（计算机应用技术专业论文）基于嵌入式linux的图像监控系统的研究.pdf

摘要 图像监控系统是一门集计算机技术、通信技术和多媒体技术于一 体的综合系统。它以直观、方便、信息内容丰富等特性而被广泛地应 用于工业生产、交通、电信、电力等场所。随着嵌入式技术和图像处 理技术的发展使得数字化图像数据的网络实时传输和控制成为现实。 嵌入式图像监控系统作为一种新型的监控系统，它在稳定性、实 时性、处理速度、功能、价格、扩展性等方面相比传统的监控系统有 着突出的优势，同时它也代表着目前图像监控系统研究和发展的重要 方向。 本文设计了一种基于嵌入式l i n u x 的图像监控系统，在此监控系 统中，服务器端采用嵌入式l i n u x 系统平台，具体采用a r m 内核的 $ 3 c 2 4 1 0 a 芯片作为处理器。服务器程序在其上以后台方式运行，等 待监控系统中的客户端发出访问请求。服务器端接收到客户端发出的 请求后，就把采集到的图像数据通过网络发送给客户端。 本文首先综述了选题背景以及国内外研究现状，然后介绍了嵌入 式系统，l i n u x 操作系统和网络技术。在此基础上，从硬件和软件两 个方面设计了嵌入式l i n u x 图像监控系统。硬件部分重点分析了 $ 3 c 2 4 1 0 处理器。软件部分讨论了交叉编译环境的建立，b o o t l o a d e r 和内核的移植。接着重点分析了l i n u x 设备模型结构和网络设备驱动 程序。在介绍了v 4 l 编程后，实现了监控系统的图像采集和网络传 输部分。论文的最后，构建了系统实验环境，测试结果显示，达到了 本课题预定的目标，实现了图像监控的功能。 关键字：a r m ，l i n u x ，v 4 l ，嵌入式系统，图像监控 a b s t r a c t i m a g em o n i t o r i n gs y s t e mi sa ni n t e g r a t e ds y s t e mc o m b i n e d w it hc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，c o m m u n i c a ti o nt e c h n o l o g ya n d m t l lt i m e d a , c h n o l or f o ri t si n t u i t i o n i s t i c ，i v e n i e n t ，a n d m u l t i m e d i a t e c h n oo g yo r1 t si n t u l t i o n l s t l cc o n v e n l e n a n a ， a b u n d a n tm e s s a g ec h a r a c t e r i s t i c ，i ti sw i d e l yu s e di ni n d u s t r y m a n u f a c t u r e ，t r a f f i c ，c o m m u n i c a t i o n ，p o w e rs t a t i o n ，e t c w i t h t h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e dt e c h n o l o g ya n di m a g ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g y ，r e a l t i m e rt r a n s m i s s i o na n dc o n t r o lo fn e t w o r k u n d e rd ig it a li m a g ed a t ah a sr e a liz e d a san e wm o n i t o r i n gs y s t e m ，i m a g em o n it o r i n gs y s t e mb a s e d o ne m b e d d e dl i n u xh a so u t s t a n d i n ga d v a n t a g e si ns t a b i l i t y ， p r o c e s s i n gs p e e d ，p r i c e ，e x p a n s i b i l i t y a n do t h e rf a c t o r s c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lm o n i t o r i n gs y s t e m ，m e a n w h i l e ，i t r e p r e s e n t st h ei m p o r t a n td i r e c t i o no fc u r r e n ti m a g em o n it o r i n g s y s t e m t h i sp a p e rd e s ig n sa ni m a g em o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do n e m b e d d e dli n u x t h ew e bs e r v e rp r o g r a mr u n su n d e rt h ee m b e d d e d l i n u xs y s t e mp l a t f o r mw h i c ha d o p t sa r m 。