（信息与通信工程专业论文）基于web的嵌入式视频监控服务器设计与实现.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着网络、通信和数字信息技术的不断进步，监控系统的组成模式也在快速变化和发展 中，当前阿络技术与嵌入式技术的结合催生了全新的基于嵌入式的网络化数字视频监控系 统。本文就是在这样的背景下，设计并实现了一个基- 丁w e b 的嵌入式视频监控服务器。 本服务器主要用于诸如银行、交通、商场、住宅小区等重要场所的视频监控与视频录像。 与一般的嵌入式视频监控系统相比，本系统内嵌了w e b 服务器和f t p 客户端软件。通过嵌 入式w e b 服务器现场监控设备就可以直接连接到i n t e m e t i n t r a n e t 上，客户端只要通过普通 w e b 浏览器就能与视频服务器进行交互及实时监控。做到了系统软件与客户端无关，这样 大大提高了系统升级、维护的效率。通过f t p 客户端软件现场的监控设备能按照控制信号 将视频信号传输到远程服务器进行备份、管理。 本文先是分析了系统的功能需求，在此基础上提出了基于w e b 的嵌入式视频监控服务 器的系统设计方案，并搭建了一个适合系统开发的平台。然后在第三章介绍了r t p 协议和 a f e c ，为系统中各个功能模块的设计和实现奠定了理论基础。最后在第四章详细地介绍了 各个模块的设计方案和软件实现过程。系统有三个模块纽成，其中重点阐述了：嵌入式w e b 服务器构建过程中用到的h t t p 报文分析、c g i 程序模块；视频传输模块中的s o c k e t 网 络编程，r t p 协议、a f e c 的实现和f t p 客户端的设计实现：客户端控件设计中的a p p e t 的工作原理，f e c 恢复和j p e g 图像显示。 【关键字】：嵌入式w e b视频监控 a p p l e t r t p r t c p 自适应前向纠错 塑垩查兰堡主兰篁堡墨 一 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r k ，c o m m u n i c a t i o na n dd i g i t a li n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , s u r v e i l l a n c es y s t e m sm o d e li m sc h a n g e dal o ta n dm a d eag r e a tp r o g r e s s c u r r e n t l y , a f t e rt h eh e l p o fn e t w o r kt e c h n o l o g ya n de m b e d d e dt e c h n o l o g y , an e wd i g i t a ln e t w o r ks u r v e i l l a n c es y s t e m s b a s e d 伽e m b e d d e ds y s t e mh a sc o m ef o r t h s o t h i sp a p e rd e s i g n sas c h e m eo fv i d e oi n s p e c t i o n s e t v e rb a s e do n 锄b e d d e dw e ba n dr e a l i z e si t 砒l a s t t h i ss e r v e ri sm a i n l yu s e dt op r o v i d er e a l - t i m ev i d e oi n s p e c t i o na n dv i d e or e c o r di ns o m e i m p o r t a n tp l a c e ss u c ha sb a n k , m a r k e t p l a c e ，r e s i d e n t i a la r e aa n dh i g h w a y c o m p a r e dw i t ho t h e r e m b e d d e dv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m ，t h es y s t e md e s i g n e db yt h i sp a p e rh a st w oe m b e d d e d s o f t w a r e t h e ya r ew e bs e r v e ra n df r pc l i e n te n d t h r o u g ht h ee m b e d d e dw e bs e r v e r , t h e s u r v e i l l a n c ee q u i p m e n tc a nc o m n e c tt oi n t e r n e t i n t r a n e te a s i l y a n dt h eu s e rc a ns e et h er e a l - t i