（信号与信息处理专业论文）嵌入式视频监控系统网络传输模块的研究与实现.pdf

中文摘要 当前，视频监控系统已逐步从模拟向数字网络方向发展。网络数字视频监控 系统以其抗干扰性强、稳定性好、系统架设简单、扩展方便等诸多优势，代替传 统的模拟监控系统已成为历史必然。本论文是天津市科技发展计划项目“基于嵌 入式实时系统的网络摄像机”的一部分。该系统可应用于视频监控领域。目前该 项目已经通过了专家的验收。 本论文首先对研究课题的背景以及发展动态进行了介绍。然后着重论述了网 络传输模块设计中的相关技术与实现方案。论文的第二章介绍了模块硬件平台使 用的a r m 嵌入式处理器体系结构以及编程方法。在第三章中，介绍了嵌入式实 时操作系统v x w o r k s 相关知识，包括v x w o r k s 集成交叉开发环境t o m a d o l i 和嵌 入式操作系统板级支持包b s p 的基本概念。第四章详细地阐述了v x w o r k s 系统 移植方法，包括b s p 的移植开发过程以及嵌入式系统设备驱动程序的编写。第 五章介绍了基于v x w o r k s 嵌入式操作系统应用程序的开发方法，重点论述了 v x w o r k s 系统的多任务编程，信号量、消息队列等任务间通信机制，以及v x w o r k s 网络通信编程。在前面章节的基础上，在第六章中，给出了系统网络传输模块的 具体实现方法，以及软硬件的调试过程和测试结果。硬件平台采用3 2 位a r m 核 微处理器$ 3 c 4 5 1 0 b 完成对系统前端的控制功能以及网络通信功能。图像采集模 块与网络传输模块之间用f i f 0 作为数据缓冲。软件部分完成了针对本模块电路 板板级支持包( b s p ) 的移植以及图像网络传输应用软件编写。 关键字：嵌入式系统摄像机a r mv x w o r k s套接字 a b s t r a c t n o w a d a y s t h ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mi sc h a n g i n gf r o ma na n a l o gs y s t e mt oa n e t w o r kd i 酉t a ls y s t e m n e t w o r kd i 【西t a lv i d e os u r v e i l l a n c e s y s t e mh a sg r e a t a n t i - i n t e r f e r e n c ec a p a c i t ya n dg r e a ts t a b i l i t ya n dt h es y s t e mi ss i m p l et oc o n s t r u c ta n d e a s yt oe x t e n d t h i sa r t i c l ei sp a r to ft h et a n j i ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o g r e s s p r o j c c t i n t e r n e tc a m e r ab a s e d0 1 1e m b e d d e dr e a lt i m es y s t e m t h i ss y s t e mc a n b eu s e di nt h ef i e l do f n e t w o r kd i g i t a lv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m i nt h ef i r s tp a r to ft h ea r t i c l e t h eb a c k g r o u n do f i n t e r a c tc a m e r ab a s e do n e m b e d d e dr e a lt i m es y s t e m p r o j e c ti si n t r o d u c e d t h em a i np a r to ft h i sa r t i c l e c o n s i d e r e dt h er e s e a r c h i n ga n dr e a l i z eo ft h ei n t e r n e tt r a n s m i s s i o nm o d u l e i nt h e s e c o n dc h a p t e rt h ea r ma r c h i t e c t m eu s e di nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mi si n t r o d u c e d i n t h e f o l l o w i n gs e v e r a lc h a p t e r s ，t h es o f e w a r ep l a t f o r m i s i n t r o d u c e d ，i n c l u d i n g f u n d a m e n t a