（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入式的远程图像采集传输系统的研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o no fi m a g ei sak i n do fc r i t i c a lt e c h n o l o g yw h i c hi s a p p l i e di nm a n yf i e l d ss u c ha sr e a l - t i m es u p e r v i s i n g ，r e m o t ec o n t r o l l i n ga n di n t e l l i g e n t c o m m u n i t i e s i m a g ea c q u i s i t i o nw h i c hi sb a s e do nt r a d i t i o n a lp ch a sb e e nb r o u g h ti n t o p r a c t i c a l w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi 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 ha n d d e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e mh a sb e c o m eah o ts p o ta f t e rt h ep ct i m e s ，i tw a s w i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lf i e l d ，i n f o r m a t i o ni n d u s t r i e s m e a n w h i l e ，i m a g ea c q u i s i t i o n a n dr e m o t et r a n s m i s s i o ni s r a p i d l yd e v e l o p i n gi naw a yo fs p e c i a l i z e d ，v a r i e t ya n d l o w - c o s t i n g i ti sm o r ev a l u a b l et oa c q u i r ea n dt r a n s m i ti m a g e sb a s e do ne m b e d d e d s y s t e m ，b e c a u s et h i st e c h n o l o g ys a t i s f i e st h en e e do ft h et i m e t h ei m a g ea c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o nb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mi s m a i n l y t a l k e da b o u ti nt h i sp a p e r u s i n gs 3 c 2 4 1 0a st h ec o r eo ft a r g e th a r d w a r e o nt h eo t h e r h a n d ，e m b e d d e dl i n u xi su s e dt ob et h ep l a t f o r mo fs o f t w a r e t h et e r m i n a lm a n a g e st o a c q u i r et h es t a t i ci m a g eb yt h eu s bc a m e r at h a ti sc o n n e c t i n gw i t ht h et e r m i n a l ，a n d t h e nf i n i s h e st h ei m a g ec o m p r e s s i o n i nt h ei m a g et r a n s m i s s i o n ，t h ep a p e rd e s i g n e dt w o m o d e l s ：t h ef i r s ti so n em o d et h a tt r a n s m i t sd a t ab yi n t e r n e ta n db a s e do nb sm o d e i n t h i sm o d e ，c l i e n t 霉e t si m a g ei n f o r m a t i o nt h r o u g hb r o w s i n gt h ee m b e d d e dw e bs e r v e r w h i c hi sb u i l ti nt h et e r m i n a l t h es e c o n do n ei st h em o d eo fr e m o t ew i r e l e s si m a g e t r a n s m i s s i o nw h