（电路与系统专业论文）基于internet的嵌入式视频监控系统接口设计.pdf

摘要 摘要 随着互联网技术和嵌入式技术的快速发展，具有网络功能的嵌入式设 备开发如今是一个十分热门的研究领域。互联网日渐普及使许多家庭都具 备了上网条件，以互联网为平台来进行家用领域视频图像数据的传输是一 种十分可行的研究方案。与此同时，随着器件制作工艺的提高，使嵌入式 网络设备具有更稳定的性能、更低廉的成本，非常适合大众家庭使用。 本文设计了一种适用于大众用户的廉价的远程视频监控系统嵌入式网 络接口。该接口同时与u s b 摄像头和互联网相连以组成远程视频监控系统， 用户在远离家中时通过互联网终端机即可对家中状况进行实时监控。接口 设计中采用高性价比a r m 9 嵌入式处理器作为硬件平台核心，针对远程监 控功能进行了硬件平台中存储模块，网络模块、调试模块、u s b 接口电路 和外围电路的设计；在硬件平台基础上裁减并移植了嵌入式l i n u x 操作系统 作为接口软件开发平台，根据l i n u x 内核体系结构和驱动程序结构进行了 l i n u x 平台下前端u s b 摄像头的驱动程序编写，通过内核提供的a p i 接口函 数实现了应用程序的开发，完成了基于t c p i p 协议的网络传输程序编写， 实现了互联网终端的远程视频监控功能。 接口设计中以嵌入式处理器为核心完成硬件平台设计，使接口具有较 高性能、高集成度、低成本、小体积、低功耗等特点；采用互联网作为传 输平台，进行视频图像数据的实时、低成本、远距离传输，满足了大众用 户对系统成本和传输距离的要求，十分适合家庭用户使用；采用开源实时 的嵌入式操作系统作为软件开发平台，保证了系统各项功能的正常运行， 避免了侵犯版权问题，很具有研究价值。 关键词视频监控；嵌入式处理器；互联网：l i n u x 操作系统；驱动设计 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r a c ta n de m b e d d e dt e c h n o l o g y , t h e r e s e a r c ho fe m b e d d e de q u i p m e n tw i t l ln e t w o r kf i m c t i o ni sb e c o m i n gah o t s p o t f i e l d w i t ht h eg r a d u a lp o p u l a r i z a t i o no fi n t e r a c t , m o r ea n dm o r ef a m i l i e sc o u l d s u r fo ni n t e r a c t ，i t sas ov i a b l ea n dv a l u a b l er e s e a r c hp r o j e c tt h a tt r a n s m i t t i n g t h ev i d e oa n di m a g ed a m sf o rf a m i l i a la p p l i c a t i o n so ni n t e r a c tp l a t f o r m a tt h e s a m et i m e ，w i t t lt h ep r o g r e s so fa p p a r a t u sf a c t u r et e c h n i c s ，e m b e d d e df a c i l i t y h a st h ee v i d e n ta s c e n d e n c i e ss u c ha sl o wc o s ta n dp o w e r f u l 、s t e a d yp e r f o r m a u c ew h i c ha r ef i tf o rf a m i l yf i e l d t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dad e s i g np l a no fl o w - c o s te m b e d d e dn e t w o r k i n t e r f a c ee q u i p m e n tu s e di nr e m o t ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e ma g a i n s th o u s e e n v i r o n m e n t t l l i sr e m o t ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mi sb u i l tb yc o n n e c t i n gt h e e m b e d d e dn e t w o r ki n t e r f a c ea n du s bc a m e r a 、i n t e r a c tp l a t f o r m ，c o n s u m e r s c o u l du s et h ei n t e r a c tp ct or e a l t i m ea n dr e m o t em o n i t o rt 1 1 eh o u s e