（计算机应用技术专业论文）基于arm9的车载图像记录仪的研究与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近年来，随着嵌入式系统飞速发展，基于l i n u x 的嵌入式系统已经能够 提供统一的、可伸缩的解决方案，利用嵌入式l i n u x 实现远程监控、图像采 集与压缩成为可能。针对这一点，本文设计了基于嵌入式li n u x 的$ 3 c 2 4 1 0 系统，利用l i n u x 支持的u s b 摄像头进行图像采集，然后对数据进行实时的 显示和压缩。 论文首先介绍了系统的硬件系统设计。硬件系统主要由s 3 c 2 4 1 0 核心板 和底板组成。核心板由$ 3 c 2 4 1 0 芯片、6 4 m bs d r a m 、6 4 m bn a n d f l a s h 和 2 m b n o r f l a s h 等组成。s d r a m 作为操作系统内核及应用程序运行的空间， n a n d f l a s h 用作存储引导程序( b o o t l o a d e r ) 、l i n u x 操作系统映像和应用程序 等。底板部分是外围接口电路，包括串口电路、m e i 接口电路、u s b 接口电路、 以太网数据交换电路、j t a g 接口电路、音频和显示接口电路等。 接着文章介绍了编译环境的建立、l i n u x 内核的移植、v i v i 的编译与移 植、l c d 驱动程序的改写、应用软件开发。其中重点介绍了软件开发，包括 在该平台上如何调用v i d e 0 4 1 i n u x 的a p i 实现实时的采集、显示，如何利用 j p e g 库对采集到的图像实现压缩，并给出了相应的核心数据结构。 最后，文章给出了在实验室特定环境下的调试结果和实验结果，在设计 的系统工作总结中，分析了设计的不足和尚需改进的地方，并对将来的工作 作了展望。本设计遵循一般的嵌入式开发流程，按照预定的实现目标设计并 开发了这样一种车载行驶记录仪。 关键字：a r m ；l i n u x ；$ 3 c 2 4 1 0 ；j p e g a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，i tb e c o m e sp o s s i b l et or e a l i z er e m o t em o n l t o r i n g a n di m a g eg a t h e r i n gu s i n gt h ee m b e d d e dl i n u xs y s t e mt op r o v i d ef l e x i l e s o l u t i o n s d u et ot h ei m p o r t a n c eo fi t sa p p li c a t i o nb a c k g r o u n d ，w e d e s i g n a ne m b e d d e dl i n u xs y s t e mu s i n gt h es 3 c 2 4 1 0p l a t f o r m t h es y s t e m g a t h e r si m a g e su s i n ga li n u xs u p p o r t e du s bc a m e r af o ll o w e db yi m a g e c o m p r e s si n ga n dd is p l a y i n g a tf i r s t ，w eb r i e f l yi n t r o d u c et h eh a r d w a r eo ft h es y s t e m t h e h a r d w a r eisc o m p o s e db yt h ek e r n e la n db o t t o mb o a r d t h ek e r n e lb o a r d i n c l u d e sas 3 c 2 4 1 0c h i p 。a6 4 m bs d r a m ，a6 4 mn a n d f l a s ha n da 2 m b n o r f l a s h ，t h es d r a mp r o v i d es p a c e f o rt h eo p e r a t i n gs y s t e ma n d a p p l i c a t i o np r o g r a m s ，a n tt h en a n d f l a s hi su s e dt os a v et h eb o o t l o a d e r ， t h ei m a g eo ft h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma n dt h ea p p li c a t i o np r o g r a m s t h eb o t t o mb o a r di n c l u d e sv a r i o u sc i r c u i t sf o rp e r i p h e r yi n t e r f a c e s ， s u c ha st h es e r i a lp o r t s ，m c ii n t e r f a c e ，u s bp o r t ，e t h e r