（计算机应用技术专业论文）嵌入式网络摄像机网络传输系统的设计.pdf

四川大学硕士学位论文v 7 7 8 87 5 嵌入式网络摄像机网络传输系统的设训 专业：计算机应用技术 硕士生：梁宏章指导教师：周群彪 近年来，随着计算技术、通信技术的飞速发展，特别是互联网的迅速 普及和3 c ( 计算机、通信、消费电子) 合一的加速，微型化和争业化成为 发展的趋势，嵌入式产品成为信息产业的主流。同时数字视频技术应用的 广泛，要求其更加灵活的适应现场需求。本文基于作者在川大智胜软件股 份有限公司实习期间参加的科研项目嵌入式网络摄像机为课题背景，主要 探讨嵌入式网络摄像机网络传输系统的设计的关键技术。丰要内容如下： 1 嵌入式系统的设计综述。介绍了以a r m 微处理l i n u x 为操作系统嵌入 式系统硬件和软件的设计方法和渊试的方法。 2 网络传输系统硬件设计。方案采用a i 9 l r m 9 2 0 0 作为微处珲芯片，使 用其芯片内部集成的百兆以太网控制器e m a c 和物理层控制芯片 d m 9 1 6 1 实现网络传输的硬件支持，为方便调试改计了外围十h 关电路， 州时为了满足日后实现本地存储的需求设计u s b 电路。 3 网络传输系统b o o t l o a d e r 程序的设计及l i n u x 操作系统的加载。硬件的 设汁是以芯片内部肩动模式，启动过程由芯片内部的l o a d e r 程序加载 用，、定制的加载程序r o m b o o t l o a d e r ，再加载ub o o t 程序，l i n u x 操 作系统由ub o o t 加载，本文详细阐述了r o m g ( ) o t l o a d e r 的设计过程， 同时对于ub o o t 和l i n u x 加载作了简单的介绍。 4 1 i n u x 操作系统网络驱动程序的编写。基丁a t 9 1 r m 9 2 0 0 的网络漫备驱 动程序的设计是本系统网络传输的重要部分。本文详细介绍了与网络 设备驱动程序相关的l i n u x 内核的数据结构n e td e v i c e 和s kb u f r 。同 时对于物理层控制芯片d m 9 1 6 1 和a t 9 1 r m 9 2 0 0 芯片内集成的e m a c 硼川大学硕士学位论文 的控制给出了详细的设计过程。给出了驱动程序的完整实现。 以上研究成果已经应用到嵌入式网络摄像机的项目中。实践证明本文 提出的处理方法是可行的，具有良好的社会效益和经济效益。 关键词：a r m ，嵌入式系统，b o o t l o a d e r ，l i n u x 设备驱动程序 p _ 【| 川大学硕十学位论文 t h e d e s i g no f n e t w o r kt r a n s f e rm o d u l e o fe m b e d d e dc a m e r a m a j o r ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o n g r a d u a t e ：l i a n gh o n g z h a n g a d v i s o r ：z h o uq u n b i a o i nr e c e n ty e a r s ，w i t h t h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ye s p e c i a l l yt h ew i d e l ya v a i l a b l ei n t e m e ta n dt h e 3 c ( c o m p u t e r 、c o m p u n i c a t e 、c o n s u m ee l e c t r i c ) u n i t e da so n e ，b e i n gm i c r oa n d s p e c i a lb e c o m en e wt r e n da n de m b e d d e dp r o d u c t sb e c o m et h em a i n s t r e a mo f i n f o r m a t i o np r o p e r t y a tt h es a m et i m e ，t h ew i d ea p p l i c a t i o no fd i g i t a lv i d e o t e c h n i q u e sr e q u i r e sm o r ea c t i v ea d a p t a b i l i t yi nu s e rr e q u i r e m e n t t h i st h e s i s m a i n l yd i s c u s s e st h ek e yt e c h n i q u e so fe m b e d d e dn e t w o r kv i d e os e r v e rb a s e d o nt h ea u t h o r sw o r ko ne m b e d d e dn e t w o r kv i d e os e r v e ri ns i c h u a nw i s e s o f i c o ，l t d t h em a i nc o n t e n ti sa sf o l l o w s ： 1 t h ed e s i g ns u m m a