（通信与信息系统专业论文）基于arm和usbhost化学发光系统的数据存储研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本论文详细介绍一种基于a r m 内核处理器和u s b h o s t 主机的化学发光检 测系统。本化学发光系统成功实现了系统检测数据的采集、人机交互、批量数 据的保存，融合操作系统g c o s - i i 对发光系统的支持和设备的管理。本项目主 机系统部分实现了u s b 核心驱动程序、主机控制器驱动程序以及用户程序，支 持m a s ss t o r a g e 设备类协议，并在系统中建立了精简的f a t 文件系统，能够用 此系统来读取或写入u 盘文件数据，并通过l c d 液晶显示器直接反馈检测结果。 操作系统的u s b 开发一般来讲是针对p c 机来设计的，也即是对u s b 设备 的开发，u s b 设备脱离了p c 机以后便变得无可用途，本文就绕开p c 系统的限 制，通过a r m 芯片和u s b 主机控制器来实现对u s b 设备的控制。 化学发光系统存储设计的硬件方案主要由s 3 c 4 4 8 0 和s l 8 1 1 控制器来搭 建，它们成本低、功耗小、速度快，满足系统设计的可行性分析。在软件代码 角度上，逐层完成事务驱动、传输驱动、设备描述、设备枚举就可以实现u s b l 1 的协议栈，再结合m a s ss t o r a g e 协议，构建轻型f a t l 6 精简文件系统，就可以 完成对u 盘访问的设计。 本文在实现项目所要求的性能指标外，在文件系统的多层次性管理做了一 定深度的研究和升级。在原有单目录的结构下改善成多目录结构，对病人各种 信息实行级别管理，有效保存各个项目菜单下不同病人的案例，实现多项混合 数据的同地存储。 操作系统r t c o s i i 的引入，提供统一优化的任务访问模式，但u 盘作为任 务却会带来较慢的访问速度，约束人机交互，使得系统不具人性化。本论文据 此设计一种方法，在操作系统下根据t t c o s i i 机制插入开发源码，解决多任务 多数据下u 盘存储所带来的数据紊乱性，满足u 盘保存时而其他任务的共运行。 按照论文中提出的方法，成功实现了化学发光系统u s b 主机系统的构建， 对开发嵌入式u s b 主机具有普遍的意义。最后论文针对所设计的系统，就u s b 主机系统作了总结和分析，并对嵌入式u s b 主机的发展前景作了展望。 关键词：嵌入式：g c o s i i ；u s b 主机：文件系统：u 盘 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e ri n t r o d u c e sak i n do fc i d s ( c h e m i c a li l t a d i a n c ed e t e c t i n gs y s t e m ) b a s e do i lt h ea r mc o r ep r o c e s s o ra n dt h eu s b - h o s tp a r t i c u l a r l y t h ec i d s c o m p l e t e st h es y s t e md a t ac o l l e c t i o n , t h em a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o n , t h eb u l k - d a t a p r e s e r v a t i o ns u c c e s s f u l l y , a n da d d st h eo p e r a t i o ns y s t e mt t c o s - i it os u p p o r tt h e p r o j e c ta n dt h ep e r i p h e r a ld e v i c e s t h i sp r o j e c t su s b h o s th a sc o m p l e t e dt h eu s b c o r ed r i v e r , t h eh c d ( h o s tc o n t r o l l e rd r i v e r ) a sw e l l 鹊t h eu s e rp r o g r a m , h a s s u p p o r t e dt h em a s s s t o r a g ep r o t o c o l f o rd e v i c ec l a s s ，a n dh a se s t a b l i s h e dt h e s i m p l i f i e df a t l 6f i l e s y s t e mo nt h e m ，t h e ni tc a nf e t c ht h e 盈ed a t af r o mt h eup l a t e ， a n df e e d b a c kt h er e s u l t so f t e s td i r e c t l yt h r o u g hl e d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) g