（通信与信息系统专业论文）基于wince的视频无线传输系统的研究与实现.pdf

摘要 随着通信和计算机技术的飞速发展，“后p c 时代”已经来临，人们对信息的获取已经不再局限 丁文字和声音，而对视频i 玺| 像有了更高的要求。本课题旨在实现局域网范围内的视频信息的点对点 无线传输，住不便布线而义需要采集图像的场合加以麻用。 该系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分采用a r m 微处理器作为控制器，通过选择合适外围 苍片，实现了外围电路的扩展，视频采集模块为中星微摄像头，无线传输模块采用高速无线网卡。 软件部分操作系统采用m i c r o s o l r 公司的w i n c e ，该操作系统采用模块化设计，简单实用。操作系统 按照需要使用p l a t f o r mb u i l d e r 定制，需要添加对图像和无线局域网的支持。通过程序设计，实现对 像头的开启。初始化，采集，关闭等控制操作，并使用r t p 协议将采集到的数据发送的p c 端，在 p c 端使川了多线样技术接收视频图像，对其进行解码、显示。 系统设计完成后，在实验室内进行了初步的测试，在无障碍物的空旷环境、上位机和下位机在 5 0 米的范围内，分辨率为3 2 0 2 4 0 时，得到了较为流畅的视频效果，丢帧现象较为少见，基本达 到了系统设计目标的要求。 关键词：视频传输；嵌入式系统iw i n c e ；a r m ； r t p a b s t r s c t a st h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , “l a t e rp ct i m e ，l i c o m e p e o p l e w a n tt ok n o wm o r ei n f o r m a t i o n , n o to n l ya u d i oa n dt e x t , b u ta l s ov i d e o t e l e v i s i o ni sv e r yp o p u l a r , b u tv i d e o t r a n s m i s s i o ni nl o c a la r e ai sr a r e t h i sp r o j e c ti st od e a lw i t ht h i sp r o b l e m , t od e s i g nas y s t e mw h i c h t r a n s m i t sv i d e os i g n a lw i r e l e s s l yi nl o c a la r e a i tw i l lb eu s e di na r e aw h e r ei sd i f f i c u l tt op a v ew i r e sb u t n e e dt oa c q u i r ev i d e os i g n a l t h i ss y s t e mi sc o m p o s e do fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e a r mp r o c e s s o ri su s e da st h ec o n t r o l l e ro ft h e s y s t e m b yc h o o s i n gp r o p e rc h i p w ed e s i g n 卸e m b e d d e ds y s t e m a c q u i d n gv i d e o d e v i c ei sv i m i c r o c a m e r a , w h i c hi sv e r yp o p u l a ro nt h em a r k e t w i r e l e s st r a n s m i s s i o nd e v i c ei sw i r e l e s sn e t w o r kc a r d ，t h e t r a n s m i t t i n gs p e e do fw h i c hi s5 4 mi nn oo b s t a c l ee n v i r o n m e n t o p e r a t i o ns y s t e mi sw i n d o w sc e ，w h i c hi s m i c r o s o f t sp r o d u c t i o n i ti sd e s i g n e db a s e do nm a n ym o d u l e sa n dv e r ye a s yt ou s e ，1 1 1 eo p e r a t i o ns y s t e m c a nb ec u s t o m e dw i t hp l a t f o r mb u i l d e rb a s e do nd e m a n d s 。