（通信与信息系统专业论文）基于arm的远程视频监控系统研究.pdf

abs tract v i d e o s u r v e i l l a n ce s y s t e m i s a in t e gr a t e d t e c h n o l o g y , i n c l u d i n g c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n a n d d i g i t a l v i d e o t e c h n o l o g y . a t p r e s e n t t h e v i d e o s u r v e i l la n c e s y s t e m i s d e v e l o p i n g a t d i g i t i z a t io n a n d n e t w o r k . a n e m b e d d e d s y s t e m d e v i ce i s k e y t o v i d e o s u r v e i ll a n ce b a s e d o n n e t w o r k . i t s h o u l d b e a b l e t o g a t h e r v i d e o d a t a a n d c a r ry o n d a t a t h r o u g h n e t w o r k . t h i s a rt i c l e i n t r o d u ced a m e t h o d o f n e t w o r k v i d e o s u r v e i ll a n ce s y s t e m b a s e d o n l i n u x . a t f i r s t ,h a s a n a l y z e d a d e s i g n p l a n o f n e t w o r k s u r v e i l l a n c e s y s t e m fr o m t h e w h o l e , i n t r o d u c e d 山 e h a r d w a r e a n d t h e s o f t w a r e s y s t e m , a n d d i s c u s s e d e m p h a s i s l y m p e g - 4 e n c o d i n g o n a r m p r o ce s s o r. n e x t c o n s t r u c t e d a m r l i n u x i n t h e a r m h a r d w a r e p l a t f o r m s u c c e s s l y i n c l u d in g b o o t l o a d e r d e s i g n , c o n f i g u r i n g l i n u x k e r n e l a s w e ll a s j f f s 2 f i l e s y s t e m .s t a r t i n g u - b o o t fr o m n a n d f l a s h i s a n e w m e t h o d . i n o r d e r t o c o m p l e t e n e x t w o 氏 t h e p a p e r h a s r e a l i z e d 比 。 d r i v e r o f u s b c a m e r a . 玩山 . a p p li c a t i o n p r o g r a m m i n g , h a s f i r s t d e s i g n e d v i d e o g a t h e r i n g p ro gr a m b a s e d o n t h e v i d e o 4 l in u x ， a n d u s e s m m a p 0 t o c a p t u r e . n e x t h a s e m p h a s i s l y a n a l y z e d x v i d c o d e , m p e g -4 m o d u l e , a n d o p t i m i z i n g t h e c o d e o f m o v e m e n t e s t i m a t e p a rt . f i n a ll y u s e s j r t p l i b t o c a r r y v i d e o s t r e a m . a ll d e s 咖 i s b a s e d o n s u p e r - a r m h a r d w a r e p l a t f o r m in s h e n z h e n .l im r x k e r n e l v e r s i o n i s 2 .4 . 