e n e r a l l ys p e a k i n g , u s bt e c h n o l o g yo ft h eo p e r a t i o ns y s t e ma i m sa tt h ep c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) p r i m a r i l y , j u s tf o rt h ed e v e l o p m e n to fu s bd e v i c ec l a s s ，s oi f u s bd e v i c ew f l ss e p a r a t e df r o mp c ，t h e ni ts l a o u l d n th a v en os i g n i f i c a n c ef o ri t so w n f u n c t i o n t h i sp a p e ra v o i d st h el i m i t a t i o no fp c u s e st h ea r m c h i pa n dt h eu s b h c dt oc o n t r o lt h eu s bd e v i c e t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ec i d si sc o n s t r u c t e db yt h e $ 3 c 4 4 8 0c h i pa n dt h e s l s l lc o n t r o l l e r , s i n c et h e i rf e a t u r e sc o n t a i nl o w - c o s t , l o w - p o w e r , a n dt h eh i g hs p e e d a n ds a t i s f yt h ef e a s i b i l i t ya n a l y s i st ot h es y s t e md e s i g n i nt h ea s p e c to f s o t t w a r ec o d e , t h ec i d sc o m p l e t e st r a n s a c t i o nd r i v e r , t r a n s m i s s i o nd r i v e r , d e v i c ed e s c r i p t i o n , a n d d e v i c ee n u m e r a t i o ng r a d u a l l y a f 把rt h o s e ，t h eu s b l 1p r o t o c o ls t a c ki se s t a b l i s h e d , m a s s s t o r a g ep r o t o c o ls t a c ka n df a t l 6f t l e s y s t e ma r ea d d e dt ot h es o t t w a r es l r u e t u r e t h e nt h ew h o l es y s t e mi sa b l et oc o m p l e t et h ev i s i to f u p l a t e t h i sp a p e rn o to n l yc o m p l e t e st h et e s tp e r f o r m a n c eo fc i d s ，b u ta l s oc o m p l e t e s t h ed e p t hi n d e xf o rc i d s b a s e do i lt h es l n l c t u i eo fo r i g i n a ls i n g l ed i r e c t o r y , t h e p a p e rc h a n g e si tt ot h e1 1 1 0 1 ei n d e x - n o d e sf o rd i f f e r e n tp a t i e n t s d a t a t h r o u g ht h en e w m e t h o d , t h ed i f f e r e n tl e v e lp a t i e n t s e a s e sa r em a n a g e di nt h es a m es t o r a g ea n dt h e b u u cd a t ai ss a v e dr e g u l a r l ya n da l s ot h et u r b u l e n c eo f t e s tr e s u l t si sa v o i d a b l e 1 t c o s 一1 1 百v e st h ec o n s i s t e n ta n do p t i m i z e dv i s i tm o d et ot h es y s t e mt a s k s ，b u t 武汉理工大学硕士学位论文 t h et a s kf o ru p l a t em u