（物理电子学专业论文）基于linux的医疗pda系统.pdf

摘要 本课题为横向课题，是天津理工大学与天津唐邦科技公司联合开发的项目，基于 l i n u x 的医疗p d a 系统。随着人们生活水平的提高，人们对医疗服务的需求同益提高。除 了希望获得更完善的照顾，更进一步要求医疗服务素质，及工作效率。医疗机构为了在 工作量增加的情况下，保持服务素质的水平，同时提高工作效率，开始寻求可能的解决 方案，本设计就是基于这个要求开发的。 当今的医疗设备正朝微型化、智能化的主流方向发展，传统的单纯以5 1 为核的医疗 传感设备因其简的陋机能和界面已有被取代之势。本系统采用优龙公司的f s 2 4 1 0 开发板 作为硬件平台，其c p u 为三星公司生产的$ 3 c 2 4 1 0 a 。$ 3 c 2 4 1 0 a 以a r m 9 2 0 t 为核，同时具有 丰富的外围设备接口可供扩展使用，足以满足我们的应用需要。 另一方面，利用l i n u x 搭建嵌入式操作系统是近年来出现的最令人振奋的方案。 这有多方面的原因。首先，运行在嵌入式系统上的l i n u x 能够提供全功能的桌面计算 ( d e s k t o pc o m p u t i n g ) ，且由于其开放代码，定制变得非常方便。其次，l i n u x 已经 支持大多数嵌入式系统上使用的芯片，包括s t r o n g a r m ，m i p s 和p o w e r p c 。最后，l i n u x 是免费的，使用l i n u x 不需要付出任何费用。现今风行世界的l i n u x 操作系统，本着开 放自由的精神，吸引了全世界的目光，越来越多的程序员加入到它的行列中来。所以利 用l i n u x 作为底层操作系统，在其上进行实时化改造，建立一个具有实时应用能力的 操作系统是现在日益流行的嵌入式操作系统的解决方案。我们在此硬件平台上移植 l i n u x 和q t ，再搭建上相应的应用软件系统就是我们集医疗与娱乐于一身的新型医疗传 感设备。 本论文详细介绍了采用l i n u x 操作系统为上位机信息处理平台的p d a 系统的总体结构 和软件设计。以基于l i n u x 的医疗p d a 系统开发流程为主线，重点论述了系统开发平台的 选择和搭建，包括硬件平台和软件平台，构建了系统的整体结构以及各软件功能模块的 实现，同时将该系统软件在特定的硬件平台上进行嵌入与实现。本文的主要内容如下所 不： 1 ，简单介绍了p d a 的起源、概念、特点，国内外医疗电子器的发展现状，从而得出 了本设计的课题意义。 2 ，以对优龙公司的f s 2 4 1 0 的介绍为主线，介绍了a r m 9 处理器，$ 3 c 2 4 1 0 的内存管理 模块以及m t d 技术。 3 ，讲述了本设计软件的搭建过程。包括u - b o o t 和l i n u x 操作系统的介绍以及在本系 统上的移植。 4 ，介绍了数据库开发工具s q l i t e 3 3 8 和媒体播放器m p l a y e r 在本系统上的移 植，数据库的开发工具为s q l i t e 3 3 8 。s o l i t e 是d 理查德希普开发的用一个小型c 库实现的一种强有力的嵌入式关系数据库管理体制。它提供对s q l 9 2 的大多数支持：多 表、索引、事务、视图、触发和一系列的用户接口及驱动。本设计讲述了医疗信息库的 设计和实现的关键代码。 关键词：p d al i n u x 操作系统q tu b o o t a b s t r a c t t h i sd e s i g ni sap r o j e c tj o i n t l yd e v e l o p e db yt a n g b a n gt e c h n o l o g yc o m p a n i e sa n d t i a n ji nu n i v e r c i t yo ft e c h n o l o g y , m e d i c a lp d as y s t e mb a s e do nl i n u x a st h ei m p r o v e m e n t o fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d s ，d e m a n df o rm e d i c a ls e r v i c e si sr i s i n g a p a r tf r o mt h eh o p et h a t b e t t e ra c c e s st o c a r e ，e v e nt h em e d i c a ls e r v i c eq u a l i t ya n de f f i c i e n c y i s a s k e dm e d i c a l i n s t i t u t i o n si no r d e rt oi n c r e a s e dw o r k l o a da n dm a i n t a i nt h el e v e lo fs e r v i c e sq u a l i t yw h i l e i m p r o v i n gw o r