k e r n e l $ 3 c 2 4 1 0a si t s c p u s e r v e rr u n s i nt h eb a c k s t a g ea n dw a i t sf o rc l i e n t s r e q u e s t w h e ns e r v e rr e c e i v e st h er e q u e s tf r o mc l i e n t ，i tw i l l s e n dc o ll e c t e di m a g ed a t at oc ll e n tt h r o u g hn e t w o r k f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h eb a c k g r o u pa n dh i s t o r yo f m o n i t o r i n gs y s t e ma n dt h es t a t u so ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g n r e s e a r c h ，t h e ni n t r o d u c e se m b e d d e ds y s t e m ，1i n u xa n dn e t w o r k t e c h n o l o g y b a s e do nt h i s ，t h ew h o l es y s t e md e s i g n i sd i v i d e d i n t oh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g nt w op a r t s i nh a r d w a r e d e s i g np a r t ，e x p l a i n se s p e c i a l l yt h e $ 3 c 2 4 1 0c h i p i ns o f t w a r e d e s i g np a r t ，d is c u s s e s c r o s s c o m p il e r e n v i r o n m e n t e s t a b l i s h m e n t ，a n dt h et r a n s p l a n t a t i o n s o fb o o t l o a d e ra n d e m b e d d e d1i n u xo nt h ea r mp l a t f o r m t h e nr e s e a r c h e ss t r u c t u r e s 1 1 1 o fl i n u xd e v i c e sa n dn e t w o r kd e v i c ed r i v e rr e a l i z a t i o n a f t e r i n t r o d u c i n gv 4 l ，i m a g eg a t h e r i n ga n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o n u n d e re m b e d d e dl i n u xa r er e a l i z e d f i n a l l y ，t h ee x p e r i m e n t r e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mr e a l i z e st h ef u n c t i o no fi m a g e m o n it o ra n dr e a c h e st h ep r e d e t e r m i n e dt a r g e t k e yw o r d s ：a r m ，l i n u x ，v 4 l ，e m b e d d e ds y s t e m ，i m a g em o n i t o r i n g 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名张 文一1 年 处理来自传输层的分组发送请求：将分组装入i p 数据报， 填充报头，选择去往目的结点的路径，然后将数据报发往适当的网络 接口。 处理输入的数据报：首先检查数据报的合法性，然后进行路 由选择，假如该数据报已到达目的结点，则去掉报头，将i p 报文的 数据部分交给相应的传输层协议；如果该数据报尚未到达目的结点， 则转发该数据报。 处理i c m p 报文：即处理网络的路由选择、流量控制和拥塞控 制等问题。 ( 3 ) 传输层 t c p i p 参考模型中传输层的作用与o s i 参考模型中的传输层的 作用是一样的，即在源结点和目的结点的两个进程实体之间提供可靠 的端到端的数据传输n 刮。 