s e i r c s e s 1 1 1 ee m b e d d e dn e t w o r ki n t e r f a c eu s e st h ep o w e r f u la n dg r e a tp e r f o r m a n c e e m b e d d e dp r o c e s s o rn a m e da r m 9a st h ec o r eo fh a r dp l a t f o r m d u r i n gt h e d e s i g nc o u r s e ，t h ep a p e rc o m p l e t e st h es i m p l es t r u c t u r ed e s i g n so fs t o r a g e m o d u l e ，n e t w o r km o d u l e ，d e b u gm o d u l e ，u s bc i r c u i ta n de x t e r n a lc i r c u i t ， f m a l l yc o m p o s e sah a r dp l a t f o r mc o n t r a p o s et h ei n t e r f a c e sm a i nf u n c t i o n s a t t h es a m et i m e ，af r e es o t l l c ee m b e d d e dl i n u xo p e r a t i o ns y s t e ma st h ep l a t f o r m f o rs o f t w a r e s d e s i g nb a s e do ne x i s th a r dp l a t f o r mi sr e d u c e da n dr e p l a n t e d a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r e so fl i n u xs y s t e mc o r ea n dd e v i c ed r i v e r sc h a r a c t e r - r i s t i c ，t h ep a p e ra c c o m p l i s h st h e d r i v e rd e s i g n so ff r o n tv i d e om o n i t o r i n g e q u i p m e n ta n da p p l i c a t i o np r o g r a m sb a s e do na p if u n c t i o n sp r o v i d e db yl i n u x c o r ea g a i n s ti m a g ec a p t u r ea n dd i s p l a y f i n a l l y , t h ep a p e rc o m p l e t e st h ed e s i g n o fs o c k e tn e t w o r kt r a n s m i s s i o np r o g r a mb a s e do nt c p i pp r o t o c o l sa n d a c h i e v e da n t i c i p a t et a s k , p e o p l ec a ns u r v e i l l a n c et h ef a r a w a yl o c a l er e a l t i m e a b s t r a c t n e p a p e ra c c o m p l i s h e st h ea n t i c i p a t ed e s i g nt a s ka n du s e st h ep o w e r f u l e m b e d d e dp r o c e s s o ra st h ec o r co fs i m p l eh a r dp l m f o r m 。s ot h ee m b e d d e d i n t e r f a c eh a ss o m em e r i t so fp o w e r f u l ，h i g h e rs c o p eo fi n t e g r a t i o n ，l o w - c o s t , s m a l l ，l o w e re n e r g ye x p e n d i t u r e ，e t c b yu s i n gt h ei n t e m e ta st h et r a n s m i s s i o n p l a t f o r mf o re x c e l l e n c e so ff a s t ，r e a l - t i m e ，l o n gd i s t a n c et r a n s m i s s i o na r o u n d w h o l ei n t e r a c t ，l o w - c o s ta n ds i m p l ei n s l a l l a t i o n ，r e s o l v e st h ep r o b l e mo fc o s t a n