（信号与信息处理专业论文）基于嵌入式的远程视频图像监控系统的设计与研究.pdf

摘要 随着计算机技术、信息技术和互联网的发展，计算机在生活中发挥着越来 越重要的作用，由此推动了嵌入式技术的发展。嵌入式技术使人们生活越来越 舒适，人们生活中随处可见使用了嵌入式技术的家电产品，如空调、洗衣机等； 另外还有许多嵌入式产品，如手机，p s p 等。随着嵌入式技术与通讯技术，网络 信息技术等的结合运用，拓展了其未来的发展空间，成为人们关注的热门技术。 嵌入式计算机系统由硬件层，中间层，软件层组成。 嵌入式计算机系统的硬件层是指嵌入式系统的硬件设备，如微处理器、存 储器、通用接口等。在硬件层中嵌入式微处理器是核心，它类似于通常所用计 算机中的c p u ，但不同的是它工作在特定的系统中，设计以趋于微型化且兼顾 效率和可靠性为目标，嵌入式处理器有许多不同体系中的不同型号，应用于不 同的工作环境中。根据自己需要我们可以选择适合自己所需的嵌入式处理器。 嵌入式计算机系统的中间层设计包括硬件初始化和各设备的驱动程序编 写，其作用是分离了嵌入式系统的底层硬件和上层软件，使开发起来更方便。 嵌入式计算机系统的软件层包括系统软件层和应用软件层。嵌入式操作系 统即为系统软件层，如1 1 c o s 、嵌入式l i n u x 、w i n c e 等；而为了需求所编写的应 用程序等即为应用软件层，如各种办公软件等。 本文设计了一个基于嵌入式a r m l i n u x 的网络视频图像采集系统并且成功 实现了网络视频采集系统的开发。 本文首先对网络视频图像采集系统的硬件平台和软件平台做了陈述，根据 已有的开发条件，详细讲述了嵌入式a r m l i n u x 开发系统的构建过程。主要包 括硬件平台的搭建、嵌入式操作系统的设计、移植和驱动程序的编写、移植。 接下来，重点研究了视频采集的开发流程。其主要流程包括，$ 3 c 2 4 4 0u s b 主控制器驱动的配置、u s b 摄像头设备端驱动开发，v i d e 0 4 l i n u x 应用三大部分。 最后，详细陈述了网络数据通信的开发过程。主要内容包括嵌入式t c p i p 协议的应用、网络编程及开发、图像显示等。 关键词：a r m l i n u x ，视频采集，数据通信 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r t e c h n o l o g y ，i n f o r m a t i o nt e c h n 0 1 0 9 ya n d i n t e r n e t ，t h ec o m p u t e ri nt h e i rl i v e si s p l a y i n ga ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t r o l e s ，t h u sp r o m o t i n gt h e d e v e i o p m e n to fe m b e d d e dt e c h n o l o g y e m b e d d e d t e c h n o l o g y i nt h e a p p l i c a t i o n o f p e o p l e s l i v e sm a k e s p e o p l e m o r e c o n v l n i e n t ，a n di tc a nb es e e n e v e r y w h e r e i n p e o p l e sl i v e s ，s u c ha sa i r c o n d l t i o n e r s ，w a s h i n gm a c h i n e s ，e t c t h e r ea r ea l s oan u m b e ro fe m b e d d e d p r o d u c t s ，s u c ha sm o b i l e p h o n e s ，p s p , e t c ，w i t ht h ec o m b i n a t i o no ft h e e m b e d d e dt e c h n o l o g y ，c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，i l e t w o r ka n di n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ，e m b e d d e dt e c h n o l o g yg r a d u a l l yb e c o m e ah o tt e c h n o l 0 2 y e m b e d d e d s y s t e mg e n e r a l l yi n c l u d ee m b e d d e dc o m p u t e rs v s t e ma n d i m p l e m e n t a t i o na n de m b e d d e d c o m p u t e rs y s t e mi st h ec o r e ngincludi h a r d w a r el a y e r , m i