r i z eo ft h ee m b e d d e ds y s t e m t h ef i r s tp a r to ft h i st h e s i s n t r o d u c e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nm e t h o da n dd e b u gm e t h o do f t h es y s t e mw h i c ht a k e sa r mm i c r op r o c e s s i n gl i n u xa st h eo s 2 t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h en e t w o r kt r a n s m i s s i o ns y s t e m t h ep r o p o s a li st o a d o p ta t 9 1 r m 9 2 0 0 a st h em i c r op r o c e s s i n gc h i p ，u s i n gt h e1 0 0 me t h e m e t c o n t r o l l e re m a ci nt h ec h i pa n dc o n t r o lc h i pd m 9161i np l a y s i c a ll a y e rt o r e a l i z et h eh a r d w a r es u p p o r to fn e t w o r kt r a n s m i s s i o n t of a c i l i t a t et h e d e b u g g i n gt h ea u t h o rd e s i g n sa s s o c i a t e dp e r i p h e r yc i r c u i t t os a t i s f yt h e r e q u i r e m e n to fl o c a ls t o r a g el a t e ro nt h ea u t h o rd e s i g n su s b c i r c u i t 3 t h ed e s i g no fb o o tp r o g r a mo fn e t w o r kt r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dt h el o a do f 四川大学硕十学位论文 l i n u xo s t h eh a r d w a r ed e s i g na d o p t si n c h i pa c t i v a t em o d e ，t h ea c t i v a t e p r o c e s s i sl e tt h el o a d e r p r o g r a m i n c h i p l o a dt h el o a d p r o g r a m r o m b o o t l o a d e rw h i c hi sc u s t o m b u i l ta n dl o a du b o o tp r o 舀 a mb yw h i c h l i n u xo si sl o a d e d t h ed e s i g np r o c e s so fr o m b o o t l o a d e ri se x p o s e di n d e t a i li nt h i st h e s i s t 1 1 i st h e s i sa l s ob r i e f l yi n t r o d u c e si l b o o ta n dt h el o a d o f l i n u xo s 4 t h ew r i t eo fn e t w o r kd r i v e rp r o g r a mi nl i n u xo s t h ed e s i g no fn e t w o r k d e v i c ed r i v e rp r o g r a mb a s e do na t 9 1 r m 9 2 0 0i st h em o s ti m p o r t a n tp a r to f t h en e t w o r kt r a n s m i s s i o no ft h i ss y s t e mt h i st h e s i si n t r o d u c e si nd e t a i lt h e d a t as t r u c t u r en e t d e v i c ea n ds k b u f f i ni nl i n u xk e r n e lw h i c hr e l a t e st ot h e n e t w o r kd e v i c ed r i v e rp r o g r a m a tt h es a m et i m et h i st h c s i sg i v e sad e m i l d e s i g np r o c e s so ft h ec o n t r o lo fe m a c w h i c hi n t e g r a t e di np h y s i c a ll a y e r c o n t