（影像医学与核医学专业论文）用于磁共振谱仪的高速数据传输方法的设计与实现.pdf

用于磁共振谱仪的高速数据传输方法的设计与实现 研究生：吴文波 专业：影像医学与核医学 导师：王鹏程教授 李培工程师 中文摘要 目的 分析用于磁共振谱仪的数据传输方法，结合当前先进的嵌入式技术，研 究将基于p o w e r p c 的l i n u x 嵌入式系统应用于磁共振潜仪的方法与技术。研 制基于p o w e r p c 嵌入式l i n u x 网络通信系统，实现核磁共振谱仪、控制计算 机和数据采集发送模块之间的高速数据传输。 材料与方法 本系统是以i b m a m c c 公司的p o w e r p c ( p e r f o r m a n c eo p t i m i z e dw i t h e n h a n c e dr i s cp c ，简称p o w e r p c ) 架构的嵌入式处理器为硬件核心，以嵌 入式l i n u x 操作系统为软件平台的嵌入式网络通信解决方案。采用t c p i p 协议为网络通信协议实现控制计算机与谱仪的网络通信，运用双端口存储器 d p r a m ( d u a lp o r ts r a m ，简称d p r a m ) 实现网络通信系统与数据采集发 送模块之间的高速数据交换。硬件系统采用基于p o w e r p c 的b u b i n g a 电路板 架构，主要由运行频率为2 6 6 m h z 的3 2 位p o w e r p c4 0 5 e p 处理器、2 5 6 m b 的s d r a m 、n o rf l a s h 、三星公司6 4 m b 的n a n df l a s h 、双端口存储器 d p r a m 、l x t 9 7 2 以太网控制器、10 0 m b p s 以太网接e l 和r s 2 3 2 串行接口等 模块构成。软件开发环境采用装有w i n d o w sx p 的p c 作为主机，在v m w a r e 虚拟机中运行r e d h a tl i n u x 9 0 操作系统。交叉编译工具采用德国d e n x 软 件中心提供的基于p o w e r p c 嵌入式l i n u x 交叉编译环境e l d k 4 1 ( e m b e d d e d l i n k d e v e l o p m e n tk i t ，简称e l d k ) 。软件系统主要由用于系统引导的 u b o o t 1 1 3 、嵌入式l i n u x 2 6 操作系统内核、双端口存储器d p r a m 驱动 程序、l i n u x 根文件系统、网络通信服务程序构成。 结果 本项研究采用p o w e r p c 嵌入式处理器和嵌入式l i n u x 操作系统设计实现 了用于磁共振谱仪的网络通信系统。经过一系列成像和极端测试后，结果表 l 明系统传输速度达到l0 0 m b p s ，传输性能稳定、可靠、安全，传输实时性完 全满足四通道成像要求。 结论 本系统已成功用于北京万东医疗装备股份有限公司o 5 t 磁共振成像系 统的谱仪中。经过长期试验表明，本系统在数据传输速度、实时性、稳定性 等方面完全能够满足磁共振成像的要求。与同类系统相比，大大缩小了磁共 振谱仪的体积，大幅提高了磁共振图像的信噪比。 关键词磁共振成像；谱仪；高速数据传输；网络通信系统；嵌入式 l i n u x ：p o w e r p c ：u b o o t 2 d e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h eh i g h - s p e e dd a t at r a n s m i s s i o n m e t h o df o rmr is p e c t r o m e t e r gr a d u a t e ：w nw e n b o s p e c i a l t y ：i m a g i n ga n dn u c l e a rm e d i c i n e t u t o r ：p r o f e s s o rw a n gp e n g c h e n g e n g i n e e rl ip e i a b s t r a c t o b j e c t i v e t h i s r e s e a r c h ，t h r o u g ht h ea n a l y s i s o fd a t at r a n s m i s s i o nm e t h o d sf o r m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n gs p e c t r o m e t e r ，c o m b i n e dw i t ht h ec u r r e n ta d v a n c e d e m b e d d e dt e c h n o l o g y ，a p p l i e st h ee m b e d d e dl i n u xs y s t e mb a s e do nt h e p o w e r p ca r c h i t e c t u r et ot h ed e s i g no ft h em a g n e t i cr e s o n a n c es p e c t r o m e t e r t h i sp a p e rd e s i g n sa n di m p l e m e n t st h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns y s t e mo ft h e e m b e d d e dl i n u xb a s e do np o w e r p cw h i c hi st h eh i g h - s p e e dd a t at r a n s m i s s i o n p l a t f o r m b e t w e e nt h ec o n t r o lc o m p u t e ra n dt h ed a t aa c q u i s i t i o na n ds e n d m o d u l e m a t e r i a l sa n dm e t h o d s t h i ss y s t e mi sa ne m b e d d e dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns o l u t i o nw h i c hi s b a s e do ni b m a m c c sp o w e r p c ( p e r f o r m a n c eo p t i m i z e dw i t he n h a n c e d r i s cp c ，p o w e r p cf o rs h o r t ) a r c h i t e c t u r ea n dt h ee m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n g s y s t e m t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h es p e c t r o m e t e ra n dt h ec o n t r o lc o m p u t e r i si m p l e m e n t e db yt c p i pp r o t o c 0 1 t h eh i g h s p e e dd a t ae x c h a n g eb e t w e e nt h i s s y s t e ma n dt h ed a t aa c q u i s i t i o na n ds e n dm o d u l ei sc o m p l e t e db yt h ed u a l - p o r t m e m o r y ( d u a lp o r ts r a m ，d p r a mf o rs h o r t ) t h eh a r d w a r es y s t e m ，b a s e do n t h ep o w e r p ca r c h i t e c t u r eo fb u b i n g a ，m a i n l yi n c l u d et h e2 6 6 m h z ，3 2 一b i t p o w e r p c4 0 5 e pp r o c e s s o r ，2 5 6 m bs d r a m ，2 m bn o r f l a s h ，s a m s u n g s6 4 m b n a n df l a s h ，16 m bd p r a m ，l x t 9 7 2e t h e r n e tc o n t r o l l e r ，10 0 m b p se t h e r n e t i n t e r f a c ea n dr s 2 3 2i n t e r f a c e t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ti sr e d h a tl i n u x 9 。0r u n n i n gi nv m w a r ev i r t u a lm a c h i n ei n s t a l l e di nap ch o s tw i t h w i n d o w sx p t h ec r o s sc o m p i l et o o lc h a i n su s e se l d k 4 1 ( e m b e d d e dl i n k d e v e l o p m e n tk i t ，e l d kf o rs h o r t ) b a s e do np o w e r p cd e s i g n e db yd e n x s o f t w a r ec e n t e ri ng e r m a n t h es o f t w a r es y s t e mm a i n l yi n c l u d e su b o o t 一1 1 3 u s e dt ob o o ta n dl o a ds y s t e m ，t h ee m b e d d e dl i n u x - 2 6k e r n e l ，t h ed p r a m 3 d r i v e r ，t h el i n u xr o o tf i l es y s t e m ，t h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ss e r v e rp r o g r a m r e s u i t s t h i s r e s e a r c h d e s i g n s t h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s y s t e m sw i t h t h e e m b e d d e dp o w e r p cp r o c e s s o ra n dt h ee m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mf o r m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n gs p e c t r o m e t e r a f t e rt e s t e db yas e r i e so fi m a g i n g a n de x t r e m ec o n d i t i o n s ，t h i ss y s t e mh a st h ed a t at r a n s m i s s i o ns p e e do f10 0 m b p e rs e c o n d ，t h es t a b l e ，r e l i a b l ea n ds e c u r et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ea n dt h e t r a n s m i s s i o nr e a l - t i m ef u l l ym e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so ff o u rc h a n n e li m a g i n g c o n c l u s i o n t h i ss y s t e mh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h es p e c t r o m e t e ro f0 5 t m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n gs