d d l el a y e r ，s o f t w a r el a y e r e m b e d d e d c o m p u t e r s y s t e m s ，i n c l u d i n gh a r d w a r 争l e v e le m b e d d e d a p p l i c a t i o n sa r eu s u a l l yh a r d w a r ed e v i c e s ，s u c ha sm i c r o p r o c e s s o r s ，m e m o r v g e n e r a l p u r p o s ei n t e r f a c e s i nt h eh a r d w a r el a y e re m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r c o r e , w h i c h1 ss i m i l a rt oc o m m o n l yu s e dc o m p u t e rc p u ，b u tt h ed i f f e r e n c ei s t h a ti tw o r k si nap a r t i c u l a r s y s t e m ，d e s i g n e dt ot e n dt ot h em i n i a t u r i z a t i o n a n dt h eb a l a n c eb e t w e e ne f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y a st h eg o a l ，e m b e d d e d p r o c e s s o r ，t h e r ea r em a n yd i f f e r e n ts y s t e m si nd i f f e r e n tm o d e l s ，d u et ot h e i r d i f f e r e n ts t r u c t u r eo ft h ed e s i g na p p l i e dt od i f f e r e n tw o r k i n ge n v i r o n m e n t s a c c o r d i n gt ot h e i ro w na p p l i c a t i o n st h a tw ec a dc h o o s ef o rt h e i ro w nn e e d si n e m b e d d e dp r o c e s s o r s t h em i d d l e l a y e r o fe m b e d d e d c o m p u t e rs y s t e md e s i g n ，i n c l u d i n g h a r d w a r ei n i t i a l i z a t i o na n dd e v i c ed r i v e rw r i t i n g ，i t sr o l ei s t os e p a r a t et h e u n d e r l y i n gh a r d w a r eo fe m b e d d e ds y s t e m sa n du p p e rs o f t w a r et od e v e l o p m o r eu s e rf r i e n d l y e m b e d d e dc o m p u t e rs y s t e m s ，s o f t w a r el a y e r ，i n c l u d i n gs y s t e m s o f t w a r e l a y e ra n da p p l i c a t i o ns o f t w a r el a y e r s s h a l lb ee m b e d d e do p e r a t i n 窑s y s t e m s o f t w a r el a y e r 。s u c ha su c o s ，e m b e d d e dl i n u x ，w i n c e ，e t c b u t i no r d e rt o d e m a n dt h ea p p l i c a t i o no fp r o c e d u r e s s h a l lb ep r e p a r e db ya p p l i c a t i o n s o f t w a r el a y e r ，s u c ha sav a r i e t yo fo f f i c es o f t w a r e t h i sp a p e rd e s i g n e da ne m b e d d e da r m l i n u x b a s e d n e t w o r kv i d e o i m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e ma n d t h es y s y t e ms u c c e s s f u l l yr