dd i s t a n c ef o rf a m i l yc o n s u m e r 1 1 1 ep a p e rb e s t o w st h et i e es o u r c ea n d r e a l - t i m ee m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e ma ss o f t w a r ep l a t f o r m ，f u l f i l l st h ep r o g r a m f u n c t i o n sa n da v o i d st h ep r o b l e mo fc o p y r i g h t r e s e a r c ho ft h i si n t e r f a c ei ss o a v a i l a b l ea n dv a l u a b l e k e y w o r d sv i d e os u r v e i l l a n c e ；e m b e d d e dp r o c e s s o r ；i n t e m e t ；e m b e d d e d l i n u xo p e r a t i o ns y s t e m ；d r i v e rd e s i g n ； 1 1 t 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于i n t e m e t 的嵌入式视 频监控系统接口设计，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期 间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外 不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献 的个人和集体，均己在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由 本人承担。 作者签字 日期刎7 嘶月加 燕山大学硕士学位论文使用授权书 基于i n t e m e t 的嵌入式视频监控系统接口设计系本人在燕山大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人 员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。 本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以 公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密d ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期易骆多彬日 日期2 乖年月咖 i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题背景及意义 随着计算机技术，半导体技术和数字图像技术的高速发展，推动了人 类社会数字化时代进程，大量的数据信息涌入人们的工作和生活，人们只 有通过各种计算机才能更好地处理各类信息。随着后p c 时代的来临，人们 开始更多的关注一个新的概念：嵌入式处理器。嵌入式处理器经历了近些 年的发展，已经由8 位的单片机发展到现在的3 2 位微处理器，已经可以很好 地满足图像处理、网络控制等多进程任务，随着制作工艺的提高，已经实 现了高集成度嵌入式处理器芯片批量化生产。同时实时操作系统的功能日 趋完善，使得集成了嵌入式操作系统的嵌入式产品广泛地用于军事、工业 控制、智能机器人、生物医学、多媒体移动终端等领域。 视频监控系统作为安防领域的重要组成部分，是一种防范能力很强的 综合性系统【l j 。随着各种安全事故的频繁发生，特别是9 1 1 事件发生后，很 多发达的西方国家开始更多地关注安全产品的开发 2 1 ，在全社会范围内大 量使用监控设备，以防范恶性事件的发生，维持社会的稳定。通过使用视 频监控设备，安全部门得到了有利的在场证明，可以及时阻止案件发生， 也可以案发后作为侦破的凭证。与此同时，随着生活水平的提高，人们的 家居价值观由以前的注重豪华的装修和舒适的物质环境逐渐改变为更多地 追求精神层次的提高，比如追求安全的生存环境和智能化人性化的生存理 念。 随着视频监控产品市场需求的不断增大，越来越多企业投身到嵌入式 视频监控产品的开发中来，现在已经出现了许多针对民用领域的监控产品， 比如小区安装的视频监控系统，室内的险情报警系统等，但是这类产品更 多的是在一个特定的区域比如小区，办公楼内进行监控和联动，对于大部 分时间在外工作的人们来说，如何跨越这么远的距离来监控家中的情况以 解决自己的顾虑是一个急需解决的问题，现阶段最可行的办法就是通过互 燕山大学工学硕士学位论文 联网这一广域快捷的数据传输平台结合嵌入式技术来实现。 互联网技术是2 1 世纪最显著特征之一，随着网络覆盖范围的扩大，越 来越多的小区都实现了网络入户，家庭用户可以十分方便的访问互联网来 获取需要的信息。网络带给人们的不光是时间和空间上的解放，还带给了 人们工作方式、生活理念的转变【3 】。由于网络带宽的原因，视频图像数据 的网络传输需要先进行压缩后再传输，否则很难保证视频图像的连贯性和 实时性。