（微电子学与固体电子学专业论文）基于嵌入式系统的数字化医疗助理设备研究.pdf

t h er e s e a r c ho fd i g i t a lm o b i l ec l i n i c a la s s i s t a n t b a s e do ne m b e d d e ds y s t e m at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：c h e n w e i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f h ud o n gh o n g h u b e i u n i v e r s i t y w u h a n ，c h i n a 4舢9哪8m 6 洲3 舢7i0i删y 湖北大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 论文作者签名： 雨中 日期：狮年月7 日 学位论文使用授权说明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，e p ： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以允许采用 影印、缩印、数字化或其它复制手段保存学位论文；在不以赢利为目的的前提下，学校 可以公开学位论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 两t 移 指导教师签名：铺豫协 日期：口从多、7 日期：7 j 口、二、7 于两斐 近年来，随着嵌入式技术的飞速发展，嵌入式系统在社会的各个方面都得到了广泛 的应用。其中嵌入式系统凭着其便携性、多功能、智能化等特点在医疗助理设备领域的 应用是近年来嵌入式应用领域的一个亮点。本文针对这一需求，在分析当前嵌入式处理 器及嵌入式操作系统的基础上，提出并设计了一种基于嵌入式系统的数字化医疗助理设 备方案，采用基于最新的a r m i1 内核的$ 3 c 6 4 1 0 处理器和w i n d o w sc e6 0 嵌入式操作 系统。一方面在$ 3 c 6 4 1 0 这一最新平台的应用方面做一些探索和实践，为s 3 c 6 4 1 0 的应 用开发提供参考；另一方面为数字化医疗助理设备的发展，提供设计思路，推动国内数 字化医疗助理设备的发展。本文主要完成的工作如下： ( 1 ) 根据实际需要定制了最新的w i n d o w sc e6 0 操作系统，建立系统开发环境。详 细分析了b o o t l o a d e r 的s t a r t u p 函数代码，并在此基础上，移植b o o t l o a d e r ( 2 ) 研究w i n d o w sc e 中的驱动模型，在此基础上分析了u s b 驱动程序并成功移植了u s b 摄像头的驱动。深入研究了微软的d i r e c t s h o w 流媒体开发系统框架，并实现了以 d i r e c t s h o w 为基础的图像采集应用程序。 ( 3 ) 研究了j p e g 图像的编码解码中d c t 变换、量化、z i g z a g 扫描以及h u f f m a n 编码等 算法，并以具体的j p e g 文件为例，详细分析了j p e g 文件格式的标记码。 ( 4 ) 深入研究了s 3 c 6 4 1 0 中j p e g 的硬件解码模块和相关寄存器的作用，根据j p e g 实际解码流程分析了j p e g 硬件解码的过程，在分析j p e g 解码a p i 函数的基础上，实现 了图像硬件解码，并测试了不同尺寸的j p e g 文件的解码所用时间。 关键词：嵌入式系统；$ 3 c 6 4 1 0 ；w i n d o w sc e 6 0 ；u s b 驱动；d i r e c t s h o w ；j p e g 编解 码 a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e dt e c h n o l o g y , t h ee m b e d d e d s y s t e mi sb e i n gw i d e l yu s e di nt h es o c i e t y b e c a u s eo ft h ep o r t a b i l i t y 、m u l t i f u n c t i o na n d i n t e l l i g e n to f t h ee m b e d d e ds y s t e m ，i ti sb e c o m i n gal i g h tp o i n tt h a tt h ee m b e d d e ds y s t e mh a s b e e nu s e di nt h ed i g i t a lm e d i c a la s s i s t a n te q u i p m e n t f o rt h i sr e q u i r e m