i nt h i sp r 西e e l , w es h o u l d a d dm o d u l e s s u p p o r t i n gp i c t u r ea n dl o c a lw i r e l e s sn e t w o r k t h ep r o g r a mr u n n i n go i lt h ea r mb o a r dc a no p e nt h e c a m e r a , i n i t i a t ei l a c q u i r ep i c t u r e s e n dm j p e gv i d e ot op cw i t hr e a lt i m ep r o t o c 0 1 1 1 佗p r o g r a mr u n n i n g o nt h ep ca c c 硐u f f st h ev i d e os i g n a lb ym u l t it h r e a dt e c h n o l o g y , d e c o d et h ev i d e os t r e a ma n ds h o wi to nt h e c o m p u t e r a f t e rd e s i g n i n g , w ed oae l e m e n t a r yt e s to nt h es y s t e m i ft h ed i s t a n c eo fa r mb o a r da n dp ci sn o t s u r p a s s5 0m e t e r sa n dt h ee n v i r o n m e n th a sn oo b s t a c l e ，r e s o l u t i o nr a t i oi s3 2 0 x 2 4 0 ，w ec a l lt r a n s m i tt h e v i d e of l u e n t l y , a n dl o s tf l a m ei sv e r yl i t t l e s oic 柚s a yt h es y s t e mr e a c h st h ep r i m a r yd e m a n d k e yw o r d s ：v i d e ot r a n s m i s s i o n ；e m b e d e ds y s t e m ；w i n c e ；a r m ；r t p n 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写 过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明并 表示谢意 作者签名：摩1 司熊 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在解密后 适用本规定 嚣黼签名疡，司搜导鬈 鼢缘 创新点摘要 1 、搭建了系统的软硬件开发平台：系统的视频采集及无线传输部分要求在嵌入式软硬件平台上 实现，根据系统的具体要求，设计了一个基于a r m 9 微处理器的开发板，并定制了专用的操作系统 平台，实现了摄像头和无线网幸的自动启动，完成了具体的程序编制r 丁作，实现了嵌入式平台与外 同致器的连接，前保i 止了整个系统延行的稳定性_ 葶ij 可靠性。 2 、实现了观频幽像的实时采集和无线传输：系统通过摄像头采集来自现场的视频图像，然后使 用两块无线网导葩a r m 开发板与上位机之间构建一个无线局域网络，使用r t p 协议将实时视频数 据传输到主机端。 1 1 1 大庆石油学院顾1 研究生学位论文 引言 监控系统对于人们来说并不陌生，在商场、超市等大型的公共场所随处可见，但是 此类装置大部分都是通过缆线传输模拟信号的设备，对于难于布线的场所无疑是个难 题。本设计就是针对此种状况，开发了一个基于w i n c e 操作系统的传输数字视频信号的 装置，实现了在局域网范围内的无线传输，为解决近距离的视频采集与传输提供一种可 行的方法。 1 绪论 现实生活中，嵌入式的应用无处不在。从2 0 世纪7 0 年代的单片机到今天各种各样 的嵌入式处理器、控制器，嵌入式应用已经有了近3 0 多年的发展历史。但是，嵌入式 系统这个概念还是最近几年才出现的。嵌入式系统一般指非p c 系统，它是与常见的 微型机系统和专用的大型、小型机系统相对而言的。嵌入式系统一般不以独立的设备或 装置的形式出现，而是将自己隐藏在各种设备和装置的内部。根据主体设备和装置的需 要，发挥起运算、处理、存储和控制的作用。 1 1 嵌入式系统 嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适 应于应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【2 】。嵌 入式系统一般包括硬件和软件两部分。软件部分包括操作系统( 一般要求实时多任务操 作系统) 和应用程序。简单地说，嵌入式系统就是应用软件与系统硬件的一体化。 1 1 1 嵌入式系统的发展阶段 它的发展可以分为以下四个阶段： 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制系统，它的出现使得汽车、家电、工业机 器人、通信装置等产品可以通过内嵌电子装景来获得更佳的使用性能，更易使用、速度 更快、价格更低。这一阶段系统的主要特点是：结构和功能相对单一、效率较低、存 储容量较小，只能执行一些单线程的程序。但出于这种系统使用简单、价格便宜，在工 业领域中应用较为普遍。 