嵌入式网络设备的开发为视频监控系统带来了新的发展空间，很 好地避免了现有系统在网络监控范围和实时性方面的不足，市场潜力很大。 1 2 国内外研究现状 目前，视频监控系统正处在模拟系统与数字系统共存并将逐渐向数字 系统过渡的阶段。视频监控系统的发展大致经历了以下三个阶段： 2 0 世纪9 0 年代初，主要以模拟设备为主的闭路电视监控系统，称为第 一代模拟监控系统【4 】，此种监控系统技术已经比较成熟，性能比较稳定， 已经大量投入使用。由于采用同轴电缆以模拟方式传输，传输距离不大于1 k m ，双绞线的距离更短，这就导致了模拟监控的监控范围有限，较适合于 小范围监控；抗干扰能力弱，扩展能力差，系统维护比较困难，由于各部 分独立运作很难形成有效的报警联动，监控图像只能在控制中心看到，需 要专门的布线，安装繁琐，成本高。 2 0 世纪9 0 年代中期，随着计算机处理能力的提高和视频处理技术的发 展，人们利用计算机的高速数据处理能力进行视频的采集和处理，利用显 示器的高分辨率实现图像的多画面显示，从而大大提高了图像显示质量， 这种基于p c 机的多媒体主控台成为第二代数字化本地视频监控系统，在监 控范围、监控质量、存储空间、系统性能都高于模拟监控系统，但是由于 p c 机自身存在功耗大、成本高、容易受到安全攻击等原因，所以多媒体数 字监控系统主要存在体积大、功耗高、成本高、易受攻击、监控范围小、 存储花费高等缺点。 2 0 世纪9 0 年代末，随着互联网带宽、计算机运算能力和存储容量的提 高，以及各种实用视频处理技术的出现，视频监控系统步入了全数字化的 2 第1 章绪论 网络时代，称为第三代视频监控系统【”。第三代视频监控系统以互联网为 依托，以数字视频的压缩、传输、存储和播放功能为核心，以智能实用的 图像分析功能为特色的嵌入式远程视频监控系统。 在嵌入式远程视频监控系统的研究中，国外起步较早，处于领先水平， 早已经有比较成熟的嵌入式w e b 摄像机产品【6 】，实力比较强的是日本索尼 公司，松下集团，韩国三星，瑞典a x i s 。国外产品多采用硬件压缩和基于 m p e g 或者小波压缩方法的软件压缩【7 1 ，能对监控现场进行运动目标检测、 目标分析【8 】、目标跟踪1 9 , 1 0 l 和目标识别【川，联动报警等功削12 1 ，特别适合 于军事和金融等对图像处理技术要求较高的专用领域”。图像处理技术发 达，软件功能强大，性能优越但是价格偏高，国内企业大多难以接受，属 于高端产品。 国内企业起步虽然比较晚但是技术起点比较高，随着芯片生产的国际 化，芯片成本越来越低，出现了大量高性价比微处理器，国内的企业大多 采用了最新款的嵌入式处理芯片和存储芯片，针对中国用户需求和中国网 络特点进行了适合国内市场的嵌入式视频监控产品。 目前国内企业生产的视频监控产品大多是以具有网络功能的前端一体 机和d v r 网络摄像机为主的第三代视频监控产品，由于将图像传感器，图 像压缩模块以及高容量硬存储芯片等器件集成到了产品中，使得监控性能 有很大提高，同时也导致了产品价格的偏高，多用于工业控制领域和金融 等领域，没有针对家庭领域的低端远程视频监控产品，图像压缩和处理能 力还有待进一步提高。 1 3 本论文研究目标 c m o s 图像传感器是一种低价位的图像采集设备，被广泛应用在智能 手机等视频设备中【1 4 i 。u s b 摄像头作为一种面向大众用户的低端图像采集 设备，内部采用了c m o s 图像传感器和图像处理芯片，能进行简单的图像 压缩功能，虽然它的输出分辨率不是很高，但成像效果还不错，采集图像 比较清晰，并能够进行简单控制，现在被许多家庭用户所接受，由于它的 网络互联性好，所以人们常常通过它来进行网络视频，占有很大的市场份 燕山大学工学硕士学位论文 额，家用普及率很高。本文就充分利用了u s b 摄像头的以上特点，用它作 为视频监控系统的前端采集设备。 市面上绝大部分u s b 摄像头都采用了中星微的d s p 图像处理芯片，扩 展了u s b l 1 接口，厂家提供的该芯片驱动程序主要针对w i n d o w s 操作系 统，对其它的操作平台并不支持。因此非w i n d o w s 操作系统的用户无法 使用此类摄像头，需要开发者自行开发设备驱动程序和应用程序。 l i n u x 操作系统采用开放源代码，不涉及版权问题，而且内核可裁减， 功能强大，越来越多的嵌入式产品开始采用l i n u x 操作系统，并在此平台上 进行驱动程序的设计。 本文研究目标是实现一个应用于家用环境远程视频监控系统的嵌入式 网络接口设计。此接口扩展了u s b 接口和网络接口，实现了与前端u s b 摄 像头的连接和互联网连接，相当于完成了一个图像采集设备的网络接口功 能，实现了u s b 摄像头采集到的视频监控数据在互联网上实时准确地传输 给远程终端用户。 本文提出的嵌入式视频监控系统接口设计，采用了高性价比的a r m 9 嵌入式处理器，处理速度可达至u 2 0 3m h z ，可以很好地实现图像处理和网 络传输功能；采用可裁减通用性强的开源嵌入式l i n u x 操作系统，使接口具 有实时处理多进程的能力：通过连接一个u s b 摄像头并连入互联网，即可 组成一个以互联网为平台的远程视频监控系统，用户可以根据远程看到的 现场监控图像来判断现场的是否有异常发生。 