n e td a t a e x c h a n g e ，j t a gp o r t ，v i d e oa n da u d i op o r t s ，e t c t h e nt h i st h e s i sd i s c u s sr e l a t e dt e c h n i q u e s ：h o wt ob u i l dt h e c o m p il ee n v i r o n m e n t ，t r a n s p l a n t o ft h el i n u xk e r n e l ，c o m p il ea n d t r a n s p l a n to fv i v i ，r e w r i t et h ed r i v e rp r o g r a m so ft h el c d ，d e v e l o p m e n t o ft h ea p p lic a tio ns o f t w a r ea n ds oo n w ee m p h a s iz et h es o f t w a r e d e v e l o p m e n tp a r t ，i n c l u d i n gh o w t or e a li z er e a lt i m eg a t h e r i n g ， d i s p l a y ，c o m p r e s s i n gt h ej p e gi m a g e si n c o r p o r a t i n gt h e v i d e 0 4 1i n u xa p i t h ec o r r e s p o n d i n gk e yd a t as t r u c t u r e sa r ea l s og i v e n t h ed e b u g g i n ga n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r es h o w na tt h ee n do ft h e d i s s e r t a t i o n t oc o n c l u d et h i sd e s i g np r o j e c t ，w ea l s od i s c u s si t s l i m i t a t i o n ，a sw e l la st h ep o s s i b l ei m p r o v e m e n to ft h i sd e s i g ni nt h e n e a rf u t u r e t h ed e s i g nf o l1 0 w st h es t a n d a r df l o wc h a r to fe m b e d d e d s y s t e m s ，h a sac e r t a i np r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：a r m ，l i n u x ，s 3 c 2 4 1 0 ，p e g 西南交通大学。四南父逋大7 罕。 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，同意学校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。本人授权西南交通大学可以将 j 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。 本学位论文属于 1 保密口，在5 年解密后适用本授权书： 2 不保密功，适用本授权书。 学位论文作者签名：耋弘 e l 期：枷g 年多月耖e t 指导教师签名：帮f 希霉 日期：z 山口年爹月沙日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，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 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 设计了基于a r m 9 $ 3 c 2 4 1 0 的车载图像记录仪的原理图，并独立完成了硬 件设计； ( 2 ) 完成了开发环境的建立、l i n u x 操作系统的移植、文件系统的制作； ( 3 ) 在已设计的硬件基础上，设计了相关的应用软件，包括图像的采集、压缩、 显示、保存。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 嵌入式车载记录仪的研究背景 1 1 1 嵌入式系统的定义 国内一般定义是： 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。 根据i e e e ( 国际电气和电子工业协会) 的定义： 嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器的设备和装置”。这主 要是从应用方面定义的，从中还可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体， 还可以覆盖机电等附属装置。 北京航天航空大学的何立名教授的定义： 嵌入式系统是嵌入到系统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n 1 。 