第二阶段是以嵌入式中央处理器( c p u ) 为基础，以简单操作系统为核心的嵌入式系 统。这阶段系统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性较弱，系统开销小，操作系统 只有低度的兼容性和扩展性，应用软件较为专业，用户界面不够友好。这种嵌入式系统 绪论 的主要任务是用来控制系统负载，以及监控应用程序的运行。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是： 嵌入式操作系统能够运行于各种不同类型的处理器之上，内核开销小、效率高、模块化 程度高，具有高度的模块化和可扩展性：可以提供多任务、多进程、多线程管理；具有 文件和目录管理功能；具有图形窗口和用户界面等功能：具有大量的应用程序接口；开 发程序简单，并且嵌入式应用软件丰富。 第四阶段是以网络应用嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统，这一阶段以网络的大 量应用为标志，并呈现出多种形态，是一个正在迅速发展的阶段。炉别是随着无线网络 的不断发展，嵌入式系统必将在社会生产、生活的各个方面发挥更大、更重要的作用。 1 1 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统和通用型计算机系统相比具有以下特点： 1 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式系统的设计和开发必须要考虑特定 环境和系统的要求，而它也只需要满足一个特定环境和系统的要求。这与通用型计算机 系统的设计有很大的不同吲。 2 嵌入式系统是将先进的计算机技术、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。这一点就决定了它的设计和开发要将软件和硬件技术相结合，特 别是要对计算机系统的底层技术整合。而且，它还要将应用开发和特定行业特点以及特 定应用领域相结合。这些都决定了嵌入式系统是一个发散的、技术密集的和应用广泛的 系统。 3 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，力争在 相同的资源条件下实现更高的性能，只有这样，它才能完成特定系统的高要求。 4 嵌入式系统将软件、硬件和具体应用及行业特点有机地结合在一起。这使它的 升级换代也是一体的，所以嵌入式系统的产品生命周期一般比计算机系统长。 5 为了提高系统的执行速度和可靠性，嵌入式系统的软件一般都固化在存储器芯 片或单片机中，而不是存储在外加的磁盘等载体中。 1 2 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统的重 要组成部分。嵌入式操作系统具有操作系统的基本特点，能够有效管理复杂的系统资源， 完成进程管理、处理器调度、存储管理、设备管理、中断处理等操作系统任务。它通常 包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标 准化浏览器等软件模块。嵌入式操作系统能够把硬件虚拟化，使碍开发人员从繁忙的驱 动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。与 通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时性，硬件的相关依赖性、软件固态化 人庆“油学院坝h 卅究生学位论丈 以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 1 2 1 嵌入式操作系统的特点 1 可定制性 因为嵌入式系统环境的要求，嵌入式操作系统一般需要提供可添加或可裁剪的内核 及其它功能，能够让用户根据需要自行进行配置。 2 。可移植性 因为目前的嵌入式微处理器种类很多，每种微处理器都有其市场，所以嵌入式操作 系统要支持尽可能多的微处理器，这样才能使用户具有硬件选择的灵活性。为了做到操 作系统的可移植性，操作系统在硬件支持方面通常采用硬件抽象层( h a l ) 和板级支持包 ( b s p ) 的结构设计方法。 3 实时性 实时性是嵌入式系统环境的现实要求。不满足一定的实时性，嵌入式操作系统就无 法应用到一些环境中去。 4 低资源占有性 低资源占有性也是嵌入式系统的要求。相对其他计算机而言，嵌入式设备一般都配 置少量的r a m 、频率较低的微处理器、很小的永久存储空间甚至没有。系统资源少的 特点决定了嵌入式操作系统必须尽可能地减少资源占有率。现在，最小的嵌入式操作系 统内核只有几百k b 大小，而且在运行期间，内核能够通过一系列手段释放内存，使应 用程序和其他软件得到更多的运行空间。 1 2 2 常见的嵌入式操作系统 1 v x w o r k s 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f 4 】。它具有高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域 占有重要地位。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、 航天等精尖技术及实时性要求极高的领域中。 2 p a l m o s p a l m0 s 是由p a l m 公司开发、应用在p d a 上的操作系统。