（信号与信息处理专业论文）基于web的嵌入式视频服务器设计与实现.pdf

摘要随着计算机、网络、嵌入式、图像处理技术的飞速发展和市场需求的强大驱动，视频监控系统也发生了质的变化。传统的以p c 机为平台的数字视频监控系统已不能满足当前海量视频数据采集、传输与处理的需要。传统的c s 模式监控系统需要开发专用的客户端，可移植性差。因此，基于嵌入式技术的网络视频监控系统已经成为视频监控系统研究和发展的主要趋势。本文根据视频监控系统的发展趋势和市场的需求情况，设计并实现了一种基于w e b 的嵌入式视频服务器，远程的现场监控设备可以直接连接到i n t e m e t或i n t r a n c t 上，网络客户端通过标准的浏览器便可以与嵌入式视频服务器进行交互和实时监控，使客户端界面整洁美观，具有很好的实用价值和发展前景。本文在研究分析视频监控系统发展现状的基础上给出了基于w e b 的嵌入式视频服务器总体设计方案，包含系统的硬件设计方案和软件设计方案。硬件平台使用a r m 9 开发板，使用的是中星$ 3 c 2 4 4 0 微处理器。重点介绍了系统底层软件的搭建过程，在a r m 9 开发板的基础上移植了系统内核与根文件系统，同时完成了嵌入式w e b 服务器b o a 与嵌入式数据库s q l i t e 3 3 6 的移植。详细说明了系统各功能模块的设计方案和具体实现过程。视频采集模块通过调用内核提供的v 4 l 接口函数，初始化摄像头参数和图像参数，循环进行图像数据的采集；视频的传输模块采用基于u d p 的s o c k e t 网络编程发送图像数据；视频的存储模块在j p e g l i b 库和a v i l i b 库的基础上，完成了j p e g 图片文件和a v i 视频文件的存储；嵌入式w e b 服务器模块在a r m 的嵌入式平台上完成了嵌入式w e b服务器b o a 的移植，b o a 接收、分析和响应客户端浏览器发送的请求；c g i模块在嵌入式w e b 服务器的基础上，根据c g i 标准实现了用户的登录验证和查询数据库的功能：j a v a a p p l e t 控件模块实现了图像数据的接收、显示。网络客户端下载服务器上的j a v a a p p l e t 控件，该控件是根据a p p l e t 的编写流程而完成的，图像显示采用双缓冲技术，解决了屏幕闪烁问题。经系统测试，本文设计的基于w e b 的嵌入式视频服务器实现了视频采集、存储、传输、显示等功能，网络客户端直接通过浏览器可以进行实时视频的观看，并且支持多用户访问，系统整体测试效果良好。关键词l 嵌入式；w e b ；c g i ；s q l i t e 3 ：v 4 la b s t r a c tw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r , n e t w o r k i n ge m b e d d e d ，i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dap o w e r f u ld r i v e ro f m a r k e td e m a n d ，t h ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mh a sa l s ou n d e r g o n eaq u a l i t a t i v ec h a n g e b a s eo np cp l a t f o r m ，t h et r a d i t i o n a ld 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 mc a nn o tm e e tt h en e e df o rm a s s i v ev i d e od a t aa c q u i s i t i o n ，t r a n s m i s s i o na n dp r o c e s s i n g ，n e t w o r kv i d e om o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hi sb a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g yh a sb e c o m et h em a i nt r e n do fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m s b a s e do nv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mt r e n d sa n dm a r k e td e m a n d ，d e s i g na n dr e a l i z ea l le m b e d d e dv i d e os e r v e rb a s e do nt h ew e b ，r e m o t es i t em o n i t o r i n ge q u i p m e n tc a r lb ec o n n e c t e