s to b e yt h el o ws p e e do f up l a t ev i s i gi tr e s t r i c t sm a n - m a c h i n e c o n v e r s a t i o na n dm a k e st h es y s t e mn o tp r o f e s s i o n a l s ot h ep a p e ra t t e m p t st oc h a n g e t h er e s t r i c t i o na n dc o n s t r u c t st h es p e c i a lm e t h o d st oa v o i dt h ed a t at u r b u l e n c eo f d i f f e r e n tt a s k s v i s i t t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e st h es o r w a r em e c h a n i s ml i k et h i s ：n e w c o d ei si n s e r t e di n t oo p e r a t i o ns y s t e ma c c o r d i n gt ot h ei t c o s - i ip r i n c i p l e b a s e do nt h em e t h o dp r o p o s e di nt h ep a p e r , t h eu s b - h o s ts y s t e mc o n s t r u c t i o n o fc i d sh a sb e e nc o m p l e t e ds u c c e s s f u l l y ；i th a su n i v e r s a ls i g n i f i c a n c ef o rt h e e m b e d d e du s b - h o s ts y s t e md e v e l o p m e n t f i n a l l y , t h ep a p e rm a k e st h ec o n c l u s i o n f o rc d i s ，e s p e c i a l l yf o rt h eu s b h o s ts y s t e md e v e l o p m e n t , a n da l s op o i n t so u tt h e p r o s p e c t sf o rt h ee m b e d d e du s b - h o s ts y s t e m k e yw o r d s ：e m b e d d e d ；i _ t c o s - i i ；u s b h o s t ；f i l e s y s t e m ；up l a t e i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 弘帆碑丛 掣 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 化学发光检测系统的简述 化学发光检测系统可以广泛应用于化学分析、免疫分析、岩矿分析、食品 检验、环境分析等领域，是当前化学分析和免疫分析研究的热点。其实现机理 是依据免疫学诊断的基础抗原一抗体的特异性结合反应，将酶或其他非放 射性标记物标记于抗原或抗体，然后与己知抗原或抗体反应，标记的酶使反应 底物进行发光，经光电倍增管测量后可得到被测样本的每秒钟发光计数( c p s ) ， 再根据系统内置的标准曲线将c p s 转换为样本的浓度值【2 】。该项技术的应用， 使抗原一抗体的反应时间缩短，特异性程度和灵敏度得到提高，同时辅以嵌入 式技术的应用，使整个反应的全自动化实现成为可能，并修正过去依赖于手工 加样，再交由仪器测量的半自动化技术的局面，是近十年来免疫检验技术的一 个飞删”。目前国内尚无自主研制的全自动化学发光免疫分析仪器的成熟产品， 此类仪器长期被国外公司如b e c k m a n ，b a y e r ，r o c h e 以及d p c 等公司垄断。化 学发光检测系统是与北京倍爱康生物技术有限公司联合开发的一种主要应用于 医疗免疫分析方面的化学发光免疫分析仪器，是自主开发并拥有全部知识产权 的全自动的发光检测系统，该系统经在机实验证实完全可以满足临床检测实验 要求，同时相信对国内同类的全自动免疫分析仪的开发和研制具有参考价值。 仪器的外观如图1 1 所示。 图卜1 化学发光检测系统 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国外的研究现状 化学发光免疫分析仪器( c h e m i l u m i n e s c e n c ei m m u n o a s s a y ，c l i a ) 是近十 年来在世界范围内发展非常迅速的非放射性免疫分析。它具有高灵敏度、检测 范围宽、操作简便快速、标记物稳定性好、无污染、仪器简单经济等优点。它 是放射性免疫分析与普通酶免疫分析的取代者，是免疫分析重要的发展方向。 c l i a 发展迅猛，已占各种免疫分析的首位嘲。