（微电子学与固体电子学专业论文）基于arm和linux的物品监控终端的设计.pdf

本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名： ( 工作单位、职称) 主席：朋1 蛊施久罨豢吱 委员： 乖以彩 z 六 磊艘 兽守令哆函皴 导师： 惭毳认胀 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志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些太堂 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。 学位论文作者签字： 签字日期：年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人授权金目垦互些太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文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) 学位论文者签名： 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 3 导师签名： 签字日期；年月日 电话： 邮编： 基于a r m 和l i n u x 的物品监控终端的设计 摘要 嵌入式系统随着生产工艺的进步，成本在不断的降低，被广泛应用于移动 终端、网络设备、家用电器和工业控制领域，并且嵌入式系统的功能也在不断 扩展，已经朝着智能化、网络化发展，成为信息网络技术之后又一个i t 产业潮 流。 近年来全球经济在飞速发展，物流产业也发展迅猛，随之而来的问题也有 很多。物流过程中贵重物品屡次被盗成为新时期长期困扰人们的问题，因此视 频监控系统的引入势在必然。视频监控系统能够记录现场情况，也能够提高生 产效率，更能使人们能够及时应对各种突发事件。 本文选择三星的处理器$ 3 c 2 4 4 0 ，高速摄像头和一块触摸l c d 组成，软件 平台采用嵌入式l i n u x 操作系统，在友善之臂开发板上先进行l i n u x 和根文件 系统的移植，然后编写u s b 主机驱动程序和摄像头在a r m 下的驱动程序，使 其适应所采用的硬件平台，再者完成驱动的加载和交叉编译来完成对图像的采 集，最后研究了图像滤波算法并优化所采集的图片，使图片完成各种场合实验 的要求。 本文设计的系统成本比较低，内存占用少，模块工作稳定，有很好的发展 前景和广泛的应用空间。 关键词：$ 3 c 2 4 4 0 ；a r m ；l i n u x ；视频监控；中值滤波 d e s i g no ft h et e r m i n a lo fg o o d sm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e d o n a r ma n dl i n u xp l a t f o r m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp r o d u c t i o nt e c h n o l o g y , t h ec o s to fe m b e d d e ds y s t e m h a sa l r e a d yd e c r e a s e d i ti sw i d e l yu s e di nm o b i l et e r m i n a l s ，n e t w o r ke q u i p m e n t ， h o u s e h o l da p p l i a n c e sa n di n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l d s t h ef u n c t i o no fe m b e d d e d s y s t e mi sa l s oe x p a n d i n ga n di th a sb e c o m ea m a i n s t r e a mi n f o r m a t i o ni n d u s t r y r e c e n ty e a r sw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fg l o b a le c o n o m ya n dl o g i s t i c s i n d u s t r y , t h e r ea r em a n yp r o b l e m sa p p e a r e d m a n yv a l u a b l ei t e m sw e r es t o l e ni n t h el o g i s t i c sp r o c e s sa n dt h i sp r o b l e mh a sb o t h e r e de v e r y o n ef o