u n t h i sa r t i c l ef i r s th a sab r i e fs t a t e m e n to nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m sa n d s o f t w a r ep l a t f o r m so fn e t w o r kv i d e oi m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e m , a c c o r d i n gt o t h ee x i s t i n gd e v e l o p m e n tc o n d i t i o n s ，i n c l u d i n g e m b e d d e da r m l i n u x d e v e l o p m e n ts y s t e mb u i l d i n gp r o c e s s ，h a r d w a r ep l a t f o r m s b u i l d i n g ，t h e e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m sd e s i g n i n g ，m i g r a t i o n a n da s s o c i a t e dd r i v e r p r e p a r a t i o n ，t r a n s p l a n t t h e n , i tf o c u so nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fv i d e oc a p t u r e t h em a i n p r o c e s s e si n c l u d e ，$ 3 c 2 4 4 0u s b h o s tc o n t r o l l e rd r i v e rc o n f i g u r a t i o n ，u s b c a m e r ad e v i c e s i d ed r i v e rd e v e l o p m e n t ，v i d e 0 4 l i n u xa p ia p p l i c a t i o no f t h r e e p a r t s f i n a l l y ，i th a s ad e t a i l e dp r e s e n t a t i o no fn e t w o r kd a t ac o m m u n i c a t i o n d e v e l o p m e n tp r o c e s s m a i n l y i n c l u d e sa ne m b e d d e dt c p i pp r o t o c o l a p p l i c a t i o n s ，n e t w o r kp r o g r a m m i n ga n dd e v e l o p m e n t ，t h ei m a g ed i s p l a y ，e t c k e vw o r d s ：a r m l i n u x ，v i d e oc a p t u r e ，d a t at r a n s m i s s i o n i i i 独创性声明 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 获得武汉理工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作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：盛盗日期：盈丛皇。塑 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：焉备导师( 签名) ：f 屯务身影日期：砂f 9 、多如 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 1 1 1 图像采集技术 第1 章引言 当今，图像采集技术早已广泛应用于人们生产生活的各个方面，其中用的 最广泛的应属于视频图像监控。图像采集作为图像监控系统的核心部分，主要 功能是完成目标景物的图像信息采集，保存采集到的图像信息并进行后期处理。 随着p c 机时代的到来，基于p c 体系的图像采集设备的应用越来越广泛。 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 检测探头与数据设备，通过各自的传输线路，连接到监控终端机上【1 1 。 随着嵌入式技术进入视频图像监控这一领域，出现了大量基于嵌入式技术 的视频图像监控系统。由于它功能出色、本身体积小，稳定性好，支持网络等 优点，逐渐成为了主流热门技术【2 】。基于嵌入式技术的监控系统有效地将嵌入式 技术和图像采集技术结合，可以很好地解决基于p c 的监控系统中存在的问题。 