c l i a 是医疗电子检测系统当中的 一个标志性产品，同样采用当前热门的a r m 技术，辅以海量存储和文件系统技 术，构建一套完整的嵌入式开发成品。 a r m 董事长认为，医疗电子将成为下一个1 0 年推动电子产业增长的动力， e m s 预测医疗电子将成为最大的利润市场。蓝牙技术使医疗产品移动能力增强， 通信技术使得医疗系统远程监测，海量存储技术同样加快多样数据的混合保存， 据此，a r m 技术会深深扩大医疗电子领域的应用。从研究制造方面来说，针对 医疗电子仪器，目前已有厂商制造心电图机、酸碱度测定器、电子测温计等仪 器，仪器中心可自制示波器( o s c i l l o s c o p e ) 、显微镜等，以及x 光机、超声诊断 仪、电脑断层成像系统、心脏起博器、监护仪、辅助诊断系统、专家系统等， 较大型复制的医疗嵌入式系统电子仪器就须用上3 2 位a r m 来完成。 医疗电子行业同样需要优秀的存储技术来满足医检数据保存归纳，而网络 存储方案和终端存储方案为医疗远程化、移动化提供必要条件。存储在医疗行 业是大有所为的行业，医疗行业对于存储应用的特殊性最直接体现在医疗行业 中最重要的病案。因此，随之而来的病案数字化扫描管理系统和医学影像存档 与通信系统( p a c s ) 的应用推广，大量原来传统的病案信息被数字化、这些关 键的数字图像和影像信息需要可靠的存储系统。存储系统的可靠性如此重要， 因为存储的数据是对一个人的身体各项指标的数字描述，是对该患者进行治疗 的唯一依据。所以说，可靠性是医疗行业对于存储解决方案最看重的一点。同 其他行业相比，医疗行业的数据量更大，所需要的可靠性指标也更高。这就意 味着，在整个医疗行业的运作中，需要有一套优秀可靠的存储解决方案作为其 坚实后盾。存储的手段有很多种，比如说n a s 、c d - r 光盘存储、比如说磁盘 柜、磁带库甚至是昂贵的s a n 系统。这些都可以满足医院的存储需求，但比较 而言，c d r 光盘存储是比较理想的一种存储系统。 u s b 技术是当前热门技术的标志。到2 0 0 8 年，u s b 技术以1 8 3 的年增长 2 武汉理工大学硕士学位论文 率高速发展，u s b 技术正在从全速u s b 平稳地过渡到高速u s b ，高速u s b 这 个能够向后支持市场上数亿低速和全速u s b 设备。u s b 技术让如1 3 9 4 等其他 总线竞争技术相形见拙，它们曾经是u s b 占领更多市场的威胁。因此运用u s b 技术作为电子产品的便携式开发已成为势在必行。同样，嵌入式医疗电子行业 也必然离不开u s b 技术的支持和高速发展。 1 3 课题来源及其本论文研究工作 本课题来源于北京倍爱康生物技术有限公司合作项目，属于横向课题，目 的是实现医检病人的血液，分析数据，提供可视化操作和数据存储。 本论文着重分析化学发光系统的数据存储，阐述一种基于u s b h o s t 和 a r m 的数据存储设计和实现方法。下面是本论文的研究工作： ( 1 ) 运用先进的a r m 技术，采用s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 8 0 嵌入式处理器， 使用该芯片的多资源综合性，来实现化学发光系统主核心及其数据存储部分。 ( 2 ) 研究嵌入式u s b h o s t 数据存储解决方案，深入研究u s b 驱动工作原 理和文件系统的管理，并构写驱动代码。并由此提供一种大容量数据交换和数 据存储系统的全新解决方案，可以广泛运用到各种便携式的数据设备中( 如u 盘、移动硬盘) ，极大方便工程应用的开发。 ( 3 ) 采用当前流行的嵌入式操作系统p c o s - i i 来管理系统各个驱动，深入 解析“c o s - 对u 盘存储系统的任务管理和数据采集，以及数据在操作系统下 的防紊乱手段。 ( 4 ) 改进u 盘磁盘管理f a t 的算法，将其升级为多态目录，同时实现多级 目录下文件的读写、定位、搜索等功能，有效保存病人任意科别的数据信息。 1 4 本论文的组织安排 第一章阐述了化学发光系统的概况和国外发展趋势，给出了本系统的数据 存储研究内容。 第二章给出化学发光系统的系统构建方法论，简要介绍化学发光系统的实 现必要条件，为以后章节的系统设计做好铺垫。 第三章详细介绍u s b h o s t 系统的数据通信理论，扼要分析数据存储模块 武汉理工大学硕士学位论文 的底层驱动协议和文件系统原理，研究存储模块的软件硬件设计思路。 第四章研究并设计基于u s b h o s t 和a r m 的存储模块硬件电路和系统软 件，分类讲述核心数据的通信源码以及应用a p i ，同时针对存储模块进行算法改 进，针对化学发光系统所要求的多任务多数据共操作并且数据防紊乱功用做出 源码开发，扩充该系统的应用范围。 第五章测评化学发光系统和存储模块的应用数据，反馈系统工作的正确 性，针对实践的改进方面做出验证性评估。 第六章总结结果，并对系统的进一步改进和优化进行了分析和展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章化学发光检测系统的系统规划 2 1 化学发光检测系统框架 该项目硬件分为上位机和下位机两部分，上位机以$ 3 c 4 4 8 0 芯片为核心， 边置n 时n o r f l a s h 、3 2 m 内存、u s b h o s t 、串口0 打印机、串口l 下位 相连、l c d 触摸、s d 卡、键盘鼠标双p s 2 、网卡。