（计算机应用技术专业论文）车载监控系统中嵌入式web服务器的设计与实现.pdf

独创性声明 7 删舢 y 1 8 2 4 芗岑百。 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆邮电态堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：蓟礓 签字日期： ) p 咿年j _ 月砂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆蜜电太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权重麽由b 电太堂可以将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、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：部覆 签字日期：沙7 耵肋汨 嚼 瑚 磋 妇 糖俨 名 玑 獬 醐 tti ， 师 字 导 整 重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 随着嵌入式系统的发展和i n t e n l e t 的普及，越来越多的嵌入式系统将w | e b 服务 器引入其中。如今将w r e b 服务器应用于车载监控系统中，通过无线网络和i n t e m e t ， 把车载系统连接到网络中，可以方便地把信息传送到世界的任何一个地方，达到 对车载系统远程实时监控的目的。 本文以嵌入式w ，e b 服务器的设计和实现为主要研究内容。硬件上采用基于 删9 2 6 e j s 内核的h i 3 5 1 0 作为核心处理器，外部扩展f l 嬲h 、s d 壬渔m 、串行通 信接口、以太网接口以及无线模块。f l 懿h 用作b 0 0 t l o a d e r 、l i n u 】【内核及文件系统 的存放，s d 洲用作运行及数据存储空间，串行通信口用作和p l c 通信，以太 网接口用于提供远程i n t e n l e t 接入。软件上采用h i 3 5 1 0l i n u ) 【作为操作系统。 本文对l i n u ) 【上的w r e b 服务器的构建进行了研究，整个系统采用了b s 结构 和模块化的设计方法，通过分析网络监控系统的功能特点，给出了w e b 服务器的 整体架构设计方案。论文重点详细阐述了w r e b 服务器软件方面的实现，主要包括 h t t p 引擎、分析引擎、执行模块、视频通信模块、视频处理模块和视频数据采集 模块。首先详细论述了系统中h 1 限引擎和分析引擎的实现；接着介绍了实现具 体操作的执行模块；最后分析了与视频传输相关的三个模块的实现方法，着重分 析了在无线网络带宽下，如何解决视频媒体数据的传输问题，以达到良好的视频 传输效果。 研究结果表明，嵌入式w r e b 服务器能够通过浏览器将用户信息下达到车载系 统，车载系统的数据也能通过w 曲服务器传送到浏览器，从而能够实现对车载系 统的远程实时监控。 关键词：嵌入式w e b 服务器，h 1 r p 协议，车载监控系统 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r t a b s t r a c t w i mt 1 1 ee v o l u t i o no fe r n b e d d e ds y s t e m 肌d 圮p o p u l a r i z a t i o no f1 1 1 t e m c t ，m o r e a n dm o r e e m b e d d e ds y s t e m 、析ui n c l u d et h ew e bs e r v e r u s i n gw e bs e r v e ri nt l l ev e h i c l e m o l l i t o r i n gs y s t e m ，缸o u g l l 晰r e l e s sn e 铆o r k 锄di n t e m e t ，心e rc o 肌e c t i n gm e v e l l i c l e j s y s t e mt 0i i l t e m c t ，w ec 觚c o n v e n i e n t l y ，c h e a p i yt r 肌s f e r 廿l ei n f 0 眦a t i o nt 0 锄yp l a c eo f 圮w o r l d t h ed e s i 朗a n di i i l p l e m e n t a t i o no fe m b e d d e dw 曲s e r v e rs y s t e 】mi s t l l em a i n c o n t e n to ft m sp a p e r h i 351ob 觞e da 剐m 9 2 6 e j - si se r n p l o y e dt ob ec e i l t r a lp r o c e s s i n g u i l i ta n dt 1 1 ep e r i p h e r a li l a r i l w a i sc o