r o lc h i pd m 9 1 6 1a n da t 9 1 r m 9 2 0 0 t h er e s e a r c hr e s u l t sa b o v eh a sb e e na p p l i e di nt h ee m b e d d e dn e t w o r k v i d e oc a m e r at r a n s m i s s i o ns y s t e m7 f h ep r a c t i c ep r o v e st h a tt h ep r o c e s s i n g m e t h e dm e n t i o n e di nt h i st h e s i si sf e a s i b l ea n dt h en e t w o r kv i d e oc a m e r ah a s g o o ds o e i a la n de c o n o m i c a lb e n e f i t s k e yw o r d s ：a r m ，e m b e d d e ds y s t e m ，b o o t l o a d e r el i n u xd e v i c ed r i v e r 四川大学硕士学位论文 第1 章引言 视频监控系统以其直观、方便、信息内容详实被广泛应用于生产管理、保 安等场合，成为金融、交通、商业、电力、公安、海关、国防、乃至住宅社 区等领域安全防范监控的重要手段。视频监控一直是人们关注的热点之一， 过去多数以模拟图象监控为主，由于对图象的处理和传送均采用模拟技术， 不仅图象质量低，而且系统资源浪费严重，不易组成复杂的网络结构，监控 功能可扩展性差。随着数字技术的迅猛发展，网络技术的不断发展和进步， 图象信息的数字编码处理模式的不断增加，使新一代数字视频监控系统日益 显示出其独特的魅力。近年来国际标准化组织( i s o ) 、国际电工委员会( i e c ) 为数字图象的处理和传输建立了一套国际统一的相关标准，如m p e g 1 、 m p e g 2 、m p e g 4 数字视频编码标准，为数字图象监控建、l ：了国际统的技 术规范，更加促进了数字视频监控的产业化发展。视频监控的数字化发展是 本文的课题背景，本章首先介绍了视频监控的分类以及发展方向，接着介绍 了川犬智胜软件股份有限公司开发的嵌入式视频w e b 服务器的硬件和软件构 架，最后对本文作者在项目开发中所作的工作做了说明。 1 1 课题背景 1 1 1 课题涉及的领域一视频监控 在国内外市场上，主要推出的是数字控制的模拟视频监控和数字视频监控 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；后者是新近崛起的以计算机技术及图像视频压缩技术为核心的 新型视频监控系统，该系统解决了模拟视频监控系统的部分弊端而迅速崛起， 但仍需进一步完善和发展。目前，视频监控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。 1 数字信号控制的模拟视频监控系统 数字信号控制的模拟视频监控系统现在分为两种类型，个是基于微处理 器的视频切换控制加p c 机的多媒体管理，另一个是基于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。基于微处理器的视频切换控制加p c 机 的多媒体管理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 频监控系统微型集中化，如将视频切换、对前端的控制等功能集合一起，一 机处理。基于p c 机的视频监控系统采用软件设计，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 四川大学硕士学位论文 过程序编程自动完成视频叨换、云台控制、报警联动、报警录像等各项控制 功能。系统能充分利用p c 机的资源，使视频监控系统随机算计技术的发展而 不断进步，同时其开放性的结构特性更可使之与其它多种系统如与消防报警 系统、出入口管理系统、楼宇自控系统等实现互动集成。 数控模拟视频监控系统随着微处理器、微机性能的增强和提高，多媒体技 术的应用，系统在功能、性能、可靠性、结构方式等方面部发生了很大的变 化，视频监控系统的构成更加方便灵活，与其它技术系统的接口趋十规范， 人机交互界面更为友好。但由于视频监控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，且介质专用，系统已发展到很高的水平，但是由于信号的传输 是基于模拟信号，所以系统的改进受到了很大的限制。 2 数字视频监控系统。， 9 0 年代末，随着多媒体技术、视频压缩编码技术、网络通讯技术的发展、 数字视频监控系统迅速崛起，现今市场上有两种数字视频监控系统类型，一 种是以数字录像设备为核心的视频监控系统，另一种是以嵌入式视频w e b 服 务器为核心的视频监控系统。以数字录像设备为核心的视频监控系统采用p c 机作为多媒体监控主机，综合了视频矩阵、图像分割器、录像机等的众多功 能，使系统结构犬为简化，采用计算机网络技术，数字多媒体远程网络监控 不受距离限制，采用大容量磁盘阵列存盘器或光盘存储器，可以节省大量的 磁带介质，同时有利于系统实现多媒体信息查询。但随着基rp c 机的视频监 控录像系统的发展，在实际工程使用过程中，也暴露出一些小足，主要是系 统工作的不稳定性。 