（通信与信息系统专业论文）基于arm和dsp硬件平台的实时图像处理系统.pdf

北京邮电大学颈士学位论文 基于a r m 和d s p 硬件平台的实时图像处理系统 摘要 现代信息技术的迅猛发展，使得图像处理方面的研究和应用，尤 其是实时图像处理引起了更广泛的关注。h 2 6 4 视频压缩标准作为 i n j - t 和i s o i e c 共同提出的新一代视频压缩标准，可以提供更高的 压缩性能。在编码效率、抗误码能力、网络适应性等方面表现出超越 以往各标准的优势，如在相同视觉感知质量上，能够比h 2 6 3 节约 5 0 左右的码率。 h 2 6 4 优越性能的获得是以计算复杂度的大大增加为代价的。为 了使h 2 6 4 标准能够广泛的应用到更多领域，t i 公司专门设计了d m 系列的d s p 处理器，其具有如下特点：高速的运算能力，高速的数 据传送，大容量的数据存储器，灵活专用的视频接口等。但是，d s p 相对简单的片外接口和控制能力，大大限制了其在一些领域的应用。 本设计正是结合了1 1 公司的d m 6 4 2 的优秀图像处理能力和三星公司 的a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 1 0 的主机控制能力，完成图像的实时处理系统。 针对某些领域中对图像实时监控及数据备份的要求，本设计对摄 像头采集的图像进行两方面的处理：一是将摄像头采集到的图像在 d s p 内经h 2 6 4 压缩后，由主机a r m 通过d s p 的i - i p i 口读取，并 经u s b 接口存储到u s b 存储设备上去；二是将压缩后的码流通过 d m 6 4 2 的片上集成网口和p c 机进行网络传输，由p c 端的视频解码 程序对传送过来的数据进行解码，获取图像，实现网络摄像机的功能。 论文分别详细的论述了以上两个功能设计和实现，并对结果进行 了分析。 关键词：d m 6 4 2 $ 3 c 2 4 1 0 h 2 6 4 h p i 网络视频监控 北京邮电大学硕士学位论文 r e a l - t i m ei m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mb a s e d o n a r m a n d d s p a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to f m o d e mi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h er e s e a r c h e sa n d a p p l i c a t i o n so fi m a g ep r o c e s s i n g ，e s p e c i a l l yr e a l - t i m ei m a g ep r o c e s s i n gc a t c hg r e a t i n t e r e s t sf r o ma l lo v e rt h ew o r l d t h ei t u - ta n di s o f l e cw o r kt o g e t h e rt oc o n s t i t u t e an e wh 2 6 4v i d e oc o m p r e s ss t a n d a r d , a n di tp r o v i d e ss i g n i f i c a n t l yb e t t e rv i d e o c o m p r e s s i o ne f f i c i e n c yt o g e t h e r 、聃t ht h ee n h a n c e da b i l i t yo fe r r o rr e s i l i e n c ea n d n e t w o r ka d a p t a t i o n f o re x a m p l e ，a tas a m ev i s i o nq u a l i t yl e v e l ，h 2 6 4c a ni m p r o v e 5 0 c o m p r e s se f f i c i e n c yt oh 2 6 3 ， t h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo fh 2 6 4i sa tt h ec o s to ft h ei n c r e a s eo f c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y i no r d e rt 0w i d e l ya p p l yh 2 6 4s t a n d a r dt om o r ea r e a s 1 1 d s pp r o c e s s o rs p e c i a l l yd e s i g n e df o rt h ed ms e r i e s ，w i t ht h e f o l l o w i n g c h a r a c t e r i s t i c s ：h i g h s