（测试计量技术及仪器专业论文）生物芯片扫描分析系统——嵌入式系统软件设计.pdf

浙江大学硕t 学位论义 a b s t r a c t b i o c h i pt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di nd i s e a s ed i a g n o s t i c s ，d r u gd i s c o v e r y , a n d g e n ee x p r e s s i o na p p l i c a t i o n s i th a sa t t r a c t e dg r e a ta t t e n t i o n sa l lo v e rt h ew o r l d t h e b i o c h i ps c a na n da n a l y s i ss y s t e ms c a n sa n da n a l y z e sh y b r i d i z a b l es i g n a l q u i c k l y , p a r a l l e l l ya n de f f e c t i v e l y n o w a d a y s ，t h es c a n n e ra n dc o m p u t e ra c c o m p l i s hs c a n n i n g a n di m a g ep r o c e s s i n go fb i o c h i ps e p a r a t e l y , w h i c hl e a d st oc o m p l e xs t r u c t u r e ， i n c o n v e n i e n to p e r a t i o n ，l a r g es i z e ，h i 曲p r i c ea n du n p o p u l a r i t y n o w a d a y s ，e m b e d d e ds y s t e m a n di t sr e l a t e dt e c h n o l o g ya r eu n d e rr a p i d d e v e l o p m e n t t h eb i o c h i ps c a na n da n a l y s i ss y s t e mu t i l i z e se m b e d d e ds y s t e m sh i g h i n t e g r a t i o n ，s m a l ls i z e ，s p e c i a l t y , a n dr e l i a b i l i t yt oi n t e g r a t eb i o c h i p ss c a na n d a n a l y s i sf u n c t i o n s t h i sp a p e rm a i n l yp r e s e n t st h ee m b e d d e ds y s t e ms o f t w a r ed e s i g no ft h eb s a s ( b i o c h i ps c a na n da n a l y s i ss y s t e m ) c h a p t e r1p r o v i d e sa no v e r v i e wo fb i o c h i pt e c h n o l o g y , e m b e d d e ds y s t e m ， e m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma n de m b e d d e dg u is y s t e m ，a n dt r e a t st h e s i g n i f i c a n c eo fd e v e l o p i n gt h eb s a sb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m ，a n dp r o p o s e st h e t a s k so f t l l er e s e a r c hw o r k c h a p t e r2 ，t h eb s a sr e q u i r e sal o to fo p e r a t i o n sa n dp r o c e s s i n go ns c a n n e d i m a g e s ，s ot h eg u is y s t e ms h o u l dp r o v i d ee f f i c i e n ta p i sf o ri m a g ep r o c e s s i n g t h e n i ts t u d i e st h ei m p l e m e n t a t i o n ，a r c h i t e c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i co fe m b e d d e dg u i sb a s e d o nf r a m e b u 玎c ld e s i g n st e s t i n gp r o g r a m st ot e s ts