（控制理论与控制工程专业论文）嵌入式网络视频监控终端的设计与实现.pdf

学位论文原创性声明 illlll 9 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 嗲移屯 日期：细f 年名月，严日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校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。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密留，在上年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名 导师签名： 日期：勿岁年石月，尹日 日期：次妒么月炉 们关注，视频 、社会各行业 金融、交通、 能源等重点领域，建立安防报警系统，对保护人员和设备安全、预防犯罪、维护 社会经济稳定起到了重要作用。计算机技术、网络技术和图像处理技术的飞速发 展，使得安防行业能够采用最新的技术，为实现远程视频监控及联网报警提供高 性价比的解决方案，使得人们无论何时何地，都能通过i n t e r n e t 实现实时监控特 定的对象。 本文讨论的嵌入式网络视频监控终端和普通的视频监控器有所不同，它实际 上是一种集成了网络视频接入器和高速球这两种产品功能的新型产品，它同时也 是远程视频监控系统中最重要的核心部分。 本文详细讨论了嵌入式网络视频监控终端的设计原理及实现方法。该嵌入式 网络视频监控终端在高性能嵌入式微处理器和开放式的嵌入式操作系统的基础上 设计而成。整个论文分成四大部分：第一部分介绍了课题背景和视频监控的发展 历程。第二部分介绍了网络视频监控所涉及的相关技术。第三部分介绍了嵌入式 网络视频监控终端的硬件设计方案和实现。第四部分介绍了该系统的软件设计方 法。 简而言之，本文设计并实现了了一个全新的嵌入式网络视频监控器，它有机 地结合了嵌入式网络视频接入器和监控高速球二者的特点，符合安防领域中监控 前端一体化的发展趋势，具有广阔的应用前景和现实意义。 关键词：视频监控；i n t e r n e t ；嵌入式系统：此o s i i ；a r m 华南理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y ，p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o n st ot h e s e c u r i t yo fe c o n o m i ca c t i o na n dd a i l yl i f e t h ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mb e c o m e s i n d i s p e n s a b l et ok e e pp u b l i cs e c u r e m a n ys u r v e i l l a n c es y s t e m sw e r eb u i l ti n g o v e r n m e n td e p a r t m e n t s ，e v e r yw a l ko fl i f ea n dc o m m u n i t i e s s p e c i a l l y , i ns o m e i m p o r t a n tf i e l d ，s u c h a sf i n a n c ef i e l d ，t r a f f i cf i e l da n de n e r g ys o u r c e sf i e l d ，t h e s e c u r i t ys y s t e mi ss i g n i f i c a n tt op r o t e c tt h ep e o p l ea n de q u i p m e n t s ，t op r e v e n t c o m m i t t i n g ，t ok e e ps o c i e t ys a f e s o m et e c h n o l o g y , s u c ha sc o m p u t e r , n e t w o r ka n d i m a g ep r o c e s s i n g ，a r ed e v e l o p i n gf l e e t l y a l lt h i sn e wt e c h n o l o g yw e r eu e s e di n t o s e c u r i t yi n d u s t r y , s ow ec a np r o v i d eag o o dp e r f o r m a n c ea n dl o wc o s tp r o je c tt oc a r r y o u tl o n g - d i s t a n c ev e d i os u r v e i l l a n c ea n do n l i n ea l a r m b yt h i sw a y , w ec a nw a t c ht h e o b je c tt h r o u g hi n t e r n e ta n y t i m ea n da n y w h e r e t h i sp a p e rd i s c u s s e dat y p eo fn e wv i d e os u r v e i l l a n c et e r m i n a lw h i c hi sd i f f e r e n t f r o mt h ec o m m o ns u r v e i l l a n c et e r m i n a l i nf a c t ，t h en e wo n ei sak i n do