ral o n gt i m e t o s o l v et h i sp r o b l e m ，v i d e om o n i t o r i n g s y s t e mm u s tb ei n t r o d u c e dt ol o g i s t i c s i n d u s t r y v i d e om o n i t o r i n g s y s t e m c a nr e c o r dl i v es i t u a t i o na n di m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o n w h a tt h em o s ti m p o r t a n tt h i n gi st h a tv i d e om o n i t o r i n g s y s t e mc a nh e l pp e o p l ed e a lw i t ha l lk i n d so fe m e r g e n c i e s t h et h e s i sm a i n l yd i s c u s s e dt h ed e t a i l so ft e c h n o l o g yf o rp o r t i n gl i n u xt oa r m e m b e d d e ds y s t e m ，d e v e l o p e du s bh o s td r i v e ra n dc a m e r ad r i v e ru n d e rt h el i n u x p l a t f o r m a f t e rc r o s s c o m p i l e da n dd o w n l o a d t h ed r i v e r , i m a g ea c q u i s i t i o nh a sb e e n c o m p l e t e d f i n a l l y ，t h et h e s i sd i s c u s s e dt h ea l g o r i t h mo fi m a g en o i s ef i l t e r i n g t h es y s t e md e s i g n e di nt h e t h e s i si sl o wc o s ta n du s eal i t t l em e m o r y t h e m o d u l eh a sh i g hs t a b i l i t ya sw e l la sav e r yg o o dr o o mf o re x p a n s i o na n daw i d e r a n g eo fp r o s p e c t s k e y w o r d s ：s 3 c 2 4 4 0 ：a r m ：l i n u x ：v i d e om o n i t o r i n g ：m e d i a nf i l t e r ： 2 致谢 在本论文即将完成之时，首先要特别感谢我的导师解光军教授解老 师学识渊博、治学严谨求实、平易近人，使我在学术水平的提高、实践技能的 掌握以及人品性格的发展等各个方面都获益匪浅。同时，解老师也为我创造了 良好的学习和工作环境，尤其在思想、生活等方面，解老师也给予我很大的帮 助和关怀，在本论文的选题、研究方向、关键技术、实现方法以及论文的修改 完善等方面，解老师也都给予了悉心的指导和帮助，让我从中受益匪浅，也使 得我可以顺利的完成课题研究和论文写作工作。在此向解老师表示衷心的感谢 和深深的敬意! 其次，我要深深感谢我的室友裴广超。在我准备论文的期间，他在学习、 研究和生活等诸方面给予了我悉心的帮助。他在学术上活跃的思想，治学上严 谨的态度以及在工作中勤勉踏实的作风都给了我深刻的影响，这也必将继续影 响我以后的人生道路。 我要深深感谢我的家人。我的哥哥给我提供了优良的学习条件，并且他踏 实的作风也给我做出了优异的榜样。我的父母长久以来，不论风雨，他们一直 在背后给予我默默的支持和无尽的鼓舞，是他们的辛勤养育，才有现在的我。 最后感谢文中引用文献的所有作者和其他所有关心、支持和帮助过我的老 师、同学和朋友们! 3 宋志强 2 0 11 年3 月 4 1 图像处理概述3 7 4 2 常用的图像噪声模型3 8 4 3 滤波算法设计4 0 4 4 实验结果比较4 2 第五章总结4 5 参考文献4 b 攻读硕士学位期间发表的论文4 8 2 插图清单 图1 - 1 网络监控系统示意图2 图1 - 2 嵌入式产品市场份额的整体分布4 图卜3a r m 公司与芯片生产商的关系5 图2 - 1 嵌入式系统体系结构8 图2 2 不带操作系统支持和带操作系统支持的嵌入式系统模型8 图2 - 3 开发板示意图1 0 图2 - 4v m w a r e 中l i n u x 的实际效果1 0 图2 - 5 将编译器路径加入环境变量1 1 图2 6l i n u x 内核子系统之间的关系1 5 图2 - 