以嵌入式视频w e b 服务器为核心的视频监控系统，采用嵌入式实时多任 务操作系统。摄像机送来的视频信号数字化后由高效压缩芯片压缩，通过内 部总线送到内覆的w e b 服务器，网络上用户可以直接用浏览器观看w e b 服务 器七的摄像机图像，授权用户还可以控制摄像机、云台、镜头的动作或对系 统配置进行操作。由于把视频压缩和w e b 功能集中到一个体积很小的设备内， 可以直接连入局域网，达到即插即看，省掉多种复杂的电缆，安装方便，用 户也无需安装任何硬件设备，仅用浏览器即可观看。一j 时还具有如下优点： 布控区域广阔。嵌入式视频w e b 服务器监控系统的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，同时网络是没 有距离概念的，彻底抛弃了地域的概念，扩展布控的区域。 系统具有几乎无限的无缝扩展能力。所有设备都以i p 地址进行标 四川大学硕士学位论文 识，增加设各只是意味着i p 地址的扩充。 可组成非常复杂的监控网络，采用基于嵌入式w e b 服务器为核心 的监控系统，在组网方式上与传统的模拟监控和基于p c 平台的 监控方式有极大的不同，由于w e b 服务器输出已完成模拟到数字 的转换并压缩，采用统一的协议在网络上传输，支持跨网关、跨 路由器的远程视频传输。 性能稳定可靠，无需专人管理。嵌入式w e b 服务器实际上基于嵌 入式微处理器技术，采用嵌入式实时多任务操作系统，又由于视 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，也无需专人管理，非常适合于无人值守的环境。 当监控中心需要同时观看较多个摄像机图像时，对网络带宽就会 有一定的要求。 3 视频监控系统的发展 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，视频监控发展的最火两个特点就是数字化和网络化。视频监控系统的数 字化首先应该是系统中信息流( 包括视频、音频、控制等) 从模拟状态转为 数字状态，根本【：改变传统视频监控系统从信息采集、数据处理、传输、系 统控制等的方式和结构形式。信息流的数字化、编码压缩、丌放式的协议， 使视频监控系统与安防系统中其它各子系统问实现无缝连接，并在统一的操 作平台上实现管理和控制。视频监控系统的网络化将意味着系统的结构将由 集总式向集散式系统过渡。集散式系统采用多层分级的结构形式，具有微内 核技术的实时多任务、多用户、分布式操作系统以实现抢先任务调度算法的 快速响应。组成集散式监控系统的硬件和软件采用标准化、模块化和系列化 的设计，系统设备的配置具有通用性强、开放性好、系统组态灵活、控制功 能完善、数据处理方便、人机界面友好以及系统安装、调试和维修简单，系 统运行互为热备份，容错可靠等优点。系统的网络化在某种程度上打破了布 控区域和设备扩展的地域和数量界限，将使整个网络系统硬件和软件资源的 共享以及任务和负载的共享。 11 2 课题项目背景 川大智胜软件股份有限公司一直处于视频监控领域的前沿，根据视频监控 领域的发展及要求提前从事了以嵌入式视频w e b 服务器为核心的视频监控系 四川大学硕士学位论文 统的科研开发。嵌入式网络摄像机正是适应视频监控技术的发展而立的项目。 图1 1 硬件系统框图 硬件框图如上图1 1 ，视频压缩部分接收c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e 电 荷耦合器件) 传输的视频流，进行压缩；微控制器控制视频压缩比和进行网络 传输；存储器提供程序运行的基本空间；网络传输系统提供网络传输的硬件 支持；调试控制接口提供程序开发过程中进行调试和接收控制命令的接口。 软件的主要组成部分如图1 2 ，操作系统采用l i n u x ，主服务进程协调辅 助服务进程和视频压缩进程进行压缩视频数据的网络传输；视频压缩进程完 成视频数据的压缩；辅助服务进程接受控制命令的操作；驱动程序与l i n u x 内核衔接完成硬件的相关操作。 巨因。 兹形呋 图12 软件系统框剀 1 2 作者的主要工作 作者在2 0 0 3 年7 月至今一直在川大智胜软件股份有限公司参加科研开发 项目。在嵌入式网络摄像机的项目开发过程巾本文作者从事了系统硬件开发 的设计工作，见图ll 虚线框图部分，实现，刚络传输最基本的系统，为视频 压缩硬件部分提供了接口，可以作为一个核心板与视频压缩硬件连接。其中 四川大学颁+ 学位论文 包括电源电路的设计，a t 9 1 r m 9 2 0 0 外围接口电路的设计，存储器系统设计， 串行接口电路的设计，调试接口电路设计，u s b 主从接口电路的设计，以太 网接口电路的设计。 l o a d e r 程序的开发是软件设计的一个难点并且对于程序的开发，运行和 调试都具有至关重要的地位，本文作者设计了与硬件密切相关二级加载程序 r o m b o o t l o a d e r 。同时对于三级加载程序ub o o t 也作了详细地介绍。 网络传输程序开发的难点是与硬件和l i n u x 内核都相关的网络设备驱动 的设计。对于网络设备驱动的设计本文给出了洋细地沦述。 1 3 作者发表的学术论文 城市公路交通智能疏导系统的研究发表在计算机，工程与应用，第 一作者。 叫川大学硕十学位论文 第二章系统设计综述 在计算机、互联网和通信技术高速发展的同时，嵌入式系统开发技术也取 得了迅速的发展，嵌入式技术应用的范围也随之急剧扩大。