（电力电子与电力传动专业论文）基于armavr双cpu的数字式呼吸机控制器设计.pdf

北方工业大学硕士学位论文 d e s i g no f v e n t i l a t o rc o n t r o l l e rb a s e do na r ma n da v r w i t ht h ea r c h i t e c t u r eo fd u a lc p u a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，d i g i t a la n da n a l o gc i r c u i td i s c r e t ec o n t r o l m o d eh a sb e e nr e p l a c e db yc p uc o n t r o lm o d e i nt h i sb a c k g r o u n do fv e n t i l a t o ri n d u s t r y ， b e i j i n gk a n gd oc o m p a n y ( k a n gd um e d i c a la p p a r a t u sa n di n s t r u m e n t sc o l t d ) j o i n sw i t h n o r t hc h i n a u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yi nd e v e l o p i n gn e wp r o d u c t sw h i c hi sb a s e do nt h e m i c r o p r o c e s s o r t h e r ea r et w oc h a r a c t e r i s t i c so nt h i sv e n t i l a t e rc o n t r o l l e r ：f i r s t a sam e d i c a l a p p a r a t u s ，i tm u s th a v es e c u r i t yw i t hh i g h e rd e g r e e ；s e c o n d l y ，t h e r es h o u l db eag o o dh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e t h em a i nc o n t e n t si nt h i sp a p e ri n c l u d e s ： ( 1 ) c h o o s eo fc o n t r o ls c h e m e i nv i e wo ft h e s ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，w ed e s i g nt h e h a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo fc o n t r o l l e rb a s e do nd u a lc p u m o d e ：$ 3 c 4 4 8 0 w h i c hi saa r m 7 p r o c e s s o r ，i su s e df o rm e a s u r e m e n t ，c o n t r o l ，k e yp r o c e s s i n g ，d i s p l a ya n do t h e rr o u t i n et a s k s ； a t m e g a l 2 8 ，w h i c hi saa v rm i c r o c o n t r o l l e r , i sr e s p o n s i b l ef o ri s s u i n gt h ec l o c kp u l s ef o r w h o l em a c h i n e ( 2 ) d e s i n g o fh a r d w a r e h a r e w a r ec i r c u i td e s i n gi n c l u d e st h r e ep a r t s ：t h ef i r s tp a r ti st h e c o r eo fc o n t r o l l e r - m a i nc p u $ 3 c 4 4 8 0 t h es e c o n dp a r ti se x p a n s i o no fm a i nc p u ，s u c ha s p o w e rc i r c u i t ，r e s e t & w a t c h d o gc i r c u i t , o s c i l l a t o rc i r c u i t ，d e b u gi n t e r f a c ec i r c u i t ，m e m o r y e x p a n s i o nc i r c u i t t h et h i r dp a r ti st h ee x p a n s i o no fm e a s u r e m e n t ，c o n t r o l ，d i s p l a ya n dk e y r e s p o n s ec i r c u i t ( 3 ) d e s i g no f s