e v e r a le m b e d d e dg u is y s t e m s p e r f o r m a n c e s ( s t a b i l i t y , e f f i c i e n c y ) ，a n df i n a l l yc h o o s e sq t e m b e d d e d a st h e d e v e l o p m e n tp l a t f o r mo f t h eb s a s c h a p t e r3f i r s t l yb r i e f l yd e s c r i b e st h ee m b e d d e ds y s t e mh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e ， a n dt h e ne n u m e r a t e sf u n c t i o n so f s y s t e ms o f t w a r e n e x ti ti sf o c u s e do nt h ee m b e d d e d s y s t e ms o f t w a r ed e s i g no ft h eb s a s d i v i d e st h es o f t w a r ei n t o m o d u l e sa n d i m p l e m e n t st h em o d u l e sr e s p e c t i v e l y d u et o t h el i m i t e dr e s o u r c eo fe m b e d d e d s y s t e m ，t h ep a p e rp r o p o s e sa ne f f i c i e n tm u l t i t h r e a dm o d e l c h a p t e r4c o n c l u d e st h em a i nr e s e a r c hw o r ka n dp r o s p e c t sf u t u r ei m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：b i o c h i p 、e m b e d d e dg u i 、q t e m b e d d e d 、e m b e d d e dl i n u x 、 m u l t i t h r e a d 、e m b e d d e dd a t a b a s e 浙江大学硕士学位论文 1 1 课题背景 1 1 1 生物芯片 第一章绪论 生物芯片( b i o c h i p ) 2 0 】【2 1 】 2 2 1 是指采用光导原位合成或微量点样等方法，将大 量生物大分子( 比如，核酸片段) 生物样品有序地固化于支持物( 如玻片) 的表 面，组成密集二维分子排列，然后与己标记的待测生物样品中靶分子杂交，通过 特定的仪器( 比如，激光共焦生物芯片荧光分析仪) 对杂交信号的强度进行快速、 并行、高效地检测分析，从而判断样品中靶分子的数量。生物芯片技术在疾病诊 断、药物筛选f 2 l 】、基因测序【2 2 等方面都有广泛的应用前景，引起世界各国的广泛 关注和重视。 图1 1 显示了采用分子杂交原理进行生物芯片分析的实验过程【2 7 】【2 ”。 吲l 1 采川分f 尔交原理进仃生物芯”分佝实验过拌 浙江大学硕士学位论文 1 1 课题背景 1 1 1 生物芯片 第一章绪论 生物芯片( b i o c h i p ) 2 0 】【2 1 】 2 2 1 是指采用光导原位合成或微量点样等方法，将大 量生物大分子( 比如，核酸片段) 生物样品有序地固化于支持物( 如玻片) 的表 面，组成密集二维分子排列，然后与己标记的待测生物样品中靶分子杂交，通过 特定的仪器( 比如，激光共焦生物芯片荧光分析仪) 对杂交信号的强度进行快速、 并行、高效地检测分析，从而判断样品中靶分子的数量。生物芯片技术在疾病诊 断、药物筛选f 2 l 】、基因测序【2 2 等方面都有广泛的应用前景，引起世界各国的广泛 关注和重视。 图1 1 显示了采用分子杂交原理进行生物芯片分析的实验过程【2 7 】【2 ”。 吲l 1 采川分f 尔交原理进仃生物芯”分佝实验过拌 浙江大学顾士学位论文 实验过程主要由以下四个步骤组成”7 1 1 2 8 】：芯片的制备、样品的制备、生物分 子反应和信号的检测。 1 芯片的制备：目前制备芯片主要采用表面化学方法或组合化学的方法来 处理片芯( 玻璃片或硅片) ，然后使d n a 片段或蛋白质分子按顺序排列在片芯上。 2 样品的制备：生物样品往往是非常复杂的生物分子混合体，除少数特殊 样品外，一般不能直接与芯片反应。可将样品进行生物处理，获取其中的蛋白质 或d n a 、r n a ，并且加以标记，以提高检测的灵敏度。 3 生物分子反应：芯片上的生物分子之间的反应是芯片检测的关键一步。 通过选择合适的反应条件使生物分子间反应处于最佳状况中，减少生物分子之间 的错配比率。 4 信号检测：常用的芯片信号检测是将芯片置入芯片扫描仪中，通过采集 各反应点的荧光位置、荧光强弱，再经相关软件分析图像，即可以获得有关信息。 