dd i r e c t l yt ot h ei n t e r a c to ra l li n t r a n e tn e t w o r k , v i aas t a n d a r db r o w s e r , c l i e n t sc a nb ea b l et oi n t e r a c tw i t ht h ee m b e d d e dv i d e os e r v e ra n dr e a l - t i m em o n i t o r i n g , s ot h i ss y s t e mh a sg o o dv a l u e sa n dp r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n t t h ep a p e ra n a l y e st h es t a t u so fv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e ma n dg i v e st h eo v e r a l ld e s i g no ft h ew e b b a s e de m b e d d e dv i d e os e r v e r , i n c l u d i n gs y s t e mh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n t h i ss y s t e mf o c m e so nt h eb o t t o mo ft h es y s t e ms o l , r a r e b u i l d i n gp r o c e s s b a s e do nt h ed e v e l o pb o a r do fy c 2 4 4 0 ，c o m p l e tt h et r a n s p l a n t a t i o no fs y s t e mk e r n e la n dr o o tf i l es y s t e m ，a tt h es a m et i m e ，c o m p l e t i n gt h ew e bs e r v e rb o aa n dt h ee m b e d d e dd a t a b a s es q l i t e 3 3 6 p r o v i d et h ed e t a i l e dd e s c r i p t i o no fe a c hf u n c t i o n a lm o d u l eo fs y s t e md e s i g na n ds o f t w a r ei m p l a n t a t i o n t h ev i d e oc a p t u r i n gm o d u l ec a l l i n gt h ek e r n e lf u n c t i o n sv 4 la p it oi n i t i a l i z et h ec a m e r aa n di m a g ep a r a m e t e r st oat e m p o r a r yb u f f e rw a i t i n gt ob es e n t ；v i d e ot r a n s m i s s i o nm o d u l eu s i n gs o c k e tn e t w o r kp r o g r a m m i n gb a s e do nu d p , w a i t i n gf o rt h ec l i e n tc o n n e c t i o na n ds e n d i n gi m a g ed a m s ；b a s e do nj p e g l i bl i b r a r ya n da v i l i bl i b r a r y , v i d e os t o r a g em o d u l es t o r i n gj p e gf i l e sa n da v if i l e s ；t h ee m b e d d e dw e b 辩i v e rm o d u l ec o m p l e t i n gt h et r a n s p l a n t a t i o no ft h ee m b e d d e dw e bs e w e r r e c e i v i n g ，a n a l y z i n ga n dr e s p o n d i n gt ot h ec l i e n tb r o w e r ；o nt h eb a s i so ft h ee m b e d d e dw e bs e r v e r , t h ec g im o d u l e ，a c c o r d i n gt ot h ec g is t a n d a r d ，r e a l i z i n gt h eu s e r s l o g i nv a l i d a t i o na n dq u e r y i n gt h ed a t a b a s e ；a