o f t w a r e s o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e st w op a r t s ：s o f t w a r ef o rm a i nc p ua n d s o f t w a r ef o rs u bc p u ，t h ei d e ao fb o t hp a r t si sc i r c u l a t i o n + i n t e r r u p t a l lk i n d so fs u b f u n c t i o n s a r ee n c a p s u l a t e df o rh i g h e rl e v e ls o f t w a r es u c ha sd i s p l a ym o d u l e ，k e yr e s p o n s e m o d u l e ，m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lm o d u l e t h e s es o f t w a r er e a l i z e st h er e q u i r e df u n c t i o n sf o r v e n t i l a t o rc o n t r o l l e r t h ev e n t i l a t o rc o n t r o l l e rw h i c hd i s c u s s e di nt h i sp a p e rh a sn o to n l yh i g h e rr e l i a b i l i t yb u t a l s ob e t t e rh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e k e yw o r d s ：v e n t i l a t o rc o n t r o l l e r ，d u a lc p u ，a r m ，a v r 2 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及取得的研 究成果。据我所知，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j 匕左王些太堂或其他教育机构 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 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：李耳恒耸字日期：噼月亿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j 墨友王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权j e 直王些太堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：誊月恒 签字日期丑瞬月妇 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师繇研振 签字日期：勰踔彳月乜日 电话： 邮编： 北方工业大学硕士学位论文 1 序论 1 1 呼吸机的工作原理 呼吸机是一种医疗设备，是当前一定规模的医院必备的抢救设备，是延长病人生命 为进一步治疗争取宝贵时间的重要工具。它通过机械装置根据不同的治疗目的，为呼吸 功能不全的危重病人提供呼吸支持，也可以作为肺的替代器官。 人类的吸气功能是：呼吸肌收缩一胸廓容积扩大肺泡膨胀( 形成负压_ 卜一从外界吸 入空气；呼气功能是：呼吸肌放松肺泡弹性收缩胂内压力增大一向外呼出气体。由 此可知，由于人类肺泡的膨胀和收缩与大气压之问的压力差形成了呼吸功能。呼吸机是 用机械的办法建立这一压力差，从而实现强制的人工呼i 吸过程。 呼i 吸机的基本工作原理如图1 1 所示。其中氧气进入阀、空气进入阀、送气阀和呼 气阀都为单向阀，空气和氧气经过调节比例并混和后通过流量阀控制流量。当送气阀打 丌并且呼气阀关闭时，由于空氧混和气体压力高于人体肺内压力所以高压气体进入人 体；这样人体肺内压力高于外界大气压，经过设定的时问后送气阀关闭并且呼气阀打 开，人体内的c 0 2 经过呼气阀排出体外，这样就完成了一次呼吸过程【1 】o 图1 1 呼吸机的工作原理图 1 2 呼吸机的构成部件 在医院的使用过程中，呼吸机通常由以下六个部分组成1 2 1 ：气源，主机，湿化装 置，呼吸回路附件，机械臂，台车。以某厂家呼吸机为例，其组成如图1 2 所示： 4 北方工业人学硕士学位论文 台4 ： 浸化装耍 。t 源 谚 铲 审l 械臀 l ：q 1 一一一一一一一一一一一一一一 幽1 2n 乎吸机组成 t 机部分可以说是整个呼吸机的控制中枢。主机内部也町以分为气路和电路控制两 部分，气路部分是一个气体传送系统，包括气体供应( 气体储存、压力支持) 、气体传 输、压力流量监测和校正。电子控制部分的主要功能是控制乎吸机按设定的方式以一定 的频率、潮气量进行通气，同时监测相应传感器的反馈数据，此外还应完成人机交互功 能( 通过面板设置工作方式和运行参数以及显示各项监测量) 。本论文将在后面重点讨 论主机的电路控制部分。 气源有氧气源和空气源，氧气源一般通过氧气瓶提供，空气源一般由医用空气压缩 机提供，氧气和空气经过混合后给主机提供气源。