p e e dc o m p u t i n gc a p a b i l i t y , h i g h - s p e e dd a t at r a n s m i s s i o n ， h i g h c a p a c i t yd a t as t o r a g e t h ef l e x i b i l i t yo fd e d i c a t e dv i d e oi n t e r f a c e h o w e v e r , t h e r e l a t i v e l ys i m p l ei n t e r f a c ea n dc o n t r o lc a p a b i l i t i e so fd s pc h i pg r e a t l yl i m i tt h e i r a p p l i c a t i o ni nal o to fa r e a s t h ep r o j e c tc o m p l e t et h er e a l t i m ei m a g ep r o c e s s i n g s y s t e mf o rt h ec o m b i n a t i o no ft id m 6 4 2 so u t s t a n d i n gi m a g ep r o c e s s i n gc a p a b i l i t y a n ds a m s u n ga r m 9c h i p $ 3 c 2 4 1 0m a i n f r a m ec o n t r 0 1 i nv i e wo fc e r t a i na r e a so ft h ei m a g er e a l t i m em o n i t o r i n ga n dd a t ab a c k u p r e q u i r e m e n t s ，i nm yd e s i g n , t h ec a p t u r e di m a g e sf r o mc a n l e r aa r ep r o c e s s e di nt w o w a y s ：f i r s t , t h ec a m e r ai m a g ep r o c e s s i n gi nd s pv i ah 2 6 4c o m p r e s s i o n ，a n da r m r e a dd a t at h r o u g ht h eh p io fd s p , a n dt h e nm a k es t o r a g et ou s bd e v i c e s e c o n d ，t h e c o m p r e s s e db i ts t r e a mt r a n s m i t st h r o u g ht h en e t w o r ki n t e r f a c ei n t e g r a t e di nd m 6 4 2 c h i pt op cm a c h i n e s p cd e c o d e st h ed a t as e n to v e rb yt h ev i d e od e 虻州i n gp r o c e s st o o b t a i ni m a g e so f t h ec a m g f a t h i sp a p e rd i s c u s s e si nd e t a i lt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t h et w of u n c t i o n s ， a n da n a l y z e st h er e s u l t s k e yw o r d s ：t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ；$ 3 c 2 4 1 0 ；h 2 6 4 ；h p i ；n e tv i d e o s u r v e ill a n c e m 北京邮电大学硕士学位论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期闻论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 日期： 北京邮电大学硕士学位论文 1 1 嵌入式系统概述 1 1 1 嵌入式系统的定义 第一章绪论 嵌入式计算系统( e m b e d d e d c o m p u t i n g s y s t e m ) 是指以应用为中心，计算机技 术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、 功耗等有严格要求的专用计算机系统：主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌 入式操作系统及应用软件系统等组成嵌入式系统是执行专用功能并被内部计算 机控制的设备或者系统。