y s t e mi nb e i j i n gw a n d o n gm e d i c a le q u i p m e n tc o ， l t d l o n g t e r me x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h i ss y s t e mi sa b l et of u l l ym e e tt h e r e q u i r e m e n t s o fm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n gi nd a t at r a n s m i s s i o n s p e e d ， r e a l t i m e ，s t a b i l i t ya n ds oo n c o m p a r e dw i t hs i m i l a rs y s t e m ，t h i ss y s t e mg r e a t l y r e d u c e st h es i z eo fm a g n e t i cr e s o n a n c es p e c t r o m e t e ra n ds u b s t a n t i a l l yi n c r e a s e s t h es i g n a l - t o - n o i s er a t i oo ft h em a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g e k e yw o r d sm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ；s p e c t r o m e t e r ；h i g h - s p e e dd a t a t r a n s m i s s i o n ；n e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ；e m b e d d e d l i n u x ；p o w e r p c ；u b o o t 4 英文简称英文全称 m r i n m r r f r t o s e m p u m c u e d s p s o c e l d k 符号说明 m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e r a d i of r e q u e n c y r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t m i c r o c o n t r o l l e ru n i t e m b e d d e dd i g i t a lsi g n a lp r o c e s s o r s y s t e mo nc h i p 中文全称 磁共振成像 核磁共振 射频 实时操作系统 嵌入式微处理器 嵌入式微控制器 嵌入式d s p 处理器 嵌入式片上系统 e m b e d d e dl i n kd e v e l o p m e n tk i t嵌入式l i n u x 开发工具 u b 0 0 tu n i v e r s a lb o o tl o a d e r d p r a md h a lp o r ts r a m 5 通用引导程序 双端口存储器 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 日期：丝么业 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解泰山医学院有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权泰山医学院可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其它复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 期： 趁灶。岁7 刖吾 1 磁共振成像概述 磁共振成像( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ，简称m r i ) 是一种新兴的医学 影像方法，它是利用磁场与射频脉冲使生物体内的氯核共振产牛信号，经计 算机处理而成像。由于其具有分辨率离、成像参数多、可任意层面断层成像、 七电离辐射损伤等特点，磁共振成像已经成为影像学检查中最先进、使川最 j 、泛的i ：具之一，广泛应州丁临床对人体各系统的检查。t 2j 。 磁共振成像的物理基础足核磁兆振( n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ，简称 n m r ) 理论。n m r 是低能齄电磁波，即射频( r a d i of r e q u e n c y ，简称r f ) 波与 既有角动量又有磁矩的核系统在外磁场中柑瓦作州表现出的共振特性”“。 用特定颓率的射频脉冲进行激发，作为小磁体的氢原子核吸收定量的能而 共振，即发生了磁共振现象。停止发射射频脉冲，则被激发的氧原千核把所 吸收的能逐步释放i l j 束，其相位和能级都饿复到激发前的状态。 磁共振成像系统设备包括磁体、梯度线圈、供电部分、射频发射器及磁 共振信号接收器，这些部分负责磁共振信号产牛、探测，编码：模拟转换器、 计算机、磁盘7 磁带机等。则负责数据处胖、罔像重建、显示与存储，如图 l 所示。 图1 磁共振成像系统结构 6 主磁体育常导型、超导型和永磁型三种，直接关系到磁场强度、均匀度 和稳定性，并影响m r i 的图像质量。通常用主磁体类型来说明磁共振成像设 备的类型。常导型的线圈用铜、铝线绕成，磁场强度最高可达0 15 0 3 t ， 超导型的线圈用铌一钛合金线绕成，磁场强度一般为0 3 5 2 0 t ，用液氦及 液氮冷却；永磁型的磁体由用磁性物质制成的磁砖所组成，较重，磁场强度 偏低，最高达0 3 t 。 主磁体用于产生主磁场b o ，现在有各种不同形状的主磁体设计。梯度线 圈产生用于空间位置编码的梯度磁场，射频线圈产生射频脉冲以激发氢核共 振，它们通常都安装在主磁体内。谱仪负责各种信号的产生、接收以及时序 控制，梯度和射频功率放大器分别对梯度和射频信号进行放大以满足实际需 要。计算机、谱仪以及梯度和射频功率放大器安放在屏蔽房外，供医生或技 术人员操作使用。