m e i m a g ef r o mt h e5 e l v c ro i lt h ew e bb r o w s e ro fa n yc l i e n te n d t h eu s e ra l s oc a l ls e n do u ts o m e c o m m a n dt oc o n t r o lt h es g t v c ls ot h es o f t w a r eo f s e r v e ri si n d e p e n d e n to f c l i e n te n d i to b v i o u s l y g a t h a n c g st h em a i n t e n a n c ea n du p g r a d ee f f i c i e n c y a c c o r d i n gt ot h ec o m m a n dt h ef t ps o f t w a r e c a nt r a n s p o r tt h ev i d e os i g n a lt ot h er e m o t ef 1 甲s e l v g r s oa d m i n i s t r a t o r sc a bd e a lw i t ht h er o r d a ta n y t i m e t h ea u t h o rf i r s t l ya n a l y s e st h es y s t e mr e q u i r e m e n t s ，t h e np u t sf o r w a r dad e s i g ns c h e m eo f t o t a ls y s t e m ，a n ds e t su pad e v e l o p i n gp l a t f o r m ，s e c o n di n t r o d u c e sr e a l - t i m et r a n s p o r tp r o t o c o la n d a d a p t i v ef o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ，w h i c hp r e p a r et h et h e o r yf o u n d a t i o nf o rc h a p t e rf o u r i nt h e c h a p t e rf o u r , t h ea u t h o rp r o p o s e st h ed e t a i ld e s i g ns c h e m e so f e v e r ym o d u l e ，a n da l s oh a sr e a l i z e d t h ec o r r e s p o n d i n gc o d e e m b e d d e dw e bs e r v e r , v i d e ot r a n s p o r t i n g , a n dw i d g e to fc l i e n te n d c o n s t i t u t et h ev i d e oi n s p e c t i o ns e r v e rb a s e do ne m b e d d e dw e b i nt h ef i r s tm o d u l e ，t h ea n a l y s i s o fh t t pm e s s a g ea n dc g ip r o g r a ma r ep r e s e n t e d i nt h es e c o n dm o d u l e 。s o c k e tp r o g r a m ， r e a l i z a t i o no fr t pp r o t o c o la n da f e c a n dt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ff 1 限c l i e n ta r ef u l l y d i s c u s s e d t h et h i r dm o d u l ed e s c r i b e st h ep r i n c i p l eo fa p p l e t , a sw e l la sr c c o u n t st h ep r o c e s so f f e cr e c o v e r ya n dj p e gi m a g ed i s p l a y 【l c e yw o r d s e m b e d d e dw e bv i d e os u r v e i l l a n c ea p p l e tr t p ，r t c p a f e c 浙江大学硕上学位论文 第一章绪论 本章主要介绍了课题的背景和意义，同时回顾了国p 9 3 i - 视频监控的发展现状及其发展趋 势，最后阐述了本文所作的主要工作和论文的结构安排。 1 1 课题背景和意义 视频监控系统是重要场所诸如电力、邮电、银行、交通、商场等需要信息广泛交流企业 的生产与管理的必备系统。