（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入式linux的视频采集系统的研究设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee x p a n s i o no fd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o nd e m a n d sf o rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y p r o m o t e st h ee x t e n s i v e l ya p p l i c a t i o nv i d e ot e c h n o l o g y i ti sn e c e s s a r yt h a td i g i t a lv i d e o s y s t e m sr e p l a c et r a d i t i o n a la n a l o go n e s ，a n dt h ee m b e d d e dv i d e os y s t e ma t t a c ht o om u c h s i g n i f i c a n c e b e c a u s eo fi t sl o wc o s t , i n t e l l i g e n c ea n dm i n i a t u r i z a t i o n u n d e rt h i s b a c k g r o u n d , t h ev i d e oc o l l e c t i o ns y s t e mb a s e do i le m b e d d e dl i n u xi sd e s i g n e da n d r e a l i z e a n dt h ek e yt e c h n o l o g ya b o u tt h es y s t e mi ss t u d i e di nd e p t h t h eh a r d w a r ec o l to fe m b e d d e ds y s t e mi se m b e d d e dp r o c e s s o r ；, t h es o f t w a r ec o i li s e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m i nt h i st h e s i s ，e m b e d d e dv i d e oc o l l e c t i o ns y s t e mt h a tb a s e d o na r mp r o c e s s o ri sd e s i g n e d f o rt h ed e s i g np a t t e r n s ，e m b e d d e dp r o c e s s o r $ 3 c 2 410 ， u s bc a m e r aa n dl c db a s e do no v 511a l et h em a i nf i a m e w o l k e m b e d d e do p e r a t i o n s y s t e ml i n u x 2 6 8i st h es u p p o r t , t h e nt h ea c q u i s i t i o n , d i s p l a ya n dt r e a t i n go fd a mi s p e r f o r m e d 、析t l li l i 曲s p e e d t h eu s bd r i v e ri si m p l e m e n t e da n dt h el c dd r i v e ri s t r a n s p l a n t e d a l g o r i t h m sf o rv i d e od a t ac o l l e c t i o nf o u n do na r m a r ea n a l y z e di nd e p t h , a n dt h ev i d e od a t aa c q u i s i t i o ni sr e a l i z e db yi n v o k e st h ea p io fv i d e 0 4 l i n u x t h eb u f f e r a r e ao fl c d d i s p l a yi sm a p p e d t ou s e r sm e m o r yf i e l db yu s i n gm m a pt e c h n o l o g y , w h i c h m a k e st h er e a da n dw r i t eo p e r a t i o nf o rm e m o r yc a nb ed o n ed i r e c t l yt or e d u c et i m e t h e r e f o r e ，t h ed i s p l a yo fr e a l - t i m ev i d e ow i t hh i g hv e l o c i t yi sc o m et r u e p r i n