7l i n u x 内核配置界面1 5 图2 - 8 配置y a f f s 文件系统选项1 7 图3 - 1l i n u x 设备驱动程序的结构组成和在系统中的作用1 9 图3 - 2l i n u x 设备驱动程序的加载和卸载2 l 图3 - 3l i n u x 设备驱动程序的设计流程2 3 图3 - 4u s b 电缆结构2 4 图3 - 5u s b 系统的物理结构2 5 图3 - 6u s b 系统的逻辑结构2 5 图3 - 7u s b 通信的逻辑结构2 5 图3 - 80 h c i 标准在u s b 系统中的层次2 6 图3 - 9 摄像头采集到的图像3 5 图4 - 1 图像处理的三个层次3 7 图4 - 2 算法流程图4 1 图4 - 3 两种算法对不同噪声密度的图像滤波效果比较4 3 图4 - 4 相同噪声密度下两种算法对不同图像滤波效果比较4 3 3 表格清单 表2 1 工具软件包1 1 表2 2v i v i 目录说明1 3 表4 - 1 算法符号代表的意义4 l 4 第一章绪论 随着近几年来物流产业的迅猛发展，国民经济取得了很大的进步。不过， 由此给人们带来的困扰也有许多，在很多场合中，一些贵重的物品经常遭到不 法分子的恶意盗取或破坏。如果这种事发生在公司中，保存公司大量绝密资料 的通信设备的丢失可能会直接导致公司破产；在金融领域，网络设备和自动取 款机( a t m ) 等设备被破坏会给国家造成巨大的经济损失；在日常生活中，业 主汽车一类的贵重物品的丢失，会给业主经济和生活带来很大的麻烦。监控系 统是安全保护系统中应用范围最广泛的系统之一，在人们安全理念越来越重要 的今天，监控系统不仅能够起到防盗报警的作用，同时还能对不法分子起到一 定的威慑作用：如果人们不慎丢失了物品，要是附近恰好有监控系统，那找回 丢失物品的可能性会大大增加；工厂企业中，在不对生产者的精神情绪造成明 显影响下对厂房设备的保护手段中，安装监控系统无疑是一个很好的选择。安 装监控系统的好处远远不仅仅这些，它还能提高生产者的生产效率，预防高危 事件的发生以及帮助人们对突发事件的处理，最重要的一点就是能为事情经过 进行记录，保留下现场证据l ij 。 1 1 视频监控系统的发展概况 视频监控是安全保护领域中的重要技术手段，是多个学科的交叉研究领域， 涵盖了信号处理，信息编码技术，通信和计算机科学，图像处理等学科。视频 监控技术发展至今，可大致划分为三个阶段：第一代是模拟信号系统( v c r ， v i d e oc a s s e t t er e c o r d e r ) ，也称闭路电视监控系统( c c t v ，c l o s e dc i r c u i tt v ) ； 第二代是数模混合信号系统：第三代是完全数字化系统( d v r ，d i g i t a lv i d e o r e c o r d e r ) 。这些技术的更新换代都是由于系统的硬件载体和信号传输方式的 变化引起的。 第一代系统是基于模拟视频信号采集设备( 模拟信号摄像和录像机) 的视 频监控系统，视频信号的传输和存储都是采用模拟方式进行的。这种基于模拟 技术实现的视频监控系统的优点是实现简单，但其缺点也是显而易见的；图像 信号的存储和传输都采用模拟方式，非常容易受干扰，噪声影响显著，图像信 息存储时间很短，图像后续处理工作困难，并且不能远距离传输信号，仅能应 用于小范围的监控；最致命的是得到的图像效果很差，查询速度很慢而且录像 设备维护费用很昂贵，得不到大规模的应用。 第二代数模混合系统是采用模拟摄像机和数字硬盘录像机实现的，但仍然 采用模拟信号传输，信号传输距离短的问题仍然没有得到解决。 第三代系统采用数字视频矩阵取代了原来的模拟视频矩阵，数字硬盘录像 机( d v r ) 代替了响应速度比较慢的模拟录像机，图像信息采用数字信号进行 存储，并先将数字信号压缩减少信息传输量，然后进行传输，这样解决了视频 信号传输距离短的瓶颈问题，后续还可以进行多媒体处理。这类全数字化的监 控系统已经得到的广泛的应用，是目前视频监控领域的主流技术。 随着网络技术的不断发展，视频监控系统正朝着全i p 时代前进，基于网络 视频服务器的网络视频监控系统是今后视频监控技术发展的趋势，会逐步取代 目前第三代视频监控技术。网络视频服务器保障了视频流在网络上的传输，还 使图像信息的传输线路更加多样化。 图卜1 网络监控系统示意图 目前的视频监控技术仅仅实现了图像信息的记录功能，具有有限的运动检 测和报警能力，不具备对特定目标特征分析、事件识别等能力，要想做到真正 的安全防范，监控室内需要专业人员对图像进行实时的观察和分析。所以当前 人们广泛使用的监控系统仅仅是一种非智能的视频监控技术。使用这类系统的 工作人员会时刻担心由于疏忽而漏掉重要的目标和事件，也就是说视频监控系 统是被动工作着，不能主动地识别出危险的存在，只能为事后分析提供线索， 更难以防范危险事件的发生，这就要求系统必须向智能化方向发展。目前智能 化监控技术的研究是属于极具挑战性的工作领域，但这个研究方向对安全防护 事业具有极为重要的理论价值和实用意义。 