（计算机应用技术专业论文）基于mips构架的嵌入式网络传输平台的设计与应用.pdf

四川大学硕士学位论文 基于m i p s 构架的嵌入式网络传输平台的设计与应用 专业：计算机应用技术 硕士生：熊伟指导教师：杨红雨 随着微处理器技术、互联网技术与通信技术的飞速发展，微型化和专业 化成为发展的趋势，嵌入式产品逐渐成为信息产业的主流。同时数字视频 技术应用广泛，要求其更加灵活地适应现场需求。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视频服务器为课题背 景，主要探讨嵌入式视频服务器网络传输平台设计的关键技术。主要内容 如下： 1 嵌入式系统的设计综述。介绍了以m i p s 微处理为核心，l i n u x 为 操作系统的嵌入式系统软、硬件的设计和调试的方法。 2 网络传输平台硬件设计。方案采用a d m 5 1 2 0 作为微处理芯片，使 用其芯片内部集成的s w i t c h 控制引擎实现网络传输的硬件支持，向 视频数据采集设备提供p c i 总线接口，并为方便调试设计了外围相 关电路。 3 网络传输平台b o o tl o a d e r 程序的设计及l i n u x 操作系统的加载。 平台采用嵌入式l i n u x 操作系统，本文详细阐述了l i n u x 引导部分 a d m b o o t 的设计过程，同时对l i n u x 加载作了简单的介绍。 4 。l i n u x 操作系统串口，实时时钟和网络驱动程序编写。基于 a d m 5 1 2 0 的网络设备驱动程序设计是本系统数据获取和网络传输 的重要部分，作者给出了各驱动程序的部分实现。 5 嵌入式网络传输平台的应用。本文中以视频数据采集和传输为例， 详细阐述了该网络传输平台的使用过程，并给出该应用的具体流 程。 以上研究成果已经应用到嵌入式视频服务器的项目中。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：m i p s ，l i n u x ，嵌入式系统，b o o tl o a d e r ，设备驱动程序 婴型奎兰堡主堂堡鲨奎 t h e d e s i g na n da p p l i c a t i o no fe m b e d e dn e t w o r kt r a n s f e r p l a t f o r mb a s e do nm i p sa r c h i t e c t u r e m a j o r ：c o m p u t e r a p p l i c a t i o n g r a d u a t e ：x i o n gw e ia d v i s o r ：y a n gh o n g y u w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r i e o m p u t e rt e c h n o l o g y 、i n t e m e t t e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，b e i n gm i c r oa n ds p e c i a lb e c o m e n e wt i 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 fi n f o r m a t i o n p 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 ot e c h n i q u e s r 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 nl l s e rr e q u i r e m e n t t h i st h e s i sm a i n l y d 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 kt r a n s m i s s i o np l a t f o r mb a s e d o i lt 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 tc o 1 t d n 塘m 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 s t h e s i si 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 g m e t h o do f t h es y s t e mw h i c ht a k e sm i p sm i c r op r o c e s s i n gl i n u xa st h e o 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 n p l a t f o r m t h e p r o p o s a li st oa d o p ta d m 5 1 2 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 e 1 0 0 ms w i t c he n g i n ei nt h ec h i pa n dt or e a l i z et h eh a r d w a r es u p p o ao f n e t w o r kt r a n s m i s s i o n , s u p p l y i n gp c ib u si n t e r f a c e f o rv i d e op r o c e s s e q u i p m e n t t of a c i l i t a t e t h ed 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 d p 商p h e r yc i r c u i t 3 t h ed e s i g no fb o o tl o a d e rp r o g r a mo fn e t w o r kt r a n s m i s s i o np l a t f o r m a n dt