它一般不使用通用型计算机，而且运行的是固化的软件， 用术语表示就是固件( f i r m w a r e ) ，终端用户很难或者不可能改变固件，操作系统 和应用软件集成于计算机硬件系统之中，即系统的应用软件与系统的硬件一体 化。嵌入式系统具有软件代码少、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于 要求实时和多任务处理的情况。 1 1 2 嵌入式系统的特点 与通用型计算机系统相比，嵌入式系统功耗低、可靠性高：功能强大、性能 价格比高；实时性强，支持多任务；占用空间小，效率高；面向特定应用，可根 据需要灵活定制。嵌入式系统应用十分广泛，可以说在现代工作生活中无处不在。 带有g p s 系统的汽车、智能化的手机、数码相机、p d a 或者智能卡等等都嵌有 它们，人们在与汽车、电梯、厨房设备、电视、录像机以及娱乐系统的嵌入式系 统交互时也往往对此毫无觉察。嵌入式系统可用于移动计算平台( p d a 、掌上计 算机) ，信息家电( 数字电视，机顶盒、网络设备) ，无线通信设备( 智能手机、 股票接收设备) ，工业商业控制( 智能工控设备、p o s a t m 机) ，电子商务平台， 甚至军事应用等诸多领域，它们只是复杂程度、应用目标不同而已。表1 1 和1 2 对嵌入式系统和p c 做了一个较详细的比较。 嵌入式计算机系统设计不同于桌面计算机系统设计的一个方面在于：嵌入式 系统非常受限于功能和具体的应用环境，如对外部事件必须保证在规定对间内进 行响应，有体积、重量的限制，功率预算、散热必须符合环境要求，需要令人满 意的安全性、可靠性，系统本身的成本需求等，其特点具体来说： 1 ) 实时响应揉作。实时系统操作不仅要得到正确的结果，而且对结果的时 延有着明确的限制，有时需要计算最坏情况下的性能。在复杂系统中估计最差情 北京邮电大学硕士学位论文 况比较困难，所以经常导致过于悲观的估计。“信号处理系统”、“紧急任务处理 系统”就是典型的实时性要求很强的系统。事件本身可能是周期性的，或非周期 性的。周期性的事件要保证系统有足够性能来响应，而对于非周期事件，我们必 须估计最大事件到达率来应付最坏情况。 表1 1 嵌入式系统和p c 的硬件部分比较 嵌入式系统p c 机 c p u ( i n t e | 的p e m i u m 、 c p u 嵌入式处理器( a r m ，m i p s 等) a m d 的a t h l o n 等) 内存s d r a m 芯片s d r a m 、d d r 内存条 存储设备f l a s h 芯片硬盘 输入设备按键、触摸屏 鼠标、键盘 输出设备 l c d显示器 声音设备音频芯片声卡 接口m a x 2 3 2 等芯片主板集成 其它设备u s b 芯片，网卡芯片主板集成或外接卡 表1 2嵌入式系统和p c 的软件部分比较 嵌入式系统p c 机 b o o t l o a d e r 引导，针对不同电路板主板的 引导代码 进行移植b i o s 引导，无须改动 w i n c e 、v x w o r k s 、l i n u x 等，需 操作系统w i n d o w s 、l i n u x 等，不需要移植 要移植 每个设备驱动都必须针对电路板 操作系统含有大多数驱动程序， 驱动程序进行重新开发或移植，一般不能 或从网上下载直接使用 直接下载使用 协议栈需要移植操作系统包括，或第三方提供 开发环境借助服务器进行交叉编译在本机就可开发调试 仿真器需要不需要 2 1 体积和重量。有些嵌入式系统是安装在飞机或一些手提式便携设备上， 重量和体积可能是很重要的考虑因素。 3 1 安全性和可靠性。系统会面临着出错的可能。严重的人为操作失误、设 备的受损都将导致嵌入式计算机系统出错。我们可以通过双机冗余备份或分布式 交互协议来保证某设备出错后整个系统继续工作，其挑战是最小冗余的低成本系 统的可靠性。 4 ) 复杂的应用环境。很多嵌入式系统工作环境是不可控的，特别是热、振 动、冲击、光、电源抖动、水腐蚀、火等。 5 1 产品生产成本的敏感度。虽然对嵌入式计算机系统有着迫切的需求，成 本仍然是极其重要的考虑因素。无论系统大小，大家对成本都同样关心，但是他 2 北京邮电大学硕士学位论文 们对变化的反应却有极大的分别。可能一个较复杂大系统，为了产品更优秀而不 惜多花几百元。而一个微型系统可能对l 元的成本都会做出不同的决策，因为它 可能占整个设备成本相当大的百分比。嵌入式系统曾被专用和难懂的操作系统、 工具和应用程序所占据，现在，嵌入式设计却大大受益于开源( o p e a - s o u r c e ) 软件 ( 特别是l i n u x ) 的透明性和强大的功能。嵌入式l i n u x 正在这个嵌入式和普及 计算的世界中前进。 1 2d s p 概述 d s p 芯片，即数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。d s p 芯 片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流 水线操作，提供特殊的d s p 指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。 