i c hb a s e do ng p r s i nt h i sm o d e ，t h et e r m i n a ls e n d st h ei m a g et oa s u p e r v i s es e r v e ri no r d e rt or e a l i z et h er e m o t ei m a g et r a n s m i s s i o n f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et e c h n o l o g yo fi m a g ea c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o n ， t h ee m b e d d e ds y s t e r n ，a n dt h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m i no r d e rt of i n i s ht h i sp r o j e c t s m o o t h l y , t h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ( d e ) i sb u i l t ，i n c l u d i n gp o r t i n gu - b o o t ， c o m p i l i n ga n dp o r t i n gt h ek e r n e lo fl i n u x ，m o u n t i n gt h em o d u l eo fd e v i c ed r i v e ra n d b u i l d i n gt h ec r o s sc o m p i l i n gt o o l s u n c o m p r e s s e di m a g e sa r ea c q u i r e db ycl a n g u a g e p r o g r a ma p p l i c a t i o nw i t ht h ev i d e 0 4 l i n u x sa p i ，a n dt h e nt h o s ei m a g e sa r ec o m p r e s s e d w i t hj p e ga l g o r i t h m i nt h et r a n s m i s s i o nb a s e do nb sm o d e f i r s t l y , t h ee m b e d d e d s e r v e ri sc o n s t r u c t e db yb o a , a n dt h e nt h ec g is c r i p t w h i c he m b e d si m a g ei n t o w e b p a g e sa n dk e 印i tr e f r e s h i n g ，i sf i n i s h e db ycl a n g u a g e i nt h em o d eb a s e do n g p r s ，t h ef e a t u r e so fd a t as t r e a mi nc o m m u n i c a t i o na r ed e t a i l e da n a l y s i s e d t h e m e t h o do fg p r sn e tc o n n e c t i o ni s d e s i g n e d a sw e l l 弱t h ed a t ac o m m u n l c a t i o n b e t w e e nt e r m i n a la n ds e r v e rb yt h em e t h o d so fs p e c i a lc h a r a c t e r sa n dd a t ap a c k e t t h e c o n n e c t i o na n dc o m m u n i c a t i o np r o c e s s e sa r er e a l i z e db ycl a n g u a g e m e a n w h i l e ，t h e s u p e r v i s es e r v e r ss o f t w a r ei sr e a l i z e db ys o c k e t , w h i c hu s e dt or e c e i v ei m a g ea n d c o n t r o lt h et e r m i n a ls y s t e ms t a t e f i n a l l y , t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h et w ot r a n s m i s s i o n m o d e s ，i n c l u d i n gt h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fb o t h ，a r ec o m p a r e d t h e e x p e r i m e n t