（计算机应用技术专业论文）嵌入式设备接入hpc系统关键技术研究.pdf

摘要 摘要 基于l i n u xo s 的嵌入式装置由于其小型紧凑、接口丰富、价格低廉、抗恶劣 环境、源代码公开等特性，目前被大量用作许多控制系统的终端设备和通信设备， 承担着数据采集、数据交换及命令执行的重任。由于软硬件资源的限制，嵌入式 设备通常不具有较高的智能，难以承担大中型实时系统的复杂数据处理和控制策 略优化任务，这部分工作需要由控制中心的高性能计算机( h p c ) 来完成。由此需 要研究嵌入式设备到h p c 系统间的接入系统。由于控制系统前后端之间的通信可 能面临数据量巨大、时延敏感、缺乏有线信道等问题，因此设计并实现高性能的 接入方案并非轻而易举的事情。 本课题源于“9 8 5 一工程“智能信息技术 项目的需要，对嵌入式装置到中心 机房高性能计算机接入系统的关键技术进行研究，并实现了一个架构于s c m 一7 0 5 0 嵌入式核心板的图像采集装置接入h pr x 4 6 4 0 小型机的d e m o 系统。课题研究的主 要工作包括： ( 1 ) 针对核心板硬件平台进行l i n u x 内核的剖析与精简、硬件驱动程序的改 造、内核向f l a s h 芯片的移植，以及引导程序的设计与烧写； ( 2 ) 在嵌入式l i n u x 平台上完成实时图像采集、传输、回放以及云台控制等一 系列软件开发接口和扩展功能模块的设计； ( 3 ) 针对控制系统地域分散，受控点通信不便等特点，进行了基于g p r s 的无 线通信信道的设计： ( 4 ) 在详尽剖析l i n u x 内核t c p i p 实现机制的基础上，结合接入系统的通信 需求，改造内核的t c p i p 协议栈，提高传输性能； ( 5 ) 分析s m p 与m p p 两种计算机系统实现高性能计算的软件支撑平台，使用 o p e n m p 函数库在小型机上实现一个并行图像处理的示例程序。 课题的创新点首先体现在集成与应用的创新：运用高端接入系统实现嵌入式 装置与h p c 计算机的无缝对接，优势互补，为建立大规模高性能控制系统提供基 础框架；其次是在改造l i n u x 内核的t c p i p 协议栈时，引入数据对象和对象池双 重管理机制来管理数据单元，类似于c p u 内存访问中的一级和二级缓存，以提高 嵌入式设备接入h p c 系统关键技术研究 内存的利用率以及硬件缓存区级系统总线的利用率。 课题进一步的研究内容包括：运用软构件技术改造系统，提高构建各种控制 系统中的软件可重用性；针对通信需求进一步优化内核的t c p i p 协议栈，提高接 入信道的吞吐量与实时性；本课题研究的侧重点在于接入系统，对于后端高性能 并行计算的算法研究属于另一层面的研究范畴，本文只是做了例证，这方面的研 究有待深入。 关键词：嵌入式；t c p i p 协议；l i n u x 系统 a b s t r a c t b e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i c ss u c h 鹤s m a l l - s i z ea n dc o m p a c t , r i c hi n t e r f a c e s ，l o w e r 硼c c , g o o da d a p t a b i l i t ya n do p e n $ o u g c ec o d e , e m b e d d e dd e v i c e sb a s e do nl i n u xo s c u r r e n t l yh a v eb e e nu s e dw i d e l y 勰t e r m i n a la n dc o m m u n i c a t i o nu n i t sb ym a n yc o n t r o l s y s t e m s ，a s s u m i n gi m p o r t a n tt a s k so fd a t ap r o c e s s i n g , d a t ae x c h a n g i n g ，c o m m a n d e x e c u t i n g h o w e v e r , d u e t oi t sr e s t r i c t i o no nh a r d w a r ea n ds o f t w a r er e s o u r c e s ， e m b e d d e dd e v i c e su s u a l l yp o s s e s sn e i t h e rs u p e r i o ri n t e l l i g e n c en o ra b i l i t yt op e r f o r m t a s k so fc o m p l e xd a t ap r o c e s s i n go rc o n t r o l - s t r a t e g yo p t i m i z i n gf o rl a r g eo rm e d i u m r e a l - t i m es y s t e m c o n s i d e r i n gt h a tt a s k sm e n t i o n e da b o v en e e dt ob ec o m p l e t e db y h i g h - p e r f o r m a n c ec o m p u t e r ( h p c ) o ft h ec o n t r o l l i n gc e n t e r , i ti sn e c e s s a r yf o ru st o l a u n c hr e s e a r c h e so nt h ea c c e s st e c h n o l o g yb e t w e e ne m b e d d e dd e v i c e sa n dh p c s y s t e n x t h ep o s s i b i l i t yo fs u c hp r o b l e m sa sm a s sd a t a , t i m e - d e l a ys e n s i t i v i t y , a n dl a c ko fw i r e c h a n n e lm a k e sh i g h - e f f i c i e n ta c c e s ss c h e m en o ta ne a s yt l l i l 玛 o r i g i n a t i n g 触 t h ei n t e l l i g e n c ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , a ni t e mp e r t a i n i n gt o t h e9 8 5p r o j e c t , t h i si s s u eh a sw o r k e do nk e yt e c h n o l o g yf o rt h ea c c e s ss y s t e mb e t w e e n e m b e d d e dd e v i c e sa n dh p cs y s t e m ，a n dd e v e l o p e dad e m os y s t e mt h a ta c h i e v e dt h e c o n n e c t i o no fi m a g ec o l l e c t i n gu n i tw o r k i n go nt h es c m 一6 2 3 7e m b e d d e dc o r ec l i pa n d h pr x 4 6 4 0m i n i c o m p u t e r t h em a i nw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o nc a nb es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： ( 1 ) a n a t o m i z i n ga n ds i m p l i f y i n gl i n u xk e r n e l ，r e v i s i n gh a r d w a r ed r i v e rp r o g r a m , t r a n s p l a n t i n gk e r n e lt of l a s hc l i p ，d e s i g n i n ga n db u r n i n gb o o t l o a d e rp r o g r a mo nt h e h a r d w a r ep l a t f o r mo f c o r ec l i p c 2 ) i m p l e m e n t i n gas e r i e so fs o f t w a r ed e v e l o p m e n ti n t e r f a c ef o ri m a g er e a l - t i m e a c q u i s i t i o n , t r a n s f o r m a t i o n , b a c k - f o r w a r ds h o w i n ga n dp t zc o n t r o l l i n ga sw e l l 笛t h e d e s i g no fe x p a n s i o nf u n c t i o nm o d u l eo nt h ee m b e d d e dl i n u xp l a t f o r m ( 3 ) d e s i g n i n gw i r e l e s s - c o m m u n