1 8 . a d s 1 .2 ( a r m d e v e l o p e r s u i t e ) i s u s e d t e s t in g m p e g - 4 c o d e . t h i s p a p e r h a s m a d e t h e b e n e f i c i a l e x p l o r a t i o n r e a l i z e n e t w o r k v i d e o s u r v e i ll a n ce s y s t e m b a s e d o n a r m , a n d h e l p t o f u rt h e r s t u d y o n r e m o t e e m b e d d e d v i 山 w s u r v e 山a n c e 叮s t e m k e y wo r 如s 3 c 2 4 1 0 x ; l i n u x ; iii 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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 盏 遏 达岁 生 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 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名(手写v ii-i 字日7-e?“ 月夕日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全了 解 -a 1熟 * 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 直.邑大堂可以 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) 学位一 贡一 梦 “ 资 签 字 日 期 :， 柳 尸 年b 月/ 日 导师签名 (剥 :呼 签 字 日 期 : 加夕 年了 月 ，加 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话 邮编 第 i 章绪论 第 1 章 绪论 1 . 1引言 视频监控技术一直是人们关注的应用技术热点之一，它以 其直观、方便、 信息内 容丰富的 特点被广泛的应用于许多 场合。视频监控系统是一门 集计算机 技术、 通信技术和数字视频技术于一体的综合系统。它正从传统的安防监控向 管理、生产监控发展，并逐步与管理信息系统相结合，为管理者提供更直观、 更有效的决策信息。视频监控系统的一般过程是:在一些重要的场所安放一个 或若千个摄像机， 摄像机采集监控现场的视频数据，并经过压缩编码处理后， 通过 一定的 传输网 络( 线缆、无线、光纤或以 太网 ) ， 传到指定的监控中 心. 监 控中心可以远程监控现场图像，并可通过存储介质保存现场视频数据供日 后查 询取证。同时，还可以根据不同需要在监控现场安装其它的探侧装置作为监控 系统的辅助设备。 目 前视频监控系统已经进入了一个高速发展的时期， 行业竞争日 渐白热化， 传统模拟视频监控系统逐渐不再适应社会发展的需要。以计算机技术及图像视 频压缩为核心的新型视频监控系统得到了越来越广泛的应用，它具有传统模拟 监控无法比拟的 优点， 克服了传统视频监控的局限性， 正在逐步取代模拟监控。 新型视频监控系 统综合了数字图 像处理与视频信息处理技术、嵌入式技术、数 据传输网 络技术、自 动控制等技术，符合当前信息社会数字化、网络化、智能 化的发展趋势， 可广泛应用在安全监控、视频会议和视频点播、远程教育、新 闻实况直播等诸多领域，而且其成本将随着技术的发展和网络的普及而大大降 低，具有十分广阔的应用前景。 1 . 2视频监控系统的发展概况 随 着计算机技术、网络技术、通信技术和多媒体技术等的发展， 技术也得到了迅速发展。 拟视频监控系统，基于 视频监控技术的发展大致可分为三个阶段: 视频监控 即本地模 p c的视频监控系统，基于嵌入式技术的网络视频监控 第 1 章绪论 系统。 下 面分别 做 详细 介绍 川 。 1 .本地模拟信号监控系统 典型的 模拟视频监 控系统 一般由 图 像摄影部分(拟摄 像 机、 镜头、 云台、 麦克 风等 ) 、图 像传 输部椒电 缆、 光缆、 射频 等 ) 、 系统 控 制部 分 (作 键盘、 视 频分配器、 视频矩阵 切换器、 云台 控制解码器、 字符益加 器等 p ro 显示记录部分 四大部分组成。 传统的模拟闭路电视监控系统有很多局限性: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，并且使得布线工程量极大; 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) ，查询取证时十分烦琐。 2 .基于p c插卡的数字监控系统 基于p c机的远程图像监控系统由p c机插视频卡构成， 在监控现场， 有若 干个摄像机，各种检侧、 报替探头与数据设备，通过各自 的传输线路，汇接到 监控终端机上，该终端可以是一台p c机，也可以是专用的工业机箱。 