下位机以8 9 s 5 2 单片机为核 心，边置加样引擎、光子计数器、混匀电机、8 2 5 5i ，0 扩展、抽样试管转轮，串 口上位相连。 该项目软件在上位机采用t t c o s - i i 操作系统管理多个硬件工作任务，实现 液晶显示英文中文输入法及其可触摸，方便医生管理和修改病人检测血液信息， 随时用u 盘或者s d 卡即时保存病人数据，通过网络远程控制系统工作，运用 键盘鼠标便捷可视化操作，最后运用打印机打印结果信息。在下位机运用串口 相连，即时发送检测数据给上位机，并扩展i o 口供各个混匀系统的电机控制。 化学发光系统的框架如下图2 - 1 所示。 底层硬件驱动任务1中断任务 l c 正c任务2主任务 g r a p h i c o aj 、驱动任务 、1 一 t o u c h c任务n k e y b o 越c彳丁 u s b c 上位机 烈系统 i t t c o s 4 i 内核调度任务调度 i 控制阀门 下位机s 5 2 单片机控制 i 发光系统 l 加样系统 c 爿8 2 5 5 扩展i ：纠光子计数器 电机控制 图2 1 化学发光系统整体框架结构图 武汉理工大学硕士学位论文 2 2a r m 技术在本系统的应用 英国a r m 公司是嵌入式r i s c 处理器的i p ( 知识产权) 供应商，它为a r m 架构处理器提供a r m 处理器内核( 如a i m 7 t d m i 、删9 t d m i 及a r m l 0 t d m i 等) 。由各半导体公司在上述处理器内核基础上进行再设计，嵌入各种外围和处 理部件，形成各种m c u 。目前基于a r m 内核的芯片在嵌入式处理器市场上占 据7 5 的份额。 a r m 作为嵌入式系统的处理器，具有低电压，低功耗和高集成度等特点， 并具有开放性和可扩充性。事实上，a r m 内核已成为嵌入式系统首选的处理器 内核。而对于医疗电子设备而言，并不需要图像处理等方面更高的要求，因此， 删7 t d m i 内核以o 卟，s ( 百万条指令每秒) 门唧z 的高效处理能力足以满 足应用需要。 a r m 7 t d m i 内核是a r m 核系列中3 2 位通用内核中的一个产品，它采用三 级流水线结构，指令的执行分成取指、译值和执行3 个阶段。运算器能够实现 3 2 位整数运算。内核不但能够执行3 2 位高效a r m 指令，同时还支持简洁的1 6 位t h u m b 指令集以提高代码密度。 a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域，如工业控制领域、 无线通讯领域、消费类电子产品、成像和安全产品等等。综合考虑项目的可行 性和可靠性，我们选择a r m 7 t d m i 核的$ 3 c 4 4 8 0 作为项目开发主板核心。 删7 t d m i 处理器同其他系列的雕t m 处理器相比具备如下特点： 一具有嵌入式i c e r t 逻辑，调试开发方便。 一极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 一能够提供o 9 m i p s m h z 的三级流水线结构。 一代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集。 一支持操作系统，包括f l c l i n u x 、r t x t m y 、“c o s - 1 i 等。 一主频最高可达1 3 0 m i p s ，高速运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。 2 3 开发平台的搭建 项目所搭建的硬件开发平台采用s a m s u n g ( _ 三星) 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 6 武汉理工大学硕士学位论文 嵌入式微处理器s 3 c 4 4 b o x ( 删7 1 1 ) m i 内核) 为核心，该处理器为手持设备 和一般类型应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。为了使应用系 统降低成本，s c 4 4 b o x 提供了丰富的内置资源，包括：8 k bc a c h e 、可选内部 s r a m 、l c d 控制器( 支持2 5 6 色d s t n ) 、带自动握手的2 通道u a r t ( 兼容i r d a l 0 标准，具有1 6 b y t ef i f o ) 、4 通道d m a 、存储系统管理器( 片选逻辑， f p e d 0 s d r a m 控制器) 、p w m 功能的6 通道定时器、7 1 个通用i o 端口、实 时时钟r t c 、8 通道1 0 位a d c ，i i c b u s 接口、同步s i o 接口和p l l 倍频器。 硬件结构模块如图2 2 所示例。 