sp r o v et h a t ，b o t hm e t h o d sc a ns u c c e s s f u l l ya c h i e v et h el o n g r a n g ei m a g e a c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o n ，a sw e l la se x c e l l e n tt e s tr e s u l t s k e y w o r d s ：i m a g ea c q u i s i t i o n ，r e m o t et r a n s m i s s i o n ，e m b e d d e ds y s t e m ，l i n u x ，b s ，g p r s 湖办j 繁大謦 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，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：闺彼 日期：州年r 月形日 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 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：f 虱使 日期：二勿，年r 月二名日 指导教师签名： 龟名乇钆 日期剃年岁月z g 日 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究意义 本课题来源于湖北省教育厅优秀中青年科技创新团队项目“现役桥梁结构损 伤安全综合评定关键技术的研究 ( 编号：鄂教科 2 0 0 4 1 7 号) 。 眼睛是人传递信息最丰富的器官，由视觉获得的信息量占全部的9 2 3 ，但 长期以来，由于生理条件的限制，人们能获得视觉信息的距离和信息数量有刚。 随着通讯技术和半导体技术的发展，电子图像信息技术日趋成熟。利用电子设备 获取图像信息的“电子眼”越来越广泛的得到应用。“电子眼 能够代替人的眼睛获 取图像资料，图像的采集与传输显然是其中的关键技术。 “电子眼 代替人眼获取视觉信息有着十分重要的现实意义。通过远程传输 技术，视觉信息的获取就可以突破距离的限制，甚至达到人力不可及之地【2 l ，为人 类的生活生产带来极大的便利。比如，人们坐在办公室就能对遥远的现场进行观 测和监视以便实现远程控制，而同时用大量的人力对远端的现场进行周期的巡视、 检修的工作方式必将被淘汰。因为图像能提供给人们最直接最准确的信息，那么 采用远程图像采集技术来满足人们的需要将是大势所趋。应用现在的网络技术和 多媒体技术，基于p c 已经能实现数字图像采集由本地扩展到异地，具备了一定的 远程监控能力。并且，随着技术的进一步发展，这一应用必将得到进一步加深。 在信息化高速发展的今天，图像的远程采集在金融、邮电、电力、交通、旅游、 商业等很多行业里有非常广泛的应用，远程图像采集的实现将大大优化人力资源， 消减不必要的开支，更能在某些人力不可及的领域发挥作用【3 j 。 嵌入式技术的出现和成熟，并将其应用于图像采集和传输中，必将带来监控 领域的技术变革。基于嵌入式技术的图像采集和传输将更适用于具体的领域、具 有更优良的稳定性和具有更大的低成本优势。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 图像采集传输的发展现状 图像采集是伴随着监控系统发展而来的，并且在历史上很长一段时间图像采 集都是用在监控系统中。视频的监控系统经历了三个阶段【4 jf 5 j ： 湖北工业大学硕士学位论文 第一代是本地模拟视频监控。它采用全模拟方式的视频信号、磁带录像的保 存方式。模拟方式的显示设备，导致视频信号传输距离有限、图像质量差。而且 点对点的方式监控现场，布线工作量大耗费存储介质。这种模拟的视频信号，系 统的网络结构主要是一种单功能、单向、集总方式的信息采集网络，介质专用的 特点，因此尽管这种系统现在已发展到很高的水平，却无太多潜力可挖，其局限 性依然存在，要满足更高的要求，数字化是必由之路。 第二代基于p c 的远程视频监控出现于9 0 年代中后期。该系统是先将麦克风 和摄像头采集的模拟音、视频信号转化为数字信号，利用专用压缩卡对数字信号 进行压缩处理后，通过网络传输给作为监控终端的p c 机，监控终端p c 机利用专 用解压卡对数据进行解压后，就能够重现远端的图像和声音。它具有传送距离远、 图像质量好、数据的保存成本低等特点。但是基于p c 的多媒体监控系统还存在体 积大、功耗高、实时性不高、稳定性较差、成本较高和可扩展性差等诸多问题。 近两年随着远程监控系统被越来越多的应用于各个领域，对多媒体监控系统 的要求也越来越高，操作简单、实时可靠、多功能、数字化、经济实用的多媒体 监控系统的开发和设计正越来越多地受到人们的瞩目。基于嵌入式技术的多媒体 远程监控系统应运而生。这就是第三代基于嵌入式技术的远程多媒体监控。 与基于p c 的多媒体监控系统相比，基于嵌入式技术的多媒体远程监控系统具 有体积小、安装方便、现场无需专人值守、成本低、稳定性高、实时性好等特点。 因此基于嵌入式技术的多媒体远程监控系统必将有良好的应用与发展前景1 6 1 ，代替 当前普遍应用的基于p c 的多媒体远程监控系统将成为必然趋势。 