1 1 2 嵌入式技术的发展及嵌入式系统的广泛应用 嵌入式技术的发展大致经历了四个阶段，第一阶段是以单芯片为核心的 可编程控制器系统；第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核 心的嵌入式系统：第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统；第四 阶段是以i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统。嵌入式系统的核心部件是各种类型 的嵌入式处理器旧1 。 嵌入式系统的商品化操作系统在7 0 年代后期才出现，许多是用汇编语言 写成的，并且只能用于特定的处理器，更换新处理器，它的操作系统就必须更 新以适应新的系统。当c 语言出现时，操作系统编写的效率、稳定性、可移 植性都有了很大的提高。这一点在管理上立刻表现出来，它为微处理器被淘 汰时保护软件投资带来了希望。对于市场来说这是一个好消息。用c 语言写 成的操作系统今天越来越普遍。一般来说，可重复使用的软件已经占了主导 地位并越做越好。 目前，嵌入式设备几乎涉及到了生活的角角落落，包括电子玩具m p 3 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 m p 4 、s o h o 路由器、p d a 、手机、机顶盒、汽车电子、电磁炉、数码相机等。 1 1 3 嵌入式系统的特点 由于嵌入式系统应用与特定的环境下，面对专业领域的应用系统，归纳 起来嵌入式计算机系统具有以下特点： 1 - 嵌入式系统通常是面向特定应用的，嵌入式c p u 与通用型的最大不同 就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，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 中许多由板卡完成的任务集 成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强， 跟网络的耦合也越来越紧密。 2 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行 业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资 金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 3 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余， 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器 的选择更具有竞争力 4 嵌入式系统和具体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。 5 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在 存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 6 嵌入式系统本身不具备自我开发能力，即使设计完成以后用户通常也 是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行 开发。 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相 结合才会有生命力，它具有很强的专业性，必须结合实际需求进行合理的裁 减利用，他必须根据应用需求对软硬件进行裁减，满足应用系统得功能、可 靠性、成本、体积等要求。 1 1 4 嵌入式系统的组成 嵌入式系统也是硬件和软件的混合体，整个系统由硬件和软件两部分组 成，硬件是整个系统的物理基础，它提供系统软件运行的平台和通信接口如 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 人一机交互接口。后者是实际系统的控制者，它控制系统硬件部分如何运行。 两者必须能够相互配合，才能使系统具有好的稳定性、高的性能。硬件部分 又包括嵌入式处理器、外围设备和外围电路三部分；软件部分包括嵌入式操 作系统和嵌入式应用软件两大部分。 1 2 车载行驶记录仪研究的意义 1 2 1 嵌入式车载记录仪的国内外现状 车载记录仪在汽车上的应用在国内外处于起步阶段，目前国内外图像技 术在汽车上的运用的研究主要有如下几个方面：首先是辅助驾驶方面，集体 应用包括：倒车雷达，可以使驾驶员观察车后的景象，防止倒车的过程发生 意外；提醒装置，包括红灯提醒，危险状态提醒，比如前方车距太近，道路 有急转弯，驾驶员瞌睡等。总之辅助驾驶装置可以使驾驶员了解车钱后左右 的状况，开阔视野，有利于减少交通事故的发生。其次是交通事故的记录方 面，以图像方式记录交通事故的发生过程，对交通事故能公正合理的处理提 供帮助。最后是汽车安全方面，如车内乘员探测装置，汽车防盗设备等。 在具体产品方面，目前在国内主要应用在特种车辆的安全方面，在普通 汽车上基本没有实现产业化的产品，国外有些汽车制造公司已经开发出各种 相关的产品，有些已经投入实际的应用。