压缩气体也可以由中心供气管道系统 提供。 湿化装置湿化器起着“人工鼻”的作用，用于对患者将要吸入的气体进行过滤、温 化和湿化。 呼吸回路附件包括管路、面罩和插管等。 机械臂用于固定呼吸管道，也可用于其它设备的部件支撑。 台车将以上五个部分整合在一个可以推走的小车上，方便了移动。 1 3 呼吸机的分类 呼吸机按功能和用途可以分为3 类【3 】：一是包括自动模式在内的、多种通气模式并 存的多功能中、高档治疗型呼吸机；二是便携式急救型呼吸机；三是无创型呼吸机，多 用于家庭护理。 5 北方j f 业大学硕士学位论文 按照压力方式及作用分为：体外式负压呼吸机；直接作用于气道的j 下压呼吸机，现 代呼吸机均为此种类型。 按照动力来源可以分为：气动气控呼吸机、气动电控呼吸机、电动电控呼吸机。本 文讨论的呼吸机为电动电控呼吸机。 按吸呼气转化方式分：压力切换型、容积切换型、时间切换型、流速切换型和联合 切换型1 9 】o 1 4 国内外产品现状及发展趋势 组成呼吸机的核心技术有：通气模式丌发技术，控制技术，测量技术，人机工程和 显示技术，产品整体配套技术等。整个装置的性能依赖医学、电子、机械的发展水平。 1 国外现状 国外呼吸机产品发展较早1 4 j ，已经形成了一套成熟的呼吸机研究模式及相关的知识 产权，我国进口的呼吸机大多为高档机型。 通气技术作为呼吸机上最为复杂的技术，涉及到人的呼吸生理，舒适度，通气质量 和治疗效果等。国外生产厂家多有自己的医学院，临床实验室和工程中心，大量的先进 通气模式和临床需求都是从临床实验室得到的最初模型，然后通过工程技术人员实现， 最后还要回到实验室进行测定和验证。 测量和控制技术的精准主要得益于国外雄厚的基础工业。阀门控制技术和传感器技 术是呼吸机实现控制的基础。 基础加工业、模具业和软件电子业的发展为人机工程和显示技术提供了强有力的支 持和技术条件。 国外先进的呼吸机生产厂家有：德国西门子、美国乌牌、澳大利亚瑞思迈等。 2 国内现状 目前国产呼吸机在技术上大多数还处于借鉴和模仿国外产品技术阶段，在功能质量 方面尤其是在可靠性上落后国外发达国家。目前大部分关键元件还是以“拿来主义”的 o e m 方式为主。国内生产的呼吸机大多数是中低档的呼吸机，在通气模式上为常用的 模式，基本上能够满足临床使用要求 s l 。 3 发展趋势 在通气模式和功能方面开发出了越来越多的新模式，使得呼吸机更加人性化、提高 了舒适性和安全性。 随着计算机技术的发展，已进入以微处理器支持为特征的自动通气治疗时蒯6 】。以 前的呼吸机多采用电子线路控制，而目前几乎已完全被微机替代，有的厂商还采用多c p u 6 北方i ：业大学硕十学位论文 技术以加强功能。新型呼吸机都设有自动检验、自动校f 、数据通讯、多参数监测及显 示、通气气流及压力实时波形显示、多参数监测及显示、通气气流及压力实时波形显 示、多参数自动报警等功能。而且功能的改进，基本上只需更新软件，所以新型呼吸机 可以实现更多的通气模式、实现更高的控制和检测精度、实现更人性化的人机交互界 面。 此外，传统的呼吸机往往足单机模式，信息无法共享【7 】o 随着信息技术的发展，一 方面呼吸机可以将其主要数据传输 来实现集中管理和共享；另一方面也可以通过网络 实现远程医疗指导和监控。 f ff 训乎吸机的控制多采用传统的控制方法，其理论基础为基于吲定数学模型的经典 摔制理论，由于人体的生理变化等诸凶素，其数学模蕾! 为时变非吲定模型，导致了某j j | 匕 情况下的控制无效性。近来人们试图将控制理论与人l ：智能结合j 、v 用j i 机械通气领域。 无创呼吸模式和有创呼吸模式的结合。此外新技术、新工艺、新材料的应用也是n 乎 吸机等医疗设备发展的重要支撑【8 】o 1 5 本课题的背景与目标 1 背景 本课题来源于北京康都医疗器械公司与北方工业大学的合作开发项目。在前文所述 的国内外呼吸机开发及生产的发展趋势下，对康都公司原有机型k d 2 0 0 b 呼吸机进行 升级改造。包括对测量、控制、显示部分；对时序电路部分；对气路及结构部分的改 造。 2 目标 原有k d 2 0 0 b 主机全貌如图1 3 所示： 雾 薯i 爹。 尊煺罨善必i f 簟 旋钮设置通气参数 8 数字仪表显示潮气 盈和分钟通气量 图1 3 k d 2 0 0 b 主机 从图1 3 可以看出，该主机有两种控制( 设置工作模式) 的方法：8 个旋钮设置压力 上限报警值、压力下限报警值、a s b 压力报警值、触发压力报警值、呼吸频率、s i m v 7 蓠蓉鬻雷 北方丁业大学硕士学位论文 频率、吸呼比、屏气时间；5 个按钮选择通气方式为以下五种中的一种：i p p v 、i p p b 、 s i g h 、s i m v 、m a n 。改造目标是要将这些旋钮和按钮用面板上的按键替代。 该机有两种显示方法：指针式仪表实时显示气道压力值；数字l e d 显示潮气量和分 钟通气量的值。改造目标是将菜单和各种测量值显示在一块l c d 屏上。 此外，原有的时钟脉冲发生电路、信号测量电路和信号控制电路是通过数字和模拟 电路搭建而成，改造之后应该在处理器的统一调度下来完成这些任务。 