自最早版本1 o 在1 9 9 6 年3 月随p a l m 公司的p d a 产品p i l o t1 0 0 0 以来，p a l m o s 不断出新版本，在p d a 操作 系统上市场占有率位居前列。 p a l mo s 提供可用性很强的a p i ，使得任何人都可以开发基于p a l mo s 的应用程序 在i n t e m e t 上也发布了很多免费的应用程序，丰富的可用资源是p a l mo s 风靡全球的一 个重要原因。 绪论 3 嵌入式l i n u x 在l i n u x 进入嵌入式系统之后，市场格局发生了很大变化，很多用户使用l i n u x 作 为嵌入式系统的开发原型1 5 1 。它的开发性是其它操作系统无法比拟的，任何人都可以获 得嵌入式l i n u x 的源代码，其衍生的所有嵌入式操作系统也是如此，这使开发者可更好 地利用自己的平台和经验【6 】。 4 w i n d o w sc e n e t w i n d o w sc e 是m i c r o s o f t 公司1 9 9 7 年发布的应用在p d a 等设备上的嵌入式操作系 统。1 9 9 8 年，装有中文版w i n d o w sc e 操作系统的手持设备面世 7 1 。这几年，w i n d o w sc e 在p d a 操作系统市场中份额逐年上升。 w i n d o w sc e 不同于以往的w i n d o w s 系列产品。它是一种基于组件的操作系统1 8 9 1 ， 各功能模块可方便地裁减，使系统变得很紧凑，系统运行所需的设备也就很少。 1 3 本论文的工作和论文内容安排 本论文研究和设计了一个嵌入式系统，该系统实现了在局域网范围内的视频图像的 点对点无线传输。主要工作如下： ( 1 ) 研制嵌入式系统硬件丌发平台 系统的整个视频采集部分要求在嵌入式软硬件平台上实现，我们根据系统的具体要 求对硬件进行定制，设计了一个基于s a m s u n g 公司a r m 9 系列的s 3 c 2 4 1 0 嵌入式微处理器的 开发板，为其配置y 4 m 的n o rf l a s h ，6 4 m 的n a n df l a s h ，6 4 m 的d r a m 。并向外扩展了电 源复位、串口、u s b 、键盘等一系列的功能模块。 ( 2 ) w i n c e 操作系统的定制 我们根据系统的具体要求，使用内核定制工具p l a t f o r mb u i l d e r ( 简称p b ) ，向目 标平台添加基本的操作系统特性，以使它能够完成基本的控制任务，而且还向目标平台 中加入外部设备的驱动程序和一些附加的设置。并在此基础上进行调整，从而更快地定 制出适合需要的目标操作系统平台。 ( 3 ) 应用程序开发 下位机使用e m b e d d e dv is u a lc + + ( 简称e v c ) 编写图像的采集和传输程序，上位机 使用v c + + 丌发视频数据的接收和显示程序。 论文内容安排如下： 第一章介绍嵌入式系统定义、发展阶段、特点，嵌入式操作系统的特点，常见的 嵌入式操作系统。 第二章介绍了嵌入式操作系统w i n d o w sc e n e t 的设计目标、特点和开发功能， w i n c e 的丌发平台p l a t f o r mb u i l d e r 的丌发特性，定制了视频无线传输所需要的操作系 统，导出了程序设计所需的操作平台。 第三章围绕a r m 处理器，设计系统的硬件平台。 4 人庆油学院硕i d | 宄生学位论史 第四章研究传输协议。 第五章开发视频图像的采集、传输和接收。 最后，总结了全文，得出结论。 2 嵌入式操作系统w i n d o w sc e 及其定制 2 嵌入式操作系统w i n d o w sc e 及其定制 w i n d o w sc e n e t 是目前市场上比较常见的嵌入式操作系统，它是由微软公司发布 的。它是一个3 2 位、多线程、多任务的操作系统”1 ，体系结构采用独立于通常的程序设 计语言并且和w i n d b w s 兼容的a p i 的方式，这样就可以保障w i n d o w sc e n e t 的组件化 和r o m 化，充分适应有限的存储空间和各种不同芯片的要求。w i n d o w sc e n e t 是模块 型的操作系统。这意味着可选择、组合和配置w i n d o w sc e n e t 的模块和组件来创建用 户版的操作系统。 w i n d o w sc e n e t 虽然发布了才短短几年，但是迅速占据了很大一部分市场份额“”。 w i n d o w sc e n e t 的成功，一方面是因为微软强大的市场营销和推广能力，以及微软在 w i n d o w s 操作系统市场的成功：另一方面，w i n d o w sc e n e t 在结构设计上的合理性、先 进性，适合嵌入式系统的应用系统开发，也是其取得成功的重要因素。w i n c e 的模块化 结构图如下： 互霸 巫 核对赢矿、 。 g w e s 通竺 臣画圃臣戛困 图2 1w i n d o w sc e 模块化结构图 2 1w i n d o w sc e n e t 的设计目标和特点 从产品角度讲，w i n d o w sc e n e t 的设计目标就是为嵌入式开发人员提供强大的支持 能力，便于进行开发；另外就是针对原始设备制造商，使得他们能够构建资源受到限制 的小型手持式设备以及个人信息管理设备。