ke f f i c i e n c y , b e g a nt o s e e kp o s s i b l es o l u t i o n s t h i sd e s i g ni sb a s e do nt h e r e q u i r e m e n t so f a b o v es i t u a t i o n s t o d a y sm e d i c a le q u i p m e n ti sm o v i n g t om i c r oa n di n t e l l i g e n td i r e c t i o n ，t h et r a d i t i o n a l m e d i c a ls e n s i n gd e v i c e so f51 ，b e c a u s eo ft h e i rh u m b l es i m p l ef u n c t i o na n di n t e r f a c e ，h a st h e t r e n do fb e i n gr e p l a c e d t h es y s t e mu s e st h ey i u z h o u se x c e l l e n tf s 2 410d e v e l o p m e n tb o a r d a sh a r d w a r ep l a t f o r mw i t ht h ec p u ，$ 3 c 2 4 1 0 a ，m a n u f a c t u r e db ys a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 a u s e s a r m 9 2 0 ta sc o r e i th a sar i c hi n t e r f a c ef o rp e r i p h e r a ld e v i c e st oe x p a n dt h eu s e s o ，i t s s u f f i c i e n tt om e e tt h en e e d so fo u ra p p l i c a t i o n f o rac o u p l eo fg o o dr e a s o n s ，o n eo ft h em o s tp r o m i s i n ge m e r g i n ga r e a ss e e m st ob e r u n n i n gl i n u xi nt h e s ee n v i r o n m e n t s l i n u xo ne m b e d d e ds y s t e m sb r i n g sw i t hi tt h ee n t i r e p o w e ro fd e s k t o pc o m p u t i n g ，a l o n gw i t hm a n ys o l u t i o n sa l r e a d yr u n n i n g l i n u x ，b e i n go p e n s o u r c e ，a l l o w sa n ya s p e c to ft h es o l u t i o nt ob ef u l l yu n d e r s t o o da n dt h e nc u s t o m i z e df o ra p a r t i c u l a ra p p l i c a t i o n l i n u xa l s os u p p o r t sa l lt h en e wm i c r o p r o c e s s o r st y p i c a l l yi n c l u d e di n e m b e d d e dd e s i g n s ，i n c l u d i n gs t r o n g a r m ，m i p sa n dp o w e r p c f i n a l l y , l i n u xi sf r e e ，w i t hn o r o y a l t yp a y m e n t sr e q u i r e df o ri t su s e s ou s i n gl i n u xa so p e r a t i n gs y s t e m w i t hag u is y s t e m b u i l to ns e e m st ob eag o o ds o l u t i o n w et r a n s p l a n t a t i o nl i n u xh a r d w a r ep l a t f o r m sa n dq t ， a n dt h e ns e tu pt h ea p p r o p r i a t ea p p l i c a t i o ns o f t w a r es y s t e mt h a tw es e tt h em e d i c a la n d e n t e r t a i n m e n ti nan e wt y p eo fm e d i c a ls e