t c p i p 模型提供了两个传输层协议：传输控制协议 t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 和用户数据报协议u d p ( u s e r d a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 。t c p 协议是一个可靠的面向连接的传输层协议， 它将某结点的数据以字节流的形式无差错的投递到网络中的任何一 台机器上。t c p 同时处理有关流量的问题，以防止快速的发送淹没慢 速的接收方。用户数据报协议u d p 是一个不可靠的、无连接的传输协 议。i p 、t c p 和u d p 的关系如图2 - 5 所示。 t e l n e tf t ps m t p n 删 t c pu d p i p 以太网f d d ix 2 5a t m 应用层 传输层 网络层 网络接口层 图2 - 5t c p i p 模型各层使用的协议 ( 4 ) 应用层 该层负责处理实际的应用程序细节，包括所有的高层的协议，如 基于嵌入式l i n u x 的图像监控系统的研究 f t p 协议、d n s 协议、f t p 文件传输协议等等n 。 2 3 2s o c k e t 网络编程 本系统中网络传输部分的软件实现是采用s o c k e t 编程，系统调 用s o c k e t0 函数，返回一个s o c k e t 描述符，随后的连接建立、图像 传输等操作都是通过该s o c k e t 函数实现的n 引。 ( 1 ) s o c k e t 套接字 套接字是支持t c p i p 协议的网络通信的基本操作单元，可以将 套接字看作不同主机间的进程进行双向通信的端点，它构成了网络间 的编程界面。 套按字有两种不同的类型：流套接字和数据报套接字。流套接字 是面向连接的，通信双方进行数据交换前，必须建立一条路径，这样 既确定了它们之间存在路由，又保证了双方都是活动的，彼此响应的。 流套接字常被用来传输需要保证传输可靠性的数据，i n e t 地址族中 的t c p 协议支持该套接字。数据报套接字是无连接的，它不保证接收 端是否正在侦听，支持双向的数据流，但并不保证数据传输的可靠性、 有序性和无重复性，也就是说一个数据报套接字接收信息的进程有可 能发生信息重复，或者和发出时的顺序不同的情况，i n e t 地址族中 的u d p 协议支持该套接字，本系统采用的是基于t c p 连接的套接字编 程。 ( 2 ) 建立套接字s o c k e t ( ) 当编写t c p i p 程序时，需要使用无连接和面向连接的协议。 s o c k e t 接口可以使程序通过一个s o c k e t 连接使用这两类型的协议。 术返回：非负描述字一成功，一1 一出错术 s o c k e t 函数规定了三个参数：协议族、s o c k e t 类型和协议。 参数p r o t o c o l f a m l i y 指定通信发生的区域，u n i x 系统支持的 地址族有：a f u n i x 、a f i n e t 等，而d o s 、w i n d o w s 中仅支持a fi n e t ， 它是网际区域。因此地址族与协议族相同，包括：a f _ i n e t ，a f i n e t 6 ( i p v 6 ) 和a fl o c a l ( 本地局域网) 。 参数s o c k e t t y p e 描述要建立的套接字的类型( 字节流、数据报 或原始套接口) 。 参数p r o t o c o l 说明该套接字使用的特定协议，如果调用者不希 望特别指定使用的协议，则置为0 ，使用默认的连接模式。 ( 3 ) 指定本地地址- - - b i n d ( ) 当一个套接字用s o c k e t0 创建后，存在一个名字空间( 地址族) ， 但它没有被命名。b i n d0 将套接字地址( 包括本地主机地址和本地端 口地址) 与所创建的套接字号联系起来，即将一个本地地址与套接口 捆绑 m tb r a d ( r o ts o c k f d ，c o n s ts t r u c ts o c k a d d m y a d 妣i n ta d d r l ) ； 木返回：非负描述字成功，一卜出错木 参数s o c k f d 是由s o c k e t0 调用返回的并且未有作连接的套接字 描述符，参数m y a d d r 是指向特定协议地址结构的指针，赋给套接字 s o c k f d 的本地地址，其长度可变，结构随通信域的不同而不同， a d d r l e n 是该地址结构的长度。注意：不要采用小于1 0 2 4 的端口号。 所有小于1 0 2 4 的端口号都被系统保留，可选择从1 0 2 4 到6 5 5 3 5 的端 口中未被其他程序使用的端口。 ( 4 ) 监听套接字连接- - - l i s t e n0 函数l i s t e n 仅被t c p 服务器调用。当函数s o c k e t 创建一个套接 口时，被假设为一个主动套接口，也就是说，它是一个将调用c o n n e c t 发起连接的客户套接口，函数l i s t e n 将未连接的套接口转换成被动 套接口，指示内核应接受指向转换到l i s t e n 状态。