（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入式处理器的远程视频采集系统.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t e m b e d d e ds y s t e mi st a k et h ea p p l i c a t i o ba st h ec e n t e r , t h e s o t = c w a r ea n dh a r d w a r e m a yr e d u c e t h ea d a p t i o na p p l i c a t i o ns y s t e mt o c o m p r e h e r t s i v es t r i c tr e a l u e s tt h ea n ds o o nt h ef u n c t i o n ，r e l i a b i l i t y , c o s t ，v o l u m es p e c i a lp u r p o s ec o m p u t e rs y s t e m , t h a ti st h e s p e c i a l p u r p u s ec o m p u t e a s y s t e m w h i c ha c t s a c c o r d i n g t o c i r c u m s t a n c e sf o r t h e s u p e r v i s o r ys y s t e m e m b e d d e ds y s t e m a t i cc o u e c f i o ns o f t w a r e a n dh a r d w a r et oab o d y , m a i n l yb ye m b e d d e dp r o c e s s o r , t h e c o r r e l a f i o ns u p p o r t st h eh a r d w a r e ，i n s e r t st h et y p e o p e r a t i n gs y s t e m a n dt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r es y s t e ma n ds oo ni sc o m p o s e d t i l i sa r t i c l es t u d i e sb a s e do ni n s e r t st y p el m u xa n di n t e lx s c a l et h e p x a 2 5 5 p r o c e s s o rd e s i g na n dt h er e a l i z a t i o nl o n g m i s t a n c ev i d e o f r e q u e n c yg a t h e r i n gs y s t e m t o e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma n d h a r d w a r ec o r r e l a t i o nf a s tf l o o ra c t u a t i o ns o f t w a r e ，t h e s y s t e m c s s e n c e ，t h ee q u i p m e n ta e n m t e st h ec o n n e c t i o n ，m ec o r r e s p o n d e n c e a g r e e m e n g t h eg r a p h i c a li n t e r f a c e ，t h es t a n d a r d i z e db r o w s e ra n ds oo na b o v et h er e l a t e dq u e s t i o n r e s e a r c hf o u n d a f i o n ，a n dh a sc a r r i e do nt l l e t r i a lm a n u f a c t u r i n gt ot h i ss y s t e m c o n e r e t c i s t h r o u g ht h eu s bc a m a - ag a i nr e a l t i m ev i d e of r e q u e n c y , u s e st h ea p if u n c l i o nw h i c h v i d e 0 4 l i n u xp r o v i d e st 0c a r r yo nt h ev i d e o f r e q u e n c yg a t h e r i n gp r o c e d u r et h ed e s i g n u s e st h ea d v a n c e dh 2 6 4 a l g o r i t h mc o m p r e s s i o nc o d e h a sr e a l i z e dt