n s i n gd e v i c e s t h i sp a p e rd e s c r i b e st h eu s eo fl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mf o rt h ep cp l a t f o r mf o rp d a i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs y s t e m ，t h eo v e r a l ls t r u c t u r ea n ds o f t w a r ed e s i g n f o l l o w i n gt h em a i n l i n eo fl i n u x b a s e dm e d i c a lp d as y s t e md e v e l o p m e n tp r o c e s st h em a i nl i n e ，t h i sd e s i g n f o c u s e so nt h et r u c t u r eo fd e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，i n c l u d i n gt h eh a r d w a r ep l a t f o r ma n d s o f t w a r ep l a t f o r m ，a n dh o wt os e t u pt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h es y s t e ma n dt h es o f t w a r e m o d u l e s ，w h i l ei m p l e m e n tt h es y s t e ms o f t w a r ei nt h es p e c i f i ch a r d w a r ep l a t f o r m t h em a i n c o n t e n t so ft h i sd e s i g ni sa sf o l l o w s ： 1 ，ab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ec o n c e p tt h ep d a ，t h es t a t u so fd e v e l o p m e n to fm e d i c a l e l e c t r o n i cd e v i c e s s oa st oa r r i v ea tt h es u b j e c to ft h es i g n i f i c a n c eo ft h ed e s i g n 2 ，f o l l o w i n gt h em a i n l i n eo fi n t r o d u c t i o nt of s 2 4 10 ，i n t r o d u c e da r m 9p r o c e s s o r , $ 3 c 2 410m e m o r ym a n a g e m e n tm o d u l e ，a sw e l la sm t d t e c h n o l o g y 3 ，d e s c r i b e st h ep r o c e s so fb u i l d i n gd e s i g ns o f t w a r e i n c l u d i n gu - b o o ta n dl i n u x o p e r a t i n gs y s t e m sa sw e l la si nt h es y s t e mi n t r o d u c e do nt h et r a n s p l a n t 4 ，i n t r o d u c e dt h et r a n s p l a n to fad a t a b a s ed e v e l o p m e n tt o o l s q l i t e 3 3 8a n dm e d i a p l a y e r - m p l a y e r , d e s c r i b e dt h ed e s i g no fm e d i c a li n f o r m a t i o nd a t a b a s ei nt h i sd e s i g na n dr e a l i z a t i o n o f t h ek e yc o d e k e yw o r d s ：p d a ，l i n u xo p e r a t i o ns y s t e m ，q t , u b o o t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 墨盗墨墨盘望 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：孑錾背切 签字日期： 汐夕年月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨墨盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权叁洼墨兰太望可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期： 口7 年 老扬 月矽日 导师签名： 签字日期： d 哆年2 月仞日 | 第一章绪论 1 1 课题意义 第一章绪论 p d a ( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ) 是美国a p p l e 公司执行总裁j o h ns c u l l e y 于19 9 2 年1 月提出的一个产品概念。