（机械电子工程专业论文）森林防火无线远程监控系统.pdf

森林防火无线远程监控系统 摘要 森林火灾是世界性的林业重要灾害之一，因此一旦有火警发生， 就必须以极快的速度采取扑救措施。本文介绍了基于a r m 的嵌入式 森林防火远程无线监控系统的设计，采用a r m 处理器和市场上广泛 使用的价廉物美的z c 3 0 1 芯片的u s b 摄像头，通过g p r s 模块，将图 像不断的发给远端的管理指挥中心。在火灾发生后的第一时间，自动 报警模块将发出告警，真正做到早发现，早解决。 硬件方面采用u s b 摄像头与$ 3 c 2 4 1 0 处理器组成嵌入式视频采 集装置，并通过g p r s 连接宿主机从而组成视频监控系统。 软件方面分为系统软件的移植和应用软件开发两方面。系统软件 方面包含a r m 平台的b o o t l o a d e r 和嵌入式l i n u x 的移植；应用软件 方面包含前端a r m 平台嵌入式视频采集软件设计，g p r s 模块程序 设计，监控中心程序设计三个部分。 其中监测终端需要执行多个任务，主要采用l i n u x 下多线程编程 技术完成；监控中心基于j 2 e e 技术的b s 结构，采用m v c 设计模 式，监控中心是一个提供用户登录、监视、操作、管理、的应用平台。 通过它实现对现场环境的监控管理。 关键词：a r m ，$ 3 c 2 4 1 0 ，嵌入式操作系统，g p r s ，j 2 e e ，m v c 、m r e l e ssr e m o t ev i d e om o n i t o r s y s t e mf o rf o r e s tf i r ep r e v e n t l 0 n a bs t r a c t f o r e s tf i r ei so n eo ft h em o s td a n g e r o u sw o r l dw i d ed i s a s t e r s o n c e i t h a p p e n s ，w em u s tt a k em e a s u r e s a ss o o na sp o s s i b l e t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h ed e s i g no ft h ee m b e d d e df o r e s tf i r e p r o o f i n gs y s t e mb a s e d o na r m t h es y s t e mc a nb ew i r e l e s s l ym o n i t o r e db yv i d e of r o mf a r a w a y i tu s e st h eu s bw e b c a m e r aw i t ht h ec h i po fz c 3 01 ，w h i c hi sl o w i np r i c ea n dh i g hi nq u a l i t y t h r o u g ht h em o d u l eo fg p r s ，p i c t u r e sw i l l b es e n tb a c kt ot h er e m o t em o n i t o r i n gc e n t e r t h ea u t o m a t i ca l a r m m o d u l ew i l lr a i s et h ea l a r ma ss o o na st h ef i r eh a p p e n s ，a n di th e l p st h e g o v e m o r t of i n da n dr e s o l v et h ef i r ea tt h ef i r s tt i m e w i t hr e g a r dt ot h eh a r d w a r ed e s i g n ，t h ee m b e d d e dv i d e oc a p t u r e s y s t e mw h i c hc o n s i s t so fu s b c a m e r aa n d $ 3 c 2 410a si t sc p u ，t o g e t h e r w i t ht h ep cw h i c hi sc o n n e c t e db yg p r s ，c o m p o s et h ev i d e om o n i t o r i n g s y s t e m a sf a ra st h es o f t w a r ed e s i g n ，t h es y s t e ms o f t w a r ea n dt h ei n t e r n e t a p p l i c a t i o n sm u s tb ed e s i g n e d f i r s tw em u s tp u tt h eb o o t l o a d e ra n d e m b e d d e dl i n u xk e r n e lt ot h et