（计算机应用技术专业论文）嵌入式视频监控系统服务器的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着网络通信技术与多媒体技术的发展，嵌入式视频监控技术已 进入网络数字化阶段。视频监控系统经历了本地模拟信号监控系统、 基于p c 数字监控系统、基于嵌入式技术的网络数字监控系统等发展过 程，正在向前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化的方 向发展。新的视频监控技术将带来易用性、灵活性以及远程监控等新 特点，实现了随时随地的监控。 论文研究了一种网络视频监控系统实现方案，该监控系统方案以 $ 3 c 2 4 l0 作为嵌入式处理器，以嵌入式l i n u x 作为操作系统，并在此 基础上建立嵌入式w e b 服务器，将u s b 摄像头采集来的视频信号，经 过网络传输到用户端，完成对现场和测试设备的网络视频监控任务。 论文主要内容为基于a r m 9 的嵌入式服务器的软件设计及其实 现，硬件部分主要对硬件平台的整体结构进行了详细的介绍；软件部 分则主要讨论了开发环境的构建以及应用软件的开发。 1 ) 开发环境的搭建主要是为应用程序提供底层支持，包含的具体 内容如下：启动程序u b o o t 的移植、l i n u x 内核的配置与移植以及根 文件系统的构建。 2 ) 应用软件控制着嵌入式系统的运作和行为，此部分主要工作如 下：视频服务器的搭建、嵌入式w e b 服务器b o a 的移植以及c g i 与程 序开发方法。 最后对系统进行了详细的测试，包括系统可靠性、功能和性能， 测试结果表明了系统实现了设计的功能，具有良好的实用和推广价值。 关键词：嵌入式系统；监控系统；l in u x ；a r m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n d m u l t i m e d i a ，e m b e d d e dv i d e om o n i t o r i n gs y s t e ms t e p si n t ot h en e wp e r i o d o fc o m p l e t e l yd i g i t a ln e t w o r ka p p l i c a t i o n i nt h ef i e l do ft e c h n i q u e m o n i t o r ，a f t e rt h es y s t e mh a v i n ge x p e r i e n c e ds o m es y s t e m s ，s u c ha s l o c a l s i m u l a t i o ns i g n a lm o n i t o rs y s t e m ，p cc a r db a s e dd i g i t a lm o n i t o rs y s t e m a n de m b e d d e dt e c h n i q u eb a s e dn e t w o r kd i g i t a lm o n i t o rs y s t e m ，t h ev i d e o m o n i t o rh a sa t e n d e n c yt ob e a s y s t e mi n t e g r a t e do nt h eh e a d ，v i d e o d i g i t a l i z e dm o n i t o rn e t w o r kb a s e d ，s y s t e mi n t e g r a t e d i th a sb e c o m ea t e n d e n c yt h a tl e a d i n gi tt ob ew i t hn e t w o r ka n yt i m ea n dp l a c e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，ak i n do fr e m o t ev i d e om o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do n t h ee m b e d d e dl i n u xa n d $ 3 c 2 410h a sb e e ns u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d t h e s y s t e mb u i l d saw e bs e r v e r , w h i c hc a nc a p t u r ev i d e os i g n a lf r o mu s b d i g i t a lc a m e r aa n dt r a n s p o r tt h es i g n a lt oc l i e n tt h r o u g hi n t e r n e t t h i sp a p e rh a sm a i n l yd e v e l o p e dt h es o f t w a r ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f t h ee m b e d d e ds e r v e rb a s e do na r m t h eh a r d w a r e p a r tm a i n l y i n t r o d u c e da r mm i c r o p r o c e s s o ra n dt h et o t a lc o n s t r u c t i o no ft h e h a r d w a r es y s t e m w h i l et h es o f t w a r ep a r td i s c u s s e dt h e d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n tc o n s t r u c t i n ga n dp r o g r a md e v e l o p m e n t 11t h ep u r p o s eo fb u i l d i n gd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ti st op r o v i d eb a s e s u p p o r tf o ra p p l i c a t i o n s t h ec o n t e n ti n c l u d e ：t h es t a r t i n gp r o c e d u r e u - b o o t ，t h et r a n s p l a n to fl i n u xk e r n e la n df i l es y s t e mc o n s t r u c t i o n 2 ) a p p l i c a t i o nc o n t r o l s t h eo p e r a t i o na n db e h a v i o ro fe m b e d d e d s y s t e m t h ec o n t e n ti n c l u d e ：s o c k e tp r o g r a m m i n g ，r t pp r o g r a m m i n g ，t h e t r a n s p l a n to fe m b e d d e db o a w e b s e r v e ra n dr e a l i z a t i o na n dc g ip r o g r a m t e s t i n gr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma t t a i n s t h ed e m a n d s t h es y s t e mh a sh i g hp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；m o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m ；l i n u x ；a r m 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本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 保密囹，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彰使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：专霈祥 日期：w 叼0 7 - 。 指导老师签名： 日期： 鸟舌 ，乙 y 广、 暂 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： 学位论文作者签名： t 耵评 日期：伊0 90 7 a 彳 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 在2 0 0 2 年巴塞罗纳召开的第15 届国际自动控制大会上，网络化 控制己被视为将来最主要的控制研究方向之一。用网络化控制实现局 域乃至全球范围内的监视与控制，是工业控制系统的发展趋势【lj 。嵌 入式i n t e r n e t 远程监控技术正是网络化控制的代表，它与传统工业嫁 接，解决了工业控制领域中异构网络互联问题，提高了传统装备的智 能化水平，促进了传统产业结构的调整1 2 】。它既保留了嵌入式设备的 小巧、智能、可编程的特点，又借助于i n t e r n e t 这个全球最大的计算 机网络，将现场设备的控制延伸到地球上几乎任何角落【3 】。 目前远程视频监控技术的主流是应用i n t e r n e t 技术，在t c p i p 协 议和w w w 规范的支持下，结合成熟的视频编解码技术，合理的软件 结构，使用户通过访问嵌入式远程服务器来迅速获取自己权限下的所 有视频信息并及时做出响应。嵌入式视频监控系统可以使信息实现本 地化处理，改善服务器性能，可以使每一个监控终端具备上网功能， 即每一个监控终端都可以独立进行服务，从而大大提高监控的质量和 范围。 