富士通公司2 0 0 6 年展示了一款新的 车载电子设备图像采集模块，通过软件对采集的图像的处理，可以识别 道路的白线和斑马线以及交通信号，比如，在3 0 米外识别到停车的交通信号， 也可以用于辅助驾驶方面，亦可以实现自动紧急刹车的功能；宝马公司2 0 0 5 年宣布研制出了一款样车，装载2 0 0 多个图像传感器，特定的环境下可以实 现无人驾驶，就本课题所研究的车载记录仪，美国和日本已经有了同类的产 品，国内还没有同类的产品。总之图像技术在汽车上的应用的具体产品目前 大多在研究阶段，世纪应用的只有少数几种国外产品。 1 2 2 车载行使记录仪研究的意义 本可以研制的车载图像采集平台车载图像记录仪，主要有以下两方 面的意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 车载图像记录仪作为一个产品具有使用价值。 随着我国经济的发展和人们生活水平的提高，汽车使用量在大幅度增加， 交通事故也呈上升趋势，汽车的安全性、易用性和交通事故处理的公正性问 题受到广大消费者和汽车制造上的关注。 对于交通事故传统的处理手段是在事故发生后通过现场的分析来断定事故 的责任，这种方式缺乏直观性，会由于人为的和其他的因素导致错误的判断。 为能有效的解决这个问题，一个新的思路就是通过图像的方式记录下交通事 故的发生过程，供事故处理机构参考，来断定事故的责任。通过以下记录仪 的结果、工作过程、在车上的具体应用可以发现本课题研究的车载图像记录 仪非常好的实现了以上的设想，对于交通事故处理有教大的意义。 本记录仪的结构主要包括以下几个部分：摄像头，作为图像的采集器件； 处理器，用来处理采集的图像信息，如压缩，存储；l c d ，用来显示采集到的 图像；f l a s h ，用来存储程序代码；s d 卡，作为采集图像的永久存储器。 2 本课题研究的记录仪作为一个可以继续开发的平台，可以扩展其功能，应 用到其他的场合。 图像技术可以应用到汽车电子领域的很多方面，如辅助操控、车道偏离警 告系统、倒车雷达、自动巡航控制、事故记录仪等。本课题研究的记录仪， 具体是应用在交通事故处理以及车的运行状况的记录方面，同时又是一个可 以扩展的平台，在后续开发中可以逐渐扩展其功能，将以上所提及的各方面 的应用扩展到本平台，最终形成一套完整的汽车图像设备体系。 1 3 本设计的目标和要求 1 3 1 设计目标 1 完成$ 3 c 2 4 1 0 系统的硬件图原理、p c b 板设计； 2 l i n u x 系统交叉编译环境的选取和建立； 3 在分析$ 3 c 2 4 1 0 启动的基础上，实现v i v i 的移植； 4 完成嵌入式l i n u x 操作系统的内核裁剪和移植： 5 根据自生的需要完成了文件系统的制作； 6 实现l i n u x 下l c b 驱动的改写； 7 完成摄像头图像采集程序的编写与调试； 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 8 实现采集的图像在l c d 上实时的显示； 9 用j p e g 库完成图像的压缩并保存； 1 0 系统调试； 1 3 2 设计创新点 1 利用核心板完成自生硬件系统的设计和调试； 2 较高版本内核l i n u x 2 6 1 4 的移植； 3 基于v 4 l 的视频采集和基于f r a m e b u f f e r 的直接写屏技术； 4 使用j p e g 库压缩所生成的图像再存储； 5 使用多线程技术完成显示和存储图像的功能模块： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章系统硬件设计和调试 2 1 主控芯片的选择。 应用系统的设计，是尽最大可能满足系统的需求，二要考虑到应用系 统的性能和成本。系统关键不在于如何确定这个系统的结构组成，而在于如 何高效快速地实现各个功能模块：对用户来说不仅能满足需求还要有较高的 性价比，对开发商来说要有竞争力就必须开发周期短、上市快、成本低。具 体到某个设计，需要根据用户需求选择各个功能模块的最佳核心芯片、系统 的最佳存储方式和最佳控制方式，尤其是主控芯片和重要外设芯片的选择。 这是设计阶段要走的第一步，也是最重要的一步。如果这一步没走好，那么 很可能导致后面的工作特别麻烦。为了提高主控芯片与外围芯片的接口性能， 最好选用与主控芯片同一生产厂家的外围芯片1 3 。 本系统中的主控芯片通常需要具备以下几个基本条件： 高速处理能力； 高速数据通道； 网络接口； 专用的或可直接外接的音视频接口； 为满足以上条件，系统采用了s a m s u n g 公司生产的a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 1 0 。 $ 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0 1 8 9 m 制造工艺的3 2 位微控制器。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 r 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 主口、1 个u s b 从口、s d 卡接口和m m c 接口、2 路s p i 。$ 3 c 2 4 1 0 处理器 最高可运行在2 0 3 m h z 。 