m p o s i n go ff l a s h ，s d r a m ，s e r i a lc o 舢m 戚c a t i o n i n t e r f i a c e e m e m e ti n t e r f a c ea n d 谢r e i e s sm o d u l e f l 嬲hi su s e dt 0p r e s e eb o o t l o a d e r ， l i n u ) 【k e m e la n df i l es y s t e m ；s d r a mi su s e dt 0b eo p e r a t i n gs p a c ea i l dd a t am e m o 巧； s a lc o 删f n u l l i c a t i o np o r ti su s e dt 0c 伽呦l l l l i c a t e 、 ，i t l lp l c ；e 地e m e ti n t e r f i a c ei s 髑e d t 0b ei n t e m e ti n t e r f k e h i 35lol i m l xi su s e d 硒t h eo p e r a t i n gs y s t e m 7 n l i sd i s s e r 瞰i o nr e s e a r c h e so n 也ec o r l s t r u c t i o no fw 曲s e r v e ro nl i n u 】【t h ew h o l e p r o j e c ti sm o d u l a i ：i z e d ，觚d 觚a l y z i n go f 恤m t w o r km o m t o r i n gs y s t e mf e a t l 玳s ，m c w h o l ed e s i 印b l u e p mi sb r o u 出f o r 、删i i lm ee n d a sak e m e l ，m cl a s tp a no ft l l e a r t i c l e 北s e a r c h e st l i es p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o no fm ep a r to fe m b e d d e dw 曲s e n r 既i i l d e t a i l 1 1 1 ew h o l ep r o j e c tc o l l s i s t so f 恤m o d u l e s ：h 1 t pe n g i n e ，e n g i n ea i l a l y s i s ， e x e c u t i o n ，v i d e oc o m m u i l i c a t i o n ，v i d e op r o c e s s i n g 锄dv i d e od a t aa c q u i s i t i o n a tf i r s t 吐圮a n i c l ep r e s e 鹏s p e c i f i ch p l e m e n t a t i o no fh n pe n g i n e 锄de n g i n e 锄a l y s i s ，磕e r t h a t ，廿l ei m p l e m e n t a t i o no fe x e c u t i o ni sr e f e r r e d a tl a s tm ea r t i c i e 趾a l y z e st l l el a s t t l l i e em o d u i e sa b o u tv i d e o a n a l y s i sf o c u s e do nm e 、) ，i r e l e s sn e 似o r kb 锄d “d t l l ，h o wt 0 s o l v et l l e 缸a n s m i s s i o np r o b l e mo fv i d e om e d i ad a t a k e v e sg o o de 仃e c tf o rv i d e o 臼觚s m i s s i o n 1 1 1 er e s u l to fe x p e r i m e n t ss h o wt l l a te m b e d d e dw e bs e r v e rc 锄r e a l i z e 崩n o t e m o i l i t o r i n g 觚ds u p e r v i s i o ns y s t e mt l l r o u g h b r o w s e rw e l l k e yw o r d s ：e m b e d d e dw e bs e r v e r h t t p v e l l i c l em o n i t o r i n gs y s t e m 重庆邮电大学硕士论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 论文选题背景1 1 2 车载监控系统概述1 1 3 嵌入式系统研究概况3 1 4 嵌入式w 曲服务器研究现状“3 1 5 论文主要工作4 