在监控现场利用嵌入式技术，采用专用芯片和嵌入式操作系统，把摄像头 输出的信号进行图像压缩编码处理，有效地提高了系统的实时性和稳定性，把 图像采集压缩和本地存储功能集成到一个体积很小的设备内，省掉各种复杂的 电缆，安装方便，使得监控范围达到前所未有的广度【3 j o 1 1 2 视频监控的发展 视频监控系统已经发展了二十多年的时间，从最初的模拟监控到后来的数 字监控再到现在现如今正在发展的网络视频监控，发生了很大的变化。在网络 视频监控技术蓬勃发展的今天，我们来看下视频监控系统发展历史1 4 1 。 第一代视频监控： 依赖摄像机、录像机和监视器等硬件专用设备来实现视频监控，通常我们 也把它称作传统模拟闭路视监控系统。在整个系统运行过程中，摄像机来采集 武汉理工人学硕士学位论文 视频信息，然后通过专用同轴缆来传递这些视频信息到专用模拟视频设备【5 】，如 视频画面分割器、卡带式录像机( v c r ) 及视频监视器等。 第二代视频监控： 它通常被称作“模拟数字”监控系统。此系统以数字硬盘录像机d v r 为核 心，通过摄像机采集的视频监控系统。摄像机采集到视频信息通过同轴缆传递 到数字硬盘录像机d v r 。此系统支持录像和回放，并支持网络访问。 第三代视频监控： 它通常被称作网络视频监控系统。该系统的特点是摄像机内置w e b 服务器， 并含有以太网接口，并有单独的口地址。摄像机采集到视频信息生成j p e g 或 m p e g 4 数据文件，通过网络使我们能够访问、监视和记录。 1 1 3 网络远程视频监控 网络视频监控系统由前端监控系统、图像传输系统、远程图像用户系统三 部分组成。网络视频图像监控系统是基于i n t e r n e t 网络，采用浏览器服务器模式 结构设计的数字视频远程监控系统1 6 j 。 其前端监控系统由网络摄像机或普通摄像机( 摄像头) 和解码器组成。网 络摄像机可以直接将图像转换为网络视频信号，通过i n t e r n e t 网络来传播此信号。 前端监控系统我们还可以根据需要安装红外摄像机和报警设备来满足特殊条件 下的需要【7 1 。 图像传输系统可以通过网络硬件设备与i n t e r n e t 网络组成。我们通过控制网 络设备来传输采集到的视频信息至i n t e m e t 网络，这样可以利用现有的网络资源 而不必使用专业的视频电缆，同时也可以使图像的传送不受距离的限制。 远程图像用户系统由数字视频监控软件和p c 服务器组成，提供视频图像的 远程发布和用户管理功能。桌面控制系统由用户计算机组成，可以通过客户端 或者网页来浏览采集到的视频信息并对其进行处理【8 】。 在网络技术蓬勃发展和网络建设不断完善的今天，视频监控的网络化已经 成为视频远程监控的发展防线和未来主流，目前已经占据了视频监控市场的一 定份额，虽然还是有一定的问题存在阻碍它的普及，不过可以预见到的是，未 来视频监控是网络监控的天下 9 1 。 首先，它的远程可操控性很强，在远端可以得到清晰的图像，并实施一定 的控制，极大的方便了用户的操作，并满足不同客户对监控的需求。 2 武汉理工大学硕士学位论文 其次，网络视频监控也有它自身的缺陷。由于网络化的视频监控要求对监 控内容做到网络延时要小、而且要允许多个用户的同时访问和控制，这在对重 要的视频图像进行传输的稳定性和安全性就有了更高的要求；在此基础上，图 像的传输就要求图像的编解码设备，要不断提高自身编解码的灵活性和抗误编 解码的能力；网络传输带宽的占用率和有效的利用率也是一个不可忽视的关键 点【l o 】。所以，要使视频图像能够顺利地完成采集并通过i n t e m e t 网络传输到远端 进行还原显示或处理，其还需进一步的技术建设，这些问题已经成为制约网络 视频监控发展的瓶颈。 最后，有些情况下网络视频监控中需要具备智能识别的功能。智能化的识 别是视频监控技术的发展目标，它能帮助我们从浩瀚的图像信息中提取出对我 们有用的信息【1 1 1 ，例如从监控场景中辨认出物体，描述行为和特征，并能跟踪 特定目标等，这有需要相关技术的研究发展。 虽然网络视频监控暂时存在种种不利因素，但我们应该看到，网络视频监 控技术发展的空间非常巨大。国家出台一系列政策对互联网建设的大力扶持， 作为网络视频监控的载体，互联网的发展( 包括软硬件建设) 将极大的提高我 们对网络视频监控系统未来发展的信心。目前，国内的多家网络监控设备生产 商已经朝这个方向做出了努力，以望达到占领这一市场的目的。网络视频监控 是视频监控行业的一个重要的发展方向。 目前，国内外技术人员都在努力地改进和完善相关技术以解决网络视频监 控系统中存在的一些问题，虽然短期内还很难满足我们的需求，但网络视频监 控技术会日趋完善，可以预料的是，网控视频监控技术将会随着网络的进一步 完善而得到长足的发展【i 2 1 。 1 2 本文主要的研究工作 通过翻阅相关的资料和查阅相关的技术，本文研究设计了一种网络嵌入式 视频监控系统的方案，具体来讲本文主要做了以下工作： 对网络视频监控的现状进行了研究，设计出了一款可以运用的网络视频监 控系统的硬件总体框架。 对于嵌入式l i n u x 系统软件平台进行选型移植，建立相关的开发环境。 有关嵌入式视频采集系统的软件设计。包括：系统启动程序设计，图像采 武汉理丁大学硕士学位论文 集程序的设计以及相应程序的设计实现工作。 对于嵌入式网络技术的开发和应用进行了学习和研究，进行与之有关的程 序设计开发。 1 3 本章小结 本章首先介绍了课题的研究背景，对视频监控系统的发展趋势做了介绍； 然后介绍了本文的主要研究工作。