根据数字信号处理的要求，d s p 芯片一般具有如下的一些主要特点： 1 、多总线结构 微处理器内一般属于两种基本总线结构：冯诺曼结构或者哈佛结构。冯诺 曼结构取指令、取数据都是通过同一总线完成。因此必须分时进行，在高速运算 时，往往在传输通道上出现瓶颈效应。而d s p 内部采用的是哈佛结构，它在片 内至少有四套总线：代码的数据总线、代码的地址总线、数据的数据总线和数据 的地址总线。这种分离的程序总线和数据总线，可允许同时获取来自程序存储器 的指令字和来自数据存储器的操作数，互不干扰。有的d s p 片内还包括有其他 总线，如d m a 总线等，可在单周期内完成更多的工作。 2 、流水线 与其它种类的处理器相同，d s p 广泛采用流水线以减少指令执行时间，从而 增加了处理器的处理能力。要执行一条d s p 指令，需要通过取指令、译码、取 操作数、执行等几个阶段，d s p 的流水线结构是指它的这几个阶段在程序执行过 程中是重叠进行的，即在对本条指令进行取指令的同时，前面的三条指令已依次 完成译码、取操作数、执行的操作。正是利用这种流水线机制，保证d s p 的乘 法，加法以及乘累加可以在单周期内完成，这对提高d s p 的运算速度具有重要 意义，特别是当设计的算法需要连续的乘累加运算时。 3 、硬件乘法器 专用的硬件乘法器是d s p 的特征之一，硬件乘法器的功能是在单周期内完 成一次乘法运算。d s p 内还增加了累加器寄存器来处理多个乘积的合，而且该寄 存器通常比其他寄存器宽。这样保证乘累加运算结果不至于发生溢出同时，为 了充分体现专门的乘法累加硬件的好处，几乎所有的d s p 的指令集都包含有显 式的m a c 指令。 北京邮电大学硕士学位论文 4 、多处理单元 d s p 内部一般都包括多个处理单元，如a l u 、乘法器、辅助算术单元等。 它们都可在单独的一个指令周期内执行完计算和操作任务，而且往往同时完成。 这种结构特别适合于滤波器的设计，如f i r 和i i r 。这种多处理单元结构还表现 为在将一些特殊的算法做成硬件，如典型的f f t 的位翻转寻址和流水f i r 滤波 算法的循环寻址等。 而且大部分d s p 具有零消耗循环控制的专门硬件，使得处理器不用花时间 测试循环计数器的值就能执行一组指令的循环，硬件完成循环跳转和循环计数器 的衰减。这种功能在信号处理方面非常有用，很多数字信号处理算法中都有大量 的短循环，这种硬件可以提高循环的性能。 5 、外围设备 d s p 片内通常具有d m a 控制器、串行口、定时器等外设，所以用户通常只 需要外加很少的器件就可以构成自己的d s p 系统。d m a 控制器可以在不干扰 c p u 操作的前提下，由其专用的数据存取通道独立完成外围接口到片内存储器 之间的数据传输，从而构成片内的高速数据通道。大多数d s p 还支持i e e e l l 4 9 1 标准，用户通过j t a g 端口可对d s p 进行在线实时仿真。 1 3 课题背景及选题意义 数字图像处理技术的飞速发展使得所有图像处理的问题都可以用数字信号 处理的形式来解决，这为实时图像处理的应用提供了广阔的空间。首先，数字信 号处理中存在大量成熟的快速算法已经应用于图像处理中；其次，随着超大规模 集成电路的高速发展，d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 数字信号处理器的发展为 高速的实现信号处理、为达到系统的实时性提供了可能。这些发展都使得图像处 理技术广泛的运用于科学研究、工农业生产、资源的遥感探测、医疗卫生、空间 探索等各个领域。 h 2 6 4 标准是i t u t 和i s o i e c 共同发展的新的视频压缩标准，较以往其它 的标准而言，许多方面都做了改进，如统一的v l c 符号编码，高精度、多模式 的向量估计，基于4 x 4 块的整数变换、分层的编码语法等。这些措施使得h 2 6 4 算法具有很高的编码效率，在相同的重建图像质量下，能够比h 。2 6 3 节约5 0 左右的码率。h 2 6 4 的码流结构网络适应性强，增加了差错恢复能力，能够很好 地适应i p 和无线网络的应用。h 2 6 4 具有广阔的应用前景，例如实时视频通信， 因特网视频传输、视频流媒体服务、异构网上的多点通信、压缩视频存储、视频 数据库等。 h 2 6 4 优越性能的获得是以计算复杂度的大大增加为代价的。据估计，编码 4 北京邮电大学硕士学位论文 的计算复杂度大约相当于h 2 6 3 的3 倍，解码复杂度大约相当于h 2 6 3 的2 倍。 1 1 公司的d m 6 4 2 芯片能够满足h 2 6 4 的处理需求。但是，d s p 虽然具有高 速运算能力，相对简单的片外接口和控制能力，大大限制了其在一些领域的应用。 本设计正是结合了n 公司的d m 6 4 2 的优秀图像处理能力和a r m 9 芯片s 3 c 2 4 1 0 的主机控制能力，完成图像的实时处理系统。 针对某些领域中对图像实时监控及数据备份的要求，本设计对摄像头采集的 图像进行两方面的处理：一是将摄像头采集到的图像在d s p 内经h 2 6 4 压缩后， 由主机a r m 通过d s p 的h p i 口读取，并经u s b 接口存储到u 盘或移动硬盘上 去t 二是将压缩后的码流通过d m 6 4 2 的片上集成网口和p c 机进行网络传输， 由p c 端的视频解码程序对传送过来的数据进行解码，获取图像，实现网络摄像 机的功能。 