a r g e to fa r mp l a t f o r m t h e nas y s t e mo f v i d e oc a p t u r i n ga n dag p r sm o d u l en e e dt ob ed e s i g n e dt or u no nt h e p l a t f o r mo fa r m i nt h ee n dw es h o u l dd e s i g nar e m o t em o n i t o r i n g c e n t e r t h et e r m i n a lm o n i t o ri sd e s i g n e dt oe x e c u t em u l t i p l et a s k sw h i c ha r e c o m p l e t e dm a i n l yb yl i n u xm u l t i - t h r e a d sp r o g r a m m i n g ；m o n i t o rc e n t e r i sb ss t r u c t u r eb a s e do nj 2 e ea n di tu s e sm v c d e s i g np a t t e r n r e m o t e m o n i t o r i n gc e n t e ri sa na p p l i e dp l a t f o r mf o ru s e r st ol o gi n ，m o n i t o r , o p e r a t e ，a n dm a n a g e w i t hr e m o t em o n i t o r i n gc e n t e r , o n s i t ee n v i r o n m e n t c a nb em o n i t o r e da n dm a n a g e d k e yw o r d s ：a r m ，$ 3 c 2 4 1 0 ，e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，g p r s ， j 2 e e ，m v c 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：刻幺翁 日期： 丕塑星：生： 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问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年解密后适用本授权书。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：蝴垒盘日期：竺! 至：兰! z 导师签名：雒抖日期：正墨掣：竺：f 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景及实际意义 随着消灭宜林荒山和实现全面绿化，造林事业的不断发展，林地面积、林业 蓄积量逐年增加，如何加强森林防火、保护生态环境，是全国当前面临的一项重 大任务。 森林火灾是一种突发性和破坏性很强的自然灾害，它的后果不仅直接危害森 林资源和人民生命财产安全，而且会影响到气候、植被及环境等多个因素的变化， 甚至影响到林区社会稳定和林区的各项事业发展。做好森林防火工作，事关生态 文明建设，事关改革、发展、稳定大局，事关全面建设小康社会目标的实现，意 义重大而深远。 森林火灾具有突发性、灾害发生的随机性、短时间内能造成巨大损失的特点。 火灾扑救是否及时，决策是否得当，重要原因都取决于对林火行为的发现是否及 时，分析是否准确合理，决策措施是否得当。森林防火投入是一本万利的事情， 为此国内外都在为预防、减少和控制森林火灾而努力。 视频监控在森林防火中的作用及意义： ( 1 ) 视频监控以直观、真实、有效而被广泛应用在许多重点防范地区。视频 监控能在森林发生火灾前及时发现火情，使火灾隐患消亡在萌芽状态，从而起到 预防火灾的目的。 ( 2 ) 视频监控能真实记录火灾发生前、救火过程中以及救火以后现场的真实 情况从而对火灾进行处理，提供有效真实的资料。 ( 3 ) 森林防火消防中心可对火情及现场情况进行实时观察，可以使监控人员 在一个界面内同时观看多幅画面，扩大了视野，以便及时了解现场情况协调调度 指挥。最大限度的能减小火灾造成的损失。 1 2 本课题研究领域的国内外研究动态和发展趋势 视频监控系统是- f - j 集计算机技术、通信技术和数字视频技术于一体的综合 系统，它是安全防范系统的重要组成部分，是一种防范能力较强的综合系统。视 频监控系统以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于工业生产、交通、电力、 银行、智能办公大楼等许多场合。 在国内外市场上，主要推出的是基于模拟视频监控的工业电视监控，基于数 字技术的多媒体监控系统和基于嵌入式技术的视频监控系统三类产品。前两种技 术发展已经非常成熟，并在实际工程中得到广泛应用；后者是新近崛起的以计算 机技术及图像视频压缩技术为核心的新型视频监控系统，该系统解决了模拟系统 部分弊端而迅速崛起，但仍需进一步完善和发展。