c i p l ea n d d e s i g nt e c h n i q u eo f d o u b l eb u f f e ra p p l i e d , t h ec o n c u r r e n c yb e t w e e nv i d e od a t aa c q u i s i t i o n a n dv i d e od i s p l a yi sr e a l i z 吐a n dc o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a ls i n g l e f r a m ev i d e o c o l l e c t i o n , t h et r e a t m e n tp e r f o r m sa r ei m p r o v e de f f e c t u a l l y t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h i s s y s t e mm e e t st h er e q u i r e m e n t sf o rv i d e om o n i t o r , c h a r a c t e r i z e db yh i 曲r e s p o n s es p e e d ， s m a l lv o l u m ea n dl o w p o w e r , s ot h a tt h ee x p e c t e da i mo f t h ep r o j e c ti sa c h i e v e d k e y w o r d ：e m b e d d e ds y s t e m l i n u x 2 6 8s 3 c 2 4 1 0v i d e oc o l l e c t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果：也不包含为获得西安电子科技大学或其它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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料羞有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：邀：童日期垒狸：童：2 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密 喜盒萎耄篆跨导师签名鳝游雾茸 日期三堡! ! ：! ：2 第一章绪论 第一章绪论 1 1引言 嵌入式系统是计算机技术、半导体技术和电子技术在实际应用中相结合的专用 系统，随着a r m 技术的推广，嵌入式芯片从原来的8 位、1 6 位等升级到了3 2 位， 为嵌入式领域的发展开拓了一片新的天地。同时，l i n u x 操作系统以其源代码的开 放性、可裁减性，对多处理器尤其是对a r m 体系结构的广泛支持，以及对多任务 多文件系统的支持，解决了限制嵌入式系统发展的软件瓶颈问题。 嵌入式系统的迅速发展推动了i t 产业进入了崭新的、以嵌入式系统为核心的后 p c 时代( p o s t - p ce r a ) 。在后p c 时代里，嵌入式系统特有的小型化、智能化、便 携化、网络化的优点使它广泛应用于信息家电、移动计算、网络设备和工业控制等 许多领域，在电子产品中几乎都能找到嵌入式系统的影子，嵌入式系统越来越成为 i t 技术的热点。 在信息技术高速发展的今天，获取信息的方便和快捷使得能够领先一步创造出 巨大的利益，而获取信息的一个重要的途径就是通过眼睛。在人类感官接受的各种 信息中约有8 0 来自视觉。所以，作为传递信息的重要媒体和手段的图像信息是十 分重要的。本课题正是顺应嵌入式发展的潮流和人们对图像信息的需求，设计了的 基于嵌入式l i n u x 和$ 3 c 2 410 微处理器的u s b 视频采集系统。 1 2 视频采集发展现状 目前，在国内外市场上推出的视频采集系统主要是模拟视频采集和数字视频采 集两类产品。前者技术发展已经非常成熟、性能稳定，并在实际工程应用中得到广 泛应用，特别是在大中型视频监控工程中的应用尤为广泛；后者是新近崛起的以计 算机技术及视频压缩为核心的新型视频采集系统，该系统解决了模拟系统部分弊端 而迅速崛起，但仍需进一步完善和发展。目前，视频采集系统正处在数控模拟系统 与数字系统混合应用并将逐渐向数字系统过渡的阶段。 模拟视频采集系统分为基于微处理器的视频切换控制加pc 机的多媒体管理和 基于p c 机实现对矩阵主机的切换控制及对系统的多媒体管理两种类型。 8 0 年代是微处理器的年代，视频采集系统利用微处理器固件发展的矩阵切换 器，将原来分散的全硬件视频采集系统微型集中化，如将视频切换、对前端的控制 等功能集合一起，一机处理，是技术上的一个突破。 基于p c 机的视频采集系统采用软件设计，实现摄像机到监视器的视频矩阵切 换，云台和镜头的控制，通过串口连接报警设备的报警信息，并通过程序编程自动 2基于嵌入式l i n u x 的视频采集系统的研究设计 完成视频切换、云台控制、报警联动、报警录像等各项控制功能。 