h el o a do f l i n u xo s t h ep l a t f o r mu s e se m b e d e dl i n u xo s t h i s p a p ee x p a t i a t e s i nd e t a i lt h ed e s i g np r o c e s so fl i n u xl o a dp a r t a d m b o o t a tt h es a n l et i m e ，l i n u xl o a a i n gi si n t r o d u c e ds i m p l y 4 t h ew r i t eo fu a r t 、r tt i m e ra n dn e t w o r kd e v i c ed r i v e rp r o g r a mi n 四川大学硕士学位论文 l i n u xo s t h ed e s i g no fn e t w o r kd e v i c ed r i v e rp r o g r a mb a s e do n a d m 5 1 2 0i st h em o s ti m p o r t a n tp a r to fd a t ag a i na n dt h en e t w o r k t r a n s m i s s i o no ft h i ss y s t e m t h i st h e s i sg i v e sp a r t i a ld e s i g np r o c e s so f r e s p e c t i v e 5 a p p l i c a t i o no fe m b e d d e dn e t w o r kt r a n s m i s s i o np l a t f o r m t h i st h e s i s t a k e st h ev i d e op r o c e s sa n dt r a n s m i s s i o nf o re x a m p l e ，a n dd i s c u s s e st h e u s a g eo fn e t w o r kt r a n s m i s s i o np l a t f o r m ，a n dg i v e st h ec o n c r e t ef l o wo f t h ea p p l i c a t i o n t h er e s e a r c hr e s u l ta 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 kv i d e o s e i v e r t 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 gm e t h o dm e n t i o n e di nt h i st h e s i si s f e a s i b l ea n dt h en e t w o r kv i d e os c d e i h a sg o o ds o c 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 ：m i p s ，l i n u x ，e m b e d d e ds y s t e m ，b o o tl o a d e r ，d e v i c ed r i v e r i i l 四川大学硕士学位论文 第一章引言 近年来，随着多媒体技术和网络技术的飞速发展，传统的视频监控领域面 临巨大的变革。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，过去多数以模拟图像监控为主，由于对图像的处理和传送均采用 模拟技术，不仅图像质量低，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，图像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 ) 为数字图像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 一1 、m p e g 2 、m p e g - 4 数字视频编码标准，为数字图像监控建立了国 际统一的技术规范，更加促进了数字视频监控的产业化发展。本章首先介绍 了视频监控的分类以及发展方向，接着介绍t n 大智胜软件股份有限公司开 发的嵌入式视频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 传统的视频监控产品是完全基于模拟技术的。前端摄像头产生模拟的视频 信号，通过视频电缆传输到监控中心，多路模拟视频信号经过多画面分割器 的处理得到单路混合视频信号在模拟的大屏幕上回放，并在专用的慢速模拟 录像机上记录备份。由于模拟视频信号在视频电缆上的传输具有一定的损耗， 为了保证图像质量，视频电缆不能过长。对于大范围内的视频监控系统，采 用模拟的监控方案很难解决，或者代价高昂到用户很难接受。另一方面，由 于采用模拟制式的慢速录像机进行视频图像记录，导致了备份时间长、保存 期限短、存放占用空间大、图像质量损失严重、检索不便等一系列问题。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 四川大学硕士学位论文 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一般分为两种类型，一种是基于微处理 器的视频切换控制加p c 机的多媒体管理，另一种是基于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 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、结构方式等方面都发生了很大的变 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于规范， 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、集中方式的信 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 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，现今市场上有两类数字视频监控系统类型，一类是以数字 录像设备为核心的视频监控系统，另一类是以嵌入式视频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 2 四川大学硕士学位论文 体监控主机，综合了视频矩阵、图像分割器、录像机等众多功能，使系统结 构大为简化，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储器或光盘存储器，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。