与传统的视频监控系统相比， 嵌入式方式的视频监控系统具有体积较小、携带方便、布控区域广阔、几乎无限 的无缝扩展能力、易于组成非常复杂的监控网络、性能稳定可靠等特点，有良好 的应用和发展前景，必将成为今后视频监控领域的主流产品【。 1 2 1 基于模拟视频监控的工业电视监控系统 从摄像机、电视机出现的那天起，原始的以录像机为核心的视频监控系统就 已经诞生。它被广泛应用于保安、生产管理等场合。本地模拟图像监控系统主要 由摄像机、视频矩阵、监视器、录像机等组成，由视频线、控制线缆等连接。采 用视频电缆( 少数采用光纤) 或微波进行传递，传输距离不能太远，容易受到地 形和线路的限制，主要应用于小范围内的监控，如大楼监控等。 监控图像大多只能在现场进行监视。而且，传统的模拟视频监控系统有几个 致命缺陷： ( 1 ) 布线复杂：传统的视频监控主机通常放置在总监控室中，现场的每一个 摄像头都要拉一根很长的同轴电缆到总监控室。传感器信号量和报警器控制信号 也需要分别布线到总监控室。 ( 2 ) 设备庞杂：传统的视频监控系统每一个监视器只能固定监视某一个摄像 头的画面，因此总监控室通常需要摆放上十台甚至更多监视器，即使是做画面切 割，一个监视器也只能固定监视某四个摄像头的画面，而这样又要添加昂贵的分 屏器。此外，系统还需要解码器和电源等设备。 ( 3 ) 智能化低：传统的视频监控系统视频和报警实际上是分开来的，报警后 需要人的干预，不可能自动做一些智能化的反应：例如根据报警状况决定关闭某 电源或是启动某装置，通常视频总是要每天2 4 小时录像才能保证记录到事故发 生的过程。 ( 4 ) 监控质量不高：由于模拟信号容易受干扰，所以监控质量不高。 ( 5 ) 监控的范围有限：由于模拟线路不可能很长，所以信号传输距离有限， 且无法联网，仅限于同一建筑物或工厂内。 以录像机为核心的模拟图像监控系统价格昂贵且使用和管理不便，使监控系 统达不到用户的使用要求。基于模拟视频监控的工业电视监控系统，造价极高且 浪费资源，不易推广应用，已远远不能满足越来越高的生产和管理监控需要。 1 2 2 基于数字技术的多媒体监控系统 9 0 年代中后期，计算机网络开始普及并得到迅猛发展，视频技术的发展也 日新月异，这些技术的发展特别是视频压缩技术的出现和发展，使数字视频的存 储和传输成为可能。计算机技术的成熟和微机的普及，也为基于数字技术的多媒 体监控系统的发展创造了条件。 基于数字技术的多媒体监控系统以t c p i p 协议为网络传输协议，这种数字 化的监控系统有以下优点： ( 1 ) 组网简单，具备t c p i p 协议就可完成监控组网，用网线就可实现设备间 的物理连接。 ( 2 ) 网络规模不受限制，只要能支持t c p i p 协议的网络，都可以传播多媒体 信号及控制信号。在数据传输过程中完全实现数字化，易于实现在远程网络和复 杂的网络拓朴结构中传输。 ( 3 ) 控制管理简单，支持远程控制，容易实现系统的扩容和改造。 基于数字技术的多媒体监控系统一般采用下面的结构：在远端监控现场，有 若干个摄像机，各种检测、报警探头与数据设备，通过各自的传输线路，汇接到 多媒体监控终端上，多媒体监控终端可以是一台p c 机，也可以是专用的工业机 箱组成多媒体监控终端。除了处理各种信息和完成本地所要求的各种功能外，系 统利用视频压缩卡和网络接口卡，通过数字网络，将这些信息传到一个或多个监 控中心。 由于数字信号传输的可靠性高，而且数字化的视频流数据可以通过各种方式 被连接在网络上的计算机共享，所以与模拟视频监控系统相比，基于数字技术的 多媒体监控系统具有传输距离远，图像质量好，数据保存成本低等优点。而且监 控人员无需在监控现场就可以对监控现场进行实时监控，大大提高了监控工作的 效率和灵活性。因此，基于数字技术的多媒体监控系统自出现后得到了广泛应用， 占据了监控系统的主要市场并逐步取代了模拟视频监控系统。 但基于数字技术的多媒体监控系统还存在许多问题： ( 1 ) 监控系统无法适应现场的使用环境，无法实现无人值守，需要专人职守， 维护繁琐。 ，( 2 ) 实时性不高，稳定性、可操作性较差。 ( 3 ) 成本较高。 ( 4 ) 可扩展性差，采用专用的压缩卡和解压卡对视频数据进行压缩和解压， 只能支持一种编码格式，无法提供对其他编码方式的支持。 1 2 3 基于嵌入式技术的视频监控系统 目前基于数字技术的多媒体监控系统仍然占据监控系统的主要市场，但是它 具有：结构复杂，可靠性、稳定性不高，价格昂贵，操作繁琐等缺陷。特别是很 多场合需要在一个监控现场安装多个摄像头，并需要在监控终端同时对多个监控 现场进行实时监控。对于这种需求，如果仍然采用基于数字技术的多媒体监控系 统，利用专用的压缩卡和解压卡对视频数据进行压缩和解压，就需要大量的压缩 解压卡，使整个系统更加复杂，稳定性和可靠性更低，整个系统的成本也更高。 近年来，随着视频监控系统被越来越多的应用于各个领域，对视频监控系统 的要求也越来越高：操作简单、实时可靠、多功能、数字化、经济实用的视频监 控系统的开发和设计正越来越多的受到人们的关注。所以，基于嵌入式技术的视 频监控系统应运而生1 2 j 。 