目前专用于荧光扫描的扫描仪根据原理不同，分成两类：一种是p m t ( p h o t o m u l t i p l i e rt u b e ，光电倍增管) ，是基于激光共聚焦显微镜原理；另一 种是利用c c d ( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e s ，电荷耦合装置) 摄像原理检测光子的。 c c d 次成像很大面积的区域，但是它的扫描精度不高，适合于临床诊断用：以 p m t 为基础的荧光扫描仪则是以单束固定波长的激光来扫描，因此或者需要激光 头、或者需要目的芯片的机械运动来使激光扫到整个面积，这样就需要耗费较多 的时间来扫描，但是它具有极高的分辨能力可以定量测读结果，普遍用于生物芯 片杂交结果的判读 2 9 1 生物芯片扫描分析系统是用来完成对杂交信号的强度进行快速、并行、高效 地检测和分析的系统。目前生物芯片的扫描和图像数据的处理分析分别是由成像 装置和台式计算机来完成的，如a x o ni n s t r u m e n t s 公司的g e n e p i x4 0 0 0 型扫 描仪，它的数据分析就是在p c 机上运行的，需要手工进行控制操作，而且分析 过程较为复杂。 近年来，嵌入式系统“1 及其相关技术得到了快速的发展。嵌入式系统具有集 成度高、体积小、专用性强、可靠性高等特点，为生物芯片扫描分析系统提供了 新的实现方法，应用嵌入式系统及其相关技术可以实现生物芯片扫描装臀和分析 装胃的一体化。 浙江大学顺士学位论文 1 1 2 嵌入式系统 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适 用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统，具有专 用性、高可靠性、可封装性等特点，它的发展历史几乎和计算机自身的历史一样 长，发展过程大致分成以下4 个阶段“1 ： 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、 伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控 制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制， 运行结束后清除内存。这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能都相对单一， 处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简 便、价格很低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远远不能适应高效 的、需要大容量存储介质的现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。这 一阶段系统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高； 操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好；系 统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特 点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好：操作系 统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性：具备文件和目录管理、 设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界厦等功能；具有大量的应用 程序接口( a p i ) ，开发应用程序简单：嵌入式应用软件丰富。 第四阶段是以基于i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的 阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e r n e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展以 及i n t e r n e t 技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与 i n t e r n e t 的结合是将来的发展方向。 随着微处理器技术和材料科学技术的迅猛发展，功能强大、价格低廉、结构 小巧的c p u 和外部设备提供了稳定可靠的硬件条件，那么限制嵌入式系统发展的 瓶颈就突i | - 表现在了软件方丽，j 亡其需要强人的操作系统和槲心的i 发r l q 支 持。尽管从八十年代术丌始，陆续出现了一些嵌入式操作系统，比较著名的有 浙江大学硕士学位论文 v x w o r k 、p s o s 、n e c u l e u s 和w i n d o w sc e ，但这些专用操作系统都是商业化产品， 其高昂的价格使许多公司望而却步；这些商用系统的源代码封闭性也大大限制了 开发者的积极性，开发者得不到技术方面的强劲支持；同时，由于其代码的封闭 性，对相关新的硬件设备的支持跟不上市场变化，因此影响基于该操作系统的产 品开发，耽误了产品进入市场的最佳时机。