（信号与信息处理专业论文）基于vxworks的网络摄像机传输系统的搭建与实现.pdf

中文摘要 视频髓控以其盥观、方便、借息内誊事寓赫广泛应用予蜜探、生产管壤铸塌 台，成鸯鑫融、鬻业、交逶乃至住宅、鞋鬟等领域蜜全辫魏靛貔懿重要手段，窘 凳这些行、歉静安全跨藏和环境蓝拄起裂了誉可忽视豹作用。近1 0 年来，髓藿计 算税、弼络戳及鹫豫她毽、通信抟输、富动键技术静发震，瓣灏麓控技术也献早 期的模拟时代进入了数字时代。网络数字视频监控系统以其抗干扰性强、稳定性 好、系统凝没简擎、扩鼹方便等诸多撬势，代替镱绫靛搂臻靛控螽统己酸为爨妻 必然。 零论文主要究贼了蓥于v x w o r k s 的网辫摄像橇传输系绞平台黥搭建和鬻瑗， 包括嵌入式操作系统v x w o r k s 在传输模蟪平台上的移植、与p c 桃之间网络邋信 的实现、与d s p 之间数撼逶信熊开发等。溶殳中餐先穷缀了褪频监控系缝翡发 展和应用、网络摄像机的系统构成璐及网络待输模炔部分鼢构成和工作。襁着对 嵌入式操佟系统v x w o r k s 的组件秘结捡，以艘v x w b 出s 的煞成开发环境t o r n a d o 逑嚣了说竣。然瑟赞辩本谂文进行移植斡硬性平台，也就怒憋个倦输模块的硬件 平台聂箕备部分主要接爨佟了篱单匏说鹱。第四肇详缨讲述了嵌入式操作系统 v x w o r k s 的b s p 豢僚输平螽上的移植过糕，主囊涉及到b s p 包中籀应的配置文 体的修改、串行设备和网络设备驱幼程序的编写，以及b o o t r o m 的生成和烧写、 v x w o r k s 能燕载稿蒸统的窝动。在成翡实现了v x w o r k s 在传输模块平台土豹穆 棱窆后，本论文分别讲述了传输模块平台与p c 枫乏间的鼹络通信戳及与数据聚 鬃模块之悯的h p i 遴髂。其中传输横涣擎蠹与p c 椒之闯静网络通信，除了夯绍 与p c 机之间通道网络s o c k e t 的邀行通信的过程乏外，还讲述了v x w o r k s 下警r 1 - a r l l 文黪篆绞酶建立。餍予存救嚣攀通过嗣络传遴缭p c 的文件数据；h p i 通信 部分针对佟输模块磷件和数据采集模块的硬件给出了具体的硬件避接和软件实 现的方囊。本论文工作是天津市科娄瑟上基础繇粼埙匿“熟予搬a 式实时系统酶 赋绦搓像规”的一帮分。在宠残论文瓣速稷中蒋到无津大学电信学院和美圜飙河 公适( w r s ) 大攀禽佟计划豹资助。 兼键词：嘲绥般控，嵌入溅操作系统，v x w o r k s ，b s p ，套接字，h p i a b s t r a c t d u et ot h e i rp r o p e r t i e so fb e i n go b s e r v e dd i r e c t l y , u s e dc o n v e n i e n t l y , e s p e c i a l l y , s u p p l y i n ga b u n d a n ti n f o r m a t i o nt ou s e r , u s eo fv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mi nm a n y s a f e p r o t e c t i o na n dp r o d u c t i o nm a n a g e m e n tr a n g e sh a sb e e na l la t t r a c t i v et o p i ci nr e c e n t y e a r s f o rl a s tt e ny e a r s ，v i d e os u r v e i l l a n c et e c h n o l o g yh a se n t e r e dt h ed i g i t a le r a f r o me a r l ys i m u l a t i o ne r ai np a c ew i 也t h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e r , n e t w o r k i m a g ep r o c e s s i n g ，c o m m u n i c a t i o nt r a n s m i t t i n g ，a u t o m a t i ct e c h n o l o g y , e t c f o r 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 ti si n e v i t a b l et or e p l a c et h et r a d i t i o n a l s i m u l a t i o ns u r v e i l l a n c es y s t e ms o o n e ro rl a t e r , b e c a u s eo fi t sg o o da n t i - i n t e r f e r e n c e c a p a c i t ya n ds t a b i l i t y , c o n v e n i e n c et os y s t e ms e t t i n g