之后，a p p l e 公司在1 9 9 3 年初正式发布了第一个p d a 产品 n e w t o nm e s s a g e p a d 。美国b y t e 杂志一位资深的撰稿人t o mr h a l f h i l l 曾为p d a 下 过这样一个定义：p d a 是一个面向广大非专业用户的计算和通信的设备，它不仅为用户提 供各种通用软件，而且可以用笔对这些软件进行操纵，并且十分便于携带，可在各种场合下 使用。从t o mr h a l f h i l l 为p d a 下的定义中可以得出：p d a 系统是一种完全不同于已有 的各类计算机系统的新型设备，它应具备以下6 个特征： ( 1 ) 体积小，便于携带p d a 的重量应在1 磅左右，可方便地握在手中或放在衣服的 口袋里。 ( 2 ) 具有很强的通信能力p d a 应可外接m o d e m 或带有内置的m o d e m ，通过有线 或无线的方式发送和接收数据。 ( 3 ) 具有良好的人机界面p d a 以笔替代键盘作为主要输入手段，并逐步向语音输 入过渡。 ( 4 ) 具有适用的应用软件p d a 不但囊括了电子记事本的所有功能，如日程管理、 地址管理和电话号码管理等，同时，还具有一些台式微机才提供的软件，如文字处理软件和 电子表格软件等。 ( 5 ) 价格低廉，易于接受p d a 的价格应不高于3 0 0 美元，甚至接近2 0 0 美元。 ( 6 ) 可长时间地在无交流电源的场所使用p d a 应采用可降低电源消耗的软硬件 措施，并配备高容量的电池。它通常应能在不更换电池或不重新充电的条件下，连续使用 4 8 小时以上。 由于具有体积小、携带方便等优点，因此p d a 在金融、公安、航空等移动性和数 据更新性比较高的行业中有着较广泛的应用。但目前在中国，在医疗行业中应用案例不 多。随着医疗对移动性要求的提高，p d a 在我国医疗行业中应用有着巨大的潜力，将是 临床医护的一个发展的趋势i l j 。 在如今，随着人口逐渐增加，人们对医疗服务的需求日益提高。除了希望获得更完 善的照顾，更进一步要求医疗服务素质，及工作效率。医疗机构为了在工作量增加的情 况下，保持服务质量的水平，同时提高工作效率，开始寻求可能的解决方案，协助管理 工作流程，简化工作程序，并节省开支。p d a 的便携性及无线传输功能，可以一次解 决以上的问题。 第一章绪论 1 2 国内外的研究现状 在大陆还没有一个成功的医疗行业p d a 应用案例。目前，病历管理电子化已成为医 院管理亟待解决的问题。大陆医院大部分仍采用手工操作，用纸张作为传递载体，效率 很低；大陆部分医院有了自己的内部信息系统，但都是采用事后将医生诊断和处方信息 录入计算机的办法，这样工作量大，容易出错；病房管理目前都是采用手工方式。 欧美国家已经将嵌入式系统大量应用于医院，特别是应用于p d a 上的医学大全和药 典参考。此外，还有应用于临床的基于p d a 的病人跟踪系统。美国的b i c 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。由移动数据库驱动的r e a d ys c r i p t 应用允许医生以开具电子方式传送的处方。 此外r e a d ys c r i 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， 医生可以经由i n t e m e t 或其他电子连接将处方以电子方式传送到患者选择的药房。 台湾的新光医院和长庚医院都实施了移动医疗整合系统。该系统包括移动住院医药 嘱子系统、移动住院护嘱子系统和移动居家照护子系统。从台湾数家医院的应用情况看， p d a 应用效果显著。 ( 1 ) 提高了工作效率，增加医院的竞争力。 ( 2 ) 减少了医院文件输入时间，降低人力资源投入和耗材成本。 ( 3 ) 操作简单，可以与服务器数据双向同步。 ( 4 ) 即时信息存取，降低医疗错误率。 ( 5 ) 实施移动化的医院，提高医院的管理水平，树立了优良的品牌。据有关资料报 道，台湾一些医院在移动式医疗信息管理建设方面已超过欧美等国家，走在世界的前列。 1 3 本文的主要工作 本文主要针对国内现阶段对便携式电子医疗设备的需求，设计并实现一个具有良好 扩展能力、可以灵活配置的基于l i n u x 操作系统和a r m 9 核的医疗p d a 系统原型。该 p d a 除了以便携、互动、网络的方式储存病人病例和医学大全、药典参考等信息外，还 具有播放m p 3 ，m p 4 等娱乐功能。