1 2 嵌入式系统简介 最近二十年来，由于计算机辅助设计技术( c a d ) 和半导体器件制造工艺 的飞速发展，使得人们制造集成度高、性能稳定、价格低廉、结构灵活的微型 处理器( m c u ，m i c r o p r o c e s s o rc o n t r o lu n i t ) 成为可能，并且正是由于上述优 点，微型计算机在国民生活中得到了大规模的应用。现在，微型计算机的应用 2 领域已经涵盖了信息处理、作业控制、科学研究等领域，成为人们娱乐或工作 中必不可少的工具。微型计算机在人们的长期使用中，其外观也呈现了多样化 的发展态势。面向个人用户的微型计算机被称为p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 机， 系统的设备有主机、键盘、显示器和打印机等；还有一种与人们生活中经常见 到的通用计算机在使用目的和形态上有着很大差别的微机系统一一嵌入式系 统，即把微型机嵌入到目标系统中，实现对目标体系的智能化控制，这种用途 的微型计算机改变了以往通用计算机的外观和形态。 嵌入式计算机与通用计算机相比较有其自身的特点： 1 ) 针对性强。嵌入式系统针对某个特定应用，使用的软硬件都是可裁剪的， 具有专用性强的特点； 2 ) 可裁剪性好。由于嵌入式系统专用性强，所以用户都要根据实际需要进行 定制软硬件，去除冗余模块，用最精简的配置实现既定功能，以便节省成 本，加快上市时间，增强市场竞争力； 3 ) 实时性和可靠性高。为了提高系统的运行速度和可靠性，系统中的软件一 般都固化到片上系统( s o c ，s y s t e mo nc h i p ) 中，缩小了芯片面积，并且 使生产成本远低于几个芯片的组成的分立系统，简化了制造工艺，减少噪 声等干扰： 4 1 功耗低。嵌入式系统由于集成度高，所以具有很低的功耗，从而使它广泛 用于对电源要求很高的数码设备或者移动设备中； 5 1 嵌入式系统资源有限，不具备调试开发能力，设计时一般采用通用计算机， 由于硬件平台的不同，需要搭建专用的开发环境【2 j 。 1 2 1 嵌入式系统的市场规模和发展趋势 嵌入式系统应用面广，在实际使用数量上已远超过通用计算机。据统计， 2 0 0 4 年全球嵌入式软件的销售总额已经达到3 9 5 亿美元，相关产品的效益达到 2 0 0 0 亿美元。从2 0 0 4 年至今，全球嵌入式产业的销售收入平均每年递增1 1 ， 预估计嵌入式系统产业全球潜在的市场价值会超过1 0 0 0 0 亿美元。 随着半导体器件制造工艺的发展和嵌入式系统软硬件设计技术的改进，嵌 入式系统目前表现出以下发展趋势： 1 ) 系统可靠性不断在提高，应用领域不断拓展，与互联网的接入是必然趋势； 2 ) 集成的模块数量不断增多，系统的功能越来越丰富； 3 ) 功耗越来越低，数模混合系统越来越多【3 j 。 由于嵌入式系统功能越来越强大，导致与微机系统之间的差异不断缩小， 因而会更广泛的融入到人们的生活中。 图1 - 2 嵌入式产品市场份额的整体分布 1 2 2 嵌入式处理器的发展概述 自从1 9 8 0 年i n t e l 公司推出一系列的8 位5 1 单片机开始，单片机发展到今 天已经成长为一个应用面广、种类齐全的庞大家族【4 j 。人们一般称以5 l 内核的 微处理器为单片机，单片机主要采用冯诺依曼或哈佛结构体系，主要包括5 个部分：中央处理器即c p u ( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t ) ，内部数据存储器( 简 称内部r a m ) ，内部程序存储器( 简称内部r o m ) ，并行输入输出设备( i 0 ) ， 时钟电路和内部总线等【5 1 。以单片机作为控制核心进行相关设计，使产品具有 一定的智能性，这在当时是一个非常伟大的成就，使计算机的应用达到了一个 新的高度。 值得注意的是，虽然以单片机为核心的嵌入式设计技术在不断发展，单片 机性能也不断提高( 片内存储空间的变大和指令处理速度的提高) ，但人们在 使用中还是发现单片机功能有限，现在已经无法满足高端领域的应用需求。以 前在很长一段时间内，人们设计嵌入式产品是不采用操作系统的，设计的系统 只为了实现某个功能的控制，或者是用一个状态机对外界有限的几种请求做处 理。随着嵌入式系统朝着多元化的方向发展，功能变得越来越复杂，每当需要 增加一个新的功能时，都需要修改很多源代码，造成不必要的重复劳动，影响 了上市时间。使用操作系统设计嵌入式产品成为必然趋势，但在8 位5 l 单片机 运行一个操作系统显然有很大困难，资源的不足成为瓶颈。因此，使用性能更 高的3 2 位处理器作为嵌入式系统的核心是大规模嵌入式系统发展的必然出路。 a r m 是a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e sl i m i t e d ) 公司推出的一系列基于 r i s c 处理器体系结构的知识产权( i p ，i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 及技术支持服务巾j 。 