图像的传输同其他信息的传输有共同之处，都通过一定的介质媒体完成数据 传输。大致分为有线数据传输和无线数据传输两种形式。 由于布线的实际困难，通过有线的图像传输一般局限于短距离的范围应用。 通过u s b 传输图像的u s b 摄像头是当前最流行的p c 配置。u s b 摄像头支持热拔 插、价格低廉、传输速度快。而长距离的图像传输有赖于网络技术的革新。随着 网络技术的发展，各国电信公司建立起了庞大的有线网络。i n t e m e t 也成为全球最 大的计算机网络。图像信息通过i n t e r n e t 传输是伴随网络的发展而发展的。随着网 络带宽的不断增长，使得图像传输将从原来静态图像传输发展到流媒体动态图像 传输。成本低，技术成熟，实时性也非常好，目前市场已有成熟的应用。 无线通讯技术种类非常多，从无线电技术到蓝牙技术、红外通讯，到g p r s 无线网络，再到即将推向市场的3 g 技术，都可以用来完成图像的传输。但是，由 于图像信息数据量庞大的特殊性，不同的技术用于传输图像所能达到的效果不同。 无线电一般用来传输灰度图像这样的小数据量图像。蓝牙技术受到传输距离的限 2 湖北工业大学硕士学位论文 制和传输速率的限制在图像传输领域应用比较受限。但是一些公司和团体仍在该 领域作了一定尝试和研究。2 0 0 5 年s o n ye r i c s s o n 公司研制出了匹配蓝牙手机的无 线摄像头，上海大学通信与信息学院也研究了利用蓝牙技术进行无线图像传输。 g p r s 无线网络是最近流行起来，被称为介于2 g 和3 g 中的2 5 g ，已被科研人员 用于各行各业的无线数据领域，由于g p r s 传输速度的限制，通过g p r s 进行图 像的传输只能传输静态图像信息，而不大可能传输动态视频数据l 丌。3 g 网络的推 出，将为图像的无线传输带来革命性的变化，彻底解决在传输过程中的速度瓶颈1 8 j 。 2 0 0 5 年0 4 月2 8 日，深圳市宏电技术开发有限公司与北京大学深圳研究生院就开 始了基于3 g 移动通信网络图像通信终端协议的研究，相信随着相关3 g 协议的完 成，无线图像传输会达到有线图像传输一样的效果水平1 9 j 。 1 2 2 嵌入式的发展及现状 进入2 0 世纪9 0 年代，嵌入式技术全面展开，目前己成为通信和消费类产品 的共同发展方向。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，美国己经开始由模拟电视向数字电视的转变，欧洲d v b ( 数字电视广播) 技术 己在全球大多数国家推广。数字音频广播( d a ) 也已经进入商品化试播阶段。而软 件、集成电路和新型元器件在产业发展中的作用日益重要。所有上述产品中，都 离不开嵌入式系统技术。在个人领域中，嵌入式产品将主要是作为个人移动的数 据处理和通信软件。由于嵌入式设备具有自然的人机交互界面，g u n 屏幕为中心 的多媒体界面给人很大的亲和力。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件 以及彩色图形、图像己经取得初步成效。 今天嵌入式系统带来的工业产值己超过了1 万亿美元。来自1 9 9 7 年美国嵌入 式系统大会( e m b e d d e ds y s t e mc o n f e r e n c e ) 的报告指出，未来5 年仅基于嵌入式计 算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年1 5 0 0 亿美元的新市场【1 0 l 。 1 9 9 8 年1 1 月在美国加州举行的嵌入式系统大会上，基于r t o s 的e m b e d d e di n t e r a c t 成为一个技术新热点。在国内，“维纳斯计划 和“女蜗计划 一度闹得沸沸扬扬， 机顶盒、信息家电这两年更成了r r 热点，而实际上这些都是嵌入式系统在特定环 境下的一个特定应用【1 1 】。据调查，目前国际上己有两百多种嵌入式操作系统，而 各种各样的开发工具、应用于嵌入式开发的仪器设备更是不可胜数。 嵌入式技术的迅速发展不仅使之成为当前微电子技术与计算机技术中的一个 重要分支，同时也使计算机的分类从以前的巨型机、大型机、小型机、微机之分 变为通用计算机与嵌入式系统之分。嵌入式的应用更是遍及金融、航天、电信、 网络、信息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域，以致有些学者断言，嵌入 3 湖北工业大学硕士学位论文 式技术将成为后p c 时代的主掣1 引。 1 3 本文主要工作及论文安排 本文着重分析基于嵌入式的远程图像采集和传输系统的研究和设计。论文分 为四大部分：基于a r m 和l i n u x 开发平台的构建；利用u s b 摄像头基于v i d e 0 4 1 i n u x 的图像采集并用j p e g 算法进行图像压缩；利用i n t e m e t 网络，基于b s 模式的远 程图像采集传输系统；利用g p r s 网络的无线远程图像采集系统。本文介绍了涉 及到各种技术，讨论了系统的体系结构、软件流程，并给出了部分关键代码。 本章分为七个章节： 第1 章，提出本文研究的背景和意义，概述了嵌入式技术和远程图像采集等 方面的问题，主要是这两方面的发展情况和国内外发展现状。 