除此之外，磁共振成像系统还有其它的一些附属设备，如 磁屏蔽体、水冷机组、不| 白j 断电源、空调、射频屏蔽体等。 2 磁共振谱仪概述 谱仪( s p e c t r o m e t e r ) 是磁共振成像系统的核心部件，是一个集成了物理、 电子、计算机、软件等领域的先进技术于一体的高技术装备，控制着整个磁 共振成像系统的时序以及各种波形信号的产生、发射、接收和处理，其性能 的优劣是决定磁共振成像质量的重要因素1 。磁共振成像系统研制的成败， 在很大程度上取决于其中谱仪的功能与性能。谱仪在磁共振成像系统中发挥 着承 图2 谱仪与磁共振成像系统 7 磁体 ： ( 梯度线圈) ： ( 射频线圈)： ( 接收线圈) ： l i 谱仪在磁共振成像系统中分别与计算机和功率放大器相连，主要功能是 根据临床应用时选择的不同成像序列和成像参数，产生射频脉冲信号以及 g x ，g y ，g z 三路梯度磁场信号，然后按照序列所规定的时序控制射频信号 和梯度信号的发生，分别经射频功率放大器和梯度功率放大器进行放大后， 驱动射频线圈和梯度线圈产生实际的射频磁场及梯度磁场，对生物体内的氢 核进行激励。谱仪还要对接收到的磁共振信号进行数字采样、解调及各种滤 波处理，最后进行傅立叶变换( f o u r i e rt r a n s f o r m ，简称f t ) 成像，并把图像 传送到主计算机供医生使片j ，磁共振谱仪总体结构如图3 所示。 数 字 控 制 照 一 7 1 5 模 拟 接 口 苴 一 7 1 3 图3 磁共振谱仪总体结构 3 磁共振谱仪国内外研究现状 国内的磁共振成像研究起步较晚，但现在也有不少科研机构和高校在开 展这方面工作。如东北大学依托东软公司，进行了磁共振成像谱仪的研制开 发；华东师范大学测试中心开展了磁共振成像的信号检测、谱仪研制等t 作： 8 北京大学核物理研究所在磁共振的临床应用方面开展了许多研究；中国科学 院武汉物理与数学研究所进行了磁体设计。 国外对磁共振成像谱仪的研究较多，目前商用磁共振成像谱仪只有国外 几家公司能够生产，如r i 、s m i s 、m e d i s o n 、b r u k e r 公司等，价格相当昂贵。 英国r i 公司推出的全数字化磁共振成像谱仪m a r a n ，基于a t a 总线结构 进行设计，它不仅可以用于磁共振成像，还用于波谱分析领域。2 0 0 3 年， g e 公司在谱仪设计上推出e x c i t e 技术，宣称是十多年来磁共振成像最大的 技术突破，它主要改善了梯度和射频信号的丌关技术，增加了接收的通道数， 可以获得更快的重建速度和更高的图像质量。但这些国外公司的研究都高度 保密。 4 本项研究内容 本项研究内容是北京万东医疗装备股份有限公司与北京大学联合承担 的北京市科委项目“数字化开放式永磁0 5 t 磁共振成像医疗诊断系统研制” 中所规定的“数字化多通道并行采集式磁共振成像谱仪 课题的一部分。本 项研究主要完成以下内容的研究： ( 1 ) 嵌入式系统硬件架构 ( 2 ) 嵌入式系统软件架构 ( 3 ) 基于p o w e r p c 嵌入式l i n u x 网络通信系统硬件设计 ( 4 ) 基于p o w e r p c 嵌入式l i n u x 网络通信系统软件设计 9 材料与方法 1 嵌入式系统 1 1 嵌入式系统定义 嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。7 0 年代单片机的出现，使得汽 车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置 来获得更佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。这些装置已经初步具 备了嵌入式的应用特点，但是这时的应用只是使用8 位的芯片，执行一些单 线程的程序，还谈不上“系统”的概念。 最早的单片机是i n t e l 公司的8 0 4 8 ，它出现在19 7 6 年。m o t o r o l a 同时推 出了6 8 h c 0 5 ，z i l o g 公司推出了z 8 0 系列，这些早期的单片机均含有2 5 6 字 节的r a m 、4 k 的r o m 、4 个8 位并口、1 个全双工串行口、两个16 位定时 器。之后在8 0 年代初，i n t e i 又进一步完善了8 0 4 8 ，在它的基础上研制成功 了8 0 51 ，这在单片机的历史上是值得纪念的一页，迄今为止，51 系列的瞥 片机仍然是最为成功的单片机芯片，在各种产品中有着非常广泛的应用。 从8 0 年代早期开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统” 编写嵌入式应用软件，这使得可以获取更短的开发周期，更低的开发资金和 更高的开发效率，“嵌入式系统”真萨出现了。确切点说，这个时候的操作 系统是一个实时核，这个实时核包含了许多传统操作系统的特征，包括任务 管理、任务i 、日j 通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。其中比 较著名的有r e a d ys y s t e m 公司的v r t x 、is i ( i n t e g r a t e ds y s t e mi n c o r p o r a t i o n ， 简称i s i ) 的p s o s 和i m g 的v x w o r k s 、q n x 公司的q n x 等。这些嵌入式 操作系统都具有嵌入式的典型特点：它们均采用占先式的调度，响应的时f b j 很短，任务执行的时间可以确定；系统内核很小，具有可裁剪，可扩充和可 移植性，可以移植到各种处理器上；较强的实时和可靠性，适合嵌入式应用j 这些嵌入式实时多任务操作系统的出现，使得应用开发人员得以从小范围的 丌发解放出来，同时也促使嵌入式有了更为广阔的应用空间。 9 0 年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时内核 逐渐发展为实时多任务操作系统，并作为一种软件平台逐步成为目自矿国际嵌 入式系统的主流。这时候更多的公司看到了嵌入式系统的广阔发展日l 景，丌 始大力发展自己的嵌入式操作系统。除了上面的几家老牌公司以外，还出现 1 0 了p a l mo s ，w i n c e ，嵌入式l i n u x ，l y n x ，n u c l e u x ，以及国内的h o p e n ， d e l t ao s 等嵌入式操作系统。随着嵌入式技术的发展自订景日益广阔，相信会 有更多的嵌入式操作系统软件出现。 