嵌入式系统的定义：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，它是以应用为中心，以计算机技术为基础，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、功耗有严格要求的专用计算机系统。 它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序 等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统 以其体积小、实时性高、稳定性好、支持以太网等优点，成为工控领域的新热点。 基于嵌入式技术的视频监控系统有效地将嵌入式技术和视频监控技术结合在一 起，并且可以很好的解决基于模拟视频监控的工业电视系统和基于p c 的多媒体 监控系统中存在的问题。 基于嵌入式技术的视频监控系统的主要工作原理是：采用嵌入式实时多任务 操作系统，高效压缩芯片压缩和功能强大的电脑c p u ，将视频压缩与传输处理 工作全部内置到芯片上，摄像机传送来的视频信号数字化后由高效压缩芯片压 缩，通过内部处理后转送到网络或服务器上。网络上用户直接用浏览器( 如i e 或 n e t s c a p en a v i g a t o r 等1 观看w e b 服务器上的摄像机图像，也可以通过g p r s 无线 接收模块查看定时图片。 基于嵌入式技术的视频监控系统采用专用的嵌入式芯片和实时操作系统，有 效的提高了系统的实时性和稳定性，而且把视频压缩和网络传输功能集中到一个 很小体积的设备内，可以直接接入以太网，达到即插即看，省掉了各种复杂的电 缆，且安装方便( 只需设置一个i p 地址) ，无需专人职守。 因此，基于嵌入式技术的视频监控系统必将有良好的应用与发展前景，由它 替代当前监控市场上的主流基于数字技术的多媒体监控系统将成为必然趋势。 1 3 视频监控系统传输方案的比较及方案选定 由于课题所涉及的监测对象距离较远，只能在远距离的地方进行数据采集及 传输。随着自动化程度的不断提高，对现场数据远程采集与传输的要求也日益提 高。远程数据采集和传输的实现使得技术人员不需要到达生产现场就能获得重要 的数据，进行远程控制。其中，数据传输的技术是其实现的前提。因此，选择合 适的数据传输方式也是本课题的重要部分。 监控系统根据数据传输方式的不同可以分为有线网络监控系统和无线网络 监控系统。其中有线网络监控系统又主要可以分为： ( 1 ) 基于l a n 的监控系统； ( 2 ) 基于i n t e m e t 的监控系统； ( 3 ) 基于p s t n 的监控系统等等。 无线监控系统又主要可以分为： ( 1 ) 基于集群通信系统的无线监控系统； ( 2 ) 基于g s m 短消息的无线监控系统； ( 3 ) 基于g p r s 的无线监控系统等等。 有线监控方式虽然具有稳定可靠、数据传输速率高等特点，但是对于监测点 数目众多、分布广、地形复杂的区域，有线监控的组网成本高、施工难度大、维 护工作量大。下面对有线和无线传输方式的优缺点做一下简要的对比： ( 1 ) 成本廉价：有线通信方式的建立必须架设电缆，或挖掘电缆沟，因此需 要大量的人力和物力；而无线数据传输方式则无需架设电缆或挖掘电缆沟，只需 要在每个终端连接无线数传电台和架设适当高度的天线就可以了。相比之下无线 数据传输方式，节省了人力物力，节省了投资。 ( 2 ) 适应性好：有线通讯的局限性太大，在遇到一些特殊的应用环境，比如 遇到山地、湖泊、林区等特殊的地理环境或是移动物体等布线比较困难的应用环 境的时候，将对有线网络的布线工程有着极强的制约力，而无线数据传输方式将 不受这些限制，所以说无线数据传输方式比有线通讯有更好的更广泛的适应性， 几乎不受地理环境限制。 ( 3 ) 扩展性好：在用户组建好一个通讯网络之后，常常因为系统的需要增加 新的设备。如果采用有线的方式，需要重新的布线，施工比较麻烦，而且还有可 能破坏原来的通讯线路，但是如果采用无线数据传输方式，只需将新增设备与无 线数传电台相连接就可以实现系统的扩充了，相比之下有更好的扩展性。 ( 4 ) 设备维上更容易实现：有线通讯链路的维护需沿线路检查，出现故障时， 一般很难及时找出故障点，而采用无线数据传输方式只需维护数传模块，出现故 障时则能快速找出原因，恢复线路正常运行。 相比之下，无线数据传输有着很大的优势。以上提到的几种无线监控方式比 较如下。 ( 1 ) 集群移动通信系统是专用移动通信网，建设资金投入量大、建设周期长、 维护不方便，最致命的缺点是系统的有效覆盖范围有限。 ( 2 ) g s m 短消息通信方式利用移动公网的资源，投资少、维护成本低；但是 g s m 短消息一次最多只能传送1 6 0 个字符，不适合大数据量的无线数据传送； 而且短消息的平均传输时延大，实时性差。 ( 3 ) g p r s 系统同样也是利用移动公网的资源，但是基于口的网络，传输速 率较高，理论上可以达到1 7 1 2 k b s ，且传输时延小、系统性能稳定。现在中国 移动的g p r s 网络己经基本覆盖了全国，采用g p r s 实现监控推广方便。g p r s 通信是按流量计费，因此通信资费低廉。