当前，网络视频监控己渗透到教育、政府、娱乐场所、医院、酒 店、运动场馆、城市治安等多种领域。网络视频监控也必将在这些领 域发挥越来越重要的作用。网络视频监控技术受到了前所未有的关注， 其应用领域如一f ： 教育系统：主要是校园安全监控、电子考场监控、网络教学、 远程教育等； 电力系统：主要是机房监控、变电站监控、发电厂安全生产管 理监控等； 公检法系统：主要是社区监控、城市安全监控、监狱安全监控、 庭审直播等； 石化系统：主要是油井监控、储油库监控、加油站监控、石化 工厂安全生产监控等； 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 银行系统：主要是银行监控系统的联网、储蓄监控、金库监控 等； 铁路系统：主要是站内调度管理系统( 视频部分) 、站内安全管 理、应急指挥系统等； 税务系统：主要是报税服务大厅监控； 钢铁系统：主要是安全生产管理监控系统； 医疗系统：主要是特护病房视频监控、手术直播及教学系统、 日常安全管理监控等。 总之，基于网络的嵌入式视频监控系统有着广阔的应用领域。 1 2 嵌入式视频监控系统发展历程 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【4 】。视频监控系统经历了本地模拟信号监控系统、基于p c 机插卡的 数字监控系统和基于嵌入式技术的网络数字监控系统等发展过程【5j ， 其中，基于嵌入式技术的网络数字监控系统代表了监控系统的发展方 向。 1 ) 模拟闭路电视监控系统：其有很多局限性，首先，有线模拟视 频信号的传输对距离十分敏感；其次，有线模拟视频监控无法联网， 只能以点对点的方式监视现场，并且布线工程量极大；另外，有线模 拟视频信号数据的存储会耗费大量的存储介质( 如录像带) 。 2 ) 基于p c 机插卡的数字监控系统：该系统终端功能较强，便于 现场操作，但稳定性不好，视频前端( 如c c d 等视频信号的采集、压 缩、通讯) 较为复杂，可靠性不高，p c 机也需专人管理，特别是在环 境或空间不适宜的监控点，这种方式不理想。 3 ) 基于嵌入式技术的网络数字监控系统 6 1 ：由于这种监控系统的 硬件是一个处理器和操作系统捆绑较为紧密、功能专一、专门设计的 独立的设备，不像插卡系统那样受通用计算机系统中其它软件硬件的 影响，因此性能上更稳定，且便于安装、维护，易于实现系统的模块 化设计。当然，基于嵌入式技术的网络数字监控系统也有其不利的一 面：首先是网络摄像机的成本仍高居不下；其次是网络摄像机需要网 络支持，如果是使用静态i p 地址，则需要较为昂贵的网络使用费f 7 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 系统设计方案 l i n u x 操作系统是自由软件，它是19 9 1 年由l i n u s t o r v a l d s 发明的。 l i n u x 自诞生以来就对计算机产业产生了深远影响。 l i n u x 开放源码并对外免费提供，可大大降低产品成本。核心源码 采用c 语言编写，具有极强的平台可移植性，支持大多数嵌入式处理 器( 如a r m 、p o w e r p c 、m i p s 等) 。开发者可以根据自己的需要修改和 定制适合自己的内核。l i n u x 还具有丰富的图形用户界面和强大的网络 功能。基于以上种种优点，越来越多的嵌入式设备选择使用l i n u x 作 为操作系统。 在本设计中，考虑到l i n u x 操作系统具有免费、可裁剪、实时性 等优点，所以选择了l i n u x 作为视频监控系统的操作系统。 嵌入式视频监控系统的设计思路是将视频前端和嵌入式w e b 服务 器整合在一起，摄像头采集到的视频信号经过压缩后，通过内部总线 传送到内置的w e b 服务器”j 。w e b 服务器直接和i n t e r n e t 连接，网络 上用户可以用浏览器观看服务器上的监控图像，系统优点如下。 ( 1 ) 嵌入式w e b 服务器直接连入网络，没有线缆长度和信号衰减 的限制，彻底抛弃了地域的概念，布控区域广阔。 ( 2 ) 性能稳定可靠，由于视频压缩和w e b 功能集中到一个体积很 小的设备内，直接连入局域网或广域网，即插即看，系统的实时性、 稳定性、可靠性大大提高。 ( 3 ) 无需专人管理，非常适合于无人值守的环境。 综上，该系统符合监控系统的发展方向，有一定的工程实用价值。 1 4 论文主要内容与组织结构 本文的目标是构建一个功能较为完善的基于l i n u x 的嵌入式系统， 搭建w e b 服务器和视频服务器进行远程监控。主要工作包括：搭建系 统开发环境、掌握l i n u x 下驱动程序开发方法、深入理解v i d e 0 4 l i n u x 编程原理，开发图像采集程序、研究l i n u x 下u d p 协议和r t p r t c p 协议的原理与实现。 本文的章节安排如下： 第一章讨论了监控系统的设计背景、意义和论文的结构安排。 第二章介绍了系统开发环境的建立，包括：系统硬件组成结构的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 介绍、系统引导加载程序u b o o t 的移植、l i n u x 内核配置与移植以及 根文件系统的制作。 