本章概要介绍了 嵌入式系统的一般概念，同时对y - a r m 系列嵌入式微处理器和l i n u x 嵌入式 操作也作了一般性的讨论，基于嵌入式系统的特点，在本章的最后对嵌入式 网络摄像机网络传输系统的硬件没计，软件没计以及调试模式作了简单的论 述。 2 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可 裁剪、适应应用于系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用 计算机系统。它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微处理器、存储器 及外设器件和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件( o s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备以下4 个特点： 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响 应时问，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低的限 度。 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已 模块化，为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强 大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。 可扩展的处理器结构，以便能够迅速地开发出满足应用的高性能的嵌 入式微处理器。 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计 算和通信设备中，靠电池供电的嵌入式系统更是如此，例如需要的功 耗只有i l l w 甚至u w 级。 嵌入式操作系统是支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设 备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。与通用操作系统相比 较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的依赖性、软件吲态化以及应 用的专用性等方面具有较为突出的特点。嵌入式操作系统的出现，将大大提高 嵌入式系统开发的效率，改变以往嵌入式软件设计只能针对具体的应用从头 做起。在嵌入式操作系统之上开发嵌入系统将减少系统开发的工作量，增强 四川大学硕七学位论文 嵌入式应用软件的可移植性，使嵌入式系统的开发方法更具科学性。 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： 嵌入式系统通常是面向特定应用的，嵌入式c p u 与通用型的最大不 同就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常 都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多 由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于 小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行 业的具体应用相结合的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密 集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余， 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对 处理器的选择更具有竞争力。 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体 产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命 周期。 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件般都固化在 存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 嵌入式系统本身不具各自举开发能力，即使设计完成以后用户通常电 是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发t 具和环境刁。 能进行开发。 2 2a r m 微处理器 a r m ( a d v a n c e dr i s cm 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( i p ) 核的微处理器，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 i s c 微处理器7 5 以 上的市场份额，a r m 技术f 在逐步渗入到我们生活的各个方面。 