（通信与信息系统专业论文）基于s3c2410的嵌入式指纹识别系统研究.pdf

独创性( 或创新性) 声明 i i i l ll l l l l l l l1 1 u l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l1 1 1 1 1 1 1 1 7 5 9 5 8 3 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 本人签名 处，本人承担一切相关责任。 日期：逾丑! 竺 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间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) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学 本人签名： 导师签名： ，适用本授权书。 日期：2 曼旦皇塑：丝 日期：立哼。址 l 基于s 3 c 2 4 10 的嵌入式指纹识别系统研究 摘要 指纹识别技术是一种重要的生物身份识别技术，也是目前生物识 别技术发展的最为成熟的一种。作为一种飞速发展的技术，指纹识别 己经在刑侦领域大显身手，并且在银行身份认证，公司门禁系统等民 用领域中崭露头角。随着微电子技术的进步，嵌入式系统进一步成熟 与发展，让指纹识别技术和嵌入式系统相结合从而摆脱空间与环境的 限制成为现实。从此指纹识别技术具有了广阔的应用空间和前景。本 论文对基于a r m 体系的嵌入式指纹识别系统进行了初步研究。主要 做了一下几个方面的工作： 首先，分析了本课题国内外研究现状和发展方向，阐述了本课题 研究的必要性。考虑到基于a r m 体系结构的芯片具有的强大的处理 能力和丰富的功能，本论文采用s 3 c 2 4 1 0 的开发板和嵌入式l i n u x 操 作系统来构建整个指纹识别系统。而后对嵌入式l i n u x 操作系统移植 做了较详细的介绍。并对相关的指纹识别算法进行了改进与优化，使 其速度更快，更切近于现实的需求。 另外本文还介绍了基于f p g a 的指纹比对加速卡的p c b 板绘制 相关技术。 关键字：指纹识别s 3 c 2 4 1 0l i n u x 移植优化p c b r e s e a r c ho ne 卫江b e d d e df d 叮g e r p r i n t v e r 工f i c a t i o ns y s t e m b a s e do ns 3 c 2 4 1 0 a bs t r a c t f i n g e r p r i n tv e r i f i c a t i o n i sa ni m p o r t a n tb i o m e r t r i c t e c h n i q u ef o r p e r s o n a li d e n t i f i c a t i o nw h i c hi sa l s ot h em a t u r e s tb r a n c ho fb i o m e r t r i c t e c h n i q u e a sar a p i d l ye v o l v i n gt e c h n o l o g y , f i n g e r p r i n tv e r i f i c a t i o nh a s b e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fc r i m i n a li d e n t i f i c a t i o na n dh a sb e e nt o s h o wt h e i rt a l e n t si nt h eb a n k i n g c o r p o r a t ea c c e s sc o n t r o ls y s t e m si nt h e e m e r g i n g f i e l do fc i v i l i a n 、i t ht h ea d v a n c e si nm i c r o e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , e m b e d d e ds y s t e m sg r a d u a l l ym a t u r ea n dd e v e l o p ，s ot h a tt h e c o m b i n a t i o no f t h ef i n g e r p r i n tv e r i f i c a t i o nt e c h n o l o g ya n de m b e d d e d s y s t e m sw o u l dm a k et h i st e c h n i q u es u i t a b l ef o rm a n yk i n d so fo c c a s i o n s s ot h ef