第2 章，主要介绍嵌入式系统的相关基础概念、分类以及开发嵌入式系统所 涉及到的关键技术。分别介绍项目中将采用的以a r m 9 的$ 3 c 2 4 1 0 为核心的硬件 平台和以嵌入式l i n u x 为核心的操作系统软件平台。 第3 章，主要是关于嵌入式系统平台的构建，首先包括开发环境的搭建、启 动代码b o o t l o a d e r 的移植，然后是系统的裁剪、配置、编译移植和文件系统的构 建，最后是关于图像采集设备的驱动模块加载和串口驱动的移植。 第4 章，主要是静态图像采集的实现，在实现过程中包括利用v i d e 0 4 1 i n u x 采 集原始图像数据和利用j p e g l i b 静态库采用j p e g 算法实现图像压缩两个部分。本 章实现图像的采集任务。 第5 章，一种基于b s 模式实现图像的远程采集传输，实现过程中利用b o a 架设嵌入式服务器，并用c 语言编写c g i 脚本程序以实现将第4 章中采集到的图 像通过动态网页显示到远端客户机的浏览器上。 第6 章，通过g p r s 网络实现图像的无线传输。利用g p r s 通讯模块完成数 据传输任务，实现过程中首先分析系统中各种数据特性，并提出了相应的辨识和 传输策略。开发出了本项目专用的监控服务器以接收图像数据和发送终端系统控 制命令。 第7 章，对比两种传输方式、对全文的研究工作进行总结，并确定下一步的 研究方向。 4 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章嵌入式系统及其软硬件开发平台 2 1 嵌入式系统 2 1 1 嵌入式系统定义和分类 目前，对嵌入式系统的定义多种多样，但没有一种定义是全面和十分准确的。 下面给出两种比较合理定义1 1 3 j ： 从技术的角度定义：以定义为中心，以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专业计算机系统； 从系统的角度定义：嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其 紧密耦合在一起计算机系统。术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统中的一 个完整的部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。 一般情况下，按照历史性、本质性、普遍性要求，嵌入式系统可以定义为：“嵌 入到对象体系中的专用计算机系统 。“嵌入性 、“专用性”与“计算机系统是 嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。嵌 入式系统作为一类特殊的计算机系统，自底向上包含有3 个部分，如图2 1 所示。 嵌入式斑硒 嵌入斌揆作系统 ，嫒件毕蠹 一蒯襄麓誉作系 一攮佟嘉篓苫硬件 图2 1 嵌入式系统的基本结构 嵌入式系统按表现形式及使用硬件种类可以分为1 1 4 j ： 系统中使用含有程序或算法的处理器的嵌入式系统为芯片级嵌入； 系统中使用某个核心模块的嵌入式系统为模块级嵌入。 嵌入式系统按软件实时性需求可分： 非实时系统( 如p d a ) ； 5 湖北工业大学硕士学位论文 软实时系统( 如消费类产品) ； 硬实时系统( 工业实时控制系统) 。 2 1 2 嵌入式系统设计的关键技术 在嵌入式系统的设计过程中，所涉及到的很多技术和开发方法都不同于通常 的基于p c 的软件开发方法。这些不同将最终影响项目方案的设定和最后产品的成 形。这些关键技术的不同主要表现在以下方面l ”j ： ( 1 ) 嵌入式系统内核的制定。这里包括硬件和操作系统软件内核的选择。根 据嵌入式系统所要实现的功能合理的裁剪系统内核，保证最大限度发挥系统内核 的功能，又能做到减少冗余的配置，是整个嵌入式系统设计的关键所在。 ( 2 ) 嵌入式系统的开发过程。由于嵌入式开发板的资源有限，不可能在开发 板上运行开发和调试工具。因此，通常在嵌入式开发过程中有宿主机和目标机的 角色之分：宿主机是执行编译、链接、定址过程的计算机；目标机指运行嵌入式 软件的硬件平台。首先须把应用程序转换成可以在目标机上运行的二进制代码。 这一过程包含三个步骤：编译、链接、定址。 ( 3 ) 向嵌入式平台移植软件。大部分嵌入式开发人员选用的软件开发模式是 先在p c 机上编写软件，再进行软件的移植工作。在p c 机上编写软件时，要注意 软件的可移植性，选用具有较高移植性的编程语言( 如c 语言) ，尽量少调用操作系 统函数，注意屏蔽不同硬件平台带来的字节顺序、字节对齐等问题。 2 2 系统硬件平台 2 2 1a r m 处理器 a r m ( 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 r m 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( 口) 核的微处理器，即我们通常所说的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 技术的微处理器的应用约占据了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。 