lc o n c e p t i o no ft h ee m b e d d e dr e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e mv x w o r k sa n d t o m a d o i i ，b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ( b s p ) d e v e l o p m e n ta n dp o r t i n gp r o c e s s u r e ，a n d e m b e d d e ds y s t e md e v i c ed r i v e rp r o g r a m m em e t h o d e m b e d d e da p p l i c a t i o ns o r w a r e d e v e l o p i n gm e t h o db a s e do nv x w o r k si s a l s oi n t r o d u c e d , i n c l u d i n gm u l t i - t a s k p r o g r a m m i n ga n di n t e r n e tc o m m u n i c a t i o np r o g r a m m i n g i nt h el a s tp a r to f t h i sa r t i c l e ， t h er e a l i z a t i o nm e t h o do ft h ei n t e m c tt r a n s m i s s i o nm o d u l ei sg i v e n i nt h ed e s i g no f h a r d w a r e ，s y s t e mc o n t r o l st h ew h o l er e m o t ee n da n dt r a n s p o r t sc o m p r e s s e di m a g e d a t ao ni n t e m e tw i t ha3 2 b i ta r m m i c r o c o n t r o l l e r , s 3 c 4 5 1 0 b t h e r ei saf i f oa sa d a t ab u f f e rb e t w e e nd s pa n da r mm i c r o c o n t r o l l e r f o rt h es o i h a r ep a r t , t h eb s pf o r t h ep c ba n dt h ea p p l i c a t i o nb a s e do nt h ev x w o r k sa g ed e v e l o p e d v x w o r k si n t e m e t c o m m u n i c a t i o nc l i e n tm o d ep r o g r a m m i n gi si n t r o d u c e di nt h i sa r t i c l e k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e mc a m e r aa r mv x w o r k ss o c k e t s 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘茎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了谢意。 学位论文作者签名：君勿锄功 签字日期：) 嘭年月扩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨垄盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘竺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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 黼功 导师签名：之介 1 i 签字日期：湘西年，月矿日签字日期 6 年1 月8 日 第1 章绪论 第1 章绪论 随着全球网络化趋势的进一步加强，以及流媒体通信技术和媒体数据采集压 缩技术的更加成熟，网络流媒体通讯也将倍受关注，成为一种流行趋势。其中， 网络视频会议、远程现场监控、远程医疗及网络远程可视办公等，必将成为嵌入 式技术应用的热点。本章内容首先对嵌入式网络摄像机项目进行简单介绍，并给 出该项目研究所涉及到的一些基本概念。 1 1 研究课题背景介绍 该课题是天津市科技发展计划研究项目“基于嵌入式实时系统的网络摄像 机”的一部分。网络摄像机是集视频压缩技术、计算机技术、网络技术、嵌入式 技术等多种先进技术于一体的数字摄像设备。