比如，对于银行系统而言，通过监控系统，可以对一些突发事件 进行回放，很容易找到事件的相关责任人；在制造企业中，可以通过监控系统实现无人生产， 对机器进行远程维修等。随着国民经济的发展，视频监控系统的应用已经越来越广泛。 目前视频监控系统主要在以下领域中使用1 2 0 ： 1 ) 对机要部门的监视、控制和报警，如档案室、文件室、金库、博物馆等； 2 ) i 厂、市场等的监视，如工厂生产过程、市场、营业厅、展览厅、货场等的监视； 3 ) 对交通运输的监视，如公共交通、铁路车站、铁路调度等的监视； 4 ) 用于安全报警，如防盗、防火等的报警； 5 ) 家庭用户，随着人民生活水平的提高以及计算机的家庭普及率提高，家庭小型监控系 统的需求量也变得越来越大。 在计算机未被广泛应用以及数字视频等理论研究尚未成熟以前，传统模拟监控系统占据 了监控领域的主要位置。传统的模拟监控，通常是利用录像机将镜头的画面录下来以各查， 而录像机录下来的图像，一是清晰度不够，二是查询麻烦，而且录像带的保存也是问题，尽 管有着种种不足，但因为前几年的技术限制，这种模式的监控系统还是被普遍使用。 随着网络、通信和数字信息技术的不断进步，监控系统的组成模式也在快速变化和发展 中，当前网络技术与嵌入式系统技术的结合催生了全新的基于嵌入式w e b 的监控系统。它 向人们展示的是现代高科技的结晶，是网络技术与嵌入式系统技术的完美结合。基于嵌入式 w e b 监控系统由于把视频处理和w e b 功能集成到一个体积很小的设备内，可以直接连入以 太网，达到即插即看，省掉很多复杂的电缆，安装方便，用户无需专用软件。这些优点将使 嵌入式视频监控系统获得更广泛的应用。 浙江大学硕士学位论文 1 2 国内外发展现状和发展趋势 国外监控系统起步较早，它几乎是随着黑白电视机的诞生就出现。近年来，随着半导体 工艺、视频压缩技术、网络传输技术的突飞猛进，监控系统得到了飞速的发展，出现了一大 批生产监控系统的专业公司以及附带提供监控产品的公司。如美国的d j g i t a ls e m i c o n d u c t o r 公司、m e d i a c y b e m e t i c s 公司、加拿大p i c p o 公司、c o r e c o 公司，德国m i r 。公司等等。其 产品多为单路的图像采集卡或压缩专。其中d i g i t a ls e m i c o n d u c t o r 的2 1 2 3 0 编解码系统由于 其较高的性价比和灵活性( 支持h 2 6 1 和m p e g 1 1 ，己被广泛用于监控领域。一些厂家己开 始研制多路监控系统，典型的代表是韩国l g 公司的l d v r 2 0 0 0 3 0 0 0 系列监控系统。该系 统有4 1 6 个通道，压缩格式为m j p e g , 由于采用主机软件压缩，所以效率不高。另外如美 国s e n s o r m a t i c 公司型号为i n t e l l e p 的监控系统，它有1 6 个通道，由于采用模拟视频合 成，存储仍采用录像带的方式，因而在系统性能以及灵活性上受到限制。 国内在监控领域起步较晚，水平也较低，大部分还停留在o e m 的层次。少数厂家开始 自行生产自己的监控系统，但其性能与国外的大公司相比还有相当的差距，如北京的微视公 司，其主要视频监控产品如m v 9 9 2 0 实时压缩卡、m v 9 9 g 海量硬盘录像智能监控系统、 s m a r w i d e o 解码系统、以及代销的美国a v - 8 专业视频压缩卡。 视频监控系统的发展经历了三个不同阶段：模拟视频监控，数字化图像监控，基于i p 嵌 入式视频服务器的网络化数字视频监控。 模拟监控系统发展较早，目前常称为第一代监控系统，系统特点：视频、音频信号的采 集、传输、存储均为模拟形式，质量最高；经过几十年的发展，技术成熟，系统功能强大、 完善。存在的问题是：只适用于较小的地理范围；与信息系统无法交换数据监控仅限于监控 中心，应用的灵活性较差不易扩展。 随着计算机存储和计算能力的不断增强，图像监控迎来了一场技术革命。慢慢从过去的 模拟处理方式转向数字处理方式，开始使用p c 处理图像信号。利用计算机的数据处理能力 与显示器的高清晰度，将视频信号通过视频采集卡采集到计算机中，在显示器上显示，大大 提高了图像的画质，但是控制与切换仍采用传统的方式，只是计算机串口与之相连，完成控 制工作。尽管它有良好的人机界面和较好的稳定性，但它不能称为真正的数字图像监控系统。 其根本原因在于系统设计的出发点不是基于计算机，而是基于传统模式。只是在原有的基础 上加以改进，大部分时间里，计算机只是充当一个外部监视器的角色。通信协议的多样化与 专用化很难统一，导致已有的计算机资源远远满足不了多种设备的要求。 2 浙江大学硕士学位论文 随着信息处理技术的不断发展，基于i p 嵌入式视频服务器的网络化数字视频监控近几 年异军突起。全数字化网络监控系统以网络为平台，采用全新的设计理念，集成当今最先进 的网络技术、计算机技术以及数字处理技术。全数字化网络监控系统以m 地址来识别所有 的监控设备，采用t c p ，i p 协议来进行图像、声音和数据采集传输能够实现：更广阔地理远 距的布局；无限的可扩展能力；庞大的网络监控。 