i c a t i o nc h a n n e lb a s e do ng p r s ，a i m i n g a t p r o b l e m so fd i s p e r s e dc o n t r o l l i n gs y s t e ma n di n c o n v e n i e n c ec o m m u n i c a t i o na m o n g 嵌入式设备接入h p c 系统关键技术研究 s u p e r v i s e dp o i n t s ( 4 ) o nt h eb a s i so fd e t a i l e da n a l y s i so nr e a l i z a t i o nm e c h a n i s mo ft c p i pf o rl i n u x s y s t e mk e r n e l ，c o m b i n e d 谢t l it h ec o m m u n i c m i o nr e q u i r e m e n t sf o ra c c e s ss y s t e m ， r e v i s i n gt h et c p i pp r o t o c o ls t a c kt oe n h a n c et h et r a n s f o r m a t i o np e r f o r m a n c e ( 5 ) a n a l y z i n gt h es o f t w a r ep l a t f o r mf o rs m pa n dm p pc o m p u t i n gs y s t e mt or e a l i z e h i g h - p e r f o r m a n c ec o m p u t i n g ，a n dc a r r y i n go u tad e m op r o g r a mf o rp a r a l l e li m a g e p r o c e s s i n gw i t ho p e n m pl i b r a r y t h ei n n o v a t i o no ft h ei s s u ei sc h i e f l ye m b o d i e di n t h ef o l l o w i n g ： f i r s ti nt h ei n t e g r a t i o na n da p p l i c a t i o n , u t i l i z i n gh i g h - l a y e ra c c e s ss y s t e mt or e a l i z e s e a m l e s sc o n n e c t i o nb e t w e e ne m b e d d e dd e v i c e sa n dh p cs y s t e m ，t h u st om a k eu o f t h ea d v a n t a g e sf r o mb o t hs i d e sa sw e l la s p r o v i d ef u n d a m e n t a lf r a m e w o r kf o r l a r g e - s c a l eh i g h - e f f i c i e n tc o n t r o ls y s t e m s e c o n di nt h er e b u i l d i n go ft c p i p p r o t o c o ls t a c k , i n t r o d u c i n gt h e d o u b l e m a n a g e r i a lm e c h a n i s mo fd a t a - o b j e c ta n do b j e c tp o o lt om a n a g ed a t au n i t s ，w h i c hi s s i m i l a rt of i r s tc a c h ea n ds e c o n dc a c h eo fc p um e m o r ya c c e s s i n g ，t h u se n h a n c i n g u t i l i z i n gr a t eo f t h em e m o r ya n dt h a to f t h es y s t e mb u si nt h eh a r d w a r eb u f f e r f u r t h e rr e s e a r c hi n c l u d e s ：t oi m p r o v et h er e u s a b i l i t yo fs o f t w a r ei nt h ea s p e c to f r e b u i l d i n gc o n t r o l