c c o r d i n gt ot h ea p p l e tp r o g r a m m i n gp r o c e s s ，j a v aa p p l e tm o d u l er e c e i v i n g ，d e c o d i n ga n dd i s p l a y i n gi m a g ed a t a s i m a g ed i s p l a y i n gu s e sd o u b l eb u f f e r i n gt e c h n i q u e s ，f i r s t l yd r a w i n gt h ei m a g ei nt h eb u f f e ra r e a , l a s t l yc o p yt h ei m a g ei nt h eb u f f e ra r e at ot h es c r e e n ，5 0s o l v i n gt h es c r e e nf l i c k e r i n gp r o b l e m i n s t a l lt h ej r ee n v i r o n m e n tt h ec l i e n tb r o w s e rt op r o v i d et h eo p e r m i n ge n v i r o n m e n tf o rt h ej a v aa p p l e tc o n t r o l l e r t h r o u g hs y s t e mt e s t i n g ，t h ew e b - b a s e de m b e d d e dv i d e os e r v e rc a l lc a p t u r ea n ds t o r e ，t r a n s m i ta n dd i s p l a yi m a g ed a t a t h r o u g ht h eb r o w s e r , c l i e n t sc a ng e tar e a l t i m ev i d e oa n dah i s t o r i c a lv i d e ow a t c h ，a n dt h ew h o l es y s t e mh a sg o o de f f e c t k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；w e b ；c g i ；s q l i t e 3 ；v 4 li i i武汉理工大学硕i ：学位论文1 1 课题的背景与意义第1 章绪论近年来，在计算机技术与多媒体技术快速发展的基础上，基于w e b 的嵌入式视频服务器逐渐成为视频监控发展的主要趋势。基于w e b 的嵌入式视频服务器不仅采用了网络技术、计算机技术和数字视频技术，而且加入了自动控制与多媒体技术，同时将网络传输功能与视频压缩功能集成到体积相对较小的嵌入式设备中【。基于w e b 的嵌入式视频服务器可以通过网口接入网络，通过网络达到了数据共享的目的。本系统采用b s 模式，客户端通过w e b 技术向服务器发送h t t p 请求，通过使用p c 机上的标准浏览器，用户便可以对系统设备进行控制，获取远端的实时视频i z j 。相比传统的视频监控系统，基于w e b 的嵌入式视频服务器节省了大量的复杂电缆，不仅成本低，体积小，而且使用灵活、方便。这种基于嵌入式而又融入网络技术的视频监控系统必将具有很好的应用、发展前景和广阔的市场，最终代替目前大量使用的基于p c 机的视频监控系统。因此，基于w e b 的嵌入式视频服务器具有很强的工程实际意义。目前，很多企业和高校正在从事嵌入式w e b 视频监控系统的研发工作和视频质量优化工作。基于w e b 的嵌入式视频服务器以嵌入式技术为基础，系统性能稳定、可靠，抗干扰能力强，适用不同的工业控制环境。传统的视频监控系统是工业电视监控系统，远程客户端需要在p c 机上安装特定的应用软件，才能查看到实时视频，使得客户端软件不具备通用性和可移植性。本系统采用w e b 技术，在w e b 页面中嵌入a p p l e t 控件进行视频的接收、显示，用户通过p c 机上通用的浏览器便可以查询到服务器上的视频信息，使系统结构更加简洁，使用更加方便。本文正是在以上背景下进行了基于w e b 的嵌入式视频服务器的设计与实现的工作，本系统采用免费的嵌入式操作系统u t u l i n u x ，分别研究了图像数据的采集、传输、显示；在嵌入式w e b 服务器和嵌入式数据库s q l i t e 3 3 6 的基础上，进行了c g i 编程；实现了实时视频的显示以及历史图片与历史视频的存储。武汉理工大学硕士学位论文1 2 视频监控系统的国内外发展现状伴随着科技的进步，远程监控系统发展的脚步也越来越快，从上个世纪9 0年代到现在，短短不到5 0 年的时间内，远程监控系统经历了三大发展阶段：模拟视频监控阶段、以p c 机为基础的多媒体监控阶段以及基于w e b 的视频服务器阶段【3 1 。在整个发展过程当中，一方面视频信号由模拟视频信号发展到数字视频信号；另一方面随着网络技术的迅猛发张，监控系统已经可以联入网络，在世界的任何一个角落，通过互联网便可访问监控系统的服务器1 4 , 5 j 。