r u pa n de x p a n s i o nc o m p a r e dw i t h t h el a t e r 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 mh a sg r e a ta n t i i n t e r f e r e n c e c 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 de a s yt oe x t e n d t h et a s ko ft h i st h e s i si st oc o n s t r u c tap l a t f o r mo fw e bv i d i c o nt r a n s m i s s i o n m o d u l eb a s e do nv x w o r k s a n da c c o m p l i s ht h e t h et r a n s p l a n to fv x w o r k s i n a d d i t i o n ，t h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nw e bv i d i c o nt r a n s m i s s i o nm o d u l ea n d p ci st a l k e da b o u t ，a sw e l la st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nw e bv i d i c o n t r a n s m i s s i o n m o d u l ea n dd s p f i r s t ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n so ft h e v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m ，t h es t r u c t u r eo ft h ew e bv i d i c o ns y s t e ma n dt h e c o n f i g u r a t i o no ft h ew e bv i d i c o nt r a n s m i s s i o nm o d u l e s e c o n d ，i td e s c r i b e st h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ev x w o r k s 5 5a n dt h ef u n c t i o n so ft h et o r n a d 0 2 2i d e t h e ni t t e l l st h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h ew e bv i d i c o nt r a n s m i s s i o nm o d u l e ，i n c l u d i n gt h e f u n c t i o n so fe a c hp a r t f o l l o w e dt h i si st h ed e t a i l so ft r a n s p l a n t i n gv x w o r k st ot h e p l a t f o r m ，i n c l u d i n gr e c o m p o s i n gt h ec o n f i g u r a t i o nf i l e so ft h eb s p , a n dt h ew r i t i n g t h ed e v i c ed r i v e r i nt h ee n d ，t h i st h e s i sd e s c r i b e sh o wt oc o m m u n i c a t ew i t hp c t h r o u g hn e t w o r ka n dh o w t oc o m m u n i c a t ew i t l ld s pt h r o u g hh p i t h i st h e s i si sap a r to ft h ep r o j e c t - t h en e t w o r kc a m e r ab a s e do nt h ee m b e d d e d r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，w h i c hi sf u n d e db yt i a n j i nm u n i c i p a ls c i e n c ea n d t e c h n o l o g yc o m m i s s i o n t h ev x w o r k s5 5a n dt h et o r n a d 0 2 2i d ea r ed o n a t e db y w i n d r i v e ri n c k e yw o r d s ：t h ev i d e os u r v