l i n gs y s t e mw i t hs o f t r e b u i l d i n gt e c h n o l o g y ；t of u r t h e ro 如m i z e t c p 口s t a c ki nc o n s i d e r a t i o no fc o m m u n i c a t i o nd e m a n di no r d e rt oi n c r e a s ec h a n n e l t h r o u g h p u ta n di t sr e a l - t i m ee f f i c i e n c y ；t h ea r t i c l ef o c u s e so na c c e s ss y s t e m ，a n do n l y o f f e r s e x e m p l i f i c a t i o n o nt h er e s e a r c ho fb a c k w a r dh i g h - p e r f o r m a n c ep a r a l l e l c a l c u l a t i o nw h i c hb e l o n g st oa n o t h e rc a t e g o r ya n dn e e d sf u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：e m b e d d e d ；t c p i p ；l i n u xs y s t e m 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文 中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责 任。 声明人( 签名) ：夕垄众及 o 年石月fe l 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子 版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校 图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，有 权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用 本规定。 本学位论文属于 l 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( 4 ) ( 请在以上相应括号内打“4 ) 作者签名：碧觋 导师签名： 育壶够 日期：咿厶月日 日期：6 - 7 年f 月e l 第一章绪论 1 1 研究背景及课题意义 第一章绪论 当今社会逐渐步入网络时代，i n t e m e t 已成为重要的基础信息设施。这方面的 技术进步对于社会各个方面产生了积极的影响，许多领域都在不断探索、开发和 利用网络的潜力。 高性能计算( h i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t i n g ，h p c ) 是计算机科学的一个分支， 它致力于开发超级计算机，研究并行算法和开发相关软件，运用有效的算法，快速 完成科学研究、工程设计、金融、工业以及社会管理等领域内具有数据密集型、 计算密集型和i o ( 数据输入输出) 密集型的计算。依据应用模式，高性能计算应 用需求可分为能力计算和容量计算。能力计算( c a p a b i l i t yc o m p u t i n g ) 是一种基于 大规模数据的计算需求，主要目的在于缩短计算时间，以期得到强大的处理性能【1 1 ； 容量计算( c a p a c i t yc o m p u t i n g ) 是一种基于较小规模数据的计算需求，其目的在 于提高吞吐性能，尽可能地高效执行多个处理任务。 目前，高性能计算所需的计算能力和存储能力较之同年代的p c 机高出几十倍 到几万倍。在实时图像检测分析、生物工程、新药研制、石油物探、运载器设计 ( 航空航天、舰船、汽车) 、材料工程、核爆模拟、尖端武器制造、密码研究和各 类大规模信息处理等方面应用广泛【2 】。 以信息家电为代表的互联网时代的嵌入式产品，不仅为嵌入式市场展现了美好 前景，注入了新的生命；同时也对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出了新的 挑战，主要包括支持日趋增长的功能密度、灵活的网络接入技术、轻便的移动应 用以及多媒体的信息处理。人们对于网络的需求不仅仅表现在嵌入式信息设备硬 件的连通，而是要求实现互联网上所有资源的全面共享，包括计算资源、存储资 源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源等，最终实现网络虚拟环境的资 源共享和协同工作，消除信息孤岛和资源孤岛。 