h en e t w o r k i r a n s m j s s i o n t h r o t l g ht h es o l i df a s h j o nr e e d i at r a n s m i s s i o nt o c h n o l o g y 1 1 l i s r e s e a r c h u s ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t g mi nt h e s y s t e mr e a l t i m e e f f e c t i v e n e s s ，t h e h a r d w a r ec o r r e l a t i o n d e p e n d e n c e , t h e s o f t w a r es o l i d s t a t ea n d a p p u c a t i o n s p e c i m - p u r p o s ca n ds oo nt h ea s p e c tp r o m i n e n t c h a r a c t e r i s t i c ，h a sr e a l i z e dt h ef u n c t i o n w h i c hd e s i g n s i nr e c e n ty e a r s a l o n gw i 山c o r r e l a t i o nt e c h n o l o g yt h ea n ds oo a n e t w o r kt e c h n o l o g y , t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g ya n dv i d e of r e q u e n c y c o m p r e s s i o nu n c e a s i n gd e v e l o p m e n t , t h e n e t w o r kv i d e o f r e q u e a c y s u p e r v i s o r ys y s t e m i n s c o p ea n d s oo oi n i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o n ，i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ， b a n k , m a r k e t s u p e r m a r k e t , h o s p i t a l c a m p u s ，e n t e r p r i s ep r o d u c t i o na n ds m a l l u n i tr e s i d e n t i a la r e ao b t a i n e dt h e w i d e s p r e a d a p p l i c a t i o n ，a l r e a d ys e e p e d i n p r o d u c t i o n l i f ee a c h d o m a i n ，h a dd i r e c t - v i e w i n g 。 c o n v e n i e n ta n dt h ei n f o r m a t i o nc o n t e n ti sr i c ha l l d s oo nt h ec h a r a c t e r i s t i c k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e mo fl m u x ；p x a 2 5 5p r o c e s s o r , v i d e 0 4 l i n u x ；h 2 6 4 ； n e t w o r k t r a n s m i s s i o n 佩a 亡工案火秀 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本声明的法律结 学位论文作者签名： 魄年5 月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 葫湘影删 。 名 文 签卜p 溉臌班 一瓤即警确m 割 轻 月 扫 者 f ；l ；储产 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章引言 随着电子技术和计算机技术的快速发展，嵌入式产品以其体积小、性能强、 功托低、可靠性高以及适应面广等优点，被广泛的应用于网络通信，消费电子， 工业控制等各个领域。 随着多媒体技术、网络技术的迅猛发展和后p c 机时代的到来，利用嵌入式系 统实现远程视频监控、可视电话和视频会议等应用已成为可能。为了实现这些应 用，实时获得视频数据是一个重要环节。针对这一点本文在基于嵌人式l i n u x 系统 平台上利用v i d e 0 4 l i n u x 内核应用编程接口函数，采用先进的h 2 6 4 协议编码，实 现了单帧图像和视频连续帧的采集，并保存成文件的形式供进一步视频处理和网 络传输用。 