此调用用于面向 连接服务器，表明它愿意接收连接。其调用格式如下： i n tl i s t e i l ( i n ts o c k f d m tb a c k l o g ) ； 术返回： 非负描述字一成功， - 1 - - - 出错术 参数s o c k f d 标识一个本地已建立、尚未连接的套接字号，服务 器愿意从它上面接收请求。b a c k l o g 表示请求连接队列的最大长度， 用于限制排队请求的个数。l i s t e n0 在执行调用过程中可为没有调用 过b i n d0 的套接字s o c k f d 完成所必须的连接，并建立长度为b a c k l o g 请求连接队列。 ( 5 ) 建立套接字连接a c c e p t0 基于嵌入式l i n u x 的图像监控系统的研究 a c c e p t0 函数由t c p 服务器调用，用于使服务器等待来自用户进 程的实际连接。它从已完成的连接队列头返回下一个已完成的连接。 若已完成连接队列为空，则进程睡眠。 h a ta c c e p t ( i n ts o c k f d ，s t r u c ts o c k a d d r * t h e i r a d d r , s o c l d c n _ t a d d r l e n ) ； 术返回非负数值一一o k ，一卜一出错水 a c c e p t0 用于面向连接服务器。参数t h e i r a d d r 和a d d r l e n 存放 客户的地址信息。调用前，参数t h e i r a d d r 指向一个初始值为空的地 址结构，而a d d r l e n 的初始值为0 ：调用a c c e p t0 后，服务器从编号 为s o c k f d 的套接字上接受客户连接请求，而连接请求是由客户端的 c o n n e c t ( ) 调用发出的。当有连接请求到达时，a c c e p t ( ) 调用将请求 连接队列上的第一个客户端套接字地址及长度放入t h e i r a d d r 和 a d d r l e n ，并创建一个与s o c k f d 有相同特性的新套接字n e w s o c k f d 。 新的套接字可用于处理服务器并发请求。 ( 6 ) 输入输出多路复用一- - s e l e c t0 s e l e c t0 调用用来检测一个或多个套接字的状态。对每一个套接 字来说，这个调用可以请求读、写或错误状态方面的信息。请求给定 状态的套接字集合由一个f d _ s e t 结构指示。在返回时，此结构被更 新，以反映那些满足特定条件的套接字的子集，同时，s e l e c t0 调用 返回满足条件的套接字的数目，其调用格式如下： m ts e l e c t ( i n tn f d s ，f d s e tf a r - r e a d f d s ，f d s e t f a r ，w r i t e f d s ，f d s e tf a r 年 e x c e p t f d s ，c o n s ts t r u c tt i m e v a lf a r t i m e o u t ) ； 参数n f d s 指明被检查的套接字描述符的值域，此变量一般被忽 略。参数r e a d f d s 指向要做读检测的套接字描述符集合的指针，调用 者希望从中读取数据。参数w r i t e f d s 指向要做写检测的套接字描述 符集合的指针。e x c e p t f d s 指向要检测是否出错的套接字描述符集合 的指针。t i m e o u t 指向s e l e c t0 函数等待的最大时间，如果设为n u l l 则为阻塞操作。 s e l e c t0 返回包含在f d s e t 结构中已准备好的套接字描述符的 总数目，或者是发生错误则负值。 ( 7 ) 数据传输一s e n d ( ) 与r e c v ( ) 硕士学位论文 当一个连接建立以后，就可以传输数据了。常用的系统调用有 s e n d0 和r e c v ( ) 。s e n d t o0 和r e c v f r o m ( ) 应用在无连接的数据报套 接字。 s e n d ( ) 调用用于将n e w s o c k f d 指定的已连接的数据报或流套接 字上发送输出数据，格式如下： i n ts e n d ( i n tn e ws o c k f d ，c o n s t v o i d 幸m s g , i n tl e n ，i n tf l a g s ) ； 水返回实际发送缓冲区的数据的字节数- - - o k ，- 1 - - - 出错同时 设置e r r n o * 参数n e w s o c k f d 为已连接的本地套接字描述符。m s g 指向存有 发送数据缓冲区的指针，其长度由f e n 指定。f l a g s 指定传输控制方 式，如是不发送带外数据等。一般情况下把f l a g s 设置为0 。 