图2 - 2硬件结构模块图 化学发光检测系统的硬件平台由以下几个部分构成： c p u ：三星s 3 c 4 4 b o x ( s a m s u n g a r m 7 t d m ) 微处理器，外部时钟为8 m h z ， 内部倍频至6 4 m h z 。 n o rf l a s h ：1 6 m b i t ( 2 m x 8 b i t 1 m 1 6 b i t ) s s t 3 9 v f l 6 0 或a m 2 9 l v l 6 0 ，兼 容3 2 m b i t ( 4 m 8 b i t 2 m 1 6 b i t ) s s t 3 9 v f 3 2 0 或a m 2 9 l v 3 2 0 。 7 武汉理工大学硕士学位论文 s d r a m ：兼容p c i 0 0 p c i 3 3 ，基本配置采用6 4 m b i t ( 1 mx4 b a n k 1 6 b i 0 h y 5 7 v 6 4 1 6 2 ，可选配1 2 8 m b i t ( 2 m 4 b a n k 1 6 b i t ) h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 ，或 2 5 6 m b i t ( 4 m x 4 b a n k x1 6 b i t ) h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 。 n a n df l a s h ：基本配置采用1 6 m 8 b i t 的k 9 f 2 8 0 8 ，可选配3 2 m x 8 b i t 的 k 9 f 5 6 0 8 或6 4 m x8 b i t 的k 9 f 1 2 0 8 。 i i c 接口串行e e p r o m ：a t 2 4 c 0 44 k b y t e se e p r o m 。 u a r t 接口：2 通道u a r t 接口，波特率高达1 1 5 2 0 0 b p s ，具有r s 2 3 2 电平 转换电路，可直接连接p c 机。 l c d 和触摸屏接口：采用2 6 针双排插针接口，其中包括l c d 接口和触摸 屏接口。l c d 接口利用c p u 内部的l c d 控制器扩展单色液晶屏或2 5 6 色 s t n d s t n 型液晶屏( 典型分辨率为6 4 0 x 4 8 0 ，3 2 0 2 4 0 ) ，具有对比度调节电位 器和液晶电源5 v 3 3 v 选择跳线，触摸屏接口则接到触摸屏控制a d s 7 8 4 3 电路。 i d e 及多功能扩展接口：可挂硬盘或c o m p a c t f l a s h 卡，以及符合i d e 扩展 的外围设备，并配有i d e 工作指示灯。 j 1 a g 接口：采用2 0 针标准兀a g 接口。 实时时钟r t c ：配有3 v ( c r l 2 2 0 ) 纽扣电池，系统掉电后r t c 仍能够保持 工作。 复位电路和4 路外部中断按键。 4 个可编程l e d 指示灯，1 个蜂鸣器。 p s 2 接口：可接p s 2 键盘或鼠标。 u s b 接1 2 1 ：采用c y p r e s s ( 赛普拉恩) 公司的s l 8 1 1 h s 芯片具有：i z ) a 两种工 作模式的u s b 控制器，遵循u s b l 1 规范。 s d c a r d m m c 接口：通过s i o 接口扩展，兼容s d 卡和m m c 卡。 开发板供电：采用输出+ 9 v c d 2 a 开关电源。 2 3 2a d s l 2 软件开发平台 如何将一个开尉调试环境下的嵌入式应用程序转移到最终独立运行的目标 系统中去，是嵌入式系统开发重要的软硬件连接点，一般而言，在高端嵌入式 开发中，我们都需要编写芯片的板级支持包b s p 来覆盖机器语言，使用高级语 言如c 来进行开发，在这里a d s i 2 就起到了这样的桥梁作用，它有效提供了硬 件的映射机制，建立高级语言库，方便我们用c 语言来进行硬件设备驱动的编 8 武汉理工大学硕士学位论文 写。使用a d s l 2 开发嵌入式程序时，需要着重考虑以下几个问题： ( 1 ) 与硬件相关的c 语言库函数的使用。 ( 2 ) 某些c 语言库函数使用了调试环境中的资源，要把这些使用的资源重 定向到目标系统中的硬件上来。 ( 3 ) 可执行映象文件的存储器映射必须根据目标硬件的存储器分布进行裁 剪。 ( 4 ) 在主程序执行前，嵌入式应用程序必须先完成系统的初始化。一个完 整的初始化包括用户的启动执行代码和a d s 中c 库函数的初始化过程。化学发 光系统的工程a d s l 2 如图2 3 所示。 图2 3化学发光系统项目工程图 2 4p c o s - i i 操作系统的应用 i _ t c o s i i 是由美国人j e a nj l a b r o s 【4 1 编写的一个公开源代码的、微内核嵌 入式实时操作系统，其实时性能和内核的健壮性早已在大量的实际应用中得到 9 武汉理工大学硕士学位论文 了证实。程序开发人员可以改写源代码，使之符合自己的要求，也可以裁减掉 不需要的部分，使操作系统变得小巧、灵活，满足用户特定操作系统的需要。 “c o s - 特别适合一般使用者的学习、研究和开发。 