根据m i c r o s o f t 客户平台部的高级副总裁 c r a i gm u n d i e 的说法，就是使嵌入式开发人员能够将“当今个人电脑复杂的软件环境扩展 到嵌入式的世界。” w i n d o w sc e n e t 操作系统通过简化的丌发工具实现了更高的开发人员生产力，并且 使得原始设备制造商和嵌入式丌发人员能够更快地将产品推向市场，并能满足：特殊的嵌 6 大庆石油学院硕士研究生学位论文 入式设备的要求。 2 1 1 设计目标 从功能设计角度讲，w i n d o w sc e n e t 的设计综合了一般操作系统和嵌入式操作系统 的设计目标埘，为满足各种嵌入式系统环境的要求而确立了自己的设计目标。其设计目 标主要包括以下方面： 1 适应小型系统，为低成本、弱计算能力系统提供简捷、高效、完善的控制手段。 嵌入式系统一般资源有限，所以w i n d o w sc e n e t 在设计目标上就要求它一定是较 小的。新版的w i n d o w sc e n e t 操作系统只需要5 0 0 k b 的内存就可以全部装下，而内核 只需2 0 0 k b 的运行空间。 同时，w i n d o w sc e n e t 又具备完善的控制手段。比如，它提供如任务调度、同步机 制、中断处理、文件处理等控制手段。 2 支持多种处理器和计算机结构，并支持多种设备接口。 3 支持高要求的实时设计，提供可靠的内核操作系统服务。 4 操作系统各部分模块化，可选择特性定制，以适应r o m 并以最佳的方式使用内 存。 5 为应用提供网络通信、图形用户界面、数据库、文件等支持。 6 提供高级电源管理。 2 1 2 特点 根据以上目标，微软对新版的w i n d o w sc e n e t 操作系统进行了设计，它具备以下 特点l l l l ： 1 具有灵活的电源管理功能，包括睡眠唤醒模式。 2 使用了对象存储技术，包括文件系统、注册表及数据库。它还具有很多高性能、 高效率的操作系统特性，包括按需换页、共享存储、交叉处理同步、支持大容量堆等。 3 拥有良好的通信能力。广泛支持各种通信硬件，亦支持直接的局域连接以及拨 号连接，并提供与p c 、内部网以及i n t e m e t 的连接，还提供与w i n d o w s 9 x n t 的最佳集 成和通信。 4 支持嵌套中断。允许更高优先级的中断首先得到响应，而不是等待低优先级的 i s r 完成。这使得该操作系统具有嵌入式操作系统所要求的实时性。 5 更好的线程响应能力。对高级别1 s t ( 断服务线程) 的响应时间上限的要求更加 严格，在线程响应能力方面的改进帮助开发人员掌握线程转换的具体时间，并通过增强 的监控能力和硬件的控制能力帮助他们创建新的嵌入式应用程序。同时，w i n d o w s c e n e t 也提供了可靠的内核操作系统服务，这是用来支持设备所必不可少的。w i n d o w s 2 嵌入式操作系统w i n d o w sc e 及其定制 c e n e t 平台的实时性能已经在许多工厂实践中得到了验证。 6 2 5 6 个优先级别。可以使得开发人员在控制嵌入式系统的时序安排方面有更大的 灵活性。 7 出色的图形界面。它具有基本m i c r o s o f t i n t e m e te x p l o r e r 的i n t e m e t 浏览器，此 外，还支持t r u e t y p e 字体。开发人员可以利用丰富灵活的控件库在w i n d o w s c e n e t 环 境下为嵌入式应用建立各种专门的图形界面。w i n d o w sc e n e t 还能支持诸如手写体和声 音识别、动态影像、3 d 图形等特殊应用。 8 具备多任务处理能力。在w i n d o w sc e n e t 中，用户可以按照所熟悉的w i n d o w s 操作方式进行操作。比如在打开p o c k e tw o r d 进行编辑文档时，可同时打开音乐播放程 序听音乐。这是因为w i n d o w sc e n e t 具有多任务处理能力，它可以同时执行多个任务， 并在任务之间进行切换。 9 具备内置的多媒体处理功能。w i n d o w s c e n e t 内置了m e d i a p l a y e r 播放器，可 以播放通用的多媒体影音光盘或文件，如m p 3 、d v d 、v c d 等。 同时，w i n d o w sc e n e t 又为新一代的智能移动设备进行了优化。这些设备需要丰富 的网络功能，严格的实时要求、小的内存占用以及强大的多媒体和w e b 浏览能力【12 1 。 例如个人数字助理( p d a ) 、s m a r tp h o n e 、w e b 便笺簿以及机顶盒和住宅网关等设备。这 些构建在w i n d o w sc e n e t 上的设备使得用户可以远程身份验证、授权、管理以及更新 应用程序和操作系统服务。通过对个人域网络( p a n ) 、局域网络( l a y ) 及宽域网络( w a n ) 广泛的无线支持包括b l u e t o o t h 和8 0 2 1 1 ，嵌入式设备可以随时随地保持连接状态。 另外，通过本地或网络的安全性，这些设备产生、消费、存储和传输的数据也能保证安 全。 