它的主要特点如下： ( 1 ) 采用嵌入式系统，无需计算机的协助便可独立工作 ( 2 ) 有独立的口地址，可通过l a n 、d s l 连接或无线网络适配器直接与以太 网连接 ( 3 ) 支持多种网络协议 ( 4 ) 观看通过网络传输的实时图像 ( 5 ) 采用了新的j p e g 视频压缩技术，从根本上很好的解决了图像数字化和带 宽之间的突出矛盾，算法的特点在于它实现了高质量视频图像的极高压缩比 视频监控系统的发展历史主要经过了以下三代： 第一代，模拟图像监控。主要由摄像机、视频矩阵、监视器、录像机组成， 摄像机采集的视频信号采用模拟方式传输，主要采用专用的视频电缆，传输距离 不太远，适用于小范围监控，如建筑物内部监控，只能在本地监控中心观看监控 图像。它的功能单一，设备繁多，不易扩展。 第二代，基于p c 技术的监控。随着计算机多媒体技术的发展，数字视频压 缩编码技术日益成熟，因此计算机被广泛的应用于监控领域。它一般采取以下结 构：在前端监控现场，有若干台摄像机，通过相应的线路连接到监控终端上，监 控终端可以是一台p c 机，也可以是专用的工控机。监控终端除了可以处理摄像 机传输过来的视频信号外，还可以利用视频压缩卡和通讯接口卡，利用通讯网络， 将这些信号传输到一个或多个监控中心以便集中处理。基于p c 的监控系统，功 能较强，灵活性高，可以发挥现代计算机强大的处理功能，但它的稳定性一般， 另外，它的软件的开放性不好，难于对系统直接进行扩展，成本非常昂贵。 第三代，基于嵌入式的网络监控。随着i c 技术及网络技术的迅速发展，出 第1 章绪论 现了一种新的基于嵌入式技术的网络视频监控系统。它的主要原理是：采用嵌入 式实时多任务操作系统，在芯片上集成了视频压缩与传输处理功能。摄像机传送 来的视频信号数字化后由高效压缩芯片进行压缩，然后通过内部处理后传送到网 络或服务器上。网络上的用户可以通过专用软件或者直接用浏览器观看w e b 服 务器上的摄像机图像，授权用户还可以控制摄像机云台镜头的动作或对系统进行 配置。这种监控系统的主要特点是：把视频压缩处理功能集成到一个体积很小的 设备内，可以直接连入以太网或广域网，达到即插即看，省掉各种复杂的电缆， 安装方便( 仅需设置一个口地址) ，用户端甚至无需使用专用软件而仅用浏览器即 可观看。但是因为使用的都是高端处理器，系统价格更为昂贵。 基于以上三代视频监控系统的优缺点，我们考虑研究一种基于网络的嵌入式 图像压缩传输系统，能够以比较低的价格实现网络监控功能，适合于对监控系统 要求不高的用户。 基于这种考虑，我们设想将图像信号数字化后先进行j p e g 编码，再将压缩 后的图像数据传输给计算机，从而构成一个能实现远距离监控并且价格适当的一 个完全数字化的图像监控系统。使用j p e g 静态图像作为编码方案，能够大大减 少原始数据量，降低对系统处理能力的要求。实现这个系统的关键问题是如何解 决图像信号的压缩编码和压缩后图像数据的传输。目前d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) 芯片的性能非常强大并且价格可以接受，采用d s p 来进行图像的压缩 编码是可行的。与此同时，随着网络技术的普及与推广，以太网通信速率的提高 和交换技术的发展使它得到了迅速发展和普及。目前，以太网己无可争议地成为 主要网络技术，而且近年来出现了高性能的以太网络接口芯片，这使把压缩后的 数据通过以太网传输成为可能。 嵌入式网络摄像机项目研究的主要内容就是：利用d s p 构成一个能在信源 端对c m o s 图像传感器进行图像采集和压缩，并且将压缩后的图像数据经过由 基于v x w o r k s 嵌入式操作系统及以3 2 位a r m 内核为微处理器的硬件平台，通 过网络传送给计算机接收端，从而将图像进行解压缩并显示，由此达到远程网络 实时监控的目的。有了这样的图像压缩和传输系统，就可以在摄像机的输出端直 接对图像信号进行采集压缩，来自不同压缩系统的图像数据通过双绞线就可以构 成一个以太网络数字图像监控系统，在能够满足用户基本需求的情况下，大大降 低了监控系统材料费用和施工难度，并且可以充分利用现有的以太网络资源，节 约成本。 第1 章绪论 1 2 课题相关基本概念 我们所研究的视频监控系统，应用了嵌入式系统技术。嵌入式系统被定义为： 以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适合于应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗方面要求严格的专用计算机系统。它具备了下列四项 特性： 通常执行特定的功能 以微电脑与外围构成核心 严格的时序与稳定性要求 全自动操作循环 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具 体应用相结合后的产物，这一特点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。由于嵌入式处理器的体系结构及其相关的片 上外设、开发工具、库函数、嵌入式应用产品等是一套复杂的知识系统，用户和 半导体厂商一般都不会轻易地放弃某种处理器，所以嵌入式处理器的发展也具有 较强的稳定性。 嵌入式系统的发展历史相当悠久，早在电子数字计算机出现之前就有了把计 算装置嵌入在系统和设备之中的嵌入式系统，那时的计算装置是由一些凸齿轮的 机械量和电压电流的模拟量实现的。