i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yh a sab r o a da p p l i c a t i o ns p a c e a n dt h ep r o s p e c t s t h i st h e s i sm a k e sar e s e a r c ho ft h ee m b e d d e d f i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o ns y s t e m t h ew o r kc a nb es u m m a r i z e da s t h e f o l l o w i n gt h r e ep o i n t s f i r s t l yo nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ed e v e l o p m e n to fr e c o g n i t i o n s y s t e mo fh o m ea n da b r o a d ，t h i st h e s i ss e tf o r t ht h en e c e s s i t yo ft h i s r e s e a r c h c o n s i d e r i n gt h eh i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wc o s to fa r m - c h i p ， t h i st h e s i sw ec o n s t r u c ta na f i sb a s e do nt h ep r o c e s s o rs 3 c 2 410w i t ht h e e m b e d d e dl i n u xs y s t e m s q n c o n d l y p o r t i n gt h ee m b e d d e dl i n u xs y s t e m h a sd o n eam o r ed e t a i l e di n t r o d u c t i o n a n dt h ef i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o n a l g o r i t h mh a sb e e ni m p r o v e da n do p t i m i z e d ，s ot h a t f a s t e ra n dm o r e c l o s e s tt ot h ea c t u a ld e m a n d i na d d i t i o nt h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e dt h ep c b t e c h n o l o g i e sa n dh o w t od r a wt h ep c bo ff i n g e r p r i n t b a s e df p g aa c c e l e r a t o r k e y w o r d s ：f i n g e r p r i n tv e r i f i c a t i o ns 3 c 2 4 10l i n u xp o r t i n go p t i m i z a t i o n p c b 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 目录 - 1 - 1 1 课题研究的背景及意义1 1 2 指纹识别国内外发展状况1 1 3 本论文的主要研究内容和章节安排。一3 第二章指纹识别系统开发平台5 2 1 h 2 4 1 0 开发板硬件构架5 2 2 a r m 9 2 0 t 微处理器核一6 2 3 s 3 c 2 4 10 微处理器6 2 4 s d r a m 功能7 2 5 n a n df l a s h 和n o rf l a s h 的功能9 2 5 1 n o r 初n a n d 疟矛发叛乒的绍属9 2 只zn o r n a n d 烂麓彪裁一9 2 6 h 2 4 1 0 各接口介绍1 0 2 7 h 2 4 1 0 与p c 机的连接1 0 2 7 j 历雳旋每及霸斧j d 2 7 2 妥鳟j t a g - 移动j d 2 7 3 妥鳟u s b 黝j f j 第三章嵌入式l i n u x 操作系统的移植 3 1 嵌入式操作系统简介一1 2 3 1 i 嵌入式操作系统的特点j 2 3 1 2 几种典型的嵌入式系统的比较1 3 3 2 嵌入式l i n i j x 操作系统开发环境的建立1 6 3 2 j 宿主扔融选帮j 6 3 2 2 交叉编译环境的建立1 6 3 3 嵌入式l i n t r x 操作系统的移植一1 7 3 3 1 嵌入式l i n u x 操作系统纽成部分17 3 3 2 b o o t l o a d e r 膨枸察与实刃j 7 3 3 3 l i n u x 严夕秀玄乎步i l $ 植2 j 3 3 4 根文件系统的翩作2 3 3 3 。