1 6 论文组织结构5 第二章嵌入式系统软硬件平台“6 2 1 嵌入式系统体系结构6 2 1 1 嵌入式处理器6 2 1 2a l 洲结构微处理器简介7 2 1 3 硬件系统主芯片介绍”9 2 1 4 硬件系统网络控制模块设计”1 0 2 2 嵌入式操作系统“1 0 2 2 1 嵌入式操作系统的分类”1 0 2 2 2 现有嵌入式操作系统简介1 1 2 2 3l i r n l ) 【在嵌入式系统中的应用1 2 2 2 4h i l i n u x 操作系统简介1 2 2 2 5h i l i i m x 操作系统结构1 3 2 3 小结1 4 第三章h 1 v r p 及相关协议分析1 5 3 1 应用层h t t p 协议分析1 5 3 2h t m l 表单16 3 2 1h t m l 语言概述16 3 2 2h t m l 表单的编写”1 7 3 3t c p i p 与套接字1 8 3 3 1t c p i p 协议l8 3 3 2 套接字”2 0 3 4 小结2 2 第四章嵌入式w - e b 服务器的设计与实现2 3 4 1 嵌入式w 曲服务器整体描述2 3 4 2 嵌入式w 曲服务器软件设计2 4 i i i 5 2 未来工作4 3 致谢4 5 攻硕期间从事的科研工作及取得的研究成果4 6 参考文献4 7 i v 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 论文选题背景 第一章绪论 随着“平安城市 项目的开展，全国已有多个城市实施了公交电子监控系统 的建设。建立一套完备的公交电子监控系统利于预防和打击违法犯罪活动，有利 于维护社会治安稳定，有利于解决公共汽车上的突发问题，具有良好的社会效益。 通过建立公交电子监控系统，可以提高公交企业的管理水平，改善公交形象，增 加公交企业收益，具有良好的经济效益。 车载监控系统是公交电子监控系统的重要组成部分。它使用无线传输技术， 并具备车载视频联网监控管理功能，可以提供实时的报警、录像和图像传输功能， 能够有效控制车辆的超速行为，杜绝交通事故的隐患，方便警方快速反应处理重 大突发性事件，并为交通管理部门准确了解界定交通事故发生原因和公正处理提 供了权威的依据，有效地预防和控制盗抢案件的发生。因此，对车载监控系统的 研究和应用对降低交通事故的发生和保障社会治安的稳定起到重要的作用。 车载监控系统应用领域不断拓宽，如果将其接入到i n t e m e t 则可以方便地把信 息传送到网络上的任何一个地方。目前，w | e b 技术提供了灵活高效的信息管理方 式，友好、方便的访问途径，各个领域纷纷采用它来开发自己的接口界面，w ，e b 技术已经逐渐地改变了人们使用信息的方式。随着w r e b 技术的发展和应用，越来 越多的网络通信设备甚至监控系统都已经实现内置的嵌入式w 曲服务器。嵌入式 w 曲服务器不仅可以利用浏览器提供的丰富的图形用户界面实现远程管理、监控 嵌入式系统的功能，并且可以在服务器端结合嵌入式w r e b 服务器提供的接口进行 进一步开发，以此丰富各种嵌入式功能。 基于上述优点，本文将w 曲服务器嵌入到车载监控系统中，通过远程访问嵌 入式w 曲服务器实现对车载系统的远程实时监控功能，使不同用户在任何地方只 要通过网络，并根据设备的i p 和端口号便可以地访问到指定的车载系统。 1 2 车载监控系统概述 车载监控系统最早的解决方案是采用传统的模拟监控系统。模拟监控系统多 以摄像机、视频矩阵、分割器、录像机为核心，采用手动方式对各个监视点的情 况进行切换，计算机无法对其进行参数设置、查询和管理，其存储会耗费大量的 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 存储介质，查询取证十分繁琐，系统的功能简单、可靠性差。随着计算机处理能 力的提高，监控系统逐渐转向数字方式，不仅能提供各类数据、文本、图形信号， 还可以提供视频图像、声音等更加丰富的多媒体信息来支持生产和管理活动。 现今，车载监控系统采用最先进的h 2 6 4 视频压缩技术，集先进的全球定位 技术、地理信息系统和现代移动通信技术于一身，它不仅在智能交通系统中担负 主要作用，同时还能提供防盗防抢劫报警、视频监控、娱乐等多种服务。 车载监控系统以视频的形式记录车辆的行使情况，根据需要把车辆g p s 位置 信息、车况信息、特定报警信息以及流媒体信息通过无线数据收发模块 ( e d g e c d m a ) 和t c p i p 协议接入i n t e m e t 网络，并连接到中心服务器上，实现远 程数据传输，或将车辆监控中心的控制信息发送到被监控车辆，还依据客户的实 际需求增加多媒体播放( 广告播放) ，车速、车牌号、转速叠加、司机资料叠加等功 能，并且提供客户端的i e 浏览器访问方式，用户可通过正浏览器实现设备参数配 置、视频监控等功能。 监控中心包括监控软件、g i s 、流媒体、数据库及应用服务器等一系列服务群， 可以根据需要在公交分局、市公安局、派出所等单位建设多级监控平台，级别的 逻辑关系根据需求可灵活配置，系统具有良好的扩展性。 前端图像经通讯系统进入监控网络后，可以在公交公司、公安局、派出所或 移动警车、公交站台等地进行浏览和相关操作，通过配置可以实现实时的图像联 动网和报警联动响应。 