第三章主要介绍了u s b 摄像头视频采集程序的实现，包括：如 何选择摄像头、摄像头驱动程序分析、v i d e 0 4 1 i n u x ( 简称v 4 l ) 编程 原理以及如何使用v 4 l 进行连续的数据采集。 第四章重点讨论了嵌入式监控系统的整体架构以及各个部分的 实现，包括：基于u d p 协议传输方案的原理及其实现、基于r t p r t c p 协议传输方案的原理及其实现、w e b 服务器b o a 的移植、c g i 程序的 开发方法、嵌入式f t p 服务器的移植以及监控系统客户端实现方案简 介。 第五章最后对系统进行了详细的测试，包括系统可靠性、功能和 性能，测试结果表明了系统实现了设计的功能，具有良好的实用和推 广价值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章系统总体结构 2 1 嵌入式系统定义 i e e e 对于嵌入式系统的定义是【9 】：嵌入式系统是“用于控制、监 视或者辅助操作机器和设备的装置”。在中国嵌入式系统领域，比较认 同的嵌入式系统概念是：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术 为基础，软硬件可裁减，对功能、可靠性、成本、体积和功耗等有严 格要求的专用计算机系统。 一般来说，嵌入式系统包括硬件和软件两大部分。硬件部分主要 由嵌入式处理器和外围硬件设备组成，而软件部分则主要包括 b o o t l o a d e r 、嵌入式操作系统和用户应用程序。其中硬件部分是嵌入 式软件运行的基础，为嵌入式软件运行提供物理平台和通信接口。软 件部分的操作系统层通过提供应用程序编程接口( a p i ) 来为应用程序 提供必要的底层支持，而应用软件则控制着嵌入式系统的运作和行为， 用于实现对设备的控制、监视或管理等功能。 2 2 系统硬件平台构成 系统硬件平台的微处理器采用s a m s u n g 公司研发的的$ 3 c 2 4 1 0 。 $ 3 c 2 4 1 0 的内核是a r m 公司的a r m 9 2 0 t ，该微处理器采用o 1 8 u m 制造工艺，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 t 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l0 位a d c ，t o u c hs c r e e n 接口，i i c 。b u s 接口，2 个u s b 主机，1 个u s b 设备，s d 主机，m m c 接口以及2 路s p i t l 0 】。$ 3 c 2 4 1 0 处理器频率最高可运行在2 0 3 m h z 。 本设计的硬件平台结构图如图2 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图2 1 系统硬件平台结构图 s d r a m ( 6 4 m ) ：2 片3 2 m x l 6 b i t ，型号h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ； n a n df l a s h ( 3 2 m ) ：用来保存b o o tl o a d e r ，操作系统内核和 文件系统，型号k 9 f 2 8 0 8 u o a ； u s bc a m e r a ：u s b 摄像头，型号为金和田g d s 0 2 ，采用 z c 3 0 1p 芯片，内部集成d s p ，支持输出j p e g 格式图像； 网络芯片：本系统为c s 8 9 0 0 a 芯片； i d e 硬盘：可以在本地保存必要的视频； 电源模块：电源管理，以延长系统独立运行时间。 2 3 系统软件平台构成 系统软件平台由b o o tl o a d e r 、嵌入式操作系统l i n u x 以及应用层 组成，其中应用层由嵌入式w e b 服务器、f t p 服务器、视频服务器组 成。系统结构如图2 2 所示。 摄像头采集数据，通过视频服务器对外发布，其中视频的传输格 式分为u d p 和流媒体两种，u d p 协议主要针对互联网用户，流媒体主 要针对互联网用户。用户可以通过w e b 服务器对系统发送命令，实时 察看系统状态。当用户需要时，可以通过f t p 服务器下载所需文件。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 服务器 n 面丽阿报务l w e l丽 务器f 导f 务器i 广_ j 1 一 l i n u x 操作系统 f b o o t l o a d e r ( u - b o o t l 2 0 ) 图2 - 2 系统软件平台结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第3 章系统开发环境的建立 3 1b o o tl o a d e r 移植 引导加载程序是系统加电后运行的第一段软件代码。p c 机中的引 导加载程序由b i o s 和位于硬盘m b r 中的o sb o o tl o a d e r 组成。