再者，监控技术与嵌入式技术相结合使得整个监控系统更加灵巧，更加实用，更具针对性【6 】。( 1 ) 模拟视频监控阶段：模拟视频监控系统是由录像机、视频矩阵、摄像机以及监视器构成。在模拟视频监控系统中，系统传输的是模拟视频信号，并通过光端机来实现 r l 。监视器和摄像机之间传输视频采用视频传输线，其他控制功能主要是通过键盘输入来实现。受模拟信号局限性限制，视频数据传输距离不能太长，因此监控范m d , 是模拟视频监控系统的一个很大的有待改进的缺附引。( 2 ) 基于p c 机的多媒体监控阶段：在模拟视频监控系统的基础上，应用数字压缩编码技术便形成了基于p c 机的多媒体视频监控系统1 9 1 。基于p c 机的多媒体视频监控系统的主要优势有：此时的监控系统传输的已经是数字视频信号而不是模拟视频信号，这也是监控系统发展史上质的飞跃【l o l 。但是，由于当时的数字视频编解码技术尚未成熟，使得整个系统颇为复杂，汇集到监控终端的有多条线路，分别是摄像机线路、用于检测的探头线路以及数据设备线路掣1 1j 。这个庞大的系统的可靠性并不理想，p c 机终端还需要专门人员进行看护和维修。( 3 ) 基于w e b 的嵌入式视频服务器阶段：网络技术迅猛发展的产物之一就是网络监控技术，即基于w e b 的嵌入式视频服务器的雏形。相比基于p c 机的多媒体监控系统，嵌入式w e b 视频服务器的明显优势是能够直接接入以太网中，省掉了大量的电缆传输路线，整个系统更加灵活可靠，性能得到了提高【l2 1 。同时，无需开发专门的客户端应用软件，只需要通过p c 机的标准浏览器便可以查看终端的实时视频【i3 1 。基于w e b 的嵌入式视频服务器的性能之所以能够得到提高，主要有两方面的原因：一方面，以嵌入式技术为基础，嵌入式w e b 服务器成为整个系统的核心部分；另一方面，高性能数字视频压缩芯片的使用，省掉了大量传输线路，节省了大量的电缆降低了系统的成本1 1 4 l 。基于w e b 的嵌入式视频服务器借助以太网，图像数据的传输更加准确可靠，2武汉理工大学硕士学位论文系统更加简洁，整体性能得到提高。凭借p c 机上标准浏览器作为客户端，让监控系统更具通用性。基于w e b 的嵌入式视频服务器已成为视频监控发展的必然趋势，必将代替当前已投入使用的监控系统，成为视频监控系统的主导力量【1 5 ，16 1 。1 3 本文的内容安排论文首先讨论了本系统的研究背景和意义，以及远程监控技术的国内外发展现状。第二章主要讨论了系统的总体设计方案，包括软件实现方案和硬件实现方案、软硬件开发环境的搭建等。第三章主要讲述了系统底层软件开发环境的具体搭建，移植了嵌入式w e b 服务器b o a 和嵌入式数据库s q l i t e 3 3 6 ，在w e b 服务器b o a 的基础上介绍了c g i 编程技术，进行了基于c g i 标准的应用编程。第四章详细介绍了系统各应用模块的具体实现，图像采集模块主要调用嵌入式l i n u x 内核提供的v 4 l 的a p i 函数组来实现；图像数据的传输模块采用基于u d p 的s o c k e t 网络编程；同时，移植了j p e g 库和a v i l i b 库，以便支持j p e g 文件和a v i 文件的写入工作。另外，实现了图片存储与视频存储的功能。第五章是系统的测试部分，主要的测试内容包括：b o a 服务器对静态页面和动态页面的响应、系统合法用户的登录、通过浏览器查看实时视频、j p e g图片文件和a v i 视频文件的存储。第六章介绍了本系统的主要特点，同时提出了改善的方案。武汉理工火学硕士学位论文第2 章基于w e b 的嵌入式视频服务器总体方案设计2 1 系统总体设计方案在嵌入式技术、w e b 技术、数字视频技术和多媒体网络传输技术的基础上，本系统实现的主要功能有：通过标准浏览器的w e b 页面显示实时视频、用户的验证登陆以及历史图片和历史视频的存储等。从网络结构上，本系统主要分为三大部分：前端视频监控设备，本系统采用的是中星微z c 3 0 1 芯片的u s b 摄像头，自带图片数据的硬件压缩功能，最终输出j p e g 格式的图片；嵌入式视频服务器，在嵌入式w e b 服务器b o a 的基础上结合c g i 编程技术，服务器解析并响应客户端的h t l l p 请求，调用指定的c g i 脚本程序，并将执行结果以h t m l 的形式返回给客户端浏览器：网络客户端，本系统采用p c 机上通用的浏览器作为系统的网络客户端，在w e b 页面中嵌入j a v aa p p l e t 控件，初始化s o c k e t ，并接收、显示服务器端的发送来的图像数据。系统总体组成模型如图2 1 所示。羽硼嬲嚣睡面画疆气一i 世堕h 骂竺怪：鬲芦面面 i _ i 磊i 磊i 1 i _ 4 网络发送be h 测览嚣i网络客户螭ij a v a a p p l e t 挖f f fl 显示h 接收图2 1 系统总体模型图网络客户端的w e b 浏览器发送h t t p 请求到w e b 服务器，w e b 服务器接收、分析并响应客户端请求，将响应结果处理成h t m l 格式的信息发送到客户端，网络客户端将接收到的信息转换成网页形式，以便在客户端w e b 浏览器中显示。