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1 1 倒。 6 湖北工业大学硕士学位论文 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工业控制领域、无 线通讯领域、网络应用、消费类电子产品、成像和安全产品，并会在将来取得更 加广泛的应用。 a r m 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构的 处理器，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的a r m 微处理器 都有各自的特点和应用领域。 a r m 7 系列； a r m 9 系列； a r m 9 e 系列； a r m1 0 e 系列； s e c u r c o r e 系列； h l t e l 的x s c a l e ； i n t e l 的s t r o n g a r m 。 其中，a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。 2 2 2 $ 3 c 2 4 1 0 芯片介绍 $ 3 c 2 4 1 0 是s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器( a r m 9 2 0 t 内核) ，具 有低价格、低功耗、高性能等特点【1 刀。它由a r m 9 t d m i 、存储管理单元m m u 和 高速缓存三部分组成。其中，m m u 可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高速c a c h e 组成。 $ 3 c 2 4 1 0 芯片集成了大量的功能单元： ( 1 ) 内部1 8 v ，存储器3 3 v ，外部i o3 3 v ，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 ： ( 2 ) 内置外部存储器控制器( s d r a m 控制和芯片逻辑选择) ； ( 3 ) 三个通用异步串行端口，2 通道s p i ； ( 4 ) 一个多主i i c 总线，一个i i s 总线控制器； ( 5 ) 两个u s bh o s t 、一个u s bd e v i c e ； ( 6 ) 四个p w m 定时器和一个内部定时器； ( 7 ) 1 1 7 个通用i o 口； ( 8 ) 2 4 个外部中断； ( 9 ) 电源控制模式：标准、慢速、休眠、掉电。其结构图2 2 所示。 湖北工业大学硕士学位论文 2 2 3 嵌入式开发板介绍 图2 2 $ 3 c 2 4 1 0 内部结构图 本系统的硬件平台为m a g i c a r m 2 4 1 0 开发平台。m a g i 【c a r m 2 4 1 0 实验箱是由 广州致远电子有限公司开发的一款可使用# c o s i i 、l i n u x 和w i n d o w sc e 操作系 统，支持q t 、m i n i g u i 图形界面的a r m 9 开发平台。该实验箱采用a r m 9 2 0 t 内 核的$ 3 c 2 1 0 a 微处理器，扩展由充足的存储资源，具有1 0 1 0 0 m 以太网接口、u s b 接口等总线接口，带有8 英寸6 4 0 x 4 8 0 真彩，n 丌液晶屏，可使用j t a g 仿真调试， 非常适合实验的要求。其外观如图2 3 所示。 8 湖北工业大学硕士学位论文 夥一一一- 易r 图2 3m a g i c a r m2 4 1 0 实验箱外观图 m a g i c a r m 2 4 1 0 具有以下四大特点 1 、众多接口提供便利； 2 、主频够快； 3 、存储够大； 4 、对众多操作系统的支持； m a g i c a r m 2 4 1 0 具有平台资源有： ( 1 ) 丰富的存储资源：2 m 字节n o rf l a s h 、6 4 m 字节s d r a m 、6 4 m 字节 n a n df l a s h 、2 5 6 字节e z p r o m 。 ( 2 ) 丰富的接口资源：具备1 0 1 0 0 m 自适应以太网接e l 、4 个u s bh o s t 、1 个u s bd e v i c e 等。 ( 3 ) 多样的人机接口：8 英寸6 4 0 x 4 8 0 真彩1 1 丌液晶屏、4 个独立l e d 、8 个7 段数码管、1 6 键小键盘、1 个独立按键。 该开发板系统资源完全符合本项目要求。 2 3 嵌入式操作系统及嵌入式l i n u x 2 3 1 嵌入式操作系统 早期的许多嵌入式系统根本就没有操作系统，只不过有一个控制环而已。对 9 湖北工业大学硕士学位论文 很简单的嵌入式系统来说，这可能已经足够。不过，随着嵌入式系统在复杂性上 的增长，一个操作系统显得重要起来。没有操作系统的支持，将使软件复杂度大 幅增加且变得极不合理。 随着硬件的发展，嵌入式系统的应用领域日益扩大，提供的应用功能也越来 越复杂，当初的控制程序被随之逐步加入了许多功能，而这些功能有很多是可以 由操作系统来提供的。这很自然地会让人联想到应该为嵌入式系统做一个嵌入式 操作系统。由于应用的需要和硬件条件的限制，嵌入式操作系统一般都注重占用 空间小和效率高等特点。 