e n to ft h ed i g i t a l m e d i c a la s s i s t a n t e q u i p m e n t ，b a s e d o nt h ec u r r e n te m b e d d e dp r o c e s s o ra n de m b e d d e d o p e r m i o ns y s t e m ，t h i sp a p e rr a i s e s ar e s o l u t i o no ft h ed i g i t a lm e d i c a la s s i s t a n te q u i p m e n t b a s e do nt h ee m b e d d e ds y s t e m a n dt h i sp a p e ru s e st h en e w e s tp r o c e s s o r $ 3 c 6 4 1 0o fa r m c o r ea n dt h ew i n d o w sc e6 0o p e r a t i o ns y s t e mf o rt h ed e s i g n o no n eh a n d ，i th a sd o n es o m e e x p l o r ea n dp r a c t i c ef o ru s i n gt h e $ 3 c 6 4 1 0p l a t f o r m ，a n di tc o u l db er e f e r e n c ei n f o r m a t i o n f o rt h e $ 3 c 6 4 1 0u s i n g ；o nt h eo t h e rh a n d ，i tc o u l ds u p p l ys u g g e s t i o n sf o rt h ed e v e l o p m e n to f t h ed i 酉t a lm e d i c a la s s i s t a n te q u i p m e n t ，a n dp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to ft h ed i g i t a lm e d i c a l a s s i s t a n te q u i p m e n ti no u rc o u n t r y t h em a i nt a s k so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w ： ( 1 ) t h i sp a p e rc u s t o m i z e st h en e w e s tw i n d o w sc e6 0o p e r a t i o ns y s t e ma c c o r d i n gt o t h ea c t u a lr e q u i r e m e n t ，a n dt h e n s e t u p st h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t o nt h eb a s i s o f a n a l y i s i n gt h es t a r t u pf u n c t i o nc o d ed e t a i l e d l y , t r a n s l a t e st h eb o o t l o a d e r ( 2 ) t h i sp a p e ra n a l y i s e st h eu s bd r i v e ra n dt r a n s l a t e st h eu s bc a m e r ad r i v e rb a s e do n s t u d y i n gt h ed r i v e rm o d e lo ft h ew i n d o w sc e ，a n dt h e nw r i t e st h ei m a g ec a p t u r ea p p l i c a t i o n w i t ht h ed i r e c t s h o ws t u d i e ds t r u c t u r eo ft h ed i r e c t s h o wm e d i as t r e a ms y s t e m ( 3 ) w i t ht h ei n d e p t hs t u d yo ft h ed c tt r a n s f o r m ，q u a n t i z a t i o n i n ，z i g - z a gs c a na n d h u f f r n a nc o d ei nt h ej p e gc o d e c ，a n a l y i s e st h ef l a gc o d ei nt h ej p e gf i l e ( 4 ) w i t h t h e d e t a i l e d l