基于 p c的视频监控系统终端功能较强，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 减为复 杂， 可靠 性不高， pc 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 基于嵌入式技术的监控系统不需处理模拟视频信号的p c ， 而是把摄像机输 出的模拟视频信号通过嵌入式视频编码器直接转换成ip数字信号。 嵌入式视频 编码器 ( 也称视频服务器2 ) 具备视频编码处理、网 络通信、自 动控 制等强大 功能， 直接支持网络视频传输和网络管理， 使得监控范围达到前所未有的广度。 除了编码器外，还有嵌入式解码器、控制器、录像服务器等独立的硬件模块， 它们可单独安装，不同厂家设备可实现互连。 数字化视频监控的优点是克服了模拟闭路电视监控的局限性:首先，数字 化视频可以 在计算机网 络( 局域网或广域网 ) 上传输图 像数据， 基本上不受距离 限制，信号不易受千扰，可大幅度提高图像品质和稳定性;其次，数字视频可 利用计算机网 络联网，网络带宽可复用， 无须重复布线:另外，数字化存储成 为可能，经过压缩的视频数据可存储在磁盘阵列中 或保存在光盘中， 查询十分 简便快捷。 基于嵌入式设备的监控系统的优点是:由于这种系统的硬件是一个同处理 第 1 章绪论 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，便于管理、维护。 1 3本课题的研究背景及主要工作 关于嵌入式网络视频服务器的研究，国外起步较早，并处于领先水平，已 有成熟的嵌入式网 络摄象机产品。除了s o n y公司的s v c - v l 1 0 n之外，还有 p a n a s o n i c公司的 k x - h c m 1 3 0 . s a m s u n g公司的 s n c - 1 0 0 p 、安特公司的 a n t n wc 1 0 / 5 0 / 1 0 0 ， 瑞典的a x d c 系列等， 性能普遍较好， 但价格昂贵，国 内用户大多无法承受。国内在这方面的研究刚起步，大多数是代理国外厂商的 现成产品，从事实际研究的单位不多。国内同类产品大多为一到两路愉入，功 能较少。 播放速度较慢，播放效果较差，科技含量有待于进一步提高。 本文根据视频监控系统的发展历史和现状，借鉴已有的研究成果，提出了 目前较为先进的嵌入式网络视频服务器设计方案。主要工作内容如下: 1 . 分析嵌入式网络视频服务器涉及到的理论: 包括嵌入式微处理a r m的 体系结构以及l i n u x 内 核的层次结构， 并讨论将l i n u x内 核移植到a r m处理器 上的可能性，理解tm a w lj 视频压缩技术以及流媒体技术等。 2 .总体规划网 络视频监控系统，着重设计网络视频服务器的软硬件系统 结构，并讨论在嵌入式系统实现mp e g - 4 编码的方法及其优化方案。 3 .设计视频服务器的系统软件，包括:引导程序 b o o fl o a d e r 设计、 l i n u x 内 核移植、u s b数码摄像头驱动的加载以及建立根文件系统。 4 . 设计视频服务器的应用软件， 包括: 视频采集程序设计、 m p e g - 4 源码 w e d 的优化设计以 及实现用r t p 传送视频流。 5 .对整个系统进行测试，分析优化结果。 最后总结全文的研究成果，并对下一步的工作进行展望。 第2 章相关技术背景 第2 章 相关技术背景 2 . 1 a r m微处理器 a r m 13 i ( a d v a n c e d r i s c m a c h i n e s ) . 既可以 认为 是 一个公司的 名 字， 也 可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 1 9 9 1 年a r m公司成立于英国剑桥， 主要出 售芯片设计技术的 授权. 目 前， 采用a r m技术知识产权( ip 准的微处理器， 即 我们通常 所说的a r m微处理器， 已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产 品市场，基于a r m技术的微处理器应用约占据了3 2 位r 】 s c微处理器7 5 % 以 上的市场份额， a r m技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 a r m内 核采用相对简单的5 级流水线，另外，a r m内核还革命性地采用 1 6 位t h u m b 指令集。1 6 位t h u m b 指令级是a r m指令集的一个子集，它是由 3 2 位指令通过代码压缩得到的， 这种经过压缩的代码大大提高了系统运行效率， 使得在相同的内 存和缓存中可以存放更多的指令，从而简化了指令解码系统。 为了进一步简化系统结构， a r m处理器把浮点运算单元、 内存管理单元的配置 作为a r m内 核的选项而不是标准配里。 所有的这些措施使得a r m内 核拥有最 简单的结构，从而减小了 a r m 内核的芯片面积，减少了开发、升级、优化内 核的成木，芯片面积的减小也直接导致了功耗和价格的降低。 