基于本接口的视频监控系统，构成简单，体积小，功耗小，性能稳定， 安装简易，通用性强，可以满足家庭用户的需要，而且开源操作系统的使 用也免去了产品销售中的版权费用，降低了成本。所以说本文的设计很具 有研究意义，市场潜力很大，需求群体很广。 1 4 本论文主要工作 从本文的研究目标可以看出本文设计的是一个应用于家用视频监控领 域的嵌入式网络接口设备，该接口设备可以很好地实现视频采集功能并依 托i n t e r a c t 实时快速准确传输数据的功能，能较好地满足家庭用户监控的需 4 第1 章绪论 要，十分适合家庭环境使用。论文的内容是围绕着接口功能的实现来展开 的，进行的主要研究工作可以概括为以下几个方面： ( 1 ) 针对家用视频监控领域广泛的市场需求，根据家庭用户的特点进行 了硬件平台和软件平台的选型。 ( 2 ) 研究和分析a r m 9 处理器s 3 c 2 4 1 0 x 的内部结构、功能、工作模式、 片上资源分布，并且以$ 3 c 2 4 1 0 x 为核心进行了各模块电路的设计，搭建了 接口硬件平台。 ( 3 ) 研究和分析嵌入式l i n u x 系统的内核组成及文件系统构成、设备驱 动程序与内核交互的实现过程、视频采集与显示程序的a p i 接口函数、网 络功能的开发方法。 ( 4 ) 研究和分析l i n u xu s b 设备驱动程序的特点及u s b 主机的工作过 程、关键数据结构、编写相应驱动程序。 ( 5 ) 研究和分析l i n u x 平台下视频设备的采集和显示过程、内核提供的 视频接口函数、进行图像采集和图像显示程序的设计。 ( 6 ) 研究和分析互联网体系结构、网络传输过程、网络协议之间的不同 功能、在l i n u x 平台下进行基于t c p i p 协议的网络传输程序设计。 ( 7 ) 建立交叉编译环境，针对接口功能和特点进行嵌入式l i n u x 操作系 统的裁减和移植，进行软件调试。 1 5 本论文内容安排 根据本文的研究对象特点和实现过程组织思路，全文内容共分为五章。 论文内容的叙述流程是这样的：首先分析目前视频监控系统中存在的问题， 提出本文设计的目的和意义；在国内外研究现状中分析了传统系统存在的 问题和现在的发展趋势、市场需求，从而引出本文的设计思路及要实现的 功能，进而介绍了设计中用到的一些基础理论和技术知识以及接口功能具 体的实现方法。 根据家用视频监控系统的特点指出本文设计的总体思想：然后从硬件 和软件两方面详细介绍每一部分的设计过程、具体功能；在硬件设计上主 要根据系统实现功能以及处理器的性能来选择外围器件并连接电路；在软 5 燕山大学工学硕士学位论文 件设计上主要阐述软件的设计流程和关键结构：最后对系统进行总结并提 出了改进和展望。具体章节安排如下： 第1 章介绍目前视频监控系统的发展趋势及存在的问题，引出了本文研 究的目的和意义及主要工作。 第2 章提出接口的硬件和软件平台设计方案。从系统要实现的功能出 发，进行了微处理器和嵌入式操作系统的选择。 第3 章详细介绍了接口的硬件模块设计过程。主要完成了存储模块、网 络模块、调试模块、u s b 接口和外围电路的设计。 第4 章详细介绍了接口的软件设计过程。包括u s b 摄像头的设备驱动程 序设计、图像应用程序设计和网络传输程序设计。 第5 章进行了交叉编译环境的建立，并完成了嵌入式l i n u x 系统针对目 标板结构进行的裁减和移植，并对软件进行了调试。 结论部分对本文系统做出了总结，并指出了本系统还应该进一步完成 的工作。 6 第2 章嵌入式接口总体设计 第2 章嵌入式接口总体设计 2 1引言 根据前一章介绍的本课题的研究背景和研究意义，在本章中针对本接 口最终要实现的远程视频监控功能进行了硬件平台核心处理器的选型和软 件开发平台的选型、编程工具的选择，并对所用到的嵌入式微处理器的体 系结构和内部构成、片上资源进行了详尽的研究；对所选用的嵌入式操作 系统内核功能和特点进行了分析研究。 2 2 系统总体设计任务 目前视频监控领域是个热门领域，但是现有的视频监控系统多为模拟 系统和基于p c 机的多媒体系统，性能不稳定、布控范围小、功耗高、维护 困难、系统成本过高 1 5 1 。将现在十分热门的嵌入式技术和互联网技术融入 到视频监控系统中去，不仅可以克服系统在性能、体积、功耗、成本等方 面的不足，还可以使监控终端更加多元化，监控范围更加广阔。 u s b 摄像头的家庭普及率越来越高，市面上7 8 以上的产品是采用中 星微的图像处理芯片，在这个芯片中集成了图像压缩，纠错，u s b 协议打 包等功能，输出图像为j p e g 格式的，很适合网络传输和保存。由于家庭用 户通过监控图像主要进行险情和意外事件的判断，因此将u s b 摄像头作为 家庭视频监控系统中的前端监控设备可以满足用户需求而且省去了接口中 硬件压缩和软件压缩模块的开发，省去了监控设备成本，提高了摄像头的 利用率，是个十分可行的家用监控设计方案。 本文就是要设计一个用于远程视频监控系统的嵌入式接口，通过该接 口可以实现u s b 摄像头监控功能和网络传输的功能。基于本接口的视频监 控系统组成见图2 1 ，系统由三部分组成，前端视频监控设备为中高分辨率 u s b 摄像头，终端为网络中的任何一个客户端，可以是p c 机也可以是其它 具有网络访问功能的移动设备。 