在2 0 世纪4 0 年代第一代电子计算机出现后 的近2 0 年里，这类计算机主要器件由电子管、晶体管、磁芯等组成，因体积庞 大阻碍了在嵌入式系统中的发展。 2 0 世纪9 0 年代以来，在分布控制、柔性制造、数字通信和数字家电等巨大 商业需求的推动下，嵌入式应用进一步得到了发展。在硬件方面，尤其是芯片方 面的发展表现出三个特点。第一，面向实时信号处理算法的d s p 向高速、高精 度、低功耗方向发展。第二，3 2 位微控制器已成为市场主流，并向高速、智能 化的方向发展。第三，嵌入式c p u 的主频越来越高，同时在对多媒体的支持方 面发展迅速，例如，i n t e l 基于x s c a l e 的微架结构和富士通的f r - v 等都是嵌入式 c p u 中支持多媒体的典范。 在软件方面，嵌入式操作系统出现了进一步的分化，诞生了一些分别针对不 同领域、不同应用的嵌入式操作系统家族。越来越多的嵌入式系统被连接到网络 上。因而，在嵌入式系统中需要有网络协议栈的支持，把网络栈添加到一个仅用 循环控制来实现的简单嵌入式系统所带来的复杂程度，足以唤起人们对一个嵌入 式操作系统的渴望。 目前国内外已有几十种商业操作系统可供选择，如v x w o r k s 、p s o s 、p a l m 第1 章绪论 o s 、n e e u l e u s 、w i n d o w sc e 和“女娲h o p e n ”等。在中国，嵌入式操作系统可 分为两大类型：一类是自主版权的操作系统，另一类是基于l i n u x 的操作系统。 自主版权的操作系统方面，国内有”女娲h o p e n ”操作系统、桑夏2 0 0 0 操作系统 和d e l t a o s 操作系统等。近年来，嵌入式l i n u x 进展较快。在中国，以l i n u x 为 基础的嵌入式操作系统比较活跃，其中中软l i n u x 、红旗l i n u x 、东方l i n u x 是 业界的代表。 随着现代技术的发展，计算机工业逐渐向后p c 时代发展，p c 工业慢慢地 成为制造业的一部分。在后p c 时代，嵌入式应用将成为计算机应用的主流，同 时，嵌入式应用和无线应用的结合使嵌入式应用更具活力。应该指出，未来几年 的嵌入式应用将能更灵活地与大型网络计算平台互动，形成新的应用模式，甚至 构架出新的计算体系机构。因此，嵌入式应用和嵌入式系统将成为计算机工业中 最具活力的部分。 第2 章a r m 嵌入式微处理器体系结构 第2 章a r m 嵌入式微处理器体系结构 该项目要求系统实现网络传输功能，系统中运行的软件要安装t c p i p 网络 协议，因此该系统属于一种嵌入式网络设备。而随着集成电路的发展，3 2 位处 理器的价格不断下降，用户已可以大量使用。3 2 位r i s c 处理器更是受到青睐， 领先的是a r m 嵌入式微处理器系列。在本章中，将对a r m 处理器的体系结构 进行介绍。 2 1 r s i c 处理器体系结构 传统的c i s c ( c o m p l e xi 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，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 j s c ( r e d u c e di 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，p d 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。k 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。 当然，和c i s c 架构相比较，尽管r i s c 架构有上述的优点，但决不能认为 r j s c 架构就可以取代c i s c 架构，事实上，p d s c 和c i s c 各有优势，而且界限 并不那么明显。现代的c p u 往往采用c i s c 的外围，内部加入了r i s c 的特性， 如超长指令集c p u 就是融合了r i s c 和c i s c 的优势，成为未来的c p u 发展方 向之一。 2 2a r m 微处理器的工作状态 从编程的角度看，a r m 微处理器的工作状态一般有两种，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； 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。 第2 章a 脚嵌入式微处理器体系结构 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 状态。 2 3a r m 体系结构的存储格式 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。