ys t u d y o ft h ej p e gh a r d w a r ed e c o d ea n di n t e r n a l r e g i s t e r s f u n c t i o n si nt h e $ 3 c 6 4 1 0c h i p ，a n a l y i s e st h ej p e gd e c o d ep r o c e s s o nt h eb a s i so f a n a l y s i n gt h ea p if u n c t i o n so fj p e gd e c o d e ，d e v e l o p st h eh a r d w a r ed e c o d ep r o g r a m mo f j p e gf i l ea n dt e s t st h ed e c o d et i m eo fd i f f e r e n ti m a g es i z e k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；$ 3 c 6 4 1 0 ；w i n d o w sc e 6 o ；u s bd r i v e r ；d i r e c t s h o w ；j p e g c o d e e 目录 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景1 1 1 1 国内医疗机构的信息系统现状1 1 1 2 数字化医疗设备的市场潜力巨大1 1 1 3 国产数字化医疗助理设备的现状2 1 2 课题的研究意义一2 1 3 国内外的研究现状3 1 4 课题的主要研究内容3 第二章嵌入式系统概述5 2 1 嵌入式系统5 2 1 1 嵌入式系统的定义5 2 1 2 嵌入式系统的构成和特点一6 2 1 3 嵌入式系统的发展趋势。6 2 2 嵌入式处理器。7 2 2 1 嵌入式处理器简介。7 2 2 2 嵌入式处理器分类。8 2 2 3a r m 处理器。1 0 2 2 4s 3 c 6 4 1 0 处理器1 2 ” 2 2 5 硬件平台资源1 3 2 3 嵌入式操作系统1 4 2 3 1 嵌入式操作系统的特点1 4 ” 2 3 2 实时操作系统1 5 2 3 3 常见嵌入式操作系统1 5 2 4 软件开发环境。1 8 2 5 本章小结1 9m 第三章图像采集模块2 0 3 1w i n d o w sc e 操作系统的定制与移植2 0 3 1 1 开发环境的建立2 1 3 1 2b o o t l o a d e r 的移植2 2 3 2u s b 摄像头驱动的移植2 5 3 2 1 驱动模型2 5 3 2 2 流接口驱动。2 5 3 2 3u s b 摄像头驱动加载过程2 9 3 2 4 设备管理器3 1 3 - 3 图像采集应用程序3 3 3 3 1 过滤器3 4 3 3 2 过滤器链表管理器3 5 3 3 3 弓i 脚p i n 3 6 3 3 4 图像采集应用程序3 7 3 4 本章小结4 0 第四章j p e g 图像的编解码4 1 4 1j p e g 编解码介绍4 1 m 4 1 1j p e g 概述4 1 4 1 2j p e g 压缩算法介绍。4 2 4 1 3j p e g 解码5 0 4 2 $ 3 c 6 4 1 0 的j p e g 解码5 1 4 2 1j p e g 解码模块介绍5 1 4 2 2j p e g 解码主要函数5 5 4 3 本章小结6 0 第五章总结与展望6 1 5 1 总结6 1 5 2 展望6 1 参考文献6 3 附录一：攻读硕士学位期间发表的论文6 5 附录二：部分模块原理图6 6 j 酵【谢6 9 i v 第一章绪论 1 1课题的研究背景 第一章绪论 1 1 1 国内医疗机构的信息系统现状 随着社会的发展，人口的增长，医院就医人口数量的增长，对医院的压力也越来越 大，据统计，全国三级甲等医院的数量为8 0 0 家左右，由于医疗资源尤其是高端优质医 疗资源的缺乏和地区间分布不均衡引起了广被诟病的“看病难问题【l j 。使得医院和社 会都面临着巨大的压力，这对患者的健康，医院的发展，医疗事业的发展以及社会的稳 定和谐都构成了巨大的压力。 国内医院信息系统，都无法跟踪医嘱的整个周期。很多医疗信息都需要手写，无法 实现电子化，因而在医疗质量监控方面存在许多尚未解决的问题。通常，医嘱的执行和 诸多重要的病人临床信息都是在病人床边发生的，而多数情况下无法实现医护人员在执 行每一条医嘱并获取患者体征信息后立即回到护士站完成相关数据的录入。医护人员只 能离开病房并花费大量时间进行纸上作业，完成多种病历报告，这样不可避免的浪费了 为患者进行临床服务的时间，在现在医疗资源不足、就医人口多的这种状况下，不仅大 大降低了医生和医院的效率，同时也增加了出错的可能性，并因此而出现医疗事故。