a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计丌发的公司，作为知识产 权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许川由合作公司生产各具 特色的芯片，世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理 器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入市场。目前，全世界有儿十家大的半导体公司都使用a r m 公司的授权，因此使得a r m 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持， 四川人学硕士学位论文 又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞 争力。 a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以 下特点： 5 级整数流水线，指令执行效率更高。 提供1 i m i p s m h z 的哈佛结构。 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集。 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口。 全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌 入式操作系统。 m p u 支持实时操作系统。 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 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机 顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。 a r m 9 系列微处理器包含a r m 9 2 0 t 、a r i v l 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型， 以适用于不同的应用场合。 嵌入式网络摄像机网络传输系统采用a t m e l 公司的a 1 1 9 l r m 9 2 0 0 处理 器芯片，此芯片采用a r m 9 2 0 t 核，除了具有a r m 9 系列微处理器一般的特 性外，还具有如下特点： 集成a r m 9 2 0 t 芯核。 1 8 0 m h z 运行时有2 0 0 m i p s 处理能力。 1 6 k b 的数据c a c h e ，1 6 k b 的指令c a c h e 。 。 全功能m m u 支持w i n c e 和l i n u x 。 1 6 k b 的内部s r a m 和1 2 8 k b 的内部r o m 。 外部总线接口e b i 。 支持s d r a m ，s r a m ，b u r s tf l a s h ，和c o m p a c t f l a s h ，s m a r t m e d i a 以及 n a n df l a s h 的无缝连接。 全电源管理功能。 带有8 个优先级、可单个屏蔽中断源、s p u r i o u s 中断保护的先进中断 控制器。 七个外部中断源和一个快速中断源。 四个3 2 位的p i o 控制器可以达到1 2 2 个可编程i o 引脚( 每个都有 输入控制、可中断及丌路的输出能力) 。 2 0 通道的外部数据控制器f d m a ) 。 1 0 1 0 0 m 的以太网接口。 2 个全速的u s b2 0 主接口和一个从口： 四j i i 大学硕上学位论文 3 通道1 6 位的定时计数器( t c ) ； 两线接口( t w i ) i e e e1 1 4 9 1j t a g 标准扫描接口： 工作环境温度一4 0 。ct o + 8 5 。c 2 3 嵌入式l in u x 特点 第一，l i n u x 系统是层次结构并且内核代码完全开放。l i n u x 是由很多体 积小且性能高的微内核系统组成。在内核代码完全开放的前提下，不同领域 和不同层次的用户可以根据自己应用的需要方便地对内核进行修改，能够低 成本的开发出满足自己需要的嵌入式系统。 第二，强大的网络支持功能。l i n u x 诞生于因特网时代并具有u n i x 的特 性，这保证了它支持所有标准因特网协议，并且可以利用l i n u x 的网络协议 栈将其开发成为嵌入式的t c p i p 网络协议栈。此外，l i n u x 还支持e x t 2 、f a t l 6 、 f a t 3 2 、r o m f s 等文件系统，为开发嵌入式系统应用打下了很好的基础。 第三，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和 交叉运行环境，可以跨越嵌入式系统开发中仿真上具的障碍。l i n u x 也符合 i e e ep o s i x1 标准，使应用程序具有较好的可移植性。传统的嵌入式开发的 程序调试和调试工具是用在线仿真器( i c e ) 实现的。它通过取代目标板的微 处理器，给目标程序提供一个完整的仿真环境，完成临视和调试程序；但一 般价格比较昂贵，只适合做非常底层的调试。使用嵌入式l if l u x ，一目软硬件 能够支持正常的串口功能，即使不用仿真器，也可以很好地进行开发和调试 工作，从而节省一笔不小的开发费用。嵌入式i 。