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章课题总体设计 2 1 远程网络视频图像监控系统设计 2 1 1 监控模块的设计 根据第一章介绍的网络视频监控系统的特征，我们首先来研究设计整个系 统的前端监视系统，具体设计想通过模块化来进行，所以我们称之为监控模块。 从整个系统的陈述中我们可以看到监控模块是整个网络视频监控系统的核心， 它的主要作用是捕捉视频信息，并把捕捉到的视频信息传入网络，于是这个模 块需要的要有摄像头接口、网络控制芯片和以太网接口。 如图2 1 所示，我们选用嵌入式处理器作为整个监控模块的核心，外部加一 些存储器以完备监控模块的功能。摄像头通过摄像头接口连接到嵌入式平台， 通过摄像头捕捉视频图像传入嵌入式处理器进行处理，然后通过以太网接口发 送至i n t e m e t 。 () 厂 2 1 2 系统整体设计 刀卜 () 厂吖 图2 1 监控模块的框图 本论文设计的远程视频图像监控系统总体设计如图2 2 所示，监控模块的以 太网接口接入i n t e m e t 网络，由监控模块捕捉图像视频并打包，通过网络通讯协 武汉理工大学硕士学位论文 议把数据传入i n t e m e t 互联网，p c 客户端接入i n t e m e t 网络，我们在p c 客户端 通过访问i n t e m e t 柬浏览监控模块捕捉到的图像视频信包，柬进行实时监测或其 他用途。 2 2 系统设计的任务 图2 - 2 系统总体设计框图 通过对本系统总体设计的具体方面的陈述，我们可以看到本系统设计的主 要任务包括监控模块的功能构建及基于此监控模块的网络监控的设计实现。监 控模块的功能构建主要包括监控模块的硬件设计和软件设计。其中硬件设计包 括监控模块的硬件设计选择及接口应用。软件设计包括相关操作系统的选型、 相关驱动的编写应用、相关图像视频采集程序的编写。基于监控模块的网络监 控设计包括相关网络传输应用程序的编写、客户端图像视频浏览的实现。 显一显一显一 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章主要论述了远程视频图像监控系统的整体设计与研究，对系统进行了 模块化设计。包括监控模块的设计，整个系统的整体设计研究，还对设计本系 统所要完成的任务进行了陈述。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章硬件开发平台 本系统的监控模块选择嵌入式的硬件设备来作为开发平台，有利于满足监 控模块的体积、功能等一些要求。嵌入式系统开发的基础是硬件平台，没有硬 件平台的支持就无法完成嵌入式开发，硬件平台的稳定也成为嵌入式系统应用 程序开发的保证，选择适宜的硬件平台是一项重要的工作【1 2 1 。我们在选择硬件 平台时，一般选择具有主流体系结构的硬件平台，这样我们可以得到更多的技 术支持，能够快速、准确的解决开发中所遇到的问题。 3 1 硬件平台的选择 我们在选择嵌入式系统硬件开发平台时，首先要做的是选择一款合适的嵌 入式处理器，在一个系统中我们选择什么样的处理器，这主要取决于该系统的 应用领域【1 3 】。当前市场中的主流处理器架构有x 8 6 、a r m 、m i p s 、p o w e r p c 、 c o l d f i r e 等系列。x 8 6 系列主要应用于工业控制计算机市场；a r m 系列应用于 手持设备、可视电话、楼宇的对讲系统、v o i p 、网络监控、多媒体终端产品、 医疗电子设备和各种其他无线应用领域；m i p s 系列主要应用于游戏机、路由器 和超级计算机等市场领域；p o w e r p c 多应用于通用的通信功能和多种控制应用 功能的通信和网络设备；c o l d f i r e 主要应用于工业控制、音频、通讯设备等领域 【1 4 】。通过比较我们可以看出关于此系统，a r m 系列的嵌入式处理器比较适合。 嵌入式处理器的架构选择完成以后，接下来要做的就是结合实际情况，根据设 计系统的各种功能要求，选择嵌入式处理器的型号。主要考虑下列几个因素： ( 1 ) - v 作频率 系统的工作频率在很大程度上决定了a r m 微处理器的运算处理能力。 a r m 7 系列处理器的处理速度为0 9 m i p s m h z ，时钟频率为2 0 m h z - 13 3 m h z ， a r m 9 系列处理器的处理速度为1 1 m i p s m h z ，时钟频率为1 0 0 m h z 2 3 3 m h z 。 不同芯片当中时钟的功能不一样，有些芯片只需一个主时钟，有些芯片内部时 钟可以分别为a r m 核和u s b 、u a r t 、d s p 、音频等功能部件提供不同频率的 时钟信号【1 5 】。 ( 2 ) 内存储器容量 8 武汉理工大学硕士学位论文 一般情况下，a r m 微处理器片内存储器的容量都不大，有时需要用户在设 计系统时扩展一外存储器，但也有一些芯片有相对较大的片内存储空间，用户 在设计时可考虑这个方面的需求，从而简化系统的设计【坫】。 ( 3 ) 片内外围电路 除了a r m 微处理器核以外，所有的a r m 芯片均根据各自不同的应用领域， 扩展了相关功能模块，并集成在芯片内，我们称它为片内外围电路，如u s b 接 口、i i s 接口、键盘接口、r t c 、a d c 和d a c 、d s p 协处理器等【1 7 l ，设计者详 细分析系统的需求，然后尽可能采用片内外围电路完成所需的功能，这样既简 化系统的设计，又提高了系统的可靠性。 基于以上的考虑因素，在本论文所设计的系统中，选择了s a m s u n g 公司的 基于a r m 9 2 0 t 内核的$ 3 c 2 4 4 0 嵌入式处理器。 我选择该处理器的原因在于：l 、处理速度快；2 、应用前景广泛；3 价格低 廉。 市面上有很多种类的a r m 开发板可供选择，开发者可以把精力主要集中到 应用程序的开发上，为应用开发提供了方便。选择市面上嵌入式系统开发板的 另外一个原因是，在内核移植及开发板的外设驱动移植等多方面，可以得到更 多的技术支持【l8 1 。本系统选用友善之臂公司的m i n l 2 4 4 0 开发板。该开发板配置 了许多基本的电路模块，能够满足本系统的设计需求。 3 2m i n l 2 4 4 0 嵌入式开发板 m i n l 2 4 4 0 是友善之臂公司出的一款实用的删9 开发板，是目前国内性价 比最高的一款学习板：它采用s a m s u n g $ 3 c 2 4 4 0 微处理器，并采用专业稳定的 c p u 内核电源芯片和复位芯片来保证系统运行时的稳定性，板子如图3 1 所示。 m i n l 2 4 4 0 开发板的c p u 处理器为s a m s u n g $ 3 c 2 4 4 0 a ，主频为4 0 0 m h z ，最 高可达到5 3 3 m h z 。带有6 4 m 的s d r a m 内存，3 2 b i t 数据总线，时钟频率可达 1 0 0 m h z t l9 1 。该板的外围接口和资源如下 ( 1 ) 1 个1 0 0 m 以太网r j 4 5 接口( 采用d m 9 0 0 0 网络芯片) ( 2 ) 3 个串行口 ( 3 ) 1 个u s bh o s t ( 4 ) 1 个u s bs l a v eb 型接口 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 1 个s d 卡存储接口 ( 6 ) 1 路立体声音频输出接口，一路麦克肛l 接口； f 7 3 个通道的u a r 3 - ； f 8 14 个通道的d m a ： ( 9 ) 4 个具有p w m 功能的计时器和1 个内部时钟 ( 1 0 18 通道的1 0 位a d c ； ( 1 1 ) 1 2 c 总线接口； ( 1 2 ) 1 个u s b 主机接1 3 ，1 个u s b 设备挂u ； f 1 3 ) 2 个s p l 接口； ( 1 4 ) s d 接口和m m c 卡接口； ( 15 ) 1 1 7 位通用i o 口和2 4 位外部中断源。 tk 口g m 4 n日嘲# 口 删f * 3 3m i n l 2 4 4 0 网卡 图3 - 1m i n l 2 4 4 0 丌发板图 m i n l 2 4 4 0 开发板采用了d m 9 0 0 0 网卡芯片，可以自适应1 0 1 0 0 m 网络，r j 4 5 连接头内部包含了耦舍线圈，因此不必另接网络变压器，使用普通的网线即可 连接开发板至路由器或者交换机f 2 0 】，开发板上该芯片如图3 2 所示。 武汉理j 二大学硕士学位论文 图3 2d m 9 0 0 0 芯片 d m 9 0 0 0 是一款完全集成的单芯片快速以太网m a c 控制器，包括一般处理 接口，一个1 0 1 0 0 m 自适应的p h y 和4 k d w o r d 值的s r a m 。d m 9 0 0 0 还提 供了与介质无关的接口，柬连接所有提供支持介质无关接口功能的家用屯话线 网络设备或其他收发器。它的自动仂调功能将自动完成配置以最大限度地适合 其线路带宽。另外它支持i e e e8 0 23 x 全双工流量控制口”。它的功能如f ( 1 ) 总线 总线是i s a 总线兼容模式8 个i o 基址，分别是3 0 0 h ，3 1 0 h ，3 2 0 h ，3 3 0 h ， 3 4 0 h ，3 5 0 h ，3 6 0 h ，3 7 0 h 。i o 基址由设定引脚或内部e e p r o m 的共同选定。访 问芯片有两个地址端叫，分别是地址端口和数据端口。当引脚c m d 接地时，为 地址端口：当引脚c m d 接高电平时，为数据端口1 2 2 1 。在访问任何寄存器前，地 址端口输入的是数据端口的寄存器地址，寄存器的地址必须保存在地址端口。 ( 2 1 存储器直接访问控制 d m 9 0 0 0 提供d m a ( 直接存取技术) 来简化对内部存储器的访问。在对内 部存储器起始地址完成编程后，然后发出伪读写命令就可以加载当期数据到内 部数据缓冲区，可以通过读写命令寄存器来定位内部存储区地址。根据当前总 线模式的字长使存储地址自动加l ，f 一个地址数据将会自动加载到内部数据缓 冲区。要注意的是在连续突发式的第一次访问是读写命夸的内容。 内部存储器空间大少1 6 k 字节。低3 k 字节单元用作发送包的缓冲区，其他 1 3 k 字节用作接收包的缓冲区。所以在写发送包存储区的时候，当存储器地址越 界后，自动跳回0 地址并置位1 m r 第七位田l 。