因 此，针对国内医疗机构的具体情况，研制具有低成本、高可靠性、多功能性的医疗助理 设备不仅提高医疗办公无纸化率，改善医护沟通环境，实现对护理质量的监控和护理工 作的量化，避免了医护人员在病房和办公室之间频繁往返，大大节省了时间，也消除了 从前依靠纸张填写繁杂护理报告可能出现的人为失误，而且对提高医院医护质量、预防 医疗失误发生、提高护理水平和管理水平都具有积极的促进作用。 1 1 2 数字化医疗设备的市场潜力巨大 数字化医疗设备是将传统的医疗器械技术与电子技术、生物技术、新材料技术以及 精密仪器制造技术相结合的，以计算机技术和软件为基础的电子设备，是近年来一个新 兴的高技术产业。 从中国市场来看，在经济加速发展、医院信息化进程加快及国家相关政策变化等几 方面有利因素的影响下，2 0 0 6 年中国医疗电子市场( 包括芯片和设备) 规模继续加速 增长，销售额突破2 0 0 亿元，达到2 1 0 8 亿元，同比增长1 5 6 ，明显高于全球同类市 湖北大学硕士学位论文 场增长水平。根据上海驰昂咨询公司的数据，2 0 0 7 年我国电子医疗器械市场规模达到 2 4 3 2 亿元，同比增长1 6 3 ，超过全球市场1 3 3 的增长率。 医疗电子是产业化半导体中增长最快速的一个领域。未来几年我国医疗电子产业必 将迎来快速发展，它的增长率将远远高于全球市场的平均增长率，年均复合增长率将达 1 8 2 ，到2 0 1 1 年中国医疗电子市场规模有望接近5 0 0 亿元。从2 0 0 8 年中国国际医 疗电子技术大会的有关专家了解到，随着中国g d p 规模的逐年增长，用于个人医疗电 子设备的投资有望以1 0 以上的速度增长。据市场调研机构s p i c o m 预计，2 0 1 0 年全 球医疗器材市场将突破2 0 0 0 亿美元，其中医疗电子将占4 5 ，达到9 0 0 亿美元的规模 【2 】。 1 1 3 国产数字化医疗助理设备的现状 近年来，我国医疗机构的电子化和信息化取得了长足的进步，特别是大型电子医疗 器械，比如m r i ( 核磁共振成像) 、c t ( 计算机断层摄影) 等设备的使用，对我国医疗 事业的发展有着巨大的促进作用。同时，便携式医疗设备也有着很大的发展，如市场上 的血压计、助听计等个人护理产品已经非常常见，但是在另一个应用领域医院，虽 然现在一些发达地区的医院已经实现了电子化办公，但那只是在医生的办公室里，医生 外出巡诊携带p c 会比较麻烦，所以便携式医疗设备的应用还是比较少。上海交通大学 生物医学工程研究所开发了一个生命体征监测无线服务平台，平台的核心就是一个多参 数体征测量仪( i c a r c ) 、g s m 模块和网络、智能分析软件和服务器，可以部署在社区和 医院，但是其移动性与便携性却无法满足要求。另外国内的一些公司面代理一些国外的 医疗助理设备，如2 0 0 8 年1 2 月4 日，杭州t w i n h c a d 、银江股份面向国内医疗市场推 出了d i g i h e f l 数字医疗移动临床助手，d i g i h e f l 是基于英特尔移动临床助手( m c a ) 平台的产品。 1 2 课题的研究意义 目前国内的a r m 处理器的相关研究和应用主要还是以a r m 7 和a r m 9 系列为主， 采用a r m l l 的嵌入式产品和开发板产品还比较少，但是随着科技的发展和市场的应用 需求，高性能、低功耗、集成硬件音频、视频解码功能的a r m l l 处理器必将得到广泛 使用。基于需求和功能方面的考虑，本课题采用三星公司最新推出的a r m l l 处理器 $ 3 c 6 4 1 0 ，针对此款嵌入式处理器的应用及硬件解码功能做一些研究，针对嵌入式系统 2 第一章绪论 在数字化医疗助理设备中的应用方面做一些探索性的研究工作，结合研究方向，集中对 驱动程序的移植、图像的采集、编码和解码等方面进行分析和研究，通过对嵌入式系统 及相关设备的驱动移植，掌握相关领域的关键技术，为嵌入式平台的数字化医疗助理设 备的研制奠定良好基础。 1 3 国内外的研究现状 t w i n h e a d 、银江股份面向国内医疗市场推出了d i g i h e a l 数字医疗移动临床助手 ( m o b i l ec l i n i c a la s s i s t a n t ，简称m c a ) ，为中国数字化医疗开创了新的里程。这一新 品将极大地满足国内广泛的医疗人员临床工作需要，改善医院的医疗服务水平，简化临 床作业工作流程并提高工作效率。d i g i h e a l 基于英特尔移动临床助手( m c a ) 平台， 包含了一系列崭新特性：首先从外观上，该产品轻薄小巧、高度便携、防水防摔、方便 工作；其次，d i g i h e a l 大大简化了医生的工作流程并缩短了工作时间，例如医生输入的 手写信息可以直接转入病人的纪录，无线射频识别( r f i d ) 技术可快速识别用户和患 者信息，可以无线连接到电子医疗记录系统，随时随地查询有关病人情况的档案文件， 蓝牙技术帮助捕获患者的重要症状；d i g i h e a l 还应用数码相机完善患者病历和病情发展 记录，并能跟踪伤口的痊愈情况。这些功能意味着从病人入院起到医生诊断、手术室、 病房等信息的获得将更为有效和及时，并且可以帮助医护人员进行治疗诊断，提高护理 质量及病人的满意度。 