a r m的应用领域有开发式应用平台， 包括无线设备、 消费产品以及成像设 备等:实时嵌入式应用，包括存储设备、汽车、工业和网 络设备:安全系统， 包括信用卡和s i m卡等。 这些应用领域都是控制复杂、 信息量大、 算法相对复 杂、存储数据t大、功耗低。 2 . 1 . 1 a r m的休系结构特点 a r m体系结构的总体设计思想是在不牺牲性能的同时，尽量简化处理器， 同时从体系结构的层面上灵活支持处理器扩展。这种简化和开放的思路使得 a r m处理器采用了很简单的结构来实现。 所有a r m处理器都共享这一体系结 构。a 丑 m体系结构具有以下特点: 第2 章相关技术背景 1 . r i s c型处理器结构 a r m采用ri s c 结构， 在简化处理器结构， 减少复杂功能指令的同时， 提 高了 处理器的速度。同时，考虑到处理器与存储器打交道的指令执行时间远远 大于在寄 存器内 操作的 指令执行时间，i s c型处理器采用了i . o d / s t o r c ( 加纫 存御结构， 即 只 有l o a d / s t o r e 指令可与存储器打交道， 其余指令都不允许进行 存储器操作。同时， 为了 进一步提高指令和数据的存取速度， r i s c型处理器增 加了指令高速缓冲1 . 0 故 b e 和数据高速缓冲 d - c a c h e 及多处理器结构，使指令 的操作尽可能在寄存器之间进行。 2 . t h u m b 指令集 考虑到r i s c 型处理器的指令功能相对较弱， 新型的a r m体系结构中定义 了1 6 位的t h u m b 指令集. t h u m b 指令集比通常的8 / 1 6 位c i s c / r i s c处理器有 更好的代码密度，而芯片面积只增加6 9 6 ，却可以使程序存储器更小。 3 .多处理器状态模式 a r m体系结 构定义了7 种处理器模式: 用户( 。 叼、 快中 断 仍心 、 中 断伽叮 、 管理( s v c ) 、 终止 ( a b t ) 、 系统 ( unc 未定义( $ y $ ) ， 大大提高了a r m 处 理器的效 率。 4 .两种处理器工作状态 a r m处理 器 有 两 种工 作 状态: a r m状态 他行3 2 位a r m指令 ) 和t h u m b 状态傲行1 6 位t h u m b 指令 ) 。 5 .嵌入式在线仿真调试 a r m 体系结构的处理器芯片都嵌入了在线仿真 】 c ur t逻辑，便于通过 7 t a g来仿真调试芯片， 省去了 价格昂贵的在线仿真器。 6 .灵活方便的 接口 a r m体系结构具有协处理器接口 ， 允许接6 个协处理器。 这样， 既可以 使 基本的a r m处理器内 核尽可能小，也可以方便地扩充各种功能。 7 。低电压功耗的设计 考虑到a r m体系结构的处理器主要用于手持式嵌入式系统中， a r m体系 结构在设计中就十分注意功耗的设计。 第2 章相关技术背景 2 . 1 . 2 a r m体系的异常中断 在a r m体系中通常有以下3 种方式控制程序的执行流程: . 在正常的程序执行过程中，每执行一条a r m指令，程序计数器p c的 值加4 个字节:每执行一条t h u m b 指令，p c的值加2 个字节。整个过程是按 顺序执行的。 . 通过跳转指令， 程序可以跳转到特定的地址标号处执行， 或者跳转到特 定的子程序处执行。 . 当异常中断发生时， 系统执行完当前指令后， 将跳转到相应的异常中断 处理程序处执行。 1 . a r m中 异常中断的 种类 a r m体系中的异常中断如 表2 . 1 所示4 i 表2 . 1 a r m体系中的异常中断 异常中断名称含义 复位 ( r . d) 当处理器的复位电平有效时， 产生复位异常， 程序跳转到 复位异常处理程序处执行。 末定义指令 ( u n d e fi n e d i n s t r u c t i o n ) 当人 只 m处理器或协处理器遇到不能处理的指令时， 产生 未定义指令异常。可使用该异常机制进行软件仿真。 软件中断 ( s 介 . 曰 限 加 . 订 娜 式 s m 月) 该异常由执行 s w】 指令产生， 可用于用户模式下的程序 调用特权操作指令。可使用该异常机制实现系统功能调 用。 指令预取终止 ( p r e f e c 七 ab e 成) 若处理器预取指令的地址不存在， 或该地址不允许当前指 令访问， 存储器会向处理器发出终止信号， 但当预取的指 令被执行时，才会产生指令预取终止异常。 数据访问 终止 ( da t a 周比r) 若处理器数据访问 指令的 地址不存在， 或该地址不允许当 前指令访问时，产生数据终止异常。 外部中断 请求 ( i r q ) 当处理器的外部中断请求引脚有效， 且 ? s 中的i 位为 0 时， 产生mq异常。 系统的外设可通过该异常请求中断 服务。 快速中断 请求 ( f i q ) 当处理器的快速中断请求引脚有效， 且c p s r中的f 位为 0 时，产生f i q异常。 