由于模拟视频采集系统中信息流的形态没有变，仍为模拟的视频信号，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， 因此系统尽管已发展到很高的水平，其局限性依然存在，主要表现在数控系统通常 只适合于小范围的区域监控，系统的扩展能力差，且无法形成有效的报警联动，要 满足更高的要求，数字化是必由之路。 9 0 年代末，多媒体技术、视频压缩编码技术、网络通讯技术的发展，使得数字 视频采集系统迅速崛起，出现了一种以数字录像设备为核心的视频采集系统。 近年来，嵌入式系统的发展逐步成熟，研制以嵌入式视频服务器为核心的视频 采集系统成为一种趋势。它采用嵌入式实时多任务操作系统、高效压缩芯片和功能 强大的微处理器，将视频压缩、传输与处理工作全部内置到芯片上，通过内部处理 后可以直接连入以太网或广域网，这样人们在世界的任何一个地方都可以通过网络 看到w e b 服务器上的摄像机图像，进行实时远程监控。与其它视频监控系统相比， 嵌入式网络视频监控系统体积小，安装方便，现场无需专人值守，成本低，稳定性 高，实时性好，便于操作和维护，因此基于嵌入式技术的网络视频监控系统有良好 的应用与发展前景。 1 3 论文研究意义 随着信息时代、数字时代的到来，视频采集系统在现代科学研究、工农业生产、 交通运输、资源的遥感探测、医疗卫生、空间探测、航天探测等各个领域内应用越 来越广泛，得到了更大的发展机遇，在实时性和人机交互性能方面提出了更高的要 求，而传统的视频采集技术已经无法满足便携监控领域的要求。 因此，无论是从国家战略的高度还是从国民生产的具体需要，都既需要研制新 一代的视频采集系统，而超大规模集成电路和嵌入式软硬件技术的迅猛发展，使得 视频采集系统的小型化、网络化、海量存储和高频率采集成为一种可能，从而提供 了一种解决问题的新思路，将嵌入式技术和视频采集技术结合在一起，研制嵌入式 结构的视频采集系统。 研制新一代嵌入式视频采集系统有着重要的意义，可以广泛应用在各行各业， 例如：安全监控，电讯行业的机站监控，银行系统的柜员监控，林业部门的火情监 控，交通方面的违章和流量监控等等。视频采集在安全防范、信息获取和指挥调度 等领域正发挥着越来越重要的作用。 本论文以视频采集系统为研究背景，通过具体的软硬件系统设计，研究嵌入式 系统的软硬件开发过程，掌握嵌入式系统开发的基本技术。本文所研究的内容，适 应当前科学技术的发展与更新，具有一定的参考价值。 第一章绪论 1 4 主要工作和章节安排 本文针嵌入式l i n u x 的视频采集系统对做了大量的研究、设计工作，其主要研 究内容以及写作的章节安排如下： 第一章主要介绍了本课题的研究背景、发展现状和研究意义。 第二章重点分析了嵌入式系统及其开发流程，为后续深入研究嵌入式技术及其 与视频采集技术相结合奠定基础。 第三章为嵌入式l i n u x 视频采集系统硬件结构设计。内容涉及嵌入式处理器 $ 3 c 2 4 1 0 系统分析、视频采集系统硬件架构设计和对关键模块电路设计的分析。 第四章分析研究了嵌入式l i n u x 视频采集系统软件平台设计。包括l i n u x 操作 系统分析与选择、b o o t l o a d e r 和l i n u x 内核分析，并建立了交叉编译环境和根文件 系统，为视频采集提供软件环境的支持。 第五章主要研究了l c d 工作原理，着重分析了l i n u x 下l c d 驱动的实现和移 植，为视频采集在l c d 上的显示奠定基础。 第六章为视频数据采集关键技术及其实现。主要工作包含u s b 摄像头驱动技术 实现、本系统的视频数据采集算法与任务优化控制，并进一步分析了视频数据压缩 技术与实现方法，完成了本系统的功能测试和设计验证等工作。 第七章是本文的结论。总结本文完成的主要工作、所取得的研究成果以及可以 进一步完善和发展的地方。 第二章嵌入式系统及开发流程 5 第二章嵌入式系统及开发流程 本章主要研究嵌入式系统的基本结构，分析嵌入式操作系统的基本概念及嵌入 式系统的开发流程，为本嵌入式视频采集系统的设计与实现建立良好的理论基础。 2 1 1嵌入式系统结构 2 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，适用 于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统i l j 。具 有“嵌入性”、“专用性 与“计算机系统”的三个基本要素。嵌入式系统无处不 在，平常所广泛使用的手机、p d a 、m p 3 、机顶盒都属于嵌入式系统设备；车载g p s 系统、机器人也是属于嵌入式系统。 嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统，一般包括以下3 个方面：硬件设备、 嵌入式操作系统和应用软件1 2 1 ，其关系如图2 1 所示。硬件设备包括嵌入式处理器 和外围设备。其中，嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，与通用处理器最大的区别 在于，嵌入式处理器大多工作在为特定用户群所专门设计的系统中，并将通用处理 器中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于嵌入式系统的小型化，提 高效率，增强可靠性。全世界嵌入式处理器已经超过l 0 0 0 多种，流行的体系结构 有3 0 多个系列，其中以a r m 、p o w e r p c 、m c6 8 0 0 0 、m i p s 等使用得最为广泛。 