5l i n u x 操作系统在开发板的成功运拭2 9 第四章指纹识别算法及优化 3 0 - 4 1 指纹识别基础知识3 0 4 2 本论文采用的指纹识别程序介绍3 2 4 2 j 指纹录久3 3 4 2 2指纹厨必霉3 3 4 2 3 静征提韶及厉必罂3 5 4 2 4 静征彪3 6 北京邮电大学硕士论文 4 3 基于a r m 处理器的c 语言优化策略及程序优化- 3 6 - 4 3 1基- ta r m 的一般优化方法- 3 6 4 ，3 2 基- 1 ：指令集的c 语言优1 1 ：一3 9 4 3 3基于存储器的c 语言优化一4 2 4 3 4 定筋笏纪一4 3 4 3 ，5算法的选取与改避一4 4 4 3 6本文嵌入式指纹识翱程序移植的最终结果，4 6 - 4 4 总结与展望一5 2 一 第五章基于f p g a 的指纹比对加速卡的p c b 制作- 5 3 - 5 1 指纹比对加速卡结构介绍5 3 5 2 p c b 布局5 3 5 3 p c b 布线。- 5 4 5 3 1苈号髫徽一一 5 3 2电源、地线走线一5 5 5 4 指纹比对加速卡硬件的一些参数一5 5 5 5 指纹比对加速卡制板后工作状况- 5 5 一 参考文献。 5 6 - 附录 附录1 ：基于f p g a 的指纹比对加速卡的p c b 图一5 7 附录2 ：开发板l i n i j x 系统启动信息5 8 至交谢。- 6 l 一 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 2 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 当今社会，电子设备和保密机构对更安全、更方便的身份认证和访问控制 的需求变得越来越紧迫，传统的机械钥匙、“用户i d + 密码”以及智能卡等的保护 措施存在着丢失、遗忘、复制及被盗用的隐患，在这种情况下，生物特征识别 技术为上述方法的不足提供了一个很好的解决方案。目前已有很多生物测定技 术可用于身份认证，包括：虹膜识别、视网膜识别、面部识别、签名识别、声 音识别、指纹识别等。其中指纹识别是模式识别领域中使用最早的，也是最为 成熟的生物鉴定技术。指纹作为身份认证的主要特征是终生不变性( 人的指纹 结构和细节特征终生不会发生变化) 和唯一性( 世界上还没有发现任何两个人 的手指间出现完全相同的指纹) 。这两个特征使指纹识别具备了比其他生物测定 技术更好的优点，也正是这两个基本特征使得指纹识别有了如今的优势和发展 程度。 嵌入式系统作为以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可以剪裁、 应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统，具 有面向用户、面向产品、面向应用、体积小、成本小、可靠性高等特点，已 应用于各个领域。将复杂的指纹识别算法固化在一块体积非常小的嵌入式 微处理器模块上，这种由内含指纹算法的嵌入式微处理器模块与指纹传感 器构成的系统称为嵌入式指纹识别系统。近年来嵌入式系统的飞速发展表 明，将嵌入式系统与指纹识别技术相结合无疑更能开发出指纹识别技术的 潜力。这种嵌入式指纹识别系统也有着广阔的前景。 1 2 指纹识别国内外发展状况 人们使用指纹进行个人身份鉴定已经有很长的历史据考古学家证实：公元 前7 0 0 0 年到6 0 0 0 年以前，指纹作为身份鉴别的工具已经在中国和古叙利亚开 始应用，一些粘土陶器上留有陶艺匠人的指纹，一些文件上印有起草者的大拇 指指纹，在古城市的房屋留有砖匠的指纹等。由此可见，指纹的一些特征在当 时已经被人们认识和接受。公元6 5 0 年，唐代作家贾公秀也在其作品中着重提 北京邮电大学硕士论文 到了指纹是确认个人身份的方法。我国将指纹应用于民间契约及断案有悠久的 历史，但是由于缺乏专门性研究，未能将指纹识别技术上升为一门科学。现代 指纹识别起源于1 6 世纪后期。苏格兰医生h e n r yf a u l d 于1 8 8 0 年l o 月2 8 日首 次在英国( ( n a t u r e ) ) 上发表论文，指出指纹人各不同，恒久不变。接着，w i l l i 锄 h e r s c h e l 也在( ( n a t u r e ) ) 上发表了他本人关于指纹研究2 0 多年来的成果，从此 揭开了现代指纹识别的序幕。1 8 9 2 年，英国s i rf r a n c i sg a l t o n 对指纹进行了系 统地研究，并提出了指纹细节特征分类，将指纹分为斗( w h o r l ) 、箕( 1 0 0 p ) 、弧( a r c h ) 三大类，使指纹识别应用进入了一个崭新的时期。1 8 9 6 年阿根廷首次应用指纹 作为犯罪事件鉴别的证据。