b i o s 在完成硬件检测和资源分配后，将硬盘m b r 中的b o o tl o a d e r 读到系 统的r a m 中，然后将控制权交给o sb o o tl o a d e r 。b o o tl o a d e r 的主 要运行任务就是将内核映象从硬盘上读到r a m 中，然后跳转到内核的 入口点去运行，开始启动操作系统【l1 1 。但在嵌入式系统中，通常并没 有像b i o s 那样的固件程序，整个系统的加载启动任务完全由b o o t l o a d e r 来完成。 简单地说，b o o tl o a d e r 就是在操作系统内核运行之前运行的一段 小程亭。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间 的映曼主图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最 终调崩操作系统内核准备好正确的环境【12 1 。本设计选用u b o o t 作为 系统的b o o tl o a d e r 。 1 1u b o o t 简介 u b o o t 是德国d e n x 小组开发用于多种嵌入式c p u 的b o o tl o a d e r 程序，u b o o t 不仅仅支持嵌入式l i n u x 系统的引导，当前，它还支持 n e t b s d ，v x w o r k s ，q n x ，r t e m s ，a r t o s ，l y n x o s 等嵌入式操作系统； u b o o t 除了支持a r m 系列的处理器外，还能支持m i p s 、x 8 6 、n i o s 、 x s c a l e 等诸多常用系列的处理器。在嵌入式监控系统中，我们选用的 u b o o t 版本为1 2 o 版。u b o o t 项层目录下有3 类子目录，分别存放 不同类型的源程序【l3 1 。表3 1 列出了u b o o t 顶层目录下各级目录存放 原则： 第l 类目录与处理器体系结构或者开发板硬件直接相关； 第2 类目录一些通用的函数或者驱动程序； 第3 类目录u b o o t 的应用程序、工具或者文档。 表3 1u b o o t 顶层目录下各级目录存放原则 i 目 录 i 特性l 解释说明l 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 l i ba r m平台依赖存放对a r m 体系结构通用的文件，主要用 于实现a r m 平台通用的函数 l i bi 3 8 6平台依赖存放对x 8 6 体系结构通用的文件，主要用于 实现x 8 6 平台通用的函数 i n c l u d e通用头文件和开发板配置文件，所有开发板的配 置文件都在c o n f i g s 目录下 c o m m o n通用通用的多功能函数实现 l i b g e n e r i c 通用通用库函数的实现 n e t通用存放网络的程序 f s通用存放文件系统的程序 d r i v e r s通用通用的设备驱动程序。 d i s k通用硬盘接口程序 r t c通用r t c 的驱动程序 d t t通用数字温度测量器或者传感器的驱动 t o o l s工具存放制作s r e c o r d 或者u b o o t 格式的映 像等工具，例如m k i m a g e d o c文档开发使用文档 b o a r d平台依赖存放电路板相关的文件 c p u平台依赖存放c p u 相关的文件 2 ) u b o o t 移植 移植u b o o t 主要内容是对u b o o t 进行合理的配置。开始移植之 前，先将u b o o t 已经支持的开发板和目标板进行分析对比，比较出和 目标开发板硬件配置最接近的板子，以其为基础进行移植工作，这样 可以减少工作量。选择的原则是，首先处理器架构相同，然后比较外 围接口，找出配置最接近的。 笔者的开发板硬件配置是按照s m d k 2 4l0 制作的，故以 s m d k 2 4 10 配置文件作为参考，具体移植步骤如下： ( 1 ) 在顶层m a k e f i l e 中为开发板添加新的配置选项，具体添加内 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 容如下： s m d k 2 410 _ c o n f i g ：u n c o n f i g m k c o n f i g $ ( ：一c o n f i g = ) a r ma r m 9 2 0 ts m d k 2 4 l0n u l ls 3 c 2 4 x 0 参考上面2 行，添加下面2 行。 x wl0 _ c o n f i g ：u n c o n f i g m k c o n f i g $ ( ：一c o n f i g = ) a r ma r m 9 2 0 tx w 2 4 10n u l ls 3 c 2 4 x 0 ( 2 ) 创建一个新目录存放开发板相关的代码，并且添加文件，这 些文件可直接从s m d k 2 4 10 的目录下拷贝过来。 