但随着基于p c 机的视频监控录像系统的发 展，在实际工程使用过程中，暴露出一些不足，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，仅用浏览器即可观看。 ( 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，视频监控发展的最大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，根本上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、开放式的协议， 使视频监控系统与安防系统中其它各子系统间实现无缝连接，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 集中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。 四川大学硕士学位论文 1 1 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 统的科研开发嵌入式视频w e b 服务器是一款以嵌入式m c u 芯片和视频压 缩芯片为核心的集视频压缩及网络传输功能为一身的嵌入式服务器系统。它 能够将采集的视频数据压缩为m p e g 2 或m p e g 4 两种格式视频图像，并通过 网络接口将视频数据传送到监控客户端。本文所研究的嵌入式网络传输平台 是该嵌入式视频服务器的一个重要组成部分。 输 图1 1 硬件系统框图 嵌入式视频服务器的硬件结构如上图1 1 。视频压缩部分接收c c d ( c h a r g e c 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、压缩格式和进行网络传输；存储器提供程序运行的基本运行空间； 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。其中虚线框部分为嵌入式网络传输平台。 嵌入式视频服务器软件的主要组成如图1 2 ，操作系统采用m i p s l i n u x ， 主服务进程协调辅助服务进程和视频编解码进程进行压缩视频数据的获取和 网络传输控制；视频编解码进程完成视频数据的压缩；辅助服务进程接受控 制命令并进行相应操作：驱动程序与l i n u x 内核衔接完成硬件的相关操作。 4 四川大学硕士学位论文 i j 图1 2 软件系统框图 1 2 作者的主要工作 作者在2 0 0 4 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“嵌入式网络视频服务器”的项目开发过程中本文作者从事了系统 软硬件的设计和开发工作，实现内容主要包括以下几部分： 1 该系统的软硬件开发分开进行的，对开发的调试与测试大部分是由软 件完成的，本人完成开发板进行调试和测试。 2 b o o tl o a d e r 是负责对l i n u x 启动和加载的至关重要的部分，其软件编 写是一大难点，本文作者顺利完成a d m b o o tl o a d e r 引导程序的开发 和调试工作。 3 移植嵌入式l i n u x 操作系统，完成l i n u x 底层驱动的开发，包括网络， 实时时钟，和串口驱动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 出了详细地论述。 4 l i n u x 应用层服务程序开发。编写主服务进程，实现了经视频编解码 进程压缩后的视频数据的获取和对该数据的网络传输及控制部分的 编码工作 四川大学硕士学位论文 1 3 作者发表的学术论文 v x w o r k s 下设备驱动程序实现机制分析发表在重庆工商大学学报， 第一作者。 1 4 论文基本结构 本文论述主要内容包括五个部分： 1 系统设计综述。首先从总体上描述整个系统的软硬将特性，然后介 绍了嵌入式系统的开发模式及系统硬件开发平台和软件调试环境 的搭建。 2 系统硬件平台设计。主要描述系统硬件电路设计，包括电源、 n o r f i h 存储器、u s b 、串口以及网络接口电路的设计。 3 软件平台构建。详细论述了b o o tl o a d e r 具体实现流程和l i n u x 内 核移植方法和过程。 4 1 i n u x 设备驱动程序设计。针对系统串口、实时时钟和网络等接口， 描述了l i n u x 设备驱动的实现，并给出部分源码。 5 基于平台的嵌入式视频服务器应用。首先给出了嵌入式网络传输平 台所提供的接口和服务，在此基础上实现了基于平台的嵌入式视频 服务器的运用实例。 6 四川大学硕士学位论文 第二章系统设计综述 当前，人类进入信息爆炸的时代，各类信息极度丰富，数字信息技术和网 络技术的高度发展，只有借助于各种计算机，才能够对各类信息进行处理， 它们已不再局限于以前的p c ，而是包含形态各异、性能干差万别的嵌入式系 统来完成。本章概要介绍了嵌入式系统的一般概念，同时对于m i p s 系列嵌 入式微处理器和嵌入式l i n u x 操作也作了一般性讨论，以及嵌入式系统的特 点，在本章的最后对嵌入式视频服务器网络传输平台的硬件设计，软件设计 以及调试模式作了简单的论述。 2 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适 合应用系统对功能、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1 6 】。