网络客户端的浏览器发送到w e b 服务器的请求分为两种：一种为静态网页请求，另一种为实时动态数据请求。若网络客户端发送静态网页请求，w e b服务器解析地址路径并发送应答，借助h 1 v r p 协议发送到网络客户端。若网络客户端请求动态数据，w e b 服务器借助c g i 程序实现了与外部应用程序的通信，c g i 程序完成数据处理的工作，由w e b 服务器将结果返回给网络客户端。视频4武汉理工大学硕士学位论文服务主程序创建图像采集线程循环进行图像数据的采集，网络发送模块将视频数据实时传输到网络客户端，客户端的的i e 浏览器自动下载客户端的j a v aa p p l e t 插件，实现图像数据的接收、连续显示。用户验证模块使用嵌入式小型数据库进行用户名和密码信息存储，利用c g i 编程技术实现用户验证登陆，避免非法用户入侵。2 1 1 硬件设计方案本系统的整体硬件组成如图2 2 所示。三星$ 3 c 2 4 4 0 微处理器u串口电源豳圈字p 圈图2 2 系统硬件组成图( 1 ) 核心控制模块：该模块主要包括三星$ 3 c 2 4 4 0 微处理器、f l a s h 、复位电路、时钟电路、s d r a m 。容量为6 4 m b y t e s 的f l a s h 采用非易失缓存技术，运行速度较快，一般存放系统的启动代码、内核、根文件系统和应用程序等。( 2 ) 图像采集模块：由u s b 接口和中星微z c 3 0 1u s b 摄像头组成。u s b 摄像头性能良好，价格较低，已经得到了广泛的应用，又因其使用方便、灵活等特点，容易集成到嵌入式应用系统中。摄像头微处理器主要包括镜像信号处理器、j p e g 图像解码器和u s b 设备控制器。影像数据从摄像头前端感应后，接着对模拟信号进行处理，然后开始模数转换和前期影响处理，最后还要经过后端影像处理阶段，影像数据才能呈现在终端设备上。( 3 ) 图像传输模块：本系统以太网控制器为d m 9 0 0 0 a ，硬件中含有一个p h l 6 3 5 3 9 芯片，被称为网络变压器，主要用于信号电平耦合。一方面加强信号，加长传输距离；另一方面起隔离作用，增强d m 9 0 0 0 a 的抗干扰能力；另外，当连接的网口具有不同电平时，不会影响设备。在核心控制模块的控制下，系统完成了图像采集的工作，并将图像数据进行存储，同时，通过图像传输模块将图像数据发送到网络客户端浏览器。兰蕊武汉理工大学硕士学位论文2 1 2 软件设计方案基于w e b 的嵌入式视频服务器的软件结构如图2 3 所示。视频集视频传视频接收和用户验模块输模块显示模块证模块嵌入式1 j i e b 服务器b o a 和嵌入式数据库s q l i r e 3网卡驱动摄像头驱动串口驱动程序程序程序v 4 l 接口y a f f su t u l i n u 】【一2 6 1 8u b o o t l 2图2 3 视频服务器的软件结构图基于w e b 的嵌入式视频服务器，软件方面主要分为两大部分：系统软件和应用软件。系统软件主要包括：b o o t l o a d e r ，本系统采用的是u b o o t 1 2 ，用于引导嵌入式操作系统启动；嵌入式操作系统u t u l i n u x 2 6 2 4 ；y a f f s 类型的文件系统；u s b 摄像头的驱动程序，网卡驱动程序以及串口驱动程序等。应用软件方面，本课题移植了嵌入式w e b 服务器b o a 与小型嵌入式数据库s q l i t e 3 3 6 。在功能上，本系统软件实现上分为以下5 个模块。( 1 ) 视频采集模块：调用v 4 l 提供的接口函数，进行图像数据的采集工作，在查看实时视频的过程中，可以通过点击视频画面上的图标进行视频的亮度和对比度的调整。( 2 ) 视频存储模块：本课题中移植了j p e g 库，支持将图像数据写入j p e g 文件，包括两种情况：覆盖写和非覆盖写。同时，移植a v i l i b 库实现了a v i 文件的存储，a v i 格式只是一个容器，当我们将图像进行格式压缩之后，将多帧图像写入已打开的a v i 文件，a v i 文件可以封装多种格式的视频文件。( 3 ) 视频传输模块：本模块为客户端浏览器提供了前端摄像头采集的图像数据，采用基于u d p 的s o c k e t 网络编程发送给客户端，客户端通过j a v a a p p l e t 控件实现图像数据的接收、显示。( 4 ) j a v a a p p l e t 控件模块：在网页中嵌入j a v a a p p l e t 控件实现了系统的远程监控的功能，采用j a v aa p p l e t 控件，是因为浏览器无法接收和显示视频数据，浏览器将自动从嵌入式w e b 服务器上加载、运行j a v aa p p l e t 控件。6武汉理1 = 大学硕士学位论文( 5 ) 用户验证模块：本系统的用户验证模块在嵌入式w e b 服务器b o a 和嵌入式数据库s q l i t e 3 3 6 的基础上，进行c g i 应用编程，c g i 程序首先获得客户端表单提交的用户名和密码，暂存在指定的变量中，然后查询s q l i t e 3 3 6 数据库中用户名和密码信息，最后进行用户名和密码的比对工作，根据比对结果返回请求的w e b 页面或出错页面。