1 8 9 9 年，英国e d w a r d h e n r y 建立了著名的h e n r y 指 纹分类系统并于19 0 1 年被英国政府正式采用，随后西方各国亦相继采用，指纹 识别应用正式走上了科学化道路。不过，这之前的指纹识别都采用手工的方法， 即将指纹卡片存放在指纹库中，需要时在指纹库中人工查找、由指纹专家对比 指纹卡。这种方法一方面效率低下，另一方面投入的人力资源太大【2 】。 随着电子计算机的出现，采集技术的发展以及对指纹识别的研究，人们逐 渐将人工的指纹识别向指纹自动识别a f i s ( a u t o m a t e df i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n s y s t e m ) 转变。有了计算机的帮助，指纹算法的研究更加活跃。美国、法国、英 国、加拿大、日本、俄罗斯等国在经过2 0 多年的研究努力，都已经在2 0 世纪 8 0 年代中前期研究成功，并开始布署自动指纹识别系统( a f i s ) 。其中美国最 早于1 9 6 3 年首先开展有关软件的研制，于1 9 7 5 年成功推出第一个商业化系统 p r i n t - r a k 2 5 0 。日本在1 9 7 5 年开始进行研究，并于1 9 8 2 年将n e c a f i s 投入使用。 我国也在8 0 年代初对指纹识别展开研列3 1 。随着越来越多的电子设备进入人们 日常生活以及互联网的兴起，计算机、a t m 、门禁控制、各种智能卡对个人安 全、方便的身份识别技术要求越来越高，人们迫切需要有准确、安全、方便的 识别技术，而指纹识别由于具有唯一性、稳定性使得其在安全领域得到了广泛 的应用。 随着科学技术的发展，学科的融合以及互相借鉴，都在促进着指纹应用核 心技术的成熟。指纹采集的自动化、精确化，指纹比对的自动化、快速化是其 中四大主要技术。指纹采集的自动化，可以通过专门的指纹采集设备来进行。 目前所见的采集设备有光学式、晶体电容式的、晶体热敏的、晶体压感的，还 北京邮电大学硕士论文 有r f ( 射频) 的等等。当人手指放到设备感应区时，设备会自动感知到手指的 存在，并自动完成指纹图像的采集和图像数据的传送。而这些采集设备的出现， 从指纹成像角度来看，包括传感技术和各类成像技术的贡献。比如c c d 、c m o s 光学成像技术的发展。在保证图像精确性上，则是通过采集设备的高分辨率来 保证，从最初的2 0 0 d p i ，到现有5 0 0 d p i ，甚至少数已经达到1 5 0 0 d p i ，不能不说 是扫描技术带来的福音。指纹比对的自动化和快速化，则是计算机软件技术和 计算机处理能力的提高结果。软件可以使算法程式化自动化的执行起来，并能 有效的控制输入输出，灵活的调整算法参数，以满足不同类型的指纹应用场景 对算法的不同要求。同时计算机处理能力的增强，使得在大容量的指纹库中查 找比对、处理指纹数据变得轻松起来。 到目前为止，宣称能够提供商用化成熟指纹算法的公司，据不完全统计， 全球已经达到1 0 2 家。以上足以说明指纹识别算法在全球和中国已经完全成熟 到商用化程度。 产品上，除了在公安领域，指纹识别主要应用在考勤、门禁、保险箱柜等 领域，相信，随着指纹识别技术的完善，还会广泛的应用在身份证、机动车、 家居等更多的领域。大众会越来越欢迎此类产品进入他们的生活当中。综上所 述，开展指纹识别技术的研究，不仅有着广阔的市场前景，而且会因为有着广 泛的应用而带动其他相关产业、技术的发展，对国际、国内安防产业产生巨大 的影响。指纹识别技术具有很高的科研价值。 1 3 本论文的主要研究内容和章节安排 我在研究生阶段主要做了以下几项工作： 1 ) 基于h 2 4 1 0 进行了l i n u x 系统的移植。这个过程包括交叉编译环境的建立、 b o o t l o a d e r 的移植、l i n u x 内核的移植以及文件系统的移植。最终移植成功，l i n u x 系统在开发板上运行良好。 2 ) 对指纹识别预处理及比对程序进行了改进及优化，使其更切近于实时。其中 对一些算法( 如中值滤波模块) 进行了改进，小部分c 代码改为了汇编代码。例 如：在p c 下中值滤波模块由原来的5 9 m s 提升到9 m s 。汇编优化后程序执行效 北京邮电大学硕士论文 率也提升明显。从整体上讲，整个嵌入式指纹识别程序在保证性能与p c 程序相 当的情况下，提高了运算效率。 3 ) 完成了基于f p g a 的指纹比对加速卡的p c b 绘制工作。通过p l x m o n 软件在 线烧写p l x 9 0 5 4 的配置芯片后，在相关驱动支持下能在p c 机上正确识别该板卡， 并且f p g a ，s r a m 等相关硬件工作正常。 本论文共分为五章，第一章介绍了指纹识别技术的发展情况及研究意义， 以及论文的主要工作和章节；第二章介绍了目标开发板的硬件架构及功能特点； 第三章详细介绍了l i n u x 系统移植需要的平台环境及移植的详细过程；第四章介 绍了适用于嵌入式系统的指纹识别程序并介绍了其流程以及优化过程；第五章 重点介绍了p c b 绘制的一些技术。 