2 .a 丑 m处理器对异常中断的响应过程 第2 章相关技术背景 a r m处理器对异常中断的响应过程如下所述。 . 保存处理器当前状态、中断屏蔽位以及各条件标志位。这是通过将当 前程序状态寄存器c p s r的内容保存到将要执行的异常中断对应的s p s r寄存 器中实现的。各异常中断有自己的物理s p s r寄存器。 . 设置当前程序状态寄存器 c p s r中的相应位。包括:设置 c p s r中的 位， 使处理器进入相应的执行模式;设置cy s中的位， 禁止i r q中断，当 进 入no模式时，禁止f i q中断。 . 将寄存器i r m o d e 设置成返回地址。 . 将程序计数器p c设置成该异常中断的中断向t地址， 从而跳转到相应 的异常中断处理程序中。 3 . 从异常中断返回 异常处理完毕之后， a r m微处理器会执行以下几步操作从异常返回: . 将连接寄存器i 1 i 的值减去相应的偏移lk后送到p c中。 . 将s p s r复制回c p s r中。 . 若在进入异常处理时设置了中断禁止位，要在此清除。 可以 认为应用程序总是从复位异常处理程序开始执行的，因此复位异常处 理程序不需要返回。 2 . 1 3 a r m体系结构对操作系统的支持 操作系统的任务是提供一个环境，使得当多道程序并行执行时，进程间不 良 冲突的威胁最小，同时又能安全的共享数据。 进程间冲突的减小是靠每个进 程只能访问自己的存储区域这样一种存储器管理与保护方案来实现的。每个程 序在系统存储器中都有自己可见区域。 程序切换时，存储器可见区域也动态地 转换到新程序，前一个程序使用的所有存储器从视野中移出。这一切若要高效 的实现，则需要复杂的硬件支持。对存储器保护下的数据共享窗口必须非常仔 细地控制，大多数程序不正常的深层原因是对共享结构的偶然访问造成的，因 此需要采用强制方法。对硬件设备的访问 涉及大量的底层位处理。这些细节通 常是由 操作系统集中处理，而不是每个程序独自 处理。这样程序可以通过系统 调用方式在更高的层次上访问输入乃 俞 出函数。 a r m 体系结构中由专用结构来 支持操作系统中所有类似的问题。 第2 章相关技术背景 2 . 1 . 4 s 3 c 2 4 1 0 x处理器简介 s 3 c 2 4 1 0 x i-q 处 理器是一 款基于a r m 9 2 o t 内 核的1 6 / 3 2 位r l s c 嵌 入式 微处 理器， 主要是面向 手持设备以 及高性价比、 低功耗的应用。 运行频率是2 0 3 m h z , 如此高的频率使得系统可流畅运行多种应用。 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， mw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。i rm92 ij 1 有两个内部协处理器:c p 1 4 和 c p 1 5 . c p 1 4 用于调试控制， c p 1 5 用于存储系统控制以及测试控制。 s 3 c 2 4 1 0 x结构框图如 图2 . 1 所示: s 3 c 2 4 1 0 x的资源包括: 1 .内存控制器 s 3 c 2 4 1 0 x的内 存控制器为外部内存访问提供了内 存控制信号， 包括总线 宽度和等待控制寄存器、组控制寄存器、r e f r e s h控制寄存器、b a n i ze 寄存器、s d r a m模式寄存器。 2 . n a n d f l a s h控制器 s 3 c 2 4 1 0 x处理器的启动代码可以 在外部的n a n d f l a s h 上执行。 启动时， n a n d f l a s h 的前4 k b将被 装载到s d r a m中 被称作s t e p p i n g s t o n e 的 地址中， 然后开始执行这段代码。启动以后，这4 k b的空间可用作其它用途， 3 .时钟和电源管理 s 3 c 2 4 1 0 x可以 生成三种时 钟信号， 分别为c p u使 用的f c l k , a h b 总线 使用的h c l k和a b b总线使用的p c l k 。同时，s 3 c 2 4 1 0 x有两个锁相环，一 个用于前面提到的f c l k . h c i , k和p c l k : 另一个用于u s b设备， 称为u p l l . s 3 c 2 4 1 0 x支持h c l k . p c l k和f c l k的分频选择， 其比 率是 通过h d i v n , p u v n寄存器控制的。 s 3 c 2 4 1 0 x有四 种电 源管理模式: n o r m a l模式、 s l o w模式、idl e模 式和p o we r - o f f ，通过这四 种模式有效地控制了功耗。 4. dma s 3 c 2 4 1 0 x支持4 通道d m a控制器。使用 d m a地最大好处是无须c p u 的干预就可以 进行数据传输。 d m a操作可以 通过软件或者硬件进行初始化。 每 一 个d m a通道有9 个控制寄 存器( ( 4 个通道共计3 6 个寄 存 钧， 6 个用来 控制 第2 章相关技术背景 d m a传输，其它3 个监视d m a控制器的状态。 