e i l l a n c e ，e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，v x w o r k s b s p ，s o c k e t s ，h p i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在譬师指导下进行的研究工作和取镘的 舞究成果，除了文中特剃蕊戳标注和致谢之憝井，论文中不包岔葵链人已经发表 或撰写过的研究藏采，也不包含为获缛蠢涟基茎一或其翘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贯献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学经论文终者签名：害紫寝签字翻麓：2 。够年月。霹 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨生盘璺有关保窝、使用学位论文的规定。 特授权。鑫洼盘茎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，势采蠲影印、缩窜或翘攒等复制手段保存、汇编以供查凝和僚阅。同意学校 自嗣家有关部门或枫构邀交论文的复印俘移磁擞。 ( 保密的学彼论文在解密后适用本授权说明) 目 举谴论文作者签名：孥霄氰 导籁签名：参锄q 签字日期：弘世年，月l r 日 签字日期：f 年2 月i r 曰 第一章网络传输模块概述 第一章网络传输系统概述 1 1 视频监控系统综述 1 1 1 视频监控系统的应用与发展 视频监控以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于安保、生产管理等场 合，成为金融、商业、交通乃至住宅、社区等领域安全防范监控的重要手段，它 为这些行业的安全防范和环境监控起到了不可忽视的作用。 视频监控系统大致经历三个发展阶段： 模拟视频监控系统。 主要由摄像机、视频矩阵、监视器、录像机等组成，利用模拟视频线将来自 摄像机的视频连接到监视器上，利用视频矩阵主机，采用键盘进行切换和控制， 采用长时间录像机记录数据，数据存储在磁带上。 传统的模拟视频监控系统技术发展已经非常成熟、性能稳定，在实际工程应 用中得到了广泛应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛，但是 它是将现场的信息采用模拟信号进行传输监控，存在着很大的缺陷。首先，模拟 信号传输距离有限；其次，模拟信号占用通信线路较大，而且开放性较差：再次， 模拟信号很容易受干扰，不能实时传输；另外，维护管理复杂，没有良好的用户 操作界面，非专业人员无法正常操作；最后，对每个监控中心都需配置一套监控 设备，且信息存储方式是利用录像带、磁带等设备，这些存储设备成本较高。 数字化视频监控系统。 由p c 机、视频卡、监控软件组成，其前端设备与模拟监控系统相同，所不 同的是通过视频卡将模拟信号数字化，在p c 上实现多画面显示、切换、控制、 录像、录像回放等功能。 基于p c 的视频监控系统终端功能较强，便于现场操作。但是稳定性不好， 可靠性不高，p c 机也需专人管理，特别是在环境或空间不适宜的监控点，这种 方式不理想。从其本质分析来看，它只能算是数字视频录像机( d v r ) 或硬盘录 像机。 网络数字视频监控系统。 由前端设备、网络视频服务器、客户端三个部份组成，是基于局域网城域 网互联网( i n t e r n e t ) 的新一代远程网络数字视频监控系统。系统把摄像头输出 的模拟视频信号通过视频编码器直接转换成数字信号，嵌入式视频编码器具各视 第一章网络传输模块概述 频编码处理、网络通信、自动控制等强大功能，直接支持网络视频传输和网络管 理，使得监控范围达到前所未有的广度。连接在网络中的任何一台电脑，只需安 装了客户端软件，并授予合法身份和权限就可成为监控系统的终端。 网络数字视频监控系统克服了以往监控系统的局限性：首先，数字化了的视 频可以在计算机网络( 局域网或广域网) 上传输，基本上不受距离限制，信号不易 受干扰，可大幅度提高图像品质和稳定性：其次，网络数字视频监控系统利用了 计算机网络，可复用网络带宽，无须重复布线，系统扩展非常简单；另外，系统 的硬件功能单一、是专门设计的独立的设备，不像插卡系统那样受通用计算机系 统中其它软件、硬件的影响，因此性能上更稳定，且便于安装、维护。 1 1 2 系统构成 本课题就是针对第三代网络数字视频监控系统进行开发的，在嵌入式实时操 作系统v x w o r k s 的基础上开发了网络数字视频监控系统，实现了前端一体化、视 频数字化、监控网络化、系统集成化。 整个网络数字视频监控系统总体分为三个大的模块，前端数据采集和图像压 缩模块、中间基于嵌入式操作系统的图像信息传输模块以及后端基于p c 的图像 再现模块，如图卜1 所示。 监控系统的前端也就是数据采集和压缩模块，可以将一路视频信号进行采 集，量化，压缩，通过互联网以单播或多播方式传送出去，前端还可以加入模式 识别，实现自动报警或检测。该模块采用图像传感器对数据进行采集，然后将数 据传送到d s p 单元，由d s p 对图像数据进行j p e g 压缩，将压缩后的数据传递给 图像传输模块。