if l u x 为开发者提供r 一套完 整的工具链( t o o lc h a i n ) 。它利用g n u 的g c c 做编译器，用g d b 、k g d b 、x g d b 做调试工具，能够很方便地实现从操作系统到应用软件各个级别的调试。 第四，l i n u x 具有广泛的硬件支持特性。无论是r i s c 还是c i s c 、3 2 位 还是6 4 位等各种处理器，l i n u x 都能运行。l i n u x 通常使用的微处理器是i n t e l x 8 6 芯片家族，但它同样能运行于m o t o r o l a 公司的6 8 k 系列c p u 和i b m 、 a p p l e 、m o t o r o l a 公司的p o w e r p cc p u 以及i n t e l 公司的s t r o n g a r mc p u 等 处理器。l i n u x 支持各种主流硬件设备和最新硬件技术，甚至可以在没有存储 管理单元( m m u ) 的处理器上运行。这意味着嵌入式l i n u x 将具有更广泛的 应用前景。 2 4 嵌入式网络摄像机网络传输系统开发模式 嵌入式网络摄像机网络传输系统的设计在大体上可以分为硬件平台设计， 软件平台设计和嵌入式应用软件设计。通过软件在硬件系统的运行柬验证硬 件系统功能和设计的正确性。操作系统的移植和驱动程序测试需要应用程序 配合。而应用程序的测试只需要按照软件工程理论测试的方法来进行。 四i 大学硕士学位论文 2 41 硬件平台设计 嵌入式网络摄像机网络传输系统要求能够把视频数据通过网络实时传输， 由于视频数据即使经过压缩但仍具有很大的数据量，对于网络的传输要求很 高，同时为了便于在本地直接存储，可以通过u s b 接口直接对可移动硬盘操 作。根据上述的a t m e l 公司的a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器芯片的特点。本系统以 a t 9 l r m 9 2 0 0 处理器芯片为核心，配备d a t a f l a s h ，s d r a m ，u s b 接口，网 络接口芯片d m 9 1 6 1 ，串口转换等芯片完成系统所要求的核心模块。详细的 硬件设计原理详见第三章。 否 2 4 2 软件平台设计 硬件平台漫计 ( 嵌入式处理器) 软什甲台设计 ( 嵌八式操作系统) 嵌入式应用软件设计 磊i 通j 三_ 、为系统测试 图2 1 开发模式流程 开发结束 l i n u x 强大的网络支持功能，低廉的价格以及众多开发人员的维护成为嵌 入式网络摄像机网络传输系统操作系统的首选。同时硬件平台众多的存储器 资源为运行l i n u x 提供了强大的物质基础。软件平台般包括如下几部分： 引导程序。能实现系统的快速引导，负责将l i n u x 内核加载到内存， 并将控制权交给内核初始化程序。具体_ 丁作包括：寻找或将指定的内 核映像解压至内存，然后解压文件系统，将控制权移交给内核。 l i n u x 内核。l i n u x 是一个单一内核操作系统，但可以动态装入和卸载 内核中的部分源代码。l i n u x 内核由内存管理、进程管理、定时器中 断管理、模块管理、虚拟文件系统、接口文件系统、设备驱动程序、 四川i 大学硕十学位论文 进程间通信、网络管理、系统启动等构成。 硬件驱动程序。设备驱动程序是内核的部分，它像内核中其它代码 一样运行在内核模式。l i n u x 设备驱动程序的主要功能有：对设备进 行初始化：使设备投入运行和退出服务；从设备接收数据并将它们送 回内核；将数据从内核送到设备：检测和处理设备出现的错误。 应用程序。系统在刚刚启动时，运行于内核方式，这时候只有一个初 始化进程在运行，他首先做系统的仞始化，然后执行初始化程序( 一 般是s b i r g i n i t ) 。初始化进程是系统的第一个进程，以后所有的进程都 是初始化进程的子进程。应用程序由初始化程序调用，完成用户的需 求。 24 3 调试环境的建立 嵌入式系统通常为一个资源受限的系统。直接在此嵌入式系统的硬件平台 ：编写软件是不可行的。这里，采用的办法是，先在通用汁算机l ：编写程序， 然后，通过交叉编译和链接，生成目标平台上u ，运行的j 进制代码，最后通 过串口或者网口下载到目标平台上的特定位首! 上运行，具体步骤如下。 第一步，建市嵌入式j lf i t i x 交叉开发环境。，这罩采用开放的交叉丌发环 境，典型的代表是g n 01 具链，目前已经能够支持x 8 6 、a r m 、m i p s 、p o w er p c 等多种处理器。交叉什发环境是指编译、链接和调试嵌入式应用软件的环境。 它与运行嵌入式应用软件的环境有所不同，采用宿主机目标机模式。 第二步，交义编译和链接。在完成嵌入式软件的编码之后，进行编译和 链接，生成可执行代码。在开发过程是在l m e l 公司x 8 6 系列c p u 的通用计算 机上进行，而本系统目标环境的处理器芯片为a r m 微处理器，这要求在建立 好的交叉开发环境中进行交叉编译和链接。本系统基于a r m 体系结构，采用 g c c 交义开发环境，其中a l i i l 一l i n u x - g c c 是交叉编译器，a i m 1 i n u x l d 是交叉链 接器。编写好的嵌入式软件经过交叉编译和交叉链接后，通常会生成两种类 型的呵执行文件：用：r 调试的可执行文件和用r 固化的可执行义件。 第二三步，交叉调试。 