由于软硬件资源的限制，目前大多数嵌入式系统还处于单独应用的阶段，以单 个微处理为核心，与一些检测、伺服、指示、控制设备配合实现一定的功能，通 嵌入式设备接入h p c 系统关键技术研究 常不具有较高的智能，难以承担大中型实时系统的复杂数据处理和控制策略优化 任务，这部分工作需要由控制中心的高性能计算机( h p c ) 来完成f 3 】o 由此需要研 究嵌入式设备到h p c 系统间的接入系统。同时，控制系统前后端之间的通信可能 面临数据量巨大、对时延敏感、缺乏有线信道等问题，这也是目前接入系统所面 临的困境。 将各种嵌入式设备接入高性能计算机是结合二者优势、实现前端嵌入式数据采 集、后端h p c 高速实时的数据处理分析的前提和关键。实现这种接入一方面将极 大提高设备的计算能力和智能化水平，另一方面也将丰富高性能计算机的数据资 源与应用范畴。 1 2 嵌入式接入技术概述 嵌入式系统以应用为中心，以半导体技术、控制技术、计算机技术和通讯技术 为基础，强调硬件软件的协同性与整合性，软件与硬件可剪裁，以满足系统对功 能、成本、体积和功耗等要求【4 】。主要作用是实时控制、监视、管理移动计算机、 数据处理等，或者辅助其它设备运转，完成各种自动化处理的任务。最简单的嵌 入式系统仅有执行单一功能的控制能力，在唯一的r o m 中仅有实现单一功能的控 制程序，无微型操作系统。复杂的嵌入式系统，例如个人数字助理( p d a ) 、手持电 脑等，具有与p c 几乎一样的功能，与p c 的区别仅仅是将微型操作系统与应用软 件嵌入在r o m 、r a m 与f a l s h 存储器中，而不是存贮于磁盘等载体中。 本质上，嵌入式接入技术是将各种嵌入式设备通过网络与高性能计算机进行连 接，嵌入式设备只专注于实时数据采集、系统控制等轻量级服务，而海量数据的 实时分析处理、复杂操作等交由后端高性能计算机( 肿c ) 进行，充分发挥两者 的优势，实现普通桌面应用系统所不能达到的服务性能。嵌入式接入技术的难点 在于：如何利用嵌入式系统自身有限的资源对信息进行处理，实现实时快速的数 据传输1 5 l 。 随着工业以太网传输速度的不断提高以及交换技术、全双工工作方式等技术的 融入，以太网与工业通信网络的差距在逐步缩小。以太网本质上是一个物理层与 链路层的协议，它规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容， 第一章绪论 但由于在t c p i p 体系的网络接口层中占有较高的市场份额，作为网络互连通用工 业标准的t c w i p 体系在协议规范中也不得不充分考虑底层以太网的限制。虽然 t c p i p 并不是专为以太网而设计的，但实际上它们现在已经不可分离了。架构在 以太网上的网络层和传输层协议基本上己经统一到t c p f l p , 这已为大多数工业控 制器厂家所接受。然而现有i n t e m e t 技术的t c p i p 协议比较复杂，内容非常丰富， 主要适用于与p c 的连接。因此，降低硬件成本，对t c p i p 协议的改进有特别现 实的意义。嵌入式接入技术是在嵌入式系统的基础上实现网络化，使嵌入式系统 能够实现t c p i p 网络通信协议，并通过以太网接入。 将嵌入式系统与t c p i p 协议融合到一起主要有两种方法： 硬件方式：使用已有的t c p f l p 芯片直接作为以太网口。这种方法的优点 是可靠性高，执行速度快，但往往硬件电路复杂，价格昂贵，硬件成本高。 软件方式：将t c p i p 协议以软件方式嵌入到嵌入式系统的r o m 中。 目前，嵌入式网络接入技术有如下几种实现方案： ( 1 ) p c 网关( g a t e w a y ) 与专用网结合接入因特网。此方法采用专用网络( 如 r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，c a nb u s 等) 把- d , 批单片机连接在一起，然后再将该专用网络连接 到一个p c 上，该p c 作为网关将专用网络上的信息转换为t c p i p 协议数据包， 然后发到网上实现信息共享。该方案可以连接多种单片机。专用网可以理解为m c u 与w e b c h i p ( 独立于微控制器的专用网络接口芯片) 相结合组成的网络。 ( 2 ) 3 2 位嵌入式微控制器( m c 与实时多任务操作系统( r t o s ) 结合接入 i n t e m e t 。此方法采用3 2 位的高档单片机，在r t o s ( 实时多任务操作系统) 的平台 上进行软件开发，在嵌入式系统中实现t c p i p 的协议处理。 ( 3 ) 嵌入式微控制器( m c u ) 通过专用虚拟软件包或t c p i p 协议芯片来实现 t c p f l p 协议接入因特网。这个方案是由m c u 及固化了t c p f l p 协议的芯片组成应 用系统的核心。