具体来说本课题应该达到以下目的： ：输入设备为有感式触摸键设定，可以实现以下功能： 屏气时l 自j 有三个子菜单：o 、1 0 、2 0 ； 吸呼比有七个子菜单：1 4 、1 3 、1 2 、1 1 5 、1 1 、1 5 1 、2 1 ： s l m v 频率有三个子菜单：2 、f 5 、f 1 0 ； 通气模式有六个子菜单：i p p v 、i p p b 、s i g h 、s i m v 、m a n 、c p a p ； 五种步进量设定：呼吸频率、触发压力、压力上限报警、压力下线报警、a s b 压力； 手动通气键：当通气模式选定为m a n 时，按下为吸气，弹出为呼气； 静音键：不自锁键，按下静音键2 分钟，可静超限报警； 键盘锁：面板参数设定好以后，可以通过该键来锁定键盘防止误动作； ：终端设备为液晶显示屏，可以显示以下内容： 显示菜单的当前选项和当前设置值； 以数字的形式实时显示四个测量值：呼吸频率f ，潮气量v t ，分钟通气量 m v ，呼气末正压p e e p ； 以曲线的形式实时动态显示气道压力值； ：由处理器发出整机的时钟源：可调的时钟脉冲； ：由处理器管理整机的测量、显示和控制任务； 1 6 论文的主要内容 本论文对应的实际开发流程可以分为三个阶段，如图1 4 所示： 8 北方工业大学硕士学位论文 ( 7 开始 ) f 一蔓妻坌塑：箩粤整体擘竺竺竺 一l 一 一 觋堕函竺! f j l 选择液晶屏供货厂家i 一一 + 一一 选择键盘摔制芯片，选择d 转换芯片以及其他功能所需芯片 能渊试 图1 4 本论文对应开发流程图 第一个阶段为分析要求的功甜1 0 】【1 1 1 ，构思出一个整体硬件架构。由于呼吸机的时钟 脉冲信号是整机最为重要的信号，它的特点是频率比较高，如果由一个c p u 在处理其 他任务的情况下发出这个信号，势必会有一些延时，所以选用一片高速8 位a v r 单片 机a t m e g a l 2 8 来完成。a t m e g a l 2 8 接受主c p u 的指令发出不同频率的时钟脉冲。考 虑到显示需要高速和具有大容量存储器微处理器的特点，这里选择了s 舢订s u n g 公司 的a r m 7 芯片s 3 c 4 4 8 0 。此外还确定了显示屏的供货厂家，确定键盘采用具有s p i 总 线接口的键盘管理芯片z l g 7 2 8 9 ，根据气道压力模拟量的变化范围选则a d l 6 7 4 为a d 转换芯片。 第二阶段为硬件设计阶段1 1 2 】。依据上一阶段的选型设计出原理图并设计p c b 图， 整个控制板为四层p c b ，经过布局优化后尺寸达到了尽量小，控制板与底板采用2 8 x 2 的金手指连接方式。本论文的第二章简单介绍了a r m 微处理器和a v r 单片机的特点 9 北方工业大学硕士学位论文 及应用要点，第三章详细介绍了控制器的硬件设计思路和各个模块所用芯片的应用方 法。 第三阶段为软件设计阶段【1 3 】。首先按照从最小系统到扩展系统、从简单到复杂的思 路调试各个功能模块；当每个功能模块都确保没有缺陷之后进行整体功能软件设计。本 论文的第四章详细介绍了各个功能模块的软件设计方法。 第四阶段为联机调试【1 4 1 1 5 1 ，将呼吸机的电路、气路、结构部分组装好测试整体的功 能实现，发现软件中疏忽的地方进行改正。本文的第五章简单介绍了样机的实际效果并 进行了总结。 1 0 北方上业人学硕斗：学位论文 2a r m 微处理器与a v r 单片机概述 2 1a r m 微处理器及其特点 1 a r m a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是 一类微处理器的通称1 1 6j 。 a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计了发的公刊，作为知识产权供应商， 本身不直接从事j 卷片生产，靠转让没计许可由合作公司生产各具特色的芯片，l ：j = 界各大 半导体t - ； ：商从a r m 公司购买其没计的a r m 微处理器核，根据各自彳i 同的应用领 域，加入适当的外围电路，从r f t i , ；f j 成自己的a r m 微处理器芯片进入市场。 2 a r m 微处理器的特点 a r m 微处理器一般具有如下特点： ：体积小、低功耗、低成本、高性能； ：支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 涉1 6 位器件； ：大量使用寄存器，指令执行速度更快； ：大多数数据操作都在寄存器中完成； ：寻址方式灵活简单，执行效率高； ：指令长度固定； 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域，如图2 1 所示：在工业控制、医疗仪器、消费类电子和汽车电子中都有a r m 的应用。 图2 1a r m 微处理器的应用领域 1 1 北方工业大学硕+ 学何论文 2 2a r m 微处理器系列 a r m 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构的处理 器，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的a r m 微处理器都有各自 的特点和应用领域【1 8 1 。 一a r m 7 系列 一a r m 9 系列 一a r m 9 e 系列 一a r m l 0 e 系列 一s e c u r c o r e 系列 一i n t e r 的s t r o n g a r m i n t e r 的x s c a l e a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和功耗要 求较高的消费类应用。