【正文】 輸和航天領(lǐng)域。在口常生活中，幾乎所有的帶有一點(diǎn)“智能”的家電 (如全自動(dòng)洗衣機(jī)、電腦電飯煲等 )都是嵌入式系統(tǒng)。通常計(jì)算機(jī)連同一些常規(guī)的外設(shè)是作為獨(dú)立的系統(tǒng) }而 存在 的，并非為某一方面的專門應(yīng)用 }而 存在。它可以作為科學(xué)計(jì)算工具，也可以作為企業(yè)管理的工具，一般把這樣的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)成為通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。例如醫(yī)用 CT 也是一個(gè)系統(tǒng)，這里面也有計(jì)算機(jī)，但是這種計(jì)算機(jī)是作為某個(gè)專南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì) 第 2 頁 共 28 頁 用系統(tǒng)中的一個(gè)部件 }而 存在的。 IEEE(國際電氣和電子工程師協(xié)會(huì) )對嵌入式系統(tǒng)的定義為 :嵌入式系統(tǒng)是“用十控制、監(jiān)視或者輔助 操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”。 嵌入式系統(tǒng)分類 嵌入式系統(tǒng)可以大致分為如下類型。 (1)單機(jī)嵌入式系統(tǒng) 單機(jī)嵌入式系統(tǒng)以單機(jī)方式工作，獲取輸入并產(chǎn)生輸出。輸出可以是驅(qū)動(dòng)另一個(gè)系統(tǒng) 的電信號，或者是為用戶顯示信息的 LED 或者 LCD 顯示。在過程控制系統(tǒng)中，輸入來自傳感器，傳感器將溫度等物理信號轉(zhuǎn)換為電信號，電信號成為能夠控制閥門等設(shè)備的輸出。 (2)實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng) 有些嵌入式系統(tǒng)被要求在指定的時(shí)間內(nèi)完成特定的任務(wù)。例如，例如當(dāng)潮度超過特定閩值的時(shí)候，必須在 30 毫秒內(nèi)打開閥 門的系統(tǒng)。這種必須嚴(yán)格符合實(shí)時(shí)約束條件的系統(tǒng)被稱作“硬實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)”。還有很多系統(tǒng)有實(shí)時(shí)要求，但是對實(shí)時(shí)的要求不強(qiáng)，例如語音通信系統(tǒng)，語音包的延遲只會(huì)造成短暫的靜默，不會(huì)有什么嚴(yán)重的后果，類似的這種系統(tǒng)被成為“軟實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)”。嵌入式系統(tǒng)的硬件是嵌入式系統(tǒng)軟件環(huán) 境運(yùn)行的基礎(chǔ)，它提供嵌入式系統(tǒng)軟件運(yùn)行的物理平臺(tái)和通信接口 。雖然嵌入式系統(tǒng)一般沒有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的明顯區(qū)分，但是一般都把嵌入式系南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì) 第 3 頁 共 28 頁 統(tǒng)的軟件分為嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用軟件兩大部分。嵌入式系統(tǒng)是量身定做的專用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，它不同十 PC 機(jī)的組成，在實(shí)際應(yīng)用中的嵌入式系統(tǒng)硬 件配置非常精簡，除了微控制器和基本的外圍電路以外，其余的電路都可根據(jù)需要和成本進(jìn)行裁減、定制。 (2)嵌入式系統(tǒng)軟件 對十使用操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)來說，嵌入式系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)一般包含 4 個(gè)層面 ： 設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序接口 API 層、實(shí)際應(yīng)用程序?qū)印ｒ?qū)動(dòng)程 序是嵌入式系統(tǒng)中不可或缺的重要部分，使用任何外部設(shè)備都需要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序的支持，它為上層軟件提供了設(shè)備的操作接口。驅(qū)動(dòng)程序不僅要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的基本功能函數(shù)，如初始化、中斷響應(yīng)、發(fā)送、接收等，使設(shè)備的基本功能能夠?qū)崿F(xiàn)，而且因?yàn)樵O(shè)備在使用過程中還會(huì)出現(xiàn)各種各樣的差錯(cuò)，所以好的驅(qū)動(dòng)程序還有完備的錯(cuò)誤處理函數(shù)。 30 年 來經(jīng)歷了模擬、模擬 /數(shù)字混合和全數(shù)字技術(shù)二個(gè)階段。