应用软件 王 i 嵌入式操作系统 王 硬件设备 嵌入式处理器外围设备 图2 1 嵌入式体系结构图 外围设备是嵌入式系统中用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他 部件。常用的嵌入式外围设备按功能可以分为存储设备( 如r a m 、s r a m 、f l a s h 等) 、通信设备( 如r s - 2 3 2 接口、s p i 接口、以太网接口等) 和显示设备3 类。 6基丁：嵌入式l i n u x 的视频采集系统的研究设计 嵌入式操作系统不仅具有通用操作系统的一般功能，如向上提供对用户的接口 ( 如图形界面、库函数a p i 等) ，向下提供与硬件设备交互的接口( 硬件驱动程序 等) ，管理复杂的系统资源，同时在系统实时性、硬件依赖性、软件固化性以及应用 专用性等方面具有更加鲜明的特点。 应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到用户预期 目标的计算机软件。由于嵌入式系统自身的特点，决定了嵌入式应用软件不仅要求 做到准确性、安全性和稳定性等方面的需要，而且要求处理算法的时间复杂度和空 间复杂度小，代码优化，以减少对系统资源的消耗，降低成本。 2 1 2 嵌入式系统特征 由于嵌入式系统是应用于特定环境下，面向专业领域的应用系统，所以与通用 计算机系统的多样化和适应性不同。它与通用计算机系统相比有以下特点 2 1 1 3 1 ： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的，一般都有实时性要求。嵌入式系统大 多工作在为特定用户群设计的系统中，因此通常都具有低功耗、体积小、集成度高 等特点，并且可满足不用应用的特定需求。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体工艺、电子技术和通信网络技 术与各领域的具体应用相结合的产物，决定了从事嵌入式系统开发的人才也必须是 复合型人才。 ( 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计，在保证稳定、安全、可靠 的基础上，量体裁衣，去除冗余，最大限度的降低应用成本。 ( 4 ) 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 器芯片中，而不是存储于磁盘中。 ( 5 ) 嵌入式开发的软件代码尤其要求高质量、高可靠性，由于嵌入式设备常工 作在无人职守或条件恶劣的环境，因此程序代码的健壮性要好。 2 2 1 操作系统基本概念 2 2 嵌入式操作系统 操作系统o s ( o p e r a t i o ns y s t e m ) 是一组计算机程序的集合，用来有效地控制和管 理计算机的硬件和软件资源，即合理地对资源进行调度，并为用户提供方便的应用 接口。它为应用支持软件提供运行环境，即为程序开发者提供功能强、使用方便的 开发环境1 4 1 。 第二章嵌入式系统及开发流程 2 2 2 常见嵌入式操作系统比较 嵌入式操作系统种类较多，各有特色和应用范围，选择适合需要、易于移植和 应用的嵌入式操作系统是嵌入式系统设计需要考虑和解决的问题。 ( 1 ) v x w o r k s v x w o r k s 操作系统是美国w m d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种实时操作系 统。v x w o r k s 以良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、 航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中。但是由于v x w o r k s 的开发和使用 都需要交高额的专利费，因此大大增加了用户的开发成本。同时，由于v x w o r k s 的 源码不公开，造成它部分功能的更新( 如网络功能模块) 滞后，使用受到了限制。 ( 2 ) q n x q n x 是业界公认的x 8 6 平台上最好的嵌入式实时操作系统之一，具有独一无 二的微内核实时平台，是建立在微内核和完全地址空间保护基础之上的，具有实时 性强、稳定可靠的优点。 ( 3 ) w m d o w s c e m c r i o s o t f 公司的w m d o w s c e 是为有限资源平台设计的多线程、完整优先权、 多任务的嵌入式操作系统。其模块化设计技术允许它对从掌上电脑到专用工业控制 器的用户电子设备进行定制，w m c e 的基本内核大小至少需要2 0 0 k 的r o m t 5 1 。 ( 4 ) 嵌入式l i n u x 嵌入式l i n u x ( e m b e d d e dl i n u x ) 是对标准l i n u x 经过小型化裁剪处理之后，能 够固化在容量只有几k b 或者几m b 字节的存储器芯片中，适合于特定嵌入式应用 场合的专用l i n u x 操作系统。在目前已经开发成功的嵌入式系统中，大约有一半使 用的是l i n u x ，源码开放、易于移植等优良特性促进了其广泛使用。 在嵌入式系统的设计和实现中，选择何种嵌入式操作系统取决于多种因素，在 本课题研究中，选择嵌入式l i n u x 作为嵌入式视频数据采集系统的操作系统。 