在此基础上，根据用户的需求，可以设计开发相应 的扩展模块。本文重点对以下几个方面的问题进行了研究： 第一章绪论。简单介绍了p d a 的起源、概念、特点，随后介绍了国内外医疗电子 器械的现状，对开发新型医疗p d a 的必要性做了分析。最后介绍了课题的研究目标和 本文的研究内容。 第二章本设计硬件平台的选型。本章以优龙公司的f s 2 4 1 0 的架构为主线，分别介绍 了a r m 核的体系结构、主要生产厂商、$ 3 c 2 4 1 0 的接口电路，并对$ 3 c 2 4 1 0 的内存接 口模块进行了详细的阐述。之后，简单介绍了n a n df l a s h 和n o rf l a s h ，并给出了本 设计内存模块的接口电路。最后对本文所使用的l i n u x 操作系统的内存管理模块m t d 技术进行了重点介绍。 第一章绪论 第三章医疗p d a 系统软件平台的搭建。本章首先介绍了本设计采取l i n t t x 操作系 统和u b o o t 的原因，接着介绍了b o o t l o a d e r 的基本功能和作用，通用b o o t l o a d e ru b o o t 以及u b o o t 在本设计硬件平台上的移植。然后对k e r n e l 2 6 2 0 到本硬件平台的移植做了 详细的讲解，其中包含网卡驱动的移植。本章最后讲述了本设计文件系统的移植和图形 界面的搭建。 第四章p d a 应用系统的软件设计与实现。本章是嵌入式p d a 应用系统的实现部分。 首先介绍了数据库的开发工具为s q l i t e 3 3 8 ，其a p i 的调用机制以及其在本设计软硬件 平台上的移植。随后对l i n u x 史上功能最强的媒体播放器m p l a y e r 进行了简单介绍，并 对m p l a y e r 在本设计软硬件平台上的移植实现进行了详细的介绍，包括修改音频驱动程 序部分。 第五章总结与展望。对本文工作进行总结，同时对未来的研究工作提出了几点设想。 第二章硬件平台的设计 第二章硬件平台的设计 在应用于工控领域的微控制器种类繁多，目前广泛应用的有低成本的5 1 系列8 位 单片机、主要用于数字信号处理方向的数字信号处理器( d s p ) 、成本较高的增强型的1 6 位单片机以及3 2 位的a r m 结构的芯片。 d s p 器件更适合与专业信号处理领域的应用，其结构功能的设计就是用于有大规模 数字信号计算和处理的场合。从现阶段各种d s p 器件的应用范围来看，其一部分偏重 高端图像处理应用领域，如影音多媒体图像的处理。另一部分侧重于实时信号处理领域， 如雷达信号的处理等。而且目前其价格较高，开发技术难度大，因此其不适合在本终端 系统中使用。 a r m 芯片具有体积小、功耗低、高成本和高性能的特点，而且其硬件的协处理器 在内存的控制方面有强大的性能，加之其在嵌入式操作系统平台上的成功应用案例日趋 成熟，很多高端的手持设备对其青睐尤佳，比如：基于嵌入式l i n u x 操作系统或w i n c e 操作系统的p d a 和手机、基于其它实时操作系统的测量设备等。但是由于其成本的原 因，不适合应用在本终端系统的控制环境，但其非常适合于本设计中基于w i n c e 系统的 上位机平台中。 基于嵌入式l i n u x 操作系统的医疗p d a 系统的设计主要针对现阶段便携式医疗系 统所普遍存在的问如：运算速度较慢，数据存储能力有限，功能单一，界面简陋等等问题， 做了根本性地改进。基于这个要求我们选取北京“优龙”的f s 2 4 1 0 作为硬件平台。 f s 2 4 1 0 开发板采用s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 1 0 作为c p u ，并在$ 3 c 2 4 1 0 提供的强大 功能和丰富接口上，通过进一步的扩展，实现了一个完整的、适合于多种应用领域的嵌 入式参考设计和实验系统。 2 1f s 2 4 10 开发平台 f s 2 4 1 0 6 1 1 平台采用的是核心板+ 功能板的模式，核心板具有最小系统运行所需要的 硬件，包括c p u ，f l a s h ，s d r a m ，c p l d 。接5 v 的外接电源即可单独上电运行，而 且功能板上面配制了j t a g 口、串口、网口，可分别完成程序的下载、调试工作。以下 为f s 2 4 1 0 开发板简介： ( 1 ) c p u ：三星$ 3 c 2 4 1 0 ，主频2 0 3 m h z ； ( 2 ) 内存：6 4 m 字节； ( 3 ) n a n df l a s h ：6 4 m 字节( k 9 f 1 2 0 8 ) ( 4 ) 两个三线异步串行口； ( 5 ) 一个1 0 m 网口，采用c s 8 9 0 0 q 3 ，带联接和传输指示灯； ( 6 ) 两个u s b l 1h o s t 接口； 第二章硬件平台的设计 ( 7 ) 一个u s b l 1d e v i c e 接口； ( 8 ) 一个i r d a 红外线数据通讯口； ( 9 ) 采用s 接口芯片u d a l 3 4 1 ，一路立体声音频输出接口可接耳机或音箱； ( 1 0 ) 