车载监控系统的组成如图1 1 所示： 图1 1 车载监控系统的组成 目前流行的车载监控系统的工作温度在0 度至5 0 度之间，因为安装在汽车内 部，所以它的温度要求会比普通监控主机要求高，但并未达到如飞机黑匣子如此 2 重庆邮 高的温度要求；主要起的作用是监控车内司机乘务员的作业规范，监控车内乘客 的异常情况；同时也能起到汽车发生事故时候查询的一种很好的凭证，因为它能 够完整地记录下来事故发生时的详细视频和声音，甚至可以包括当时的车速及相 关的汽车行驶情况，能很好的起到汽车黑匣子功能。 车载监控系统的存储设备有两种：一种是支持s d 卡的，它的特点就是避震性 能好但存储空间比较小，存储时间短视频存储时间最多在8 个小时左右，另外s d 维护费用大，没有硬盘普及；另外一种是普通电脑硬盘方式，这样四路最长可以 录像一个月时间。 1 3 嵌入式系统研究概况 嵌入式系统的历史几乎和计算机自身的历史一样长。它们最初于六十年代晚 期在通讯中被用于控制机电电话交换机。由于在过去的十多年里，计算机产业不 断朝着更小的系统方向发展，嵌入式系统也与之一起为这些小型机器提供了更多 的功能。渐渐地，就需要把这些嵌入式系统连接到某种网络上，因而也就产生了 对网络栈的要求，这提高了系统的复杂程度并要求更多的存储器和接口，还有操 作系统的服务。 七十年代晚期出现了用作嵌入式系统的现成的操作系统，现在有许多可行的 选择方案。据调查，目前全世界的嵌入式操作系统已经有两百多种。从2 0 世纪8 0 年代开始，出现了一些商用嵌入式操作系统，它们大部分都是为专有系统而开发 的。随着嵌入式领域的发展，各种各样嵌入式操作系统相继问世。其中著名的嵌 入式操作系统有：c o s 、v x w b r l ! 【s 、n e c u l e u s 、l i n u ) 【和w i n d o w sc e 等。 现今，嵌入式操作系统在嵌入式系统中占的比重日显突出，因为现在的嵌入 式系统所要完成的工作越来越复杂，程序的代码越来越庞大，需要管理的外设越 来越多，只有拥有嵌入式多任务的操作系统，开发的重点工作才能由原来的硬件、 软件的调试转变到应用程序的性能提高、智能软件的编写。此外，只有在一个完 整的、具有统一编程规范的操作系统的基础上，使用高级语言开发出的应用程序， 才具有良好的可移植性。 1 4 嵌入式w e b 服务器研究现状 通常所说的w e b 服务器都是基于超文本传送协议( h ) r p e n e x tt r 锄s f e rp r o t o c 0 1 ) 的，该协议简称“h t r p 。与e m a i l 的s m t p 和p o p 3 协议、f t p 协议等一样， h t r p 协议也是基于t c p i p 的客户机服务器协议，用以支持客户机和服务器进行 3 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 对话及事务处理。我们所熟悉的i n t e r 鹏te x p l o 砌? 和n e t s c a p en a v i g a t o r 浏览器就是 客户机，当我们在浏览器的地址栏中输入网址，再按下回车键时，作为客户机的 浏览器就向提供服务的远程的w 曲服务器请求服务。基于h t t p 协议的客户服务 器模式的信息交换过程分四步，建立连接、发送请求信息、发送应答信息、关闭 连接。w e b 服务器运行时，一直在8 0 端口( w w w 的缺省端口) 监听，等待连接的 请求，当服务器监听并接收连接后，客户机发出请求信息，服务器处理客户机的 请求后，向客户机发送应答信息，一旦应答信息发出，服务器将关闭此次的t c p i p 连接，完成事物处理的全过程。目前在w i n d o w s 、l i n u ) 【操作系统比较流行的w 曲 服务器有：i i s 、a p a c h e 、n e t s c a p ee n t e 印r i s es e r v e r 等。 随着w 曲技术的发展和应用，越来越多的网络通信设备甚至测试仪器都已经 实现内置的嵌入式w e b 服务器，用户、操作人员可以直接使用w ，e b 浏览器通过设 备的以太网口或者其它网络端口来远程访问内置w | e b 服务器的专用网页，从而实 现对设备运行状态的观测和运行参数的配置等功能。一些商业性的嵌入式w r e b 服 务器软件已经应用于嵌入式系统开发，比如：w i n d e r 砒v e r 公司已经提供商业性的 嵌入式w 曲服务器软件w i n dw 曲s e r v e r 用于v x w b r k 的嵌入式应用中。a l l e g r 0 公司的l b m p a g e r 是一个免特许权费用，价格合适的嵌入式w r e b 服务器包，使客 户可以使用通用的w r c b 浏览器来管理和控制网络设备。 应用于车载监控系统中的嵌入式w r e b 服务器是标准的“瘦服务器 ，使用内核 可裁剪的嵌入式操作系统和精简t c p i p 协议栈，使服务器端代码量降至最低。用 户使用w 曲浏览器访问到设备的内置页面，实现对车载系统各项参数的配置、操 作日志的查询以及视频信息的请求功能，可以为用户提供一种简单、安全并且有 效地设备远程访问方式。 