它能够提供0 9 m i p s m h z 的三级流水线结构；代码密度高并兼 容1 6 位的t h u m b 指令集；主频最高可达1 3 0 m i p s 。 a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。它提供 1 1 m i p s m h z 的5 级流水线结构；支持3 2 位的高速a m b a 总线接口；全性能的 m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入式操作系统；支持数据 c a c h e 和指令c a c h e 。 a r m 9 e 系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了微控制器、 d s p 、j a v a 应用系统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程度。 a r m 9 e 系列微处理器提供了增强的d s p 处理能力。它除具有a r m 9 系列的特性外还 支持d s p 指令集；支持v f p 9 浮点处理协处理器；主频最高可达3 0 0 m i p s 。 a r m l 0 e 系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系结构，与 同等的a r m 9 器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近5 0 ，同时， a r m l 0 e 系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。a r m l 0 e 系列微 处理器的主要特点如下：支持d s p 指令集；6 级整数流水线；支持v f p l 0 浮点处理协 处理器；主频最高可达4 0 0 m i p s ；内嵌并行读属操作部件。 s e c u r c o r e 系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的3 2 位r i s c 技术的安 全解决方案。它在系统安全方面具有如下的特点：带有灵活的保护单元，以确保操作系 统和应用数据的安全；采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测；可集成用户自己 的安全特性和其他协处理器。 1 2 北方工业大学硕士学位论文 i n t e rs t r o n g a r ms a - 1 1 0 0 处理器是采用a r m 体系结构高度集成的3 2 位r i s c 微处 理器。它融合了i n t e r 公司的设计和处理技术以及a r m 体系结构的电源效率，采用在软 件上兼容a r m v 4 体系结构、同时采用具有i n t e l 技术优点的体系结构。 x s c a l e 处理器是基于a r m v 5 t e 体系结构的解决方案，是一款全性能、高性价 比、低功耗的处理器。它支持1 6 位的t h u m b 指令和d s p 指令集，已使用在数字移动 电话、个人数字助理和网络产品等场合。 2 3a r m 微处理器结构 传统的c i s c ( c o m p l e x i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，复杂指令集计算机) 结构有其固 有的缺点，即随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集| 1 9 】，为支持这些新增 的指令，计算机的体系结构会越来越复杂，然而，在c i s c 指令集的各种指令中，其使 用频率却相差悬殊，大约有2 0 的指令会被反复使用，占整个程序代码的8 0 。而余 下的8 0 的指令却不经常使用，在程序设计中只占2 0 ，显然，这种结构是不太合理 的。 基于以上的不合理性，1 9 7 9 年美国加州大学伯克利分校提出了r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集计算机) 的概念，r i s c 并非只是简单地去减少指 令，而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度上。r i s c 结构优先选取使用频最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻 地方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等措施来达到上述目的。 一般认为，r i s c 体系结构应具有如下特点： ：采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有2 3 种。 ：使用单周期指令，便于流水线操作执行。 ：大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载存储指令可以 访问存储器，以提高指令的执行效率。 除此以外，a r m 体系结构还采用了一些特别的技术，在保证高性能的前提下尽量 缩小芯片的面积，并降低功耗： ；所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效 率。 ：可用加载存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。 ：可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。 ：在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。 1 3 北方工业大学硕士学位论文 2 3 1a r m 处理器模式 a r m 处理器共有7 种运行模式，如表2 1 所示。 处理器模式描述 用户模式( u s e r ，u s r ) 快速中断模式( f i q ，t i p ) 外部中断模式( i r q ，i r q ) 特权模式( s u p e r v i s o r ，s v e ) 数据访问中止模式( a b o r t ，a b t ) 未定义指令中止模式( u n d e f i n e d ，u n d ) 系统模式( s y s t e m ，s y s ) 正常程序执行的模式 用于高速数据传输和通道处理 用于通常的中断处理 供操作系统使用的一种保护模式 用于虚拟存储及存储保护 用于支持通过软件仿真硬件的协处理器 用于运行特权级的操作系统任务 表2 1a r m 处理器的7 种延彳了模式 除了用户模式之外的其他6 种处理器模式称为特权模式( p r i v i l e g e dm o d e s ) 。在这 些模式下，程序可以访问所有的系统资源，也可以任意的进行处理器模式切换。其中， 除系统模式外，其他5 种特权模式又称为异常模式。 处理器模式可以通过软件控制进行切换，也可以通过外部中断或异常处理过程进行 切换。大多数的用户程序运行在用户模式下。这时，应用程序不能够访问一些受操作系 统保护的系统资源。应用程序也不能直接进行处理器模式的切换。当需要进行处理器模 式切换时，应用程序可以产生异常处理，在异常处理过程中进行处理器模式切换。这种 体系结构可以使操作系统控制整个系统的资源。 当应用程序发生异常中断时，处理器进入相应的异常模式。在每一种异常模式中都 有一组寄存器，供相应的异常处理程序使用，这样就可以保证在进入异常模式时，用户 模式下的寄存器( 保存了程序运行状态) 不被破坏。 系统模式并不是通过异常过程进入的，它和用户模式具有完全一样的寄存器。但是 系统模式属于特权模式，可以访问所用的系统资源，也可以直接进行处理器模式切换。 它主要供操作系统任务使用。通常操作系统的任务需要访问所有的系统资源，同时该任 务仍然使用用户模式的寄存器组，而不是使用异常模式下相应的寄存器组，这样可以保 证当异常中断发生时任务状态不被破坏。 2 3 2 删处理器的工作状态 从编程的角度看，a r m 微处理器的工作状态一般有两种【2 1 1 ，并可在两种状态之间 切换： 第一种为a r m 状态，此时处理器执行3 2 位的字对齐的a r m 指令； 1 4 北方工业大学硕士学位论文 第二种为t h u m b 状态，此时处理器执行1 6 位的、半字对齐的t h u m b 指令。 当a r m 微处理器执行3 2 位的a r m 指令集时，工作在a r m 状态；当a r m 微处 理器执行1 6 位的t h u m b 指令集时，工作在t h u m b 状态。在程序的执行过程中，微处 理器可以随时在两种工作状态之间切换，并且，处理器工作状态的转变并不影响处理器 的工作模式和相应寄存器中的内容。 a r m 指令集和t h u m b 指令集均有切换处理器状态的指令，并可在两种工作状态之 间切换，但a r m 微处理器在开始执行代码时，应该处于a r m 状念。 进入t h u m b 状态：当操作数寄存器的状态位( 位0 ) 为1 时，可以采用执行b x 指 令的方法，使微处理器从a r m 状态切换到t h u m b 状念。此外，当处理器处于t h u m b 状念时发生异常( 如i r q 、f i q 、u n d e f 、a b o r t 、s w i 等) ，则异常处理返回时，自动 切换剑t h u m b 状态。 进入a r m 状态：当操作数寄存器的状态位为o 时，执行b x 指令时可以使微处理 器从t h u m b 状态切换到a r m 状态。此外，在处理器进行异常处理时，把p c 指针放入 异常模式链接寄存器中，并从异常向量地址丌始执行程序，也可以使处理器切换到 a r m 状态。 2 3 3a r m 体系结构的存储器格式 a r m 体系结构将存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合阎。从零字节到三 字节放置第一个存储的字数据，从第四个字节到第七个字节放置第二个存储的字数据， 依次排列。作为3 2 位的微处理器，a r m 体系结构所支持的最大寻址空间为4 g b ( 2 3 2 字节) 。 a r m 体系结构可以用两种方法存储字数据，称之为大端格式和小端格式，具体说 明如下： 第一种为大端格式。在这种格式中，字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的 低字节则存放在高地址中，如图2 2 所示： 图2 2 以大端格式存储字数据 1 5 北方工业大学硕+ 学位论文 第二种为小端格式。与大端存储格式相反，在小端存储格式中低地址中存放的是字 数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字节。