图像传感器采用o m n i v i s i o n 公司的彩色数字图像传感器0 v 6 6 2 0 。 0 v 6 6 2 0 功能非常完善，不仅完成模数转换，而且具有自动曝光、自动增益控制、 自动白平衡、伽马校正、消除拖尾效应等功能，可以调节图像的亮度、对比度、 饱和度、输出图像窗口大小等。d s p 采用t i 公司的数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 ，它具有高度并行的算术逻辑单元( a l u ) 、特殊的硬件逻辑、片内 存储器以及额外的片内外围设备。专用的指令集操作灵活，运算快速。独立的程 序空间和数据空间允许对指令和数据的并行访问，并且可以在数据内存和程序内 存间传送数据。这些特点使处理器可以方便地实现各种算法、逻辑、位操作、中 断管理、重复操作及函数调用。软件方面涉及的内容有静态图像压缩技术j p e g 快速算法的实现，d s p 的软件开发环境c c s ，f p g a 的开发环境m a x + p l u si i 技该环 境下的硬件描述语言v h d l 。 基于嵌入式操作系统的图像信息传输模块主要是负责将压缩以后的图像信 息通过网络传送给基于p c 的视频监控单元，其中包括嵌入式操作系统v x w o r k s 第一章网络传输模块概述 的移植。该模块使用三星公司的$ 3 c 4 5 1 0 b 微控制器对网络传输单元进行控制， 并且在其上使用风河公司提供的嵌入式实时操作系统v x w o r k s 实现网络数据传 输的功能。其中$ 3 c 4 5 1 0 b 微控制器是韩国三星公司设计的一款基于a r i v l 7 t d m i 核的1 6 3 2 位微控制器。该芯片集成度高、功耗低、通用性强，而且它内部集成 有以太网控制器，主要应用于基于以太网通信的嵌入式系统中。而系统中使用的 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的应用在通信、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。 后端基于p c 的图像再现主要是负责从网络接收传输模块发送的压缩图像文 件，实现图像再现功能。这部分工作主要是在p c 机上实现的，使用v i s u a ls t u d i o c + + 6 0 完成图像再现的设计。 每个监控系统的前端都有一个指定i p 地址，连接在互联网上的有合法授权 的任何一台电脑都可以作为监控终端，通过指定i p 地址对一个或多个监控点进 行实时监控，接收报警和检测信号，也可以对选定的前端进行云台和摄像头的动 作进行控制。监控系统前端采集的视频数据可以由监控终端来存储，也可以设置 专门的存储服务器作为整个系统的核心部分，承担对监控信息资料的存放、检索、 管理和回放的工作。 1 2 网络传输系统概述 网络传输系统就是指网络视频监控系统中的基于嵌入式操作系统的图像信 息传输模块。这部分模块涉及到硬件平台的搭建以及软件传输功能的实现，基本 上组成了一个小的传输系统。该模块是视频监控系统的中间模块，是前后两个模 块的桥梁，起到衔接这两个模块的作用。由此，网络传输系统模块( 这部分整体 框图如图卜1 中基于嵌入式操作系统的网络传输模块部分所示) 又可以根据不同 的功能简单地分为三个小的部分：首先是基于嵌入式操作系统v x w o r k s 的网络传 输平台的搭建，其次是跟前端数据采集和压缩模块的通信，最后是与后端图像再 现模块的通信。 基于嵌入式操作系统v x w o r k s 的网络传输平台的搭建是网络传输体系的重 点和难点，它主要包括网络传输平台硬件的搭建，也就是以$ 3 c 4 5 1 0 b 为主微控 制器，外加串口、网口以及存储器的嵌入式操作系统的硬件平台的搭建，以及嵌 入式网络传输平台的移植，包括v x w o r k s 在硬件平台上b s p 的移植以及串口和网 口程序的添加和调试等。 跟前端数据采集和压缩模块的通信，主要是和进行数据处理的d s p 之间的 第一章网绍传输模蚨概进 的移植。该模块使用三星公司的s 3 c 4 5 1 0 b 微控制器对网络传输单元进行捧制， 并且在其上使用风河公司提供的嵌入式实时操作系统v x w o r k s 实现网络数据传 输的功能。其中8 3 c 4 5 1 0 b 微控制器是韩国三星公司设计的一款基于a r m 7 t d m i 核的1 6 3 2 位微控制器。该芯片集成度高、功耗低、通用性强，而且它内部集成 有以太网控制器，主要应用于基于以太网通信的嵌入式系统中。而系统中使用的 操作系统v x w o r k s 是一个运行在目标机上的岛性能、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的应用在通信、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。 后端基于p c 的图像再现主要是负责从网络接收传输模块发送的压缩图像文 件，实现图像再现功能。这部分工作主要是在p c 机上实现的，使用v is 1 l a ls t u d o c + + 6 0 完成图像再现的设计。 