1 5 论文主要工作 本课题中，课题承担者所完成的工作主要反映在以下几个方面： ( 1 ) 研究l i i l u x 系统下网络编程、w e b 服务器开发技术； ( 2 ) 运用c 语言，设计并实现w e b 服务器的各项功能，解决了在无线网络传 输条件下，如何自适应网络带宽流畅地传输视频媒体数据的问题； ( 3 ) 研究h t t p 协议以及相关参考服务器程序代码； ( 4 ) 运行h t m l 语言，设计用于浏览的专用网页模板，并使用j a v a s c r i p t 语言 进行前端信息验证，以便精简服务器端代码； ( 5 ) 编写并测试嵌入式w 曲服务器程序。 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 6 论文组织结构 本论文组织结构如下： 第一章介绍了车载监控系统、嵌入式系统和嵌入式w 曲服务器的发展状况， 以及本文的研究背景和主要工作。 第二章首先介绍嵌入式系统常用的软硬件平台，最后介绍了本系统选择的软 硬件平台。 第三章介绍了与嵌入式w r e b 服务器相关的网络协议、h 刑l 表单的编写和套 接字编程。 第四章是详细介绍了嵌入式w e b 服务器的设计与实现，支持基本的h t t p 规 范，并集成了简单的分析引擎和内置若干嵌入式应用开发人员常用的基本功能。 其中分别介绍了嵌入式w | e b 服务器各个模块的功能，以及实验演示。 第五章对研究的课题进行了总结，并给出了进一步的研究方向。 重庆邮电大学硕士论文第二章嵌入式系统软硬件平台 第二章嵌入式系统软硬件平台 2 1 嵌入式系统体系结构 2 1 1 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。目 前有4 位、8 位单片机，1 6 位、3 2 位、“位嵌入式c p u 。 嵌入式处理器一般具备以下4 个特点： ( 1 ) 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间， 从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 ( 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化， 而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护 功能，同时也有利于软件诊断。 ( 3 ) 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的高性能嵌入式微处理 器。 ( 4 ) 嵌入式微处理器功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备 中靠电池供电的嵌入式系统更是如此。 嵌入式处理器通常可以分为： ( 1 ) 嵌入式微控制器( m i c c o n 们l l e ru r l i t e d ，m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机。它以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集 成r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、w 乱c h d o g 、i o 、串行 口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l 嬲h 洲、e e p r o m 等各种必要功能和外设。 微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可 靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一 般比较丰富，适合用于控制，因此称为微控制器。 代表性的通用系列包括8 0 5 1 、p 5 1 x a 、m c s 2 5 l 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 、 m c 6 8 h c 0 5 1 1 1 2 1 6 、6 8 3 0 0 等。 另外还有许多半通用系列如：支持u s b 接口的m c u8 x c 9 3 0 9 3 l 、c 5 4 0 、c 5 4 l ； 支持1 2 c 、c a n b u s 、l c d 及众多专用m c u 和兼容系列。 ( 2 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru i l i t ，e m p u ) m p u 嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变而来的。与计算机处理器 6 重庆邮电大学硕 不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去 除其他的冗余功能部分。这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。 