松下公司推出了t o u g h b o o kh 1 ，一个高耐用性的移动医疗助理( m c a ) 设备。这 也是首个集成有低功耗英特尔a t o m 微处理器的设备。 目前，一些医院的门诊服务业开始应用一些基于w i n d o w sc e 的手持设备，采用与 p d a 相同的操作系统和功能，改进医院的护理服务，但其尺寸和功能方面均不适合。 1 4 课题的主要研究内容 本文在对比当前数字化医疗助理设备的基础上，结合国内医疗机构的实际情况及嵌 入式系统的开发现状，采用a r m ll 微处理器作为核心，以大容量f l a s h 为储存模块，同 时提供外围u s b 2 0 、r j 4 5 、w a p i 和w i f i 、s d 卡等接口，采用w i n d o w sc e 6 0 嵌入式操 作系统的应用平台。在本系统中，有以下几个主要的方面： ( 1 ) 分析当前市场上常见的嵌入式微处理器和嵌入式操作系统，选取操作系统和处 理器及开发板，根据系统设计定制w i n d o w sc e 操作系统，建立系统开发环境，详细分 3 湖北大学硕士学位论文 析了b o o t l o a d e r 的s t a r t u p 函数代码，并在此基础上，移植了b o o t l o a d e r ( 2 ) 研究了w i n d o w sc e 中的驱动模型，介绍了流接口驱动，在此基础上分析了u s b 驱动程序并移植了u s b 摄像头的驱动程序。并实现了以d i r e c t s h o w 为基础的图像采集 应用程序。 ( 3 ) 研究了j p e g 图像的编码解码中o c t 变换、量化、z i g z a g 扫描以及h u f f m a n 编 码等算法，并以具体的j p e g 文件为例，详细分析了j p e g 文件格式的标记码，为j p e g 解码打下基础。深入研究了$ 3 c 6 4 1 0 中j p e g 的硬件解码模块和相关寄存器的作用，根 据j p e g 实际解码流程分析了j p e g 硬件解码的过程，在分析j p e g 解码a p i 函数的基础 上，实现了图像硬件解码，并测试了不同尺寸的j p e g 图像的解码时间。 4 第二章嵌入式系统概述 2 1 嵌入式系统 第二章嵌入式系统概述 2 1 1 嵌入式系统的定义 嵌入式计算机的真正发展是在微处理器问世之后。1 9 7 1 年1 1 月，i n t e l 公司成功 地把算术运算器和控制器电路集成在一起，推出了第一款微处理器i n t e l4 0 0 4 ，其后 各厂家陆续推出了许多8 位、1 6 位的微处理器，包括i n t e l8 0 8 0 8 0 8 5 、8 0 8 6 ，m o t o r o l a 的6 8 0 0 、6 8 0 0 0 ，以及z i l o g 的z 8 0 、z 8 0 0 0 等。以这些微处理器作为核心所构成的系 统，广泛地应用于仪器仪表、医疗设备、机器人、家用电器等领域。微处理器的广泛应 用形成了一个广阔的嵌入式应用市场，计算机厂家开始大量地以插件方式向用户提供 o e m 产品，再由用户根据自己的需要选择一套适合的c p u 板、存储器板以及各式i o 插 件板，从而构成专用的嵌入式计算机系统，并将其嵌入到自己的系统设备中【3 1 。 目前，对嵌入式系统的定义多种多样，但没有一种是全面的。下面给出两种比较合 理的定义： ( 1 ) 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应 用系统对功能、可靠性、成本、体积及功耗严格要求的专用计算机系统。 ( 2 ) 嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算 机系统。术语“嵌入式反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整的部分，称为嵌 入的系统。嵌入的系统可以共存多个嵌入式系统。 两种定义的出发角度不同，前者是从技术的角度来定义的，后者是从系统的角度来 定义的。事实上，在大多数情况下，嵌入式系统被真正的嵌入，即它们是“系统中的系 统”。不能够或者没有自身的功能。例如，数字机顶盒d s t ( d i g i t a ls e t t o pb o x ) 可以 在许多家庭娱乐场所中找到。数字音频视频解码系统称为a v 解码器( a vd e c o d e r ) ， 是d s t 的一个完整部分，是一个嵌入式系统，它接收单个的多媒体流，并且产生声音和 视频帧作为输出。d s t 从卫星接收的信号中包含多个流或者频道，因此，a v 解码器与 传输流解码器连接工作。传输流解码器也是一个嵌入式系统。传输流解码器解调收到的 多媒体流到分离的频道上，并且只将所选的频道送给a v 解码器。 某些情况下，嵌入式系统在功能上是独立的系统。例如，网络路由器是独立的嵌入 式系统，它由特殊的通信处理器、内存、许多网络访问接口( 称为网络端口) 以及实现包 5 湖北大学硕士学位论文 的路由算法的特殊软件组成。