视频服务器端整体流程图如图2 4 所示。开始启动线程接收i c 盱报文惩j l 蔷侄于：s e l ws o c k = o p e nu d p s o e k ( p o r t递s e r ；s o c r = - 1 重、? f 二= - 一- 、，l 是! _ 1关闭予线程l= 二 二一结束)2 2 硬件开发平台2 2 1a r m 简介是l e n g t h = r e c v f r o m ( )否获得客户端i p 和p o r t迎垄堕塑! ! 爹否将i p 和p o r t 加入访问列表中启动图像发送线程图2 - 4 服务器执行流程图a r m 具有多重含义，它既是一个公司的名字也是一类微处理器的统称，同时，它还是一种重要技术。成立于英国剑桥的a r m 公司主要从事出售芯片设计技术的授权，并不从事芯片的直接生产，世界上生产芯片的厂商从a r m 公司购买设计好的a r m 核，针对实际的用途添加各种不同功能的外围电路，a r m 核和外围电路就构成了完整的可以进入市场的a r m 微处理器。a r m 整个系统的成本低，容易被大众所接受，这大大增加了a r m 微处理器在市场中的竞争力。采用a r m 公司芯片设计技术的微处理器就是a r m 微处理器，a r m 微处理器的市场占有份额远远超过其他精简指令微处理器，大约占整个微处理器市场的3 4 。a r m 微处理器的应用领域非常广泛，主要包括有线和无线网络系统、工业控制、工业电子和消费电子等领域。a r m 微处理器采用精简指令架构，其主要特点有如下五个方面。7武汉理工大学硕士学位论文成本低、体积小；性能高、功耗低。兼容性好，因为具备双指令集，即1 6 位的t h u m b 指令集和3 2 位的a r m指令集，无论是8 位还是1 6 位的元件都与a r m 具有良好的兼容性。程序执行效率更高，较高的指令执行速度得益于大量的指令寄存器。简单灵活的寻址方式进一步提高了指令的执行速率。精简指令集更容易记忆和操作，易于程序员编程。作为a r m 公司的主流处理器，a r m 9 是一种3 2 位微处理器，不仅性能高，而且功耗低。基于以上优点，a r m 9 在嵌入式系统中的应用非常广泛，主要应用于因特网的中转设备、数码相机、医疗器械、日用家电、g p s 等消费电子和工业电子产品中，主要分为以下四个方面。通信领域：a r m 微处理器成本低、性能高，其在市场中的竞争力日渐加强，采用a r m 技术的无线通信设备在整个通信设备的占有率超过8 5 。工业控制领域：a r m 微处理器凭借它自身是3 2 位的精简结构的绝对优势，无论是在高端还是低端的微控制器市场，都占据了几乎整个的市场份额，已经严重威胁传统的8 1 6 微控制器。消费电子领域：现在无论是m p 3 、m p 4 、数字机顶盒，还是智能手机等移动设备都采用了a r m 微处理器。安全与成像产品领域：目前，a r m 技术已经在数码相机和打印机中得到了广泛普及。2 2 2y c 2 4 4 0 开发板简介本系统使用的是北京扬创科技有限公司的a r m 9 开发板：y c 2 4 4 0 f - v 5 1 。y c 2 4 4 0 f v 5 1 不仅抗干扰性强，并具有理想的电气特性，在生产工艺方面，其核心板是六层板。主要资源介绍如下：标称工作频率是4 0 0 m h z 、采用3 2 位a r m 9 2 0 t 的内核、三星公司的s 3 c 2 4 4 0 微处理器、开发板内部锁相环的频率是4 0 0 m h z ，添力l l j b 部晶振电路后的外部频率大约为1 0 0 - 1 3 3 m h z 、具备s d m m c卡接z i 、主从u s b 接口、一通道五线制的串口和两通道三线制的串口、以太网控制器( 1 0 0 m i - l z ) 、l c d 控制器、s t n c s t n t f t 、液晶屏( 分辨率要求在1 0 2 4 7 6 8 以下) 、音频接口、复位电路、2 0 脚的j t a g 接口、l e d4 个、电源指示灯一个、按键6 个、复位开关、电源开关、n a n d f l a s h6 4 字节，s d r a m6 4字节。系统硬件结构简单且成本低，嵌入式设备能与i n t e m e t 的连接，使用方便。8武汉理工大学硕士学位论文2 3 本章小结本章首先介绍了基于w e b 的嵌入式视频服务器的整体设计方案，包括硬件设计方案和软件设计方案，然后分析了系统的硬件平台和软件平台。硬件平台主要介绍了a r m 微处理器和y c 2 4 4 0 开发板：软件方面主要介绍了应用软件的各个实现模块，以及各应用模块的具体实现技术。9武汉理工大学硕士学位论文第3 章基于w e b 的嵌入式视频服务器底层软件实现3 1 嵌入式软件平台搭建3 1 1 安装交叉编译工具交叉编译主要是指应用程序在x 8 6 平台上进行编译和链接，生成能够在嵌入式平台中运行的可执行文件。我们之所以采用交叉编译是由编译工具自身的特点所决定的。一般情况下，编译工具链对系统的要求很高，不仅需要充足的静态存储空间，还要求c p u 具备极强的运算能力。但是嵌入式系统的资源有限，a r m 开发板的一般静态存储空间大小在1 6 m 和3 2 m 之间，c p u 的主频范围一般在1 0 0 - 5 0 0 m h z ，嵌入式系统资源有限，不能满足编译工具链的以上基本要求。