每个监控系统的前端都有一个指定i p 地址，连接在互联网上的有合法授权 的任何一台电脑都可以作为监控终端，通过指定i p 地址对一个或多个监控点进 行实时监控，接收报警和检测信号，也可以对选定的前端进行云台和摄像头的动 作进行控制。监控系统前端采集的视频数据可以由监控终端来存储，也可以设置 专门的存储服务器作为整个系统的核心部分，承担对监控信息资料的存放、检索、 管理和回放的工作。 1 2 网络传输系统概述 网络传输系统就是指网络视频监控系统中的基于嵌入式操作系统的图像信 息传输模块。这部分模块涉及到硬件平台的搭建以及软件传输功能的实现，基本 上组成了一个小的传输系统。该模块是视频监控系统的中间模块，是前后两个模 块的桥梁，起到衔接这两个模块的作用。由此，网络传输系统模块( 这部分整体 框图如图卜l 中基于嵌入式操作系统的网络传输模块部分所示) 又可以根据不同 的功能简单地分为三个小的部分：首先是基于嵌入式操作系统v x w o r k s 的网络传 输平台的搭建，其次是跟前端数据采集和压缩模块的通信，最后是与后端图像再 现模块的通信。 基于嵌入式操作系统v x w o r k s 的网络传输平台的措建是网络传输体系的重 点和难点，它主要包括嘲络传输平台硬件的搭建，也就是以$ 3 c 4 5 1 0 b 为主微控 制器，外加串口、网口以及存储器的嵌入式操作系统的硬件平台的搭建，以及嵌 入式网络传输平台的移植，包括v x w o r k s 在硬件平台上b s p 的移植以及串口和网 口程序的添加和调试等。 跟前端数据采集和压缩模块的通信主要是和进行数据处理的d s p 之间的 跟前端数据聚集和压缩模块的通信主要是和进行数据处理的d s p 之间的 辣一章阿络黪翰蕊蟪黼缝 邋僖。主爱包括遐信方察的选择以及程序实现。 最蔷与猫端阁像再现模块的通信，实际上实现嵌入式操作系缆v x w b r k s 与 桌面操佧系统w i n d o , 删之间的通信，逶惦方式是采用嬲蠕通信，主要雹鼯弼络 通信的程序实现以及文件舔统的建立。 赠端转辘 咿 斌倍 擎台纳持键隅鳓确雠 广 、，九、r 、 k 、 数拱策壤瓢服缩模爝基于懿入式擞俸熏 滕德瓣t 匿缩攫鼹 缝瓣鞲褥熊输凝凝 隧悔戮璃漤墩 燃卜2 搠髂传输馋漂模蛾龉橇嘏麴 第二章嵌入式操作系统v x w o r k s 及其开发环境t o r n a d o 第二章嵌入式操作系统v x w o r k s 及其开发环境t o r n a d o 在网络摄像机传输体系中使用的嵌入式系统是由美国风河公司提供的嵌入 式操作系统v x w o r k s 5 5 ，本章将简单介绍一下v x w o r k s 实时操作系统的组件和 特点，及其集成开发环境的主要功能。 2 1 嵌入式系统 嵌入式系统一般指非p c 系统，操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统 之中。简单的说就是系统的应用软件与系统硬件一体化，类似与b i o s 的工作方 式。具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点。特别适合于要求实时的 和多任务的体系。一般来说硬件部分包括处理器微处理器、存储器及外设器件 和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件( o s ) ( 要求实时和多 任务操作) 和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序 控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 2 。2v x w o r k s 5 5 操作系统简介 2 2 1v x w o r k s s 5 操作系统特点 v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式 实时操作系统( r t o s ) ，是嵌入式开发环境的关键组成部分。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。 目前的v x w o r k s 5 5 操作系统具有如下一些主要的特点： 系统可裁剪性。 可根据具体应用定制系统，使系统对资源的需求最小，利用率最高。v x w o r k s 由一个体积很小的内核及一些可以根据需要进行定制的系统模块组成。v x w o r k s 内核最小为8 k b ，即便加上其它必要模块，所占用的空间也很小，且不失其实 时、多任务的系统特征。由于它的高度灵活性，用户可以很容易地对这一操作系 统进行定制或作适当开发，来满足自己的实际应用需要。 实时性。 v x w o r k s 的实时性做得非常好，其系统本身的开销很小，进程调度、进程 第二章嵌入式操作系统v x w o r k s 及其开发环境t o r n a d o 问通信、中断处理等系统公用程序精练而有效，它们造成的延迟很短。v x w o r k s 提供的多任务机制中对任务的控制采用了优先级抢占( p r e e m p t i v ep r i o r i t y s c h e d u l i n g ) 和轮转调度( r o u n d r o b i ns c h e d u l i n g ) 机制，也充分保证了可靠的 实时性，使同样的硬件配置能满足更强的实时性要求，为应用的开发留下更大的 余地。 