前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化是视频监控系统公认的发展方向， 而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础，所以，视频监控发展的最大两个 特点就是数字化和网络化也是监控系统发展的必然趋势。 网络数字视频监控系统与上述第一、二代系统相比具有明显的优势：利用现有的网络资 源，轻而易举地实现远程视频监控；系统扩展能力强，只要有网络的地方增加监控点设备就 可扩展新的监控点；维护费用低，网络维护由网络提供商维护，前端设备是即插即用、免维 护系统；系统功能强大、利用灵活、全数字化录像方便于保存和检索；网络中的任意一台计 算机，只要安装了客户端的软件，给予相应的权限就可成为监控工作站。 1 3 本论文的主要工作及内容安排 由于是第一次基于嵌入式l i n u x 系统和a r m 核开发板进行应用开发，所以开始阶段主 要是一个探索、积累的过程同时总结了如何搭建嵌入式系统的硬件开发平台和软件开发环 境。开发过程中解决了课题中的遇剑的两个关键技术问题：嵌入式系统的以太网接入和视频 数据的实时传输。具体的工作任务如下：实现实时视频数据的f l p 备份和基于w e b 的用户的 身份验证、视频服务器的交互及实时视频监控功能。 论文的结构安排如下： 第一章绪论：介绍了课题研究背景和意义，视频监控系统的发展过程和发展趋势及本 文的主要工作。 第二章系统方案设计与开发平台的搭建：给出了系统的总体设计方案，介绍了基于嵌 入式l i n u x 系统和a r m 核开发板进行嵌入式开发的工作流程和开发平台的搭建过程。 第三章实时传输协议和差错控制技术：详细地介绍了适合实时视频传输的r t p 协议和 基于该协议的差错控制策略a f e c 。 第四章功能模块设计和软件实现：提出了基于w e b 的嵌入式视频监控服务器各个模 块的具体设计方案，介绍了各个模块实现过程中用纠的相关理论知识，最后给出了模块的工 浙江大学硕士学位论文 作流程图和部分主要函数的功能介绍。 第五章总结和展望：总结了全文，并提出了下一阶段研究工作的方向。 4 浙江大学硕士学位论文 第二章系统方案设计与开发平台的建立 本章提出了一个基于w e b 的嵌入式视频监控服务器的设计方案，并针对该方案设计搭 建了一个开发平台。系统分为三个模块：嵌入式w e b 服务器、视频调度和视频传输。w e b 服务器的功能包括：为用户和服务器之间提供交互平台并响应监控端的请求，对w e b 浏览 器的访问进行有效性检查；视频调度模块首先是视频信号的提供源，同时还负责实时视频监 控和实时备份两种不同工作方式下视频信号的切换；视频传输模块有两个任务分别是：完成 视频数据的r t p 包封装和提供自适应的f e c 编码，提供端到端的实时视频数据的传输和视 频数据的备份。 在开发平台搭建过程中考虑了所选择的器件是否适合应用要求，硬件资源是否足够用以 编程调试并保证系统性能优良，同时还要兼顾硬件资源满足系统需求的前提下尽可能降低成 本；对于软件开发环境主要考虑的是所选操作系统的性能、稳定性是否满足应用要求，以及 是否支持相应的配套开发工具柳。 2 1 视频监控服务器的总体设计 2 1 1 系统需求分析和设计思路 本文基于数字视频技术、多媒体网络传输技术和嵌入式w e b 技术设计了一个应用于远 程视频监控的视频监控服务器系统，我们希望该系统具有如下功能： 1 ) 支持i n t e r a c t 远程访问和w e b 页面登录。 2 )提供一定的用户管理和安全登录机制。 3 )根据客户端请求把指定摄像机的实时画面通过网络传送到任一个合法的客户端。 4 )将实时的视频信号传输到指定的服务器进行管理备份。 5 1 扩展性好，系统将来的升级要方便。 与以往的嵌入式视频监控系统的相比，本系统增加了一个嵌入式w e b 服务器。这样现 场监控设备通过嵌入式w e b 服务器就可以直接连接到i n t e m e t i n t r a n e t 上，大大方便了嵌入 式设备的以太网接入，而且客户端只要通过普通w e b 浏览器就能与视频服务器进行交互及 实时监控，简化了客户端的软件设计。为了能在“尽力而为”的互联网上保证实时视频数据 的传输质量，本文采用了实时传输协议r t p r t c p 和动态的前向纠错技术。进行实时的视频 信号备份时，考虑到备份过程存在着间断性，所以本系统采取了f 1 p 传输方式。系统组成 5 浙江大学硕士学位论文 方框图如下图2 1 所示。 图2 1 系统组成方框图 2 1 2 视频监控服务器的总体设计 f t p 服务器 在前面已经介绍了整个系统的工作模型和系统需要实现的功能，下面将详细介绍视频监 控服务器的设计。视频服务器有三个模块组成：嵌入式w e b 服务器、视频调度模块和视频 传输模块。其内部结构如图2 2 视频监控服务器内部结构方框图所示。 图2 2 视频监控服务器内部结构方框图 其中视频传输模块是整个视频监控服务器的核心。它又可以细分为下面三个模块：r t p 包封装a f e c 编码模块，实时传输模块和嵌入式f t p 客户端。