现在需要的是一个便宜、成熟稳定并 且能够提供高端嵌入式系统所必需特性的操作系统。而嵌入式l i n u x 操作系统以 其稳定、高效、易定制、易裁减、硬件支持广泛、价格低等特点【4 】，赢得广泛关 注，成为新兴的力量，有成为嵌入式操作系统主导力量的趋势。 1 1 3 嵌入式l i n u x 一、嵌入式l i n u x 介绍 l i n u x “”是个和u n i x “2 1 操作系统相似、以内核为基础的、完全内存保护、多 任务多进程的操作系统。l i n u x 支持广泛的计算机硬件，包括x 8 6 ，a l p h a ，s p a r e ， m i p s ，p p c ，a r m ，n e c ，m o t o r o l a 等现有的大部分芯片。代码完全公开，任何人 可以修改并在g n u 1 通用公共许可证g p l ( g n ug e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) ”1 下发行， 这样，开发人员可以对操作系统进行定制。同时由于有g p l 的控制，大家开发的 代码大都相互兼容，不会走向分裂的道路。l i n u x 用户遇到问题时可以通过网络 向网上成千上万的l i n u x 开发者请教，这使困难的问题也有办法解决。l i n h x 带 有u n i x 用户熟悉的完善的开发工具，几乎所有的u n i x 系统的应用软件郡已移植 到了l i n u x 上。 嵌入式l i n u x 则是按照嵌入式操作系统的要求而对l i n u x 系统进行剪裁、设 计的一种小型操作系统，由内核( k e r n e l ) 及一些根据需要进行定制的系统模块 ( m o d u l e ) 组成。其内核很小，一般只有几百k b 左右。即使加上其他必须的模 块和应用程序，所需的存储空间也很小。它有多任务、多进程的系统特征，有些 还具有实时性。一个小型的嵌入式l i n u x 系统只需要引导程序、l i n u x 内核、初 始化进程3 个基本元素。运行嵌入式l i n u x 的c p u 可以是x 8 6 、a l p h a 、s p a r e 、 m i p s 、p p c 等。与这些芯片搭配的主板都很小，与一张p c i 卡大小相当，有的甚 至更小。 浙江大学硕士学位论文 v x w o r k 、p s o s 、n e c u l e u s 和w i n d o w sc e ，但这些专用操作系统都是商业化产品， 其高昂的价格使许多公司望而却步；这些商用系统的源代码封闭性也大大限制了 开发者的积极性，开发者得不到技术方面的强劲支持；同时，由于其代码的封闭 性，对相关新的硬件设备的支持跟不上市场变化，因此影响基于该操作系统的产 品开发，耽误了产品进入市场的最佳时机。现在需要的是一个便宜、成熟稳定并 且能够提供高端嵌入式系统所必需特性的操作系统。而嵌入式l i n u x 操作系统以 其稳定、高效、易定制、易裁减、硬件支持广泛、价格低等特点【4 】，赢得广泛关 注，成为新兴的力量，有成为嵌入式操作系统主导力量的趋势。 1 1 3 嵌入式l i n u x 一、嵌入式l i n u x 介绍 l i n u x “”是个和u n i x “2 1 操作系统相似、以内核为基础的、完全内存保护、多 任务多进程的操作系统。l i n u x 支持广泛的计算机硬件，包括x 8 6 ，a l p h a ，s p a r e ， m i p s ，p p c ，a r m ，n e c ，m o t o r o l a 等现有的大部分芯片。代码完全公开，任何人 可以修改并在g n u 1 通用公共许可证g p l ( g n ug e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) ”1 下发行， 这样，开发人员可以对操作系统进行定制。同时由于有g p l 的控制，大家开发的 代码大都相互兼容，不会走向分裂的道路。l i n u x 用户遇到问题时可以通过网络 向网上成千上万的l i n u x 开发者请教，这使困难的问题也有办法解决。l i n h x 带 有u n i x 用户熟悉的完善的开发工具，几乎所有的u n i x 系统的应用软件郡已移植 到了l i n u x 上。 嵌入式l i n u x 则是按照嵌入式操作系统的要求而对l i n u x 系统进行剪裁、设 计的一种小型操作系统，由内核( k e r n e l ) 及一些根据需要进行定制的系统模块 ( m o d u l e ) 组成。其内核很小，一般只有几百k b 左右。即使加上其他必须的模 块和应用程序，所需的存储空间也很小。它有多任务、多进程的系统特征，有些 还具有实时性。一个小型的嵌入式l i n u x 系统只需要引导程序、l i n u x 内核、初 始化进程3 个基本元素。运行嵌入式l i n u x 的c p u 可以是x 8 6 、a l p h a 、s p a r e 、 m i p s 、p p c 等。与这些芯片搭配的主板都很小，与一张p c i 卡大小相当，有的甚 至更小。 浙江大学硕士学位论文 许多的用户接口工具和程序增强了嵌入式l i n u x 基本内核的功能。就此而 论，可以把l i n u x 看作是这样一个连续范围：从只有存储器管理、任务转换和 定时器服务的最小化的微内核，一直到具有完整文件系统和网络服务功能的服务 器。