较好的兼容性。 v x w o r k s 系统运行环境支持多种硬件平台，具有较好的兼容性，可以用于所 有的流行的c p u 平台，如m o t o r o l a6 8 k 、i n t e l c y r i x a m d x 8 6 、m i p s 、i n t e li 9 6 0 、 a r m 等。 支持应用程序的动态链接和动态下载，应用程序各模块可分别编译、 下载、动态链接，方便易用。 具有丰富的网络协议栈，特别适合于网络应用的相关场合。 2 2 2v x w o r k s 操作系统结构 v x w o r k s 操作系统是一种功能比较强大而且比较复杂的系统，它主要包括微 内核w i n d 、网络支持、文件系统和i o 管理、c + + 和其他标准支持等核心功能。 v x w o r k s 只占用了很小的存储空间，并可以高度裁减，保证了系统能以较高的效 率运行。图2 - 1 为v x w o r k s 5 5 嵌入式实时操作系统的基本结构示意图。 图2 - lv x w o n s 5 5 操作系统基本结构 高性能的微内核 处于v x w o r k s 5 5 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、中断操作、抢占式和时间片轮转任 务调度等。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。 运行环境也提供了有效的任务间通信机制，允许独立的任务在实时系统中与 其它任务相协调。开发者在开发应用程序时可以使用多种任务间通信机制：用于 第二章嵌凡武撵惨燕境v * w a 6 ：s 及其开发环境t o r t , a d o 麓荦数据旗辜酶燕事蠹誊，阕于糨制关键繇统资源的信号缀，用予单c p u 的多 镪务润信慰交换酌消息鼠剿、管邋和套按字，用于网络通信的远程过程调阁，蠲 于处理异常事件的信号等。 摄级支持包b s p 是运行的任何固标扳都需要的。b s p 对各种板子的硬件功能提供了统一的接 口，它包括溪粹搦始纯、中繇的产生和处瑷、硬件时钟和计时器管理、局域相总 线内存地址映射、内存分配等等。壕个扳级支持锟都包括个r o m 启动( b o o ( r o m ) 或菸他商动机制。 i 0 系统 碱弘鼢5 。5 操佟系统瓣供了一个与标准a n s i = c 兼容豹u o 系统，包括与 u n 兼密的缓冲f o 和与p o s i x 兼容的异步i o 。v x w o r k s 5 + 5 操怍系统包括多 车中驱动程序，如瞬潜接口、键盘接囝、屡瑟嚣鬻揍西、s c s i 接岛、i d e 接盈、鼢捌 盘游，可支持对多种外设的访问。 文件系娩 v x w o r k s 5 5 澡柞系统中的文件系统并不与设备或设铸驱动程序绑定，一个 设备可同任何文件系统相涟，用户也霹自定义标礁接口的文 孛系缆。v x w o r k s 5 5 操作系统提供了针对实时应用丽忧纯的文件系统，包括支持使用块设备和支持使 用字符设镶的本地文件系蠛。v x w o r k s 5 。5 操作系统支持的文件系统包括： d e s f s ( 兼蜜m s - d o s ) 、r t | 1 f s 潆释l i n u x 操作系统) 、m w f s 、t a p e f s ( s c s i 顾净 文件系筑) 、e d r o m f s ( 支持访阀标准s c s i 接口的c d - r o m ) 等。 网络掷议栈 v x w o r k s 5 5 操作系统提供对熟它系统和t c p g i p 网络系统的“透明”访问， 瓣缀与b s d 套接字激容的镳翟接四、远程过程调用( r _ p c ) 、s n 湘f p 、远程文件访 问簿。v x w o r k s 5 5 操作系统中的网络主要有三种类型：标准审行线路网络 ( s l i p ) 、标准姒太网和基于背板瀚按事海存飘终，黔鸯翁v x w e r k s 蕊络缀件帮 遵循标准的l n t e m e l 协议。 v x w o r k 5 。5 擞依蕊统遥提供了丰富的网络协议栈，使樽利用v x w o r k s 5 5 操 作系统实现可靠的网络互激、嗣络功能的二次开发也容易嶷现，其支持的网络协 议枝包括：b s d 4 。4 、t c p f i p 、i o m p 、a r p 、s l i p 、c s i p 、p p p 、b o o t p 、d n s ， d h c p 、f t p 、盯1 臀等。 虑撤走纛管理 v x v m i 为带露m m u 的西标授提供了虚拟内存机制。v x m p 提供了共事信 号爨，消息队列和在不同处理器之阗的共事内存隧城。 7 簿= 颦嵌入式操作系统v x w o r k $ 及其开发环境t o r n a d o 2 3t o r n a d 0 2 2 爨成开发环境介绍 t o r n a d 0 2 2 集成开发环境是嵌入式实时领域墨最耨一代翡开发调试环境，是 实域嵌入式实对应用程窿鲍完整豹软 牛开发平台。在嵌入式系统开发过程中，对 于避行嵌入式操作系统和应爝程序的硬件平台称为目标系统，对于运行 t o r n a d 0 2 2 集成开发环境的计算机称为主机。