1 1 嵌入式网络视频监控系统的研究现状 近年来，随着网络技术、传输技术和视频压缩等相关技术的不断发展，网络 视频监控系统在智能交通、智能楼宇、银行、商场超市、医院校园、企业生产和 生活小区等范围内得到了广泛应用，已经渗透到了生产生活中的各个领域具有 直观、方便和信息量丰富等特点。视频监控系统随着相关技术的不断进步和发展， 经历了三个发展阶段： ( 1 ) 模拟监控，视频以模拟方式采用同轴电缆进行传输，并由控制主机进行模 拟处理； ( 2 ) 半数字监控，视频仍以模拟方式采用同轴电缆进行传输，但数据通过硬盘 录像机( o v r ) 进行处理、存储； ( 3 ) 网络多媒体的数字视频监控，被采集的视频信号被数字化，经过压缩编码在数 字通讯线路上进行传输，采用流媒体技术实现视频在网络上的多路复用传输。 视频监控系统将现场的图像和声音全天候地记录下来，并实时地传送剑控制中 心，可以使相关管理人员对各个现场情况了如指掌，对出现的各种情况进行处理， 而且还可以在需要的情况下回放相关的历史资料。因此，网络视频监控系统对安 防、管理等提供了极大的方便。对其展丌研究具有重要的理论意义和实际价值。 网络视频监控需要将采集到的数据进行压缩编码，然后在网络中安全可靠的传 输，在接收端进行解码回放，整个系统最关键的就是要保证监控的视频质量，如 果画面模糊，无法分辨就失去了监控的目的。而且由于视频监控系统的数据量 湖北工业大学硕士学位论文 庞大，需要在保证图像质量的情况下有大的压缩比，这样可以占用更小的带宽和 存储空间，节约成本。所以视频图像压缩技术是网络视频监控系统中最关键的技 术。自1 9 8 0 年以来，国际标准化组织( i s o ) 国际电工委员会( i e c ) 和国际电信联 盟( i t u ) 下属的国际电报电话咨询委员会( c c i t t ) 陆续完成了各种数据压缩与通信 的标准和建议，如m p e g 系列和h 2 6 x 系列。而且，目前针对上述不同的部分标准在 实际中都得到了一定的应用。 1 2 视频压缩技术的国内外研究现状 随着多媒体技术的广泛应用，图像压缩编码技术得到了学术界和工业界的重 视，获得了长足的发展。自1 9 8 0 年以来，国际标准化组织( i s o ) 、国际电工委员会 ( i e c ) 和国际电信联盟( i t u ) 下属的国际电报电话咨询委员会( c c i t t ) 陆续完成了 各种数据压缩与通信的标准和建议，如以j p e g 和j p e g - 2 0 0 0 为代表的静止图像压缩 标准：以m p e g - i ，m p e g2 和m p e g 一4 为代表的中高码率数据编码标准；以h 2 6 1 ，h 2 6 3 ， h 2 6 3 + h 2 6 3 h 为代表的低码率、甚低码率运动图像压缩标准：以及适用范围更 广的、最新完成的h 2 6 4 标准。国内对视频压缩技术的研究较早，但真正制定完成 属于自己的标准是在2 0 0 3 年底，即音视频编码标准a v s 1 2 1 国内研究现状 a v s ( 由数字音视频编解码技术标准工作组开发) 是中国自主制定的音视频编 码技术标准 5 1 a v s i 作组成立于2 0 0 2 年6 月，当年8 月开始了第一次的工作会议。 经过7 次a v s 正式工作会议和3 次视频组附加会议，经历一年半的时间，审议了1 8 2 个提案，先后采纳了4 l 项提案，2 0 0 3 年1 2 月1 9 日a v s 视频部分终于定稿。a vs 视频 当中具有特征性的核心技术包括：8 女8 整数变换、量化、帧内预测、i 4 精度像素插 值、特殊的帧间预测运动补偿、二维嫡编码、去块效应滤波等。 a v s 视频的主要特点是应用目标明确，技术有针对性。因此在高分辨率应用中， 其压缩效率明显比现在在数字电视、光存储媒体中常用的m p e g 一2 视频提高一个层 次。在压缩效率相当的前提下，又较m p e g 一4 av c h 2 6 4 的m a i np r o f i l e 的实现复 杂度大为降低。目前的a v s 视频技术可实现标准清晰度( c c i r6 0 1 或相当清晰度) 、 低清晰度( c i f ，s i f ) 等不同格式视频的压缩。 1 2 2 国外研究现状 国外对图像的压缩研究较成熟，主要有两大机构从事这方面的工作：i t u - t 下 湖北工业大学硕士学位论文 属的视频编码专家组v c e g ( v i d e oc o d i n ge x p e r t sg r o u p ) 和i s o i e c 下属的活动图 像专家组l i p e g ( 1 a o t i o np i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 。从1 9 8 0 年以来己经制定了许多 针对不同应用的标准。i t u t 主要制定了h 2 6 x 系列标准，如h 2 5 1 ，h 2 6 3 ，h 2 6 3 + , h 2 6 3 + + 等，i s o i e c 主要制定了肝e gx 标准，如肝e g _ 1 2 4 等。以下简要介绍几 种图像压缩标准。 