在嵌入式系统中，计算机系统一般作为智能终端 控制部件嵌入到整个应用系统中，是整个系统的控制中心，主要用于对系统 的信息处理部件和用户交互界面加以控制。在这种情况下，用户并不知道嵌 入式系统的存在，系统控制软件一般被固化在嵌入式计算机中，嵌入式计算 机一般不需要被用户重新编程，通过特殊的输入、输出设备与系统进行交互。 任何嵌入式系统都包括硬件和软件两个方面。硬件包括处理器微处理器、 存储器及外设器件和i 0 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件 ( 0 s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序。应用软件控制着嵌入式系统的 运作和行为，而操作系统则为应用程序提供必要的底层支持，它一般是通过 提供应用编程接口( a p i ) 来实现的。t 2 2 1 因为嵌入式系统是面向应用、产品和用户的，具体的应用将决定对硬件和 软件的需求，如芯片、存储器、i 0 扩展和操作系统、应用程序编制等。和通 用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软件的需求，如芯片、存储器、i 0 扩展 和操作系统、应用程序编制等。和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软 件都必须高效率的设计，量体采用，去除冗余，尽量以最小的系统、最低的 7 四川大学硕士学位论文 成本去实现目标功能。它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能 够吧通用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，跟网络的结合也越来越紧密。 【1 3 】【6 1 1 2 2 l 嵌入式系统具与一般p c 机不同的特点： 2 1 1 硬件特性 嵌入式系统总是面向特定应用的，与通用p c 的硬件相比，它的硬件系统 具有以下特性：【刀【1 5 】【l 9 】 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 应时间，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各种应用需求的高 性能嵌入式微处理器。 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 2 1 2 嵌入式操作系统和应用软件特性 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1 2 1 、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、软件固态化以及应 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 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：1 6 1 嵌入式软件的研发与硬件紧密相关。由于嵌入式软件的开发是针对具 8 四川大学硕士学位论文 体硬件平台进行的，硬件驱动方面的开发是软件开发的重要一部分。 软件代码高效率和高可靠性。由于嵌入式系统中软件运行空间有限， 内存，因此在软件的编译过程中必须时刻注意软件的运行效率，并选 用高质量的编译工具。嵌入式软件还具有异常处理、快速复位等特点。 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备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也 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 川p s 微处理器 m i p s 是m i c r o p r o c e s s o rw i t l l o mi n t e r l o c k e dp i p e l i n es t a g e s ( 无内锁流水段 微型计算机) 的缩写，是一种处理器内核标准，它是由m i p s 技术公司开发 的。m i p s 技术公司是一家设计制造高性能、高档次的嵌入式3 2 位和6 4 位处 理器的厂商，在r i s c 处理器方面占有重要地位。m i p s 公司设计r i s c 处理 器始于2 0 世纪8 0 年代初；1 9 8 6 年推出r 2 0 0 0 处理器：1 9 8 8 年推出r 3 b o o i 处理器；1 9 9 1 年推出第一款6 4 位商用微处理器r 4 0 0 0 之后，又陆续推出 r 8 0 0 0 ( 于1 9 9 4 年) 、r 1 0 0 0 0 ( 于1 9 9 6 年) 和r 1 2 0 0 0 ( 于1 9 9 7 年) 等型号。之后， m i p s 公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。1 9 9 9 年，m i p s 公司发 布m i p s3 2 和m i p s 6 4 构件标准，为未来m i p s 处理器的开发奠定了基础。新 的架构集成了原来所有的m i p s 指令集，并且增加了许多更强大的功能。m i p s 公司陆续开发了高性能、低功耗的3 2 位处理器内核( c o r e ) m i p s3 2 4 k e 与高性 能6 4 位处理器内核m i p s6 45 k e 。2 0 0 0 年，m i p s 公司发布了针对m i p s 3 2 4 k c 的新版本以及未来6 4 位m i p s6 42 0 k e 处理器内核。为了使用户更 加方便地应用m i p s 处理器，m i p s 公司推出了一套集成的开发工具，称为 m i p si d f ( i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n tf r a m e w o r k ) ，特别适用于嵌入式系统的开 发。【2 】 m i p s 技术公司既开发m i p s 处理器结构，又自己生产基于m i p s 的3 2 位 6 4 位芯片。