fn e wp r o d u c t w h i c hi n t e g r a t e dt h ef u n c t i o n so ft h es p e e d - d o m ea n dt h en e t w o r kv i d e oc o n n e c t o r t h en e wt e r m i n a li st h ef o r e m o s tp a r ti nt h el o n g - d i s t a n c ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m t h ep a p e rt a l k e do u tt h e p r i n c i p l ea n dd e s i g nm e t h o da b o u tt h ee m b e d d e d n e t w o r kv i d e os u r v e i l l a n c et e r m i n a l t h et e r m i n a li s d e s i g n e db a s i n g o nt h e h i g h p o w e r e de m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ra n dt h eo p e n - c o d ee m b e d d e do p e r a t i o n s y s t e m t h ep a p e ri sc o m p o s e do ff o u rp a r t s p a r tii n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n do f s u b j e c ta n dt h eh i s t o r yo ft h ev i d e os u r v e i l l a n c e p a r ti ii n t r o d u c e dt h em a i n t e c h n o l o g ya b o u tt h ee m b e d d e dv i d e os u r v e i l l a n c e p a r t d i s c u s s e dt h eh a r d w a r e s t r u c t u r ea n dt h ed e s i g nr e a l i z a t i o no ft h ed e v i c e p a r t t o l dy o uh o wt od e s i g nt h e s o f t w a r eo ft h et e r m i n a l i naw o r d ，t h i sa r t i c l ec o n s t r u c t san e we m b e d d e dn e t w o r kv i d e os u r v e i l l a n c e t e r m i n a l ，i tp e r f e c t l yi n t e g r a t e st h en e t w o r kv i d e oc o n n e c t o ra n dt h eh i g h - s p e e dd o m e i n t oo n ed e v i c e i nt h es e c u r i t yi n d u s t r y , t h en e wt e r m i n a la c c o r d sw i t ht h i sd e v e l o p t r e n dt h a ti st h es u r v e i l l a n c et e r m i n a ls h o u l db ec o m p o s i t i v e s ot h en e we m b e d d e d v i d e os u r v e i l l a n c et e r m i n a lh a sa g o o da p p l i c a t i o na n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d ：v i d e os u r v e i l l a n c e ；i n t e r n e t ；e m b e d d e ds y s t e m ；i l c o s i i ；a r m 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 1i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景和意义1 1 1 1 项目背景1 1 1 2 研究意义1 1 2 国内外研究概况2 1 2 1 视频监控研究现状2 1 2 2 视频监控发展趋势3 1 3 本论文的主要研究内容4 第二章嵌入式网络视频监控终端的相关技术5 2 1 嵌入式系统5 2 2 嵌入式处理器6 2 2 1 嵌入式处理器分类6 2 2 2 嵌入式处理器选型8 2 3 嵌入式操作系统9 2 3 1 嵌入式操作系统概述9 2 3 2 嵌入式操作系统选型l o 2 3 3g c o s i i 1 3 2 4 图像压缩标准1 7 2 5 2 6 2 7 第三章 3 1 2 4 1m j p e g 18 2 4 2 小波压缩l8 2 4 3m p e g 4 19 2 4 4h 2 6 4 2 l 网络传输技术2 l 2 5 1t c p i p 协议介绍2l 2 5 2 视频传输特点2 5 云台运动控制策略2 6 本章小结2 8 系统硬件设计2 9 硬件总体设计2 9 华南理工大学硕七学位论文 3 2 硬件详细设计。