a r m 只是3 2 位单片机的内核，并不是单片机。a r m 本身不是一个系统，不具 有完整功能，并不能独立运行。a r m 仅相当于单片机的中央处理器，它具有完 整的一套指令代码集，可以通过执行指令控制相关外部设备。不同的芯片生产 商向a r m 公司购买知识产权的使用权，根据具体的使用要求，再进行二次开 4 发，添加不同的外部设备生产侧重领域各异的嵌入式处理器芯片。市面上见到 的形形色色的3 2 位处理器上一般是看不到a r m 字样的，只注明了芯片生产商 的名字，用户只能通过产品的用户手册才能知道处理器核架构是否为a r m 。 a r m 公司与各芯片生产商之间的关系如图所示。 a r m 公司 图1 - 3a r m 公司与芯片生产商的关系 a r m 硬件资源多，寻址范围大，数据处理能力更强，但它的最大优势就是 操作系统的使用。装载了操作系统后，嵌入式系统的设计就变得更加灵活，可 以减轻程序员的工作量，特别是对于多媒体数据的处理以及与网络的通讯都可 以使用操作系统的库文件。操作系统的使用所带来的缺点就是需要更大的内存 和f l a s hr o m ，程序运行速度和效率会变低，不过由于当前硬件技术发展的速 度，处理器速度的提高，硬件价格的不断走低，这些缺点对产品成本的影响变 得会越来越小。 1 2 3 嵌入式操作系统与嵌入式l i n u x 概述 嵌入式系统发展了这么多年，硬件系统的设计技术已经趋于成熟，大大减 少了由于硬件设计疏忽而造成的资金浪费。目前嵌入式产品的应用领域日益多 样化，产品的生命周期也变得越来越短，致使开发商必须集中精力在最短的时 间内设计出可靠性高、性能好的产品抢占市场，操作系统的使用成为首选。操 作系统能提高系统硬件的使用效率，一般操作系统具有五方面的功能：存储器 管理，处理器管理，设备管理，文件管理，作业管s t 。7 。操作系统通常包括与 硬件操作相关的驱动程序，系统库函数，图形用户界面( g u i ，g r a p h i c a lu s e r i n t e r f a c e ) 等。操作系统屏蔽了系统底层硬件的特殊结构，抽象成为统一的程序 接口，使用户设计程序时不再需要考虑硬件的具体特性，通过调用系统库函数 就可以完成大部分工作，使程序员从琐碎的硬件调试工作中解脱出来，更专注 于目标算法设计，简化了开发过程，提高了嵌入式系统的可靠性。 目前市场上广泛使用的嵌入式操作系统主要有两类：一类是将运行在通用 计算机平台上的操作系统移植到嵌入式系统中的嵌入式操作系统，如l i n u x 和 w i n d o w sc e 等；另一种是专门为嵌入式系统开发的操作系统，如v x w o r k s 、 p s o s 、q n x 、n u c l e a s 等。这两种系统所面向的应用领域不同，实时性和可靠 性有差异，用户的使用体验也差很大。 l i n u x 操作系统在传统计算机领域取得显赫成果的同时，在嵌入式领域也得 到了广泛的应用，主要得益于以下两个原因。首先是l i n u x 具备了作为嵌入式 操作系统的所有要求，系统经过人们长期完善后具有很高的稳定性，多任务和 实时性，可裁剪性和定制性，完备的网络功能，还能支持各种硬件平台；其次， l i n u x 与其他商用嵌入式操作系统相比较还有一些独有的特点：免费且开源， 定制内核更方便，丰富的开发工具，可移植性好，广泛的技术支持。现在，人 们一致认为：l i n u x 将会成为主导的嵌入式操作系统，其市场份额将会不断攀 升。 1 3 论文选题的意义与本人所做的工作 现在市面上使用的嵌入式操作系统大都是商业软件，如：v x w o r k s 、w i n d o w s c e 等，开发商对每套系统都要收取昂贵的版权费，并且其源代码一般是不会公 开的，程序员不了解系统的运行机制，影响上层软件的开发效率和可靠性，也 不能定制系统内核来适应不同的应用场合，不能形成规模，导致产品的价格非 常昂贵。l i n u x 是一个完全开放源代码的免费的操作系统，遵循g p l 协议，使 用成本低。开源软件的特性就注定了l i n u x 比较适合用于对成本非常敏感的嵌 入式系统。源代码开放使得用户可以按照自己的使用需求定制个性的操作系统， 取其所需，使代码更加紧凑可靠，节省了产品成本，增强市场竞争力。 目前我国在嵌入式系统设计领域规模还较小，整体水平不高，与国外同行 水平相比还有很大差距，产品档次较低。国内的嵌入式系统开发商大多使用的 是国外的商业操作系统，核心技术掌握在外国人手中，产品成本比较高，市场 竞争力不大。开发商获利空间小，生存压力较大。自从免费而开源的l i n u x 操 作系统的引入，为我国发展自己的嵌入式系统设计技术，扭转p c 及软件行业 的被动局面提供了一线曙光，也为振兴国内嵌入式领域并且真正拥有自主知识 产权找到了最佳的突破口! 本人在课题中所做的工作如下： 1 ) 调研了视频监控系统的发展现状和趋势，a r m 技术，l i n u x 操作系统的应 用。 2 ) 移植了l i n u x 操作系统，软硬件开发平台的搭建。 