从应用开发的角度讲，w i n d o w sc e n e t 主要通过遵循w i n d o w s 平台的应用开发规 范i l 习：提供w i n 3 2 a p i 等手段，使在桌面系统上大量开发人员的知识和经验能够迅速地 应用到w i n d o w sc e n e t 的开发上来，从而加速w i n d o w sc e n e t 的应用程序开发速度。 2 2 操作系统的定制 2 2 1p l a t f o r mb u i l d e r 简介 p l a t f o r mb u i l d e r 是微软提供给w i n d o w sc e n e t 开发人员进行基于w h l d o w sc e n e t 平台下嵌入式操作系统定制的集成开发环境。它提供了所有进行设计、创建、编译、测 试和调试w i n d o w sc e 。n e t 操作系统平台的工具。它运行在桌面w i n d o w $ 下，开发人员 可以通过交互式的环境来设计和定制内核、选择系统特性，然后进行编译和调试。同时， 开发人员还可以利用p l a t f o r mb u i l d e r 来进行驱动程序开发和应用程序项目的开发等。 p l a t f o r mb u i l d e r 的强大功能，已使其成为w i n d o w sc e n e t 平台下嵌入式操作系统开发和 定制的必备工具。 大庆石油学院烦l 研究生学位论文 具体来说，p l a t f o 咖b l i i l d e r 提供的主要开发特性包括： 1 平台丌发向导( p i a t f o 舢w i z a r d ) 和b s p 丌发向导( b s pw i z a r d ) 。开发向导用来引 导丌发人员去创建个简单的系统平台或b s p ( 主板支持软件包) ，然后再根据要求进一 步地修改。开发向导提高了平台和b s p 创建的效率。 2 基础配置。为各种流行的设备类别预置的可操作系统基础平台，为自定义操作 系统的创建提供了一个起点。开发人员可以很容易地定制并编译出一个具备最基本功能 的操作系统，然后再在其上进行后续的修改。 3 特性目录( c a t a l o g ) 。操作系统可选特性均在特性目录中列出，开发人员可以选择 相应的特性来定制操作系统。 4 自动化的依靠性检查。特性( f e a t u r e ) 之间的依赖关系是系统自动维护的。开发人 员在选择一个特性时，系统会自动将这一特性所依赖的特性加上；反之，当删除一个特 性时，系统会自动检测是否已经选择了依赖于它的其他特性，如果有，系统会给出提示， 通知开发人员这一特性现在不能删除。 5 系统为驱动程序丌发提供了基本的测试工具集w i n d o w s c e n e tt e s t k i t ( 测试工具 包1 。 6 内核调试器，可以对自定义的操作系统映像进行调试，并且向用户提供有关映 像性能的信息。 7 导出向导( e x p o r t w i z a r d ) ，可以向其他p l a t f 0 册b u i l d c r 用户导出自定义的目录特 性。 8 导出s d k 向导( e x p o as d kw i z a r d ) ，使用户可以导出一个自定义的软件开发工 具包( s d k ) ，即可以将客户定制的s d k 导出到特定的开发环境中去。这样开发人员就可 以使用特定的s d k 写出符合特定的操作系统平台要求的应用程序。 9 远程工具，可以执行同基于w i n d o w sc e n e t 的目标设备有关的各种调试任务和 信息收集任务。 1 0 仿真器( e m u l m o r ) ，通过硬件仿真加速和简化了系统的开发，使用户可以在开 发工作站上对平台和应用程序进行调试，大大简化了系统开发流程，缩短了开发时间。 1 1 应用程序调试器，可以在自定义的操作系统映像上对应用程序进行调试。 1 2 提供了对n e tf r a m e w o r kc o m p a c te d i t i o n ( 即n e t 平台精简框架) 的支持。 w i n d o w s c e n e t 一般应用于特定的嵌入式系统中，在许多情况下，不但需要向目标 平台添加基本的操作系统特性，以使它能够完成基本的控制任务，而且还要向目标平台 中加入外部设备的驱动程序和一些附加的设置。但是，对于一些通用性较强的嵌入式系 统，微软都为其特别定制了专用的操作系统，。开发者可以利用这些特定的操作系统， 并在此基础上进行调整，从而更快地定制出适合需要的目标操作系统平台。 9 2 嵌入式操作系统w i n d o w sc e 及其定制 2 2 2 操作系统的定制过程 由于w i n c e 操作系统采用模块化结构设计，所以我们在定制操作系统时只需要根据 设计需要添加相应的模块就可以- j - t ”】。定制操作系统的整体过程如图2 2 所示： 图2 2 操作系统定制流程图 定制平台之前首先要导入硬件平台的b s p ( 板级支持包) ，b s p 里面包含了硬件平台 的驱动和操作系统所需的应用软件，不同的板子b s p 有所不同，这里面使用了 s m d k 2 4 1 0 ，它是由s u m s a n g 提供的。 