其实，嵌入式系统并不是一个新生的事物，从八十年代起，国际上就有一些 r r 组织、公司，开始进行商用嵌入式系统和专用操作系统的研发。这其中涌现了 一些著名的嵌入式系统f 1 4 1 ： l i n u x l i n u x 类似u n i x ，是一种免费的、源码开放的、符合p o s 标准规范的操作 系统。嵌入式l i n u x 版本众多，如r t - l i n u x 、m i n i l i n u x 、b l u ec a tl i n u x 等。 v x w o r k s v x w o r k s 是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统。它 支持多种处理器，如x 8 6 、i 9 6 0 、s u ns p a r e 、m o t o r o l a m c 6 8 x x x 、m i p sr x 0 0 0 、p o w e r p c 等等。大多数的v x w o r k sa p i 是专有的，并采用g n u 的编译和调试器。 i t c o s - t c o s i i 是一个可裁剪、源码开放、结构小巧、抢先式的实时多任务内核， 主要面对中小型嵌入式系统，具有执行效率高、占用空间小、可移植性强、实时 性能强等特点【1 8 】。z c o s i i 最大程度的使用a n s ic 语音开发，现已经成功移植到 近4 0 多种处理器体系上了。 f 斩西d o w sc e m i c r o s o f tw i n d o w sc e 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于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。 2 3 2l i n u x 在嵌入式中的应用 l i n u x 代表了三个涵义【1 9 l ：一个内核、一个系统、一个发行套件。嵌入式系统 中使用的内核与工作站和服务器上使用的内核主要的不同还是在于建立内核的配 置。一个嵌入式l i n u x 系统只是代表它是一个基于l i n u x 内核的嵌入式系统。一个 嵌入式发行套件可能包括：用来开发嵌入式l i n u x 系统的平台、各种为了在嵌入式 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 系统使用而裁剪过的应用程序，或是二者。 嵌入式l i n u x 系统早已应用于实际。s c a d a ( s y s t e mc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 、s h a r pz a u r u s ( 夏普电器销售的商品) 等都是l i n u x 成功应用与嵌入 式领域的例子。据2 0 0 0 年的一项调查发现，虽然在1 9 9 8 年和1 9 9 9 年设计嵌入式 系统的时候没有人会考虑到l i n u x ，但是有3 8 的受调查者表示会考虑下一次设计 时会使用l i n u x 。到2 0 0 0 年的时候，已经有1 2 的响应者在他们的嵌入式系统中 使用了l i n u x 。经过2 0 0 2 年的调查发现，l i n u x 在嵌入式系统目前可能用到的操作 系统清单中仍排第四位，而且l i n u x 和w i n d o w s 一样在未来成为设计嵌入式系统 时选用的操作系统。 2 4 本章小结 本章首先概述了嵌入式系统相关概念和分类，然后介绍了本系统所用的开发平 台以及该平台的核心a r m 芯片。罗列了嵌入式系统开发的相关关键技术。最后介 绍了嵌入式操作系统和本项目所要使用的系统一u i l u x 。 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章嵌入式l i n u x 系统平台构建 在利用a r m 和l i n u x 为平台进行项目开发之前，需要搭建适于项目开发需要 。 的基础设施，即开发平台，以便为后继开发做好软硬件准备。这里主要指交叉编 译环境的建立、启动代码的实现、系统内核的移植、文件系统的构建和相关设备 驱动模块的加载。 3 1 嵌入式k i n u x 交叉编译环境的建立 如前所述，在嵌入式开发过程中有宿主机和目标机的角色之分。程序在宿主 机中完成编辑，并编译、连接、定位成能在目标机中运行的目标文件，将目标文 件下载到目标机中以完成特定任务。 本实验室由于条件所限，宿主机是从w i n d o w sp c 中虚拟出来的。此时，共有 三个计算机系统作为开发平台：l i n u xv i r t u a lp c 、w i n d o w sp c 、l i n u xt a r g e t 。这 三者需要用不同的工具连接起来以便交互数据，三者之间的连接方法如图3 1 所 示。 口。 图3 1 开发平台的连接图 其中： l i n u xv i r t u a lp c 和w i n d o w sp c 之间通过软件w i n s c p 共享数据； l i n u xv i r t u a lp c 和l i n u xt a r g e t 之间通过n f s 协议共享数据； w i n d o w sp c 和l i n u xt a r g e t 之间则通过r s 2 3 2 串口相连。 