硬件调试。编制程序使c p u 直接在其内部实现调试功能，并通过在开发板 l 引出的调试端口，发送调试命令和接收调试信息，完成调试过程。 软件调试。在嵌入式h i n u x 系统中，i ，in u x 系统内核调试，可以先在l id u x 内核中设置一个调试桩( d e b u gs t u b ) ，用作调试过程中和宿主机之间的通信 服务器。然后，可以在宿主机中通过调试器的串u 与调试桩进行通信，并通 过调试器控制目标机上l i h u x 内核的运行。 嵌入式上层应用软件的调试可以使用本地调试和远程调试两种方法。如 果采用的是本地涮试，首先要将所需的调试器移植到f i 标系统中，然后就可 四川大学硕l 学位论文 以直接在目标机上运行调试器来调试应用程序了：如果采用的是远程调试， 则需要移植一个调试服务器到目标系统中并通过它与宿主机上的调试器共 同完成应用程序的调试。在嵌入式l i i u x 系统的丌发中，远程调试时目标机 上使用的调试服务器通常是g d b s e r v e r ，而宿主机上使用的调试器则是g d b 。 两者相互配合共同完成调试过程。 第四步，系统测试。嵌入式系统的硬件一般采用专门的测试仪器进行测 试，而软件则需要有相关的测试技术和测试工具的支持，并要求采用特定的 测试策略。测试技术指的是软件测试的专门途径，以及能够更加有效地运用 这些途径的特定方法。在嵌入式软件测试中，常常要在基于目标机的测试和 基于宿主机的测试之问做出折衷。基于目标机的测试需要消耗较多的时间和 经费，而基于宿主机的测试虽然代价较小，但毕竟是在仿真环境中进行的， 因此难以完全反映软件运行时的实际情况。这两种环境下的测试可以发现不 同的软件缺陷，关键是要对自标机环境和宿主机环境下的测试内容进行合理 取舍。嵌入式软件测试中经常用到的测试工具主要有：内存分析工具、性能 分析工具、覆盖分析工具、缺陷跟踪工具等，在这里不加详述。 叫j i l 大学硕士学位论文 第三章系统硬件平台设计 本章重在论述嵌入式网络摄像机网络传输系统核心模块的硬件设计，实现 程序运行的基本硬件环境，网络传输硬件设计和调试接门设计，同时为了满 足r 后有在本地实现存储的需求，还设计了u s b 接口。系统的硬件设计主要 关注于可靠性，可维护性以及便于软件硬件的调试。其中可靠性的要求尤为 重要，这是因为硬件的可靠性是软件能够f 常运行的前提。由于本系统会安 装于工业厂矿等干扰较为恶劣的场所，所以这就要求系统硬件要具有较强的 抗干扰能力。提高系统的抗下扰能力主要通过以下途径来解决：l 元器件的选 择。本系统的硬件芯片均采用工业级，对于电磁干扰和温度范围都具有很好 的适应性。2 电路设计。对于系统的输入输出都做到电气隔离，网络输出采用 网络变压器磁耦合方式进行隔离。电源输入采用丌关隔离电源进行隔离，本 系统电源供给为5 v 输入，采用外接开关电源的方式。此外对于芯片都外接去 藕电容进行高频滤波。3 机箱设计。优良的机箱设计能够避免很多的下扰因素， 在本章不进行考虑。同时充分考虑日后的维护和调试本系统还设计了相关的 电路。电路设计主要由以下几部分组成：电源电路、m c u 处理器、d a t a f l a s h 存储器、s d r a m 存储器、调试串口、u s b 主从设备接口、网络接【j 和标准 m o d e m 接口。 3 1 电源电路设计 图3 1 电源电路 挂毹 四川大学硕士学位论文 系统要求三种电压等级的供电，分别为5 v 、3 3 v 和1 8 v 。电源电路原理 图设计见图3 1 。电源电路设计所采用的s p x l l l 7 为个低功耗正向电压调节 器，有0 8 a 稳定的输出电流，过流和温度保护的特点。这款器件非常适合嵌 入式系统的应用，因为其具有高效率，小封装和低功耗的特点。s p x l l l 7 在 满负载时其压差仅为1 1 v ，这个特点可以把3 3 v 的电压输出作为 s p x l l l 7 1 8 的输入电压。当输出电流减少时，静态电流随负载变化，并提高 效率。s p x l l l 7 有多种输出电压等级。为了确保s p x l1 1 7 的稳定性，输出端 接入了一个1 0 u f 铝电容，同时1 0 0 n f 的瓷片电容可以滤除高频纹波。 3 2d a t a f ia s h 存储器电路设计 d a t a f l a s h 存储器用来存放用户编写的启动程序，操作系统内核以及应用 程序。a t 4 5 d b 6 4 2 是a t m e l 公司生产的数据闽存。具有如下主要特点 1 6 1 , 1 1 4 t ! ncnc ； 1 4c nc 臣匝办p d 6 3 妨y 1 1 3 l 】s yb tc nc r b i n c nc1 0 7 nc 1 0 6 n c1 0 j t 2 1 0 4 v e c v c c 厂圃i 生1 0 6 n d g n d h c nc1 0 3 nc1 0 2 nc1 0 l 0 c s s i 聊崃 s c k ，c l k s i s 0n c nc m c mcnc c 坤1 1 0 a t 4 5 d b 6 4 2 图3 2d a t a f l a s h 电路 支持串行和并行两种接口。串行工作时钟可达2 0 m h z ，并行工作时钟 可达5 m h z 。 支持页面编程操作，页面和块的擦除操作。 四川大学硕士学位论文 具有两块l k 字节s r a m 的数据缓冲区。在编程操作的同时可以接收 数据。 支持硬件数据保护特性。 6