更重要的是g p r s 网络作为2 5 g 的移 动通信系统，是g s m 网向3 g 宽带移动通信网平滑过渡的中间阶段，网络的升 级对于用户应用是透明的，未来可以为用户提供更高的传输速率和更广阔的应用 空间。 通过比较，结合本课题的实际要求，选择g p r s 无线传输方式。g p r s 无线 移动通信网络具有稳定可靠、覆盖面广、网络能力强、通信费用低、不受地域限 制的优点，其最大的好处是设备体积小，方便移动，没有引雷部件，不需要作防 雷处理。 此外，本课题在选择图像监测方案时，根据实际情况，图像采集没有选择当 前流行的视频图像方式，而是选择了静态图像的方式。这大大降低了对数据传输 网络容量的要求，使得采用g p r s 网络传输数据的可行性更高。 1 4 本文的主要任务和工作 本文根据视频监控领域的发展趋势，开发了一套基于a r m 9 处理器和u s b 摄像头的嵌入式森林防火视频监控告警系统。通过g p r s 无线传输模块将终端采 集的图片定时传输到远端的监控中心，通过j a v a 编写监控中心的管理控制程序， 有效地对图片进行显示、分析及处理，有效地提高远程森林防火的监控管理效率， 让火灾险情得到及时的控制。 本课题的任务如下： ( 1 ) y 解a r m 9 高性能3 2 位嵌入式处理器的体系结构，及a r m 9 内核的 $ 3 c 2 4 1 0 芯片的内部结构，掌握其中需要用到的功能单元的使用。掌握g p r s 工 作原理及a r m 和g p r sd t u 连接完成数据的透明传输。查阅需要用到的芯片的 资料，用p r o t e l 制图软件画出开发板的设计原理图。 ( 2 ) 搭建系统开发环境。l i n u x 下驱动程序开发，为系统加载所需的z c 3 0 1 摄像头驱动程序。 ( 3 ) 使用基于l i n u x 的v i d e 0 4 l i n u x 编程，开发出系统所需的图片保存及发送 程序。 ( 4 ) g p r s 无线模块的使用，并设计完善的便于调试和扩展的流媒体传输协 议，实现视频数据的稳定传输。 ( 5 ) 使用j 2 e e 平台，采用m v c 设计模式、b s 结构实现监控中心软件部分， 通过它实现对现场环境的监控管理。 第二章系统总体设计 2 1 系统的组成 森林防火无线远程监控系统是由监测终端、通信链路和监控中一t 二, - - 部分组 成。监测终端安装在远端的监测点，负责现场监测工作；监控中心的主要设备是 p c 机，负责接收图像信息和报警信息，同时可发送命令，主动命令监测终端采 集图像信息。系统的组成示意图如图2 1 所示。 ：厂一 i | 摄像头l il c d 显示屏l 冷 上土 王ig 志i c p uq 数传模块li s 3 c 2 4 l o x 耗电少，成本低，功能强大； 1 6 3 2 位双指令集； 全球众多合作伙伴保证供应。 a r m 公司专注于设计。a r m 核以其高性能、体积小、低功耗、紧凑代码和 多供应源的出色结合而著名，它的r i s c 性能业界领先，以小尺寸集成，具有最 低的芯片成本，在非常低的功耗和价格下提供高性能的处理器。a r m 已成为移 动通信、手持计算机、多媒体数字消费等嵌入式解决方案的r i s c 标准。 a r m 处理器出色的性能使系统设计者可以得到完全满足其准确要求的解决 方案。借助于来自第三方开发者广泛的支持，设计者可以使用丰富的标准开发工 具和a r m 优化的应用软件。 a r m 体系结构基于精简指令集计算机( r i s c ) 原理。r i s c 指令集和相关 的译码机制比复杂指令集计算机( c i s c ) 的设计更简单。这种简单性得到了： 高指令吞吐率； 出色的实时中断响应； 体积小、性价比高的处理器宏单元。 a r m 3 2 位体系结构目前被公认为业界领先的3 2 位嵌入式r i s c 微处理器 核，所有a r m 处理器都共享这一体系结构。这可以确保当开发者转向更高性能 的处理器时，在软件开发上可获得最大的回报。 a r m 处理器本身是3 2 位设计，但也配备了1 6 位t h u m b 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，占用的存储空间节省高达 3 5 ，然而保留了3 2 位系统所有的优势( 例如访问全3 2 位地址空间) 。t h u m b 状态与正常的a r m 状态之间的切换是零开销的。如果需要，可逐个历程使用切 换。这允许设计者完全控制其软件的优化。a r m 的j a z e l l e 技术提供了j a v a 加速， 可得到比基于软件的j a v a 虚拟机( j v m ) 高得多的性能。与同等的非j a v a 加速 核相比，功耗降低8 0 。这些功能使平台开发者可自由运行j a v a 代码，并在单 一存储器上建立操作系统( o s ) 和应用。许多系统需要将灵活的微控制器与d s p 的数据处理能力相结合，过去这要迫使设计者在性能或成本之间妥协或采用复杂 的多处理器策略。在c p u 功能上，d s p 指令集的扩充提供了增强的1 6 位和3 2 位算术运算能力，提高了性能和灵活性。