支持录音，板子自带驻机体话筒，可直接录音，另有一路话筒输入接口可 接麦克风； ( 1 1 ) 一个s d 卡接口，可接2 5 6 ms d 卡； ( 1 2 ) 一个1 0 针的a d 接口； ( 1 3 ) 一个i d e 接口( 接口信号均加了7 4 l v t h l 6 2 2 4 5 驱动) ，可直接挂接硬盘； ( 1 4 ) 板上集成了4 线电阻式触摸屏接口的相关电路； ( 1 5 ) 一个5 0 芯l c d 接口引出了l c d 控制器的全部信号，并且这些信号引脚都 加了7 4 l v 3 2 4 5 电平转换驱动，所以l c d 输出更加稳定可靠； ( 1 6 ) 支持黑白、4 级灰度、1 6 级灰度、2 5 6 色、4 0 9 6 色s t n 液晶屏，尺寸从 3 5 寸到1 2 1 寸，屏幕分辨率可达到1 0 2 4 7 6 8 象素； ( 1 7 ) 标准配置为夏普2 5 6 k 色2 4 0 x 3 2 0 3 5 英寸t f t 液晶屏，带触摸屏； ( 1 8 )内部实时时钟( 带有后备锂电池) ； ( 1 9 ) 一个复位按键，并采用专用复位芯片进行复位，稳定可靠； ( 2 0 ) 一个2 0 芯m u l t i i c e 标准j t a g 接口，支持s d t 2 5 l ，a d s l 2 等调试； ( 2 1 ) 5 v 电源供电，带电源开关和指示灯； ( 2 2 ) 四个小按键； ( 2 3 ) 一个蜂鸣器( 带使能控制的短路块) ； ( 2 4 ) 一个5 0 芯2 毫米间距双排标准连接器用作扩展口，引出了地址线、数据 线、读写、片选、中断、1 0 口、a d c 、5 v 和3 3 v 电源、地等用户扩展可能用到的信 号； 2 2a r m 处理器 删，可以认为是一个公司的名字，也可以认为是一类微处理器的统称，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，主要出售芯片设计技术的授 权。目前，采用a r m 技术知识产权核的微处理器，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大约 占据3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正逐步渗入到生活的各个方 面【5 】。 2 2 1a r m 处理器系列 a r m 5 9 】微处理器目前包括a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l0 e 、s e c u r c o r e 、i n t e l 的s t r o n ga r m ，i n t e l 的x s c a l e 系列，以及其他厂商基于a r m 体系结构的处理器，除 了具有a r m 体系结构的共同点外，每个系列的a r m 微处理器都有各自的特点和应用 领域。其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l 0 e 位4 个通用处理器系列，每个系列 第二章硬件平台的设计 提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。a r m 7 系列适用于工业控制、网 络设备、移动电话等应用；a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l 0 e 系列更适合无线设备、消费类 电子产品的设计；s e c u r c o r e 系列专门为安全较高的应用而设计，例如，电子商务、电 子政务、电子银行业务等领域。s a m s u n g 的$ 3 c 2 4 1 0 微处理器是便携式通信产品和消费 类电子产品的理想选择，已成功用于多家公司的掌上电脑系列产品。 2 2 2a r m 核和指令架构 a r m 核分为两类，一类称为处理器核，包含a r m 7 t d m i 、a r m 8 、s t r o n ga r m ， a r m 9 t d m i 以及a r m l 0 t d m i ；另一类成为c p u 核，是在各种处理器核基础之上集成 优化c a c h e 和m m u 后形成的。已能以独立的c p u 芯片提供给用户，与处理器核相比， 它具有更好的性能和对嵌入式操作系统的支持，各种处理器核可以作为软i p 模块或者 硬i p 模块嵌入到各种不同的应用之中，从而形成相应的s o c 系统芯片。 2 2 3a r m 体系的程序模型 ( 1 ) 处理器模式 a r m 9 2 0 t 支持7 种运行模式，分别为： 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 iq ) ，用于高速数据传输或通道处理； 3 ) 外部中断模式( i r q ) ，用于通用的中断处理； 4 ) 管理模式( s v c ) ，操作系统使用的保护模式； 5 ) 数据访问终止模式( a b t ) ，当数据或指令预取终止时进入该模式， 及存储包含； 6 ) 系统模式( s y s ) ，运行具有特权的操作系统任务； 7 ) 未定义指令中止模式( u n d ) ，当未定义的指令执行时进入该模式， 协处理器的软件仿真。 