1几 . . 旧 . 盯叼 . ， 闷t 1 ._ 户. 艇 已 目 日翻 . . 加月q 0 1 月 峪 l i 飞二一 a p 8 8 u 3 图2 . 1 s 3 c 2 4 1 0 x结构框圈 5 . 输入月 俞 出口 s 3 c 2 4 1 0 x有1 1 7 个 通 用1/ o口 ( p o r t a - p o r t h ) 。 这 些u o口 为 系 统 编 程 提供了 极大的方便。 6 . p wm计时器 p wm计时器能生成d m a请求， 计时器在收到a c k信号以前将保持d m a 请求信号 ( n d m a _ r e q) 处于低电 平， 收到a c k信号后， 计时 器停 止请求信号， 并设置d m a模式位 ( p c f g 1 寄 存钧。 7 .u冉及t 第2 章相关技术背景 s 3 c 2 4 1 0 x的u a r t提供了三组独立的异步串 行1 / o口，每个u a r t通道 都包含 1 6 b的f i f o用于数据发送和传输，并且都可以在中断或d m a方式下 进行操作。 8 .中断 中断有三种类型: 硬件中断、软件中断和异常中断。 所有的处理器至少都有 一 个引 脚 被用 做中 断 输 入( s 3 c 2 4 1 0 x中 对 应的 一 个引 脚是1 ? i n t o) ， 外 设 控制 芯片也有一个引脚用做中断输出， 把这些引脚连接起来， 当外设上有事件发生， 其控制器将通过产生一个硬件中断的方式来通知处理器。s 3 c 2 4 1 0 x的中断控 制器能接受来自5 6个中断源的 请求， 这些中 断源由内 部的外围设备提供( 如 d m a 控制器、 u a r t 等) 。 2 . 2嵌入式l i n u x操作系统 在大型嵌入式应用系统中，为了使嵌入式开发更加方便、快捷，需要具备 一种稳定、安全的软件模块集合，用以管理存储器分配、中断处理、任务间通 信和定时器响应，以及提供多任务处理等，这就是嵌入式操作系统。一般我们 可认为嵌入式操作系统是软实时系统。所谓软实时系统指的是系统时限柔性灵 活，它可以容忍偶而的超时错误，且失败造成的后果并不严重，仅仅是降低了 系统的吞吐量。 l i n u x 16 1 最初是专门为基于i n t e ! 处理器的 个人计算机 而设计的。 l in u x 的 前 身指的是由 芬兰学生l i n u s t o r v a l d 维护开发的开放源代码的类u n i x 操作系统的 内核。然而，目 前大多数人用它来表示以l i n u x内核为基础的整个操作系统。 从这种意义讲，l i n u x指的是源码开放，包含内核和系统工具、完整的开发环 境和 应用的 类u n i x 操作系统. 同时， l i n u x 遵 循g n u ( g n u s n o t u n i x ) 的通用 公 共 许可 证g p l ( g e n e r a l p u b li c l i c e n s e ) ， 是自 由 软 件家 族中 的 一员。 利用 l i n u x搭建嵌入式操作系统是近年来最令人振奋的方案之一，l i n u x 将来可能会成为主流嵌入式操作系统。 嵌入式 l i n u x是按照嵌入式操作系统的要求而设计的一种小型操作系统。 由一个内核及一些根据需要进行定制的系统模块组成。其k e rne l 很小，一般只 有几百k b左右。即使加上其它必须的模块和应用程序， 所需的存储空间也很 小。它有多任务、多进程的系统特征，有些还具有实时性。 第2 章 相关技术背景 把 u朋笼用于嵌入式系统，一般都不是原封不动地照搬，而是充分考虑各 种具体嵌入式系统的特点，有针对性地对 l 3 n u x内核加以裁减、修改和补充。 一个小型的嵌入式l 3 n u x 系 统只需要引导程序、 l 加 u x 微内 核( 由内 存管理、 进 程管理和事务处理 构肉、 初始化进程3 个基本元素 如果要让它有更多的功能 且继续保持小型化， 可以 加上: 文件系统位持十多种文件系统类型， 如“口 、 e x t 3 . n f s . c r a m p s 匆、 w i n i p 网 络支持、 设计精简的 应用程序等。 嵌入式l i n u x 的主要特点是精简标准的l i n u x内核， 适应于多种c p u和多 种硬件平台， 性能稳定， 裁剪性很好， 开发和使用都很容易， 并且可以使用u n i x 或l i n u x 上的应用程序。 嵌入式u 加笼 操作系统的优势表现为: 1 .支持多种体系结构 目 前u n u x 能够支持x 8 6 , a r m , p o w e r p c等多种c p u体系结构， 现己 被移植到数十种硬件平台上。 2 .多任务，内 核稳定，可定制，源代码开放。 3 .强大的网络支持功能 支持t c p / i p 协 议， 及其上的 高 层协议， 如电 t e l n e t , h 仰等。 同时 支持s o c k e t 网络编程。 4 。支持多文件系统; linux支持f a t 3 2 , e x t 2 , e x t 3 等多种文 件系统， 支持虚 拟文 件系 统， 同时还可以 连接其它的文件系统，如r o m f s , j f f s , c r a m p s 等文件系统。 