1 4 本文的主要内容 本文在a r m 和d s p 的硬件平台上实现了两者的协同工作，可以实现数据 的实时传输，并且利用d m 6 4 2 对网口的支持初步设计了网络摄像机的功能。本 文的主要内容如下： 第一章介绍了课题背景及选题意义，并简要介绍了嵌入式系统的定义和特 点。 第二章介绍了该系统的硬件平台构造，包括a r m 主机单元和d s p 视频处 理单元两部分。 第三章介绍7 嵌入式l i n u x 操作系统及其交叉开发环境的构建。 第四章结合硬件原理图，针对a r m 端的嵌入式l i n u x 操作系统设计了 d m 6 4 2 芯片的h p i 口驱动，可以使d s p 处理的数据实时的由a r m 控制转存到 u s b 设备中。 第五章主要介绍了d m 6 4 2 系统板上的软件平台设计，包括d s p b i o s 内核 和任务调度，片级支持库( c s l ) ，设计中的相关驱动接口及网络附件n d k 。 第六章详细介绍了在d s p b i o s 基础上，基于h 2 6 4 视频标准的视频监控功 能的实现。 第七章是对目前工作的总结及确定下一步的工作方向。 北京邮电大学硕士学位论文 第二章硬件平台架构 2 1 硬件平台比较选择 嵌入式系统的软件开发工作是和底层硬件平台紧密相关的，首先就是要熟悉 位于核心的处理器芯片特点、指令结构等，其次是硬件平台的控制电路及外围设 备等。以c p u 为核心的系统方便人机交互以及和标准接口设备通信；d s p 主要 还是用来开发嵌入式的信号处理系统，不强调人机交互，一般不需要很多通信接 口。着眼于嵌入式应用，嵌入式c p u 和d s p 的区别是一个偏重于控制，一个偏 重于运算。 设计中有大量的视频数据需要处理，决定了多媒体处理器成为设计中必不可 少的单元。基于这个基本原则，硬件平台有两种不同的架构方案：一种是用数字 信号处理( d s p ) 芯片加c p u 控制芯片的分离单元架构；另一种是数字信号处 理器和通用处理器集成在一起的双核架构。 由于实验室在基于d m 6 4 2 芯片的h 2 6 4 算法优化上积攒了很多经验，所以 设计之初便是决定在优化的算法上进行后续的工作，而且当时市场上也没有合适 的双核芯片可供利用，所以决定使用d s p 和a r m 两块分离单元，这样两个相 对独立的系统既可以完成设计的要求，又可以为后续的改进工作打下基础。 2 2d s p 部分硬件平台的组成 数字信号处理器( d s p ) 自1 9 8 2 年问世以来，己经成为嵌入式高速计算平台的 必要的实现工具。随着多媒体技术的发展，一类新的d s p 器件：媒体处理器， 越来越得到产业界的重视。近期全球最大的d s p 制造商德州仪器( t i ) 推出了一款 高性能媒体处理器1 m s 3 2 0 d m 6 4 2 ，以其优秀的性能表现获得了广泛的认可。 2 2 1t m s 3 2 0 d m 6 4 2 处理器 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 是1 1 公司推出的一款面向数字多媒体应用的d s p 芯片，它 基于改进的c 6 x + 内核并进一步集成了视频音频接口、以太网接口、p c i 接口等 片上接口。该芯片使用o 8 点距的b g a 5 4 8 封装集成度极高，内部使用了改进的 哈佛结构，数据与程序总线分离但并不单独编址提高了灵活性和数据吞吐量。具 有多个处理单元，最多可以在同一个周期内执行8 条并行指令，大大提高运行速 度。其功能框图如图2 1 所示： 6 北京邮电大学硕士学位论文 图2 - id m 6 4 2 结构框图 在d m 6 4 2 中所有的外设都是通过增强型d m a 控制器连接到d s p 核心的。 核心中包括两个几乎一模一样的部分，每个部分都包含有一组通用寄存器( 3 2 个* 3 2 位) 和4 个功能模块( l 、s 、m 、d ) 每一种功能模块都可以执行一类操 作。其中l 单元和s 单元可以执行大部分逻辑、算术、位移等运算，m 单元主 要执行乘法运算，d 单元主要是寻址及一些简单的算术运算，每种单元能执行的 指令请参见文献f 2 】。每个部分还包括了一组用于读取数据的数据通路l d 、存储 数掘的s t 以及地址通道d a ，此外在这两个部分之间还有交叉通道x l 和x 2 。 该芯片的c p u 时钟频率可达6 0 0 m h z ，其c p u 内部有8 个3 2 位的功能单 元，可同时执行8 条指令。如果能充分利用这8 个功能单元，在完全流水的情况 下，该芯片的指令吞吐量将达到4 $ 0 0 m i p s 。该芯片内部支持两级c a c h e ，其中 第一级c a c h e 对开发人员来说是不可见的，而第二级的c a c h e 大小是可配置的， 芯片自动完成这两级c a c h e 之间数据一致性的维护。有了这两级c a c h e 的支持将 使c p u 的执行速度大大加快。同时，6 4 比特宽度的e m i f 口，可以无缝连接到 s d r j 蝴。s r a m 等各种存储器，方便了存储器资源的扩展。 