2 3 嵌入式系统开发流程 受嵌入式系统本身特性所影响，嵌入式系统开发与通用系统的开发有很大的区 别。嵌入式系统的开发主要分为系统总体开发、嵌入式硬件开发和嵌入式软件开发 3 大部分，其总体流程图如图2 2 所示。 在系统总体设计中，由于嵌入式系统与硬件依赖程序非常紧密，往往某些需求 只能通过特定的硬件才能实现，因此需要进行处理器选型，以更好地满足产品的需 求。对于硬件和软件都可以实现的功能，需要在成本和性能上做出抉择。实践中， 通过硬件实现会增加产品的成本，但能提高产品的性能和可靠性。同时，开发环境 的选择对于嵌入式系统的开发也有很大的影响，这里的开发环境包括嵌入式操作系 8 基于嵌入式l i n u x 的视频采集系统的研究设计 统的选择以及开发工具的选择等。对开发成本和进度限制较大的产品可以选择嵌入 式l i n u x ，对实时性要求非常高的产品可以选择v x w o r k s 等。 图2 2 嵌入式系统开发流程图 2 4 本章小结 本章首先分析了嵌入式系统的基本结构和特点，指出嵌入式系统一般硬件设备、 嵌入式操作系统和应用软件组成。然后较详细地比较分析了几种常见的嵌入式操作 系统的特点，包括v x w o r k s 、q n x 、w m d o w s c e 和嵌入式k i n u x 。阐述了嵌入式系 统开发基本流程，目的是为后续深入研究嵌入式技术及视频采集技术奠定基础。 软件设计实现 第三章 嵌入式l i n t l x 视频采集系统硬件平台设计 9 第三章嵌入式l i n u x 视频采集系统硬件平台设计 本章在分析a r m 系列处理器体系结构的基础上，详细剖析$ 3 c 2 4 10 微处理器 的系统组织，给出嵌入式视频数据采集系统的硬件结构框架设计，并对存储器、u s b 接口电路、r s 2 3 2 串口电路等主要模块的电路设计进行分析，完成视频采集系统的 硬件平台调试手段的建立。 3 1 1a r m 体系结构 3 1a r m 微处理器 a r m 是一类嵌入式微处理器，同时也是个公司的名字。a r m 公司于1 9 9 0 年 n 月成立于英国剑桥，是一家专门从事1 6 3 2 位r i s c 微处理器知识产权设计的供 应商。a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 嵌入式微处理器，以其完整的体系结构、小 体积、低功耗、低成本、高性能，及时根据嵌入的对象的不同进行功能上的扩展等 优势，在众多种类的嵌入式微处理器中脱颖而出。 l 、a r m 处理器有以下特点1 6 1 ： ( 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能； ( 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) x 2 指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件； ( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快； ( 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成； ( 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定。 2 、a r m 微处理器工作状态 r l a r m 微处理器的工作状态一般有两种，并且两种状态之间可以切换。第一种 为a r m 状态，此时处理器执行3 2 位的字对齐的a r m 指令。第二种为t h u m b 状 态，此时处理器执行1 6 位的、半字对齐的t h u m b 指令。 3 、a r m 体系结构的存储格式 存储字的对齐方式分为大端格式和小端格式两种，在大端格式中，字数据的高 字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中：小端格式与大端存储 格式相反，在小端存储格式中，低地址中存放的是字数据的低字节，高地址存放的 是字数据的高字节。 4 、a r m 处理器模式 a r m 微处理器支持7 种运行模式，各种运行模式具有不同的应用状态和不同的 用途，为处理不同问题提供了高效方式。 ( 1 ) 用户模式( u s r ) - a r m 处理器正常的程序执行状态。 l o基于嵌入式l i n u x 的视频采集系统的研究设计 ( 2 ) 快速中断模式( 6 q ) ：用于高速数据传输或通道处理。 ( 3 ) 外部中断模式( i r q ) ：用于通用的中断处理。 ( 4 ) 管理模式( s v c ) ：操作系统使用的保护模式。 ( 5 ) 数据访问终止模式( a b t ) ：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚 拟存储及存储保护。 ( 6 ) 系统模式( s y s ) ：运行具有特权的操作系统任务。 3 1 2删9 微处理器 a r m 9 系列处理器在高性能和低功耗特性方面提供了最佳的性能，并具有以下 特点： ( 1 ) 5 级整数流水线，指令执行效率更高。 ( 2 ) 提供1 i m i p s m h z 的哈佛结构。 ( 3 ) 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口。 ( 4 ) 全性能的m m u ，支持w m d o w s c e 、l i n u x 、p a l m o s 等多种主流嵌入式操 作系统。 ( 5 ) m p u 支持实时操作系统。 6 、支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 a r m 9 系列微处理器包含a r m 9 2 0 t ，a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t ，拱能适用于不 同的应用场合。a r m 9 2 0 t 和a r m 9 2 2 t 采用双8 k b 的c a c h e ，支持全性能的m m u ， a r m 9 4 0 t 采用双4 k b 的c a c h e ，内置保护单元，为要求虚拟存储管理和复杂内存 保护提供了一个高性能的处理方案，可用于无线应用、网络、图像、音视频编解码 等领域。 本文采用s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 1 0 即属于该系列的处理器。 3 2s 3 c 2 4 10 系统分析 本视频采集系统的设计选用的处理器芯片是$ 3 c 2 4 1 0 。$ 3 c 2 4 1 0 是韩国三星公 司的一款基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微处理器，主要面向手持设 备以及高性价比、低功耗场合的应用，其体系结构如图3 1 所示。 a r m 9 2 0 t 核由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。a r m 9 2 0 t 有c p l 4 和c p l 5 两个协处理器，c p l 4 用于调试控制，而 c p l 5 用于存储系统控制以及测试控制。 第三章嵌入式l i n u x 视频采集系统硬f ， ：平台设计 li l c d 径麓器l c d d m ab 固 c = = 爿 童汽囊秘嚣 a u s bi i o s t 箍越嚣p = = 令 h吲牵虢荭税器 b e x 雌l c r p 穹 巷 蚓电澎管理 n a k d 控跏：踟曲出 = 鸯 妻乏 。= = 爿 存铭拧耗器 u a r t l j i 2 b 警吲 n c i 聊设备p 哥g 刮 i ：s a g d i m i 凇p 。 p刮g p i o b叫 r t c 吾f 】翱定畦器p = ：令 息 尊技荭韦j 器p = = 。 线 舞刊 a i x ? 刚u i p 舞刮 t i n 舯州 图3 1 $ 3 c 2 4 1 0 体系结构图 $ 3 c 2 4 1 0 在片上集成了丰富的组件：l c d 控制器支持s t n 和n 叮、n a n df l a s h 启动装载器、系统管理器( 片选逻辑和s d r a m 控制器) 、3 通道u a r t 、4 通道 d m a 、4 个具有p w m 功能的计时器和一个内部时钟、i o 口、8 通道的1 0 位 a d c 和触摸屏接口、1 2 c 总线接口、1 2 s 总线接口、u s b 主设备、u s b 从设备、 s d 主卡m m c 卡接口、2 通道的s p i 接口，它还采用了a m b a ( a d v a n c e d m i c r o c o n t r o l l e rb u s a r c h i t e c t u r e ) 新型总线结构。同时，$ 3 c 2 4 1 0 还集成了一个具有 1 2基于嵌入式l i n u x 的视频采集系统的研究设计 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 产生 主时钟，能够使处理器工作频率最高达到2 0 3 m h z 。 $ 3 c 2 4 1 0 将系统的存储空间分为8 组( b a n k ) ，每组的大小是1 2 8 m b ，共1 g b 。 b a n k 0 到b a n k 5 的开始地址是固定的，用于r o m 或s 洲。b a n k 6 和b a n k 7 用于 r o m ，s r a m 或s d r a m ，这两个组可编程且大小相同。b a n k 7 的开始地址是b a n k 6 的结束地址，灵活可变。所有内存块的访问周期都可编程。$ 3 c 2 4 1 0 采用n g c s 7 ：0 8 个通用片选信号选择这些组。 $ 3 c 2 410 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 rh a s h 价格 低等特点。如图3 3 表示$ 3 c 2 4 1 0 两种启动模式的地址映射。 