最小的嵌入式l i n u x 系统仅需要三个基本元素： 引导程序 l i n u x 内核，由内存管理、进程管理和定时服务构成 初始化过程 要实现最低限度的工作能力，需要添加： 硬件驱动程序 一个或多个应用进程，以实现基本操作的功能 随着要求的增加，功能完善的系统还需要： 一个文件系统( 可能是在r o m 或者是r a m 里) t c p i p 网络栈 存储临时数据和提供交换空间的磁盘 c p u ( 所有完全的l i n u x 系统都需要) 二、嵌入式l i n u x 的优缺点 总结起来，嵌入式l i n u x 操作系统有如下优点“1 ： 可应用于多种硬件平台。l i n u x 已经被移植到多种硬件平台，这对受资 金、时间限制的研究与开发项目是很有吸引力的。原型可以在标准平台 上开发，然后移植到具体的硬件上，加快了开发过程。 它是免费的，源代码可以得到。这是最吸引人的，毫无疑问，这会节省 大量的开发费用。同时，掌握了源码就是掌握了整个开发的核心，所有 的问题都相对容易解决。 功能强大的内核，性能高效、稳定、小巧、易于剪裁 遍布全球的l i n u x 爱好者又能给予l i n u x 开发者强大的技术支持。 与传统的实时操作系统相比( r t o s ) ，采用嵌入式l i n u x 这样的开放源 码的操作系统的好处是l i n u x 开发团体比r t o s 的供应商更快地支持 新的i p 协议和其它协议。例如，用于l i n u x 的设备驱动程序要比用于 商业操作系统的i 5 2 箭驱动程序多，如网络接】卜( 、1 ( 1 ) 驱动程t 二以及j i ： 浙江大学硕士学位论文 口和串口驱动程序等”1 。 l i n u x 的网络、文件系统、驱动程序等都以模块( m o d u l e ) 的形式加载 的，基于模块的开发更加简单、便于调试，方便添加和删除系统的功能。 当然，嵌入式l i n u x 也有其缺点： 公开的源码中，档次差别太大，有的含有很大的漏洞，需要进行仔细的 鉴别和修改，然后才能使用。 代码和文档烦杂，没有统一、严格的维护。这方面正是l i n u x 与商用操 作系统之间的主要差别，而全世界的l i n u x 开发团体已经注意到这点， 正在改善。 综合来说，使用嵌入式l i n u x 作为嵌入式操作系统的实现利大于弊。 三、目前嵌入式l i n u x 的实现 目前，利用嵌入式l i n u x 作为嵌入式操作系统的实现有”l ： e t l i n u x 该操作系统是完全基于l i n u x 操作系统开发设计的，用于在小型工业计算机 或者是嵌入式计算机上，在p c 1 0 4 上运行非常好。整个系统小巧、模块化、灵 活而且完整，占用很少的内存和磁盘空间。它有抢占式的多任务环境，多线程， 内存保护，快速i o 操作等特点。而且，所有的代码都可以公开获得。 该系统还提供了：嵌入式的、能够解析c g i 脚本的浏览器，远程登录服务器， 邮件服务器，强大的t c l 脚本语言支持，这些工具的源码都可以公开获得。 运行该系统，系统的最小硬件配置要求：兼容i n t e lc p u3 8 6 s x 及以上处理 器，2 m b 内存，2 m b 磁盘空间( 硬盘或者d o c ( d i s k o n c h i p ) ) 。 l o a f “l i n u xo naf l o p p y ”分发版”1 ，是非常小的l i n u x 版本，一张软盘就能够 放下整个系统。整个系统包括l i n u x 内核和其它的一些工具。这个系统主要是作 为一些网络协议客户端的实现，包括浏览器( 1 y n x ) ，f t p 客户端，远程登录客 户端( t e l n e t ) ，远程安全登录客户端s s h 等。 运行该系统的最小硬件配置要求：兼容i n t e lc p u3 8 6 s x 及以上处理器，4 一n m bd r a m ，软艋驱动器。 浙江大学硕士学位论文 u c l i n u x l u c l i n u x 是基于l i n u x2 0 版本内核开发的，没有内存管理单元( m m u ：m e m o r y m a n a g e m e n tu n i t s ) 支持，最初是专为微控制器( m i c r o c o n t r o l l e r s ) 开发使 用的操作系统。最初系统使用的是m o t o r a l o am c 6 8 3 2 8 芯片( m o t o r o l am c 6 8 3 2 8 d r a g o n b a l li n t e g r a t e dm i c r o p r o c e s s o r ) ，后来，由于其快速发展，支持了许 多没有m m u 的芯片：m o t o r o l ad r a g o n b a l l ( m 6 8 e z 3 2 8 ) ，m 6 8 3 2 8 ，m 6 8 e n 3 2 2 ， c o l d f i r e q u i c c ，a r m t t d m i ，m c 6 8 e n 3 0 2 ，a x i se t r a x ，i n t e li 9 6 0 等。 