1 2 2 1m p e g - 1 m p e g a 制定于1 9 9 2 年，是m p e g 第一阶段的成果，它的编号为i s o i e c l l l 7 2 它 规定视频信息与伴音信息经压缩之后的数据速率上限为1 酬b i t s ，从而可以 在c i 卜r o m 、可写光盘等介质上进行存储，也可以在局域网、i s o n 上进行视频与伴 音信息的传输。它不支持隔行扫描所得的视频源数据流。采用了帧内编码和帧间 编码相互结合的编码方法。支持i 、p 、b 、o c 四种帧类型。该标准在典型的运动补 偿预测编码c m c p c ) 框架的基础上，应用了半像素的双向预测技术，可提供更好的 编码质量和更高的压缩比。肝e g 的编码速率最高可达4 5 m b i t s s ，但随着速率 的提高，其解码后的图像质量有所降低。 应用m p e g - 1 技术最成功的产品非v c d 莫属了，v c d 作为价格低廉的影像播放设 备，得到广泛的应用和普及。m p e g - 1 也被用于数字电话网络上的视频传输，如非 对称数字用户线路( a d s l ) ，视频点播( v o d ) ，以及教育网络等。 1 2 2 2 岍。e g 一2 肝e p 2 制定于1 9 9 4 年，是在m p e g 一1 的基础上进一步发展成的音视频编码标准， 主要目标是针对广播级的高质量音视频以及更高的传输率。与m p e g a 相比，l i p e g - 2 能够很好的处理隔行扫描的数字视频源：支持多输入视频序列的采样格式：支持几 种可选择的运动预测模式，如按帧或场的运动预测：按帧或场的o c t 和两种不同的 扫描方式等。m p e g 一2 所能提供的传输率在3 m b - i o m b s 问，在n t s c 制式下的分辨率 可达7 2 0x4 8 0am p e g 一的音频编码可提供左右中及两个环绕声道以及一个加 重低音声道和多达七个伴音声道。m p e 6 2 的另一特点是，可提供一个较广范围的 可变压缩比，以适应不同的画面质量、存储容量以及带宽的要求。 m p e g 一2 技术就是实现d v d 的标准技术，现在i ) 7 3 播放器也开始在家庭中普及起 来了。除了作为o v d 的指定标准外，b p e g - 2 还可用于为广播、有线电视网、电缆网 络以及卫星直播提供广播缴的数字视频。 1 2 2 3 忡e g 4 为了适应多媒体通信的快速发展，i s o 于1 9 9 4 年开始制定m p e g 一4 标准。i v l p e g - 4 湖北工业大学硕士学位论文 标准展切是为了满足视频会议等的需要而制定的可以对音频、视频对象进行高校 压缩的算法和工具，仅限于极低比特率的应用，后来经过不断的发展成为一个可 以适应于各种多媒体应用、提供各种编码比特率的标准。整个m p e g - 4 标准主要分 为m p e g 一4 系统、m p e g 一4 音频和m p e g 一4 视频等基本部分和扩充的部分组成 1 m p e g - 4 视频编码的主要目标在于提供一种通用的编码标准，以适应不同的传输带 宽、不同的图像尺寸和分辨率、不同的图像质量等，进而为用户提供不同的服务。 与传统的基于像素的视频压缩标准( 如m p e g - 1 ，m p e g - - 2 ，h 2 6 1 ，h 2 6 3 等) 不同， m p e c r - 4 采用基于对象的视频编码方法，它不仅可以实现对视频图像数据的高校压 缩，还可以提供基于内容的交互功能。除此以外。为了使压缩后的码流具有对于 信道传输的鲁棒性，肝e g 一4 还提供了用于误码检测和误码恢复的一系列工具，这 样采用肝e g 一4 标准压缩后的视频数据可阻用于带宽受限、易发生误码的网络环境 中。经过这几年的发展，现在最热门的应用是利用m p e g - 4 的高压缩率和高的图像 还原质量来把d v d 里面的m p e g 一2 视频文件转换为体积更小的视频文件。经过这样处 理，图像的视频质量下降不大但体积却可缩小几倍，可以很方便地用c d r o m 来保 g d v d 上面的节目。另外，m p e g - 4 在家庭摄影录像、网络实时影像播放将大有用武 之地。 1 2 2 4h 2 6 1 h 2 6 1 是i t u - t 提出的作为1 t 3 2 0 终端使用的视频编解码建议，制定于1 9 9 2 年， 常称为p x 6 4 k 标准，其中p 是取值为1 到3 0 的可变参数：p = - i 或2 时支持四分之一中间 格式( q c i f ：q u a r t e rc o m l o ni n t e r m e d i af o r m a t ) 的帧率较低的视频电话传 输：p - 6 时支持通用中间格式( c i f ：c o m l o ni n t e r m e d i a t ef o r m a t ) 的帧率较高的 电视会议数据传输。p x 6 4 k 视频压缩算法也是一种混合编码方案，即基于o c t 的变 换编码和带有运动预测差分脉冲编码调制( d p c m ) 的预测编码方法的混合。在低传 输速率时( p = i 或2 ，即6 4b i t ：或1 2 8 k b i t s ) ，除q c i f p f 还可使用亚帧( s u b f r a m e ) 技术，即每间隔一帧( 或数帧) 处理一帧，压缩比可高达5 0 ：1 左右。