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： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 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。 2 4 处理器运行模式 a r m 微处理器支持7 种运行模式，分别为： ( 1 ) 用户模式( u s r ) ：a r m 处理器正常的程序执行状态 ( 2 ) 快速中断模式( f i q ) ： 用于高速数据传输或通道处理 ( 3 ) 外部中断模式( i r q ) ； 用于通用的中断处理 ( 4 ) 管理模式( s e e ) ：操作系统使用的保护模式 ( 5 ) 数据访问终止模式( a b t ) ：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用 于虚拟存储及存储保护。 ( 6 ) 系统模式( s y s ) ； 运行具有特权的操作系统任务。 ( 7 ) 未定义指令中止模式( m a d ) ：当未定义的指令执行时进入该模式，可用 于支持硬件协处理器的软件仿真。 a r m 微处理器的运行模式可以通过软件改变，也可以通过外部中断或异常 第2 章a 跚嵌入式微处理器体系结构 处理改变。 大多数的应用程序运行在用户模式下，当处理器运行在用户模式下时，某些 被保护的系统资源是不能被访问的。 除用户模式以外，其余的所有6 种模式称之为非用户模式，或特权模式 ( p r i v i l e g e dm o d e s ) ；其中除去用户模式和系统模式以外的5 种又称为异常模式 ( e x c e p t i o nm o d e s ) ，常用于处理中断或异常，以及需要访问受保护的系统资源 等情况。 2 5a r k 状态下的寄存器结构 a r m 体系结构中，通用寄存器包括r 0 r 1 5 ，可以分为三类： 未分组寄存器r 0 r 7 分组寄存器r 8 r 1 4 程序计数器p c ( r 1 5 ) ( 1 ) 未分组寄存器r 0 r 7 ： 在所有的运行模式下，未分组寄存器都指向同一个物理寄存器，他们未被系 统用作特殊的用途，因此，在中断或异常处理进行运行模式转换时，由于不同的 处理器运行模式均使用相同的物理寄存器，可能会造成寄存器中数据的破坏，这 一点在进行程序设计时应引起注意。 ( 2 ) 分组寄存器r 8 r 1 4 对于r 8 r 1 2 来说，每个寄存器对应两个不同的物理寄存器，当使用丘q 模 式时，访问寄存器r 8 声q r l z q ；当使用除丘q 模式以外的其他模式时，访问 寄存器r 8u s r r 1 2u s r 。 对于r 1 3 、r 1 4 来说，每个寄存器对应6 个不同的物理寄存器，其中的一个 是用户模式与系统模式共用，另外5 个物理寄存器对应于其他5 种不同的运行模 式。寄存器r 1 3 在a r m 指令中常用作堆栈指针。r 1 4 也称作子程序连接寄存器 ( s u b r o u t i n el i n kr e g i s t e r ) 或连接寄存器l r 。 ( 3 ) 程序计数器p c ( r 1 5 ) 寄存器r 1 5 用作程序计数器( p c ) 。在a r m 状态下，位 1 ：o 】为0 ，位 3 1 ：2 】 用于保存p c ：在t h u m b 状态下，位 o 为0 ，位 3 1 ：1 】用于保存p c ：虽然可以用 作通用寄存器，但是有一些指令在使用r 1 5 时有一些特殊限制，若不注意，执 行的结果将是不可预料的。在a r m 状态下，p c 的0 和1 位是0 ，在t h u m b 状 态下，p c 的0 位是0 。 ( 4 ) 寄存器r 1 6 ： 寄存器r 1 6 用作c p s r ( o u r r e n tp r o g r a ms t a t u sr e g i s t e r ，当前程序状态寄存 第2 章a r m 嵌入式微处理器体系结构 器) ，c p s r 可在任何运行模式下被访问，它包括条件标志位、中断禁止位、当前 处理器模式标志位，以及其他一些相关的控制和状态位。 2 6a r m 体系结构异常处理 a r m 体系结构所支持的异常类型及具体含义如表2 1 所示。 表2 - 1a r m 体系结构所支持的异常 异常类型具体含义 复位当处理器的复位电平有效时，产生复位异常，程序跳转到 复位异常处理程序处执行。 未定义指令当a r 2 v i 处理器或协处理器遇到不能处理的指令时，产生未 定义指令异常。可使用该异常机制进行软件仿真。 软件中断 该异常由执行s w i 指令产生，可用于用户模式下的程序调 用特权操作指令。可使用该异常机制实现系统功能调用。 指令预取中止若处理器预取指令的地址不存在，或该地址不允许当前指 令访问，存储器会向处理器发出中止信号，但当预取的指 令被执行对，才会产生指令预取中止异常。 数据中止若处理器数据访问指令的地址不存在，或该地址不允许当 前指令访问时，产生数据中止异常。 r r q ( 外部中断 当处理器的外部中断请求引脚有效，且c p s r 中的i 位为0 请求)时，产生i r q 异常。系统的外设可通过该异常请求中断服 务。 f i q ( 快速中断当处理器的快速中断请求引脚有效，且c p s r 中的f 位为0 请求) 时，产生f i q 异常。 