换句话说，网络路由器是一个独立的嵌入式系统，路由包 从一个端口到另一个端口实现程序化的路由算法。 2 1 2 嵌入式系统的构成和特点 嵌入式设备常应用于“特定”的场合，与“通用的”个人电脑相比，具备以下特点 【3 】： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式c p u 与通用型c p u 的最大不同就是， 嵌入式c p u 大多工作在位特定用户群设计的系统中，通常都具有低功耗、体积小、集成 度高等特点。它能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片的内部，从而有利 于嵌入式系统设计趋于小型化，使其移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。 ( 2 ) 嵌入式系统是将现金的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体 应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、 不断创新的知识集成系统 ( 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计，量体裁衣、取出冗杂，力争在 同样的硅片面积上实现更高的性能和更多的功能，这样才能在具体应用中对处理器的选 择更具有竞争力。 ( 4 ) 嵌入式系统和具体应用有机的结合在一起，它的升级换代也是和具体的产品同 步进行的，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，将具有较长的生命周期。 ( 5 ) 为提高执行速度和系统的可靠性，嵌入式形同中的软件一般都固化在存储芯片 和单片机本身中，而不是存储于磁盘等载体中。 ( 6 ) 嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成后用户通常也不能对其中 的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 ( 7 ) 嵌入式系统软件一般要求有较高的实时性，在多任务嵌入式系统中，对重要性 各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提 高处理器速度是无法完成和没有效率的，这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完 成，因此系统软件的实时性是基本要求。 2 1 3 嵌入式系统的发展趋势 嵌入式产业发展迅猛，其产品正不断地渗透至各个行业【3 1 。新一轮汽车、通信、信 息电器、医疗、军事等行业的巨大的智能化装备需求拉动了嵌入式软件及系统的发展。 6 第二章嵌入式系统概述 同传统的通用计算机系统不同，嵌入式系统面向特定应用领域，根据应用需求定制开发， 并随着智能化产品的普遍需求渗透到各个行业。随着硬件技术的不断革新，硬件平台的 处理能力不断提高，硬件成本的不断下降，嵌入式软件已经成为产品的数字化改造、智 能化增值的关键性技术。 目前的因特网技术只连接了百分之五左右的计算装置，大量的嵌入式设备急需网络 连接来提升其服务能力和应用价值。同时以人为中心的普适计算技术正推动着新一轮的 信息技术革命。计算无所不在，嵌入式设备将以各种形态分布在人类的生存环境中，提 供更加人性化、自然化的服务。互联网的“深度 互联和普通计算机“纵向 普及所带 来的计算挑战，将推动嵌入式软件技术向“纵深 发展，催生了新兴嵌入式软件技术。 近十年来，嵌入式处理器得到飞速的发展，微处理器从8 位到1 6 位、3 2 位甚至是 6 4 位；从单一品种的c p u 芯片到支持多种品种的；从单一内核到处理内核外海提供其 他功能模块，如文件系统、t c p i p 网络、窗口图形系统等，并形成包括嵌入式操作系 统、中间平台软件在内的嵌入式软件体系。硬件技术的进步，推动了嵌入式系统软件向 运行速度更快、支持功能更强、应用范围更广、开发更便捷的方向不断发展。 随着嵌入式系统应用的不断深入和产业化程度的不断提高，新的应用环境和产业化 需求对嵌入式系统提出了更加严格的要求。在新需求的推动下，嵌入式操作系统内核不 仅需要有微型化、高实时性等基本特征，还将向高可靠性、自适应性、构建组建化方向 发展。支撑开发环境将更加集成化、自动化、人性化，系统软件对无线通信和能耗管理 的功能也将日益完善和强大。总的来说，嵌入式系统的发展趋势有如下几个特点。 ( 1 ) 嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持； ( 2 ) 联网成为必然趋势； ( 3 ) 支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本； ( 4 ) 提供精巧的多媒体人机界面； 2 2 嵌入式处理器 2 2 1 嵌入式处理器简介 普通个人计算机( p c ) 中的处理器是通用目的的处理器，其设计非常丰富，因为这些 处理器提供全部的特性和广泛的功能，故可以应用于各种应用中【4 1 0 使用这些通用处理 器的系统有大量的应用编程资源。