h 2 6 1 主要应用 于i s d n 网上的视频会议系统，借助于电信行业提供的p x 6 4 k 带宽的通信线路( 其中 p = l - 3 0 ) ，实现异地多方参加的电视会议。目前国际、国内几乎所有的( 电信、政 府、企业等) 电视会议系统采用的压缩技术均源自h 2 6 1 标准。该标准是采用现代 编码算法的通用视频标准，其后很多标准的形成都受至, j l t 2 6 1 标准的很大影响。 12 2 5h 2 6 3 h 2 6 3 是i t u t 提出的作为h 3 2 4 终端使用的视频编解码建议，制定于1 9 9 6 年。 h 2 6 3 标准是在h 2 6 1 标准的基础上发展而来。它是基于运动补偿的d p c m 的混合编 4 湖北工业大学硕士学位论文 码，在运动搜索的基础上进行运动补偿，然后运用d l t 变换和“z ”字形扫描游程 编码，从而得到输出码流。h 2 6 3 在h 2 6 1 建议的基础上，将运动矢量的搜索增加 了半象素点搜索：同时又增加了无限制运动矢量、基于语法的算术编码、高级预测 技术和p b 帧编码等四个高级选项：从而达到了进一步降低码速率和提高编码质量 的目的。 虽然当今网络的发展十分迅猛，然而数字图像应用的主要媒质一一公用电话网 ( p s t n ) 和无线网络，其传输速率仍然有限。应用其早期的视频编码标准h 2 5 1 ，无 法获得所需的压缩性能和对信道误码的鲁棒性。 l2 6 3 标准能够满足现有信道所 需要的压缩性能，并提供对信道误码的一定鲁棒性，从而成为新的底码率视频编 码的主流标准。 目前，h 2 6 3 广泛应用于可视电话、视频邮件、银行、企业及智能化住宅的 远程视频监控等领域。i t u _ t h 3 2 4 及h 3 2 0 等标准均将h 2 6 3 作为图像部分的压缩 标准。 1 2 2 6h 2 6 4 h 2 6 4 由i t u lv c e g 和i s o i e cm p e g 联合组成的j v t 开发的h 2 6 4 m f e g 。1 4 4 9 5 1 0a v c 的最新一代的视频压缩标准，是目前图像通信领域研究的热点。具 体的内容介绍和分析将在第3 章进行详细的说明。 1 3 研究内容和意义 视频服务器内置一个嵌入式w e b f l 日务器，采用嵌入式实时多任务操作系统。摄 像机送来的视频信号数字化后由高效压缩芯片压缩，通过内部总线送到内置的w e b 服务器，网络上用户可以直接用浏览器观看w e b 服务器上的摄像机图像，授权用户 还可以控制摄像机、云台、镜头的动作或对系统配置进行操作。由于把视频压缩 和w e b 功能集中到一个体积很小的设备内，可以直接连入局域网，达到即插即看， 省掉多种复杂的电缆，安装方便( 仅需设置一个i p 地址) ，用户也无需安装任何 硬件设备，仅用浏览器即可观看。 嵌入式视频监控系统与其它监控系统的比较： ( 1 ) 布控区域广阔 嵌入式视频w e b 服务器监控系统的w e b 服务器直接连入网络没有线缆长度和 信号衰减的限制，同时网络是投有距离概念的，彻底抛弃了地域的概念，扩展布 控区域。 ( 2 ) 系统具有几乎无限的无缝扩展能力所有设备都以i p 地址进行标识，增加 湖北工业大学硕士学位论文 设备只是意味着i p 地址的扩充。 ( 3 ) 可组成非常复杂的监控网络 采用基于嵌入式w e b 服务器为核心的监控系统，在组网方式上与传统的模拟监 控和基于p c 平台的监控方式有极大的不同，由于w e b 服务器输出已完成模拟到数字 的转换并压缩，采用统一的协议在网络上传输，支持跨网关、跨路由器的远程视 频传输。 ( 4 ) 性能稳定可靠，无需专人管理 嵌入式w e b 服务器实际上基于嵌入式电脑技术，采用嵌入式实时多任务操作系 统，又由于视频压缩和w e b 功能集中到一个体积很小的设备内，直接连入局域网或 广域网，即插即看，系统的实时性、稳定性、可靠一i 生大大提高，也无需专人管理， 非常适合于无人值守的环境。 ( 5 ) 当监控中心需要同时观看较多个摄像机图像时，对网络带宽就会有一 定的要求。 网络视频监控系统是采用通信、计算机、互联网技术和标准，基于最先进的 视频压缩技术开发的嵌入式网络视频监控系统。一般采用标准的互联网t c p i p 协 议，不仅能在本地局域网传送实时图像，还可以在网络带宽受限的i s d n 、p s t n 、 x d s l 路由器、广域网、i n t e r n e t 和无线网络上传送高清晰图像，对于语音传送， 也真正达到了实时并与视频同步。 网络视频服务器分为视频编码器和视频解码器。视频编码器单独使用，可以 采用软件解压方式，通过网络监控浏览：若将这两个设各组合在一起，不但可以 通过监视器或电视墙观看，也可以通过网络监控浏览。 网络视频监控系统的关键技术之一是视频图像的压缩和解压缩。目前视频标 准的两大制定组织i t u - t 和i s o i e c 制定了许多标准，如h 2 6 x 系列，m p e g x 系列。 其中，h 2 6 4 标准是由两大组织共同合作制定的最新一代的视频标准，该标准的码 率低，图像质量好，对于i s d n p s t n 、以太网等低速率信道，该标准是最好的选 择。 该系统基于嵌入式l i n u x 和p x a 2 5 5 处理器，采用u s b 摄像头捕捉视频，经h 2 6 4 算法压缩编码，通过实时流媒体传输技术实现了网络传输，初步满足了远程视频 通信的要求。