北京邮电大学硕士论文 第二章指纹识别系统开发平台 近年来，随着指纹识别技术的进步，嵌入式微处理器核的出现，越来越多 的嵌入式指纹识别系统被开发出来，性能也越来越好。本论文就选择了基于 s 3 c 2 4 1 0 的h 2 4 1 0 开发板做为目标开发板，来构建整个指纹识别系统。 2 1 h 2 4 1 0 开发板硬件构架 签燧 a r m 够c 2 4 l 鳆 图2 - 1h 2 4 1 0 开发板硬件架构 如图2 1 所示，h 2 4 1 0 目标开发板硬件架构如下： 1 )c p u ：基于a r m 9 2 0 t 的s a m s u n gs 3 c 2 4 1 0 ，频率：2 0 0 m h z ； 2 )s d r a m ：2 片m t4 8 l c l 6 m 1 6 a 2 ，共3 2 m ； 3 ) n a n df l a s h ：s a m s u n gk 9 f 5 6 0 8 u o c ，3 2 m ； 4 ) n o rf l a s h ：a m 2 9 l v l 6 0 d b ，2 m ； 5 ) p o w e r ：z w - 7 a 型微机电源，内部通过l m l l l 7 芯片转换电压； 6 )j t a g 接口：2 0 针a r mj t a g 接口； 7 )串口：利用m a x 2 3 2 芯片制作的串口； 8 ) l c d 接口：3 3 针标准l c d 接口； 9 )u s b 接口：既可作主设备又可作从设备的u s b 接口。 5 一一一一 北京邮电大学硕士论文 2 2 a r m 9 2 0 t 微处理器核 a r m 处理器本身是3 2 位设计，但也配备1 6 位指令集，以允许软件编码为 更短的1 6 位指令。与等价的3 2 位代码相比，占用的存储器空间节省达3 5 ， t h u m b 状态与正常的a r m 状态之间是零开销切换。a r m 处理器当前有5 个产 品系列：a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m l 0 和s e c u r c o r e 。a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e 和a r m l 0 是4 个通用处理器系列。其中，a r m 9 2 0 系列是高性能和低功耗特性 方面最佳的硬宏单元。它具有如下特点【4 】： 1 )5 级流水线； 2 ) 提供1 1 m i p s 的哈佛结构； 3 1全性能m m u ； 4 )指令和数据c a c h e ； 5 )高速a m b a 基于总线的接口。 2 3 s 3 c 2 4 1 0 微处理器 s 3 c 2 4 1 0 处理器是s a m s u n g 公司基于a r m 公司的a r m 9 2 0 t 处理器核， 采用o 1 8 u r n 制造工艺的3 2 位微控制器【1 1 。该处理器拥有：独立的1 6 k b 指令 c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ，m m u ，支持t f t 的l c d 控制器，n a n d 闪存控制 器，3 路u a r t ，4 路d m a ，4 路带p w m 的t i m e r ，i o 口，r t c ，8 路1 0 位 a d c ，t o u c hs c r e e n 接口，i i c b u s 接口，i i s b u s 接口，2 个u s b 主机，1 个u s b 设备，s d 主机和m m c 接口，2 路s p i 。 $ 3 c 2 4 1 0 芯片集成了大量的功能单元，具体包括： 1 8 2 0 v 内核供电，3 3 v 存储器供电，3 3 v i o 供电，1 6 k b 数据c a c h e ，1 6 k b 指令c a c h e ，m m u ； 令内置外部存储器控制器( s d r a m 控制和芯片选择逻辑) ； 夺l c d 控制器，提供一通道l c d 专用d m a ； 令4 通道带外部请求d m a ； 夺3 个通用异步串行端口( i r d a l 0 ，1 6 一b y t et x f i f oa n d1 6 - b y t er xf i f o ) ，2 通道s p i ； 北京邮电人学硕士论文 一个多主1 2 c 总线，一个1 2 s 总线控制器； 兼容s d 主接口版本1 0 和多媒体卡协议版本2 1 1 ； 两个u s bh o s t ，一个u s bd e v i c e ( v e r l 1 ) ； 令4 个p w m 定时器和一个内部定时器； 夺看门狗定时器： 1 1 7 个通用i o ； 5 6 个中断源，2 4 个外部中断； 电源控制模式：标准、慢速、休h 民、掉电； 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口； 带日历功能的实时时钟( i 盯c ) ； 芯片内置p l l 时钟发生器； 设计用于手持设备和通用嵌入式系统； 1 6 3 2 位r i s c 体系结构，使用a r m 9 2 0 tc p u 核的强大指令集； 令带m m u 的先进的体系结构支持w i n c e 、e p o c 3 2 、l i n u x ； 指令缓存( c a c h e ) 、数据缓存、写缓存和物理地址t a gr a m ，减小了对 主存储器带宽和性能的影响； 支持不同类型的r o m 用于启动( n o i 渊a n df l a s h 、e e p r o m 和其它) 。 