嵌入式医学仪器设计考试复习题.docx

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嵌入式医学仪器设计考试复习题

第一章

医疗仪器定义

医疗仪器（MedicalInstrumentation）：

医疗器械是指单独或者组合使用于人体的仪器、设备、器具、材料或者其他物品，包括所需要的软件；其用于人体体表及体内的作用不是用药理学、免疫学或者代谢的手段获得，但是可能有这些手段参与并起一定的辅助作用；其使用旨在达到下列预期目的：

（一）对疾病的预防、诊断、治疗、监护、缓解；

（二）对损伤或者残疾的诊断、治疗、监护、缓解、补偿；

（三）对解剖或者生理过程的研究、替代、调节；

（四）妊娠控制。

医疗仪器分类

根据风险分类：

第一类，需常规管理，仪器对用户潜在的危害最低，通常比第二类和第三类设计简单。

包括，压舌板、便盆、弹性绷带、检查用手套、手持手术器材和其他相似的简单器材。

第二类，常规管理不足以保证其安全性与有效性的，因而需要特殊控制的医疗器械。

通常是非侵入式的，包括X光机，PACS，电动轮椅，输液泵，手术用消毒帷帘,手术针缝合材料,针灸针等。

第三类，仅用第一类和第二类的常规管理与特殊控制不足以保证其安全性与有效性的医疗器械。

这类仪器需要售前许可，科学有效的评估来保证其安全性与有效性。

通常是维持或支持生命活动的仪器。

包括人工心脏瓣膜、丰胸硅胶、脑植入刺激器、通风机、床边监护仪等。

根据价值分类：

大型仪器、中小型仪器、低值产品

根据临床科室及人体系统分类：

心脏科设备、呼吸科设备、泌尿科设备等（重复）

根据物理原理分类：

医用电子仪器、医用光学仪器、医用放射仪器、医用核物理仪器等（声、光、电、机械一体）

根据临床应用：

诊断仪器、治疗仪器、辅助仪器

X-rayComputedTomography

MagneticResonanceImaging

PositronEmissionTomography

信号采样有两种方式：

动态取样（InVivo）：

直接在人体上测量生理参数；需要能对人体各组织瞬时变化产生响应的医学仪器系统；可能需要传感器（将生理现象从其力学状态或电化学状态中转化为与机械能或化学能成比例的电信号）；

静态取样（InVitro）：

着眼于活体组织；表示某一特定时刻及规定条件下由医学仪器系统获得的样本。

信号特点：

1、信号弱Weak

2.频率范围一般较低Lowfrequency

3.噪声强StrongNoise：

4.随机性强Random：

5.数据量大Hugedataamount：

现代医疗器械发展具有直观、无创、高效、经济等特征

第二章

嵌入式系统定义

•从技术的角度定义（重）

–以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、重量、功耗严格要求的专用计算机系统

–简而言之，是含有处理器的专用软硬件系统

•从系统的角度定义（重）

嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统

•英国电机工程师协会的定义

用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置

•微机学会的定义

–嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统，可分为系统级、模块级、芯片级

嵌入式系统架构

硬件层HardwareLayer：

例如嵌入式微处理器、Soc、ROM、I/O接口

中间层MiddlewareLayer：

包括硬件抽象层（HardwareAbstractionLayer）、板级支持包（BoardSupportPackage），实现系统软件与底层硬件的隔离，以及为系统提供特定功能的代码。

操作系统层OSlayer：

包括嵌入式操作系统（EOS）、文件子系统、图形子系统等，简化软件设计、提供标准内核、封装资源

应用层Applicationlayer：

面向目标和用户，完成特定功能，例如，医学图像处理系统、数据采集系统

嵌入式系统特点

•嵌入专用

–嵌入式处理器与通用处理器的最大不同就是嵌入式处理器嵌入在针对特定应用设计的系统中

•综合性强

–嵌入式系统是将计算机技术、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

–是一个技术密集、资金密集、知识高度分散、不断创新的知识集成系统

•设计高效

–可裁剪——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

•程序固化

–软件一般都固化在存储器芯片或处理器本身中，这样提高了系统的执行速度和可靠性

•需要独立的开发系统

–嵌入式系统本身不具备自主开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发

•生命周期长

–嵌入式系统和具体应用结合在一起，其升级换代一般与具体产品同步进行，因此具有较长的生命周期

•可靠性高、成本低、资源受限、功耗低等等

第三章

硬件结构HardwareArchitecture

–冯·诺伊曼结构VonNeumannarchitecture

•典型的微型计算机的存储器结构采用的是冯·诺伊曼结构--也叫普林斯顿结构

特点：

有RAM（random-accessmemory）和带指令集的CPU（central-processingunit）

同一标准的内存系统，指令和数据使用相同的地址空间

有一条地址总线和一条数据总线，后者由指令和数据共享使用

–哈佛结构Harvardarchitecture

••即数据存储空间和程序存储空间分离

•较大的程序存储器（用于固化已调试好的控制程序）

•较小的数据存储器（用于存放少量的随机数据—高速）

特点：

可以同时获取程序和数据

分离的内存系统可能有不同的地址空间和带宽

难以进行自修改程序设计——程序内存通常是只读的，不能将数据写到程序存储空间

–改进的哈佛构架ModifiedHarvardArchitecture——指令内存内容可以像数据一样被访问

特点：

通过对数据和指令使用分离的缓存建立统一的分层内存结构

特殊机器操作

哈佛结构（英语：

Harvardarchitecture）是一种将程序指令储存和数据储存分开的存储器结构。

中央处理器首先到程序指令储存器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据储存器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。