例如，现代处理器既有内置的内存管理单元( m m u ， 7 湖北大学硕士学位论文 m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) ，提供内存保护和多任务处理能力的虚拟内存和通用目的的 操作系统。这些通用的处理器具有先进的高速缓存逻辑，许多还具有执行快速浮点运算 能力的内置数字协处理器。他们提供接口，支持各种各样的外部设备，而且能耗较大， 产生的热量也较多，同时尺寸也较大，其复杂性也意味着这些处理器的制造成本较高。 而嵌入式处理器则针对不同的需求，有不同的设计。例如 有些嵌入式处理器注重其尺寸、能耗和价格。例如，为个人数字助理( p d a ) 设备选 择的就没有浮点的协处理器，因为在此类设备中，浮点运算没有必要，需要的时候使用 软件仿真即可满足。 有些嵌入式处理器更关注性能。这些处理器功能很强，并用先进的芯片设计技术封 装，如先进的管道线和并行处理体系结构。这些处理器设计满足那些通用目的的处理器 难以达到的密集型计算的应用需求。新出现的高度特殊的高性能的嵌入式处理器，包括 为网络设备和电信工业开发的网络处理器。 还有些嵌入式处理器关注全部的4 个需求性能、尺寸、功耗和价格。例如，移 动电话中的嵌入式数字信号处理器( d s p ) 具有特殊的计算单元、内存的优化设计、寻址 和多个处理能力的总线体系结构，这样的d s p 可以非常快地实时处理复杂的计算。在同 样的时钟频率下，d s p 执行数字信号处理要比通用目的的处理器速度快若干倍。 片上系统( s o c ) 处理器是嵌入式系统发展的最新成果。s o c 处理器具有c p u 内核并 带内置外设模块。如可编程通用目的的计时器、可编程终端控制器、d m a 控制器和以太 网接口等。这样的设计可以用于各种嵌入式应用，而不需要额外的添加外部设备，减少 了成本和尺寸的同时，也提高了系统的稳定性，降低了系统的功耗。 2 2 2 嵌入式处理器分类 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。范围极其 广阔，从最初的4 位处理器，目前仍在大规模应用的8 位单片机，到最新的受到广泛青 睐的3 2 位，6 4 位嵌入式s o c 。 而目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1 0 0 0 种，流行体系结构包括 m c u ，m p u 等3 0 多个系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前景，很多半导体制造商都大规 模生产嵌入式处理器，并且公司自主设计处理器也已经成为了未来嵌入式领域的一大趋 势，其中从单片机、d s p 到f p g a 有着各式各样的品种，速度越来越快，性能越来越强， 价格也越来越低。目前嵌入式处理器的寻址空间可以从6 4 k b 到1 6 m b ，处理速度最快可 8 第二章嵌入式系统概述 以达到2 0 0 0m i p s ，封装从8 个引脚到1 4 4 个引脚不等。 根据其现状，嵌入式处理器可以分成下面几类1 4 j ： ( 1 ) 嵌入式微处理器( m i c r op r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变而来的。它的特征是具有3 2 位以上 的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是，在 实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部 分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比， 嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处 理器类型有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c - 4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m s t r o n g a r m 系 列等。其中a r m s t r o n g a r i l l 是专为手持设备开发的嵌入式微处理器，属于中档的价位。 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r 0 1 1 e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器的典型代表是单片机，从7 0 年代末单片机出现到今天，虽然已经 经过了2 0 多年的历史，但这种8 位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛 的应用。