乘法的方法。原先的乘法是根据乘法的移位来实现“加一移位”运算，而 两位乘法则可根据乘法的两位来实现“加一移位”运算： 乘数a 。i a n ：o o 原部分积s 右移2 位； 叭原部分积s 加被乘数后，右移2 位； 1 原部分积s 加2 倍被乘数后，右移2 位： 1 l 原部分积s 加3 倍被乘数后，右移2 位。 2 倍被乘数可通过将被乘数左乘l 位来实现；3 倍可看作4 1 ( 11 = 1 0 0 1 ) ， 故先减1 倍被乘数，再加4 倍被乘数来实现。 a r m 的高速乘法器采用3 2 8 位的结构，这样可以降低集成度( 其相应芯片 面积相当于不带并行乘法器的1 3 ) ，完成3 2 3 2 位乘法也只需5 个时钟周期。 4 浮点部件 浮点部件是作为选件a r m 架构选用。f p a l 0 浮点加速器是作为协处理器方式 与a r m 相连，并通过协处理器指令的解释来执行。 浮点的l o a d s t o r e 结构。它有8 个8 0 位浮点寄存器组，其指令执行也采用流 水线结构。 5 控制器 a r m 的控制器采用硬接线的可编程逻辑阵列p l a ，新型的a r m 采用了2 块 p l a ：l 块小的快速p l a ，用来产生与时间相关的输出；1 块大的慢速p l a 用来产 生其它输出。 2 2 3 删9 处理器编程模式 1 处理器工作状态 从程序设计者的角度上考虑，a r m 9 内核有下面两种工作状态： ( 1 ) a r m 状态：此时执行3 2 位字对齐的a r m 指令。 ( 2 ) t h u m b 状态：此时执行1 6 位半字对齐唧m b 指令。在这种状态下， p c 用第一位来选择一个字中的哪个半字。 2 状态切换 两种工作状态可以相互切换，但这两种状态的转换不影响处理器状态和寄存 器的内容。切换操作如下： 进入t h u i n b 状态：进入t h u m b 状态，可以通过执行b x 指令，同时操作数寄 基于a r m 9 内核的嵌入式m p a c s 终端设计 存器的状态位( o 位) 置1 来实现。当从异常( 取q ，f i q ，u n d e f ，a b o r t ，s w i 等) 返回时，也会自动进入t h u m b 状态，只要进入异常处理前处理器处于t h u m b 状态即可。 进入a r m 状态：进入a r m 状态，可以通过执行b x 指令，并且操作数寄存 器的状态位( o 位) 清零来实现。当处理器进入异常( i r q ，f i q ，u n d e f ，a b o r t ， s w i 等) 时，p c 的指令保存在异常模式下的l i n k 寄存器中，并从异常向量地址处 开始执行异常处理程序。 3 指令长度及数据类型 a r m 9 微处理器的指令长度可以是3 2 位( 在a r m 状态下) ，也可以为1 6 位 ( 在t h u m b 状态下) 。a r m 微处理器中支持字节( 8 位) 、半字( 1 6 位) 、字( 3 2 位) 三种数据类型，其中，字需要4 字节对齐( 地址的低两位为o ) 、半字需要2 字节对齐( 地址的最低位为o ) 。 4 寄存器 a r m 9 微处理器共有3 7 个3 2 位寄存器，其中3 1 个为通用寄存器，6 个为状 态寄存器。但是这些寄存器不能被同时访问，具体哪些寄存器是可编程访问的， 取决于微处理器的工作状态及具体的运行模式。但在任何时候，通用寄存器r 1 4 r 0 、程序计数器p c 、一个或两个状态寄存器都是可访问的。 ( 1 ) 通用寄存器 通用寄存器包括r o r 1 5 ，可以分为三类： a 未分组寄存器r 0 r 7 b 分组寄存器r 8 r 1 4 c 程序计数器p c ( r l5 ) ( 2 ) 程序状态存储器 a r m 9 体系结构包含一个当前程序状态寄存器( c p s r ) 和五个备份的程序状 态寄存器( s p s r s ) 。