第3 章v x w o r k s 嵌入式实时操作系统 第3 章v x w o r k s 嵌入式实时操作系统 3 1 嵌入式操作系统概述 为了使嵌入式系统的开发更加方便和快捷，需要有专门负责管理存储器分 配、中断处理、任务调度等功能的软件模块，这就是嵌入式操作系统。嵌入式操 作系统是用来支持嵌入式应用的系统软件，是嵌入式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程序、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图 形用户界面( g u i ) 等。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够 有效管理复杂的系统资源，能够对硬件进行抽象，能够提供库函数、驱动程序、 开发工具集等。 其实在早期的嵌入式系统中，没有操作系统，应用程序完全控制c p u 和硬 件，这对嵌入式系统的开发人员提出了较高的要求。而且应用程序对硬件的依赖 性很强，硬件只要发生简单的变化，软件就要作大量的改动。操作系统的出现， 为应用程序提供了一个虚拟的硬件平台，这为嵌入式软件开发人员节省了大量的 时间。从整个系统的角度来讲，操作系统就是资源管理器，这里的资源包括： c p u 的运算能力、内存资源和中断资源等。从应用程序的角度讲，操作系统为 应用程序提供了一个函数库，便于对硬件进行操作。在嵌入式开发中，由于引入 了操作系统，减少了很多不确定的因素，所以系统的稳定性得到了极大保证，同 时大大缩短了开发周期。嵌入式开发人员也从繁杂的c p u 和硬件控制中解脱出 来，从而能够专注于应用系统的开发。一个嵌入式操作系统需要提供的基本功能 有，对多任务的支持及任务问的通信，中断管理，时钟管理，内存管理，输入输 出设备管理和文件系统的管理。 从嵌入式操作系统能否满足实时性要求来分类，可把操作系统分成分时操作 系统和实时操作系统。分时操作系统按照相等的时间片轮流调度进程运行，由调 度程序自动计算进程的优先级，并不由用户控制进程的优先级。实时操作系统能 够在限定的时间内执行所规定的功能，并能够在限定的时问内对外部的异步事件 做出响应；在实时系统中，操作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度，而且 与这些操作进行的时间有关，也就是说，实时系统对逻辑和时序的要求非常严格， 如果逻辑和时序控制出现偏差将会产生严重后果。实时系统主要应用于过程控 制、数据采集、通信、多媒体信息处理等对时间敏感的场合。 第3 章v x w o r k s 嵌入式实时操作系统 3 2v x w o r k s 操作系统概述 v x w o r k s 是美国w i n dr i v e rs y s t e m 公司( 以下简称风河公司，即w r s 公司) 推出的一个实时操作系统。v x w o r k s 是一个运行在目标机上的高性能， 可裁减的嵌入式实时操作系统。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应 用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星 通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。 v x w o r k s 是一种功能强大而且比较复杂的操作系统，包括了进程管理、存储 管理、设备管理、文件系统管理、网络协议及系统应用等几个部分。v x w o r k s 只占用了很小的存储空问，并可高度裁减，保证了系统能以较高的效率运行。所 以，仅仅依靠人工编程调试，很难发挥它的功能并设计出可靠、高效的嵌入式系 统，必须要有与之相适应的开发工具。t o m a d o i i 就是为开发v x w o r k s 应用系统 提供的集成开发环境，t o r n a d o i i 中包含的工程管理软件，可以将用户自己的代 码与v x w o r k s 的核心有效的组合起来，可以按用户的需要裁剪配置v x w o r l ( s 内 核；v x s i m 原型仿真器可以让程序员不用目标机的情况下，直接开发系统原型， 作出系统评估；功能强大的c r o s s w i n d 调试器可以提供任务级和系统级的调试模 式，可以进行多目标机的联调；优化分析工具可以帮助程序员从多种方式真正地 观察、跟踪系统的运行，排除错误，优化性能。 v x w o r k s 是专门为实时嵌入式系统设计开发的操作系统内核，为程序员提供 了高效的实时多任务调度、中断管理，实时的系统资源以及实时的任务间通信。 在各种c p u 平台上提供了统一的编程接口和一致的运行特性，尽可能的屏蔽了 不同c p u 之间的底层差异。应用程序员可以将尽可能多的精力放在应用程序本 身，而不必再去关心系统资源的管理。基于v x w o r k s 操作系统的应用程序可以 在不同c p u 平台上轻松移植。 v x w o r k s 嵌入式实时操作系统包括微内核w i n d 、高级的网络支持、强有力 的文件系统和v o 管理、c + + 和其他标准支持等核心功能。