7 燕山大学工学硕士学位论文 图2 1 基于接口的远程视频监控系统 f 逗2 - 1r e m o t ev i d e o s u r v e i l l a n c es y s t e mb a s e do ne m b e d d e di n t e r f a c e 嵌入式接口总体设计任务分硬件平台设计和软件平台设计两部分。随 着嵌入式技术的不断成熟，出现了许多3 2 位嵌入式微处理器，可以用于复 杂运算的、专用领域的产品设计。处理器的好坏直接影响到系统性能的好 坏。在众多3 2 位嵌入式处理器中，a r m 处理器应用最为广泛，占有很高的 市场份额【1 6 1 。本接口硬件设计中就采用a r m 嵌入式微处理器作为平台的核 心处理器，在选择时主要考虑了以下几点。 ( 1 ) 微处理器的内核a r m 微处理器包含一系列的内核结构，以适应不 同的应用领域。为了选用w i n d o w sc e 或l i n u x 操作系统来减少软件开发时 间，就需要选用带有m m u ( m e m o r y m a n a g e m e n t u n i t ) 功能的a r m 处理器芯 片，如a r m 7 2 0 t ， r m 9 2 0 t 等。 ( 2 ) 系统的工作频率系统的工作频率很大程度上决定了处理器的处 理能力。a r m 7 系列处理器的处理速度为0 9m i p s m h z ，芯片系统主时钟 为2 0m h z 1 3 3m h z ，a r m 9 系列微处理器的处理速度为1 1m i p s m h z ， 常见的a r m 9 的系统主时钟频率为1 0 0m h z - 2 3 3m h z 。不同芯片对时钟处 理不同。 ( 3 ) 芯片存储器容量大多数a r m 处理器片内存储器不大，有的甚至没 有片内存储器，一般需要进行外扩存储器。 ( 4 ) 片上电路的丰富程度在a r m 处理器内部集成了丰富的片上资源， 包括s d r a m 控制器，n a n df l a s h 控制器，u s b 主机控制器等。不同的 型号处理器针对的应用领域不同所以片内资源也不相同，在系统选型时根 据系统功能进行对应芯片的选择。 第2 章嵌入式接口总体设计 嵌入式操作系统是管理嵌入式系统资源【l7 1 ，对程序的执行进行控制， 能使用户方便、更友好地使用硬件功能的系统资源。操作系统进行嵌入式 处理器管理、存储管理、文件管理、设备管理和作业管理。嵌入式系统的 选择直接影响到系统性能的好坏。 嵌入式操作系统有许多种，比较常用的有嵌入式l i n u x 操作系统、 w i n d o w sc e 操作系统、v x w o r k s 操作系统、p a l m 操作系统、q n x 操作系统 等1 1 8 1 。其中l i n u x 操作系统和w i n d o w sc e 操作系统使用最为普遍，主要在 手持设备等嵌入式产品中使用。l i n u x 是一种开源的实时操作系统【1 9 】，具 有内核非常稳定、开发工具丰富、在通信和网络功能方面优于其它操作系 统、安全可靠、可移植等优点【2 0 】，因此在本课题中选用了嵌入式l i n u x 操 作系统来作为软件平台进行软件的开发和硬件的管理等任务。 在l i n u x 平台下进行的软件开发选用了标准的c 语言来编程实现，主要 考虑到c 语言在针对不同结构的处理器都有较好的支持，跨平台通用性强、 可移植性好，系统采用模块化设计维护起来也比较方便【2 1 1 。 2 3 接口硬件平台 由于本嵌入式接口需要实现前端视频监控设备的图像采集功，并通过 互联网络进行视频监控数据传输，因此在硬件平台的设计上选用了处理速 度快、集成度高、片上资源丰富、提供多种接口模块、功耗小、具有内存 管理功能的高性价比a r m 9 处理器芯片。 $ 3 c 2 4 1 0 x 是s a m s u n g 公司生产的基于a r m 9 2 0 t 内核的微处理器， 专门为手持设备和图像处理应用而开发，本接口使用它作为硬件系统的核 心处理器，在此基础上进行了功能模块和外围电路的设计。 2 3 1a r m 微处理器 a r m ( a d v a n c e ar i s cm a c h i n e s ) ，既是一个公司的名字，也是对一类 微处理器的通称，一种技术的名字 2 2 1 。1 9 9 1 年a r m 公司于英国剑桥成立， 主要出售芯片设计技术的授权。删本身不从事芯片生产而是转让设计许 可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 9 燕山大学工学硕士学位论文 买其设计的a r m 微处理器核，根据应用领域不同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。目前，采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的 微处理器，即通常所说的a r m 微处理器，已经遍及各类电子产品市场，基 于a r m 技术的微处理器应用大约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市 场份额。 