2 2 系统的结构与原理 本设计的系统是基于$ 3 c 2 4 1 0 的行车记录仪，但是也提供了多个扩展接 口，可以根据实际需求和使用环境灵活地选用适合的接口进行操作，总体来 说硬件主要由两部分组成，核心板、底板两块电路板组成，下面分别来介绍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 核心板主要由$ 3 c 2 4 1 0 处理器、6 4 m bn a n df l a s h ( k 9 f 1 2 0 8 ) 、i m bn o r f l a s h ( a m 2 9 l v l 6 0 ) ，6 4 m b 内存( 2 片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ) 组成。底板的接口采用 2 0 0 引脚的内存插槽，引出了1 6 位的数据总线、1 6 位的地址总线、i i c 接口、 s p i 接口、i i s 接口、j t a g 接口、u s b 接口、l c d 接口、触摸屏接口等c p u 的 输入输出口线。 底板主要由i i c 接口电路、u s b 接口电路，t f t 彩色屏接口、网络接口电 路、音频接口电路、用户按键、s d 卡接口电路、j t a g 口、电源电路，复位电 路等组成，后面将分别介绍。其系统结构框图如图2 一l 所示。 2 3 硬件设计 图2 1 系统结构图 2 3 1 电源电路设计 在本系统的绝大多数芯片使用3 3 v 电源，如s 3 c 2 4 1 0 核心板，j t a g 接 口，g p i o 口等，但有部分电路用到5 0 v ( u s b 部分和l c d 显示接口部分) 。 本设计中采用5 v 的直流电源输入，此电压可以直接提供给u s b 和l c d 显 示电路，而3 3 v 由l m l1 1 7 3 3 得到，板子上的发光二极管正常发光代表5 v 和3 3 v 电压是正常。一个大电容1 0 0 u f 和一个小电容1 0 4 ( 0 1 u f ) 并联起来使 用，大电容抑制低频干扰，小电容抑制高频干扰，以得到较稳定的线性电压 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 输出。 2 3 2a r m 处理器j t a g 接口电路设计 j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ，联合测试行动小组) 是一种国际标准测试 协议【4 】，主要用于芯片内部测试及系统进行仿真、调试。j t a g 是一种嵌入式 调试技术，它在芯片内部封装了t a p ( t e s t a c c e s sp o r t ，测试访问接口) ，通过 专用的j t a g 测试工具对内部节点进行测试。标准的j t a g 接口是四线：t m s 、 t c k 、t d i 、t d o ，分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入、测试 数据输出。 a r m 9 t d m i 通过i c e j t a g 端口支持内置仿真器。它通过i c e 接口 与主计算机连接。使用内置a r m 9 2 0 t 的a r m 9 t d m i 内核执行调试。 a r m 9 2 0 t 内部状态是通过i c e j t a g 端口检测的，可不使用外部数据总线将 指令串行插入内核流水线。因此，在调试状态时批量存储指令( s t m ) 可以 插入指令流水线中。将输出a r m 9 t d m i 寄存器中的内容。该数据能在不影 响系统其它部分的情况下串行移出。当j t a g s e l 为低时选择内置i c e 模 式。不能在i c e 与j t a g 操作间直接切换。j t a g s e l 改变后必须执行芯 片复位( n r s t 与n t r s t ) 。单独提供内置i c e ( n t r s t ) 测试复位输入以便 于对引导程序的调试。j t a g i c e 接口电路如图2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 v d d 3 3 v 图2 2j t a g 接口电路原理图 2 3 3 串行接口电路 几乎所有的微控制器，p c 都提供串行接口，使用美国电子工业协会( e 认) 推荐的r s 2 3 2 c 接口标准，这是一个很常用的串行数据传输总线接口标准。 早期被用于计算机和终端通过电话线和m o d e m 进行远距离的数据传输，随 着微型计算机和微控制器的发展，不仅在远距离，近距离也采用了该通信方 式。在近距离的通信中不采用电话线和m o d e m ，而是直接进行端到端的连 接。 r s 2 3 2 c 标准采用的是9 芯或是2 5 芯的d 型插头，9 针串口各个引脚 定义如表2 3 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 引脚名称功能描述 ld c d数据载波检测 2r x d 数据接收 3 t x d 数据发送 4 d t r数据终端准备好 5 g n d 接地 6d s r数据设备 7r t s 请求发送 8c t s 清除发送 9r i 振铃指示 图2 - 3 要完成基本的串行通信功能，只需要r x d 、t x d 和g n d 即可，由于 r s 2 3 2 c 标准所定义的高、低电平和$ 3 c 2 4 1 0 系统的l 、厂r t l 电路所定义的 高、低电平信号完全不同，i ，盯l 的标准逻辑“l 对应2 3 3 v 电平，标准 逻辑“0 ”对应0 - 0 4 v 电平，而r s 2 3 2 c 标准采用负电平逻辑方式，标准 逻辑“1 对应3 v 1 5 v 电平，标准逻辑“0 ”对应+ 3 1 5 v 电平。