它由4 0 0 多个相对独 立的、短小精炼的目标模块组成，用户可根据需要选择适当模块来裁剪和配置系 统，这有效地保证了系统的安全性和可靠性。系统的链接器可按应用的需要自动 链接一些目标模块。这样，通过目标模块之间的按需组合，可得到许多满足功能 需求的应用。 v x w o r k s 操作系统的基本构成模块包括以下部分： 1 高性能的微内核设计 处于v x w o r k s 嵌入式实时操作系统核心的是高性能的微内核w i n d 。这个微 内核支持所有的实时特征：快速任务切换、中断支持、抢占式和时间片轮转调度 第3 章v x w o r k s 嵌入式实时操作系统 等。微内核设计减少了系统开销，从而保证了对外部事件的快速、确定的反应。 2 可裁剪的运行软件 v x w o r k s 之所以设计为具有可裁剪性，是为了使开发者能够根据自己的应用 程序需要，而不是根据操作系统的需要，来分配稀少的内存资源。从需要几个 k b 字节内存的深层嵌入式设计到需要更多的操作系统的功能的复杂的高端的实 时系统，开发者也许需要从1 0 0 多个不同的选项中进行选择以产生上百种的配置 方式。许多独立的模块都是在开发时要使用而在产品中却不再使用。 这些配置选项可以通过t o m a d o l i 的项目工具图形接口轻易地选择。开发者 也可以使用t o m a d o l i 的自动裁剪特性，自动地分析应用程序代码并合并合适的 选项。 3 综合的网络工具 v x w o r k s 是第一个支持工业标准t c p i p 的实时操作系统。创新的传统伴随 着v x w o r k st c p i p 协议栈，它支持最新的b e r k e l e y 网络特性。 4 兼容p o s i x1 0 0 3 1 b 标准 v x w o r k s 支持p o s i x1 0 0 3 。l b 的规定和1 0 0 3 。l 中有关基本系统调用的规定， 包括；过程初始化、文件与目录、f o 初始化、语言服务、目录处理；而且v x w o r k s 还支持p o s i x1 0 0 3 1 b 的实时扩展，主要包括：异步i o 、记数信号量、消息队 列、信号、内存管理和调度控制。 5 ，平台的选择 w 访d r i v e r 还提供现成的一整套的商业和评估板。v x w o r k s 开放的设计具有 高度的可移植性并且支持几乎所有的处理器，这样，应用程序就可以在不同的体 系结构之间毫不费力的移植。 6 方便地移植到用户硬件上 能否将操作系统和应用程序以一种合适的方式进行移植是嵌入式软件开发 方面的关键。如果事先就考虑了操作系统和应用程序代码的可移植性，那么这个 过程就会变得非常容易。这需要明确划分低级的依赖于硬件的代码和高级的应用 程序和操作系统代码，这样，移植时只需要改变整个依赖于硬件的低级代码，而 不需要改变操作系统和应用程序。 7 操作系统选件 操作系统选件产品为开发者提供了意想不到的特性和操作系统扩展。 3 3t o r n a d o 交叉开发环境 v x w o r k s 是一种功能强大而且比较复杂的操作系统，包括了进程管理、存储 管理、设备管理、文件系统管理、网络协议及系统应用等几个部分。v x w o r k s 第3 章v x w o r k s 嵌入式实时操作系统 只占用了很小的存储空间，并可高度裁减，保证了系统能以较高的效率运行。所 以，仅仅依靠人工编程调试，很难发挥它的功能并设计出可靠、高效的嵌入式系 统，必须要有与之相适应的开发工具。 t o r n a d 0 2 2 就是为开发v x w o r k s 应用系统提供的集成开发环境，t o r n a d 0 2 2 中包含的工程管理软件，可以将用户自己的代码与v x w o r k s 的核心有效的组合 起来，可以按用户的需要裁剪配置v x w o r k s 内核；v x s i m 原型仿真器可以让程 序员不用目标机的情况下，直接开发系统原型，作出系统评估；功能强大的 c r o s s w i n d 调试器可以提供任务级和系统级的调试模式，可以进行多目标机的联 调；优化分析工具可以帮助程序员从多种方式真正地观察、跟踪系统的运行，排 除错误，优化性能。 t o r n a d o 开发环境是嵌入式实时领域里最新一代的开发调试环境，提供了高 效明晰的图形化的实时应用开发平台，它包括一套完整的面向嵌入式系统的开发 和调测工具。t o r n a d o 环境采用主机一目标机交叉开发模型，应用程序在主机的 w i n d o w s 环境下编译链接生成可执行文件，下载到目标机，通过主机上的目标服 务器与目标机上的目标代理程序的通信完成对应用程序的调测、分析。这些工具 包括c 和c + + 远程级调试器，目标和工具管理，系统目标跟踪，内存使用分析和 自动配置，所有工具能很方便地同时运行，很容易增加和交互式开发。是开发和 调试v x w o r k s 系统不可缺少的组成部分。t o r n a d o l l 给嵌入式系统开发人员提供 了一个不受目标机资源限制的超级开发和调试环境。 