幡翻f f f f f f o x 6 0 0 0o o o o - o x 4 a o t u _ ) o o o - o x 4 0 ( ) 1 ) 【) i 下f 0 x 4 0 ( x i x x l o 0 x 3 飘j o 舢i o x 3 姨l l 【) 【 i ) l i o 过疆) 0 洲 0 x 2 叫耵( 姗 0 x l8 【) oi 删 n x l l i 砷r x x x l 0 s o & ) o u ) 伽m 【】( ) l j 【脚 o mf l ：0 ) 一o j 1 0o m ：i = 0 1 一0 0 b o o t s r a m , 4 k b ) s r 0 ，i 倍d r h l 1 1 ( x ? s 7 ) s r o m ，! ；1 ) r a m l 脚s 6 ) s r ( ) m “= s 5 ) s r o m l 删s 4 ) s r o m t l l 【j c s 3 ) s r o m t l l ( 二( 笃2 ) s r o m i 朋3 c s i ) 圈洲 tt l ( x ? s o n o t i l 囊蛆 s l 诹a 瑚 n o l i 嘲甜 s l k 啦i s d 】r a m t l 麟7 s r 【) m 尽i ) r 人m t l i g c s 6 s j 删 t l “浩5j s r ( ) m 似鞠j 双o m i l 【x = s 3l s r o m tr - l 艘 s r o m t i l 0 c s ll 圉 l 用n a n d f l u s h l 故启动r o m l 图3 2 $ 3 c 2 4 1 0 两种启动模式地址映射 以系统从n a n df l a s h 启动为例，说明各段所占用的地址空间。系统加电后， n a n df l a s h 中的前4 k b 内容复制到片内的s r a m 中，并映射为n g c s 0 的地址， 即从0 ) ( o o 开始的4 k b 空间。n g c s l 占用从0 x 0 8 0 0 0 0 0 0 到0 x 1 0 0 0 0 0 0 0 的地址空间， n g c s 2 占用0 x 1 0 0 0 0 0 0 0 到0 x l s 0 0 0 0 0 0 地址空间，同理，s d r a m 使用的片选信号 第三章嵌入式l i n u x 视频采集系统硬件平台设计 1 3 是n g c s 6 ，所以它所占用的地址空间是0 x 3 0 0 0 0 0 0 0 到0 x 3 8 0 0 0 0 0 0 。 3 3 1 系统架构 3 3 视频采集系统架构及外围电路设计 视频采集系统采用基于a r m 9 架构的嵌入式3 2 位处理器$ 3 c 2 4 1 0 ，主频最高 可达2 0 3 z ；存储器由一片6 4 m 的f l a s h 和两片3 2 m s d r a m 构成；其它外围 电路通过扩展来提供，由以太网控制器芯片d m 9 0 0 0 扩展一个网络接口，相应地也 扩展了u s b 接口、l c d 接口、j t a g 调试接口和两个串行接口。处理器、存储器和 外围接口电路构成核心硬件平台来满足视频数据采集和处理的需要。视频采集系统 总架构原理框图如图3 3 所示。 选用基于o v 5 11 的u s b 摄像头作为视频数据输入设备。o v 5 1l 的u s b 摄像 头与系统扩展u s b 接口连接简单，驱动程序易于开发或移植，方便支持视频数据输 入，实现采集功能。 l c d 接口连接显示屏幕，实现输入视频图像的实时显示。在扩展l c d 接口的 支持下，由软件配合将视频数据送入显示缓冲区，完成实时视频的显示。采用适当 的控制技术提高视频显示的带宽，后续内容将讨论。 3 3 2 关键模块电路设计分析 图3 3 系统总架构原理框图 l 、存储电路设计 $ 3 c 2 4 1 0 内部自带有存储器，但存储空间较小，因此必须外扩系统的存储器才 能满足应用的要求。作为3 2 位的微处理器，$ 3 c 2 4 1 0 支持8 位，1 6 位和3 2 位寻址 1 4基于嵌入式l i n u x 的视频采集系统的研究设计 方式，有1 6 m 3 2 位的寻址能力，可方便地构建较大的存储空间，本文采用“m s d r a m 和6 4 mn a n df l a s h 相结合的方式进行扩展，完成系统存储电路的设计。 ( 1 ) 6 4 ms d r a m 的设计 系统的存储模块包括s d r a m 和r o m 两部分。在嵌入式系统中，r o m 是一种 可进行电擦写，掉电后信息不会丢失的存储器，用于存放程序代码、常量表以及一 些系统掉电后需要保存的用户数据等。s d 咄是系统的内存，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，在系统中主要用作程序的运行空 间、数据及堆栈区。当系统启动时，c p u 首先从复位地址( 一般是o x 0 0 0 0 0 0 0 0 地 址) 读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码被调入s d r a m 中运行以提 高系统的运行速度。 $ 3 c 2 4 1 0 处理器是3 2 位的，外部总线也是3 2 位的，为了能够最大限度地发挥 处理器的性能，内存最好也是3 2 位的，但市面上很少有3 2 位的单片s d r a m ，本 文用两片w 9 8 2 5 删1 6 位s d i 乙蝴进行扩展，以满足性能和容量要求，存储电路 扩展原理如图3 4 所示。 图3 4 两片s d r a m 与$ 3 c 2 4 1 0 接口电路原理图 其中，s d r a m 的a 1 2 0 a 0 引脚接到了s 3 c 2 4 1 0 a 1 4 - a 2 地址线上，a 0 引脚并 没有接在处理器的a 0 址线上。