s 3 c 2 4 1 0 功能单元结构如图2 2 。 2 4 s d 洲功能 s d r a m 英文为s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ，同步动态随 机存取存储器。同步是指m e m o r y 工作需要同步时钟，内部的命令的发送与数据 的传输都以它为基准；动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失； 随机是指数据不是线性依次存储，而是由指定地址进行数据读写。 ” 北京邮电人学硕上论文： _ - _ _ - _ _ _ l - _ - - _ - _ - _ - _ _ _ _ - _ _ l - - _ _ _ _ - - - _ _ _ - _ - _ i _ - - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - - _ _ _ _ - - _ - _ - _ - - _ 一 图2 - 2s 3 c 2 4 1 0 功能单元结构 m t4 8 l c l 6 m 1 6 a 2 是4 m e g x l 6 b i t x 4 b a n k ss d r a m 5 1 。h 2 4 1 0 开发板采用了 2 片m t 4 8 l c l 6 m 1 6 a 2 实现位扩展，使数据总线宽度达到3 2 位，容量达到了 3 2 m 。s d r a m 主要用来存放操作系统和各种动态数据，也就是用来运行l i n u x 和指纹识别程序等。 北京邮电大学硕士论文 2 5 n a n df l a s h 和n o rf l a s h 的功能 n o r 和n a n d 是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。i n t e l 于1 9 8 8 年 首先开发出n o rf l a s h 技术，彻底改变了原先由e p r o m 和e e p r o m 一统天 下的局面。紧接着，1 9 8 9 年，东芝公司发表了n a n df l a s h 结构，强调降低 每比特的成本，更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。 2 5 1 n o r 和n a n d 在开发板中的作用 大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码，这时n o r 闪存更适合一些。 而n a n d 则是高数据存储密度的理想解决方案。本开发板只是用n o rf l a s h 存储b o o t l o a d e r 以支持l i n u x 系统从n o rf l a s h 启动。n a n df l a s h 则储存 支持n a n df l a s h 的b o o t l o a d e r 、l i n u x 内核、文件系统及应用程序，支持l i n u x 从n a n d f l a s h 启动。通过跳线选择通过何种方式启动。 2 5 2 n o r 和n a n d 性能比较 n o r 的特点是芯片内执行( x i p , e x e c u t ei np l a c e ) ，这样应用程序可以直接在 f l a s h 闪存内运行，不必再把代码读到系统r a m 中。n o r 的传输效率很高，在 l - - 一4 m b 的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响 了它的性能。 n a n d 结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦 除的速度也很快。应用n a n d 的困难在于f l a s h 的管理和需要特殊的系统接口。 其主要性能比较如下： n a n d 器件执行擦除操作是十分简单的即先擦除后写入，而n o r 则要求 在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0 ； 擦除n o r 器件时是以6 4 1 2 8 k b 的块进行的，执行一个写入擦除操作的 时间为5 s ，与此相反，擦除n a n d 器件是以8 3 2 k b 的块进行的，执行 相同的操作最多只需要4 m s ； n o r 的读速度比n a n d 稍快一些； 令n a n d 的写入速度比n o r 快很多； 夺n o rf l a s h 带有s r a m 接口，有足够的地址引脚来寻址；n a n d 器件使用 北京邮电大学硕十论文 复杂的i o 口来串行地存取数据； n a n d 读和写操作采用5 1 2 字节的块，这一点有点像硬盘管理此类操作， 基于n a n d 的存储器就可以取代硬盘或其他块设备； n a n df l a s h 的单元尺寸几乎是n o r 器件的一半，n o rf l a s h 占据了容量 为1 一 1 6 m b 闪存市场的大部分，而n a n df l a s h 只是用在8 - 1 2 8 m b 的产 品当中。 