所以，程序的编译、链接的工作需要在x 8 6 平台上完成，嵌入式开发板只负责运行和调试交叉编译生成的可执行文件。下面进行交叉编译工具链的安装。( 1 ) 解压a n t i l i n u x g c c - 3 4 1 t a r g z 到指定的文件夹下，解压缩命令如下。t a rz x v fa r m - l i n u x g c c - 3 4 1 _ c 这样就会在u s r l o c a l 目录下生成一个a r m 目录，进入a r m 目录，即可找到目录3 4 1 ，该目录中的文件是我们所需要的。( 2 ) 修改系统e t c 目录中的配置文件p r o f i l e ，在文件的最后添加如下内容：p a t h = $ p a t h ：u s r l o c a l a r m 3 4 1 b i n ，然后保存退出。( 3 ) 更新p r o f i l e 文件，在命令行模式下输入命令：s o u r c e e t c p r o f i l e 。( 4 ) 在命令行模式下输入a i m - l i n u x g c c _ v ，如果能看到a r m - l i n u x - g e e - 3 4 1的具体的版本说明信息，说明我们的系统上已经安装成功交叉编译工具a r m - l i n u x - g c c 一3 4 1 。3 1 2 选择嵌入式操作系统操作系统是一种系统软件，能够管理系统的硬件资源，控制程序的执行，改善人机界面，并为应用软件提供平台支持，是介于用户和计算机之间的桥梁。操作系统能够合理、有效的组织计算机的工作流程，合理的分配系统软硬件资源，加强了系统的运行能力和实时响应能力。嵌入式操作系统能够支持嵌入式l o武汉理工大学硕士学位论文系统应用，不仅具备通用操作系统的功能，同时还具有实时性、对硬件的依赖性、软件固化性和专用性。本课题对嵌入式操作系统的基本要求是：具有较强的可靠性和实时性、具备丰富的功能模块，并能下载到最终产品板上，能与功能全面的主机开发环境协同工作。基于以上考虑，本文选用的嵌入式操作系统是l i n u x ，其不仅具备现代操作系统的特点：具备抢先式的多任务处理机制，支持多用户操作，具有内存保护功能、拥有虚拟内存技术、支持多对称多处理机s m p ，即s y m m e t r i cm u l t i p r o c e s s i n g 、支持p o s i x 标准、支持t c p i p 协议、同时支持绝大多数3 2位与6 4 位的c p u 。近年来，l i n u x 在嵌入式领域获得了飞速的发展，在已开发的嵌入式项目中，l i n u x 的使用率超过一半，其主要特点有以下六个方面。具有可裁剪性，用户可以根据自己的需求定制l i n u x 的特性和行为。具有平台可移植性，在标准平台如p c 机的l i n u x 上进行开发，到嵌入式硬件中运行，加速了开发过程。具有配置的随意性，不需要许可证或商家许可。具有开源性和免费性。具备网络支持功能，不需要其他配置，其他操作系统需要额外加入t c p i p 协议包。实现了功能模块化，系统的裁减更加方便。3 1 3 移植u - b o o tb o o t l o a d e r 的功能等同于p c 机上的b i o s ，在本质上，它只是一小段程序，负责引导系统的启动。当给开发板上电时，b o o t l o a d e r 负责初始化硬件，为后面要加载的操作系统创造良好的运行环境，比如初始化堆栈、初始化存储器、加载操作系统等，在硬件启动和操作系统启动之间起到了衔接的作用。开发板上电之后b o o t l o a d e r 自动将存储在开发板的r o m 、f l a s h 等固态存储装置中的操作系统加载到r a m 中，并将执行的权限交给操作系统。b o o t l o a d e r 直接和硬件相关联，所以针对不同外围电路的开发板，b o o t l o a d e r 的具体配置是不相同的。用于嵌入式l i n u x 操作系统的b o o t l o a d e r 主要分为以下几种：u - b o o t 、r e d b o o t 、b l o b 、a r m b o o t 。其中，u b o o t 不仅开源且功能强大，应用非常广泛。u b 0 0 t 引导系统的流程分两个阶段，第一阶段为s t a g e l ，第二阶段为s t a g e 2 。s t a g e l 阶段的大部分工作与硬件相关，为s t a g e 2 中加载操作系统做好了软硬件准备。武汉理工大学硕士学位论文s t a g e l 阶段实现的主要功能有以下六个方面。确定内核中系统的入1 2 1 点，将这个入口点放在f l a s h 的零地址处，当启动时，系统会自动从零地址处开始执行。设置异常向量。设置c p u 的运行速度、时钟频率、寄存器和内存控制器的初始值。将系统从r o m 或f l a s h 等存储器拷贝到r a m 中。为系统的执行做好最后的准备工作并初始化堆栈。由r o m 跳转到r a m 中，准备开始第二阶段的引导工作。s t a g e 2 阶段进行的主要操作有以下五个方面。