r t p 包封装a f e c 编码模 块主要负责将输入的 p e g 流打包成r t p 包，并根据实时传输模块提供的控制参数确定是 否对r t p 包进行前向纠错编码；实时传输模块完成视频数据的实时传输；嵌入式f t p 客户 端负责视频数据的备份。 w e b 服务器的主要任务是完成用户和系统的交互功能，它有自己的i p 地址，在监控端 可以通过浏览器界面访问视频监控服务器。嵌入式视频监控服务器默认状态下是处于实时视 6 一 浙江大学硕士学位论文 频的各份状态的，内部的f 丁p 客户端软件通过访问f t p 服务器后就能将现场视频信号传送 到服务器进行备份管理。当客户端提出监控请求后w e b 服务器首先鉴定请求的合法性，鉴 定通过后w e b 服务器发送控制信号给视频调度模块，视频调度模块发送反馈信号给外部的 视频信号提供模块，同时将输出的视频信号切换成3 p e g 流同时。在此我们假定视频信号提 供模块可以根据我们的反馈信号提供对应的信号流。视频调度模块输出的信号有j p e g 流和 m o t i o n3 p e g 流两种格式。 2 2 硬件开发平台的搭建 深入了解和比较当前嵌入式开发板的硬件组成后，我们最终选择了深圳研兴科技有限公 司提供的e d k - 2 7 0 s l 开发板作为本系统的硬件开发平台l ”】。该开发板提供了视频服务器系 统所需的所有功能，同时它的丰富外设接口为系统日后的升级和功能扩展了提供了广阔的空 间。关于e d k 2 7 0 s l 开发板的详细情况将在2 2 1 节做进一步的介绍。基于e d k - 2 7 0 s l 开 发板搭建的硬件开发平台如图2 3 所示。 图2 3 硬件开发平台方框图 图2 3 中，b d m 线是开发板从l i n u x 主机下载b o o t l o a d e r 时的通信线路，而串口线主要 用于向开发板移植l i n u x 系统内核和文件系统以及超级终端的通信控制。e d k 2 7 0 s l 开发 板、l i n u x 宿主机和f t p 服务器通过集线器和网线相连进行网络通信。 l i n u x 宿主机主要完成开发工具链、l i n u x 系统内核、文件系统的编译和应用程序的交 叉编译及调试工作，f t p 服务器则是进行嵌入式f t p 客户端软件开发时的调试主机。 7 浙江大学硕士学位论文 2 2 1e d k - 2 7 0 s l 开发板的介绍 e d k 2 7 0 s l 开发板基于i n t e lp x a 2 7 0 处理器，该处理器基于x s c a l e 架构，最高主频可 达6 2 4 m h z 。p x a 2 7 0 处理器内部结构如图2 4 所示，从图中可知p x a 2 7 0 有大量的扩展接口； s d s d i o m m c 、c f p c m c i a 、c m o s ，c c dc a m e f a 、m s ，m s p r o 、u s b l 1 、o t g 、 s i m 、k e y b o a r d 等。适合用于p d a 、t p c 、p m p 、语音系统、指纹识别、车载导航、媒 体播放、工业控制、电力系统等设备的开发。 图2 4i n t e lp x a 2 7 0 处理器内部结构方框图 p x a 2 7 0 处理器是i n t e l 公司目前性能最为强劲的嵌入式处理器，已经成为高端嵌入式设 备中最受欢迎的处理器之一1 2 1 】。p x a 2 7 0 最引入注目的是加入了w i r e i e 鹞m m x 技术，大大 提升了多媒体处理能力；同时p x a 2 7 0 还加入了i n t e is p e e d s t e p 动态电源管理技术，在保证 c p u 性能的情况下，最大限度地降低了嵌入式设备功耗。除外，i n t e l 还在p x a 2 7 0 中集成了 一个重要的安全特性w t p ( w i r e l e s st r u s t e dp l a t f o r m ) ，简单地说这是一块安全的存储空间， 支持通用的安全协议，可以用来存储个人隐私信息以及密码等等。 e d k - 2 7 0 s l 开发板采用核心板加底板的配置，使得调试和应用更加方便，使用户有更 灵活的扩展方式。用户可以自行设计配合开发平台使用的各种扩展模块，使用户能以很低的 代价有选择地扩展开发平台的功能，有效地保护了用户的前期投资。e d k - 2 7 0 s l 开发板配 套的软件资源含l i n u x - 2 6 9 源代码、文件系统、b o o t l o a d e r 的镜像文件、交叉编译工具链 a r m l i n u x t a r g z 和镜像文件的烧写驱动程序，设备驱动成熟稳定，参考电路原理图详尽，可 以大大缩短用户的设计开发时间，并有助于提高最终产品的设计质量。 e d k 0 2 7 0 s l 开发板的正视图如图2 5 所示。