m i p s 的定位很广，在高端它有6 4 位的2 0 k c 家族，在低端市 场有s m a r t l v l l p s 。由此可见m i p s 芯片的使用领域确实极为广泛。m i p s 技术 o 四川大学硕士学位论文 公司3 2 位的嵌入式处理器m i p s 3 2 t m 体系的特性如下：【2 l 与m i p sl 和m i p si i 指令体系( i s a ) 完全兼容。 增强的状态传送及数据预取指令。 标准的d s p 操作：乘( m u l ) 、乘加( m a d d ) 及c o u n tl e a d i n g0 l s ( c l z 0 ) 。 优先的c a c h ec o n t r o l 操作。 向上与m i p s6 4 体系兼容。 3 2 个3 2 位的通用寄存器( g p r s ) ；2 个乘除寄存器( h i 和l o ) 。 可选的浮点数支持：3 2 个单精度3 2 位或者1 6 个双精度“位浮点数 寄存器( f p r s ) 、浮点状态代码寄存器。 可选的存储器管理单元 i m u ) ：t l b 或b a t 地址翻译机制、可编程 的页面大小。 可选的c a c h e ：可选择指令缓存和数据缓存大小，数据缓存可选择 w r i t e b a c k 或w r i t e t h r o u g h 方式、支持虚拟地址或物理地址方式。 增强的j t a g ( e j t a g ) 提供不受干扰( n o n - i n t r u s i v e ) 的调试支持。基于 这些特性，m i p s 芯片被广泛应用于以下环境： m 1 p s 3 2 t m 及其兼容处理器定位于高性能、低功耗的片上系统 ( s y s t e m - - - o n c h i p ) 等嵌入式应用 应用于：便携式计算系统：手持或掌上电脑、信息电器、数字信息管 理：便携式通信设备：便携式电话( c e l l a rp h o n e ) 、下一代3 g 手持设备、 智能电话( s m a r tp h o n e ) 、可视电话( s c r e e np h o n e ) ；数字消费产品： 数字相机( d i s t a lc a m g r a s ) 、机顶盒( s t b ) 、游戏平台( g a m ep l a t f o r m ) 、 d v d 播放器；办公自动化设备：打印机、复印机、扫描仪、多功能 外设；工业控制：仓库存储系统、自动化系统、导航系统( g p s ) 、图 形系统、精细终端( p o s 、a t m 、e c a s h ) 嵌入式网络传输平台采用i n f i n e o n 公司的a d m 5 1 2 0 处理器芯片，此芯片 采用m i p s4 k e 核，除了具有m i p s 3 2 系列微处理器一般的特性外，还具有如 下特点：1 1 0 】 集成m i p s 4 k c 内核，具有a s i c 。 1 0 四川大学硕士学位论文 1 7 5 m h z 运行时有2 2 7 m i p s 处理能力。 8 k b 的数据c a c h e ，8 k b 的指令c a c h e 。 全功能m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ( m m u ) 一3 2 - e n t r yt l b ，o r g a n i z e da s 1 6e n t r yp a i r s 。 支持s d r a m ，s r a m ，n o rf l a s h 和n a n df l a s h 的无缝连接。 支持n o rf l a s hb o o t 和n a n df l a s hb o o t 系统启动。 支持i e e e8 0 2 3f a s te t h e m e t 标准；内嵌网络m a c 层和1 0 1 0 0 m 的 以太网接口物理层芯片；支持5 个l a b 接口和一个w a n 接口。 具有一个支持3 个主设备的p c i 桥。 两个u s b1 1h o s t 八个3 2 位的p i o 控制器 2 3 嵌入式l i n u x 特点 嵌入式系统所具有的特殊要求包括嵌入式系统有不同程度的实时性要求； 嵌入式系统在体积、功能、能耗等方面受具体工作环境和开发、生产成本限 制；嵌入式系统的软硬件环境复杂多变，其操作系统根据这些环境实现可移 植性、可配置性和可裁减性，以便能灵活地适应不同应用的需要。【5 j 将l i n u x 应用于嵌入式环境，其具有以下特点： 5 1 1 2 5 l 1 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。 2 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 t o r s 等文件系统，为开发嵌入式系统应用打下 了很好的基础。 3 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工具的障碍。l i n u x 也 符合i e e ep o s i x 1 标准，使应用程序具有较好的可移植性传统的 1 1 四川大学硕士学位论文 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，完成监视和调试程序；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 i n u x 一旦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l i n u x 为开发者提供了一套完整的工具链( t o o l c h a i n ) 它利用g n u 的g e e 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。 4 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 lx 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 嵌入式视频服务器网络传输平台开发模式 图2 1 嵌入式系统的硬件软件协同开发模式 嵌入式视频服务器网络传输平台的设计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来验证硬件系统功 1 2 四川大学硕士学位论文 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。