2 9 3 2 1 处理器模块3 0 3 2 2 音视频模块3 3 3 2 3 网络模块3 6 3 2 4 存储模块3 7 3 2 5 云台模块3 9 3 2 6 电源模块4 0 3 2 7 晶振模块4 0 3 2 8 复位模块。4 l 3 3 本章小结4 2 第四章系统软件设计4 3 4 1 硬件驱动层设计。4 3 4 1 1a r m 启动程序设计4 3 4 1 2s a a 7 1 1 1 a 驱动程序设计4 6 4 1 3i m e 6 4 0 0 驱动设计4 7 4 1 4 网络驱动设计4 9 4 2 操作系统层设计4 9 4 3 系统软件层设计5 l 4 3 1l w l p 介绍51 4 3 2l w i p 移植5l 4 4 用户层设计。5 3 4 5 本章小结5 5 结束语5 6 参考文献5 8 攻读学位期间发表的与学位论文相关的学术论文6 0 致谢6 1 附录6 2 h 1 1 课题研究背景和意义 1 1 1 项目背景 第一章绪论 随着人类社会与经济的发展，人民生活水平不断提高，人们有条件对治安环 境以及安全防范提出更高更广的要求。另外一方面，自从美国9 1 l 恐怖袭击事件 发生以后，世界各国都更加充分认识到了安防技术的重要性。正是在这种人类社 会自身发展和恐怖活动困扰的双重环境影响下，安防行业取得了长足的发展。2 0 0 8 年奥林匹克运动会将在北京举行，这是中华民族复兴的历史性机遇。但是，我们要 看到奥运会的举办也是对中国安防技术最现实的严峻挑战。能否迎接此挑战，视 频监控技术起着举足轻重的作用。 视频监控涉及的技术面比较广，需要图像压缩、网络传输、嵌入式系统开发 等多项技术的支持。近年来，图像压缩技术推陈出新，先后涌现出m j e p g 、m p e g 一4 、 小波压缩、h 2 6 4 等多种编码方法【1 6 h 1 8 】，并且得到了实际应用的检验。经过多年 的长期发展，i n t e r n e t 的应用技术不断扩大，为安防系统通过i n t e r n e t 实现远 距离的视频监控提供了可靠的传输保障。从上世纪末开始，嵌入式系统的开发技 术可谓是迅猛发展，各大处理器制造商纷纷推出嵌入式硬件平台。与此同时出现 了很多优秀的嵌入式操作系统，其中不乏很多完全公开源代码的实时操作系统。 所有这些技术的日益成熟，给安防行业的研发工作者们提供了一个良好的技术背 景大环境，使得他们有机会提出更多的远程视频监控的解决方案。 简而言之，社会发展对安防产业提出的要求是一个社会背景，加上多种计算 机应用技术的发展这样一个良好的技术背景，给本次项目的提出和实现带来了契 机。本课题来源于深圳某安防科技公司的一个新产品研发项目。 1 1 2 研究意义 嵌入式网络视频监控终端是数字化图像监控系统中最重要的组成部分，对它 的研究将使得远程视频监控变成可能。视频监控终端将分散在世界各地的监控点 通过计算机网络有机地联系在一起，保证监控者对这些监控点的监督和管理，增 强了监控系统的整体安全监控能力。将视频压缩技术、网络传输技术和嵌入式计 算机系统开发等技术整合用于安防监控领域，这是一次里程碑式的飞跃，极具现 实意义。最先进的安全防范理论加上计算机应用科技新成果，将监控现场受破坏 华南理工大学硕士学位论文 的可能性降到最低，为监控现场提供了最安全的保障，使人身和财产免受不必要 的损失。 首先从国内来看，新型的数字监控系统的研发对于我国提高安防水平，迎接 奥运此类国际盛事提供了强有力的技术保障。其次放眼全球，新型的视频监控系 统的研发完全符合整个人类社会对安防产业的要求，由此可见新型的视频监控设 备的研发极具有社会效益。据权威部门统计，1 9 9 8 年全国监控系统的市场总额为 6 5 0 亿元，并且近年来一直以每年1 5 至3 0 的速度快速增长。近年来安防产品 正处在由上世纪的模拟产品向最新的数字化产品升级过渡时期，此时确立新型的 数字化视频监控产品的研究项目，可谓抓住良好的发展机遇，其市场前景和经济 效益是不可估量的。简而言之，本项目的确立是顺应了社会发展的需要，它的成 功研发将带来可观的社会效益和经济效益。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 视频监控研究现状 在国内外市场上，各个安防产品厂商主要推出的是模拟视频监控和数字视频 监控两类产品。前者发展已经非常成熟且性能稳定，并在实际工程应用中得到广 泛应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛。后者是新近崛起的 以计算机技术及图像压缩技术为核心的新型视频监控系统。此类系统因克服了模 拟系统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 处在由模拟系统向纯数字系统过渡的数模混合应用阶段。 模拟视频监控系统分为两种类型：一是由微处理器实现视频切换控制，并配 上p c 机管理多媒体；二是由p c 机实现对矩阵主机的切换控制同时实现多媒体管 理。二十世纪八十年代是微处理器的时代，视频监控系统利用基于微处理器固件 的矩阵切换器，将原来分散的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在一起，实现了单机处理，这是技术上的一个突破。基于 p c 机的视频监控系统采用软件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，并通过程序编程自动完成视频切换、 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， 使视频监控系统随电脑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。 二十世纪九十年代末，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发展。现在市场上有两类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 2 器为核心的视频监控系统。