这是因为a r m 中要求字单元的地址是字对齐的， 这就要求地址的低两位为0 ，即地址线的低两位a d d r i 、a d d r 0 设置为低电平， 由于s d r a m 的地址线是有两个1 6 m x l 6 b i t 的w 9 8 2 5 g 6 e h 组成的3 2 位s d r a m ， $ 3 c 2 4 1 0 是使用a d d i 也直接与s d r a m 的a 0 相连。 第三章嵌入式l i n u x 视频采集系统硬件平台设计 1 5 b a 地址线就是s d r a m 内部b a n k 的地址线，它代表s d r a m 的最高位s d r a m 内存共有6 4 m ，则需要a 2 5 - a 0 ( 6 4 m = 2 2 6 引脚来寻址) ，所以b a l - b a 0 引脚接到 a 2 5 a 2 4 引脚上。由于s d r a m 行地址和列地址是复用的，因此地址线的数目并不 需要2 6 条。图中将d q m 信号接到了n w b e 线上，这是因为3 2 位的s d r a m 存储 单元以4 b 为单位进行数据访问时，忽略了朋和a 0 地址线。若系统要访问偏移量 为o l 的单个字节时，n w b e o 和n w b e l 线有效。 s d r m a 的运行频率比较高，在进行p c b 设计时需要注意以下三点： 1 ) 所有地址线和控制信号线长度最好相当； 2 ) 所有的数据线走线长度最好相当： 3 ) 地址线和控制线输出端可串入小电阻使系统更稳定罔。 ( 2 ) n a n d f l a s h 的设计 f l a s h 闪存是非易失存储器，可以对存储器单元块进行擦写和再编程。嵌入式系 统中常用的f l a s h 分为n o r 和n a n d 两种类型。n o r 的特点是芯片内执行，不必 把代码读到系统r a m 中。n o r 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，但较低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。 本文选用的是k 9 f 1 2 0 8 u o m 芯片，它是6 4 m x8 b i t 的n a n d 结构，能提供极 高的单元密度，写入和擦除的速度很快。擦除n o r 器件时是以6 4 - - 1 2 8 k b 的块进行 的，执行一个写入擦除操作的时间为1 5 s ；擦除n a n d 器件是以8 - 3 2 k b 的块进行， 执行相同的操作最多只需要4 r n s1 9 1 。k 9 f 1 2 0 8 u o m 与$ 3 c 2 4 1 0 的电路连接如图3 5 所示。 图3 5n a n df l a s h 与$ 3 c 2 4 1 0 接1 2 1 电路原理图 n a n d f i a s h 接口信号较少，其数据线宽度只有8 b i t ，没有地址总线，通过c l e 譬答：3 一 队 1 6基于嵌入式l i n u x 的视频采集系统的研究设计 和a l e 这个信号来区分总线上的数据类型。系统对n a n d 设备数据访问的时候， 需要先向n a n d 设备发出相关命令和参数，然后读出需要的数据。$ 3 c 2 4 1 0 a 处理 器针对n a n d 设备集成的硬件e c c 校验可以大大提高n a n d 设备的读写效率。 2 、u s b 接口电路设计 $ 3 c 2 4 1 0 内部集成了u s b 主机控制器和设备控制器，u s b 控制器允许使用 d m a 的批量传输、中断传输和控制传输三种传输方式。在外部有1 个u s b 主设备 接口和一个从设备接口。$ 3 c 2 4 1 0 引出u s b 连接口十分方便，按照u s b l 1 标准协 议连接即可，同时支持低速和高速的u s b 设备传输。由于系统只连接一个u s b 摄 像头，因此只需扩展其中的u s b h o s t 。其连接电路如图3 6 所示。 $ 3 c 2 4 1 0 的d p 0 ，即u s b 主设备的d a t a + 信号接u s b 接口的d + 。 $ 3 c 2 4 1 0 的d n 0 ，即u s b 主设备的d a t a 信号接u s b 接口的d 。 3 n 3 3 p a 图3 6u s b h o s t 与, $ 3 0 2 4 10 接口电路原理图 3 、r s 2 3 2 串口电路设计 在对嵌入式系统进行调试的时候可以利用嵌入式系统的u a r t 串口通讯作为控 制台，并与主机的串行通讯接口连接，通过p c 串口完成嵌入式系统相关信息的显 示和控制。 $ 3 c 2 4 1 0 提供3 通道u a r t ，每一个均可以工作在d m a 模式或中断模式下，支 持的最高波特率可达2 3 0 4 k b p s 。在利用u a r t 实现r s 2 3 2 串口功能的时候，由于 $ 3 c 2 4 1 0 使用1 几电平，它以电平高低表示逻辑状态，而p c 机串行通信使用r s 2 3 2 通信协议，用正负电压来表示逻辑状态，这就需要通过电平转换完成电平匹配。选 用m a x 3 2 3 2 来实现这一功能，其电路如图3 7 所示。 图中t x d 0 是发送管脚把目标平台输出信息输出到p c 串口；r x d 0 是接收管 脚，接收p c 的输入信息。n r t s 0 和n c t s 0 信号实现自动流控，在自动流控模式下 n r t s 0 取决于接收端的状态，而n c t s 0 控制了发送端的操作。具体说：只有当n c t s 0 第三章嵌入式l i n u