在u c l i n u x 的设计中，由于其没有m m u 的支持，l i n u x 内核中的很多代码都 做了修改，这样使整个l i n u x 的内核更加小；同时又保留了l i n u x 内核的特点： 稳定，高性能的网络支持，良好的文件系统支持特性等。 f r e e s c o 5 7 1 f r e e s c o 是基于l i n u x 系统设计的、专门为网络服务特别是路由相关服务的 嵌入式操作系统，连同一些工具软件，整个系统不到1 4 4 m b ( 可以存放在一张 软盘内) 。 相对于专用的路由器等系统，f r e e s c o 的最大优点就是开放源码，一方面公 司的开发费用会显著下降，另一方面公开的源码便于更好的发现和解决问题，使 整个产品更加稳定。 支持的主要功能有：以太网路由器，最多3 个以太网段的网桥支持，最多3 个以太网段的路由支持，拨号路由器，时间服务器，d h c p 服务器，h t t p 服务器 等。 t h i n l i n u x t h i n l i n u x 是经过剪裁过的l i n u x 分发版，它的目标就是提供类似于m p 3 播 放器等人们感兴趣的嵌入式系统应用，如专用的照相机服务器、x 一1 0 控制器等。 t h i n l i n u x 目前主要运行在i n t e l ( 兼容) 的p c 上面，整个系统的启动方法 与d o s 启动兼容，这样许多p c 设备都可以用t h i n l i n u x 作为操作系统。 h a r d h a tl i n u x ”1 h a r d h a tl i n u x 是m o n t a v i s t a 公司针对嵌入式设备度身定制的实时的专业的 嵌入式设备操作系统”? 。它针对嵌入式设备的处理器、存储器资源有限的特点， 住0 ：域少新内核特性的基础卜，对l nk l x 内f 炙进行l 矧监战0 歌配岢。i i , 川i r d h ；i i 浙江大学硕士学位论文 l i n u x 还为从事远程嵌入式设备上的系统开发、应用开发提供了开发工具。 h a r d h a tl i n u x 以其强大的功能、灵活的定制性、运行的高效性和稳定性， 以及其完善的技术支持，获得业界的普遍赞誉，成为嵌入式操作系统的重要选择。 对于嵌入式产品来说，除了要有稳定的嵌入式操作系统( 如嵌入式l i n u x ， h a r d h a tl i n u x ) 的支持外，一个稳定、高效、小巧、功能强大的嵌入式g u i ( 图 形用户界面) 系统也是必不可少的。 1 i 4 嵌入式g u i 一、g u i ( 用户界面) 概述 g u i ( g r a p h i c su s e ri n t e r f a c e ) ，及图形用户界面，它的广泛流行是当今 计算机技术的重大成就之一，它极大地方便了非专业用户的使用，人们不再需要 死记硬背大量的命令，而可以通过窗口、菜单方便地进行操作。 用户界面的重要性在于它极大地影响了最终用户的使用，影响了计算机的推 广应用，甚至影响了人们的工作和生活。由于开发用户界面的工作量极大，加上 不同用户对界面的要求也不尽相同，因此，用户界面已成为计算机软件研制中困 难部分之一。 用户界面的主要特征有”1 ： w i m p 其中，w ( w i n d o w s ) 指窗口，是用户或系统的一个工作区域。一个屏幕上可 以有多个窗口。i ( i c o n s ) 指图标，是形象化的图形标志，易于人们隐喻和理解。 m ( m e n u ) 指菜单，可供用户选择的功能提示。p ( p o i n t i n gd e v i c e s ) 指鼠标器等， 便于用户直接对屏幕对象进行操作。 用户模型 g u i 采用了不少d e s k t o p 桌面办公的隐喻，使应用者共享一个直观的界面框 架。由于人们熟悉办公桌的情况，因而对计算机显示的图符的含义容易理解，诸 如：文件夹、收件箱、画笔、工作簿、钥匙及时钟等。 直接操作 过去的界面不仅需要记忆大量命令，而月需要指定操作对象的位旨，如行号、 空格数、x 及y 的坐标等。采用( j u i 后，用户可直接对屏幕上的对象进行媒作， 浙江大学硕士学位论文 l i n u x 还为从事远程嵌入式设备上的系统开发、应用开发提供了开发工具。 h a r d h a tl i n u x 以其强大的功能、灵活的定制性、运行的高效性和稳定性， 以及其完善的技术支持，获得业界的普遍赞誉，成为嵌入式操作系统的重要选择。 对于嵌入式产品来说，除了要有稳定的嵌入式操作系统( 如嵌入式l i n u x ， h a r d h a tl i n u x ) 的支持外，一个稳定、高效、小巧、功能强大的嵌入式g u i ( 图 形用户界面) 系统也是必不可少的。 1 i 4 嵌入式g u i 一、g u i ( 用户界面) 概述 g u i ( g r a p h i c su s e ri n t e r f a c e ) ，及图形用户界面，它的广泛流行是当今 计算机技术的重大成就之一，它极大地方便了非专业用户的使用，人们不再需要 死记硬背大量的命令，而可以通过窗口、菜单方便地进行操作。 用户界面的重要性在于它极大地影响了最终用户的使用，影响了计算机的推 广应用，甚至影响了人们的工作和生活。由于开发用户界面的工作量极大，加上 不同用户对界面的要求也不尽相同，因此，用户界面已成为计算机软件研制中困 难部分之一。 