程序指令储存和数据储存分开，数据和指令的储存可以同时进行，可以使指令和数据有不同的数据宽度。

与冯.诺曼结构处理器比较，哈佛结构处理器有两个明显的特点：

1、使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存；

2、使用独立的两条总线，分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径，而这两条总线之间毫无关联。

冯·诺伊曼结构（vonNeumannarchitecture），也称普林斯顿结构，其内部程序空间和数据空间是合在一起的，取指令和取操作数是通过一条总线分时进行的。

冯.诺曼结构处理器具有以下几个特点：

必须有一个存储器；

必须有一个控制器；

必须有一个运算器，用于完成算术运算和逻辑运算；

必须有输入和输出设备，用于进行人机通信。

总结：

①冯•诺依曼结构中不独立区分程序和数据空间，且程序和数据空间共用地址和数据线;

②哈佛结构中程序空间和数据空间是独立的，具有各自独立的地址线和数据线；

③DSP中的改善型哈佛结构是在普通哈佛结构的基础上加上独立的缓冲区，同时在程序和数据空间之间加上了一根总线，用于程序空间和数据空间的互访。

指令周期

Storedprogram

在电子内存中存储程序指令。

其定义后来延伸到内存中的程序与数据可交换或统一。

图灵机模型：

图灵机是一个理想化的机器模型，其能够完成任何计算且只需要最少的逻辑结构。

（自己做的补充0.0：

所谓的图灵机就是指一个抽象的机器，它有一条无限长的纸带，纸带分成了一个一个的小方格，每个方格有不同的颜色。

有一个机器头在纸带上移来移去。

机器头有一组内部状态，还有一些固定的程序。

在每个时刻，机器头都要从当前纸带上读入一个方格信息，然后结合自己的内部状态查找程序表，根据程序输出信息到纸带方格上，并转换自己的内部状态，然后进行移动。

）

（不是重点）嵌入式处理器特点：

1、品种规格系列化

同一产品系列不同型号处理器：

具有相同CPU内核，相同或兼容指令系统；具有不同I/O

接口功能部件配置

2、支持实时多任务

3、可靠性高，功耗低，集成度高，性价比高

处理器分类

MPUMicroprocessorUnit微处理器

MCUMicrocontrollerUnit微控制器

ASIPApplication-SpecificInstruction-setProcessor特殊应用指令集处理器

SoCSystemOnaChip系统芯片

ASICApplication-SpecificIntegratedCircuit专用集成电路

ASIP中有DSP（DigitalSignalProcessor）数字信号处理器、GPU（GraphicsProcessorUnit）图形处理器、NetworkProcessor网络处理器、Cryptoprocessor密码处理器

嵌入式微处理器MPU

基础是通用CPU，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性、功耗等方面做了各种增强，并去除冗余功能部分

嵌入式计算机=嵌入式微处理器+芯片组（总线仲裁器+中断控制器+DMA控制器+存储控制器+I/O接口）+外接存储器

嵌入式微处理器一般与存储器、接口电路等安装在一块电路板上,称为单板机

以下为例子与相应的特点，“了解”⊙▂⊙即可。

（从PPT中省去了一些内容，若觉得不可靠，请自己参考PPT）

PowerPC：

–特点——可伸缩性好，方便灵活

–品种很多，有通用处理器、嵌入式处理器和CPU核

•通用处理器——主要型号是PowerPC750系列，主频最高为700MHz

•嵌入式处理器——有PowerPC405（主频最高为266MHz）和PowerPC440（主频最高为550MHz）

•CPU核——用于各种集成的系统芯片（System-On-Chip，SOC）设备上

PC/104,PC/104+单板机

–特点

•PC/104总线采用96mmx90mm的小板结构

•低功耗，1~5瓦每模块，支持32位PCI连接

•紧凑加固性设计，可用于军工产品

•PC/104总线工控机主流产品是486EX和586EX

BiscuitPC单板机

–特点

•一体化计算机、低成本、形状像饼干，俗称饼干计算机

–分类（根据尺寸）：

迷你BiscuitPC（2.5”12082mm）、半尺寸BiscuitPC（3.5”145×102mm）、全尺寸BiscuitPC（5.25”203×146mm）

微控制器MCU

又叫单片机，将整个计算机集成到一块芯片中

分为低档微控制器（8051系列、MSP430）和高档微控制器（ARM、MIPS等）

•低档微控制器：

CPU+存储控制器+片内存储器（ROM/E2PROM/Flash、SRAM）+中断控制器、定时/计数器、WatchDog、GPIO、UART、PWM、A/D、D/A等

•高档微控制器：

CPU+总线仲裁器+DMA控制器+中断控制器+I/O接口+存储控制器+外接存储器/少量片内存储器（Flash、SRAM、SDRAM）

与嵌入式微处理器比较

–微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高，但性能有所降低

–目前微控制器是嵌入式系统工业中的主流，在嵌入式系统占有约70％的市场份额

以下为例子与相应的特点，“了解”⊙▂⊙即可。

（从PPT中省去了一些内容，若觉得不可靠，请自己参考PPT）

MIPS