e d k 一2 7 0 s l 上拥有的丰富的硬件资源，主要 包括： 夺核, l j , x s c a l ep x a 2 7 0 处理器5 2 0m h z ； 夺5 v d c 输入接口： 8 浙江大学硕士学位论文 6 4m b y t es d r a m 和3 2m b y t ef l a s hm e m o r y ： a c 9 7 接口，支持立体声耳机输出，支持m i c 输入； 夺1 个1 0 1 0 0 m 自适应以太网接口l a n 9 1 c 1 1 3 ； 4 0 p i n2 0 m m 连接器，可外接不同l c d 模块( d e f a u l ts h a r pl c dm o d u l e ) s h a r p3 5 寸2 4 0 * 3 2 06 4 k 2 5 6 k1 1 叮l c d ，l q 0 3 5 q 7 d h 0 1s a m s u n g3 5 寸 2 4 0 3 2 06 4 k 2 5 6 kt f tl c d ； 夺 1 个全功能串口，r s 2 3 2 电平v i 带流控串1 2 1 ，r s 2 3 2 电平； 一个红外接口； 1 个s d 卡接口； 夺 1 4 c f 卡接口，支持c fm e m o r y 夺4 d 按键，1 个g p i op o w e r 键，1 个g p i or e s e t 键 4 个可供用户使用l e d ，2 4 c p u 状态指示l e d ： v i u s bh o s t ，1 个u s bs l a v e ( u s bh o s t 支持u 盘，移动硬盘等u s b 设备，u s b s l a v e 支持u s bn e t ) 2 个s s p 接口连接器。 图2 5 e d k 2 7 0 s l 开发板 9 浙江大学硕士学位论文 2 3 软件开发环境的建立 基丁嵌入式l i n u x 开发环境一般由目标系统硬什开发扳和装有l i n u x 桌面版的主机平台 p c 组成i ”1 。l i n u x 主机上操作系统采用r e d h a t 9 0 版本。目标系统硬件开发板用米运行嵌入 式l i n u x 操作系统、用户系统应用程序等，而主机平台用来进行嵌入式操作系统内核编泽， 文件系统的制作和系统应用程序开发和调试等。双方通过串口、并口或者以太网口等建立连 接。 2 3 1 嵌入式l i n u x 操作系统概述 l i n u x 类似于u n i x ，是免费的，源代码开放的，符合p o s i x 标准规范的操作系统。l i n u x 拥有现代操作系统的所具有的内容，例如：真正的抢先式多任务处理、支持多用户、内存保 护、虚拟内存、支持多对称多处理机s m p ( s y m m e t r i cmu l t i p r o e e s s i n g ) 、符合p o s l x 标准、 支持t c p i p 、支持绝大多数的3 2 位和6 4 位c p u 。 近几年l i n u x 在嵌入式领域获得了飞速发展，已开发的嵌入式系统中，4 9 的项目选择 l i n u x 作为嵌入式操作系统。l i n u x 之_ _ 所以有能在嵌入式系统市场上取得如此迅速的发展，与 它自身的优良特性有着不可分割的关系”2 1 。 ”l i n u x 作为嵌入式操作系统的优势 l i n u x 正在嵌入式开发领域稳步发展，是由于其自身具有非常适合于作为嵌入式操作系 统的优点，主要表现在i ”1 ： & 使用成本低 几乎所有的商业用操作系统如m i c r o s o f t 公司的w i n d o w s 系列，都需要为每一个拷贝支付 相当数量的费用。但是l i n u x 是免费软件，只要遵守g p l 的规定，就可以免费获得拷贝。l i n u x 下有同样遵循g p l 规定的c 、c + + 、j a v a 等等一系列的软件工具开发包，从功能角度上看并 不亚于商用开发包，同时可以极大的降低开发成本。这点优势是其他商用操作系统无法比拟 的。 b 。源代码公开 l i n u x 可以随意地配置不需要任何的许可证或商家的合作关系，任何人可以修改并在 g p l 下发行。l i n u x 带有u n i x 用户熟悉的完善的开发工具，几乎所有的u n i x 系统的应用软 件都已移植到t l i n u xl - 。其强大的语言编译器簪c 、g + + 等也是开源的，可以很容易得到， o 浙江大学硕士学位论文 并在不断成熟与完善。 c 支持多种硬件平台 l i n u x 因此拥有了一个庞大的支持者群体，其中许多人都编写驱动程序和其它的更新程 序并且免费的通过i n t e m e t 网络进行分发。现在l i n u x 已经被移植到多种硬件平台，支持包括 x 8 6 、a i p h a 、s p a r e 、m i p s 、p o w e r p c 、a r m 、i a “、s 3 9 0 、s u p e r h 等现有的绝大部分微 处理器体系结构中。这对受开销、时间限制的研究与开发项目是很有吸引力的，原型可以在 标准平台上开发然后移植到具体的硬件上，加快了软件与硬件的开发过程。 d 强大的网络功能 l i n u x 操作系统最突出的是网络部分，基本上所有的网络协议和网络接口都可以在l i n u x 上找到，l i n u x 内核比标准的u n i x 更加高效地处理网络协议，系统的网络吞吐性能非常好， 这也是为什么l i n u x 在网络服务器市场上占据越来越大市场份额的一个原因。 