2 3 1 1a r m 微处理器体系结构及特点 a r m 微处理器是r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o n ss e tc o m p m e r ，精简指令集计算机) 体系结构，r i s c 体系结构具 有如下特点：采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式 有2 3 种；使用单周期指令，便于流水线操作执行；大量使用寄存器、数 据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载，存储指令可以访问存储器，以 提高指令的执行效率。 a r m 微处理器除了具有r i s c 的典型特征，还具有许多特点：在每条数 据处理指令中，都控制算术逻辑单元( a l u ) 和移位器，以使a l u 和移位器 获得最大的利用率；自动递增和自动递减的寻址模式，以优化程序中的循 环：同时l o a d 和s t o r e 多条指令，以增加数据吞吐量；所有指令都根据条件 执行，以增大执行吞吐量。 2 3 1 2a r m 微处理器指令系统a r m 微处理器的指令集的效率远高于 c s i c 体系结构系统。指令集由1 1 种基本指令类型组成，2 种用于片上a l u 、 环形移位器和乘法器，3 种用于控制存储器和寄存器之间的数据传送，另外 3 种控制执行的数据流和特权级别，最后3 种用于控制外部协处理器，使得 指令集的功能在片外得到扩展。它的指令集的另一个特征是所有的指令都 支持条件执行。高效的指令集和简单的设计的结合使a r i v l 成为一种低功 耗、小规模、低价位、高性能的微处理器。 为了兼容数据总线宽度为1 6 位的应用系统，a r m 微处理器除了执行效 率很高的3 2 位a r m 指令集外同时支持1 6 位t h t u n b 指令集。t h u m b 指令集是 a r m 指令集的一个子集，是一个a r m 存储压缩的指令系统。t h u m b 指令集 的指令编码长度为1 6 位，不仅保留了3 2 位代码的优势，而且大大节省了系 统存储空间。t h u m b 指令代码所占存储空间约为a r m 代码的6 0 7 0 ， 指令代码使用的指令数比a r m 指令系统种的代码多3 0 4 0 。使用3 2 1 0 第2 章嵌入式接口总体设计 位存储器时，a r m 指令系统比t h u m b 指令系统执行约快4 0 ，使用1 6 位存 储器时t h u m b 代码比a r m 代码执行约快4 0 5 0 。于a r m 代码相比，使 用t h u m b 代码，存储器功耗约降低3 0 。 2 3 1 3a r m 微处理器工作模式a r v l 体系结构嵌入式微处理器支持以 下7 种运行模式。 用户模式( u s e 0 ：这是用户程序运行的正常模式。在这种模式下，程 序不能访问一些受保护的资源，以利于操作系统控制系统资源的使用。其 它的6 种模式则称为特权模式( p r i v i l e g e dm o d e ) 。 系统模式( s y s t e m ) ：这种模式只有a r m y 4 及其之上的版本才能支持。 主要用于对操作系统的支持和对系统资源的管理，运行特权操作系统任务。 快速中断模式( f r q ) ：快速响应用户中断，用于高速数据传输或通道 处理。支持高速数据传输，以满足少数需要极高实时性的请求。 中断模式( 瓜q ) ：用于一般的中断处理。可以对应多个一般中断源。 监督模式( s u p e r v i s o r ) ：用于操作系统的保护模式。 中止模式( a b o r t ) ：用于对虚拟内存的实施和保护。 未定义模式( u n d e f i n e d ) ：支持用软件仿真硬件的协处理器。其中，后5 个称为异常模式，进入这些模式需要特定的异常发生。 2 3 1 4 删微处理器系列各厂商基于a r i v l 体系结构的处理器除了具 有a r m 体系结构的共同特点外，每一个系列的a r m 微处理器都有各自的 特点和应用领域。a r m 微处理器目前主要包括a r m 7 系列、a i t m 9 系列、 a r m 9 e 系列、a r m l 0 e 系列、s e c u r c o r e 系列、x s c a l e 系列。前四个为通用 处理器系列，s e c u r c o r e 系列专门为安全要求较高的应用而设计。 在本接口设计中采用了a r m 9 系列微处理器来作为硬件平台的核心， 它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 级流水线， 指令执行效率高；提供1 1m 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 位高速a m b a 总线接口；全性能m m u ，支持多 种主流嵌入式操作系统；m p u 支持实时操作系统：支持指令c a c h e 和数据 c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。十分适合于图像处理功能和网络 功能的嵌入式设备开发。 燕山大学工学硕士学位论文 2 3 1 5a r m 微处理器的应用a r m 微处理器根据其性能的侧重点不同， 应用领域也有所不同。主要用于工业控制领域、无线通信领域、网络应用 领域、消费类多媒体电子产品领域、军事领域、金融领域、生物医学领域、 机器人研究领域等。 