高質(zhì)量的圖像 (信息豐富而且真實(shí) )不僅提供了高的空間分辨率和對比分辨率，而且提高了十分重要的組織鑒別力，有力地增強(qiáng)了超聲臨床診斷效果。不斷地提高儀器的空間分辨力，對比分辨力，近年特別注意解決組織的鑒別力。采用全數(shù)字聲束形成技術(shù)和超寬頻技術(shù)，以得到豐富 而且 真實(shí)的信息，取得高質(zhì)量的圖像，為解決對組織的鑒別力提供了可能的條件 。提高信噪比，可以獲取更微弱的組織信號，增強(qiáng)對組織的鑒別力，有利十逐步解南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì) 第 4 頁 共 28 頁 接受隔離 與放大 檢波 信號處理 與視放 換能器 顯示器 發(fā)射電路 時(shí)序電路 決 B 超特異性不強(qiáng)的缺點(diǎn)。微電子技術(shù)的進(jìn)步和集成化的提高，使得芯片的功能更強(qiáng)、體積更小、功耗更低。同時(shí)， 嵌入式技術(shù)的成熟也為 B 超的進(jìn)步做出了巨大貢獻(xiàn)。 2 B 型超聲儀前端模擬電路設(shè)計(jì) B 型超聲診斷儀采用 B 型 (Brightness)調(diào)制方式來顯示回波信號的強(qiáng)弱。因此，也常把這類儀器稱為超聲斷層顯像儀，國外則常稱它為 B 型超聲掃查儀 (Ultrasound Bmode Scanner)。在 B 超儀的接收放大通道中使用對數(shù)放大器，因此調(diào)亮所用的回波幅度信號已經(jīng)過對數(shù)壓縮處理，于是顯示出來的二維黑白圖像具有很大的動(dòng)態(tài)范圍，其灰階代表著反射（或散射）系數(shù)的變化。 B 超圖像所能顯示的組織界面及組織內(nèi)部不均勻的反射系數(shù)的變化范圍很大，加之二維截面聲圖像的解剖學(xué)特性，使得 B 型圖像具有極大的診斷 價(jià)值。 圖 21 超聲儀原理框圖 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì) 第 5 頁 共 28 頁 發(fā)射電路 由單片機(jī)發(fā)出的觸發(fā)脈沖使發(fā)射電路產(chǎn)生一個(gè)窄脈沖，其脈沖寬帶通常是換能器工作頻率之倒數(shù)的一半左右，即： ? ?00 21 f??? （ 22） 式（ 22）中： 0? 為發(fā)射脈沖的寬 度， 0f 為換能器的工作頻率。采用 SN74LS221 器件得到 150ns 寬度的發(fā)射脈沖， SN74LS221 是一款性能非常優(yōu)良的單穩(wěn)態(tài)多頻振蕩器，使用方便，可靠性高。具體電路如圖 22 所示 。當(dāng)兩個(gè)反射的分界面的性質(zhì)相同時(shí)，反射和透射的百分率是相同的。但是相同性質(zhì)的分界面處于不同的深度時(shí)，超聲強(qiáng)度隨探測深度的增加而逐漸衰減。其中，吸收是主要的。對于均勻的生物體軟組織，聲衰減系數(shù)在區(qū)域內(nèi)基本上是相同的。采用 TL082構(gòu)成四階巴特沃斯低通濾波器， TL082 是一款高帶寬，雙通道運(yùn)算放大器，其帶寬可達(dá)到 4MHz，輸入阻抗為 10? ，截止頻率為： 通帶增益為： ?G 100 前置放大器設(shè)計(jì) 超聲回波信號頻率高，強(qiáng)度弱，噪聲大，需要先對其進(jìn)行放大處理。因此，前置放大電路是整個(gè)超聲信號接收電路的一個(gè)重點(diǎn)，同時(shí)也是一個(gè)瓶頸。此前置放大器能夠很好地避免信號的衰減并對噪聲有一定的抑制作用。 圖 23 前置電路原理圖 R2174R1 R3562R4R5R6562R7174R8U11uFQ1MRF904Q2MM4049U21uFU31uFU41uFU51uFU61uF+5V5V5V+5VR9100Mf CCRRCCRRc 43432121 11 ????? ??南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì) 第 7 頁 共 28 頁 A/D 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 超聲回波信號在經(jīng)過一系列模擬電路處理后，還需要對其進(jìn)行數(shù)字化，以供后端的更高級處理。因此，我們要進(jìn)行數(shù)字化處理 A/D轉(zhuǎn)換很重要。 AD9220 是一款通用的高性能 12位 A/D 轉(zhuǎn)換器，采樣率最高可達(dá) 10MSPS。用 74HC541 對轉(zhuǎn)換輸出的數(shù) 字信號進(jìn)行緩存，從而更好地實(shí)現(xiàn)對后級電路的支持。 