目前，随着微处理器技术、计算机网络和多媒体技术的迅速发展， 嵌入式网络视频监控系统的实现已成为可能。它利用i p 网络实现远程视频监控， 把摄像机采集到的模拟视频信号数字化后由高效芯片压缩，通过内部总线传送到 内置的w e b 服务器，用户在客户端直接通过浏览器观看w e b h 务器上的摄像机视频 图像，从而使得监控无处不在，不再受距离等方面的限制。 6 湖北5 - 业大学硕士学位论文 i i i 第2 章嵌入式系统与a r m 介绍 2 1 嵌入式系统介绍 很难给嵌入式系统下一个准确的定义，困为各种各样的嵌入式产品已经渗透 到工业，生活，国防等各个方面，出于各个产品的用途，性能，所使用的处理器 或器件各不相同，使得“嵌入式系统”这个概念变的越来越模糊。 2 1 1 嵌入式系统的概念 借鉴i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 对嵌入式系统的定义：嵌入式系统是 “控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置( d e v i c e su s e dt oc o n t r o l m o n i t o ro ra s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t m a c h i n e r yo tp l a n t s ) 。这 主要从应用的角度对嵌入式系统加以定义，电子学的嵌入式系统可以概括为把计 算机技术直接嵌入到应用系统之中，融合计算机软硬件、通信技术和半导体微电 子技术，是信息技术的最终产品。 嵌入式系统般由嵌入式处理器、外围硬件设备，嵌入式操作系统以及应用 程序等部分组成，实现对设备的控制、监视、管理等功能。作为嵌入式系统的核 心部件嵌入式微处理器。要对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且 有较短的中断响应时问，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减小到最低限 度具有功能很强的存储区保护功能以利于软件诊断，具有低功耗、可扩展的处理 器结构等特点。外围硬件设备包括一个由嵌入式系统内存、i o 端口、复位电路和 电源等与c p u 一起构成的嵌入式目标系统。与真实环境交互的各种设备有：存储设 各、i o 设备( 键盘、鼠标、l c d 等) 和打印设备( 打印机、扫描仪等) 。 为适应不断发展的嵌入式产品需要，e o s ( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，嵌入 式操作系统) 要占有很少的硬件资源，提供强大的网络功能，同时要有良好的移植 性、友好的g u i 、高可靠性和实时性，以保证程序执行的实时性、可靠性，并尽可 能的减少开发时间，保障软件质量。嵌入式处理器的应用程序是实现嵌入式系统 功能的关键，其系统软件和应用软件要求功能丰富，耍有高质量、高可靠性的软 件代码，此外，许多应用系统要求系统软件具有高的实时处理能力。 7 湖北工业大学硕士学位论文 2 1 2 嵌入式系统现状与未来发展方向 随着电子产品向着智能化、集成化、网络化的方向发展，嵌入式系统得以被 广泛的应用于航空航天、通信、消费类电子产品等方面。在通信领域，数字技术 正在全面取代模拟技术。在广播电视领域，一些世界先进国家己经有模拟电视i f ) 数字电视转变，欧洲的d v b ( 数字电视广播) 技术己在全球大多数国家推广，所有这 些都离不开嵌入式技术的发展。个人应用领域，如智能电话、p d a 等高端数字产品 更是离不开嵌入式系统技术。另外，嵌入式产品也广泛的应用于工业控制领域、 n i 、自动售货机等领域。 嵌入式硬件方面，各大微处理器公司相继推出不同的芯片和开发系统。目前 底层系统和硬件平台经过若干年的研究，已经相对比较成熟，实现各种功能的芯 片应有尽有。 嵌入式软件方面，也已经有很多成熟的软件系统，如l i n c e ，u c o s p s o s 等。目前可以根据自己产品的特点选择相应的软件，进行开发。 信息化给嵌入式产品带来了巨大的商机。未来嵌入式产品的发展趋势可以概 括为以下几点： 1 友好的人机接口。嵌入式设备之所以为广大的用户所接受，重要因素之一 是它能提供非常友好的用户界面、图像界面和灵活的控制方式，便于人们使用。 虽然目前触摸屏，键盘，液晶显示界面等终端己经被应用与智能手机或p d a 之中， 但其他的一些嵌入式产品还远没有达到这样的要求。另外，语音控制等先进技术 在一些嵌入式系统中的应用还有待开发和完善。 2 更加的小型化、低功耗和低成本。这就要求嵌入式产品在增加功能的情况 减小体积，降低功耗，并不断的缩减成本。这在软件和硬件方面相对与目前的嵌 入式系统都有更高的要求。 3 网络化。为适应嵌入式分布处理结构和应用上网的需求，未来的嵌入式系 统要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入式设备必 须配有通信接口，相应需要t c p i p 协议簇软件支持：另外一些场合还需要各种设备 的随调工作，所以近距离的数据传输接口，如i e e e l 3 9 4 、u s b 、c a n 、b l u e t o o t h 或 i r d a 通信接口也成为必需。