在中国嵌入式系统领域，比较认同的嵌入式系统概念是：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，适用于应用系统 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心引。它一 般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序 等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。一个典 型的嵌入式系统结构如图4 所示。 图4 典型的嵌入式系统结构 1 2 嵌入式系统特点心 ( 1 ) 系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统 资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。 ( 2 ) 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结 合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列 的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的 任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这 种修改和通用软件的升级是完全两个概念。 ( 3 ) 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分， 不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时 也利于实现系统安全。 ( 4 ) 高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求 固念存储，以提高速度；软件代码要求高质量和高可靠性。 ( 5 ) 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。 嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理 地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须 自行选配实时操作系统( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，简称r t o s ) 开发平 台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件 质量。 ( 6 ) 嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备自举开发 能力，即使没计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的， 必须有一套歼发工具和环境才能进行丌发，这些工具和环境一般是基于通用 计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往 往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机， 开发时需要交替结合进行。 1 3 嵌入式处理器心7 1 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器具备四个特点： ( 1 ) 对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中 断响应时间，从而使内部的代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限 度： ( 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能，这是由于嵌入式系统的软件结构 已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大 的存储区保护功能，同时也有利于软件珍断； ( 3 ) 可扩展的处理器结构，以能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌入 式微处理器； ( 4 ) 嵌入式微处理器的功耗必须很低，尤其是用于便携式的无线及移动 的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，功耗只能为m w 甚 1 2 至p w 级a 据不完全统计，目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过10 0 0 种， 流行的体系结构有3 0 多个系列。其中8 0 51 体系占多半，生产这种单片机的半 导体厂家有2 0 多个，共3 5 0 多种衍生产品，仅p h i l i p s 就有近10 0 种。现在几乎 每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设 计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从6 4 k b 到l6 m b ，处理速度为 0 1 2 0 0 0 m i p s ，常用封装8 l4 4 个引脚。 根据现状，嵌入式处理器可分成下面几类： ( 1 ) 嵌入式微处理器 ( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，简称e m p u ) 嵌入式微处理器采用“增强型”通用微处理器。由于嵌入式系统通常应 用于环境比较恶劣的环境中，因而嵌入式微处理器在工作温度、电磁兼容性 以及可靠性方面的要求较通用的标准微处理器高。但是，嵌入式微处理器在 功能方面与标准的微处理器基本上是一样的。根据实际嵌入式应用要求，将 嵌入式微处理器装配在专门设计的主板上，只保留和嵌入式应用有关的主板 功能，这样可以大幅度减小系统的体积和功耗。和工业控制计算机相比，嵌 入式微处理器组成的系统具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点， 但在其电路板上必须包括r o m 、r a m 、总线接口、各种外设等器件，从而 降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。