单片机芯片内部集成r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、看门 狗、i 0 、串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要功能和 外设。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使 功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片 上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。 一 由于m c u 低廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代表性的 包括8 0 5 1 、m c s - 2 5 1 、m c s 一9 6 1 9 6 2 9 6 、p 5 1 x a 、c 1 6 6 1 6 7 、6 8 k 系列以及m c u8 x c 9 3 0 9 3 1 、 c 5 4 0 、c 5 4 1 ，并且有支持1 2 c 、c a n b u s 、l c d 及众多专用m c u 和兼容系列。目前m c u 占 嵌入式系统约7 0 的市场份额。近来a t m e l 出产的a v r 单片机由于其集成了f p g a 等器 件，所以具有很高的性价比，势必将推动单片机获得更高的发展。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行 了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度。在数字滤波、f f t 、谱分析等各 种仪器上d s p 获得了大规模的应用。 d s p 的理论算法在7 0 年代就已经出现，但是由于专门的d s p 处理器还未出现，所 以这种理论算法只能通过m p u 等由分立元件实现。m p u 较低的处理速度无法满足d s p 的 算法要求，其应用领域仅仅局限于一些尖端的高科技领域。随着大规模集成电路技术发 9 湖北大学硕士学位论文 展，1 9 8 2 年世界上诞生了首枚d s p 芯片。其运算速度比m p u 快了几十倍，在语音合成 和编码解码器中得到了广泛应用。至8 0 年代中期，随着c m o s 技术的进步与发展，第二 代基于c m o s 工艺的d s p 芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为 语音处理、图像硬件处理技术的基础。到8 0 年代后期，d s p 的运算速度进一步提高， 应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。9 0 年代后，d s p 发展到了第五代产 品，集成度更高，使用范围也更加广阔。 目前最为广泛应用的是t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 系列，另外如i n t e l 的m c s - 2 9 6 和s i e m e n s 的t r i c o r e 也有各自的应用范围。 ( 4 ) s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 片上系统 s o c 追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领域的热门话题之一。 s o c 最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码 模块。而且s o c 具有极高的综合性，在一个硅片内部运用v h d l 等硬件描述语言，实现 一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点 点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处 理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于绝大部分系统 构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高 了系统的可靠性，提高了设计生产效率。 由于s o c 往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，比较典型的s o c 产品是 p h i l i p s 的s m a r tx a 。少数通用系列如s i e m e n s 的t r i c o r e ，m o t o r o l a 的m - c o r e ，某 些a r m 系列器件，e c h e l o n 和m o t o r o l a 联合研制的n e u r o n 芯片等。 2 2 3a r m 处理器 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司是专门从事r i s c 技术芯片设计