a r m 还提供了两个前沿特性嵌入 式i c e r t 逻辑和嵌入式跟踪宏核系列，用以辅助带深嵌入式处理器核的、高集 成的s o c 器件的调试。多年来，嵌入式i c e r t 一直是a r m 处理器重要的集成 调试特性，实际上已加入所有的a r m 核中。允许在代码的任何部分甚至在r o m 中设置断点。断点后，为了调试，前台任务暂停，但并不同时暂停处理器的活动， 而允许中断处理程序继续运行。a r m 业界领先的跟踪解决方案嵌入式跟踪 宏单元( e t m ，e m b e d d e dt r a c em a c r o c e l l ) ，被设计成驻留在a r m 处理器上， 用来监控内部总线，并能以核速度无妨碍地跟踪指令和数据的访问。强大的软件 可配置过滤和触发逻辑允许开发者精确地选择让e t m 捕获哪条指令和数据，然 后将信息压缩，通过分布、可配置的跟踪器和f i f o 缓冲器从芯片中输出。 a r m 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 l0 和s e c u r c o r e 。 进一步的产品来自于合作伙伴，例如i n t e lx s c a l e 微体系结构和s t r o n ga r m 产 品。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。每个系列提供 一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能和体积的需求。s e c u r c o r e 是第5 个 产品系列，是专门为安全设备而设计的。性能高达1 2 0 0m i p s ( x s c a l e 体系结构) ， 功耗测量为g w m h z ，并且所有处理器体系结构兼容。 a r m 作为嵌入式系统中的处理器，以其低电压、低功耗和低集成度等特点 及其开放和可扩性，实际上已成为嵌入式系统首选的处理器体系结构。 l 、r i s c 型处理器结构 为减少复杂功能的指令，减少指令条件，选用使用频度最高的指令，简化处 理器的结构，减少处理器的集成度，并使每一条指令都在一个机器周期内完成， 以提高处理器的速度。a r m 采用r i s c 结构，并使得一个机器周期可执行l 条 指令。 与存储器打交道的指令执行时间远远大于在寄存器内操作的指令执行时间。 因此，r i s c 型处理器都采用了l o a d s t o r e 结构，即只有l o a d s t o r e ( 加载存储) 指令可与存储器打交道，其余指令都不允许进行存储器操作。为此，a r m 也采 用l o a d s t o r e 结构；为了进一步提高指令和数据的存取速度，有的还增加指令 快存i - c a c h e 和数据快存d c a c h e ；同时，还采用了多寄存器的结构，使指令的 操作尽可能在寄存器之间进行。 由于指令相对比较精简，降低了处理器的复杂性，因此，中央控制器就没有 必要采用微程序的方式。a r m 则采用了硬接线p l a 的方式。另外，a r m 为了 便于指令的操作控制，所有指令都采用3 2 位定长。除了单机器周期执行1 条指 令外，而且，每条指令具有多种操作功能，提高了指令使用效率。 2 、t h u m b 指令集 由于r i s c 型处理器的指令功能相对比较弱，a r m 为了弥补此不足，在新 型a r m 体系结构定义了1 6 位的t h u m b 指令集。t h u m b 指令集比通常的8 位和 1 6 位c i s c r i s c 处理器具有更好的代码密度，而芯片面积只增加6 ，可以 使程序存储器更小。 3 、多处理器状态模式 a r m 可以支持用户、快中断、中断、管理、中止、系统和未定义等7 种处 理器模式，除了用户模式外，其余的均为特权模式。这也是a r m 的特色之一， 可以大大提高a r m 处理器的效率。 4 、嵌入式在线仿真调试 a r m 体系结构的处理器芯片都嵌入了在线仿真i c e - - r t 逻辑，便于通过 j t a g 来仿真调试a r m 体系结构芯片，可以省去价格昂贵的在线仿真器。另外， 在处理器核中还可以嵌入式跟踪宏单元e t m ，用于监控内部总线，实时跟踪指 令和数据的执行。 5 、灵活和方便的接口 a r m 体系结构具有协处理器接口，这样，既可以使基本的a r m 处理器内 核尽可能小，又可以方便地扩充各种功能。a r m 允许接1 6 个协处理器，例如 c p l 5 用于系统控制，c p l 4 用于调试控制器。 另外，a r m 处理器核还具有片上总线a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u s a r c h i t e c t u r e ) 。a m b a 定义了3 组总线： 先进高性能总线a h b ( a d v a n c e dh i g hp e r f o r m a n c eb u s ) ； 先进系统总线a s b ( a d v a n c e ds y s t e mb u s ) ； 先进外围总线a p b ( a d v a n c e dp e r i p h e r a lb u s ) 。 