和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可 靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c - 4 0 0 、p o w e r p c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、删s t r o n 酣。r m 系列等。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i 弘2 l lp r o c e s s o r ，e d s p ) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方 面进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法，编译效率较高，指令执行速度也 较高。 d s p 的理论算法在7 0 年代就已经出现，但是由于专门的d s p 处理器还未出现， 所以这种理论算法只能通过m p u 等由分立元件实现。1 9 8 2 年世界上诞生了首枚 d s p 芯片。在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。d s p 的运算速度进一步 提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc l l i p ，s o c ) s o c 嵌入式系统微处理器就是一种电路系统，是在一个硅片上实现一个复杂 的系统。整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去。应用系统电路 板将变得很简洁。 s o c 结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，像是删刚s c 、m i p s s c 、d s p 或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，像是通用串行端口 m s b ) 、t c p i p 通信单元、g p r s 通信接口、g s m 通信接口、i e e e l3 9 4 、蓝牙模 块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。 s o c 是追求产品系统最大包容的集成器件，s o c 最大的特点是成功实现了软 硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。 由于s o c 往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，如p 1 1 i l i p s 的s m a n x a ， s i e m e n s 的t r i c o r c ，m o t o r o l a 的m c o 心，某些a i u m 系列器件，e c h e l o n 和m o t o r o l a 联合研制的n e u r o n 芯片等。 s o c 嵌入式系统微处理器所具有的其他的好处可以分为下列几点： 利用改变内部工作电压，降低芯片功耗。减少芯片对外管脚数，简化制造过 程。减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，可以加快微处理器数据处 理的速度。内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造成系统杂讯。 2 1 2a i m 结构微处理器简介 a r m ( a d v 孤c e d 黜s cm a c h i m s ) ，既可以认为是对一类微处理器的通称，还可 7 重庆邮电大学硕士 以认为是对一种技术的名字。1 9 8 5 年4 月2 6 日，第一个a 刚原型在英国剑桥的 a c o m 计算机有限公司诞生，由美国加州s 肌j o s ev l s i 技术公司制造。 2 0 世纪8 0 年代后期，a r m 很快开发成a c o m 的台式机产品，形成英国的计 算机教育基础。1 9 9 0 年成立了a d v a n c e d s cm a c h i n e sl i m i t e d ( 简称为删 l i m i t e d ，a r m 公司) 。2 0 世纪9 0 年代，a r m 3 2 位嵌入式s c 处理器扩展到世 界范围，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。在 2 0 0 7 年全球所有的电子产品中，大约有十分之一的数字产品中有删技术存在。 自2 0 0 7 年第四季度到2 0 0 8 年第三季度的1 2 个月中，共有3 6 亿颗基于a 蹦的芯 片出货，每天平均1 0 0 0 万颗左右。随着中国发布3 g 拍照，删将会推动中国高 端手机的开发和销售。 目前3 2 位础s c 处理器收到青睐，领先的是删嵌入式微处理器系列。a r m 公司虽然只成立1 0 多年，但在1 9 9 9 年因移动电话火爆市场，其3 2 位融s c 处理 器占市场份额超过了5 0 。