应用系统可以直接拨号上网，硬件电路相对简单，但需要大容量 的存储器，如果所用的t c p f i p 协议芯片是软件固化的，还要求m c u 有较高的运 行速度。 ( 4 ) 嵌入式微控制器o c m 与e r n w a r e 公司开发的嵌入式微i n t e r a c t 技术( e m i t ： e m b e d d e dm i c r oi n t e m e t w o r k i n gt e c h n o l o g y ) 结合，采用e m g a t e w a y 协议来接入因 嵌入式设备接入h p c 系统关键技术研究 特网。在应用系统的m c u 内部使用e m n e t 协议，再通过e m g a t e w a v 与i n t e m e t 连接。 ( 5 ) 嵌入式微处理器与网络控制器结合接入i n t e r n e t 。采用嵌入式微控制器结 合通用的网络接口芯片的方法，可以解决以中低速微控制器为核心的嵌入式系统 接入i n t e m e t 的问题。采用这种实现方案，微控制器只要对网络接口芯片进行控制 和通信，就可以实现嵌入式系统的网络接入。 1 3 论文的组织结构 本文以嵌入式数字图像采集系统为背景，将嵌入式操作系统技术、计算机网络 技术、嵌入式接入技术结合于一体，对嵌入式视频图像传输的核心技术、嵌入式 操作系统的网络接入技术进行了深入研究与探讨。 第一章为绪论，概述了国内外嵌入式系统网络接入研究的发展近况，全面介绍 了嵌入式系统网络接入技术。 第二章实现了一个架构于s c m 6 2 3 7 嵌入式核心板的图像采集装置接入i i p r x 4 6 4 0 小型机的d e m o 系统，完成嵌入式设备到h p c 的接入，并通过此实例来 深入说明嵌入式设备网络接入h p c 系统的基本原理、组成和结构。 第三章着重研究、讨论了l i n u x 平台下的t c p i p 协议栈，通过对t c p i p 协议 栈内部结构剖析，结合核心态内存管理的特点，对l i n u x 内核t c p i p 协议栈数据 管理机制进行了部分改进，提出了数据对象的概念，将数据包由专门的结构进行 管理。 第四章对改进后协议栈的处理时间测量做了初步的分析，设计了一种基于检测 点的测试方案，并给出了测试的具体实现。 第五章对本文的工作进行了总结，并对下一步的工作提出了建议和设想。 第二章嵌入式接入系统整体设计方案 2 1 总体框架 第二章嵌入式接入系统整体设计 嵌入式接入系统由图像采集子系统和图像分析子系统两部分组成，其整体结构 如图2 1 所示： c p u l 曝丽印 i ，o 控制芯片 1 视频采集卡 掣 a s - z 3 ：z , n i一云台控制器1 i 廿c 服务器 d o c 电子盘 彰 无线局鼍冉 l 埴扭 鏖蓦 一8 0 2 1 l 魄无线 - $ 0 2 i i b g 无线 h u b 黪0 j _ 一光纤接入口 r t l 8 1 3 9 c 以太 黪o 鞫 i ! j r 1 网卡 豳 l 桑荣g p r s 模块 桑荣g p r s 模块 ，虬m 螯 嵌入式系统 露窭g 凇露婴器慧露登缓婴夏墨1人 远程终端用户 图2 - 1 嵌入式接入系统的总体框架 2 2 嵌入式图像采集子系统设计与实现 2 2 1 嵌入式前端硬件平台 嵌入式前端硬件设备【6 】主要是包含c p u 模块的核心板和基于p c i 总线的 s y s e x p a n m o d u l e d v c m 高速图像采集卡，两者采用自栈式连接。 核心板选用深圳盛博科技公司的s c m 7 0 5 0 ，它是一种高度集成、自栈结构、 嵌入式设备接入h p c 系统关键技术研究 i b m p c a t 兼容的p c 1 0 4c p u 模块。采用x 8 6 兼容的3 2 位第六代微处理器，支 持m m x t m 指令集扩展，最高运行速度可达3 0 0 m h z ；在板包括了所有p c a t 兼 容的d m a 控制器、中断控制器及定时器；1 2 8 m b3 3 v 的s d r j 气m ；i o i o o m 自 适应以太网模块及高性能图形处理器。在板提供了丰富的外设接口，包括双向并 行口、串行口、e t h e m e t 接口、调试用软硬盘接口、一个外接后备电池支持实时时 钟、p s 2 键盘鼠标接口，为嵌入式操作系统及其上层软件提供了一个强大的硬件 处理平台。 核心板还提供了单字节宽存贮芯片插座，支持固态f l a s h 存储介质如 d i s k o n c h i p 2 0 0 0 ( d o c ) 电子盘。d o c 广泛应用于以x 8 6 为基础的嵌入式l i n u x 系统中，为嵌入式系统提供了超小型高可靠、大容量的可读写固态盘芯片。核心 板在b i o s 级提供了标准的d o s 可操作的硬盘功能仿真，无需额外的软件驱动， 电子盘可直接作为启动盘，以替代传统的硬盘。 