数字监控录像系统通常又可以分为两类：一是基于 p c 机的计算机多媒体监控方式；二是嵌入式数字监控录像系统。数字视频压缩编 码技术日益成熟，计算机的普及，为基于p c 机的多媒体监控创造了条件。这种 新型数字视频监控模式的出现，部分地取代了以视频矩阵图像分割器、录像机为 核心，辅以其它传送器的模拟视频监控模式。嵌入式系统是以应用为中心，软硬 件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积等综合性严格要求的专 用计算机系统，也就是专门为监控系统量体裁衣而设计的专用计算机系统。嵌入 式视频w e b 服务器监控系统以一个采用嵌入式实时多任务操作系统的嵌入式w e b 服务器，它把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 线送到内置的w e b 服务器，网络上用户可以直接用浏览器观看w e b 服务器上的 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，仅用网页浏览器即可观看。 1 2 2 视频监控发展趋势 现在视频监控系统已经步入了全数字时代。这将彻底打破“闭路电视系统”模 拟方式的结构，从根本上改变了视频监控系统从信息采集、传输处理、系统控制 的方式和结构形式，也标志着监控正在走向“四化 阶段： 1 前端一体化：监控系统前端一体化意味着多种技术的整合、嵌入式构架、 和适应性更强，以及不同监测设备的整合，这为系统集成化奠定了基础。 2 传输网络化：视频监控系统的网络化意味着系统的结构将由集总式向集散 式系统发展。集散式系统采用多层分级的结构形式，将使整个网络系统硬件和软 件资源以及任务和负载得以共享，这也是系统集成化的重要基础。 3 处理数字化：信息处理数字化意味着信息流的数字化、编码压缩、开放式 的协议，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，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、调试和维修简单化，系统运行互为热备份， 容错可靠等功能。 4 系统集成化：系统集成化正是由于构建系统的各子系统均实现了网络化和 数字化，特别是使视频监控系统与弱电系统中其它各子系统间实现无缝连接，从 而实现了在统一的操作平台上进行管理和控制。 3 华南理工大学硕士学位论文 1 3 本论文的主要研究内容 嵌入式网络视频监控终端是远程视频监控系统的前端部分，它的研发运用了 图像压缩、网络传输和嵌入式系统开发等多项技术。本项目的直接目标是在对远 程视频监控系统进行研究的基础上开发出高性价比的嵌入式网络视频监控终端。 本论文的主要研究工作包括以下内容： 1 嵌入式网络视频监控技术的探讨； 2 实时嵌入式操作系统o c o s i i 在a r m 7 微处理器s 3 c 4 5 1 0 b 上的移植； 3 t c p i p 协议栈l w i p 在p c o s - i i 上面的扩展； 4 嵌入式网络视频监控终端的方案设计与实现。 本论文主体分为四部分，具体内容安排如下： 1 第一章为绪论，介绍了本论文的研究背景和意义，以及国内外对视频监控 系统的研究概况。 2 第二章介绍了本论文研究项目所涉及的相关技术，为后面章节对系统的方 案设计和具体实现做好了理论准备。 3 第三章介绍了嵌入式网络视频监控终端的硬件设计方案和实现方法，是本 论文的重点，也是本项目的产品和其他同类产品有所区别的地方。 4 第四章介绍了嵌入式网络视频监控终端的软件设计方法。 5 结束语部分对论文的研究工作进行了总结，并对产品改进工作进行了探讨。 4 第二章嵌入式网络视频监控终端的相关技术 嵌入式网络视频监控终端的成功研制，是多项计算机应用技术不断发展和相 互融合的结果。本章将对嵌入式网络视频监控终端密切相关的嵌入式系统开发技 术、图像压缩技术、网络传输技术和云台控制技术等几个方面做介绍。下面就分 节讨论其相关的技术。 2 1 嵌入式系统 嵌入式系统【2 3 】【2 4 1 是指用于实时控制、监视、管理或辅助其他设备运行的设 备，可以是专用或多用途的设备，它是硬件和软件的集成。嵌入式系统的“嵌入 特性意味着这些系统本身与其所控制和管理的对象是融为一体的，是其中的一个 有机组成部分，是各种控制系统的基本构造单元。嵌入式系统可以简单定义为： “嵌入到对象体系中的专用计算机系统 。“嵌入性 、“专用性 与“计算机系统 是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。 一个完整的嵌入式系统通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统 和嵌入式应用软件等几个部分组成。 由于嵌入式系统的应用于特定环境下执行面对专业领域的应用系统，所以不 同于通用型计算机系统应用的多样化和适应性。嵌入式系统与通用计算机系统相 比有以下特点： 1 嵌入式系统通常是面向特定应用的，一般都有实时要求。嵌入式c p u 多 数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，能够把通用系统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。 2 嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应 用相结合后的产物。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。 3 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，这样才能使具体应用在市场中更具有竞 争力。 4 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。 