定制操作系统还要依据不同的处理器选择相应的a r m 版本，由于我们使用的是 s 3 c 2 4 1 0 处理器，它是a r m 9 2 0 t 内核，属于a r m v 4 i 版本，所以这里要选择a r m v 4 i 版本。 接着按照向导的提示依次向下进行，直到完成为止。这要要特别注意，由于我们要采用 8 0 2 1 l g 无线网卡构建无线局域网，所以在这里要添加对无线网络的支持。由于我们设 计的是嵌入式系统，资源有限，所以对系统的定制要掌握一个原则，就是在功能保证完 备的情况下，尽可能的减小内核的尺寸，以节省资源。 依据向导执行结束后，还要手工添加一些应用程序，在下图所示的c a t a l o g 目录里 面选择必要的应用程序模块。 o 大庆缶油学院坝辨t 生学位论义 图2 3 添加组件 这里我们要使用e m b e d e dv i s u a lc + + 编写应用程序，所以要添加m f c 。要调试设备， 还要添加u s b 的支持，键盘鼠标的支持等等，所有模块添加结束之后，设定好环境，就 可以编译了该操作系统了。 系统的整个编译过程如下： 1 、系统生成阶段( s y s g e np h a s e ) 在编译过程的第一阶段，集成开发环境( i d e ) 依照所添加的特性设置环境变量。编 译系统使用这些变量去连接相应的静态数据库到模块里面。编译系统过滤系统的头文 件，系统模块的引入库也在这个阶段产生。经过过滤的头文件和引入库组成了s d k 。在 系统生成阶段的后期，b s p 就被建立。 2 、特性编译阶段 在特性编译阶段，所用用户特性( 包括平台编译工程文件、d i r s 文件、源代码文件 和m a k e f i l e s m a k 文件) 都被编辑和编译。 在编译平台之前，要解析所有的特性，也就是选择确定的特性，如果你的平台编译 器遇到了未解析的特性组，特性解析对话框就回弹出，需要选择一个合适的关联特性。 环境变量和行为是基于每个工程的，也就是你在一个工程中设置的环境变量不会影 响另一个工程的环境变量，而在其他的编译阶段，变量是全局定义的。 3 、发布目录复制阶段 在这个阶段当中，编译系统复制创建操作系统所需要的所有文件到r e l e a s e 文件夹当 2 嵌入式操作系统w i n d o w sc e 及其定制 中。在系统生成阶段创建的模块和文件首先被复制到这个文件夹当中，紧接着在把特性 编译阶段所生成的文件复制到r e l e a s e 文件夹当中。 4 、生成映像阶段( m a k ei m a g e ) 在生成映像阶段，在r e l e a s e 文件夹当中的文件被合并进n k b i n 当中。在这个阶段 的丌始部分，与工程相关的文件，包括p r o j e c t b i b ，p r o j e c t d a t ，p r o j e c t r e g ，p r o j e c t d b 被复 制到r e l e a s e 文件央当中。一会儿，在o u t p u t 窗口当中就会出现每个模块和文件的信息。 通过u s b 下载n k b i n ，下载完毕后，w i n c e 将会自动启动。启动后界面如图2 4 所 示。 图2 4 定制成功的操作系统 为了给e v c 编程提供平台的支持，在这里需要导出创建平台的s d k ( s o f t w a r e d e v e l o p m e n tk i t ) 。 2 3 本章小结 该系统的下位机是一个集视频采集和传输于一体的嵌入式系统，它的操作系统选用 了现在市场上较为普及的w i n d o w sc e ，该系统符合微软的操作习惯，用过w i n d o w s 的 设计人员比较容易接受。本章首先介绍了嵌入式系统的设计目标和特点，接着对p b 做 了简要的介绍，最后使用p b 定制了该设计所需要的操作系统，为接下来的设计打下了 基础。 1 2 人庆杠油学院坝i 研究生学位论且： 3 系统的硬件设计 第一章中提到嵌入式系统一般包括硬件和软件两部分。硬件包括微处理器、存储器、 外部设备和i o 端口、图形控制器等。最核心的是微处理器。微处理器通常是单片机或 微控制器，它有8 位、1 6 位或3 2 位等不同类型，本课题所使用的是3 2 位a r m 微处理 器。 3 1 嵌入式微处理器 嵌入式处理器一般具有以下4 个特点【】6 j ： 1 对实时多任务操作系统具有很强的支持能力。能够实现多任务并且有较短的中 断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时问减少到最低限度。 2 集成度高。嵌入式系统的处理器一般工作在特定用户设计的系统中，它具有低 功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用处理器中许多由板卡和辅助设备完成的任 务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计的小型化。 3 具有功能很强的存储区保护功能。由于嵌入式系统的软件结构一般为模块化， 为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时 也有利于软件故障诊断。 4 低功耗。由于有些嵌入式系统的移动性要求，使它不可能具备长时间不问断的 电源供应，这一点对于便携式的无线及移动的计算和通信设备尤其明显。所以，对于先 进的嵌入式微处理器，它需要的功耗在r a w 甚至“w 级。 