两者通信 就必须通过电平转换，一般这里采用m a x 3 2 3 2 芯片。设计中的串行电路图 如图2 4 所示。 t z d o1 1 r x d 01 2 箍r t s 0 1 0 n c t s 0 9 c - u 1 厂 ! 1 0 0 n 毛兰 2 c u 2 1 0 0 n t l i n 只t l o u t g o o 牲r m l t 2 i nt 2 0 u t r o u t 2 r i n 2 c1+c2+ 魁p 芑- r x d 0 c u 4 1 0 0 n f 图2 _ 4 串行口的电路原理图 一一一一一一一一姐盟6 珏 - 蟊硪 s s a 丁 - - 弭 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 3 4u s b 接口电路 u s b 的英文全称为u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，中文含义是通用串行总线，它 是一种快速的，双向的，同步传输的廉价的并可以进行热拔插的串行接口。 u s b 接口使用方便，它可以连接多个不同的设备，而过去的串口和并口只能 接一个设备。速度快是u s b 技术的突出特点之一。全速u s b 接口的最高传输 率可达1 2 m b s ，比串口快了整整1 0 0 倍，而执行u s b 2 0 标准的高速u s b 接口 速率更是达到了4 8 0 m b s 这使得高分辨率、真彩色的大容量图象的实时传送 成为可能哺3 。 1 u s b 主机端口( u h p ) u s b 主机端口在主机应用中与u s b 连接。它处理h c i ( 主机控制器接口) 协议及u s bv 2 0 全速与低速协议。它还给a s b 提供简单的读写协议。 u s b 主机端口集成一个根集线器，并在下游端口集成收发器。它提供几 个半双工高速串行通信端口，速率为1 2m b i t s 。最多可连接1 2 7 个u s b 器 件( 扫描仪，数码相机，数码摄像机、音频系统、显示器、输入设备) ，而u s b 集线器可使用“分层星型”布局与u s b 主机连接。 u s b 主机端口控制器与h c i 规范完全兼容。标准o h c iu s b 堆栈驱动器可 以相同的方式轻松进入a t m e l 已有的无硬件规范的驱动结构中。 这意味着标准分类驱动是自动检测并可在用户应用中使用。例如，集成 h i d ( 人机接口设备) 类。 驱动器对所有u s b 键盘与鼠标提供即插即用功能。 u s b 主机端口主要特性如下： 与开h c ir e v1 0 规范兼容； 与u s bv 2 0 全速及低速规范兼容； 支持低速1 5m b p s 与全速1 2m b p s 的u s b 设备； 有两个下游u s b 端口的根集线器与内置u s b 收发器支持电源管理： 在a s b 总线上作为主机工作； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 d n lr - u s b 62 2 r - 。u s b 。5 - i 0 kv d d 5 v d p 1 r - 、u s b 7 严2 2 - - 、，、- 一 e d 盯1 承一s 色龃，j k s t u s b - d e c e 图2 5u s b 器件控制器连接电路原理图 由于u s b 主机端口逻辑自动检测器件连接，因此d p 与蹦上必须有下 拉电阻。否则u s b 主机将一直检测该端口器件连接。 2 u s b 器件端口( u d p ) u s b 器件端口( u d p ) 适用于通用串行总线( u s b ) v 2 0 全速器件规范。它为 a t m e l 的与a r m 7 t d m i 与a r m 9 t d m i 内核连接的内置u s b 收发器设计。 每个端点可配置为几种u s b 传输类型中的一种，它可与双端r a m 的一 段或两段联合用来存储当前数据有效负载。若使用两段，一个d p r 段由处理 器读写，另外一个d p r 段则由u s b 器件外设读、写。对于同步端点强制使 用该特性。因此器件工作于有两d p r 段端点时，保持最大带宽( 1 m 字节 i s ) 。 u s b 器件自动检测挂起与恢复，通过出现中断来停止处理。某些产品中 可利用外部信号唤醒u s b 主机控制器发送。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 u d p 主要特性如下： 与u s bv 2 0 完全兼容， 1 2m b s ： 内置u s bv 2 0 全速收发器； r t l 中端点数目与大小全参数化； 端点内置双端r a m ； 挂起恢复逻辑； 用于同步与批端点的p i n g p o n g 模式( 2 存储器组) ； 2 3 5s d 卡接口电路 多媒体卡接口( m c i ) 支持多媒体卡( 删c ) 规范v 2 2 及s d 存储卡规 范v 1 0 。m c i 包括命令寄存器、响应寄存器、数据寄存器、暂停寄存器及错 误检测逻辑，当需要时，它能自动处理命令发送，接收响应及有处理器开销 限制的数据。