3 ) 开发了基于v 4 1 协议的摄像头驱动程序。 6 4 ) 对视频编码技术进行了设计与实现。 1 4 论文内容的安排 第一章绪论，主要介绍了视频监控系统的国内外发展现状和趋势，嵌入式 领域的国内外背景及软硬件技术的发展情况。 第二章视频监控终端软硬件开发平台的搭建，主要介绍了软件包的安装和 硬件的选型。 第三章l i n u x 下图像采集模块的设计，主要介绍u s b 总线和摄像头驱动程 序的设计。 第四章视频编码算法的设计，主要介绍了视频编码算法设计的难点和实现 过程。 第五章总结本文所做的工作以及不足，并对今后的工作做了展望。 7 第二章视频监控终端软硬件开发平台的搭建 通常人们所指的嵌入式l i n u x 系统是狭义上的嵌入式l i n u x 操作系统，本文 中采用的是广义的嵌入式l i n u x 系统，包括嵌入式软件和硬件。硬件部分包括 微处理器、存储器、输入输出端口及外部扩展设备；软件部分包括操作系统、 驱动程序和应用软件【8 1 。嵌入式系统体系结构和嵌入式系统软件部分结构如下 图所示。 卜习 i _ j 图2 - 1 嵌入式系统体系结构 图2 2 不带操作系统支持和带操作系统支持的嵌入式系统模型 2 1 系统硬件平台的选择 含上层 叠底层 嵌入式系统硬件平台的选择一般指的是处理器的选型，根据实际应用领域， 客户的要求，成本和开发难度，程序调试的简易性，仿真工具的成本等因素来 决定【9 j 。目前市场上常见的嵌入式处理器有p o w e rp c 、a r m 、d r a g o nb a l l 等， p o w e rp c 价格比较贵，适用于通信网络等高端领域；a r m 价格逐渐走低， 适合便携式移动设备；d r a g o nb a l l 处理速度低，适合对速度要求不敏感的领域。 a r m 系列处理器具有低功耗和高性能的特点，目前全球已经有几十家芯片 生产商购买了a r m 处理器知识产权，使得a r m 技术获得了更多的第三方软件 8 ，一m 一 一d一， 一一她一一一 盏豢鐾 和技术支持，进而使系统的开发成本降低，使产品更能抢先进入市场，被消费 者认可。据统计，基于a r m 架构的嵌入式处理器占据了全球r i s c 嵌入式处理 器7 0 以上的市场份额【l 。 综合以上各种因素，本课题中选用的是s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 4 0 a 处理器， 所有工作均在友善之臂m i c r 0 2 4 4 0 开发板上完成。$ 3 c 2 4 4 0 a 是一款面向手持 设备和低功耗、低价格应用的1 6 3 2 位r i s c 嵌入式处理器，采用了a r m 9 2 0 t 的内核，0 1 31 tmc m o s 存储器单元，总线架构是( a m b a ，a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ) 。a r m 9 2 0 t 是一种包括m m u ，a m b ab u s 和哈 佛高速缓冲体系的结构，具有独立的1 6 k b 数据和指令c a c h e 。$ 3 c 2 4 4 0 a 集成 的片上资源有外部存储控制器，l c d 控制器和专用的d m a ，4 通道的d m a 并 有外部引脚，3 通道u a r t ，2 通道s p i ，1 2 c 总线接口，1 2 s 音频编解码器接口， a c 9 7 编码器接口，s d 主接口( 版本1 0 ) 并兼容m m c ( 协议版本2 1 1 ) ，2 个u s b 主接口，1 个内部定时器，4 个p w m 定时器，看门狗定时器，8 个1 0 位a d c 和触摸屏接口，带日历功能的实时时钟，1 3 0 个通用i o 口和2 4 个外 部中断源，能功耗控制，p l l 片上时钟发生器j 。 m i c r 0 2 4 4 0 开发板分两部分，由核心板m i c r 0 2 4 4 0 和底板m i e r 0 2 4 4 0 s d k 组 成。核心板m i c r 0 2 4 4 0 是一个最小系统板，只需要接上5 v 电源就可以正常工 作，具体的硬件资源有：s a m s u n g $ 3 c 2 4 4 0 a ，主频4 0 0 m h z 一5 3 3 m h z ；两片3 2 m s d r a m ，3 2 b i t 数据总线，频率1 0 0 m h z ；6 4 mn a n df l a s h ，2 mn o rf l a s h ；1 个 5 6p i n2 0 m m 间距g p i o 接口，1 个5 0 p i n2 0 r a m 间距l c d & c m o sc a m e r a 接口，1 个5 6p i n2 0 m m 间距系统总线接口：1 2 m 无源晶振；内部实时时钟； m i c r 0 2 4 4 0s d k 底板硬件资源有：1 个1 0 0 m 网络r j 4 5 接口，采用d m 9 0 0 0 网卡芯片；3 个串口接口，分别有r s 2 3 2 接口和t t l 接口引出；4 个u s bh o s t ( 使 用u s b1 1 协议) ，通过u s bh u b 芯片扩展；1 个u s bs l a v e ( 使用u s b1 1 协 议) ：标准音频输出接口，在板麦克风( m i c ) ：1 个p w m 控制蜂鸣器；6 个用 户按键，并通过排针座引出；1 个标准s d 卡座；2 个l c d 接口座；2 个触摸屏 接口，分别有2 0 r a m 和2 5 4 m m 间距两种：1 个c m o s 摄像头接口( c o n 4 ) ，为 2 0 p i n2 0 m m 间距插针；在板r t c 备份电池；1 个电源输入口，+ 5 v 供电【圯j 。 