s y s e x p a n m o d u l e n c m 是基于p c i 总线的高速图像采集卡。输入的视频信号， 经数字解码器、模数转换器、比例缩放、裁剪、色空变换等处理，通过p c i 总线 传输到v g a 卡实时显示或传到内存实时存储，数据的传输过程由图像卡控制，无 需c p u 参与。p c i 接口采用了匹配式传输方式，最高达1 3 2 m h z ，可实现直接采 集图像到v g a 显存或主机系统内存，c p u 可以独立做其他图像处理工作，而不必 像传统a t 总线采集卡必须自带帧存。 嵌入式硬件系统实物如图2 2 所示。 第二章嵌入式接入系统整体设计方案 2 2 2l i n u x 内核定制 图2 - 2 嵌入式系统实物图 内核是所有l i n u x 系统的中心软件组件。针对系统的硬件平台特性以及本系统 所需使用的组件，对l i n u x 内核进行重新配置、编译、移植阴。我们选择了稳定版 本2 4 7 1 0 的内核，其主要过程如下： ( 1 ) 配置内核 糊u s r s r c a i n u x 进入内核源代码所在的目录 # m a k em r p o r p e r 清除多余的文件( 一般是以前编译的文件) # m a k e m e n u c o n f i g 配置内核( 根据核心板硬件进行选择) ( 2 ) 编译内核 # m a k ec l e a n 清除以前生成的目标文件及其他文件 # m a k ed e p 建立依存的头文件清单 # m a k e b z i m a g e 编译压缩的内核 # m a k em o d u l e s 编译模块 # m a k ei n s t a l l _ m o d _ p a t h - - $ p a t h ) m o d u l e s l r l s t a l l 安装模块到指定目录 嵌入式设备接入h p c 系统关键技术研究 ( 3 ) 拷贝文件。将以下文件拷贝到指定目录，在下一步中这些文件会转移到嵌入 式开发板的b o o t 目录中。 # c pa r c h i 3 8 6 b o o t b z i m a g e $ b o o t p a t h b z i m a g e - $ p o s t f i x ) # c p e o n f i g $ b o o t p a t h $ p o s t f i x c o n f i g # e pv m l i n u x $ b o o t p a t h v m l i n u x - $ p o s t f l x # c ps y s t e m m a p $ b o o t p a t h s y s t e m m a p $ p o s t f i x 2 2 3 文件系统制作 现有的l i n u x 文件系统f 9 l 的全集太大，在嵌入式应用环境中，内存、电子盘等 硬件资源有限，难以装下l i n u x 几百兆的文件系统；同时，还需要改写现有的l i n u x 系统中的配置文件以满足特定应用程序的要求。因此必须按需定制一个小型文件 系统。 一个r o o t 文件系统必须包括支持完整l i n u x 系统的全部框架，包括：基本文件 系统结构，至少包含目录d e v 、p r o e 、b i n 、e t c 、l i b 、u s r 、t m p 、m nt ；最基本 的应用程序，如s h 、l s 、c p 、m v 等；最低限度的配置文件，如r c 、i n i t t a b 、f s t a b 等；支持所选设备而使用的设备文件：d e v h d * 、d e v t t y * 、d e v f d 0 、d e v m t d * 、 d e v r d t l * ；基本程序运行所需的函数库。 2 2 4 引导程序编译 引导程序【8 】( b o o t l o a d e r ) 是系统内核启动之前运行的- d , 段程序，运行时间 一般非常短，但对于嵌入式系统来说，这是一个非常重要的系统组成部分。它的 主要功能是，完成基本的硬件初始化，将内核从永久存储介质( 硬盘、f l a s h 等) 载 入内存并建立内存空间映射图，将系统的软硬件环境设置到一个合适的状态，然 后跳转到内核的入口点，最终启动操作系统。 一般地，b o o t l o a d e r 的设置依赖于具体的嵌入式板级硬件。我们的开发板配置 d o c 电子盘作为存储介质，内核和文件系统都事先烧入d o c 中，因此系统需设 置为从d o c 启动。在x 8 6 系列中，系统加电启动后，b i o s 会在内存中寻找b i o s e x t e n s i o n s ( b i o s 扩展) ，找到后便加以执行。幸运的是，d o c 设备中包含了一个 第二章嵌入式接入系统整体设计方案 称为i n i t i a lp r o g r a ml o a d e r ( i p l ) 的r o m 程序，它可被视为b i o s 扩展，能由b i o s 发现执行。