通过a m b a 来方便地扩充各种处理器及i o ，这样，可以把d s p 、其他处 理器和i o ( 如u a r t 、定时器和接口等) 都集成在一块芯片中。 6 、低电压低功耗的设计 由于a r m 体系结构的处理器主要用于手持式嵌入式系统之中，a r m 体系 结构在设计中十分注意这点。因此，a r m 体系结构在手持式嵌入式系统中得到 广泛的应用。根据c m o s 电路的功耗关系： p 。= 厂矿品ag c 三 ( 式3 1 ) 二 g c 式中，厂为时钟频率；为工作电源电压；4 是逻辑门在1 个时钟周期内 翻转的次数( 通常为2 ) ；q 为门的负载电容。因此，a r m 体系结构的设计采 用了以下措施： 降低电源电压，可工作在3 0 v 以下； 减少门的翻转次数，当某个功能电路不需要时，禁止门翻转； 减少门的数目，即降低芯片的集成度； 降低时钟频率( 但也会损失系统的性能) 。 3 1 2a r m 处理器结构 1 、a r m 体系结构【4 】 图3 1 是a r m 体系结构图，它由3 2 位a l u 、3 1 个3 2 位通用寄存器及6 个状态寄存器、3 2 x 8 位乘法器、3 2 x 3 2 位桶形移位寄存器、指令译码及控制逻 辑、指令流水线和数据地址寄存器组成。 2 、a r m 的流水线结构 计算机中的1 条指令的执行可以分若干个阶段： 取指，从存储器中取出指令( f e t c h ) ； 译码，指令译码( d e c ) ； 取操作数，假定从寄存器组中取操作数( r e g ) ； 执行运算( a l u ) ； 存储器访问，操作数与存储器有关( m e m ) ； 结果写回寄存器( r e s ) 。 各个阶段的操作相对都是独立的。因此，采用流水线的重叠技术可以大大提 高系统性能。如图3 2 所示，若每个阶段的执行时间是相同的，那么，在1 个 周期就可以同时执行3 条指令，性能可以改善3 倍。 但上述过程是一种理想的过程，各个阶段的操作时间有长有短，故流水线操 作有时不会十分流畅。特别是相邻指令执行的数据相关性会产生指令执行的停顿 ( s t a l l ) ，严重的会产生数据灾难( h a z a r d ) 。如图3 3 所示，第2 条指令的r e g 操作需要第l 条指令执行的结果( r e s ) ，因此，第2 条指令在执行时，不得不产 生停顿。 a l e a 3 1 ：0 】a b e 2 j 指令 d 3 1 ：0 】 图3 1a r m 体系结构图 | f e t c hd e c r e ga l u m e m r e s d b g r q i b r e a k p l l d b g a c k e c l k n e x e c i s y n c b l 3 ：0 】 a p e m c l k n w a i t n r w m a s i ：o 】 n l r q n f i q n r e s e t a b o r t n t r a n s n m r r e q n o p c s e q l o c k n c p i c p a c p b n m 4 ：0 】 t b e t b i t h i g h z _ 时间 图3 - 2 指令执行流水线 1 5 2 指令 时间 图3 - 3 流水线的停顿 3 1 3a r m 微处理器的应用选型 鉴于a r m 微处理器的众多优点，随着国内外嵌入式应用领域的逐步发展， a r m 微处理器必然会获得广泛的重视和应用。但是，由于a r m 微处理器有多 达十几种的内核结构，几十个芯片生产厂家，以及千变万化的内部功能配置组合， 给开发人员在选择方案时带来一定的困难，所以对a r m 芯片做一些对比研究是 十分必要的。 以下从应用的角度出发，对在选择a r m 微处理器时所应考虑的主要问题做 一些简要的探讨。 1 、a r m 微处理器内核的选择 从前面所介绍的内容可知，a r m 微处理器包含一系列的内核结构，以适应 不同的应用领域，用户如果希望使用w i n c e 或标准l i n u x 等操作系统以减少软 件开发时间，就需要选择a r m 7 2 0 t 以上带有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 功能的a r m 芯片，a r m 7 2 0 t 、a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 6 t 、s t r o n g a r m 都带有m m u 功能。而a r m 7 t d m i 则没有m m u ，不支持w i n d o w sc e 和标准 l i n u x ，但目前有u c l i n u x 等不需要m m u 支持的操作系统可运行于a r m 7 t d m i 硬件平台之上。事实上，u c l i n u x 已经成功移植到多种不带m m u 的微处理器 平台上，并在稳定性和其他方面都有上佳表现。 2 、系统的工作频率 系统的工作频率在很大程度上决定了a r m 微处理器的处理能力。