由嵌入式微处理器及其存储器、 总线、外设等安装在一块电路主板上构成一个通常所说的单板机系统。嵌入 式处理器目自仃主要有a m l8 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 系列等。 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o i l e ru n i t ，简称m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，它将整个计算机系统集成到一块芯片中。 嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在 芯片内部集成了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 o 、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 各种必要功能部件和外设。为适应不同的应用需求，对功能的设置和外设的 配置进行必要的修改和裁减定制，使得一个系列的单片机具有多种衍生产 品，每种衍生产品的处理器内核都相同，不同的是存储器和外没的配置及功 能的设置。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，从而减少整个 系统的功耗和成本。和嵌入式微处理器相比，微控制器的单片化使应用系统 的体积大大减小，从而使功耗和成本大幅度下降、可靠性提高。由于嵌入式 微控制器目前在产品的品种和数量上是所有种类嵌入式处理器中最多的，而 且上述诸多优点决定了微控制器是嵌入式系统应用的主流。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。通常，嵌入式微 处理器可分为通用和半通用两类，比较有代表性的通用系列包括8 0 5l 、 p 5lx a 、m c s 。2 51 、m c s 9 6 l9 6 2 9 6 、c16 6 16 7 、6 8 3 0 0 等。而比较有代表 性的半通用系列，如支持u s b 接口的m c u8 x c 9 3 0 9 31 、c 5 4 0 、c 5 41 ：支 持1 2 c 、c a n 总线、l c d 等的众多专用m c u 和兼容系列。目前m c u 约占嵌入 式系统市场份额的7 0 。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，简称e d s p ) 在数字信号处理应用中，各种数字信号处理算法相当复杂，这些算法的 复杂度可能是o ( n m ) 的，甚至是n p 的，一般结构的处理器无法实时的完成这 些运算。由于d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于实 时地进行数字信号处理。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面，d s p 算法f 大 量进入嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以普通指令实现d s p 功能， 过渡到采用嵌入式d s p 处理器。嵌入式d s p 处理器有两类：( 1 ) d s p 处理器经 过单片化、e m c 改造、增加片上外设成为嵌入式d s p 处理器，t i 的 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 等属于此范畴；( 2 ) 在通用单片机或s o c 中增加d s p 协 处理器，例如i n t e l 的m c s 2 9 6 和i n f i n e o n ( s i e m e n s ) 的t r i c o r e 。另外，在有 关智能方面的应用中，也需要嵌入式d p s 处理器，例如各种带有智能逻辑的 消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘，a d s l 接入、 实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能化算法一般都是运算量较大， 特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是d s p 处理器的优势所 在。嵌入式d s p 处理器比较有代表性的产品是t i 的t m s 3 2 0 系列和 m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。t m s 3 2 0 系列处理器包括用于控制的c 2 0 0 0 系列、移动通信的c 5 0 0 0 系列，以及性能更高的c 6 0 0 0 和c 8 0 0 0 系列。 d s p 5 6 0 0 0 目前已经发展成为d s p 5 6 0 0 0 、d s p 5 6 10 0 、d s p 5 6 2 0 0 和 d s p 5 6 3 0 0 等几个不同系列的处理器。另外，p h i l i p s 公司最近也推出了基 于可重置嵌入式d s p 结构，采用低成本、低功耗技术制造的r e a ld s p 处理器，其特点是具备双h a r v a r d 结构和双乘累加单元，应用目标是大 批量消费类产品。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，简称s o c ) 随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化，以及半导体工艺的迅速发展， 可以在一块硅片上实现一个更为复杂的系统，这就产生了s o c 技术。各种 通用处理器内核将作为s o c 设计公司的标准库，和其他许多嵌入式系统外 设一样，成为v l s i 设计中一种标准的器件，用标准的v h d l 、v e r l o g 等 硬件语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通 过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除某些无法集成的器件 以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块：签片中去，应用系统电 路板将变得很简单，对于减小整个应用系统体积和功耗、提高可靠性非常有 利。