5 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储 器芯片或处理器本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 5 华南理工大学硕+ 学位论文 6 嵌入式系统本身不具备自我开发条件，用户通常也是不能对其中的程序功 能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 2 2 嵌入式处理器 2 2 1 嵌入式处理器分类 嵌入式处理器是嵌入式系统的的主要硬件平台，也是其核心部件。目前据不 完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有 3 0 几个系列。根据现状，嵌入式处理器可以分成下面几类： 1 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 【4 9 j ：嵌入式微 处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器配在专门设计的电 路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和 功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微 处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各 种增强。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、 可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括r o m 、r a m 、总线接口、各种外设等器 件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器及其存储器、 总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。嵌入式处理器目前主要有 3 8 6 e x 、a m l 8 6 8 8 、s c 一4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 1 l 系列等。 2 嵌入式微控制器( e m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，e m c u ) s o j ：嵌入式微 控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入 式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集中了r o m e p r o m 、r a m 、 总线、总线逻辑、定时计数器、w a t c h d o g 、i o 、串行口、脉宽调制输出、a d 、 d a 、f l a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般 一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的， 不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求 相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。和嵌入式微处理器相比，微控制 器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。 微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。微控制 器是目前嵌入式系统工业的主流。嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较 有代表性的通用系列包括p 5 1 x a 、m c s 5 1 、m c s 9 、c 1 6 6 、m c 6 8 h c 0 5 、6 8 3 0 0 等。另 外还有许多半通用系列如：支持u s b 接口的m c u8 x c 9 3 0 、c 5 4 0 、c 5 4 1 ；支持1 2 c 、 c a n b u s 、l c d 及众多专用m c u 和兼容系列。目前m c u 占嵌入式系统约7 0 的市场 份额。特别值得注意的是，近年来a m d 公司，将a m l 8 6 c c c h c u 等嵌入式处理器 称为微控制器( m i c r o c o n t r o l l e r ) ；m o t o r o l a 公司把以p o w e rp c 为基础的p p c 5 0 5 6 第二章嵌入式网络视频监控终端的相关技术 和p p c 5 5 5 亦列入单片机行列；t i 公司亦将其t m s 3 2 0 c 2 x x x 系列d s p 做为m c u 进 行推广。 3 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 一州：d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法，编译效率 较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面d s p 算法正在大量 进入嵌入式领域，d s p 应用正由在通用单片机中以普通指令实现d s p 功能，过渡 到采用嵌入式d s p 处理器完成d s p 算法。