e 微内核模块化体系结构【2 3 l l i n u x 操作系统本身的微内核体系结构相当简单，网络和文件系统以模块形式置于微内 核的上层，驱动程序和其它部件可在运行时作为可加载模块编译到或者是添加到内核，这为 构造定制的可嵌入系统提供了高度模块化的构件方法，使添加部件非常容易。 f 系统小巧 一个功能完备的l i n u x 内核要求大约i m b 内存。而l i n u x 微内核只占用其中很小一部分内 存，包括虚拟内存和所有核心的操作系统功能在内，只需占用系统的l o o k p q 存。只要有5 0 0 k 的内存，一个有网络栈和基本实用程序的完全的l i n u x 系统就可以在一台8 位总线( s x ) 的 l n l e l 3 8 6 微处理器上运行的很好了。由于内存要求常常是根据需要的应用所决定的，l i n u x 系 统甚至可以仅使用2 5 6 k br o m 和5 1 2 k br a m 进行工作，完全适合于资源有限的嵌入式硬件 平台。 2 ) l i n u x 绷技术 线程技术早在6 0 年代就被提出，但真正应用多线程到操作系统中去，是8 0 年代中期。现 在，多线程技术已经被许多操作系统所支持，包括l i n u x 和w i n d o w s 操作系统。 由于视频流在网络中传输时有着较大的数据吞吐量，因此发送时常常会出现阻塞现象。 为了在实际的视频传输应用中避免出现这种情形，提高传输的效率，在设计应用软件的时候， 采用了多线程技术来进行网络编程【3 0 l 。 线程就是操作系统分配处理器时间的最基本单元。在一个多线程的应用程序中，每一个 线程都有它自己的堆栈，并且可以独立地对在同一程序中运行的其它线程进行操作。 1 1 浙江大学硕士学位论文 采用多线程结构的优点是：第一，可以同时处理多个不同的事务，且各个事务的处理模 块相互独立；第二，良好的可扩展性，可以方便的在有新的需求时添加对应的处理模块。 在l i n u x 系统中提供了几种同步对象，即临界区( c r i t i c a ls e c ! i o n ) ，互斥量( m u t e x ) ，信号 量( s 啪a p h o r e ) 和事件( e v t ) 等i ”i 。这些同步对象能够让不同的线程之间实现同步和协调它 们的行为。 2 3 2 建立交叉编译环境 在进行嵌入式开发之前，首先要建立一个交叉编译环境，这是一套编译器、连接器和l i b e 库等组成的开发环境。交叉编译是嵌入式开发过程中的一项重要技术，它的主要特征是某机 器中执行的程序代码不是在本机编译生成，而是由另一台机器编译生成，一般把前者称为目 标机，后者称为主机。采用交叉编译的主要原因在于，多数嵌入式目标系统不能提供足够的 资源供编译过程使用，因而只好将编译工程转移到高性能的主机中进行。 建立一个交叉编译工具链是一个相当复杂的过程，这个过程主要包括如下几个步骤： 1 )下载源文件、补丁和建立编译的目录 2 ) 建立内核头文件 3 ) 建立二进制工具( b i n u t i l s ) 钔建立初始编译器( b o o t s t r a pg c c ) 5 )建立c 库( 舀i b c ) 6 ) 建立全套编译器( f u l lg c c ) 如果你不想自己经历复杂的编译过程，网上有一些编译好的可用的交叉编译工具链可以 下载。 本文使用的是e d k - 2 7 0 s l 开发板配套的a i m - l i n u x t a r g z 交叉编译工具链。在l i n u x 主 机的终端中切换当前路径到m r l o c a l 下然后执行命令： # t a rx z v f a r m l i n u x t a r g z 便可将a r m 1 i n u x 交叉编译工具安装1 l j u s r l o c a l 下，交叉编译环境就建立好了。 2 3 3l i n u x 内核的编译与移植1 3 5 l 内核是l i n u x 系统软件的组成核心。它的性能对整个系统的性能起决定性作用。如果内 核不支持某个硬件，那么当使用这个内核的时候，这个硬件将不能使用。这一节将重点讨论 1 2 浙江大学硕士学位论文 如何为一个嵌入式系统准备好一个可用的精简的l i n u x 内核。接下来将要讨论内核的选择、 配置、编译和移植。 2 3 3 1 内核配置和编译 在嵌入式系统中没有统一的内核操作系统，不同的内核有它们各自支持的处理器类型， 因此必须根据嵌入式开发板上的处理器的体系结构选择合适的内核。h t t p ：w w w k e m e l o r g 是内核的主要来源，该网站上有很多针对不同体系结构的内核版本。当然如果想得到真正能 够运行在自己特定的嵌入式系统板上的内核，还需要在此基础上做许多的配置工作。本文所 使用的内核是购买开发板时提供的 l i n u x - 2 6 9 - 2 7 0 s l l t a r g z ，下面简单地介绍了一个运行在e d k - 2 7 0 s l 开发板上的内核配置过 程。 l i n u x 内核的编译菜单都是通过c o n f i g i n 经由不同脚本解释器产生c o n f i g 。它包括m a k e e o n f i g 、m a k em e n u e o n f i g 和m a k ex c o n f l g 等版本。