2 0 0 1 年初，删公司的3 2 位s c 处理器市场占有 率超过了7 5 ，引起业界的极大关注。删公司是知识产权供应商，是设计公司。 删公司本身不生产芯片，靠转让设计许可，由合作伙伴公司来生产各具特色的 芯片。 a i 蝴公司商业模式的强大之处在于其价格合理，全世界范围有超过l o o 个合 作伙伴，包括半导体工业的著名公司。删公司专注于设计，其内核耗电少、成 本低、功能强，特有1 6 3 2 位双指令集。删已成为移动通信、手持计算、多媒 体数字消费等嵌入式解决方案的l u s c 标准。 删处理器有如下3 大特点：小体积、低功耗、低成本、高性能；支持1 l l u i 】曲( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集；全球众多的合作伙伴。 删体系结构的主要特征：a r m 7 采用冯诺依曼体系；删9 采用哈佛体系； 它有大量的寄存器，都可用于多种用途；l o a d s t o 陀体系结构；3 地址指令( 两个源 操作数寄存器和结果寄存器独立设定) ；每条指令都条件执行包含非常强大的多寄 存器l 0 a d 和s t o r e 指令：能在单时钟周期执行的单条指令内完成一项普通的移位 操作和一项普通的a l u 操作：能综合协处理器指令集来扩展a r m 指令集，包括 在编程模式下增加了新的寄存器和数据类型。 当前a 蹦体系结构的扩充包括：1 1 1 啪b ：1 6 位指令集，用以改善代码密度； d s p ：用于d s p 应用的算术运算指令集；j a z e l l e r ：允许直接执行j a v a 字节码。 删处理器系列提供的解决方案包括：在无线、消费电子和图像应用方面的 开放平台；存储、自动化、工业和网络应用的嵌入式实时系统；智能卡和s i m 卡 的安全应用。 a i w 处理器本身是3 2 位设计，但也配备1 6 位指令集，以允许软件编码为更 8 重庆邮电大学硕士论文第二章嵌入式系统软硬件平台 短的1 6 位指令。与等价的3 2 位代码相比，占用的存储器空间节省高达3 5 ，然 而保留了3 2 位系统所有的优势。 删还提供了两个前沿特性：嵌入式i c e r t 逻辑和嵌入式跟踪宏核系列， 用以辅助带深嵌入式处理器核的、高集成的s o c 器件的调试。 删业界领先的跟踪解决方案：嵌入式跟踪宏单元( e t m ，e r n b e d d e dt r a c e m a c r o c e l l ) ，被设计成驻留在删处理器上，用以监控内部总线，并能以核速度 无妨碍地跟踪指令和数据的访问。 a i 之m 产品系列：a r m 7 、a i t m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 e 、a 壬u m l l 和s e c u 圮。托。 进一步的产品来自于合作伙伴，例如i n t e lx s c a l 处理器和s t r o n l 蹦产品。删7 、 删9 、删9 e 、删1 0 e 和a l 蝴1 1 是5 个通用处理器系列。每个系列提供一 套特定的性能来满足设计者对功耗、性能和体积的需求。s e c u r c o r e 系列处理器专 为安全需要而设计，提供了对于安全方案解决的支持，主要应用在电子商务、电 子银行、网络认证等对安全性要求很高的场合。 2 1 3 硬件系统主芯片介绍 本系统的处理器采用深圳市海思半导体有限公司生产的h i 3 51 0 通信媒体处理 器芯片( 简称h i 3 5 1 0 ) ，h i 3 5 l o 芯片集成了删9 2 6 e j s 应用处理器的内核和相关 外设。删9 2 6 e j s 作为芯片的主控处理器，各种用户接口、应用软件、操作系统、 协议处理软件均在其上运行。 h i 3 5 l o 采用l s i 公司的d s p 搭建d s p 子系统。它通过a h b 总线接口与删 子系统和硬件模块相连，实现与a 蹦的通信以及硬件模块的寄存器配置；通过协 处理器接口和视频编码模块连接，配合完成h 2 6 l h 2 6 3 h 2 6 4 的编解码；通过s i o 模块实现语音编解码功能。 该芯片的主要特点为： ( 1 ) 采用3 2 位删v 5 t ei s a ，5 级流水，内嵌d s p 指令扩展，兼容3 2 位删、 1 6 位t h 啪b 指令集； ( 2 ) 提供独立的1 6 k b 指令c h c 、1 6 l ( b 数据c a c h e 、4 路s e t 一弱s o c i a t e 和8 、0 r dc a c h e l i n e ；数据c a c h e 支持w r i t e - b a c k 和w r i t e - t h r o u g h 操作； ( 3 ) c h e 支持伪随机或者r 1 0 啪d r o b i n 替换算法，并可进行配置； ( 4 ) 独立3 2 位指令和数据a h b 总线接口，总线工作频率为删9 2 6 e j s 系统时钟 的1 2 分频： ( 5 ) 包含m m u ，支持v x w b r k s 、l i n u x 、w i n d o 、 ，c e 、p a l m o s 等开放操作系统； 提供独立16 l ( b 指令紧耦合存储器t c m 和8 k b 数据t c m ： 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章嵌入式系统软硬件平台 ( 6 ) 小端字序模式( 1 i t t l e e n d i 孤) ； ( 7 ) 支持快速中断请求f i q 和一般中断请求i r q ； ( 8 ) 支持j t a g 和e t m 调试接口； ( 9 ) 支持动态功耗管理和静态功耗管理。 