在开发过程中，宿主机要运行两个窗口：宿主机本机操作窗口和串口终端窗 湖北工业大学硕士学位论文 在本项目中，宿主机操作窗口是运行于虚拟l i n u x 系统下的本机的操作终 端。在开发过程中，笔者感受不到虚拟机跟实际p c 之间的区别。宿主机只能编译、 连接程序，不能运行产生的f i a t 文件。 串口终端，本项目利用w i n d o w s 的超级终端实现。目标机可以看成一台机 器，而这里的串口超级终端就相当于这台计算机的显示器，作为人机交互界面。 在宿主机编译、连接的可执行文件，下载到目标机上运行。 在开发调试过程中，通常的操作见面如图3 2 所示i 驯。 宿主机的运行界面 。 ( ) 鬈零蜀 宿主机 操作界面 以太网接口 篱7 枣翻终壤，1 。覆 貌， ， 。，瑗 雾，：量。- ，臻 褫么锄i 渤荔巍锄。缴麓渤缀 圈 串口线一吣飞攀矿 i p ：1 9 2 1 6 8 1 宰 图3 2 嵌入式l i n u x 开发调试界面 交叉编译调试工具采用通用的l i n u x 开发套件：g n u 开发套件。它包括了一 系列的开发调试工具。主要组件有： g c c 即编译器，做成交叉编译的形式，即在宿主机上开发编译目标板上可 运行的二进制文件。 b i n u t i l s 即辅助工具，包括o b j d u m p ( 可以反编译二进制文件) 、a s ( 汇编编 译器) 、l d ( 连接器) 等等。 g d b 即调试器，可使用多种交叉调试方式，包括使用串口和以太网调试。 编译一套完整的交叉编译器是一个非常复杂和困难的事情。不过开源组织为 常用的平台编译好了相关的交叉编译器。对于本项目的a r m 9 平台，下载到 c r o s s2 9 5 3 g z t a r ，经过解压就可以安装使用。安装交叉编译器需要r o o t 权限，解 压安装后，需要增加编译器路径，采用以下命令增加编译器路径： # e x p o r tp f 锄= $ n 删：u s r l o c a l a r m 2 9 5 3 b i n 湖北工业大学硕士学位论文 3 2u b o o t 的移植 3 2 1 嵌入式系统中的b o o t l o a d e r 在p c 系统中，计算机系统的启动需要使用b i o s ( 基本输入输出系统) 作为引 导。在嵌入式系统中，由于没有b i o s 这一固件程序，因此，在嵌入式系统中，系 统的启动成了一个必须解决的问题，于是就出现了b o o t l o a d e r 启动程序。 b o o t l o a d e r 运行于系统上电或复位的最开始的一段时间，该程序将初始化硬件 设备，建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件带到一个合适的状态，以便 为最终调用操作系统做好正确的准备。对于嵌入式系统来说，有的使用操作系统， 也有的不使用操作系统，比如功能简单仅包括应用程序的系统，但在系统启动时， 都必须运行b o o t l o a d e r ，为系统运行准备好软硬件环境。 系统的启动通常有两种方式：一种是直接从f l a s h 启动；另一种是将压缩的内 存映象文件从f l a s h 中复制、解压到i 乙w ，再从r a m 中启动。当电源打开时，一般 的系统会去执行r o m 里面的启动代码。这些代码是用汇编语言编写的，其主要作 用在于初始化c p u 和板上的必备硬件，如内存、中断控制器等。 从软件的角度，整个系统可以分为四个层次：b o o t l o a d e r 、内核、文件系统和 用户应用程序。典型的固态存储设备的空间分配如图3 3 所示。b o o t l o a d e r - - 般放在 0 x 0 0 0 ( 0 ) o 处，即存储器的开始位置处。 启动参数 工 = = b o o t l o a d e r k e r n e lf i l es y s t e m 图3 3 存储空间分配图 b o o t l o a d e r 启动代码一般分两个阶段【2 1 】： 第一个阶段主要包含依赖于c p u 的体系结构硬件初始化代码，该阶段主要由 汇编语言实现。 第二个阶段主要由c 语言实现，以便实现更复杂的功能，也使程序有更好的可 读性和可移植性。 3 2 2u b o o t 向目标板的移植 3 2 2 1u b o o t 简介 u b o o t 最初是由德国d e n x d x 组开发的用于多种嵌入式m c u 的b o o t l o a d e r 程 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 序，现在是s o u r c e f o r g e 上的一个开源项目。a r m 9 系列芯片是其支持对象之一，同 时该固件程序对l i n u x 的支持最好，因此是嵌入式l i n u xb o o t l o a d e r 的最佳选择。 u - b o o t 本身是一个非常复杂且完整的系统。 从s o u r c e f o r g e t 载到u b o o t 源文件并经过解压缩后，在文件夹下可以看到很 多目录，具体可以查阅r e a d m e 文件。u b o o t 各主要目录包含功能如表3 1 所列1 2 。 表3 1u b o o t 目录结构及内容 目录内容及功能