s o c 可分为通用和专用两类，通用s o c 如i n f i n e o n ( 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 ，以及某些a r m 系列器件，如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；专用s o c 一般专用于某个或某类系 统中，如p h i l i p s 的s m a r tx a ，它将x a 单片机内核和支持超过2 0 4 8 位 复杂r s a 算法的c c u 单元制作在一块硅片上，形成一个可加载j a v a 或 c 语言的专用s o c ，可用于互联网安全方面。 1 4 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入 式系统( 包括硬件、软件系统) 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相 关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准 化浏览器等b r o w s e r 。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如 能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从 繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具 集以及应用程序。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高 效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突 出的特点。 一般情况下，嵌入式操作系统可以分为两类，一类是面向控制、通信等 领域的实时操作系统，如w i n dr i v e r 公司的v x w o r k s 、i s i 的p s o s 、 q n x 系统软件公司的q n x 、a t i 的n u c l e u s 等；另一类是面向消费电 子产品的非实时操作系统，这类产品包括个人数字助理、移动电话、机顶盒、 电子书、w e b p h o n e 等。 嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展经历了四个阶段心。 第一阶段足无操作系统的嵌入算法阶段，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 段系统的主要特点足：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，通用性比较差；系统歼 销小，效率高：一般配备系统仿真器，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。 第三阶段是通用的嵌入式实时操作系统阶段，是以嵌入式操作系统为核 心的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是：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，并目具 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面等功能；具有大量的应用程序接口，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 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。 1 5 嵌入式系统与通用计算机系统比较 ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式c p u 与通用型的最大不同 就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功 耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集 1 6 成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强， 跟网络的耦合也越来越紧密。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、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地设计，量体裁衣、去除冗余， 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，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地结合在一起，它的升级换代也是和具体 产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 ( 5 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在 存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 ( 6 ) 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也 是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。 2 基于p o w e r p c 嵌入式l i n u x 网络通信系统硬件设计 2 1p o w e r p c 处理器简介心7 1 p o w e r p c 是二十世纪九十年代i b m 和m o t o r o l a 公司联合为a p p l e 的 m a c 机丌发的c p u 芯片，商标权同时属于i b m 和m o t o r o l a ，其基本的设计 源自i b m 的p o w e r ( p e r f o r m a n c eo p t i m i z e dw i t he n h a n c e dr i s c ，简称 p o w e r p c ) 架构，后来成为他们的主导成品，并制造出基于p o w e r p c 的多 处理器计算机。 p o w e r