下图是t o m a d o l l 嵌入式集成交叉开发环境系统结构图： 图3 - 1 集成开发环境结构图 第3 章v x w o r k s 嵌入式实时操作系统 t o m a d o i i 软件工具包的核心工具是各个t o m a d o l l 软件工具包都具有的的开 发工具，主要包括以下几种： 1 图形化的交叉调试器e b u g g e r ) c r o s s w i n d w d b 这是一个远程的源代码集成调试器，支持任务级和系统级调试，支持混合源 代码和汇编代码显示，支持多目标机同时调试。 2 。工程配置工具伊r o j e c tf a c i l i t y c o n f i g u r a t i o n ) 这是一个强有力的图形化工具，提供了可以对v x w o r k s 操作系统及其组件 进行自动地配置。自动的依赖性分析、代码容量计算和自动裁剪w i z a r d 大大缩 短了开发周期。 3 集成仿真器( b t e 鲥e ds i m u l a t o r ) v x s i m 仿真器作为核心工具包含在各个软件包中，因而允许开发者可以在没 有b s p 、操作系统配置、目标机硬件的情况下，使用t o m a d o l i 迅速开始开发工 作。 4 诊断分析工具( w i n d v i c wf o rt h ei n t e g r a t e ds i m u l a t o r ) w i n d v i e w 是一个图形化的动态诊断和分析工具，主要是向开发者提供目标 机硬件上实际运行的应用程序的许多的详细情况。这种系统级的诊断分析工具可 以与v x s i m 一起使用。 5 c c 抖编译环境f c c + + c o m p i l a t i o ne n v i r o n m e n t ) t o m a d o l i 提供交叉编译器、i o s t r e a m s 类库和一些列的工具来支持c 语言和 c + + 语言。 6 主机目标机连接配置器r ( l a u n c h e r ) t o m a d o l l 的主机目标机连接配置器l a u n c h e r 允许开发者轻松地设置和配置 一定的开发环境，也提供对开发环境的管理和许多管理功能。 7 目标机系统状态浏览器( b r o w s e r ) t o m a d o l i 的目标机系统浏览器b r o w s e r 是t o m a d o l ls h d l 的一个图形化组 件，目标机系统状态浏览器b r o w s e r 的主窗口提供目标系统的全面状态总结，也 允许开发者监视独立的目标系统对象：任务、信号灯、消息队列、内存分区、定 时器、模块、变量、堆栈等。这些显示根据开发者的选择进行周期性或条件性更 新。 8 命令行执行工具( w i n d s h ) t o m a d o l i 的命令行执行工具w i n d s h 是t o m a d o i i 所独有的功能强大的命令 行解释器，可以直接解释执行c 语句表达式、调用目标机上的c 函数、访问系 统符号表中登记的变量；还可以直接执行t c l 语言。 第4 章v x w o r k s 系统板级支持包 第4 章v x w o r k s 系统板级支持包 v x w o r k s 操作系统的优势之一是它提供了一种高级的体系结构，并且它的应 用程序代码是独立于硬件的。v x w o r k s 操作系统具有这种可移植性的原因是它采 用了模块化的设计，它将所有硬件的功能函数分别放到一系列库中，这些库就被 称为板级支持包b s p ( b o a r ds u p p o r t p a c k a g e ) 。b s p 库为实现所有目标板上各种 硬件的功能提供了相同的软件接口，它们包括了如下功能：硬件初始化、中断的 产生与处理、硬件时钟和定时器管理、本地及总线存储空间映射、设置存储空间 大小等等。 4 1b s p 概念及组成 b s p 包含了一系列源程序文件，它们为v x w o r k s 操作系统提供了与硬件环 境之间的主要接口，通过图禾1 可以看出b s p 在v x w o f k s 操作系统中的位置以 及它的作用。 i 俐。- 喇n a l l o l t l i i 0 s 鸡一 h 洲咖啉”m - 渊咿 l 舀 堕一 一 j ； 啪t t e 。i i i 盯；：荔 _ 黜# 舭荆! # 麓糕鑫。臻r 善嗨薅。舞# 。赫磁 黔 l * 氅嗽。m h e r d w a r e - d e p e n d e n t s o f t w a r e 嘲 l 。，i ：耐k e m 一 t 。 。 k 。 i 溉目 b s p 目曙麓：“l 箩。l l 乒一。i d - w a 1 3 一秽。”i l 麓 l c 篇篇：。， hc o s 。e 们r i a 惭1 黼 c e 硎t h e r 。r n 衙e t l 图4 1v x w o r k s 系统组成结构 b s p 是由很多个c 语言和汇编语言编写的源程序文件组成。这些文件是b s p 开发者必须创建的( 也可以通过对b s p 模板文件进行修改来获得) 。它们被分别 存放在t a r g e t e o n f i g a l l 和t a r g e t c o n