m c l 支持流、块与多块的数据读写，并与外设数据控制器通道 兼容，大容量传输缓冲器可减小处理器干涉。 s d 卡的全称是“s e c u r ed i g i t a l 意为安全数码盯1 ，它是日本两大电器 集团松下电器、东芝和s a n d i s k 联合推出，由于s d 卡数据传送和物理规范皆 有m m c 发展而来，因此大小和删c 差不多，而且s d 卡与删c 卡保持向上兼容， 也就是说，m m c 可以被新的s d 卡设备存取，兼容性则取决于应用软件，但s d 卡却不能被删c 设备存取，$ 3 c 2 4 1 0 与s d 卡读写器的接口电路如图2 - 6 所示： s d 卡的d a t o d a t 3 、c l k 、c m i ) 分别接$ 3 c 2 4 1 0 的s d d a t 0 一s d d a t 3 、s d c l k 、 s d c m d 引脚。s d 卡通过d a t o d a t 3 传输数据时，最高速率可达l o o m b p s 。 s d 存储卡接口也支持多媒体卡操作。二者的主要不同在于初始化过程及 总线布局。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 c 。s l0 。i i 心 图2 - 6s d 卡原理图 2 3 6l o m l o o m 以太网接口电路 $ 3 c 2 4 1 0 没有集成以太网控制器，系统采用外接一种单芯片的以太网控 制器c s 8 9 0 0 a 实现以太网接口。c s 8 9 0 0 a 主要结构包括，1 6 位i s a 总线接口、 8 0 2 3m a c 引擎、内部缓冲存储器、串行e e p r o m 接口并支持i o b a s e t 与a u i ( 连接单元接口) 以太网端口。 c s 8 9 0 0 a 支持的串行e e p r o m 可以用于保存c s 8 9 0 0 a 的配置信息和系统的 以太网地址，但这个e e p r o m 是可选的，因为处理器可以将这些数据保存到系 统的其他地方。 c s 8 9 0 0 a 需要外接2 0 m 的晶体提供时序，在正常操作下，c s 8 9 0 0 a 完成 两个基本功能即：以太网包的发送和接收，在发送和接收前必须配置好 c s 8 9 0 0 a 。上电复位后，c s 8 9 0 0 a 要为收发包进行配置，各种各样的参数要写 入内部的配置和控制寄存器，如：存储器基地址，以太网物理地址，接收的帧 类型，使用何种媒体接口等。配置信息既可以通过i s a 总线由主机配置也可 以由外部e e p r o m 自动配置，配置完毕后，操作可以进行了。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 c s 8 9 0 0 a 与$ 3 c 2 4 1 0 按照1 6 位方式连接，网卡芯片复位后默认工作方式 为i o 连接，基址是3 0 0 h 。 2 3 7 音频接口电路 整个音频系统的硬件部分主要是c p u 和c o d e c 的连接与实现。本系统采 用p h i l i p s 基于i i s 音频总线的u d a l 3 4 1 型音频c o d e c 。该c o d e c 支持i i s 总线数据格式，采用位元流转换技术进行信号处理，具有可编程增益放大器 ( p g a ) 和数字自动增益控制器( a g c ) 。 i i s ( i n t e r - i cs o u n d ) 总线是p h i l i p s 公司提出的串行数字音频总线协 议。它是一种面向多媒体的音频总线，专用于音频设备之间的数据传输，为 数字立体声提供序列的连接至标准编解码器。ii s 总线只处理声音数据。其 他信号( 如控制信号) 必须单独传输。为了使电路的引出引脚尽可能少，i i s 只使用了3 条串行总线：提供分时复用功能的数据线、字段选择线和时钟信 号线。 $ 3 c 2 4 1 0 内置i i s 总线接口，可直接外接8 1 6 比特的立体声c o d e c 。它 还可以给f i f o 通道提供d m a 传输模式而非中断模式，从而使数据发送和接收 同时进行。该i i s 接口有3 种工作方式，可以通过设置i i s c o n 寄存器来选择。 本文介绍的硬件框架基于传输和接收模式。在这种模式下，i i s 数据线将通 过双通道d m a 同时接收和发送音频数据，d m a 服务请求由f i f o 只读寄存器自 动完成。$ 3 c 2 4 1 0 支持4 通道连接系统总线( a h b ) 和外围总线( a p b ) 的d m a 控 制器。$ 3 c 2 4 1 0 的d m a 控制器没有内置的d m a 存储区域，因而程序中必须为 音频设备分配d m a 缓存区，通过d m a 直接将需要回放或录音的数据放在内存 的d m a 缓存区中。 由于i i s 总线只处理音频数据，因此u d a l 3 4 1 还内置了用于传输控制信 号的l 3 总线接口。l 3 接口相当于混音器控制接口，可以控制输入输出音频 信号的低音及音量大小等。l 3 接口接在$ 3 c 2 4 1 0 的3 个通用g p i o 输入输出 引脚上，利用这3 个i o 口模拟l 3 总线的全部时序和协议。这里一定要注意 l 3 总线的时钟不是连续时钟，它只在数据线上有数据时才发出8 个周期的时 钟信号，其他情况下时钟线始终保持高电平。 