2 6 h 2 4 1 0 各接口介绍 2 0 针j t a g 接口和r 2 3 2 串口主要负责和宿主机之间的通信，包括下载 b o o t l o a d e r , l i n u x 内核等到n o rf l a s h 和n a n df l a s h 中。 u s b 接口支持主从模式，开发板既可作u s b 主机也可以作为u s b 从设备。 用户可以通过u s b 接口上传或下载文件。 l c d 接口用于连接l c d 液晶屏。 2 7 h 2 4 1 0 与p c 机的连接 2 7 1 所需设备及软件 h 2 4 1 0 开发板，2 0 针j t a g 接口，两端均为公口的u s b 线，基于m a x 2 3 2 的串口线； 夺 u s b 驱动程序：此程序是从s a m s u n g 公司官网下载的，包括s e c b u l k i n f , s e c b u l k s y s ，d n w i n i ，及其u s bh o s t 驱动源程序； 夺j t a g 驱动； 令 s j f 2 4 1 0 烧写软件。 2 7 2 安装j t a g 驱动 w i n d o w sx p 下： 打开控制面板； 双击添加硬件一项，点击下一步； 在打开的对话框中选择“是，已连接了此硬件，点击下一步； 选择添加新的硬件设备 北京邮电大学硕上论文 选择“安装我手动从列表选择的硬件( 高级) 一项，继续下一步； 选择“端口( c o m 和l p t ) ”，型号选择“打印机端口”； 在打开的对话框中选择从磁盘安装； 浏览并添加g i v c i o i n f ( 下一步) ； 安装完成。 2 7 3 安装u s b 驱动 首先连接好u s b 线，p c 机会提示发现新硬件，在弹出的对话框中按照提示安装 u s b 驱动程序。 各驱动安装好后就可以通过p c 机和目标开发板对话了。 北京邮电大学硕士论文 第三章嵌入式l i n u x 操作系统的移植 3 1 嵌入式操作系统简介 操作系统是管理计算机上的资源、为用户使用计算机及其外部设备提供最 基本接口的程序。自从计算机诞生以来，随着计算机、网络技术的快速发展， 操作系统一直处于不断发展和改进之中，人们将越来越多的功能加入到操作系 统中，导致操作系统越来越大。但是，随着应用领域的扩大，为了适应不同的 应用场合，考虑到系统的灵活性、可伸缩性以及可裁减性，一种以应用为中心、 以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、 体积、功耗要求严格的专用计算机系统一嵌入式操作系统便随之延生。 3 1 1 嵌入式操作系统的特点 嵌入式操作系统e o s ( e m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e m ) 是一种用途广泛的 系统软件，过去它主要应用于工业控制和国防系统领域。e o s 负责嵌入系 统的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制协调并发活动；它必须体 现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。 目前，已推出一些应用比较成功的e o s 产品系列。随着i n t e r n e t 技术的发 展、信息家电的普及应用及e o s 的微型化和专业化，e o s 开始从单一的弱 功能向高专业化的强功能方向发展。嵌入式操作系统在系统实时高效性、 硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的 特点。e o s 是相对于一般操作系统而言的，它除具备了一般操作系统最基 本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等外，还有以下特点： 可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构； 夺强实时性。e o s 实时性一般较强，可用于各种设备控制当中； 统一的接口。提供各种设备驱动接入； 操作方便、简单、提供友好的图形g u i ，图形界面，追求易学易用； 提供强大的网络功能，支持t c p i p 协议及其它协议，提供t c p u d p i p p p p 协议支持及统一的m a c 访问层接口，为各种移动计算设备预留接 北京邮电大学硕士论文 【 ： 强稳定性，弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预， 这就要负责系统管理的e o s 具有较强的稳定性。