备份的程序状态寄存器用来进行异常处理，其功能包括： a 保存a l u 中的当前操作信息 b 控制允许和禁止中断 c 设置处理器的运行模式 5 a r m 9 的异常及其处理机制【1 3 】 当正常的程序执行流程发生暂时的停止时，称之为异常，例如处理个外部 的中断清求。在处理异常之前，当前处理器的状态必须保留，这样当异常处理完 成之后，当前程序可以继续执行。处理器允许多个异常同时发生，它们将会按固 定的优先级进行处理。 a r m 9 体系结构中的异常，与8 位1 6 位体系结构的中断有很大的相似之处，但 异常与中断的概念并不完全等同。 第二章嵌入式m p a e s 的理论基础 ( 1 ) a r m 9 体系结构所支持的异常类型 a r m 9 体系结构所支持的异常及具体含义如表2 2 所示。 表2 2a r m 9 体系结构所支持的异常 异常类型具体含义 未定义指令当a 硎处理器或协处理器遇到不能处理的指令时，产生来定义指 令异常。可使用该异常机制进行软件仿真。 软件中断 该异常由执行s w i 指令产生，可用于用户模式下的程序调用特权 操作指令。可使用该异常机制实现系统功能调用。 指令预取中l p若处理器预取指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访 问，存储器会向处理器发出中止信号，但当预取的指令枝执行 时，才会产生指令预取中止异常。 数据中止 若处理器数据访问指令的地址不存在，或该地址不允许当前指 令访问时，产生数据中止异常。 i r 0 ( 外部中断请求)当处理器的外部中断请求引脚有效，且c p s r 中的i 位为。时，产 生i r q 异常。系统的外设可通过该异常请求中断服务。 f 1 q ( 快速中断请求)当处理器的快速中断请求引脚有效，且c p s r 中的f _ 奇= 为o 时，产 生f i q 异常。 ( 对异常的响应 当一个异常出现以后，a r m 9 微处理器会执行以下几步操作： a 将下一条指令的地址存入相应连接寄存器u t ，以便程序在处理异常返回时 能从正确的位置重新开始执行。若异常是从a r m 状态进入，l r 寄存器中保存的 是下一条指令的地址( 当前p c + 4 或p c + 8 ，与异常的类型有关) ：若异常是从 n u m b 状态进入，则在i 且寄存器中保存当前p c 的偏移量，这样，异常处理程序 就不需要确定异常是从何种状态进入的。例如：在软件中断异常s w i ，指令m o v p c ，r 1 4 _ s v c 总是返回到下一条指令，不管s w i 是在a r m 状态执行，还是在t h u m b 状态执行。 b 将c p s r 复制到相应的s p s r 中。 c 根据异常类型，强制设置c p s r 的运行模式位。 d 强制p c 从相关的异常向量地址取下一条指令执行，从而跳转到相应的异常 处理程序处。 还可以设置中断禁止位，以禁止中断发生。如果异常发生时，处理器处于t h u m b 状态，则当异常向量地址加载入p c 时，处理器自动切换到a r m 状态。 a r m 9 微处理器对异常的响应过程用伪码可以描述为： r 1 4 = r e t u mu n k 1 6基于a r m 9 内核的嵌入式m 队c s 终端政计 s p s i l = c p s r c p s r 4 ：o 】= e x c e p t i o nm o d en u m b e r c p s r 【5 】= o ；当运行于a r m 工作状态时 i f = = r e s e to rf i qt l l e n ；当响应f i q 异常时，禁止新的f i q 异常 c p s r 【6 】= 1 c p s r 【7 】= 1 p c = e x c e p t i o nv e c t o ra d d r e s s ( 3 ) 从异常返回 异常处理完毕之后，a r m 微处理器会执行以下几步操作从异常返回： 1 、将连接寄存器l r 的值减去相应的偏移量后送到p c 中。 2 、将s p s r 复制回c p s r 中。 