5 。驱动丰富，支持大it的外设 l i n u x 支持基本所有的p c外设，具有丰富的外设驱动程序。 6 . l i n u x 具备一整套工具链 容易自 行建立嵌入式系统的开发环境、 交叉运行环境，并且可以跨越嵌入 式系统开发中仿真工具的障碍。 2 . 2 . 1嵌入式操作系统内核结构 u皿笼 内核主要由5 个子系统组成:进程调度、内存管理、虚拟文件系统、 网络接口、进程间通信。 一般在l i n u x 系 统中的 / u s r / , c / u n ll x - * . s . 0 ( . 气 . 代表内 核版本号 ) 目 录 第 2 章相关技术背景 下就是内核源代码。 扭 比 h子目录包含了所有硬件结构特定的内核代码。 / d r i v e .子目 录包含了内核中所有的设备驱动程序。 瓜 子目 录包含了所有的文件系统的代码。 加c l u d e 子目录包含了建立内核代码时所需要的大部分库文件， 这个模块利 用其他模块重建内核。 该目录也包括了不同平台需要的库文件。比如， a r m - a r m 是a r m平台需要的库文件。 在 n it 子目 录包括了内核的初始化代码，内 核从此处工作。 a n子目 录包括了 进程间 通信代码。 / k e r n e l 子目录包括了主内核代码。 川 b 子目 录 包含与平台 无关的 诸如; t r l e 和m e m c p y 之类的通用函 数. / 山 口子目录包括了所有内存管理代码。 阳 d子目录包括了和网络有关的代码。 / s c r i p t s 子目 录存放了 配置内 核的一些脚本文 件， 比 如 “ m a k e m e n u c o n f i 扩 命 令，用于配置内核。 / d o c u m e n t a t i o n : 这个目录中包括大童的内核相关文档，系统移植中需要经 常查阅。 一般在 每个目 录下都 有一个d e p e n d 文 件和一个m a k e t ie 文件. 这两 个文 件 都是编译时使用的辅助文件。其中m 目 沈 曰 。 文件中指出了编译时需要用到的编 译器，也是移植内核过程中不可缺少的。 2 . 2 .2 i d n u x内核对系统移植提供的支持 虽然l i n u x内 核采用了 相对来说并不是很灵活的单体内 核机制， 但却具有 很好的跨平台性和可扩展性。l i n u x之所以能够成为目 前支持硬件平台最为广 泛的操作系统之一，这除了归功于遍布世界各地大量优秀的开发人员的贡献之 外， 还应该感谢l i n u x的创始者h u n s 在最初设计该操作系统时就为提高可移植 性所提供的独特设计。概括起来，l i n u x 为在系统移植方面提供了以下支持: 1 .分层结构 u 即 兀 内 核 的 设 计 吸 取了 层 次 结 构 和 对 硬 件 抽 象 层 门 -i a l ) 的 思 想， 对内 核 进行分层，以便将硬件相关的部分和操作其它上层实现分离开来，从而增强了 第 2 章相关技术背食 系统的可移植性。图2 . 2 表示了t i n n y内核的分层结构。通过加入硬件抽象层， 将硬件相关代码和硬件无关代码分离开来，这样上层代码就不必关心底层采用 了什么方式，如何完成操作等细节。例如，不论是打开字符设备还是块设备， 对上 层操作而言， 和打开一个普通文件一样， 都只需 采用。 i mo 函 数调用即可， 而具体对设备的操作，由设备驱动程序去完成，这样，移植工作主要就集中在 部分的硬件抽象层以及和硬件设备直接相关的部分。 第三层 第二层 第一层 操作系统内 核层 硬件1 6 象 层 ( h a l ) 砚件直接相关层 圈2 . 2 l i n u x 内 核分层结构 下 面我们对 这 个分层结构同 进行简要的 描述: 硬件直接相关层 主要包括由 于处理器体系结构和指令集不同而需要进行相应实现的部分， 如a r m , mi p s , 1 3 8 6 , p o w e r p c 等不同体系结构和指令集的处理器，它们在内 核中和硬件直接相关的代码部分应该有不同的实现。 硬件抽象层( h a l ) 这是为了屏蔽底层的硬件细节，并为上层提供一个逻辑上统一的硬件环境 接口 及各种硬件平台上操作系统的代码重用而引入的机制，故这一层既和硬件 直接相关又和操作系统上层相关。从实现上看，这一层主要由一些硬件相关的 数据结构、方法和宏组成，l i n u x通过它们来屏蔽硬件相关的代码，所以这一 层对于操作系统上层的可移植性非常重要，u . 监 内核的移植工作也主要是在 这一层上做工作，而在系统移植过程中也是一个难点。从功能上来分，这个层 次包括两个部分:系统初始化部分和硬件设备的驱动部分。 硬件无直接关的操作系统内核层 这主要包括进程管理、内 存管理、设备管理、文件系统以 及其它和底层设 各不直接相关的 较高 层实现。内 存管理等内 核部分与目 标计算机的体系结构密 切相关， 必须针对目 标计算机单独开发; 而设备驱动、 文件系统和网络部分与处 理器结构关系不大。 第2 章相关技术背景 2 .