继续s t a g e l 阶段的初始化工作，在s t a g e l 阶段的基础上需要调用一些初始化函数对系统进行进一步初始化。完成f l a s h 和内存相关函数的初始化工作。完成n a n d 的初始化。完成显示设备和网络设备等外围电路的初始化工作。前面已完成系统初始化工作，u - b o o t 进入循环等待状态，若从串口接收到用户命令，完成相应的操作。若系统是第一次烧写u b o o t 的b i n 文件，需要借助w i g g l e r 小板，通过p c机的并口，w i g g l e r 小板一端连接开发板，一端连接p c 机，具体烧写步骤如下。( 1 ) 在p c 机平台上安装g i v e i o 驱动程序。( 2 ) 用w i g g l e r 小板连接y c 2 4 4 0 开发板的j t a g1 2 与p c 机的并口，确认连接好之后，为开发板上电。( 3 ) 在p c 机上运行批处理文件u b o o t b i nt 22 4 4 02 6 2 42 4 0 x 3 2 0 b a t ，完成u b o o t 的烧写。3 1 4 移植内核l i n u x 操作系统的内核基本架构图如图3 - 1 所示。进稃管理i 虚拟文件系统内存管理嘲络栈各种c p u 架构l设备驱动图3 1 内核架构图1 2武汉理工大学硕士学位论文系统调用接口：系统调用接口实现了从用户空间到内核空间的自动转换，使用户在用户空间能够对硬件设备进行访问。进程管理：进程控制主要包括进程的创建、进程的销毁、进程间通信，其中，进程之间如何共享c p u 是通过进程调度来实现的旧。内存管理：内存是l i n u x 内核所管理的最重要的资源之一，内存管理子系统是操作系统中最重要的部分之一。内存管理主要分为段式管理和页式管理两种，l i n u x 系统主要采用页式管理机制。当多个进程共享同一个内存区域时，内存管理机制负责调控某个具体时间内该内存区由哪个进程进行读或写或者允许多个进程同时进行读写一块内存区。网络协议栈：l i n u x 系统能够支持的所有网络协议都在这里进行了定义。虚拟文件系统：文件系统的种类非常多，例如：e x t 2 、f a t 、n f s 、设备文件系统。不同文件系统的a p i 不同，在应用中不方便用户的具体操作。虚拟文件系统对各种文件系统进行了封装，规定了统一的外部接口。虚拟文件系统的功能如图3 2 所示。图3 2 虚拟文件系统的功能图选用觚n 1 i n u x g c c 3 4 1 作为编译内核的交叉编译器，编译内核需要工具m k i m a g e ，下面开始内核的编译工作。( 1 ) 获取并解压缩内核源代码包解压到根目录下。t a r - j x v f u t u - l i n u x 2 6 2 4 一f o r u t u 2 4 4 0 2 0 0 8 1 0 0 8 t a r b z 2 - - cf( 2 ) 进入源代码目录，将c o n f i g _ 4 8 0 x 2 7 2 _ t s 改名为e o n f i gm ve o n f i g _ 4 8 0 x 2 7 2 _ t s c o n f i g ，执行命令m a k em e n u c o n f i g 进入内核配置的界面，配置触摸屏、中星微u s b 摄像头、网卡驱动、串口驱动等选项，配置完成后，保存退出。( 3 ) 编译内核，m a k eu l m a g e 命令执行结束后，在内核源码的a r c h a r m b o o t目录下，便可以找到供开发板使用的内核映像文件u l m a g e ，通过t f t p 服务将u l m a g e 加载到开发板中使用。武汉理工大学硕士学位论文3 1 5n f $ 起根文件系统l i n u x 系统中的文件不仅包括文字和数据，还包括整个文件系统的结构布局，如目录、软连接、文件属性等内容。文件系统基本框架结构如图3 3 所示。图3 3 文件系统的框架结构图r a m 和f l a s h 是嵌入式l i n u x 的常用存储设备，因此比较实用的文件系统主要有如下几种：j f f s 2 、c r a m f s 、r a m d i s k 、y a f f s 、r a m f s 等【l 引。( 1 ) n f s 是一种基于r a m 的文件系统，并非是一种新生的文件系统，只是将其他文件系统装入内存当中。n f s 文件系统是通过网络，在不同机器上实现目录和文件的共享。( 2 ) 基于f l a s h 的文件系统主要有：j f f s 、j f f s 2 、y a f f s 、c r a m f s 。j f f s 是最早应用于嵌入式l i n u x 的文件系统，最早采用j f f s 的l i n u x操作系统是l i n u x 2 0 t w j 。j f f s 2 的特点是可读写、支持数据压缩，是一种基于n o r 型f l a s h 的文件系统。但是当j f f s 2 文件系统被写满时，效率很低。c r a m f s 这种文件系统支持读和压缩操作，但是不支持写操作。文件系统不易被破坏，可靠性大大提高。c r a m f s 的显著特点是速度快，系统运行效率高。y a f f s 文件系统可跨平台，占用内存少，效率高；但是不支持压缩操作。本系统使用的y c 2 4 4 0 f