u c o s 有如下特点：公开源代码，且源代码中有详细的注释；源代码清 晰易读且结构协调，组织有序；对实时操作系统的基本原理做了非常详细的解 释，其实时内核让人一目了然，简单易懂；移植性好，绝大部分p c o s 的源 代码是用移植性很强的a n s ic 编写的，与微处理器硬件相关的那部分是用汇编 语言写的，而且已经压缩到了最低程度，使得p c o s i i 便于移植到其它处理器 上；可裁剪性强，用户可以根据自己寄存器空间的大小和实际需要，只保留 p c o s i i 中应用程序需要的那些系统服务，这样可以大大减少产品中p c o s - i i 所需要的存储器空间( r a m r o m ) ，使得p c o s i i 适合中小系统，灵活应用： 系统内核实用性强，稳定性和可靠性高，抗干扰能力强 5 , 7 1 。 从最早版本的p c o s ，到最新版本的斗c o s i i n ，该实时内核已经走过了近 1 0 年的历程。1 0 年来，世界上已有很多人在各个领域使用了该实时内核，如医 疗器械、网络设备、自动提款机、工业机器人等等。这些应用的实践是该内核 实用性、无误性的最好证据。另外，最重要的一点的就是，该内核是完全免费， 这将大大的降低系统开发成本，有利于产品的规模生产。 2 4 2 设备驱动管理 化学发光系统p c o s i i 操作系统的引入，最主要的目的是来实时地管理系 统各项资源的工作情况。有操作系统的支持，我们便可以有效地处理各个硬件 资源关联，防止多重硬件处理信息时带来的干扰，同时它也十分有效地优化驱 动代码编写 s , g l 。在系统开发中，我们要管理以下任务信息： ( 1 ) l c d 和触摸屏的底层驱动函数： l c d 和触摸屏的底层驱动的主要功能是控制显示汉字符号、绘制图片、改 变背景颜色、外界触摸定位l c d 等。其主要是显示信息交流的界面，方便人机 交互。 ( 2 ) 键盘驱动函数：在化学发光检测系统中，采用通用型键盘，即p c 机 上的键盘来进行输入，它的软件设计在系统软件中是一个相对比较独立的部分， 主要包括在按下按键后中断的处理，以及判断出按键，同时在l c d 上显示相关 的信息，这部分还包括输入法的设计，在多任务调用中，它作为一个单独的任 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 务供操作系统调用。 ( 3 ) i ，a r t 异步串行口驱动函数：在化学发光检测系统上有两个独立的 u a r t 串口，u a r t 作为联系光电转换模块的枢纽，它不但要负责向光电转换模 块发送命令，使之进行规定的流程操作，还要接受光电转换模块所传送的数据； 同时它也负责向微型打印机传送数据，驱动打印机的操作。 ( 4 ) u 盘底层驱动函数和文件系统管理：这是本文重要核心的一部分，在 化学发光检测系统中，有大量的数据和信息需要存储，包括病人的信息，计算 的结果等等，这些结果存放在n a n d f l a s h 、u 盘、以及s d 卡上，既能方便地存 储数据，同时又可以方便地和a r m 进行数据交换。在该系统中存放数据采用的 是f a t l 6 文件系统，将不同的信息存于该系统中的文本文件上，同时按照规定 统一编号，方便查询和使用。 下面给出化学发光系统管理系统任务的具体框图如2 4 所示。 图2 4化学发光系统的详细任务划分 邮箱是t t c 0 s - i i 中一种重要通信机制，它可以使一个任务或者中断服务程 序向另一个任务发送一个指针型的变量。该指针指向一个包含了特定“消息” 的数据结构。为了在i l c o s i i 中使用邮箱，必须将开关量o s m o x _ e n 置为 l 。同样p c o s - i i 提供了5 种对邮箱的操作：0 s m b o x c r c a t c ( ) 、o s m b o x p e n d ( ) 、 武汉理工大学硕士学位论文 o s m b o x p o s t ( ) 、o s m b o x a c c e p t ( ) 、o s m b o x q u e r y ( ) 。 o s m b o x c r e a t e ( ) 用来建立一个邮箱。使用邮箱之前必须先建立邮箱，该函 数指定了邮箱内消息( m s g ) 的指针初始值。一般情况下，这个初始值是n u l l ， 但也可以一开始就包含一条m s g 。如果用邮箱来通知一个事件的发生( 发送一条 消息) ，那么就初始化该邮箱为n u l l ，如果用邮箱来共享某些资源，那么就初 始化该邮箱为一个非n u l l 的指针，也就把邮箱当作二值信号量使用了。 o s m b o x p e n d ( 1 是等待一个邮箱中的消息。同样它和信号量的o s m b o x p e n d ( ) 很相似，我们就提它们的不同之处。如果邮箱中有可用的消息，该函数会将该 域的值复制到局部变量m s g 中，并将其返回。其它部分和信号量该函数的处理 原理一样，就是针对的对象不一样而已( 邮箱针对是m s g 指针，而信号量针对是 信号量的计数值) 。 另外三个函数o s m b o x p o s t ( ) ，o s m b o x a c c e p t ( ) ，o s m b o x o u c 巧( ) 的作用跟 信号量相应的三个函数的作用类似，操作原理也一样，这里就不一一阐述了。 任务、中断服务程序、邮箱之间的关系如图2 - 6 。 