用户界面的主要特征有”1 ： w i m p 其中，w ( w i n d o w s ) 指窗口，是用户或系统的一个工作区域。一个屏幕上可 以有多个窗口。i ( i c o n s ) 指图标，是形象化的图形标志，易于人们隐喻和理解。 m ( m e n u ) 指菜单，可供用户选择的功能提示。p ( p o i n t i n gd e v i c e s ) 指鼠标器等， 便于用户直接对屏幕对象进行操作。 用户模型 g u i 采用了不少d e s k t o p 桌面办公的隐喻，使应用者共享一个直观的界面框 架。由于人们熟悉办公桌的情况，因而对计算机显示的图符的含义容易理解，诸 如：文件夹、收件箱、画笔、工作簿、钥匙及时钟等。 直接操作 过去的界面不仅需要记忆大量命令，而月需要指定操作对象的位旨，如行号、 空格数、x 及y 的坐标等。采用( j u i 后，用户可直接对屏幕上的对象进行媒作， 浙江大学硕上学位论文 如拖动、删除、插入以至放大和旋转等。用户执行操作后，屏幕能立即给出反馈 信息或结果，因而称为所见即所得( w h a ty o us e ei sw h a ty o ug e t ) ，给用户带 来了方便。 随着嵌入式设备的出现和不断发展完善，嵌入式设备上面的g u i 系统也在快 速的发展，其特征有别于普通的用户界面。 二、嵌入式g u i 的特点 与p c 环境不同的是，嵌入式g u i 系统通常是安装在体积较小、资源有限的 硬件环境中，所以能够成为嵌入式的g u i 系统一定要具备以下的条件”1 ： 体积小 就是说软件要要尽可能的小。大部分嵌入式系统用的f l a s h 大都以1 6 m b 或 3 2 m b 为主，这个配置与p c 相比简直是天壤之别，所以在这样苛刻的环境下，只 有把软件尽量压小。 从实现角度来看，g u i 系统大致可分为两大类： 1 精简现有的系统来实现 在某个角度来看，精简现有的系统是最快速的方式，缺点是在大的实现上不 容易做改动、体积只能缩小到一定的程度。 2 重新打造一套 最好的情况当然是能够重新打造一套，优点是系统掌握度高、功能及体积等 都能调整到最佳状态，但是所需的时间、人力都是很大的成本。 目前，这两种方式都有实现。 运行时，耗系统资源要少 手持式设备如p d a 、手机等，最注重的就是系统资源以及省电功能，在省电 的前提下c p u 速度不能太高，运算速度越快越耗电，而且散热也会成为大问题。 非手持式设备如：机顶盒，这类系统主要考虑硬件成本。对于硬件来说，相 对低的配置如果也能够完成需要的功能，那么成本将会有显著的下降，市场的竞 争能力也就更强。 g u i 的实现要与硬件无关 嵌入式系统的+ 大特色就足坝件差异人，并1 i 像陀邢f t 股企f ! f | j 采j jx 8 6 浙江大学硕士学位论文 架构。即使底层硬件差异大，上层g u i 系统依旧需要表现出统一的接口，这样 才能增强软件的可移植性，便于开发。所以，担任嵌入式的g u i 系统在实现中必 须尽量与硬件划清界线，最好的情形是在g u i 系统与硬件中间有一层系统负责 隔离，所幸已经有l i n u xk e r n e l 可以扮演这个角色。 高可靠性，可配置性 嵌入式系统中，g u i 部分是用户控制整个系统的唯一途径，必须确保g u i 系 统高度可靠。另一方面，嵌入式g u i 系统要有可配置性，要避免在g u t 的实现中 代码的高度耦合，那样会影响具体的使用：如有些系统可能只需要g u i 提供的几 项功能，所以需要裁掉多余的功能模块，而有些系统需要在现有的g u i 基础上添 加新的功能，所以o u i 要提供良好的扩展接口。 1 2 课题的提出和任务 目前，生物芯片的扫描和图像数据的处理分析分别是由成像装置和台式计算 机来完成的，分析过程复杂，操作不便。而嵌入式系统具有集成度高、体积小、 专用性强、高可靠性等特点，可以实现生物芯片扫描装置和分析装置的一体化。 因此，生物芯片扫描分析系统应用嵌入式系统及其相关技术来实现是非常有意义 的。 嵌入式l i n u x 具有稳定、高效、易定制、易剪裁等特点，适合作为嵌入式系 统的操作系统。嵌入式g u i 系统具有体积小、消耗系统资源少、实现与硬件无 关、高可靠性、可配置性等特点，适合于嵌入式系统开发6 u i 程序的需要。所以， 在生物芯片扫描分析系统中，用嵌入式l i n u x 作为操作系统，用嵌入式g u i 作为 用户界面开发平台。 生物芯片扫描分析系统要对扫描的图像做各种显示和分析操作，而且图形界 面复杂，这就要求g u i 系统要有很强的图形操作支持能力。因此在选择嵌入式 g u i 系统时，除了要考虑其稳定性、运行效率等性能外，还要考虑其对图形操作 的支持能力。 本文的主要工作如下： 本文主要是设计生物芯片扫描分析系统的嵌入式系统软件。首先从嵌入式 g u i 的实现基础着手，分析嵌入式g u i 的实现、体系结构、编程接j 】及其它特点， 浙江大学硕士学位论文 架构。即使底层硬件差异大，上层g u i 系统依旧需要表现出统一的接口，这样 才能增强软件的可移植性，便于开发。所以，担任嵌入式的g u i 系统在实现中必 须尽量与硬件划清界线，最好的情形是在g u i 系统与硬件中间有一层系统负责 隔离，所幸已经有l i n u xk e r n e l 可以扮演这个角色。 高可靠性，可配置性 嵌入式系统中，g u i 部分是用户控制整个系统的唯一途径，必须确保g u i 系 统高度可靠。