嵌入式d s p 处理器有两个发展来源，一 是d s p 处理器经过单片化、e m c 改造、增加片上外设成为嵌入式d s p 处理器，t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 等属于此范畴；二是在通用单片机或s o c 中增加d s p 协处 理器，例如i n t e l 的m c s 2 9 6 和i n f i n e o n 的t r i c o r e 。推动嵌入式d s p 处理器发 展的另一个因素是嵌入式系统的智能化，例如各种带有智能逻辑的消费类产品， 生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘，a d s l 接入、实时语音压解系统，虚 拟现实显示等。这类智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算和指针线 性寻址等较多，而这些正是d s p 处理器的长处所在。嵌入式d s p 处理器比较有代 表性的产品是t e x a si n s t r u m e n t s 的t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列 4 8 1 。t m s 3 2 0 系列处理器包括用于控制的c 2 0 0 0 系列，用于移动通信的c 5 0 0 0 系 列，以及性能更高的c 6 0 0 0 和c 8 0 0 0 系列。d s p 5 6 0 0 0 目前已经发展成为d s p 5 6 0 0 0 ， d s p 5 6 1 0 0 ，d s p 5 6 2 0 0 和d s p 5 6 3 0 0 等几个不同系列的处理器。另外p h i l i p s 公司 今年也推出了基于“可重置嵌入式d s p 结构低成本、低功耗技术 上制造的“r e a l d s p 处理器。其特点是具备双哈佛结构和双乘累加单元，其应用目标是 大批量消费类产品。 4 嵌入式片上系统( e m b e d d e ds y s t e mo nc h i p ，e s o c ) 1 5 2 】：随着e d i 的推广 和v l s i 设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复 杂的系统的时代已来临，这就是s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 。各种通用处理器内核 将作为s o c 设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为v l s i 设 计中一种标准的器件，用标准的v h d l 等语言描述，存储在器件库中。用户只需定 义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这 样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯 片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常 有利。s o c 可以分为通用和专用两类。通用系列包括i n f i n e o n 的t r i c o r e ，m o t o r o l a 的m c o r e ，某些a r m 系列器件，e c h e l o n 和m o t o r o l a 联合研制的n e u r o n 芯片等。 专用s o c 一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。一个有代表性的产 品是p h i1i p s 的s m a r tx a ，它将x a 单片机内核和支持超过2 0 4 8 位复杂r s a 算法 的c c u 单元制作在一块硅片上，形成一个可加载j a v a 或c 语言的专用的s o c ，可 用于公众互联网如i n t e r n e t 安全方面。 7 华南理工大学硕+ 学位论文 2 2 2 嵌入式处理器选型 针对目前种类繁多的嵌入式处理器，在设计产品时候，如何根据自己项目要 求选择合适的处理器是系统设计首要考虑的问题。回顾本次项目的处理器选型过 程，可以总结出选择处理器时主要考虑的因素有以下几个方面： 1 处理性能：一个处理器的性能取决于多个方面的因素，如时钟频率，内部 寄存器的大小，指令是否对等处理所有的寄存器等。对于许多需用处理器的嵌入 式系统设计来说，目标不是在于挑选速度最快的处理器，而是在于选取能够完成 任务的处理器。如果是面向高性能的应用设计，那么建议考虑某些新的处理器， 其价格相对低廉，如i b m 和m o t o r o l a 联合开发的p o w e rp c 。 2 技术指标：当前许多嵌入式处理器都集成了外围设备的功能，减少了芯片 的数量，降低了整个系统的开发费用。开发人员首先考虑的是，系统所要求的一 些硬件能否无需过多的胶合逻辑( g l ，g l u el o g i c ) 就可以连接到处理器上。其次 是考虑该处理器的一些支持芯片，如d m a 控制器，内存管理器，中断控制器，串 行设备、时钟等配套的问题。 3 功耗：嵌入式微处理器最大并且增长最快的市场是手持设备、电子记事本、 p d a 、手机、g p s 导航器、智能家电等消费类电子产品。这些产品中选购的微处理 器，典型的特点是要求高性能、低功耗。许多c p u 生产厂家已经进入了这个领域。 今天，用户可以买到一颗嵌入式微处理器，其速度像笔记本中的p e n t i u m 一样快， 而它仅使用普通电池供电即可，并且价格很便宜。如果用于工业控制，则对功耗 这方面的考虑较少。 4 软件支持工具：仅有一个处理器，没有较好的软件开发工具的支持也是不 行的。因此选择合适的软件开发工具对系统的实现会起到很好的作用。 5 内置调试工具：处理器如果有内置调试工具，如j t a g 。可以大大缩小调试 周期，降低调试的难度。 6 评估板：许多处理器供应商可以提供评估板来验证你设计理论是否正确， 决策是否得当。并且很多情况下，此评估板可以作为硬件设计的一个参考。 