t o r n a d 0 2 2 集成开发环境包含三个 高度集成的部分： 运行在主机和疆栎系统上的强有力的交叉开发工具和实爝稷序，它可以 帮韵管理帮梅建工程，并组织和管理主辊与叠栎系统溺的通信、运行、 调试霸监视v x w o r k s 5 5 操作系统豹疲用程序； 运行在茸标系统上的高性能、可裁剪的v x w o r k s 5 5 实时操作系统； 连接主机和目标系统的多种通讯方式，如：以太网，串口线，i c e 或r o m 仿真器等。 t o r n a d o 开发环境瑟向各种霹标规拜境，不论耳标极是资滚丰富的还是资滚 受鼹豹。t o r n a d o 工其主要在主祝端执章亍，并韶远臻蠢标杌共事基于主枫的动态 镶接器和符号表。图2 - 2 照示了t o r n a d o 主要的主机组件接口与髑标机闻的关系。 通过目标服务器和目标机代理来实现在主机工具和v x w o r k s 问的通信。 h 0 8 丌s w 8 t e m t a r g e l s y s t e m 图2 - 2t o r n a d o 开发环境 g 第二章嵌入式操作系统v x w o r k s 及其开发环境t o r n a d o 2 3 1t o r n a d 0 2 2 交叉开发环境 t o r n a d o 是嵌入式实时领域里最新一代的开发调试环境。t o r n a d o 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。t o m a d o 包含三个高度集成的部分：运行在宿主机和目标机上的强有力的交叉开发工具和 实用程序；运行在目标机上的高性能、可裁剪的实时操作系统v x w o r k s ；连接宿 主机和目标机的多种通讯方式，如：以太网，串口线，i c e 或r o m 仿真器等。 t o r n a d 0 2 2 交叉开发环境中的开发工具主要在主机上运行，并和目标系统共 享基于主机的动态链接器和符号表。通过目标系统服务器和目标系统代理程序， 可以实现运行在主机的工具和运行在目标系统上的v x w o r k s 5 5 操作系统间的通 信。有多种方式可以把目标系统与主机相连，但通常的连接方式是以太网或串口 连接方式。 t o m a d o 交叉开发环境在开发过程中通过增量加载功能把应用程序模块分别 加载到目标系统上的v x w o r k s 5 5 操作系统中。因为没必要把整个应用程序全部 链接起来，所以每次只须下载较少的程序，从而可以缩短开发周期。同时，应用 程序模块在编译时不必链接到运行系统库，或相互链接。这样做的好处是可以节 省大量重复调用的子程序，极大的减小了应用程序模块的在目标系统上所需的存 储空间。当应用程序模块在目标系统上的v x w o r k s 5 5 操作系统中运行时，通过 每个模块里的符号表来动态调用运行系统库。 t o r n a d o 维护一个完整的驻留主机的目标机符号表。这个符号表是可以增加 的，当下载每个目标模块时服务器同时把符号合并到符号表里。在检查变量，调 用子程序，生成任务，反汇编内存中的代码，设置断点，跟踪子程序调用等等操 作执行的过程中都要用到原来的符号名。 2 3 2v x w o r l s 目标机环境 完整的v x w o r k s 操作系统包含在t o r n a d o 中，v x w o r k s 包括一个支持中断 驱动、基于任务优先级调度算法的多任务内核。该操作系统还支持p o s i x 接口、 任务间通信、网络、文件系统和其它一些功能。目标机也包含一些类似t o r n a d o 主机上工具的工具：如驻留目标机s h e l l ，符号表，动态链接器。在某些情况下， 最终的应用也需要驻留目标机的工具。( 详细内容请参考2 2 节。) 2 3 3t o r n a d 0 2 2 主机集成开发环境 t o r n a d o 是专门为解决嵌入式开发人员所面临的诸多问题而设计的。对于不 同的目标机，t o r n a d o 给开发者提供一个一致的图形接口和人机界面。当使用 t o r n a d o 的开发人员转向新的目标机时，不必再花费时间学习或适应新的工具： 第二章嵌入式操作系统v x w o r k s 及其开发环境t o r n a d o 对深嵌入式应用开发者来说更重要的是，t o r n a d o 所有的工具都是驻留在开发平 台上的。在嵌入式系统工具发展历史上，t o r n a d o 是第一个实现了当目标机资源 有限时开发工具仍可使用而且功能齐全的开发环境。另外，所有工具都通过一个 目标服务器( t a r g e ts e r v e r ) 处理与目标机的通讯。所以无论连结方式是e t h e m e t ， 还是串口线、i c e 仿真器、r o m 仿真器或客户设计的调试通道，所有工具均可 使用。