2 2 2d m 6 4 2 系统板模块构成 d m 6 4 2 图像处理系统的硬件平台主要的部分有s d r a m 、视频解调器、音 频编解码器、以太网接口、f l a s h 和看门狗模块。系统的总体构造框图如图2 - 2 所示： l 、s d r a m 存储器 这是系统的主存储器，由两片4 m 3 2 位的芯片构成4 m 6 4 位的存储器。它 7 北京邮电大学硕士学位论文 连接在d m 6 4 2 的e m i f 接口上，使用c e 0 寻址空间。在实际运行的时候，大部 分的程序和数据都保存在这里。 2 、视频解调部分 摄像头输入的模拟视频通过这个模块转化成数字信号，并传输到d s p 中等 候处理。它所支持的模拟视频制式有p a l 制、n t s c 制以及s 端子视频。一共 有两路视频输入，分别连接在d m 6 4 2 的v p 0 和v p i 接口上。输出数据流的格 式可以为b t 6 5 6 或者原始y 伦视频流。 3 、音频编解码 音频编解码器可以进行a d 和d a 变换，方便的进行音频的采集与回放。 它连接在d s p 的m c a s p 接口上。这个模块可以进行全双工的操作，也就是说声 音的输入和输出可以互不影响。 图2 - 2d m 6 4 2 系统框图 4 、f l a s h 部分 一块4 m 8 位的f l a s h 芯片作为系统的程序存储器使用，当系统上电自启 动的时候d s p 会自动读取其中保存的用户程序，并将程序拷贝到s d r a m 中执 行。f l a s h 连接在e m i f 上，使用c e i 地址空间。 5 、以太网接口 北京邮电大学硕士学位论文 d m 6 4 2 提供了一个以太网接口，只要在外部连接上一个物理层器件就可以 实现以太网的通信。d s p 内部提供了一组寄存器，可以让以太网接口在没有d s p 核心干预的条件下接收或发送1 0 2 4 个数据包。d m 6 4 2 的以太网接口可以支持 1 0 1 0 0 m h z 全双工模式，支持广播和组播。可以连接多个外部的物理层器件以实 现多个网络的传输。 6 、h p i 接口 d m 6 4 2 的h p i 接口提供了三个寄存器，可以让外部主控芯片方便的访问d s p 内部的地址空问。它是一种并行的，数据地址复用的总线，经过隔离器以后可以 直接连接到其他控制芯片的总线上。主机可以通过h p i 接口访问整个d s p 的寻 址空间，支持单个模式或者突发模式的数据传输。 7 、看门狗及电源部分 由于系统可能长时间工作在无人照看的条件下，系统地稳定性也很重要。看 门狗电路提供了一种可以使系统从死机中自动恢复的机制，当系统长时间没有刷 新看门狗的有效端口时，看门狗电路会自动复位整个系统，使系统脱离死机状态。 看门狗连接在g p o 上。看门狗芯片有一个使能信号。可以利用它让看门狗停止 动作，使其不会影响系统的调试。 2 3a r m 板硬件平台组成 a r m 的全称是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ，是一种高性能，低功耗的r i s c 芯 片。它由英国的a r m 公司设计，该公司既不生产芯片，也不设计芯片，而是设 计出高效的i p 内核，授权给半导体公司使用。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 的应用领域非常的广泛，占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上 的市场份额。 a r m 公司设计了一系列的微处理器内核结构，以适应不同应用领域的需 要。采用r i s c 结构的a r m 处理器具有如下一些典型的特点：体积小，功耗低， 成本低，性能高；支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，寄存器数量 众多，指令执行速度快；绝大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简 单，执行效率高；采用固定长度的指令格式。 2 3 18 3 c 2 4 1 0 处理器 设计中选用韩国三星半导体公司生产用于移动终端的高性能s o c 处理器 $ 3 c 2 4 1 0 。$ 3 c 2 4 1 0 是一款低成本、低功耗、小体积、高性能的1 6 3 2 一b i t 的r i s c 9 北京邮电大学硕士学位论文 微控制器。该处理基于a r m 9 2 0 t 内核，主要面向移动设备终端。同时，它还采 用了一种叫做a m b a ( a d v a n c e dm i e r o e o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ) 的新型总线结 构。图2 3 为s 3 c 2 4 l o 的内部结构。 