r e c v ( ) 调用用于n e w s o c k f d 指定的已连接的数据报或流套接字 上接收输入数据，格式如下： i n tr e c v ( i n tn e w _ s o c k f d ，v o i d 幸b u f , i n tl e n ，u n s i g n e di n tf l a g s ) ； 术返回实际读入缓冲区的数据字节数- - - o k ，- 1 - - - 出错同时设置 e r r n o * r e c v ( ) 函数与s e n d ( ) 函数相似：参数n e w _ s o c k e d 为已连接的套 接字描述符，b u f 指向接收输入数据缓冲区的指针，其长度由l e n 指 定，f l a g s 指定传输控制方式，如是否接收带外数据等。 ( 8 ) 关闭套接字- - - c l o s e0 c l o s e0 关闭套接字n e w s o c k e t ，并释放分配给套接字的资源； c l o s e ( ) 的调用格式如下： i n tc l o s e ( i n ts o c k e t ) ； 水返回非负值- - - o k ，- 1 - - - 出错木 2 4 本章小结 嵌入式系统是多学科的领域知识的综合应用，具有软硬件紧密结 合的特定，因些在进行嵌入式系统开发的时候需要了解嵌入式技术、 基于嵌入式l i n u x 的图像监控系统的研究 l i n u x 操作系统、网络技术等多种技术才能更好的进行嵌入式系统设 计。正是基于此，本章对嵌入式技术，l i n u x 操作系统还有网络技术 做了详细的介绍。 堆于嵌 式l i n u x 的目像监控系统的研究 3 嵌入式l i n u x 图像监控系统设计 本文设计的嵌入式l i n u x 图像监控系统是在基于a r m 芯片 ( s 3 c 2 4 1 0 a ) 的硬件平台上移植嵌入式l i n u x ，并在l i n u x 的平台上实 现基于u s b 摄像头的图像数据采集和开发网络通信程序实现图像网 络传输。本章从硬件和软件两个方面来设计和架构嵌入式l i n u x 图像 监控系统。 31 基于嵌入式lio u x 图像监控系统硬件平台设计 硬件平台的没计是嵌入式系统设计的核心，本系统的硬件甲台由 两个模块组成：以s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 a 微处理器( a p d v l 9 ) 为核心的目标 开发板和图像数据采集模块。 311 核心开发板 为了开发的方便性和简便性，本文研究所使用的硬件以s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 a 微处理器( a r t y l 9 ) 为核心的目标开发板，$ 3 c 2 4 1 0 a 的接口非 常丰富，主频可高达2 0 3 m h z ，其内部集成了一系列完备的接口，从而 可以在最大程度的降低开发成本，减少外围器件的使用。本文所采用 的硬件平台如图3 - 1 所示： 幽3 1 嵌入j t 幽像临拄系统核心开发板 硕士学位论文 ( 1 ) s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 a 嵌入式微处理器 s 3 c 2 4 1 0 a n 们微处理器是一款由s a m s u n ge l e c t r o n i c sc o ，l t d 为手 持设备设计的低功耗、高度集成的嵌入式微处理器。$ 3 c 2 4 1 0 a 最突 出的特性是采用了由a r m 公司设计的1 6 3 2 位a r m 9 2 0 tr i s c 处理 器( 2 0 3 m h z ) 为其c p u 内核并且采用了一种新的总线结构，即a m b a ( 高级微控制器总线结构) ，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。它集成了如下片内外围功能部 件2 0 1 ： 1 个l c d 控制器( 支持s t n 和t f t 带有触摸屏的液晶显示屏) ； s d r a m 控制器； 令3 个通道的u a r t ； 4 个通道的d m a ； 夺4 个具有p w m 功能的计时器和1 个内部时钟； 令8 通道的l o 位a d c ； 令触摸屏接口； 夺i i s 总线接口； 2 个u s b 主机接口，1 个u s b 设备接口； 令2 个s p i 接口； ， 今s d 接口和m m c 卡接口； 夺看门狗计数器； 夺1 1 7 位通用i o 口和2 4 位外部中断源； 夺8 通道l o 位a d 控制器。 在时钟方面s 3 c 2 4 1 0 a 也有突出的特点，该芯片集成了一个具有 日历功能的r t c 和具有p l l ( m p l l 和u p l l ) 的芯片时钟发生器。 m p l l 所产生的主时钟能够使处理器工作频率最高达到2 0 3 m h z ，这 个工作频率足以使处理器轻松运行l i n u x 、w i n d o w sc e 等操作系统 以及进行较为复杂的信息处理。u p l l 产生实现主从u s b 功能的时 钟。 $ 3 c 2 4 1 0 a 将系统的存储空间分成8 个存储块( b a n k ) ，每块大小 是1 2 8 m b ，共1 g b 。b a n k 0 到b a n k 5 的起始地址和空间大小是固定 的，用于r o m 和s r a m 。