3 、若在进入异常处理时设置了中断禁止位，要在此清除。可以认为应用程序 总是从复位异常处理程序开始执行的，因此复位异常处理程序不需要返回。 f 4 ) 异常向量 异常向量的地址及其发生异常时所进入的模式如表2 3 所示 表2 3 异常向量表 地址异常进入模式 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0复位管理模式 o x o o o o ，0 0 0 4未定义指令未定义模式 0 x 0 0 0 0 0 0 0 8软件中断管理模式 0 x 0 0 0 0 0 0 0 c中止( 预取指令) 中止模式 0 x o 0 0 0 0 0 1 0中止( 数据) 中止模式 0 x o 0 0 0 o o l 4保留保留 o x 0 0 0 0 0 0 1 8i r oi r o o x 0 0 0 0 ，0 0 1 cf i q f i o ( 5 ) 异常优先级 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次序。异常 优先级由高到低的排列次序如表2 4 所示： 表2 4 异常优先级 优先级 异常 1 ( 最高)复位 2 数据中止 3 f i q 第二章嵌入式m p a c s 的理论基础 1 7 4i r o | 5 预取指令中止 6 ( 最低)未定义指令、s w i ( 6 ) 应用程序中的异常处理 当系统运行时，异常可能会随时发生，为保证在a r m 9 处理器发生异常时不至 于处于未知状态，在应用程序的设计中，首先要进行异常处理，采用的方式是在 异常向量表中的特定位置放置一条跳转指令，跳转到异常处理程序，当a r m 9 处理 器发生异常时，程序计数器p c 会被强制设置为对应的异常向量，从而跳转到异常 处理程序，当异常处理完成以后，返回到主程序继续执行。 2 _ 3 p a c s 系统结构 p a c s 是应用于医院环境中对医学影像数据实施计算机管理的专业化信息系 统，其基本任务是对医学影像的采集、通信、软拷贝显示、电子化归档存储、硬 拷贝输出、与医学环境中其他信息系统( 如h i s r i s ) 的数据交换和通信等过程执 行网络化的管理和控制“。p a c s 是数字化医院的重要组成部分，是构建电子病历 的基础。它能改进医院影像科室的管理模式，提高管理水平和工作效率，为医院 带来显著的经济和社会效益。 p a c s 的概念产生于1 9 8 2 年国际光学工程学会( s p m ) 年会。d i c o m 标准是医 学影像系统遵从的国际工业化标准，它使p a c s 真正步入规范化和高速发展的阶 段。目前，全面遵从d i c 0 m 标准已成为现代p a c s 的基本要求和规范。基于d i c o m 和h l 7 标准。”实现医院内不同信息系统( h i s 、p a c s 和r i s ) 的无缝集成，是保证 医院内和医院之间医疗文本及图像信息交换的关键，也是实现远程会诊的关键。 2 3 1p a c s 遵循标准d i c o m d i c o m 是规定数字医学影像和相关信息的格式及其信息交换方法的标准。1 。 它是由北美放射学会( a c r ) 和全美电子厂商联合会( n e m a ) 在参考了其它相 关国际标准的基础之上，联合制定并推广的。目前使用的是d i c o m 3 o 标准，它包 含了医学图像的数字化采集、归档、通信、显示及查询等各种信息交换的协议， 已发展成为医学影像信息学领域的国际通用标准。基于d i c o m 标准的p a c s 实现原 理示意图如图2 3 所示 】8 基于a r m 9 内核的嵌入式m p a c s 终端设计 渗- 瓣，或 画 非杯数字设备 、v e b3 e r t ri i 磊百1 j 1 。j 图2 3p a c s 实现原理示意图 1 p a c s 基本关系模型 p a c s 遵循的d i c 0 m 标准以“患者”来划分庞大的医学信息对象体系。各种病 历分析、病访报告以及图像资料