可用于虚拟存储 可用于支持硬件 a r m 微处理器的运行模式可以通过软件改变，也可通过外部中断或异常处理来改 变，大多数应用程序运行在用户模式下，当处理器运行于用户模式下时，某些被保护的 系统资源不能被访问。 除了用户模式以外，其余的6 种模式称为非用户模式或特权模式；其中除去用户模 式和系统模式以外的5 种又称为异常模式，常用于处理中断或异常，以及访问受保护的 系统资源等情况。 ( 2 ) 寄存器分配 a r m9 2 0 t 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。在a r m 状态下，任一时刻可以访问1 6 个通用寄存器和 1 2 个状态寄存器，在非用户模式下，可以访问特定模式分组寄存器。 在a r m 状态下有1 6 个直接访问寄存器r 0 一r 1 5 ，除r 1 5 寄存器外均为通用目的， 可用来存储数据或地址，除此之外，还有1 7 个寄存器用来存储状态信息。r 1 4 称为子 第二章硬件平台的设计 程序连接寄存器，当执行b l 子程序调用指令时，r 1 4 中得到r 1 5 的备份，在其他情况 下，r 1 4 用做通用寄存器，r 1 5 用作程序计数器，在a r m 状态下，位 1 ：0 】为0 ，位【3 1 ：2 】 用于保存p c ；在t h u m b 状态下，位【o 为o ，位【3 1 ：1 用于保存p c 。寄存器r 1 6 用于 保存当前程序状态寄存器( c p s r ) ，c p s r 可以在任何运行模式下被l i n u x 在$ 3 c 2 4 1 0 目 标板的移植及其应用研究访问，它包括条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志 位，以及一些相关的控制和状态位。 每一种非用户模式下都有一个专用的物理状态寄存器，当异常发生时，s p s r 用于 保存c p s r 的当前值，从异常退出时则可由s p s r 来恢复c p s r 。 ( 3 ) 异常处理 当在程序的运行之中发生外部或内部事件需要处理器立即进行处理时，就产生一个 异常，表2 1 给出了a r m 支持的7 中异常处理方式。 表2 1a r m 的7 种异常处理方式 t a b l e2 1t h e7a b n o r m a la p p r o a c ho f a r m 异常方式处理该异常的处理器模式异常向量 系统复位 s v c0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 未定义指令u n d 0 x 0 0 0 0 0 0 0 4 软件中断 s v c0 x 0 0 0 0 0 0 0 8 指令预取内存错误 a b t0 x 0 0 0 0 0 0 0 c 数据访问内存错误 a b t0 x 0 0 0 0 0 0 1 0 一般中断i r q o x 0 0 0 0 0 0 18 快速中断f i q 0 x 0 0 0 0 0 0 1 c ( 4 ) 输入输出系统 a r m 对输入输出的外部设备是作为内存映像形式处理的，i o 映射的寄存器地址与 内存一样，都是统一编址的，访问这些外部设备可以采用读取和设置这些地址，与访问 内存地址一样，唯一的区别就是i o 寄存器是“读敏感”的，每次读的值都可能不一样， 因此它们不能被缓冲和缓存。 2 2 4 $ 3 c 2 4 1 0 处理器 $ 3 c 2 4 1 0 t 6 0 】是韩国s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器，主频高达2 0 3 m h z 。 该芯片基于a r m 9 2 0 t 内核，采用五级流水线和哈佛结构，提供1 1 m i p s m h z 的性能， 为手持设备和一般性嵌入式应用提供了一个高性价比、低功耗、高性能的解决方案。独 立的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ，m m u 虚拟内存管理单元，使得程序运行以 及数据存储更加高效，并可以支持w i n c e n e t ，l i n u x 和u c o s i i 等多种业内主流的操 作系统。它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适合于低成本和功耗敏感的应用。 它采用了a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e r b u sa r c h i t e c t u r e ( a m b a ) 新型总线结构并且集成了大 量的功能单元，包括： 第二章硬件平台的设计 ( 1 ) 内部1 8 v ，存储器3 3 v ，外部i 0 3 3 v ，1 6 k b 数据c a c h e ，1 6 k b 指令c a c h e ， m m u ( 2 )内置外部存储器控制器( s d r a m 控制和芯片选择逻辑) ( 3 ) l c d 控制器，一个l c d 专业d m a ( 4 ) 4 个带外部请求线的d m a ( 5 ) 3 个通用异步串行端口，2 