如图2 3 所示： 图2 3 以小端格式存储字数据 2 3 4a r m 寄存器组织 a r m 处理器共有3 7 个寄存剁吲，被分为若干个组( b a n k ) ，这些寄存器包括： 3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针) ，均为3 2 位的寄存器。 6 个状态寄存器，用以标识c p u 的工作状念及程序的运行状态，均为3 2 位，目前 只使用了其中的一部分。 a r m 处理器又有7 种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均有一组相应的 寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包括1 5 个通用寄存器 ( r 0 - r 1 4 ) 、一至二个状态寄存器和程序计数器。在所有的寄存器中，有些是在7 种 处理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些寄存器则是在不同的处理器模式下有不 同的物理寄存器。 2 3 5a r m 体系的异常中断 1 类型 a r m 体系中的异常中断类型【2 4 】如表2 2 所示。 异常中断名称含义 复位( r e s e t ) 未定义的指令 ( u n d e f i n e d i n s t r u c t i o n ) 当处理器的复位引脚有效时，系统产生复位异常中断，程序跳 转到复位异常中断处理程序处执行。复位异常中断通常用在下 面两种情况： 系统加电时，系统复位时 跳转到复位中断向量处执行，称为软复位 当a r m 处理器或者是系统中的协处理器认为当前指令未定义 时，产生未定义的指令异常中断。可以通过该异常中断机制仿 真浮点向量运算 1 6 北方工业大学硕士学位论文 一 软件中断( s o f t w a r e i n t e r r u p ts w i ) 指令预耿中止 ( p r e f e c ha b o r t ) 数据访问中止( d a t a a b o r t ) 外部中断请求( 瓜q ) 快速中断请求( f i q ) 这是一个由用户定义的中断指令。可用于用户模式下的程序调 用特权操作指令。在实时操作系统( r t o s ) 中可以通过该机 制实现系统功能调用 如果处理器预取的指令的地址不存在，或者该地址不允许当前 指令访问，当该被预取指令执行时，处理器产生指令预取中止 异常中断 如果数据访问指令的目标地址不存在，或者该地址不允许当前 指令访问，处理器产生数据访问中止异常中断 当处理器的外部中断请求引脚有效，而且c p s r 寄存器的i 控 制位被清除时处理器产生外部中断请求( 瓜q ) 异常中断。系 统中各外设通常通过该异常中断请求处理器服务 当处理器的外部快速中断请求引脚有效，而且c p s r 寄存器的 f 控制位被清除时，处理器产生外部中断请求( f 1 q ) 异常中 断 表2 2 a r m 体系中的异常中断 2 中断向量与优先级 中断向量表中指定了各异常中断及其处理程序的对应关系闭。它通常存放在存储地 址的低端。在a r m 体系中，异常中断向量表的大小为3 2 字节。其中，每个异常中断 占据4 个字节大小，保留了4 个字节空间。 每个异常中断对应的中断向量表中的4 个字节空间中存放了一个跳转指令或者一个 向p c 寄存器中赋值的数据访问指令。通过这两种指令，程序将跳转到相应的异常中断 处理程序处执行。 当几个异常中断同时发生时，就必须按照一定的次序来处理这些异常中断。在 a r m 中通过给各异常中断赋予一定的优先级来实现这种处理次序。当然有些异常中断 是不可能同时发生的，如指令预取中止异常中断和软件中断( s w i ) 异常中断是由同一 条指令的执行触发的，它们是不可能同时发生的。处理器执行某个特定的异常中断的过 程中，称为处理器处于特定的中断模式。各异常中断的中断向量地址以及中断的处理优 先级如表2 3 所示。 1 7 北方工业大学硕士学位论文 袋2 3 各异常中断的t f ，断向量地址以及一l 一断的处理优先级 3 进入和退出异常中断的过程 ( 1 ) a r m 处理器对异常中断的响应过程如下： 保存处理器的当自仃状态、中断屏蔽位以及各条件标志位。这里通过将当日玎程序状 态寄存器c p s r 的内容保存到将要执行的异常中断对应的s p s r 寄存器中实现的。 各异常中断有自己的物理s p s r 寄存器。 设置当前程序状态寄存器c p s r 中相应的位。包括设置c p s r 中的位，使处理器 进入相应的执行模式；设置c p s r 中的位，禁止瓜q 中断，当进入f 1 q 模式时，禁 止f 1 q 中断。 将寄存器l rm o d e 设置成返回地址。 将程序计数器值( p c ) ，设置成该异常中断的中断向量地址，从而跳转到相应的 异常中断处理程序处执行。 ( 2 ) 从异常中断处理程序中返回包括下面两个基本操作： 恢复被中断的程序的处理器状态，即将s p s rm o d e 寄存器内容复制到当前程序 状态寄存器c p s r 中。 返回到发生异常中断的指令的下一条指令处执行，即将l rm o d e 寄存器的内容复 制到程序计数器p c 中。 复位异常中断处理程序不需要返回。整个应用系统是从复位异常中断处理程序开始 执行的，因而它不需要返回。 实际上当异常中断发生时，程序计数器p c 所指的位置对于各种不同的异常中断是 不同的。同样，返回地址对于各种不同的异常中断也是不同的【2 6 1 。 