同样在读接收包存储器的时候 当存储器地址越界后，自动跳回起始地址0 x o c 0 0 。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 包的发送 有两个指数，顺序命名为指针1 和指针2 ，能同时存储在发送包缓冲区【2 4 】。 发送控制寄存器( 0 2 h ) 控制冗余校验码和填充的插入，其状态分别记录在发送 状态寄存器1 ( 0 3 h ) 和发送状态2 ( 0 4 h ) 。 发送器的起始地址是0 x 0 0 h ，软件或硬件复位后默认是指针l ，先通过d m a 端口写数据到发送包缓冲区，然后写字节计数长度到字节计数寄存器。 3 5 本章小结 本章主要是对系统的硬件平台做了相关的介绍和选择。包括嵌入式处理器 的发展状况的介绍、处理器的选型原则的确定、开发平台的介绍和相关网络硬 件设备介绍。有了这样套硬件平台，我们能够更好的专注于应用软件的开发。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章软件开发平台 软件平台主要是指基于嵌入式a r m 硬件平台的嵌入式操作系统。嵌入式操 作系统是嵌入式系统重要的组成部分【2 。它的主要功能是资源管理，程序控制 和人机交互等。系统的设备资源和信息资源都是操作系统根据用户需求按一定 的策略来进行分配和调度的。操作系统的存储管理就负责把内存单元分配给需 要内存的程序以便让它执行，在程序执行结束后将它占用的内存单元收回以便 再使用。嵌入式操作系统提高了系统的可靠性、提高了开发的效率、缩短了开 发的周期、充分发挥了c p u 的多任务潜力【2 引。所以，选择合适的嵌入式操作系 统对整个系统来说非常重要。 4 1 嵌入式操作系统介绍 嵌入式操作系统本质上是一种系统软件。一般的操作系统的硬件基础是p c 机，嵌入式操作系统的应用基础是嵌入式设备【2 7 1 。目前，大约有两百多种嵌入 式操作系统。嵌入式操作系统除具备了一般操作系统的功能，还有如下的特点： ( 1 ) 可装卸性； ( 2 ) 强实时性； ( 3 ) 统一的接口；它提供各种设备驱动接口。 ( 4 ) 操作方便、简单、具有友好的图形界面。 ( 5 ) 提供强大的网络功能，支持t c p i p 等网络协议，提供m a c 访问层接口。 ( 6 ) 稳定性较强；嵌入式系统一旦开始运行就不需过多的干预，这主要就是 依赖于系统的强稳定性。 ( 7 ) 固化代码：嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式硬件平台的存储 器中，所以嵌入式操作系统的文件系统能够很容易地拆卸。 ( 8 ) 良好的移植性。 下面是几种有代表性嵌入式操作系统，它们是当前最流行的嵌入式操作系 统。主要内容如下： ( 1 ) 嵌入式l i n u x 系统 武汉理工大学硕士学位论文 嵌入式l i n u x 系统是将p c 机平台流行的l i n u x 操作系统进行裁剪和修改， 得到的能在嵌入式系统上运行的一种操作系统，它继承了i n t e m e t 上关于l i n u x 系统的开放源代码资源【2 8 1 。嵌入式l i n u x 的特点是性能优异，软件移植容易， 代码开放，有许多应用软件支持，实时性能稳定性好，安全性好。 嵌入式l i n u x 系统的优势：1 、l i n u x 系统的源代码是开放的，它的开放性 使众多l i n u x 爱好者可以参与进来进行系统的更新和维护，所以嵌入式l i n u x 系 统具有大量的技术支持资源；2 、嵌入式l i n u x 系统可以根据我们的需要来进行 定制，所以其内核小、效率高，最小只有约1 3 4 k b ；3 、嵌入式l i n u x 系统是免 费的嵌入式操作系统，在成本控制上有很大优势；4 、嵌入式l i n u x 系统是一个 跨平台的系统，适应于多种硬件平台，可以支持三十多种c p u 2 9 1 。 ( 2 ) u c l i n u x 系统 大部分嵌入式系统为了减少系统的复杂程度，降低系统的开发成本和运行 功耗，在硬件平台中取消了内存管理单元( m m u ) 。最初，在没有m m u 的c p u 之上运行的是一些单任务操作系统，或控制程序，所以系统无法运行复杂的应 用程序，效率很低，u c l i n u x 系统的出现很好的解决了类似问题【3 0 j 。 u c l i n u x 系统同样是由基于l i n u x 操作系统而来，是开放源码的嵌入式操作 系统的典范之作，它主要是针对没有存储管理单元m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n t u n i t ) 的处理器而设计的，已经被成功地移植到了众多嵌入式硬件平台上【3 1 1 。它 虽然体积很小，却仍然保留了l i n u x 系统的大多数优点：性能比较稳定、移植性 较好、优秀的网络功能、对各种文件系统支持较好。 ( 3 ) s y m b i a n 系统 s y m b i a n 系统( 塞班系统在智能移动终端上拥有强大的应用程序和通信能 力，多用与手机等嵌入式通信设备。 s y m b i a n 系统对硬件配置的要求较低，对 处理器主频要求也不高，虽然系统的处理效能较好，但是在多媒体等方面的表 现不太出色【3 2 】。