嵌入式操作系统的用户接 口，一般不提供操作命令，它通过系统调用命令向用户程序提供服务； 固化代码。在嵌入系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系 统计算机的r o m 中。辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，因此，嵌入 式操作系统的文件管理功能应该能够很容易地拆卸，而采用各种内存文件 系统； 更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。 3 1 2 几种典型的嵌入式系统的比较 ( 1 ) v x w o r k s t 6 】 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 1 1 0 s ) ，是t o r n a d o 嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持 续发展能力、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 领域逐渐占据一席之地。 v x w o r k s 特点如下： 夺 具有可裁剪微内核结构； 高效的任务管理； 灵活的任务间通讯； 微秒级的中断处理； 令支持p o s i x1 0 0 3 1 b 实时扩展标准；支持多种物理介质及标准的、完整的 t c p i p 网络协议等； 价格昂贵。操作系统本身以及开发环境都是专有的。通常需花费1 0 万元人 民币以上才能建起一个可用的开发环境，对每一个应用一般还要另外收取 版税； 一般不提供源代码，只提供二进制代码。由于它们都是专用操作系统，需 要专门的技术人员掌握开发技术和维护，所以软件的开发和维护成本都非 常高。支持的硬件数量有限。 北京邮电大学硕士论文 ( 2 ) w i n d o w sc e w i n d o w sc e 是m i c r o s o f t 开发的一种嵌入式操作系统，近年来在市场上的 上升势头强劲。其中w i n c e 3 0 是一种针对小容量、移动式、智能化、3 2 位、了 解设备的模块化实时嵌入式操作系统。为建立针对掌上设备、无线设备的动态 应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台，它能在多种处理器体系 结构上运行，并且通常适用于那些对内存占用空间具有一定限制的设备。它是 从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。 它的模块化设计允许它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行 定制。 其特点如下： 支持无线设备； 令 开放的通信平台； 夺 系统级的可靠性； 占用内存小； 可定义，自适应的用户界面； 支持最新的w e b 浏览技术； 丰富的多媒体支持； 令 网络安全性高。 ( 3 ) 嵌入式l i n u x 这是嵌入式操作系统的一个新成员，其最大的特点是源代码公开并且遵循 g p l 协议，在近几年成为研究热点。利用l i n u x 构建嵌入式系统是近年来令人 振奋的方案之一。l i n u x 操作系统可能会成为未来的主流嵌入式操作系统。本文 就选择了利用l i n u x 来搭建嵌入式指纹识别的操作系统。 嵌入式l i n u x 的优点： 令 源代码公开，人们可以任意修改，以满足自己的应用，并且查错也很容易； 遵从g p l ，无需为每例应用交纳许可证费。有大量的应用软件都遵从g p l ， 是开放源代码和免费的。可以稍加修改后应用于用户自己的系统。而且有 北京邮电人学硕士论文 大量的免费的优秀的开发工具，都遵从g p l ，是开放源代码的； 软件的开发和维护成本很低； 优秀的网络功能，这在i n t e r n e t 时代尤其重要； 高可定制性。可更具不同的嵌入式应用对系统要求各不相同，对l i n u x 操 作系统各项功能模块添加或删减； 高安全性和高可靠性； 令有完善的嵌入式g u i 和嵌入式浏览器； 夺 内核精悍，运行所需资源少，十分适合嵌入式应用： ( 4 ) t t c o si i g c o s i i 是j e a nj l a b r o s s e 业余时间设计的一种完整的，可移植、可剪裁 的实时操作系统，至今已在8 位到6 4 位不同体系结构的微处理器上运行。行业 涉及航空、医疗、电子音乐、发动机控制、网络设备、a t m 、照相机等。该r t o s 经清华邵贝贝教授介绍，在国内有广泛应用。 i 上c o si i 有如下特点： 夺开放源码，并且源码仅约5 5 0 0 行； 可移植性：使用a n s ic 开发，硬件相关部分的汇编代码量压得很低，可