b a n k 6 和b a n k 7 用于r o m 、s r a m 或d r a m ， 基于嵌入式l i n u x 的图像监控系统的研究 只有这两个存储块可编程；其中，b a n k 6 的起始地址是固定的，而 b a n k 7 的起始地址是b a n k 6 的结束地址，灵活可变。所有存储块b a n k 的访问周期都可编程。$ 3 c 2 4 1 0 a 采用n g c s 7 ：0 8 个通用片选信号选 择这些块。 $ 3 c 2 4 1 0 a 支持从n a n df l a s h 启动，n a n df l a s h 具有容量大、 比n o rf l a s h 价格低等特点。系统采用n a n df l a s h 与s d r a m 组 合，可以获得非常高的性价比。$ 3 c 2 4 1 0 a 具有三种启动方式，可通 过o m 1 ：o 管脚进行选择。 ( 2 ) f l a s h f l a s h 存储器又称为闪存，是一种新兴的半导体存储器件，能在 不加电的情况下长期保持存储的信息。它具有功耗低、容量大、擦写 速度快、可整片或分扇区在系统编程等特点，并且可由内部嵌入的算 法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。 作为一种非易失性存储器，f l a s h 在系统中通常用于存放程序代码、 常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。常用的f l a s h 的数据宽度为8 位或1 6 位，编程电压为单3 3 v 瞳。 f l a s h 又可分为n o rf l a s h 和n a n df l a s h 两种类型。n o rf l a s h 的特点是芯片内执行( x i p , e x e c u t ei np l a c e ) ，且芯片拥有独立的数据 和地址总线，所以能直接快速的随机读取。n o rf l a s h 的传输效率很 高，在1 - - - 4 m b 的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和 擦除速度大大影响了它的性能。 n a n df l a s h 的地址和数据采用同一总线，使用复杂的i o 口来 分时串行地传送控制、地址和数据信息。n a n df l a s h 随机读取的速 度慢且不能按字节随机编程，因此存放在n a n df l a s h 中的代码必须 拷贝到内存中才能执行。n a n df l a s h 以页为单位进行读写操作，一 页为2 5 6 或5 1 2 字节。以块为单位进行擦除操作，每一块为4 k b 、8 k b 或1 6 k b ，所以编程和擦除的速度快。n a n df l a s h 的引脚少，芯片 尺寸小，能提供极高的单元密度。 在系统运行之前，需要启动代码( 如：b o o t l o a d e r 程序) 将系统 的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核和 用户应用程序准备好正确的环境瞳引。这样，启动代码、操作系统内核 硕士学位论文 以及用户应用程序可以存放在n a n df l a s h 中，直接从n a n df l a s h 中启动。其原理介绍如下： s 3 c 2 4 1 0 a 内部集成了n a n df l a s h 控制器，为了支持系统从 n a n df l a s h 中启动，s 3 c 2 4 l o a 内部有一块被称为“垫脚石 ( s t e p p i n g s t o n e ) 的s r a m 缓存。在启动时+ ，$ 3 c 2 4 1 0 a 会自动的将 n a n df l a s h 存储器中最前面的4 k b 数据拷贝到$ 3 c 2 4 1 0 a 内部的 s r a m 中并自动执行，通常这4 k b 数据存放的是启动代码，这样， 启动代码就在$ 3 c 2 4 1 0 a 内部的s r a m 中执行。启动代码初始化系 统和外部s d r a m 后，将存储在n a n df l a s h 中的操作系统和应用程 序拷贝到外部s d r a m 中，整个系统就可以启动了。 本系统选用的目标开发板集成的n a n df l a s h 芯片是s a m s u n g 公司型号为k 9 f 1 2 0 8 u o m 的n a n df l a s h 芯片，容量为6 4 m b ，使 用8 位数据宽度。其接线图如图3 2 所示。 s 3 c 2 4 1 0 a d o d 7 k 9 f 1 2 0 8 u o m d 7 ：0 】i o 7 ：0 】 c l ec l e a l ea l e n f i 也n f r e r n br n b 1 1 f 、砸n f e n f c e r l f c e 图3 2 $ 3 c 2 4 1 0 a 与n a n df l a s h 的接线图 ( 3 ) s d r a m 与f l a s h 存储器相比较，s d r a m 不具有掉电保持数据的特性， 但其存取速度大大高于f l a s h 存储器，且具有随机读写的特性。