图3 1 嵌入式处理器分类 3 系统的硬件设计 如图3 1 所示，一般可以将嵌入式处理器分成4 类，即嵌入式微处理器 ( m i c r o p r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 、嵌入式微控s j j 器( m i e r o c o m r o l l e ru n i t ，m c u ) 、嵌入式d s p 处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 和嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。 3 2a r m 微处理器 3 2 1a r m 简介 a r m ( a d v a n c e dr j 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 对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。a r m 微处理器，已遍及工业 控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于a r m 技 术的微处理器设备约占据了3 2 位r i s c 微处理器1 1 7 1 7 5 以上的市场份额，a r m 技术 正在逐步渗入到我们生活的各个方面。a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计 开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可，由合 作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微 处理器芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用a r m 公司的授权。 因此既使得a r m 技术有更多的第三方工具、软件的支持，又使整个系统成本降低，使 产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。 3 2 2a r m 处理器的特性 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写) 嵌入式处理器是一种高性能、低功耗的r i s c 芯片。它由英国a r m 公司设计，世界上几乎所有的主要半导体厂商都生产基于a r m 体系结构的通用芯片，或在其专用芯片中嵌入a r m 的相关技术。目前a r m 芯片广泛 应用于无线产品、p d a 、g p s 、网络、消费电予产品、s t b 及智能卡。在2 0 0 1 年，基 于a r m 内核的处理器年产量突破5 亿个，市场份额超过了7 5 ，已经成为业乔的龙头。 a r m 是精简指令集计算机o u s c ) ，其设计实现了外型非常小但是性能高的结构。 a r m 处理器结构的简单使a r m 的内核非常小，这样使器件的功耗也非常低。它集成 了非常典型的r i s c 结构特性： 1 一个大而统一的寄存器文件。 2 装载保存结构，数据处理的操作只针对寄存器的内容，而不是直接对存储器进 行操作。 3 简单的寻址模式，所有装载保存的地址都只由寄存器内容和指令域决定。 4 统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码。 此外，a r m 体系结构还提供： 1 4 人庆“油学院坝i 研究生学位论文 1 每一条数掘处理指令都对算术逻辑单元( a l u ) 和移位控制器起作用，以实现对 a l u 和移位器的最大利用。 2 地址自动增加和减少的寻址模式实现了程序循环的优化。 3 多寄存器装载和存储指令实现最大数据吞吐量。 4 所有指令的条件执行事项最快速的代码执行。 这些在基本r i s c 结构上增强的特性使a r m 处理器在高性能、低代码规模、低供 耗和小的硅片尺寸方面取得良好的平衡。 3 2 3a r m 处理器的工作模式 a r m 支持7 种工作模式，如表3 ，1 所示 表3 1r i s c 处理器的7 种运行模式 处理器模式 描述 用户模式正常程序执行的模式 快速中断模式用于高速数据传输和通道处理 外部中断模式用于通常的中断处理 特权模式 供操作系统使用的一种保护模式 数据访问中止模式实现虚拟存储和存储保护 未定义模式支持硬件协处理器的软件仿真 系统模式用于遥行特权级的操作系统任务 变更工作模式可以由软件控制，也有可能是由于外部事件或中断触发的。大部分用 户程序运行于u s e t 模式。 a 脚9 2 0 t 是a r m 9 t d m i 系列微处理器之一，具有哈佛缓存结构，主要用于：全存 储器管理、高性能和低功率都重要的多道程序应用。a r m 9 2 0 t 支持a r m 调试结构， 包含硬件调试和软件调试的辅助逻辑，并支持协处理器，能输出跟随简单握手信号的指 令和数据总线。微处理器是系统的核心，控制着系统内其它部分的正常工作。 3 2 4a r m 微处理器的应用领域 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： 1 工业控制领域：作为3 2 的r i s c 架构，基于a