嵌入式系统开发除了需要考虑处理器选型外，还需要考虑选择处理器及其相 关硬件的其它问题，例如： 1 生产规模：要明确打算做一套还是多套或者是大规模生产。如果生产规模 比较大，可以自己设计和制造部分硬件，这样可以降低成本。反之，最好从第三 方购买配套硬件模块。 2 开发的市场目标：如果想使产品尽快发售，以获得竞争力，最好要尽可能 买成熟的硬件模块；反之，可以自己设计硬件模块，降低成本。 8 第二章嵌入式网络视频监控终端的相关技术 3 软件对硬件的依赖性：软件是否可以在硬件没有到位的时候先行设计或者 是与硬件设计并行开发。 4 选择普通的硬件：在c p u 及配套外设的选择上，一个原则是只要有可替代 的方案，尽量不要选择r t o s 尚不支持的硬件。 本次项目的直接目标是提出嵌入式网络视频监控终端的新型设计方案并且实 现它。考虑到项目的技术、资金和时间等实际情况，我们一开始就选定了采用以 微处理器加上专用图像处理芯片实现主要功能的方案，所以在嵌入式处理器的选 择问题上，直接排除了采用d s p 和s o c 的方案。本项目设计对象“网络视频监控 终端 属于一个典型的网络产品，并且考虑到整个系统对实时性能的要求比较高， 所以初步考虑必须选用3 2 位以上的微处理器，并且该处理器最好是针对网络产品 而设计的【l o l 。通过对市场上可选的微处理器进行综合比较，很快就能选出三星公 司的$ 3 c 4 5 1 0 b 作为本次项目产品的嵌入式处理器。 对于嵌入式系统的设计者，更多更好的嵌入式微处理器将不断出现，必须综 合考虑处理器的性能、功耗、价格、供货保证、开发工具的配备以及工程师过去 对这种处理器的使用经验以及芯片厂商的技术支持等因素，才能正确决定使用哪 一种处理器。嵌入式处理器的选择不是一成不变的，伴随着技术的发展，速度快、 价格低、功能强的嵌入式处理器一定是你下一个项目的选择。 以上几点就是项目完成后，项目组在选择嵌入式微处理器方面的一些经验总 结。当初着重考虑了以上种种因素，在此次嵌入式网络视频监控终端的开发时候， 我们选择了三星公司基于a r m 7 t d m i z j 内核的微处理器$ 3 c 4 5 i o b 。 2 3 嵌入式操作系统 2 3 1 嵌入式操作系统概述 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系 统中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、通 信协议等等。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，例如： 1 能够有效管理越来越复杂的系统资源； 2 能够把硬件虚拟化，使开发人员从繁重的驱动程序设计工作中解脱出来； 3 能够提供库函数、驱动程序、工具集以及大量应用程序。 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、硬件的相关依 赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。从时间响应特 性上考虑，操作系统可以分为实时操作系统( r t o s ) 1 9 l 4 7 1 和分时操作系统两大类。 9 华南理工大学硕士学位论文 因为开发嵌入式系统绝大多数情况下需要一个实时多任务的操作系统内核来支 持，所以通常情况下嵌入式领域里面说的嵌入式操作系统通常所指的都是嵌入式 的实时操作系统( r t o s ) 。 r t o s 是具有实时性，能支持实时控制系统工作的操作系统。其首要任务是调 度一切系统资源完成实时控制任务，其次才是着眼于提高系统的效率。r t o s 最显 著的特点是能够满足系统对时间的限制和要求。从性能上说r t o s 与普通的操作系 统的主要区别就在于“实时一二字上。对于一个实时的计算机系统而言，系统的 正确性不仅仅依赖于计算的逻辑结果，而且依赖逻辑结果产生的时间。r t o s 伴随 着嵌入式系统的发展经历了4 个比较明显的阶段： 1 第一阶段是无操作系统的嵌入算法阶段：该阶段是以单芯片为核心的可编 程控制器形式的系统，同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这种系 统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持， 通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。这一阶段系统的 主要特点是系统结构和功能都相对单一、处理效率较低、存储容量较小、几乎没 有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格很低，以前在国内工业领域应 用较为普遍，但是已经远远不能适应高效的、需要大容量存储介质的现代化工业 控制和新兴的信息家电等领域的需求。 2 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统： 这一阶段系统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较差；系统开销小，效率 高：一般配备系统仿真器，操作系统具有一定的兼容性和扩展性：应用软件较专 业，用户界面不够友好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。 3 第三阶段是通用嵌入式实时操作系统阶段：这一阶段是以嵌入式操作系统 为核心的嵌入式系统。系统的主要特点是嵌入式操作系统能运行于各种不同类型 的微处理器上，兼容性好；操作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化 和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及 用户界面等功能；具有大量的