开发板整体结构如图所示。 9 u s bs l j 雌 i 燎器h o 引m l 鼬h 嘲2 1 材1 4 5 嘲持廛 懈峨删蹦i 雉 c o n t k 矗壤总蛾冀他鲁协毫麓n v 叫窿一蕾幢潮户按簟 2 2 系统软件平台的搭建 2 2 1 安装虚拟机v m w a r e 图2 - 3 开发板示意图 虚拟机技术可以在宿主计算机上虚拟出一台新的计算机，使一台电脑可以 同时运行多个操作系统。多系统计算机只能在既定时间运行一个系统，但使用 虚拟机可以同时运行多个系统，随时可以切换，并可以独立设置分区、配置而 不影响宿主电脑的数据【l3 1 。在v m w a r e 上安装l i n u x ，实际上只是宿主计算机 上的一个文件，是虚拟的操作环境，非真正意义上的操作系统，但它们的使用 效果是一样的，还可以和宿主计算机随时交换数据，所以采用虚拟机更加方便。 本文采用在w i n d o w s7 系统上安装v m w a r ew o r k s t a t i o n6 5 虚拟机软件，在 虚拟机软件上安装f e d o r a9 0 系统( 内核版本2 6 2 9 ) ，这样两个系统可以通 过共享分区随时交换数据，方便l i n u x 的研究与开发，实际效果如图所示。 图2 4v m w a r e 中l i n u x 的实际效果 l o 2 2 2 交叉编译环境的建立 准备必要的软件包。在l i n u x 平台下，要为开发板编译内核以及一些其他软 件，均需要交叉编译工具链。本论文需要的软件包有： 表2 - 1 工具软件包 a r m l i n u x g e c - 4 3 2 t g z 统一的交叉编译器，符合e a b i 标准 v b o o t s r c 一2 0 0 9 0 7 21 t g z b o o t l o a d e r 源代码包 m k y a f f s 2 i m a g e t g z 文件系统映像制作工具 r o o t _ q t o p i a t g z 目标文件系统包 l i n u x - 2 6 2 9 - m i n i 2 4 4 0 2 0 0 9 0 7 0 8 t g z l i n u x 内核源代码包，版本为2 6 2 9 4 1 ) 解压安装软件。首先安装交叉编译工具a r m l i n u x g c c 一4 3 2 ，将软件包复制 到临时文件夹下，如t m p ，执行解压命令： # c d t m p # t a rx v z fa r m - l i n u x - g e e 一4 3 2 t g zc 命令执行结束后，系统将把a r m 1 i n u x g c c 安装銎j u s r l o c a a r m 4 3 2 目录下。 然后把编译器路径加入系统环境变量，运行命令： # g e d i t r o o t b a s h r c 编辑b a s h r e 文件，在最后一行e x p o r tp a t h = $ p a t h ：u s r l o e a l a r m 4 3 2 b i n 如图，保存退出。 鬻s o ur c eg l o b a ld e f i n i t i o ns i f 【f e t c b as hr c 】；t h e n e t c b a s hr c f i e x p or tp a t h = $ p a t h ：usr l l o ca l l ar m 4 3 2 b i n 图2 - 5 将编译器路径加入环境变量 然后解压安装工具软件。所有软件安装前需要建立一个工作目录，后面所 有软件都会安装到这个目录，执行命令： m k d i r - p o p t f r i e n d l y a r m m i n i 2 4 4 0 解压安装l i n u x 系统源代码，在工作目录o p t f r i e n d l y a r m m i n i 2 4 4 0 中执 行： # c d o p t f r i e n d l y a r m m i n i 2 4 4 0 # t a rx v z f t m p l i n u x l i n u x - 2 6 2 9 m i n i 2 4 4 0 - 2 0 0 9 0 3 31 t g z 将创建一个l i n u x 2 6 2 9 目录。 