2 3 2 $ 3 c 2 4 1 0 x 处理器 $ 3 c 2 4 1 0 x 是韩国三星公司生产的基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 、3 2 位r i s c 嵌入式处理器，主要面向手持设备和高性价比、低功耗的网络设备应用。 a r m 9 2 0 t 内核由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m m u 可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的1 6k b 地址c a c h e 和 1 6k b 数据高速c a c h e 组成，内部有两个协处理器c p l 4 和c p l 5 【2 3 1 。 s 3 c 2 4 1 0 x 内部集成了丰富的资源肼】，包括1 个l c d 控制器，支持s t n 和t f t 液晶显示屏；3 个通道的u a r t ；外部存储器管理( s d r a m 控制器和 芯片选择逻辑) ：4 个通道的d m a ，支持存储器和i o i s i 之间的传输，以猝发 模式提高传输率；8 通道的1 0 位a d c ，最高速率可达5 0 0k b s ，1 0 位分辨率； 1 2 s 总线接口；触摸屏接口；2 个s p i 接口；s d 卡接口和m m c 卡接口；2 个 u s b 主机接口；i + u s b 设备接口；4 个具有p w m 功能的1 6 位定时计数器 和1 个1 6 位内部定时器，支持外部时钟源；1 1 7 位通用i 0 口和2 4 位外部中断 源，8 通道1 0 位a d 控制器等。 a r m 研发的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 ) 提供一 种特殊的机制，可以使r i s c 处理器集成在其他i p 芯核和外设中，2 0 版的 a m b a 标准定义了三组总线：a h b ( a m b a 高性能总线) 、a s b ( a m b a 系统 总线) 和a p b ( a m b a # b 设总线) 。a m b a 总线非常适合于s o c ( s y s t e mo n c h i p ) 芯片的设计。 根据外部设备快慢的不同，s 3 c 2 4 1 0 x 的总线分为a h b 和a p b 。l c d 控制器、中断控制器、内存控制器及u s b 主控制器等高速设备挂接在a h b b u s 上。串口控制器、i i c k l i s s p i 控制器及a d c 控制器挂接在a p bb u s 上。 两种总线之间通过一个桥接器连接、使用不同的时钟。 s 3 c 2 4 1 0 x 处理器的a r m 9 2 0 t 内核共有3 7 个寄存器，包括3 1 个3 2 位通 1 2 第2 章嵌入式接口总体设计 用寄存器和6 个程序状态寄存器( c p s r ) ，但是这些寄存器不是同时可见的， 而是按程序运行的不同状态进行分组，在处理器模式下只有特定的一组寄 存器能够访问。程序运行状态分为6 种：用户系统态、管理态、f i q 态、i r q 态、异常退出态、未定义态，与之对应的是6 种寄存器可见模式。除用户态， 其他的每一种运行态下都有自己专署的寄存器，并且有自己的专用寄存器 来保存程序状态。 s 3 c 2 4 1 0 x 支持大、小端模式，将系统的存储空间分8 组( b a n k ) ，每组 大小为1 2 8m b ，共1g b 。b a n k 0 至u b a n k 6 的开始地址是固定的，b a n k 7 的开 始地址是b a n k 6 的结束地址，灵活可变，并且b a n k 7 的大小与b a n k 6 的大小 必须相等，所有的寄存器组都可以用于r o m 或者s r a m ，b a n k 6 、b a n k 7 还可以用于s d r a m 。所有内存块的访问周期都可以编程。 $ 3 c 2 4 1 0 x 采用n g c s 7 ：0 8 个通用片选信号选择这些组。除b a n k o # j - 其 余各存储器的总线宽度可编程设置为8 位、1 6 位或者3 2 位，但是b a n k o 只能 设置为1 6 位或者3 2 位，作为引导r o m ，地址映射至u o x o o o o0 0 0 0 ，总线宽 度在复位时通过选择o m 1 ：0 1 进行确定。 $ 3 c 2 4 1 0 x 集成了一个具有日历功能的r t c 核，具有p l l ( m p l l 和 u p l l ) 的芯片时钟控制器。m p l l 产生主时钟，能够使处理器工作频率最高 达至u 2 0 3m h z 。这个工作频率能够使处理器轻松运行于v x w o r k s 、l i n u x 、 w i n d o w sc e 等操作系统以及进行较为复杂的信息处理。u p l l 产生实现主 从u s b 功能的时钟。时钟发生器产生不同频率的总线时钟：f c l k 送给c p u ， h c l k 送给a h b ，p c l k 送给a p b 。这种设计使得c p u 能更好的适应不同速 度设备的需要。 $ 3 c 2 4 1 0 x 对于片内各个部件采用了独立的电源供给方式，内核采用 1 8v 供电，内存采用3 3v 和i o 采用独立3 3v 供电。 $ 3 c 2 4 1 0 x 采用f