1 2 j 2 4 1 硬件平台设计 嵌入式视频服务器首先将采集的视频数据送入v w 2 0 0 5 视频压缩芯片进 行视频压缩，而后通过p c i 总线将数据送给微控制器，m c u 接受到数据后通 过l i n u x 应用程序通过网络实时传输至监控系统客户端。由于视频数据虽已 经过压缩但仍具有很大的数据量，对于网络的传输负载要求很高，同时为了 便于在本地直接存储，系统通过u s b 接1 3 直接将该数据保存在可移动硬盘中。 根据上述嵌入式视频服务器的功能要求，选用i n ! i n e o n 公司的a d m 5 1 2 0 处理 器芯片作为m c u 。本系统以a d m 5 1 2 0 处理器芯片为核心，配备n o rf l a s h 、 n a n df l a s h 、s d r a m 、u s b 接1 3 、实时时钟、串口转换等芯片完成系统所 要求的核心模块，系统结构框图如图2 2 。详细的硬件设计原理详见第三章。 出 图2 2 系统结构框图 2 4 2 软件平台设计 l i n u x 以其内核稳定、功能强大、支持多种硬件平台、应用软件繁多、兼 容性好、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 四川大学硕士学位论文 了强大的物质基础。软件平台一般包括如下四部分： 6 1 1 2 5 1 b o o tl o a d e r 引导程序。能实现系统的快速引导，首先完成对c p u 环 境的最初初始化，如：芯片引脚、外部控制器、输入输出设备等，然 后负责将l i n u x 内核加载到内存，将控制权交给内核初始化程序。具 体工作包括：寻找或将指定的内核映像文件解压至内存，然后解压文 件系统，将控制权移交给内核。 2 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、 进程间通信、网络管理、系统启动等构成。 3 设备驱动程序。设备驱动程序是内核的一部分，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。 4 应用程序。嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬 件平台，用来达到用户预期目标的计算机软件，由于用户任务可能有 时间和精度上的要求，因此有些嵌入式应用软件需要特定嵌入式操作 系统的支持。嵌入式应用软件和普通应用软件有一定的区别，它不仅 要求其准确性、安全性和稳定性等方面能够满足实际应用的需要，而 且还要尽可能地进行优化，以减少对系统资源的消耗，降低硬件成本。 2 4 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 上编写软件是不可行的。这里，采用的办法是，先在通用计算机上编写程序， 然后，通过交叉编译，生成目标平台上可运行的二进制代码，最后通过串口 或者网i l t 载到目标平台上的特定位置上运行，具体步骤如下：【1 5 】【1 9 】【2 5 l 第一步，建立嵌入式l i n u x 交叉开发环境。这里采用开放的交叉开发环境， 典型的代表是g n u - 1 - 具链，目前已经能够支持x 8 6 、a r m 、m i p s 、p o w e r p c 等多种处理器。交叉开发环境是指编译、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。 1 4 四川大学硕士学位论文 第二步，交叉编译和链接。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i n t 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m i p s 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m i p s 体系结构， 采用g e e 交叉编译工具。l i n u x 的b o o t l a d e r 程序与内核需要分别搭建交叉编 译环境。b o o tl o a d e r 部分是在w i n d o w s 下进行，首先在w i n d o w s 安装一个 模拟l i n u x 环境的工具e y g w i n ，所有b o o tl o a d e r 程序在e r g w i n 中完成，使 用m i p s i s a 3 2 - e l f - g c e 交叉编译器和m i p s i s a 3 2 e l f - l d 交叉链接器。对于l i n u x 内 核部分的编译在r e d h a tl i n u x 环境下进行，采用m i p s e l 1 i n u x g e e 作为交叉编 译器，m i p s e l 1 i n u x - l d 作为交叉链接器。编写好的嵌入式软件经过交叉编译和 链接后，通常会生成两种类型的可执行文件：用于调试的可执行文件和用于 固化的可执行文件。 嵌入式系统在链接过程中通常都要求使用较小的函数库，以便最后产生的 可执行代码能够尽可能地小，因此实际运用时一般使用经过特殊处理的函数 库。对于嵌入式系统来讲，功能越来越强、体积越来越大的c 语言函数库g l i b e 和数学函数库l i b m 已经很难满足实际的需要，因此需要采用它们的简化版本 u c l i b e 、u c l i b m 和n e w l i b 等。 第三步，交叉调试。调试是软件开发过程中必不可少的一个环节，而在嵌 入式软件开发中，调试时采用的是在宿主机和目标机之间进行的交叉调试， 调试器仍然运行在宿主机的通用操作系统之上，但被调试的进程却是运行在 基于特定硬件平台的嵌入式操作系统中，调试器和被调试进程通过串口或者 网络进行通信，调试器可以控制、访问被调试进程，读取被调试进程的当前 状态，并能够改变被调试进程的运行状态。 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