a r m 7 系 列微处理器的典型处理速度为0 9 m i p s m h z ，常见的a r m 7 芯片系统主时钟为 2 0 m h z 1 3 3 m h z ，a r m 9 系列微处理器的典型处理速度为1 1 m i p s m h z ，常见 的a r m 9 的系统主时钟频率为1 0 0 m h z 2 3 3 m h z ，a r m l 0 最高可以达到 7 0 0 m h z 。不同芯片对时钟的处理不同，有的芯片只需要一个主时钟频率，芯片 内部时钟控制器可以分别为a r m 核和u s b 、u a r t 、d s p 、音频等功能部件提 供不同频率的时钟。 3 、芯片内存储器的容量 大多数的a r m 微处理器片内存储器的容量都不太大，需要用户在设计系统 时外扩存储器，但也有部分芯片具有相对较大的片内存储空间，如a t m e l 的 a t 9 1 f 4 0 1 6 2 就具有高达2 m b 的片内程序存储空间，用户在设计时可考虑选用 这种类型，以简化系统的设计。 4 、片内外围电路的选择 除a r m 微处理器核以外，几乎所有的a r m 芯片均根据各自不同的应用领 域，扩展了相关功能模块，并集成在芯片之中，我们称之为片内外围电路，如 u s b 接口、i i s 接口、l c d 控制器、键盘接口、r t c 、a d c 和d a c 、d s p 协 处理器等，设计者应分析系统的需求，尽可能采用片内外围电路完成所需的功能， 这样既可简化系统的设计，同时提高系统的可靠性。 3 1 4 三星$ 3 c 2 4 1 0 x 处理器 a r m 9 t d m i 核将a r m 7 t d m i 的功能显著提高到更高、更强的水平。 a r m 9 t d m i 也支持t h u m b 指令集，并支持片上调试。最显著的区别是流水线从 a r m 7 的3 级增加到5 级。其实a r m 9 使用5 级流水线也是受s t r o n g a r m 流水 线的启发而设计的，并针对s t r o n g a r m 的某些不足加以改进，从而获得了更好 的性能。a r m 7 的3 流水线操作如图3 4 所示。 1 匝塑工蔓 圆 2 匝亟江蔓互羽 3 陬蓓习、丽_ t 可 指令 o 时间 图3 - 4a r m 7 的3 级流水线 上述3 级流水线中，取指令的存储器访问和执行的数据通路占用都是不可同 时共享的资源，对多周期指令来说，会产生流水线阻塞。 到a r m 7 为止，上述的3 级流水线性价比很高。但是随着人们对性能要求 不断提高，使用原有的3 级流水线是无法满足要求的，因此a r m 9 处理器使用 了5 级流水线。同时具有分开的指令和数据存储器，减少了在每个时钟周期内必 须完成的最大工作，进而允许使用更高的时钟频率。5 级流水线具体如下： 取指：从存储器中取出指令，并将其放入指令流水线； 译码：对指令进行译码； 执行：把一个操作数移位，产生a l u 的结果； 缓冲数据：如果需要则访问数据存储器；否则a l u 的结果只是简单地 缓冲1 个时钟周期，以便所有的指令具有同样的流水线流程； 回写：将指令产生的结果回写到寄存器堆，包括任何从存储器中读取的 数据。 图3 5 比较了a r m 7 的3 级流水线和a r m 9 的5 级流水线。该图显示了处 理器的主要处理功能如何在增加的流水线之间重新分配，以使时钟频率在相同的 工艺下得到提高。 a r m 7 t d m l 取指令 | lt h u m b 解压缩ia r m i 犟码| r e g i 卖i 移位，a l u ；r e g 写| a r m 9 t d m i 匪堕口匝碧匿匦团圆圄匦匾至 图3 5a r m 7 t d m i 与a r m 9 t d m i 流水线比较 s 3 c 2 4 1 0 x 采用了a r m 9 2 0 t 内核，o 1 8 1 , t m 工艺的c m o s 标准宏单元和存 储器单元。它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感 的应用。同样它还采用了a m b a 新型总线结构。 $ 3 c 2 4 1 0 x 通过提供一系列完整的系统外围设备，大大减少了整个系统的成 本，消除了为系统配置额外器件的需要。$ 3 c 2 4 1 0 x 集成了以下片上功能： 1 8 v 内核供电，3 3 v 存储器供电，3 3 v 外部i o 供电； 具备1 6 k b 的i - c a c h e 和1 6 k b 的d c a c h e m m u 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) ； l c d 控制器( 最大支持4 k 色s t n 和2 5 6 k 色t f t ) ，提供1 通道l c d 专用d m a ； 4 通道d m a ，并有外部中断请求引脚； 兼容s d 主接口协议1 0 版本和m m c 卡兼容协议2 1 1 版； i i s 总线接口和i i c 总线接口； 2 个s p i 接口； 2 端口u s b 主机1 端口u s b 设备，支持u s b l 1 协议； 3 个串行接口； 4 通道p w m 定