2 1 4 系统硬件设计 系统主芯片h i 3 5 1 0 芯片，外扩了6 4 m b i t s 的s d r a m 、8 m b i t s 的n o rf l a s h 、 r s 2 3 2 接口及u s b 接口等硬件。网络控制芯片采用r t l 8 2 0 1 c l 以太网控制芯片， 无线模块采用e m 6 6 0 或e m 2 0 0 模块，硬件设计图如图2 1 所示。 2 2 嵌入式操作系统 图2 1 系统硬件设计图 2 2 1 嵌入式操作系统的分类 ( 1 ) 顺序执行系统：系统内只含有一个程序，独占c p u 的运行时间，按语句顺序 执行该程序，直到执行完毕，另一程序才能启动运行。如d o s 操作系。 ( 2 ) 分时操作系统：系统内同时可以有多个程序运行，把c p u 的时间按顺序分成 1 0 重庆邮 若干片，每个时间片内执行不同的程序，如u n i x 和l i n u 】【等。 ( 3 ) 实时操作系统：系统内有多个程序运行，每个程序有不同的优先级，只有最高 优先级的任务才能占有c p u 的控制权。实时操作系统是嵌入式系统目前最主 要的组成部分。实时性需要调度一切可利用的资源完成实时控制任务，着眼于 提高计算机系统的使用效率，满足对时间的限制和要求。产品有i 盯l i n u x ， 删等。 2 2 2 现有嵌入式操作系统简介 从八十年代起，国际上就开始进行一些商用嵌入式系统和专有操作系统的开 发。他们开发嵌入式系统已经有二十多年的经验，目前的应用范围也比较广泛。 下面介绍一些主流的嵌入式系统。 ( 1 ) l i 舢x 在所有的操作系统中，l i n u x 是一个发展最快、应用最为广泛的操作系统。l i i l _ u ) 【 操作系统是基于p c 机的免费的类l 刀、i 开放式操作系统，并采用了源代码开放的 发布策略。l i n u x 本身的种种特性使其成为嵌入式开发中的首选。 。 ( 2 ) p c o s 美国人j e 锄l a b r o s s e l 9 9 2 年完成。应用面覆盖了诸多领域，如照相机、医疗 器械、音响设备、发动机控制、高速公路电话系统和自动提款机等。 u c o s 是一个典型的实时操作系统。该系统从1 9 9 2 年开始发展，目前流行的 是第2 个版本，即u c o si i 。它的特点是：公开源代码，代码结构清晰，注释详 尽，组织有条理，可移植性好；可裁剪，可固化；抢占式内核，最多可以管理6 0 个任务。该系统短小精悍，是研究和学习实时操作系统的首选。 ( 3 ) w i n d o w sc e w 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。操作系统的基本内核需要至少2 0 0 k 的r o m 。从s e g a 的 d r e 锄c a s t 游戏机到现在大部分的高价掌上电脑都采用了w i n d o w sc e 。但随着嵌 入式操作系统领域日益激烈的竞争，w i n d o w sc e 受到了来自l i n u ) ( 等免费系统的 冲击。 ( 4 ) v x w o r i ( s v x w b r k s 是w i n d m v e r 公司专门为实施嵌入式系统设计开发的操作系统软件， 为程序员提供了高效的实时任务调度、中断管理，实时的系统资源以及实时的任 务间通信。它支持多种处理器，如x 8 6 ，i 9 6 0 ，s u i ls p a i 屺，m o t o r o l am c 6 8 x ) 【) 【， 塑 重庆邮电大学硕士论 m i p sr x o o o ，p o w e rp c 等。使用的是和u n i x 不兼容的环境，大多数的v x w b r k s a p i 是专有的。采用g n u 的编译和调试器。v x w o r k s 是一个非常优秀的实时系统， 但其昂贵的价格使不少厂商望而却步。 ( 5 ) q n x q n x 是一个实时的，可扩充的操作系统，它遵循p o s i x 1 ( 程序接口) 和 p o s 2 ( s h e u 和工具) 、部分遵循p o s i b ( 实时扩展) 。它提供了一个很小的微内 核以及一些可选的配合进程。其内核仅提供4 种服务：进程调度、进程间通信、 底层网络通信和中断处理，其进程在独立的地址空间运行。所有其它o s 服务，都 实现为协作的用户进程，因此q n x 内核非常小巧而且运行速度极快。 2 2 3l i n u x 在嵌入式系统中的应用 嵌入式l i n u x ( e m b e d d e dl i i n l ) 【) 是经过小型化裁剪后，能够固化在存储器芯片 或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用l i i m x 操作系统。它由一个微内核以及 一些针对