圖 24 A/D 轉(zhuǎn)換電路圖 R47200C311000D7IN5711D8IN5711C3215PCLOCK1BIT122BIT113BIT104BIT95BIT86BIT77BIT68BIT59BIT410BIT311BIT212BIT113OTR14AVDD15AVDD26VINA23CAPB20CAPT21CML22VINB24VREF18SENSE17REFCOM19DVSS27DVDD28AVSS25AVSS16U5 AD9220C33C34C35C30C38C40C3710UF/16VC4110UF/16VC42G11A12A23A34A45A56A67A78A89GND10Y811Y712Y613Y514VCC20Y118Y217Y415Y316G219U674HC541G11A12A23A34A45A56A67A78A89GND10Y811Y712Y613Y514VCC20Y118Y217Y415Y316G219U774HC541R5522R5422R5322R5222R5122R5022R4822R4922R6322R6122R6022R5922R5822R5722R5622R6222BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT7BIT8BIT9BIT10BIT11BIT12OTRBTT2BTT1BTT4BTT3BTT5BTT6BTT7BTT8BTT9BTT10BTT11BTT125V5VC390.1UF5VInport南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì) 第 8 頁 共 28 頁 3 ARM 體系結(jié)構(gòu)和 BootLoader 的實(shí)現(xiàn) ARM 體系結(jié)構(gòu) ARM(Advanced RISC Machines)，既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn)為是對一類微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。在 32 位 RISC 中 CPU 開發(fā)領(lǐng)域不斷取得突破，其結(jié)構(gòu)已經(jīng)從 V3 發(fā)展到 V6。在低功耗、低成本的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域確立了市場領(lǐng)導(dǎo)地位。自 V5 以后， ARM 公司提供 Piccolo DSP 的芯核給芯片設(shè)計(jì)者，用于設(shè)計(jì)ARM+DSP 的 SOC(System On Chip)結(jié)構(gòu)的芯片。 ARM 處理器的工作狀態(tài) 從編程的角度看， ARM920T 處理器的工作狀態(tài)一般有兩種 （ 1） ARM 狀態(tài)，此時(shí)處理器執(zhí) 行 32 位的、字對齊的 ARM 指令； （ 2） Thumb 狀態(tài)，此時(shí)處理器執(zhí)行 16 位的、半字對齊的 Thumb 指令。并且，處理器工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)變并不影響處理器的工作模式和相應(yīng)寄存器中的內(nèi)容。 ARM 處理器模式 ARM920T 支持 7 種運(yùn)行模式，分別為： 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì) 第 9 頁 共 28 頁 （ 1）用戶模式 (usr)， ARM 處理器正常的程序執(zhí)行狀態(tài)； （ 2）快速中斷模式 (fiq)，用于 高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理； （ 3）外部中斷模式 (irq)，用于通用的中斷處理； （ 4）管理模式 (svc)，操作系統(tǒng)使用的保護(hù)模式； （ 5）數(shù)據(jù)訪問終止模式 (abt)，當(dāng)數(shù)據(jù)或指令預(yù)取終止時(shí)進(jìn)入該模式，可用于虛擬存儲(chǔ)及存儲(chǔ)保護(hù)； （ 6）系統(tǒng)模式 (sys)，運(yùn)行具有特權(quán)的操作系統(tǒng)任務(wù)； （ 7）未定義指令終止模式 (und)，當(dāng)未定義的指令執(zhí)行時(shí)進(jìn)入該模式，可用于支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真。大多數(shù)的應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶模式下，當(dāng)處理器運(yùn)行在用戶模 式下時(shí)，某些被保護(hù)的系統(tǒng)資源是不能被訪問的。 （ 2）譯碼：對指令進(jìn)行譯碼。 （ 4）緩沖 /數(shù)據(jù)：如果需要，則訪問數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；否則 ALU 的結(jié)果只是簡單地緩沖 1 個(gè)時(shí)鐘周期，以便所有的指令具有同樣的流水線流程。ARM920T 處理器的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是采用指令和數(shù)據(jù)分離訪問的方式，即采用了指令緩存 (ICache)和數(shù)據(jù)緩存 (DCache)。 S3C2410A 處理器介紹 S3C2410A 在包含 ARM920T 核的同時(shí)，增加了豐富的外圍資源 。 S3C2410A 同時(shí)集成了一個(gè)具有日歷功能 RTC 和具有 PLL（ MPLL 和 UPLL）的芯片時(shí)鐘發(fā)生器。 UPLL 產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)主從 USB 功能的時(shí)鐘。 S3C2410A 結(jié)構(gòu)框圖如圖 31 所示。我們知道 PC 機(jī) Linux 的體系結(jié)構(gòu)，PC 機(jī)中的引導(dǎo)加載程序由 BIOS(其本質(zhì)就是一段固件程序 )和位于