另一方面，嵌入式g u i 系统要有可配置性，要避免在g u t 的实现中 代码的高度耦合，那样会影响具体的使用：如有些系统可能只需要g u i 提供的几 项功能，所以需要裁掉多余的功能模块，而有些系统需要在现有的g u i 基础上添 加新的功能，所以o u i 要提供良好的扩展接口。 1 2 课题的提出和任务 目前，生物芯片的扫描和图像数据的处理分析分别是由成像装置和台式计算 机来完成的，分析过程复杂，操作不便。而嵌入式系统具有集成度高、体积小、 专用性强、高可靠性等特点，可以实现生物芯片扫描装置和分析装置的一体化。 因此，生物芯片扫描分析系统应用嵌入式系统及其相关技术来实现是非常有意义 的。 嵌入式l i n u x 具有稳定、高效、易定制、易剪裁等特点，适合作为嵌入式系 统的操作系统。嵌入式g u i 系统具有体积小、消耗系统资源少、实现与硬件无 关、高可靠性、可配置性等特点，适合于嵌入式系统开发6 u i 程序的需要。所以， 在生物芯片扫描分析系统中，用嵌入式l i n u x 作为操作系统，用嵌入式g u i 作为 用户界面开发平台。 生物芯片扫描分析系统要对扫描的图像做各种显示和分析操作，而且图形界 面复杂，这就要求g u i 系统要有很强的图形操作支持能力。因此在选择嵌入式 g u i 系统时，除了要考虑其稳定性、运行效率等性能外，还要考虑其对图形操作 的支持能力。 本文的主要工作如下： 本文主要是设计生物芯片扫描分析系统的嵌入式系统软件。首先从嵌入式 g u i 的实现基础着手，分析嵌入式g u i 的实现、体系结构、编程接j 】及其它特点， 浙江大学硕士学位论文 设计测试程序比较它们在稳定性、绘图速度等方面的性能，选择最合适的g u i 系统作为嵌入式系统软件开发平台。接着重点是设计和实现生物芯片扫描分析系 统的嵌入式系统软件。在阐述生物芯片扫描分析系统的嵌入式系统硬件总体结构 基础上，分析软件要实现的功能，接着对整个软件进行模块划分，细化模块功能， 在多任务模型中设计并实现具体模块。 1 3 论文的组织 第一章，介绍生物芯片、嵌入式系统、嵌入式l i n u x 操作系统、嵌入式g u i 的发展与概况 第二章，分析嵌入式g u i 的实现、体系结构和特点，设计测试程序以比较 它们的性能，选择最佳的嵌入式g u i 系统作为嵌入式系统软件开 发平台 第三章，对生物芯片扫描分析系统的嵌入式系统软件设计进行了详细叙 述。首先简要介绍了生物芯片扫描分析系统的嵌入式系统硬件总 体结构，然后阐述了软件要实现的功能，接着对整个软件进行模 块划分，细化模块功能，在多任务模型中设计并实现具体模块 第四章，对本文的研究进行了总结，提出将来开发时需要改进和完善的功 能。 浙江大学硕士学位论文 设计测试程序比较它们在稳定性、绘图速度等方面的性能，选择最合适的g u i 系统作为嵌入式系统软件开发平台。接着重点是设计和实现生物芯片扫描分析系 统的嵌入式系统软件。在阐述生物芯片扫描分析系统的嵌入式系统硬件总体结构 基础上，分析软件要实现的功能，接着对整个软件进行模块划分，细化模块功能， 在多任务模型中设计并实现具体模块。 1 3 论文的组织 第一章，介绍生物芯片、嵌入式系统、嵌入式l i n u x 操作系统、嵌入式g u i 的发展与概况 第二章，分析嵌入式g u i 的实现、体系结构和特点，设计测试程序以比较 它们的性能，选择最佳的嵌入式g u i 系统作为嵌入式系统软件开 发平台 第三章，对生物芯片扫描分析系统的嵌入式系统软件设计进行了详细叙 述。首先简要介绍了生物芯片扫描分析系统的嵌入式系统硬件总 体结构，然后阐述了软件要实现的功能，接着对整个软件进行模 块划分，细化模块功能，在多任务模型中设计并实现具体模块 第四章，对本文的研究进行了总结，提出将来开发时需要改进和完善的功 能。 浙江大学硕士学位论文 第二章嵌入式g u i 的实现及比较 本章将研究多种嵌入式g u i 的实现、体系结构、特点等，设计测试程序，比 较它们在稳定性、绘图效率等方面的性能，选择最佳的嵌入式g u i 系统作为生物 芯片扫描分析系统的嵌入式系统软件开发平台。 首先从嵌入式g u i 的实现基础着手，讨论嵌入式g u i 实现的底层支持的函数 库( 或者系统) ，接着分别研究了基于帧缓冲( f r a m e b u f f e r ) 实现的m i n i g u i ”1 、 m i c r o w i n d o w s ”“、q t e m b e d d e d ”的实现、体系结构、编程接口以及特点等。 在“2 3 嵌入式g u i 的比较”中，设计了测试程序来测试各个嵌入式g u i 系 统的性能。主要包括三组测试：稳定性测试主要是来测试g u i 系统是否能长时间 稳定运行；绘图速度测试，是用相同的算法设计了m i c r o w i n d o w s 和q t e m b e d d e d 程序，比较他们绘图的速度和系统资源的占有情况；在q t e m b e d d e d 环境下，设 计测试程序e e 较q t e m b e d d e d 提供的不同绘图实现的运行效率，以找出效率最高 的实现方法。 这个研究和测试过程具有重要的意义。一方面可以通过研究具体嵌入式g u i 的实现拓宽视野，掌握嵌入式系统编程环境下的开发要点：另一方面选择最合适 的g u i 系统作