s y m b i a n 系统可以采用多种平台，但各个平台之间相关的运行软 件不兼容，给用户带来很大的不便。 ( 4 ) v x w o r k s 系统 v x w o r k s 系统是一种嵌入式实时操作系统，具有高性能的内核和良好的用 户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域占据一定的市场1 3 3 】。v x w o r k s 系统的 优点较多，如内核结构的可裁剪性，高效的任务管理特性，灵活的任务间通讯， 支持标准的t c p i p 网络协议等。它的最主要缺点就是价格昂贵，利用它来做嵌 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 入式开发开发成本高；另外源码不开放，软件的开发和维护成本都非常高。 ( 5 ) w i n d o w sc e 系统 w i n d o w sc e 系统是微软公司设计制造的嵌入式操作系统，w i n d o w sc e 系 统与w i n d o w s 操作系统有非常好的兼容性。w i n d o w sc e 系统能在多种处理器体 系结构上运行，它是从整体上为有限资源平台设计的多线程、完整优先权、多 任务的操作系统 3 4 】。但它的源代码也是不开放的，系统效率不高，不能根据需 要定制以便精简；运行时占用过多系统内存，应用程序庞大。 4 2 嵌入式操作系统的选择 我们在进行嵌入式系统设计时，需要选择一种符合设计要求的嵌入式操作 系统。我们在选择嵌入式操作系统时，可以遵循一下原则： ( 1 ) 系统定制能力 系统定制能力是衡量一个嵌入式操作系统选择是否适合自己设计需要的一 个重要指标。我们设计的系统是具有某方面功能或者某些方面功能，可以针对 系统设计的要求来定制实现这些功能所需的系统组成【3 引，不需要整个系统的移 植。这样精简了系统、提高了开发的效率。 ( 2 ) 可移植性 可移植性是嵌入式应用软件开发的基础。良好的软件移植性使得所开发的 软件能够在嵌入式操作系统中运行。 ( 3 ) 可利用资源 我们选择一个可利用资源比较多嵌入式系统来作为软件开发平台，那么在 开发过程中遇到的种种问题的解决就比较容易，开发周期就能够缩短，开发效 率能够提高。嵌入式l i n u x 系统和w i n c e 系统都具有大量可利用资源【3 6 】。其他 有些实时操作系统由于比较封闭，不开放源码，开发时可利用的资源就比较少， 多数功能需要自己独立开发，这样开发的效率就不高。 ( 4 ) 成本 成本是一个我们需要考虑的问题。采用w i n c e 等商业系统成本太高，嵌入 式l i n u x 系统开放源码，免费的特点具备了成本的优势。 基于以上的各种选择原则，我们选择使用嵌入式l i n u x 系统。 武汉理t 大学硕七学位论文 4 3 嵌入式l i n u x 系统的移植步骤 l i n u x 支持很多系列的处理器，并且内核源码全部公开。为系统的移植提供了 极大的便利。l i n u x 移植基本流程如图4 1 所示。 4 3 1l i n u x 内核 图4 1l i n u x 移植基本流程 l i n u x 内核源码包中有很多目录，每一个目录或子目录都可以看作成一个模 块，目录之间的连线是表示“子目录或子模块”的关系【3 7 1 。下面是l i n u x 内核常见 的子目录模块： ( 1 ) i n i t 此子目录包含了内核的初始化代码，它是内核开始工作的起点。 ( 2 ) i n c l u d e 此子目录包含了建立内核代码时所需的包含文件，通过它这个 模块利用其它模块重建内核。此目录也包含了不同平台需要的各种库文件，例 如，a s m a l t l l 为a r n l 平台所需库文件。 ( 3 ) a r c h 此子目录包含了所有硬件结构特定的内核代码，譬如i 3 8 6 、m i p s 和a r m 模块的内核代码等。 ( 4 ) d r i v e r s 此目录包含了内核中所有的设备驱动程序，如块设备，s c s i 设备 的驱动程序等。 ( 5 ) k e r n e l 此目录包含了主内核代码。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 6 ) f s 此目录包含了所有文件系统的代码，如：e x t 2 ，v f a t 模块的代码等。 ( 7 ) m m 此目录包含了所有的内存管理代码。 ( 8 ) n e t 此目录包含了内核的连网代码。 ( 9 ) i p c 此目录包含了进程间通信的代码。 我们通过内核源码所包含的内容，就可以根据开发板具体的硬件配置，对 照上面的目录修改相应的源代码，使相关设备能够正常运行。 4 3 。2l i n u x 内核配置与编译 内核是l i n u x 系统的中心软件组件，整个l i n u x 系统的能力完全受其内核本 身能力的限制。如果想根据开发板取得可用的内核，可以去找专门负责开发相 应处理器架构的团队所提供的内核版本。 本系统中所使用的内核a r m l i n u x 2 6 1 3 完全能够为a r m 处理器提供良好 的支持。a r m 1 i n u x 2 6 1 3 能够管理与a r m 处理器外围连接的大部分器件。因此， 在进行内核