t o r n a d o 工具集包括： e d i t o r ：编辑器，处理文本，编辑代码； p r o j e c t ：工程管理器，用于组织、配置和构建v x w o r k s 应用工程； c o m p l i e r ：采用g n u 编译器，提供了完整的工具链，支持c c + + ； w i n d s h ：与目标机进行交互的命令( c ，t c l 语言) 解释工具； c r o s s w i n d ：系统和任务级调试工具，可以调试c 、c + + 以及汇编程序； b r o w s e r ：详细查看任何目标系统对象、内存、堆栈和c p u 占用率； w i n d v i e w ：分析实时软件的逻辑分析仪，可视化工具： v x s i m ：目标机仿真器，用主机来模拟目标操作系统。 1 编辑器 t o r n a d o 的编辑器具有标准文本编辑能力以及如下的三个功能：彩色高亮c 和c + + 语法中的关键字、预处理开关和注释等；与调试器集成的功能，即在编辑 器窗口中可以跟踪代码的执行；与编译器集成的功能，即将编译的信息连接到相 应的文件编辑窗口。因为编辑器与调试器集成在一起，编辑器在调试过程中也自 动与程序执行同步。 2 工程管理器 工程管理器是t o r n a d o 集成开发环境中的一个关键组成部分，主要用于组 织、配置和构建v x w o r k s 的应用工程。它可以创建可下载到v x w o r k s 操作系统 的应用程序，也可以创建生成v x w o r k s 映像的可引导工程，并且根掘需要对 v x w o r k s 进行功能配置，以及当目标系统启动时创建可链接到v x w o r k s 映像的 应用程序等等，提供图形化和自动化的机制。 3 编译器 t o r n a d 0 2 2 主机集成开发环境提供交叉编译环境、i o s t r e a m s 类库和一系列的 工具来支持c 语言和c + + 语言。交叉编译器进行了许多优化，允许开发者能够 迅速产生高效而简洁的代码。 t o r n a d 0 2 2 主机集成开发环境提供对c + + 全面的支持，包括：异常事件处理、 标准模板库( s t l ：s t a n d a r dt e m p l a t el i b r a r y ) 、运行类型i 只另i ( r t t i ：r u n t i m et y p e i d e n t i f i c a t i o n ) 、支持静态构造和析构的加载器、c 十+ 调试器，保证了工具与开发 环境紧密地结合在一起。 1 0 第二章嵌入式操作系统v x w o r k s 及其开发环境t o r n a d o 4 命令行执行工具( w m d s h ) t o m a d 0 2 2 主机集成开发环境中的命令行执行工具w i n d s h 是其所独有的功 能强大的命令行解释器，可以直接解释执行c 语句表达式、调试目标系统上的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( 一种脚本语 言) 。 w i n d s h 不仅可以解释几乎所有的c 语言表达式，而且可以实现重要的符号 表调试功能，包括下载应用程序模块、刨建并发起新任务、设置断点、单步调试， 查看内存和堆栈检查。 5 c r o s s w i n d 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，支持多个目标系统同时调试。 结合了图形方式和命令行方式是c r o s s w i n d 最大的特点。在c r o s s w i n d 中普 通的调试方式，例如断点设置和程序执行控制可以通过便捷的点击方式来实现。 同样，程序显示框和数据侦察窗也提供了一个直接的可视窗口来观察应用程序中 最关键的一部分。另外对于更为复杂的调试，c r o s s w i n d 也提供了命令行的方式 来调用它提供的各种命令。 6 浏览器( b r o w s e r ) b r o w s e r 是t o r n a d o w i n d s h 的一个图形化组件，其主窗口提供目标系统的全 面状态，也允许开发者监视独立的目标系统对象，如任务、信号量、消息队列、 内存分区、定时器、模块、变量、堆栈等。这些显示还可以根据开发者的选择进 行周期性或条件性更新。 7 诊断分析工具( w i n d v i e w ) 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 系统硬件上实际的应用程序运行的详细情况。这种系统级的诊断分析工具可以与 集成仿真器v x s i m 一起使用。 嵌入式系统开发者经常因为无法知道系统级的执行情况和软件的时间特性 而感到失望，这种全功能版本的w i n d v i e w 提供了可以运行在实际目标系统和集 成仿真器上的v x w o r k s 应用程序的详细的动态行为，图形化显示了任务、中断 和系统对象相互作用的复杂关系。 8 集成仿真器( i n t e g r a t e ds i m u l a t o r ) 这种集成仿真器v x s i m 支持c r o s s w i n d 、w i n d v i e w 和b r o w s e r , 提供与真实 目标系统一致的调试和仿真运行环境。 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、目标系统硬件的情况下，使用t o r n a d 0 2 2 主机集成开发 第二章嵌入式操作系统v x w o r k s 及其开发环境t o r n a d o 环境迅速开始开发工作