同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱 动软件。 4 开发工具功能更强大。为了使嵌入式产品更快的适应市场的需求，设计开 发人员不得不加快开发的速度，速度就是效益。而功能强大的开发工具使得开发 调试更加容易，无疑会加快产品的开发速度。 湖北3 - 业大学硕士学位论文 2 1 3 嵌入式系统的特点 嵌入式系统一般由微处理器、外围硬件设备、操作系统、控制与应用软件和 开发调试平台等五部分构成。 ( i ) 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心。任何微处理器m p u 或微控制器n i c u 都可以 做为嵌入式系统的核心。对于新型的嵌入系统的核，要求其处理速度快，存储容 量大，i l o 功能强，功率损耗低以及实时响应快等。 用x 8 6 微处理器架构作为嵌入式系统的核，具有开发方便和移植容易等优点， 但是其体积大、功耗高和实时性差等不足也给其带来应用的局限。因此采用该架 构的嵌入式系统较多用于对体积和功耗要求不高的工业控制和台式没各的应用领 域。8 0 1 8 6 8 0 1 8 8 是最早用于嵌入式系统的处理器，至今在网卡、终端设备和工业 控制中还可以看到这种处理器。8 0 3 8 6 e x u 是最早用于s o c 型的中片机p c 机，它以 8 0 3 8 6 微处理器为核，在一块芯片上集成t p c 机常用的i o 、实时时钟r t c 、中断控 制器、d m a 控制器、定时计数器、并行串行口咀及v g a 的l c d 液晶驱动器等。现在 仍有很多公司采用4 8 6 5 8 6 微处理器为核，推出了面向o v d 、机顶盒和w e b p a d 等应 用的s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 芯片。 数字信号处理器o s p 也常用作嵌入式系统的核。o s p 具有数字信号处理能力强 的特点，特别适合于声音、图像等多媒体信息处理系统。但是d s p 存在常规处理能 力不强、寻址范围有限、u 0 功能较弱及开发平台差等不足，很少单独作为嵌入式 系统的核，而是作为新型嵌入式处理系统的一个组成部分。 r i s c ( r e d u c ei n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 型处理器具有结构简单、处理速度 快和处理功能强等优点，所以新型的嵌入式系统大多数都采用r i s c 型处理器作为 核。例如a r m 公司的a r ，h i t a c h i 公司的s h ，m i p s l s i l o g i c i d t a l d e n y t o s h i b a 公司的m i p s 和m o t o r o a 公司的m - c o r e 等都是新型嵌入式系统常用的r i s c 型处理 器。其中，a 蹦架构的r i s c 处理器销量最大。 ( 2 ) 嵌入式操作系统 面向嵌入式系统的操作系统具有以下特点： 1 ，编码体积小：适合在嵌入式系统的有限存储空间中运行。 2 面向应用，可裁减和移植：可进一步缩小编码体积，有效地运行。此类0 s 也可称为特定应用操作系统a s o s ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i co p e r a t i n gs y s t e m ) 3 实时性强：这是嵌入式系统的特征之一，因此，嵌入式操作系统有时也称 为实时多任务操作系统r t o s ( r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 9 湖北工业大学硕士学位论文 4 可靠性高：嵌入式系统可无需人工干预独立运行，并处理各类事件和故 障。 2 0 世纪七八十年代，各种嵌入式操作系统得到了蓬勃发展，随着i n t e r n e t 的 飞速发展，面向i n l e r n e t 的嵌入式操作系统已成为主流产品。特别是随着系统级 芯片s o c 的发展，嵌入式操作系统已开始能像硬件e p 模块那样嵌入到芯片中。 嵌入式操作系统按其应用对象不同，有以下几类： 1 基于或与w i n d o w s 兼容：包括w i n d o w c e ，嵌入式l i n u x 和e p 0 c 。 2 工业与通信( 传统) 类：包括v x w o r k s ，p s o s ，0 n x ，n e c u l e u s 和v r t x 。 3 用户单片机类：包括i r m x ，cm x 和u c o s 。 4 面向i n t e r n e t 类：包括p a l m o $ ，v i s o t ，h o p e n 和p p s m 。 基于s t r o n g a r m x s c a l e 架构的嵌入式系统，由于其功能比较强，一般都配备 w i n d o w c e 和嵌入式l i n u x 。 