电路图如图2 - 7 所示，$ 3 c 2 4 1 0 的i i s 总线信号与u d a l 3 4 1 的i i s 信号 直接相连。l 3 接口的引脚l 3 m o d e 、l 3 c l o c k 和l 3 d a t a 分别连接到s 3 一c 2 4 1 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 的g p b l 、g p b 2 和g p b 3 通用数据输出引脚。 2 3 8 显示部分接口电路 图2 7 音频电路原理图 本系统采用l c d 显示所采集的图像，l c d 的接口基本可以分为两类：总 线式接口和扫描式接口总线式接口l c d 由于内部显存访问速度慢，不适合实 时显示扫描式接口常见于分辨率较高的图形点阵式l c d ，这类接口需要处理 器内部集成专门的l c d 控制器来配合l c d 。 液晶屏采用s h a r p 公司的8 寸屏l q 0 8 0 v 3 d g 0 1 ，其象素格式为 6 4 0 r g b x 4 8 0 ，供电电压为3 3 v - 5 v 。要l q 0 8 0 v 3 d g 0 1 能正确的显示显示 图像，不但需要l c d 驱动器，还需要有相应的l c d 控制器l c d 驱动器会 以c o f c o g 的形式与l c d 玻璃基板制做在一起，而l c d 控制器则由 $ 3 c 2 4 1 0 内部集成的寄存器来实现对于t f t 屏l q 0 8 0 v 3 d g 0 1 来说，除了 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 要连接数据线r 0 r 5 、g o g 5 、b 0 b 5 以外，还有以下一些信号是必不可少 的，分别是：v s y n c 、h s y n c 、v c l k 、v d e n 。其中v s y n c 是帧同步 信号，h s y n c 是行同步信号，v c u n i c e ) 掉转方向成为1 - - - - 4 0 。所以，综合的权值在时间片尚未用完时基本上是两者 之和。如果是内核进程，或者其用户空间与当前进程相同，则权值将额外加 l 作为奖励。对于实时进程，其权值为1 0 0 0 + p r t，当priorityp - c o u n t e r 达到0 时该进程将移到队列的尾部，但其优先级仍不少于1 0 0 0 。可见当有实 时进程就绪时，普通进程是没机会运行的。 由此可以看出，通过g o o d n e s s ( ) 函数，l i n u x 从优先考虑实时进程出发， 实现了多种调度策略的统一处理，其设计思想非常巧妙，具体的调度过程由 s c h e d u l e ( ) 完成。 3 4 嵌入式lin u x 在$ 3 c 2 4 10 上的移植 3 4 1 配置和编译b o o t l o a d e r ( v i v i ) b o o t l o a d e r 是系统加电后运行的第一段代码。一般只是在启动是运行很 短的时间，然而对一个嵌入式系统来说，这一部分却是整个系统的一个无比 重要的组成部分，不可缺少。在一般嵌入式系统中，系统复位或者加电后通 常从地址o x 0 0 0 0 0 0 0 0 处开始执行，而这个地址一般正是存放的启动代码。 通过这段程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统 的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终加载操作系统内核准备好正 确的环境。 b o o t l o a d e r 的实现依赖于的体系结构，一般来说启动过程分为两个阶段。 第一阶段依赖于c p u 体系结构的代码，比如设备初始化代码等，通常都 放在第一阶段中，而且通常都用汇编语言来实现，运行效率比较高。这个阶 段完成的任务一般如下： 1 硬件设备初始化屏蔽所有的中断、关闭处理器内部的指令数据； 2 为第二阶段准备空间： 3 若从某个固态存储介质中，则复制的第二阶段代码到r a m 空间中； 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 4 设置好堆栈并跳转到第二阶段的程序入口点； 而第二阶段则通常用c 语言来实现，这样可以实现复杂的功能，而且代 码会具有更好的可读性和可移植性。这个阶段主要任务有： 1 初始化本阶段要使用到的硬件设备； 2 检测系统内存映射； 3 将内核映像和根文件系统从读到中； 4 为内核设置启动参数； 5 调用内核文件运行； b o o t l o a d e r 一般都包含两种不同的操作模“加载”模式和“下载模式， 这种区别仅对于开发人员才有意义。但从最终用户的角度看，b o o t l o a d e r 的作 用就是用来加载操作系统，而并不存在所谓的启动加载模式与下载工作模式 的区别。 启动加载( b o o tl o a d i n g ) 模式。这种模式也称为“自主模式。也即从目 标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到中运行，整个过程并没有用 户的介入。这种模式是的正常工作模式，因此在嵌入式产品发布的时候，显 然必须工作在这种模式下。 下载( d o w n l o a d i n g ) 模式。在这种模式下，目标机上的将通过串口连接或 网络连接