m a k ec o n f i g 以命令行方式进行配置；m a k e m e n u e o n f i g 以菜单方式进行配置；m a k ex c o n f i g 以图形库菜单方式进行配置。由于m a k e e o n f i g 方式过于复杂，而m a k ex c o n f i g 虽界面友好但还不够稳定，所以本次内核配置采用了 m a k em e n u c o n f i g 的菜单方式。 在选择相应的配置时，有三种选择方式，它们分别代表的含义如下。 y ：将该功能编译进内核； n ：不将该功能编译进内核： m ：将该功能编译成可以在需要时动态插入到内核中的模块。 下面来看看具体的配置菜单，首先将l i n u x 一2 6 9 - 2 7 0 s l l t a r g z 解压缩至u s r l o c a l 目录下， 然后进入到源码树目录在终端中键入m a k em e n u c o n f i g 就会看到如图2 6 所示的选项配置菜 单。 浙江大学硕士学位论文 图2 6l i n u x 2 6 9m e n u c o n f i g 配置菜单 从上图可知内核配置选项非常多，但实际上在配置时，大部分选项可以使用其缺省值， 只有小部分需要根据用户的不同需要选择。选择的原则是将与内核其它部分关系较远且不经 常使用的部分功能代码编译成为可加载模块，有利于减少内核的长度，减少内核消耗的内存： 不需要的功能就不要选；与核心紧密而且经常使用的部分功能代码直接编译到内核中。下面 就与系统处理器类型最为密切相关的s y s t e mt y p e 加以介绍。 系统类型，主要是c p u 类型以及与此相关的内容。如果是进行交叉编译，该项下的内 容往往是经过相应的目标平台开发人员修改的。主要是针对该平台的体系结构定义，这样可 以优化系统性能。正因为目标平台的多样性，所以该项定义也常常是五花八门。基于i n t e l x s c a l e p x a 2 7 0 c p u 的e d k 2 7 0 s l 开发平台，这一选项的配置过程如下： 1 ) s y s t e mt y p e 一) a r ms y s t e mt y p e 一) 选中p x a 2 x x - b a s e d 如图2 7 所示。 4 浙江大学硕士学位论文 图2 7 2 ) s y s t e mt y p e 一) i n t e lp x a 2 x xi m p l e m e n t a t i o n s - - ) s e l e c tt a r g e tb o a 时一) 选中 n t e l h c d d b b v a 0d e v e l o p m e n tp l a t f o r m 如图2 8 所示。 图2 8 3 ) s y s t e mt y p r ) i n t e lp x a 2 x xi m p l e m e n t a t i o n s - - - ) i n t e lp x a 2 7 x e r r a t af i x e f 一 选 中i n t e lp x a 2 7 xe r r a t a ( 11 , 2 0 ，2 3 ，2 8 ，3 7 ，3 8 ) 项如图2 9 所示。 图2 9 浙江大学硕士学位论文 经过上述一系列的选项配置后，内核都会l i n u x 内核目录下生成一个c o n f l g 文件用来保 存在m e n u c o n f i g 中选择定义了的相应变量。完成内核的裁剪以后，内核的编译就是一个非 常简单的过程。只要执行下面几条命令就可以了： 1 1m a k ec l e a n 这条命令是在正式编译内核之前先把环境给清理干净。有时也可以用 m a k er e c l e a n 或m a k em r p r o p e r 来彻底清除相关依赖，保证没有不正确的o 文件存 在。 2 1m a k ed e p 。这条命令是编译相关依赖文件。( 2 6 x 以上版本这步已经被整合到m a k e 这一步中，所以不用再单独执行) 3 1m a k ez l m a g e 。这条命令就是最终的编译命令，如果内核较大的话可以用m a k e b z l m a g e 命令。这样便会在l i n u x 内核根目录下的a r c m m n ，b o 矿f 生成内核的镜像 文件了。 2 3 3 2 内核移植 在进行内核移植前必须做好下面的准备工作：1 r r p 服务器配置，生成内核的镜像文件 和安装l i n u x 下的t c p i po v e ru s b 的驱动程序u s b o 。其中1 f r p 服务器配置的工作将在 后续的2 2 6 节加以介绍。由2 , 3 3 1 节可知内核镜像文件z l m a g e 已经被编译生成并保存在 l i n u x 内核根目录下的a r c h a n n b o o l 文件夹下了，只需将其拷贝到1 f r p 服务器的根目录下 便可供下载时使用。最后在开发板提供的软件资源里找到驱动程序u s b o ，将其拷贝到 m r l o c a l i e l 录下。执行： # i n s m o du s b