s 3 c 2 4 1 0 内部集成了相当丰富的片上外设资源，主要有： 1 ) 1 8 v a r m 内核，3 3 v 存储器，3 3 v 外部i o ，具有1 6 k b 指令缓存1 6 k b 数据缓存和m m u 的微处理器； 2 ) 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) ； 3 ) l c d 控制器( 支持上到4 k 色的s t n 和2 5 6 k 色的矸，1 通道l c d 专 用d m a ； 4 ) 具有外部请求引脚的4 通道d m a ； 5 ) 3 通道u a r t ( i r d a i 0 ，1 6 - b y t et xf i f o 和1 6 一b y t er xf i f o ) 和2 通道 s p i 6 ) l 通道i i c 总线控制器l 通道i i s 总线控制器； 7 ) 1 o 版本的s d 主机接口，兼容的2 1 l 版本的m u l t i m e d i a 卡协议； 8 ) 2 个u s b 主机1 个u s b 设备( u s b l 1 ) ： 9 14 通道p w m 计时器及l 通道内部计时器； 1 0 ) 看门狗电路； 1 1 ) 1 1 7 位通用i o 口，2 4 通道外部中断源： 1 2 ) 电源控制：常规、缓慢、空闲和断电模式； 1 3 ) 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口； 1 4 ) 具有r 历功能的实时时钟r t c ： 1 5 1 具有锁相环的片上时钟发生器。 $ 3 c 2 4 1 0 内部集成了微处理器和一些常用外围组件，大大减少了整个系统的 成本，消除了系统配置额外器件的需要，为嵌入式系统提供了一个高效的硬件平 台。由于$ 3 c 2 4 1 0 芯片内部集成了u s b i 1 主机接口，可以免去外接u s b 主机 芯片，从而节省了大量的工作，能够更好的完成设计的任务。 l o 北京邮电大学硕士学位论文 固2 - 3s 3 c 2 4 l o 的内部结构框图 2 3 2 基于s 3 c 2 4 1 0 的硬件平台 本文的硬件平台集成了6 4 m b 的s d r a m ，6 4 m bn a n df l a s h 存储设备， 并且提供了丰富的外设接1 3 ：c s 8 9 0 0 以太网卡接口，2 个与p c 机通信的u a r t ， 1 个l c d 接1 3 ，u s b 主从口等等。嵌入硬件平台结构如图2 4 所示。 北京邮电大学硕士学位论文 图2 - 4a r m 硬件平台体系结构 其中串口和1 0 m 的网口是后续调试工作的主要辅助接口。u s b 口具有主从 口，主口可以直接连接u s b 设备；从口与p c 机相连时，开发板便作为从设备， p c 机的文件可以很快的下载到开发板。关于a r m 开发板与本设计相关的具体 模块，将在后续章节给出详细的说明。 北京邮电大学硕士学位论文 第三章a r m 软件开发平台设计 在具体的设计之前，首先要选择合适的嵌入式操作系统并建立相应的软件开 发环境。嵌入式操作系统作为整个嵌入式系统的核心，是实现系统功能的关键。 对于不同的嵌入式系统要求选择不同的嵌入式操作系统，这主要取决于系统所要 实现的功能和性能要求。 3 1 嵌入式操作系统的选择与构建 3 i 1 嵌入式操作系统的选择 选择合适的操作系统，需要从操作系统的功能特点以及产品本身的要求决 定。从性能上讲，实时操作系统( r t o s ) 和普通的操作系统( o s ) 存在的区别主要是 “实时”二字。在实时计算中，系统的正确性不仅仅依赖于计算的逻辑结构而且 依赖于产生结果的时间。从这个角度来讲，实时系统可以被定义成“一个能够在 事先指定或者确定的时问内完成系统功能和对外部或内部、同步或异步事件作出 响应的系统”。这个定义要求： 系统应该有在事先定义的时间范围内识别和处理离散事件的能力： 系统能够处理和存储控制系统所需的大量数据； 4 系统应该有稳定、高速、安全的网络支持： o 系统应该可以实现多用户、多任务的支持； 系统具有一个易于控制的图形用户界面( g u i ) 接口； o 系统应该要对网络设备有很好的支持。 针对当前流行的几种嵌入式操作系统，进行简单的比较： ( 1 ) 专业商用操作系统v x w o r k s ，p s o s ，n e e u l e u s ，q n x 等 优势： a ) 可靠性高，经过严格的测试，能对系统的安全性、稳定性提供可靠 的保证； ”采用模块化设计，内核精简，对不同的应用可以添加不同的模块， 构成合适的内核系统，一般支持多种硬件平台； c ) 配套工具齐全，技术支持有保证，但是更深层次的开发所获得的支 持并不一定有预期的那么好。 不足： a ) 价格昂贵； 北京邮电大学硕士学位论文 b ) 实时性并不明显； c ) 很多系统不公开源代码，这样对系统的内核技术无法控制，后继开 发会受到限制。 ( 2 ) w i n c e w i n c e 在p d a 上的应用十分广泛。但是，w i n c e 具有占用存储空间大、 非实时、效率低下等缺点。而且，w i n c e 采用版税制，产品生产成本高。目前， w i n c e 是个非开放性的系统，可定制性差，只有固定的几个版本，不能灵活地 适应多种复杂情况的应用。 ( 3 ) 嵌入式l i n u x l i n u x 和u n i x 相似，是以整体式结构为基础的、多任务多进程的操作系 统。