b o a r d x w 2 410 c o n f i g m k b o a r d x w 2 4lo f l a s h c b o a r d x w 2 410 x w 2 410 c b o a r d x w 2 41o m a k e f i l e b o a r d x w 2 410 m e m s e t u p s b o a r d x w 2 410 u b o o t 1 d s ( 3 ) 为开发板添加新的配置文件 可以复制参考开发板的配置文件，进行相应修改即可： $ c pi n c l u d e c o n f i g s s m d k 2 4 10 hi n c l u d e c o n f i g s x w 2 410 h ( 4 ) 添加驱动或者功能选项 此步骤需实现u b o o t 下n a n df l a s h 驱动。n a n df l a s h 用于系统 发布时存放系统b o o tl o a d e r 、内核、文件系统以及用户应用程序的， 移植开发n a n df l a s h 驱动对系统有着重要的意义。n a n df l a s h 芯片由 于受价格或者采购方面等因素的影响，多数开发板n a n df l a s h 芯片型 号一般不相同。本系统选用的n a n df l a s h 为三星公司的k 9 f 2 8 0 8 u o a 芯片，需要移植开发n a n df l a s h 的驱动。其开发原理与实现方法在 2 3 2 小节中给出。 ( 5 ) 配置开发板 $ m a k ex w 2 410 _ c o n f i g ( 6 ) 编译u b o o t 执行m a k e 命令，编译成功得到u b o o t 映像。 ( 7 ) 进行调试，直到u b o o t 在开发板上能够正常启动。到此，具 有n a n df l a s h 读写功能的u b o o t 移植成功。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 3 2n a n df l a s h 驱动原理与实现 本系统选用的n a n df l a s h 为三星公司的k 9 f 2 8 0 8 u o a 芯片，数 据存储容量为3 2 m b 1 4 】，图3 1 为控制器与n a n df l a s h 连接的方式， 表3 2 为其引脚功能说明。 1 ) 芯片内部存储布局及存储操作特点 一片n a n df l a s h 为一个设备( d e v i c e ) ，其数据存储为：1 设备 ( d e v i c e ) = 4 0 9 6 块( b l o c k ) ；1 块( b l o c k ) = = 3 2 页行( p a g e r o w ) ，页与 行意思相同；1 块( p a g e ) = = 5 2 8 字节( b y t e ) = = 数据块大小( 5 1 2 b y t e ) + o o b 块大小( 16 b y t e ) 。在每一页中，最后1 6 个字节( 又称o o b ) 用于 n a n df l a s h 命令执行完后设置状态，剩余5 1 2 个字节又分为前半部分 和后半部分。可以通过n a n df l a s h 命令0 0 h 0 1h 5 0 h 分别对前半部、 后半部、o o b 进行定位，通过n a n df l a s h 内置的指针指向各自的首地 址【1 5 。 s 3 c 2 4 10n a n df l a s h d a t a 7 ：0 】 m d 7 ：0 啪n b u s y n f 、v en 、v e i l l 硼正n r d a l e a l e n f c en c e c l ec l e 图3 1 控制器与n a n df l a s h 连接的方式 表3 2 引脚功能说明 引脚有效电平数据输入输出 m d 7 ：0 高低片选使能 n b u s y 高低准备好忙 n w e低写允许引脚 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 n r d低读允许引脚 a l e局地址锁存使能 n c e低片选使能 c l e 商命令锁存使能 存储操作特点：擦除操作的最小单位是块；n a n df l a s h 芯片每一 位( b i t ) 只能从l 变为o ，而不能从0 变为1 ，所以在对其进行写入操作 之前一定要将相应块擦除( 擦除即是将相应块的位全部变为1 ) ；o o b 部分的第6 字节( 即5 1 7 字节) 标志是否是坏块，值为f f 时不是坏块， 否则为坏块。除o o b 第6 字节外，通常用o o b 的前3 个字节存放n a n d f l a s h 硬件e c c 码。 2 ) e c c 校检原理 由于n a n df l a s h 的工艺不能保证n a n df l a s h 在其生命周期中保持 性能的可靠，因此，在n a n df l a s h 的生产中及使用过程中会产生坏块 【1 6 】。为了检测数据的可靠性，在应用n a n df l a s h 的系统中一般都会采 用一定的坏区管理策略。如果操作时序和电路稳定性不存在问题的话， n a n df l a s h 出错的时候一般不会造成整个b l o c k 或是p a g e 不能读取 或是全部出错，而是整个p a g e ( 例如5 1 2 b y t e ) 中只有一个或几个比 特出错。