因此， s d r a m 在系统中主要用作程序的运行空间、数据及堆栈区。在启动 代码完成系统的初始化后，操作系统内核或用户应用程序调入 s d r a m 中运行，以提高系统的运行速度。 基于嵌入式l i n u x 的图像监控系统的研究 $ 3 c 2 4 1 0 a 集成了s d r a m 控制器，可以连接两组s d r a m ，总 容量可达2 5 6 m b 。其数据位宽度可编程为8 位、1 6 位或3 2 位。 在$ 3 c 2 4 1 0 a 中因为有s d r a m 控制器，只要选择合适的s d r a m 存储器芯片，与$ 3 c 2 4 1 0 a 对应的引脚相连即可。本系统的目标板集 成的s d r a m 芯片是s a m s u n g 公司的型号为k 4 s 5 6 1 6 3 2 的s d r a m 芯片，单片容量为3 2 m b ，使用1 6 位数据宽度。将这两片k 4 s 5 6 16 3 2 并联可构建3 2 位的s d r a m 存储器系统，它具有6 4 m b 的s d r a m 空间，可满足嵌入式操作系统及各种复杂运算的需要。其连线如3 3 所示： s 3 c 2 4 1 0 a a d d r 1 4 ：2 】 a d d r 2 5 ：2 4 】 d a t a 1 5 ：0 】 s c l k 0 】 n g c s 6 】 n s r a s n s c a s 1 1 w r e n w b e o 】 n w b e 1 】 d a t a 3 1 ：1 6 】 s c l k 1 】 n w b e 2 】 n w b e 3 】 k 4 $ 5 6 1 6 3 2 a 1 2 ：0 】 b a 1 ：0 】 d q 1 5 ：0 】 c l k c r 瓦硒 g 醛 w f l d q m u d q m k 4 $ 5 6 1 6 3 2 a 1 2 ：0 】 b a 1 ：0 】 d q 1 5 ：0 】 c l k a 广 1 0 添 c 恐 w r l d q m u d q m 图3 - 3 $ 3 c 2 4 1 0 a 与s d r a m 的接线图 3 1 2 摄像头的选择 由于需要实时采集图像数据，所以摄像头必不可少。当前摄像头 主要可以分为两大类：c c d 类和c m o s 类，两种传感器都可以将光转 化为电荷，进而处理成电信号，但两种传感器有各自的特点。 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) ，即“电荷耦合器 ，是一种特殊的 半导体材料。它由大量独立的光敏元件组成，这些光敏元件通常是按 矩阵排列。光线透过镜头照射到c c d 上，并被转换成电荷，每个元件 上的电荷量取决于它所受到的光照强度。 c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ) 即“互补金 属氧化物半导体 。它和c c d 一样都是可用来感受光线变化的半导体， 相比c c d 而言，c m o s 的产品通透性一般、对实物的色彩还原能力偏 弱，曝光也都不太好，但是c m o s 产品的制造成本和功耗都要远低于 c c d ，因此在摄像头领域还是得到了广泛的应用。 考虑到成本和集成方面，u s b 接口的c m o s 摄像头有着良好的性 能，低廉的价格、灵活方便易于集成到嵌入式系统的特性，本系统使 用中星微z c 0 3 0 i p 芯片的摄像头，这款芯片的特点是内含数字摄像 i c 接口，实时图像压缩引擎、u s b 接口等功能，这款芯片的压缩比大 于5 ：1 ，输出帧速度最高为3 0 帧s ，输出的图像为数字格式，完全满 足实时监控的需要。 3 2 基于嵌入式l in u x 图像监控系统软件平台设计 在完成硬件平台设计后，就可以进行系统的软件平台的设计，本 系统的软件平台设计需要完成以下几个部分：操作系统的选择，交叉 编译环境的建立，b o o t l o a d e r 的移植，l i n u x 内核和根文件系统的移 植。 3 2 1 操作系统的选择 本系统采用l i n u x 操作系统。l i n u x 操作系统由于其稳定性和强 大的功能，得到越来越多的商家青睐，更重要的是，由于l i n u x 系统 完全免费，对于开发厂商而言，可以进一步降低成本，提高市场竞争 基于嵌入式l i n u x 的图像监控系统的研究 力。 l i n u x 作为嵌入式操作系统的优势主要表现在以下几个方面晗引： 功能强大的内核，性能高效、稳定、多任务。l i n u x 的内核非常 稳定。它的高效和稳定性已经在各个领域，尤其在网络服务器领 域获得广泛的赞誉，而且l i n u x 内核小巧灵活，易于裁剪。 令 支持多种体系结构，l i n u x 支持x 8 6 、a r m 、m i p s 等多种体系 结构。目前l i n u x 已被移植到数十种硬件平台上，几乎支持所有 流行的c p u 。现在，l i n u x 甚至可以在没有m m u ( i 为存管理单元) 的处理器上运行。 夺完善的网络、图形用户界面和文件管理机制。l i n u x 诞生于网络 这就保证了它支持所有的标准因特网协议。