面向对象思想 虽然u 朋万内核主要是用非面向对象的c语言编写而成，但是l i n u x内核 中大量的借鉴和使用了面向 对象的思想。 虽然c语言本身没有提供面向 对象的 语法支持，但是在 l i n u x中通过使用结构体和函数指针实现了对面向对象机制 的 部分模拟。 例如l i n u x 采用了 虚 拟文件系统汉璐雌行抽 象的 技术， 为 各种文 件系统提供了一系列统一的结构作为接口， 各种实际的文件系统只要对v f s 提 供的数据结构进行实现，就可以将自己的文件系统挂接到系统中，这就好比为 整个系统提供了一条文件系统的总线，只要遵循总线协议， 就可以进行相互间 的通信。在上层调用的时候，只需要使用通用的接口就可以通过函数指针调用 到相应的具体实现。这样，一个结构体的定义相当于一个类的定义，结构体中 使用函数指针就是对类中方法的模拟。通过对结构体的不同实现，在内核中部 分实现了面向对象的多态特性，使内核结构更为清晰，井且增强了内核的硬件 无关性，提高了系统的可移植性。 3 ，可加载模块机制 对传统的单体内核操作系统来说，对内核的任何部分进行了修改，要想在 目 标平台中得到体现，都必须重新编译并链接内核以便生成新的可执行文件映 像然后下载到目 标板，重新启动系统。因此，如果在这样的系统上进行修改、 增加设备驱动程序、更新内核等都是很困难的。显然， 在这样的系统上进行移 植也是很困难的事。 为此， l l n u x 引入了 可加 载模块的 独特解决方案f i 。 可 加载模块也是 在内 核 空间运行的程序，实际上是一种可在系统启动后的任何时候动态载入核心的代 码块。它在被加载到内 核前并不进行链接，不能独立运行，但是可以装载到系 统中作为内核的一部分运行，从而可以动态扩充内核的功能。当我们不再需要 它时又可以 将它从核心中卸载并删除。l i n u x系统使用可加载模块机制很好地 解决了扩展性的问题，大大方便了l i n u x平合下驱动程序的开发，增强了系统 的伸缩性和运行效率。 u . 皿 内核可加载模块有两个特征: 动态链接 当内核己 经在存储器并正在运行时，模块可以 被加载并 链接到内 核。模块 也可以在任何时候断开链接，从存储器中移出。 可堆栈模块，模块按层次排列 通过可堆投模块可以定义模块间的依赖关系， 这有两个好处: 一组相似的模 第2 章相关技术背景 块， 相同的 代码可以 移入一个模块， 减少了 重复; 内核可以 确保需要的 模块都在， 避免卸载正在运行的模块依赖的其他模块，并且当加载一个新模块时加载任何 需要的附加模块。 采用内核可加载模块机制， 将模块从内核中独立出 来，大大增加了 l 3 m u 内 核的灵活性。 对于系统的移植而言，采用内 核可加载模块，主要优点有: 通过使用内 核可加载模块， 分离了内核硬件相关代码中与硬件体系结构 没有关联或关联较小的部分，只在内核中保留和硬件体系结构直接相关的硬件 代码，降低了内核的复杂度。因此，该机制允许我们在开发的初期，只需具备 内 核所必须的相关软硬件模块， 就可让内 核运行起来， 在此基础上进行系统的 开发，大大降低了系统移植的难度。 可以 将对硬件设备的支持， 也就是驱动程序的部分做成可加载模块的形 式。由于这些驱动都可以编译成单独的模块，降低了新增硬件对内核的影响， 降低了内 核为支持新硬件的复杂度，这样就可以大大增加内核支持的硬件设备 种类。 模块可动态加载， 让我们无需重构核心并频萦重新启动来尝试运行新的 内 核代码， 这就大大方便了开发人员的调试工作， 降低了开发人员的开发难度。 可以 运用 动 态 加载实 现 在线 更 新， 因 此不必为 满 足应 用需求的 多 样 性而 把将来所有可能需要的驱动都加入内核，而是把该部分留给用户自己，或将来 需要的时候才进行动态加载，减少了系统开发复杂性，大大节约了内 核空间的 占用。 最后，需要说明的是，分层结构、面向对象思想和可加载模块这几种机制 并不是各自 孤立的，而是紧密联系，相辅相成的。i i n u x内核吸取了分层结构 和面向 对象的思想，从设计的角度对单体系内核进行了改进，可加载模块机制 在 l i n u x内核中得到具体实现，从实现和实用的角度增加了内核的灵活性。分 层结构、面向 对象思想的运用从内核设计的角度为采用可加载模块做了 准备。 可加载模块机制的使用，使分层结构和面向 对象思想得到体现。 第2 章相关技术背景 2 3 mp e g - 4 视频压缩技术 2 3 . 1 mp e g4 简介 m p e g 寻1 0 1 是一种压缩标准， 国际标 准化组织于1 9 年成立运动图 像专家 组m p e g ( m o t i o n p i a m e x p e r ts g ro u p ) ， 在1 9 9 3 年8 月正式 制定的im p e g - 1 ，在1 9 9 4 年又发布了m p e g - 2 标准。1 9 9 9 年2 月正式公布了为国际标准的 m p e g - 4 ( i s o / i e c 1 4 4 9 6 ) 第一 版本，同 年年底又发布m p e g - 4 第 二版. m p e g - 4 的压缩方法不同于m p e g - 1 / 2 或h . 2 6 3 + 系列标准，