在n a n df l a s h 处理中，一般使用种专用的校验方法e c c 。 e c c 能纠正单比特错误和检测双比特错误，而且计算速度很快，但对 l 比特以上的错误无法纠正，对2 比特以上的错误不保证能检测。e c c 一般每2 5 6 字节数据生成3 字节e c c 校验数据，这三字节共2 4 比特 分成两部分：6 比特的列校验和1 6 比特的行校验，多余的两个比特置 1 ，如表3 3 所示。 表3 3 校检数据 i 0 7i 0 6i 0 5i 0 4i 0 3i 0 2i 0 1i 0 0 p 6 4p 6 4 p 3 2p 3 2 p 1 6p 1 6 p 8p 8 p 1 0 2 4p 1 0 2 4 p 5 1 2p 5 1 2 p 2 5 6p 2 5 6 p 1 2 8p 1 2 8 p 4p 4 p 2p 2 p lp 1 11 行：p 8 p 1 0 2 4 列：p l - - - p 4 表2 3 说明： p1 ，pl ，p 2 ，p 2 ，p 4 ，p 4 ，p 8 ，p 8 ，p16 , p16 ，p 3 2 ，p 3 2 ，p 6 4 ， p 6 4 ，p 1 2 8 ，p 1 2 8 ，p 2 5 6 ，p 2 5 6 ，p 5 1 2 ，p 5 1 2 ，p 1 0 2 4 ，p 1 0 2 4 为2 2 位的校检 位( 多出2 位置1 ，共3 字节2 4 位) 。e c c 的列校验和生成规则如图3 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 所示。 1 b y t e 2 b y t e 3 b y t e 4 b y t e 2 5 3 2 5 4 2 5 5 2 5 6 b i t 7b i t 6b i t 5b i t 4b i t 3b i t 2b i t1b i t 0 b i t 7b i t 6b i t 5b i t 4b i t 3b i t 2b i tlb i t 0 b i t 7b i t 6b i t 5b i t 4b i t 3b i t 2b i tlb i t 0 b i t 7b i t 6b i t 5b i t 4b i t 3b i t 2b i tlb i t 0 b i t 7b i t 6b i t 5b i t 4b i t 3b i t 2b i t1b i t 0 b i t 7b i t 6b i t 5b i t 4b i t 3b i t 2b i t1b i o b i t 7b i t 6b i t 5b i t 4b i t 3b i t 2b i tlb i t 0 b i t 7b i t 6b i t 5b i t 4b i t 3b i t 2b i t1b i t 0 p 1p l p 1p 1p 1p l p lp 1 p 2p 2 p 2 p 2 p 4p 4 p 8 1 p 16 p 8 0 2 4 ， p 8 ： p 1 6 p 8 图3 2e c c 校验和生成规则 列校检和生成规则的数学表达式为公式3 1 至公式3 6 ，行校检和 生成规则的数学表达式为公式3 7 至公式3 12 ，p 6 4 到p10 2 4 的计算 公式与p 3 2 形式类似，故未给出，详细过程可参考k 9 f 2 8 0 8 u o a 的 d a t a s h e e t 。 尸1 = b i t 7 0 b i t 5 0 b i t 3 0 b i t l op l ( 3 1 ) p 1 7 = b i t 60b i t 4ob i t 2ob i t oop l ( 3 2 ) 尸2 = b i t 7ob i t 6ob i t 3ob i t 20p 2( 3 3 ) p 2 7 = b i t 5 0 b i t 4 0 b i t l o b i t o op 2 7( 3 4 ) 尸4 = b i t 7 0 b i t 6 0 b i t 5 0 b i t 4 0p 4( 3 - 5 ) 尸4 7 = b i t 3 0 b i t 2 0 b i t l o b i t o op 4 7 ( 3 6 ) p 8 = b i t 7 0 b i t 6 0 b i t 5 0 b i t 4 0 b i t 3 0 b i t 2 0 b i t l o b i t 0 0p 8 ( 3 7 ) p 8 7 = b i t 7 0 b i t 6 0 b i t 5 0 b i t 4 0 b i t 3 0 b i t 2 0 b i t l o b i t o o p 8 7 ( 3 8 ) p 1 6 = b i t 7ob i t 6ob i t 5ob i t 4ob i t 30b i t 20b i t lob i t o0p 1 6 ( 3 9 ) 41 二op 一 23 ， p 6 6 l l p p 矿8 矿 8 一 p p p p 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 p 1 6 7 = b i t 7 0 b i t 6 0 b i t 5 0 b i t 4 0 b i t 3 0 b i t 2 0 b i t l o b i t 0 0 p 1 6 ( 3 1 0 ) p 3 2 = b i t 7ob i t 6ob i t 5ob i t 4ob i t 3ob i t 2 $ b i t lob i t oop 3 2 ( 3 1 1 ) p 3 2 7 = b i t 7 0 b i t 6 0 b i t 5 0 b i t 4b i t 3 0 b i t 2 b i t l o b i t 0 0 p 3 2 ( 3 1 2 ) 当往n a n df l a s h 的p a g e 中写入数据的时候，每2 5 6 字节生成一 个e c c 校验和，称之为原e c c 校验和，保存到p a g e 的o o b ( o u t o f - b a n d ) 数据区中。