嵌入式l i n u x 是指对l i n u x 经过小型化裁减后，能够固化在容量只有几百 k b 到几m b 的存储芯片或单板机中，应用于特定嵌入式场合的专用l i n u x 操作 系统。与其他嵌入式操作系统相比较，l i n u x 具有一些独特的优势： 幻l i n u x 具有良好的开发工具，可以跨越i c e 等屏障 协完备的网络支持和高效的网络通信性能 c ) l i n u x 内核健壮，运行稳定 d 1 丌放源代码，开发出的嵌入式产品的t o c ( 整体拥有成本) 低 e ) 几乎支持所有的通用处理器 鉴于以上比较，我们选择了嵌入式l i n u x 作为系统开发平台的操作系统。 3 1 2 嵌入式l i n u x 系统的构建 构建运行在嵌入式系统目标板上的l i n u x 系统有4 个重要的步骤：系统组件 选择，主要是确定硬件系统及与之对应的操作系统；设计引导加载系统与配置 l i n u x 操作系统启动；为目标板配置编译内核：建立目标板的根文件系统。上面 确定了系统组件的选择，下面将详细阐述构建嵌入式系统的其余三个部分。 1 设计b o o t l o a d e r 引导程序 嵌入式l i n u x 系统的引导可以有三种方式：固态存储媒体、磁盘以及网络。 在我们的系统中，使用固态存储媒体f l a s h 芯片的方式。在f l a s h 中存放了 引导加载程序、内核以及根文件系统。嵌入式l i n u x 系统与非l i n u x 同类系统不 同，嵌入式l i n u x 系统的特点是在需要时加载l i n u x 内核以及指定的根文件系统。 图3 - 1 表示了嵌入式l i n u x 系统软件底层到上层的结构图。 1 4 北京邮电大学硕士学位论文 i 一 一 一 i j b o o tl o a d e r f i，。，一 圉3 - 1 嵌入式l i n u x 系统软件结构图 引导加载程序是系统启动过程中执行的第一个软件，它与目标板的硬件有高 度的依存关系。引导加载程序在完成底层硬件初始化工作后接着跳到内核的启动 程序代码执行。系统的引导加载过程被分为两个阶段： s t a g e i 执行以下的步骤： 1 初始化全局数据指针与栈指针 2 屏蔽指令与数据c a c h e s 3 初始化系统的重要寄存器 4 初始化f l a s h ，s d r a m ，g p i o 以及看门狗等外围设备 5 测试s d r a m 6 计算c p u 的时钟频率 7 从f l a s h 拷贝s m g e 2 的加载程序到s d r a m 8 开始执行s t a g e 2 的加载 引导加载的s t a g e 2 执行以下步骤： 1 初始化本阶段要使用到的硬件设备 2 检测系统的内存映射 3 加载内核映像和文件系统映像 4 设置内核的启动参数 5 调用内核 内核文件有两种存放方式，一种是存放在文件系统中。启动过程需要根文件 系统定位内核，然后再加载内核。另外一种是作为嵌入式系统的独立组件，以二 进制文件形式存放在固定的f l a s h 地址上，该地址信息对加载代码是确定的。 我们用到的是第二种方法，设计中对f l a s h 分为三个区，依次是引导程序( o 区) ，l i n u x 内核( 1 区) 和文件系统( 2 区) 引导程序从f l a s h 的0 地址开始 执行，由于$ 3 c 2 4 1 0 具有n a n d f l a s h 自启动功能，就是上电后处理器会自动搬 北京邮电大学硕士学位论文 移f l a s h 内前4 k b 字节数据到s d r a m 执行，所以不用在使用n o rf l 嚣h 作为 引导芯片了。 对于b o o t l o a d e r 的移植，一般是在同类处理器的可用代码的基础上进行裁减 或添加，这样可以节省很大的力气。对于第一次烧写f l a s h 的a r i v i 板，要从 j t a g 口烧入b o o d o m 盱，运行后就可以对串口，网口，u s b 设备口等初始化。 以后在修改后的b o o t l o a 如r 烧入就可以通过串口或u s b 口了。设计中的b o o t 程 序在a d s1 2 中编译为b i n 文件，大小为5 2 k b ，烧入f l a s h 的0 号分区。 2 配置编译内核 内核是操作系统中最重要的部分，负责整个嵌入式系统的运行。由于内核是 以源代码的形式发布的，其开源特性允许用户对内核进行修改和裁减。裁掉对特 定目标板系统多余的部分，不仅可以降低目标板的系统开销，减少系统所需的 f i 。a s h 存储空间和运行时内存使用空间，为裁剪硬件、节约硬件成本提供可能， 还能使系统更加高效稳定地运行，降低软件的复杂度，利于维护。 l i n u x 内核的裁减是嵌入式l i n u x 操作系统优化的一个重要方面。对内核的 裁剪分为两个层次，初级层次的裁剪是基于内核提供的配置菜单的基础上，根据 不同的体系结构和应用场合进行内核的配置，裁减不必要的组件。更深层次的优 化是在熟悉内核代码实现以及整个l i n u ) 【系统运行原理的基础上，作整体的优 化。这里描述的是基于内核配置菜单进行内核的裁减配置。设计中使用的2 4 1 8 版本的内核。 编译内核的选项有3 种，分别为y