另外l i n u x 支持e x t 2 、 e x t 3 、f a t 、j f f s 、r o m f s 、c r a m f s 等多种文件系统。在图形用户界 面方面，l i n u x 既有xw i n d o w ，也有q t ，m i n i g u i 等嵌入式g u i ， 还有f r a m e b u f f e r 、d i r e c t f b 等优秀工具。 冷 支持大量的周边硬件设备，驱动丰富，从而大大降低开发难度和 周期。 可裁剪性。l i n u x 内核与用户界面是完全独立的。它非常灵活， 各部分的可定制性都很强，能适合多种需求。 令程序源码全部公开，任何人可以修改并在g n u 通用公共许可证 下发行。这样，开发人员可以对操作系统进行定制，适应其特殊 需要。 夺l i n u x 具备一整套功能强大的开发工具链，如g c c 、g d b 等， 开发者可自行搭建相应的嵌入式系统的交叉开发调试环境。 嵌入式l i n u x 是按照嵌入式操作系统要求而设计的种小型操作 系统，它对标准l i n u x 进行了小型化裁剪，能够固化在容量只有几 k b 或者几m b 的存储器芯片中，非常适合于手持式设备应用场合， 因此本系统选用其作为嵌入式操作系统。 3 2 2 交叉编译环境的建立 通常嵌入式系统的软件编译和执行是在两个不同平台上进行的， 是在宿主机上编译的，执行是在目标机上，即嵌入式系统的硬件平台。 硕上学位论文 一般是在宿主机上通过交叉编译器将源文件编译成目标平台上的可 执行文件，再通过串口或网络下载至目标平台上的f l a s h 或者其它 存储介质，然后由目标机来运行这些软件。 本系统所采用的宿主机是p c + l i n u x 2 6 1 2 ，目标板则为 s 3 c 2 4 1 0 a + l i n u x 2 6 1 2 。 首先将p c 。机切换到l i n u x 界面，将编译器的压缩包 c r o s s - 3 4 1 t a r b z 2 拷贝到某个目录下，然后用命令解压该压缩包 # t a rx j v fc r o s s 一3 4 1 t a r b z 2 然后在u s r l o c a l 下建立目录a r m ，并将解压后的文件夹3 4 1 放到指定目录u s r l o c a l a r m 下。最后编辑e t c b a s h r c 文件，在其 最后增加路径e x p o r tp a t h = u s r l o c a l a r m 3 4 1 b i n ：$ p a t h 。这 样交叉编译环境就建立了，以后编译内核或其它应用程序就可以用 a r m - 1 i n u x 一来指定交叉编译器。 3 2 3b o o tlo a d e r 的移植 b o o t l o a d e r 是在操作系统内核运行之前的一段程序，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，从而将系统引 到一个合适的状态，以便为调用操作系统内核准备好正确的环境。一 般它只在系统启动时运行非常短的时间，但对嵌入式系统来说，这是 一个非常重要的系统组成部分。b o o t l o a d e r 是严格地依赖于硬件环 境实现的，特别是在嵌入式系统中瞳4 j 。 b o o tl o a d e r 启动分为s t a g el 和s t a g e 2 两个阶段，其启动流程 如图3 4 所示。 b o o tl o a d e r 一开始执行s t a g el 阶段，s t a g el 阶段包括硬件设备 的初始化、拷贝s t a g e 2 到r a m 空间、堆栈s p 设置等等，这些都依赖 于具体的c p u 体系结构，而且通常都用汇编语言来实现，以达到短小 精悍的目的，加快启动速度。 本阶段的工作主要包括以下几个步骤： ( 1 ) 基本硬件的初始化：包括设置c p u 的速度和时钟频率，屏 蔽所有的中断( 在b o o t l o a d e r 运行时不必响应任何的中断) ，关闭处 理器内部指令数据c a c h e 。 基于嵌入式l i n u x 的图像监控系统的研究 ( 2 ) r a m 初始化：为第二阶段的运行准备r a m 空间，包括正确设 系统的内存控制器的功能寄存器以及各内存控制寄存器等。 ( 3 ) 将s t a g e 2 拷贝到r a m 中。 ( 4 ) 设置堆栈：堆栈指针的设置是为了执行c 语言代码作好准 备。通常可以把堆栈s p 的值设置成上面所安排为s t a g e 2 准备的内存 区的最顶端( 堆栈向下生长) 或最底端( 堆栈向上生长) 。 ( 5 ) 跳转到b o o t l o a d e r 的第二阶段的c 程序入口。 图3 4b o o t l o a d e r 届动流程图 s t a g e 2 阶段的主要工作是加载操作系统和文件系统，并为内核 设置适合的启动参数，调用内核并将c p u 控制权完全交给操作系统。 s t a g e 2 通常用c 语言来实现，这样易于实现复杂的功能，而且代码 会更好的可读性和可移植性。 这一阶段的主要任务有： ( 1 ) 初始化本阶段用到的硬件设备：至少初始化一个串口，以便 和终端用户进行i o 输出