当从n a n df l a s h 中读取数据的时候，每2 5 6 字节生成一个e c c 校验和，称之为新e c c 校验和。校验的时候，将 o o b 区中读出的原e c c 校验数据和新e c c 校验数据按位异或，若结 果为0 ，则表示不存在错误；若3 个字节异或结果中存在l1 个比特位 为1 ，表示存在一个比特错误，且可纠正；若3 个字节异或结果中只 存在1 个比特位为1 ，表示o o b 区出错；其他情况均表示出现了无法 纠正的错误。 3 ) f l a s h 烧写程序实现 基本原理：将在s d r a m 中的一段存储区域中的数据写到n a n d f l a s h 存储空间中。烧写程序在纵向上分三层完成： 第一层：主烧写函数( 将s d r a m 中的一段存储区域中的数据写 到n a n df l a s h 存储空间中) ；第二层：该层提供对n a n df l a s h 进行操作 的页读、写，块擦除等函数，上层会调用该层函数实现具体功能；第 三层：为第二层提供具体n a n df l a s h 控制器中对特殊功能寄存器进行 操作的核心函数，该层也是真正的将数据能够在s d r a m 和n a n df l a s h 之间实现传送的函数。其中第二层为驱动程序的设计关键所在，下面 对该层的读、写( 又称编程) 和擦除的流程进行详细介绍。 n a n df l a s hr e a d 读数据操作是以页为单位，读数据时首先写入读数据命令0 0 h ，然 后输入要读取页的地址，接着从数据寄存器中读取数据，最后进行e c c 校验。图3 3 右半部为读程序流程图。 n a n df l a s he r a s e 首先写入6 0 h 进入擦写模式，然后输入块地址；接下来写入d 0 h ， 表示擦写结束。图3 3 左半部为擦除程序流程图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 写0 0 h 占 写地址 占 读数据 图3 3 读程序流程和擦除程序流程 n a n df l a s hp r o g r a m 首先写入0 0 h ( a 区) 0 l h ( b 区) 0 5 h ( c 区) ，表示写入那个区；再写 入8 0 h 开始编程模式( 写入模式) ，接下来写入地址和数据；最后写入 10 h 表示编程结束，图3 4 为编程程序流程图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 下面对n a n df l a s h 的操作命令进行测试，图3 5 为测试结果。 n a n de r a s eo x10 0 0 0 00 x 2 0 0 0 0 0 从1m 处开始擦写n a n df l a s h ，擦写2 m 大小的空间。 n a n dw r i t e0 x 2 0 0 0 0 0 0 00 x10 0 0 0 00 x 2 0 0 0 0 0 将s d r a m 中的o x 2 0 0 0 0 0 0 0 处开始的内容，烧写到n a n df l a s h 的 o x l0 0 0 0 0 处开始的2 m 空间内。 n a n dr e a do x 2 0 0 0 0 0 0 00 x10 0 0 0 00 x 2 0 0 0 0 0 将n a n df l a s h 的0 x l0 0 0 0 0 处开始的2 m 空间内容，拷贝到 s d r a m 0 x 2 0 0 0 0 0 0 0 处开始的地方。 图3 4 编程程序流程 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 3 3l i n u x 移植 图3 5n a n df l a s h 0 试图 1 l i n u x 简介 l i n u x 是一个成熟且稳定的操作系统，将l i n u x 植入嵌入式设备具 有众多的优点。首先，l i n u x 的源代码是开放的，任何人都可以获取并 修改；其次，l i n u x 是可以定制的，其系统内核最小只有约13 4 k b ”】。 一个带有中文系统和图形用户界面的核心程序也可以做到不足1 m b ， 并且同样稳定：最后，它和多数u n i x 系统兼容，应用程序的开发和移 植相当容易。由于具有良好的可移植性，人们已成功使l i n u x 运行于 数百种硬件平台之上。l i n u x 的众多优点还使它在嵌入式领域获得了广 泛的应用，并出现了数量可观的嵌入式l i n u x 系统。其中有