嵌入式系统同传统的计算机相比，具有以下几点优点： 1 专用性：嵌入式系统通常是面向特定应用，它通常都具有低功耗、体积小、 集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多板卡完成的任务集成在芯片内部。从而有 利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力增强，加强网络化能力。 2 强及时响应能力：嵌入式系统的硬件和软件都高效率地设计，量体裁农、 去除冗余，力争在有限的硅片面积上实现更高的处理速度，实现对某一进程的快 速反应。 3 健壮可靠：嵌入式产品的使用人员多为非计算机专业人士，使用环境不定， 条件往往恶劣，其健壮性及可靠性是该类产品的必备条件。 4 集成度高：嵌入式产品一般有具体的应用场合，且将存储、人机接口等处 理单元等都集成在单板上，具有很高的集成度。 5 生命周期长：嵌入式系统和具体的应用有机地结合在一起，它的升级换代、 也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命 周期。 2 1 4 嵌入式系统在工业控制领域中的应用 按用途分类，电子计算机可以分为两大类，即数据处理机和工业控制机。前 者主要用于科学计算、数据处理和信息管理，后者主要应用于设备控制、生产过 程控制和智能化仪表等。 。 工业控制系统通常是由传感器、过程输入输出通道、计算机以及执行机构等 部分组成的。工业控制系统的应用对于提高产品质量与产量、降低成本、确保生 湖北工业大学硕士学位论文 产安全、改善工作条件、减轻体力劳动，节省能源和材料、实现科学管理等具有 非常重要的作用。事实上，现代任何一种工业，如航空航天、能源交通、邮电通 信、钢铁冶金、石油化工、煤炭、机械电子等各行各业都在努力向着自动化控制 的方向发展。 嵌入式系统在工业控制领域中的典型应用为过程控制( p r o c e s s o rc o n t r 0 1 ) ： 对生产过程中的各种动作流程进行控制。这种控制是在对被控对象和环境进行不 断检测的基础上做出的及时的、恰当的反应。在控制过程中，计算机扮演中心的 角色。它通过传感器从外部接收有关过程的信息，对这些信息进行加工处理，然 后对执行机构发出控制指令。 工业控制领域的环境一般都很恶劣，控制系统一般要有很强的抗电磁干扰、 机诫震动，抗灰尘、潮湿、高温等能力。并且应该在无人看守的情况下能够稳定 的执行，对一些差错具有自愈的能力。 另外嵌入式系统应用于工业控制领域一般要有友好的人机界面，便于普通 人员的使用 2 2a r m 处理器介绍 2 2 ia r m 简介 啪 ( a d v a n c e dr i 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。1 9 9 1 年a 脯公司成立 于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器，己遍及工业控制、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 应用大约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 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舳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 技术获得更多的第三方工具、制造、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。 湖北工业大学硕士学位论文 2 2 2a r m 微处理器的特点 a 蹦微处理器采用r i s c 架构，具有以下特点： 1 体积小、低功耗、低成本、高性能： 2 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件； 3 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 4 太多数数据操作都在寄存器中完成； 5 寻址方式灵活简单，执行效率高； 6 指令长度固定。 2 2 3x s c a i e 微架构处理器 x s c a l e 微架构处理器是为新一代无线手持式应用产品开发的嵌入式处理器 其主要特性如下： 1 采用7 8 级超级流水线：动态跳转预测；分支目标缓冲器b t b ( b r a n c ht a r g e t b a rf e r ) 。 2 支持多媒体处理技术：新增乘加器m a c ：4 0 位累加器：兼容a r l i v 5 t e 指令： 特定d s p 型协处理器c p 0 。 3 指令快存( i _ c a c h e ) ：3 2 k b ， 4 数据快存( d - c a c h e ) ：3 2 k b ，可以重构2 8 k b 片内r a m 。 5 微型数据快存( m i n i d - c a c h e ) ：2 k b 。 6 指令存储器管理单元i - 删 u ：3 2 路边换后备缓冲器t l b ( 快表) 。 7 数据存储器管理单元d 一删：3 2 路边换后备缓冲器t l b ( 快表