图2 5 任务、中断服务程序、邮箱之间的关系 在本项目中有一层重要的开发难点，就是用i _ t c o s i i 实现多任务多数据下 对u 盘数据的抗干扰性管理，实现手段正是采用邮箱机制。通常来讲，简单笨 拙的方法是采用保存u 盘数据时关闭所有中断，这样可以保证数据万无一失， 但缺严重缺乏人机交互的互动性，用户做保存时不可参与其他事务测量。有了 邮箱机制，就可以在系统管理角度多层次调度不同界面的数据，实现u 盘的数 据准确读取又能多界面操作访问。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章u s b 主机系统数据存储的工作原理 在当前脱离p c 机的微控制时代，有效存储用户数据是十分重要的一块设计 内容。目前围绕u s b 主机设计数据存储的a r m 芯片不胜枚举，甚至已经将u s b 的主控制器嵌入到微核芯片当中，直接支持u s b 设备。化学发光系统中数据存 储模块是项目工程中十分重要的组成部分，u s b 的主机软件设计也必然成为系 统的攻关部分。如何进行数据存储系统的设计，我们必须要有足够的u s b 建模 和协议栈理论知识。本章由此着重研究u s b 数据通信理论。 3 1u s b 的数据通信理论 3 1 1 数据通信结构 u s b 的通信理论范畴属于数据通信理论，那么要认识u s b 数据通信协议， 就必须熟悉u s b 数据传输基本单元、数据传输机制及其数据交换流程。 u s b 是以差模串行信号位载体传送二进制代码来传输信号1 1 9 】；数据包作为 最基本的完整信息单元，包含了一系列数据信息。数据包也可以包括很多称为 数据域的层次；以包为基础，构成u s b 的4 种数据传输类型：中断传输、等时 传输、控制传输、批量传输。进而，组合不同的传输类型，传输各种类型的数 据，实现u s b 的各种功能。 u s b 最基本的数据单元即是“包”，其包含了一个完整的u s b 信息。它有 三种类型：令牌包、数据包、握手包。 “包”包含域的概念，“域”是一系列有意义的二进制数，分为同步域、端 点域、标识域、帧号域、数据域、校验域 1 4 - 1 7 1 。这些域的结构组织方式对于不 同的数据传输类型是有选择性的，因此针对不同的传输类型，我们必须选配好 所需的“域”和“包”。 u s b 的传输离不开事务和传输的概念。传输从概念上讲是更为广泛的大单 元，而事务为小单位，我们可以理解为事务是传输的子集或者重集，事务是传 输数据分为一块块小数据完成交互的一个过程，又可以理解为交互描述块，是 武汉理工大学硕士学位论文 “包”的若干集合。这些是重要的u s b 通信概念，四种不同的传输模式均是由 事务来完成数据交换的。作为事务本身，它也分为三种类型：输入( i n ) 事务、 输出( o u t ) 事务、设置( s e n j p ) 事务。据此我们推出任何一种传输都是由3 种事务组成，不同的是这3 种事务的组合和搭配有所差异而已。见图3 1 所示。 图3 - 1 包、域、事务和传输关系图 3 1 2 数据存储系统的传输模型 u s b 主机系统传输的类型分为四类 1 l - t 3 】： 中断传输：常用于键盘、鼠标等h i d 设备的数据传输，常常仅由一笔玳事 务或o u t 事务构成。 批量传输：主要用于大容量数据的传输。常由多笔玳事务或o u t 事务完 成。 等时传输：多用于语音或者视频流信号处理，在u s b 2 0 协议当中必须工作 到高速传输模式方可使视频信号得当处理。对于语音，工作在全速也可以使系 统工作起来。 控制传输：它是启动主控制器连接u s b 设备的基本条件，是u s b 设备枚举 阶段最重要的数据交换方式，一切u s b 主机的开始均由此出发。 化学发光系统数据存储模块中，我们存储数据采用的媒介是通用的u 盘，u 盘属于大容量存储设备，数据的传输必须以批量传输才能进行，因此认真研究 批量传输和控制传输十分关键。 ( 1 ) 控制传输的过程 控制传输包含2 到3 个阶段：初始设置阶段、数据传输阶段( 可有可无) 、状 态信息步骤。每个阶段都包含一个数据交换的动作。初始设置阶段发送s e t u p 武汉理工大学硕士学位论文 包将8 字节数据传给设备，通知设备需要提供哪些信息来进行配置，这里注意 的是数据传输是”d a t a t o g g l e ”方式，初始数据阶段用的正是d a t a 0 缓冲区。 数据阶段传输可有可无，这里面的信息主要是主机需要进行配置的具体数据结 构，它根据u s b 设备的不同而不同，有些设备可以空着，仅建立初始数据的8 字节就可以联络，以进行下一步操作。最后一个是状态信息步骤，使用d a t a i 缓冲区，判断主机或者设备是否正确接受到了数据，成功接受就a c k ，由此表 示控制操作过程完毕。如果数据包在传输过程被破坏，则转入总线空闲状态， 等待下一次传输。 根据不同的三个阶段就可拥有不同的令牌包，比如控制读取传输为 s e t u p - i n - o u t , 或者控制写入传输s e t u p - o u t - i n ，下面的图3 2 反映了 整个控制传输的数据流程。 控制写 控制读 控制无数据 可选数据传输阶段 固固 d a t a ld a t a o 固回 d a t a ld