解压安装l i n u x 图形界面系统q t o p i a 源代码， 在与上面相同的工作目录中 执行： # c d o p t f r i e n d l y a r m m i n i 2 4 4 0 # t a rx v z f t m p l i n u x a r m q t o p i a t g z 将创建一个a r m q t o p i a 目录。 解压安装b u s y b o x 源代码，b u s y b o x 是一个小型的l i n u x 命令工具集，使 用的版本是b u s y b o x 1 1 3 3 。在工作目录o p t f r i e n d l y a r m m i n i 2 4 4 0 中执行： # c d o p t f r i e n d l y a r m m i n i 2 4 4 0 # t a rx v z f t m p l i n u x b u s y b o x - 1 13 3 一m i n i 2 4 4 0 t g z 将创建一个b u s y b o x - 1 1 3 3 目录。 解压安装v b o o t 源代码，在工作目录o p t f r i e n d l y a r m m i n i 2 4 4 0 中执行： # c d o p t f r i e n d l y a r m m i n i 2 4 4 0 # t a rx v z f t m p l i n u x v b o o t - s r c 2 0 0 9 0 7 18 t g z 将创建一个v b o o t 目录。 解压创建目标文件系统，在工作目录o p t f r i e n d l y a r m m i n i 2 4 4 0 中执行： # c d o p t f r i e n d l y a r m m i n i 2 4 4 0 # t a rx v z f t m p l i n u x r o o t _ q t o p i a t g z 将创建一个r o o t q t o p i a 目录。 安装目标文件系统映像制作工具m k y a f f s 2 i m a g e ，在工作目录 o p t f r i e n d l y a r m m i n i 2 4 4 0 中执行： # c d o p t f r i e n d l y a r m m i n i 2 4 4 0 # t a rx v z f t m p l i n u x m k y a f f s 2 i m a g e t g z 。c 它会被安装至u u s r s b i n 目录下。 2 ) 设置共享目录。解压安装好r o o t _ q t o p i a 目标板文件系统包后，运行命令 # g e d i t e t c e x p o r t s 编辑n f s 服务的配置文件，添加以下内容： o p t f r i e n d l y a r m m i n i 2 4 4 0 r o o t _ q t o p i a ( r w ，s y n c ，n o r o o t _ s q u a s h ) 其中：o p t f r i e n d l y a r m m i n i 2 4 4 0 r o o t _ q t o p i a 表示n f s 共享目录，它可以作 为开发板的根文件系统通过n f s 挂接；表示所有的客户机都可以挂接此目录， r w 表示挂接此目录的客户机对该目录有读写的权力，n o r o o t _ s q u a s h 表示允许 挂接此目录的客户机享有该主机的r o o t 身份。 2 3l i n u x 操作系统的移植 2 3 1 引导程序v i v i 的移植 v i v i 是韩国m i z i 公司专门为a r m 9 系列嵌入式处理器开发的一种 1 2 b o o t l o a d e r ，支持s a 1 l1 0 和$ 3 e 2 4 1 0 和$ 3 e 2 4 4 0 处理器【1 4 1 。v i v i 具有结构紧 凑，功能丰富的优点，并且支持图形用户界面( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ，g u i ) ， 可以对f l a s h 分区，下载数据等。用户可以使用启动加载和下载两种模式。解 压后的源代码目录结构与l i n u x 内核的目录结构很相近，不同功能的代码存放在 不同的目录，如下表所示： 表2 - 2v i v i 目录说明 目录说明 a r c h 存放微处理器平台相关代码 d o c u m e n t a t i o n v i v i 说明文件 d r i v e r s 存放f l a s h 和串口等的读写操作程序 i n c l u d e 系统的头文件 i n i t 加载内核映像的文件 l i b 处理器体系相关的文件 s c r i p t s 提供配置界面的程序 t e s t 可以在v i v i 下运行的例子 u t i l n a n df l a s