通道s p i ( 6 ) 一个多主1 2 c 总线，一个1 2 s 总线控制器 ( 7 ) s d 主接口版本1 o ( 8 )两个u s bh o s t ，一个u s bd e v i c e ( v e r l 1 ) ( 9 ) 4 个p w m 定时器和一个内部定时器 ( 1 0 ) 看门狗定时器 ( 1 1 ) 1 17 个通用i o ( 1 2 ) 5 6 个中断源 ( 1 3 ) 2 4 个外部中断 ( 1 4 ) 电源控制模式：标准、慢速、休眠、掉电 ( 1 5 ) 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口 ( 1 6 ) 带日历功能的实时时钟 ( 1 7 ) 芯片内置p l l 通过这一系列完整的系统外围设备，大大减少了整个系统的成本，消除了为系统配 置额外器件的需要。 在时钟方面$ 3 c 2 4 1 0 也有突出的特点，该芯片集成了具有日历功能的r t c 和具备 有p l l ( m p l l 和u p l l ) 的芯片时钟发生器。m p l l 产生主时钟，能够使处理器工作频率 最高达到2 0 3 m h z 。这个工作频率能够使处理器轻松运行w i n c e n e t 、l i n u x 等操作系 统以及进行较为复杂的信息处理。u p l l 产生实现主从u s b 功能的时钟。 $ 3 c 2 4 1 0 将系统的存储空间分成8 组( b a n k ) ，每组的大小是1 2 8 m b ，共1 g b 。b a n k 0 到b a n k 6 都采用固定的b a n k 起始寻址，用于r o m 或s r a m 。b a n k 7 具有可编程的b a n k 的起始地址和大小，用于r o m 、r a m 或s d r a m 。所有的存储器b a n k 都具有可编程 的操作周期，支持外部等待信号延长总线周期。 $ 3 c 2 4 1 0 支持从n a n df l a s h 启动，n a n df l a s h 具有容量大、比n o rf l a s h 价格 低等特点。若系统采用n a n df l a s h 与s d r a m 相组合的方式，可以获得非常高的性价 比。可以将引导代码和操作系统镜像存放在外部的n a n df l a s h 中，并从h a n df l a s h 启动。当s 3 c 2 4 1 0 a 在这种模式下上电复位时，内置的n a n df l a s h 控制器将访问控制 接口，将n a n df l a s h 存储器里4 k 大小的引导代码自动加载到s 3 c 2 4 1 0 a 内部的s r a m 缓冲器中运行，这个4 k 的引导代码需将n a n df l a s h 里的操作系统镜像加载到s d r a m 中，在引导代码执行完毕后跳转到s d r a m 执行，这样操作系统就能够在s d r a m 中运 行了。 $ 3 c 2 4 1 0 a 对于片内的各个部件采用了独立的电源供给方式：内核采用1 8 v 供电， 存储单元和i o 采用3 3 v 供电。图2 1 是$ 3 c 2 4 1 0 的内部逻辑图。 第二章硬件平台的设计 2 3 内存模块 图2 1 $ 3 c 2 4 1 0 a 逻辑图 f i g 2 1 $ 3 c 2 410 ab l o c kd i a g r a m $ 3 c 2 4 1 0 提供了外接r o m 、s r a m 、s d r a m 、n o rf l a s h 、n a n df l a s h 的接口。 $ 3 c 2 4 1 0 乡 b 接存储器的空间被分为8b a n k s ，每b a n k 容量为1 2 8 m ：当访问b a n k x ( x 从0 蛩j 7 ) 所对应的地址范围( x 木1 2 8 m 至l j ( x + 1 ) 幸1 2 8 m 1 ，b a n k 6 、7 有稍微差别) 时，片选信 号n g c s x 有效。本文所用的开发板，使用了6 4 m 的n a n df l a s h 和6 4 m 的s d r a m ：n a n d f l a s h 不对应任何b a n k ，它是通过几组寄存器来访问的，在上电后，n a n df l a s h 开始 的4 k 数据被自动地复制到芯片内部一个被称为“s t e p p i n g s t o n e ”的r a m 上。s t e p p i n g s t o n e 被映射为地址0 ，上面的4 k 程序完成必要的初始化；s d r a m 使用b a n k 6 ，它的物理起 始地址为6 木12 8 m = 0 x 3 0 0 0 0 0 0 0 。 另外，$ 3 c 2 4 1 0 支持两种启动模式：一种是从n a n df l a s h 启动；另一种是从外 9 - 第二章硬件平台的设计 部n g c s 0 片选的n o rf l a s h 启动。这两种启动模式可以通过设置o m 引脚的电平来选择。 这两种启动模式的存储分配图如下： 2 3 1s d r a m 接口 图2 2 $ 3 c 2 4 1 0 a 内存映射图 f i g 2 2 $ 3 c 2 410 am e