1 8 北方t 业大学硕士学位论文 一 2 4a r m 7 处理器$ 3 c 4 4 8 0 简介 s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器s 3 c 4 4 b o x l 2 7 勰】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。s 3 c 4 4 b o x 采用了a r m 7 t d m i 内 核，0 2 5 u m 工艺的c m o s 标准宏单元和存储编译器。它的低功耗精简和出色的全静态 设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。同样s 3 c 4 4 b o x 还采用了一种新的总线结 构，即s a m b a i i ( 三星a r mc p u 嵌入式微处理器总线结构) 。 s 3 c 4 4 b o x 的杰出特性是它的c p u 核，是由a r m 公司设计的1 6 3 2 位 a r m 7 t d m ir i s c 处理器( 6 6 m h z ) 。a r m 7 t d m i 体系结构的特点是它集成了t h u m b 代码压缩器，片上的i c e 断点调试支持，和一个3 2 位的硬件乘法器。下面是它的一些 片上功能介绍【2 9 l 例： ：2 5 va r m 7 t d m i 内核，带有8 k 高速缓存器( s a m b ai i 总线体系结构，主频 高至6 6 m h z ) ； ：外部存储器控制器( f p e d o s d r a m 控制，片选逻辑) ； ：l c d 控制器( 最大支持2 5 6 色s t n ，l c d 具有专用d t a ) ； ：2 通道通用d m a 、2 通道外设d m a 并具有外部请求引脚； ：2 通道u a r t 带有握手协议( 支持k d a l 0 ，具有1 6 b y t ef i f o ) 1 通道s i o ； ：1 通道多主i i c b u s 控制器； ：1 通道i i s b u s 控制器； ：5 个p w m 定时器和1 通道内部定时器； ；看门狗定时器； ：7 1 个通用f o 口8 通道外部中断源； ：功耗控制：具有普通，慢速，空闲和停止模式； ：8 通道1 0 位a d c ； ：具有日历功能的r t c ； ：具有p l l 的片上时钟发生器。 2 5 趟佩单片机及a t m e g a l 2 8 简介 2 5 1a v r 单片机介绍 1 a v r 单片机的特点 a v r 单片机1 3 1 】是1 9 9 7 年由a t m e l 公司研发出的增强型内置f l a s h 的 r l s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc p t o 精简指令集高速8 位单片机。a v r 单片机废除了机 1 9 北方j 业大学硕士学位论文 器周期，抛弃复杂指令计算机( c i s c ) 追求指令完备的做法；采用精简指令集，以字作为 指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中( 指令集中占大多数的单 周期指令都是如此) ，取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指 令。 a v r 单片机与5 1 单片机、p i c 单片机相比具有一系列的优点： ；在相同的系统时钟下a v r 运行速度最快； ：芯片内部的n s a h 、e e p r o m 、s r a m 容量较大； ：所有型号的f l a s h 、e e p r o m 都可以反复烧写、全部支持在线编程烧写( i s p ) ； ：多种频率的内部r c 振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，零外围 电路也可以工作； ：每个i o 口都可以以推换驱动的方式输出高、低电平，驱动能力强； ：内部资源丰富，一般都集成a d 、d a 转换器；p w m ；s p i 、u s a r t 、t w l 、1 2 c 通信口；丰富的中断源等。 目前支持a v r 单片机编译器的语言主要有汇编语言、c 语言、b a s i c 语言等。其 中c 编译器主要有c o d e v i s i o n a v r 、a 己g c c 、i a r 、i c c a v r 等。 2 a v r 单片机的分类 a v r 单片机有3 个档次： 一低档t i n y 系列：主要有t i n y l l 1 2 1 3 1 5 2 6 2 8 等； 一中档a t 9 0 s 系列：主要有a t 9 0 s 1 2 0 0 2 3 1 3 8 5 1 5 8 5 3 5 等，这类芯片正在转型到 m e g a 系列； 一高档a t m e g a 系列：主要有a t m e g a 8 1 6 3 2 6 4 1 2 8 ( 内置f l a s h 存储容量为 8 1 6 3 2 6 4 1 2 8k b ) 以及a t m e g a 8 51 5 8 5 3 5 等。 2 5 2a t m e g a l 2 8 简介 a t m e g a l 2 8 为基于a v rr i s c 结构的8 位低功耗c m o s 微处理器 3 2 1 。由于其先进 的指令集以及单周期指令执行时间， a t m e g a