i p l 的主要任务是安装另一个称为s e c o n d a r yp r o g r a ml o a d e r ( s p l ) 的程 序，此s p l 就可以作为系统启动期间的b o o t l o a d e r 。缺省情况下，s p l 由m s y s t e m 公司自己的固件提供，但是它只能提供引导m d o s 系统。 为了完成从d o c 设备加载l i n u x 内核启动系统的任务，s p l 必须被换成能够 引导d o c 设备上l i n u x 内核的b o o f l o a d e r 。图2 3 是定制引导加载程序后的d o c 固态电子盘空间分配结构示意图。 图2 _ 3d o g 电子盘空间分配结构 我们选用g r u b 来定制该s p l ： ( 1 ) 获取g r u b 源代码： sg v s z 3 - d ：p s e r v e r ：a n o n c v s , s u b v e r s i o n s g n u o r g ：c v s r o o t g r u b c o - d 什1 0 1 0 0 2 ”g r u b ( 2 ) 使用a u t o m a k e 工具创建m a k e f i l e 文件： $ a c l o c a l & & a u t o m a k e & & a u t o c o n f ( 3 ) 设定g r u b 的编译参数，禁止除e x t 2 f s 之外所有其他的文件系统的支持、支 持d o c 2 0 0 0 电子盘： $ c o n f i g u r e - - e n a b l e - d i s k o n c h i p - 2 0 0 0 - e n a b l e - d i s k o n c h i p - c t r l b y p a s s 、 堋a b l e - e x t 2 f s - - d i s a b l e f f s 一- d i s a b l e - x f s 一- d i s a b l e - j f s - - d i s a b l e - v s t a f s 、 - d i s a b l e - r e i s e r f s - d i s a b l e - m i n i x - - d i s a b l e - f a t ( 4 ) 编译g r u b ： $ m a k e ( 5 ) 完成以上步骤，s t a g e l g r u b _ f i n n w a r e 就是我们所需的s p l ，它将被烧入d o c 中，将它复制到工程所在目录： 嵌入式设备接入h p c 系统关键技术研究 $ e ps t a g e l g r u bf i r m w a r e $ p r j r o o t i m a g e s g r u b _ f m n w a r e 0 9 2 ( 6 ) 利用m - s y s 公司提供的烧写工具将编译成功的g r u b 二进制启动代码烧录到 d o c 中，以替换掉d o c 默认的s p l 。值得注意的是，该烧写工具是d o s 下的命 令，因此需用软盘引导入一个d o s 环境进行烧写工作。 ( 7 ) 将剩余空间格式化，烧入前面编译好的内核和文件系统，配置g r u b 启动参 数： t i m e o u t5 d e f a t l 】t0 t i t l ed i s k o n c h i p2 0 0 0b o o t k e r n e l ( d c 0 ，0 ) b o o t b z l m a g e 一2 4 7r o o t = d e v n f t l a l t i t l eh db o o t k e r n e l ( h d 0 ，0 ) b o o t b z l m a g e 一2 4 7r o o t = d e v h d a l 重新加电后，定制的s p l 能够从d o c 电子盘加载l i n u x 内核至内存中的正确 位置，然后跳转至内核入口地址，顺利启动系统。 2 2 5 图像采集驱动开发 l i n u x 系统在t v 、视频、多媒体上的应用是目前相当热门的研究领域，而关 键技术则是l i n u x 平台下的v i d e 0 4 1 i n u x ( v 4 l ) b o l 1 1 1 ，它是l i n u x 的影像串流系统与 嵌入式影像系统的基础。 v i d e 0 4 1 i n u x 是l i n u xk e r n e l 里支持影像设备的一组a p i s ，配合适当的视频采集 卡与视频采集卡驱动程序，v i d e 0 4 1 i n u x 可以让我们实现影像采集、a m f m 无线广 播、影像c o d e c 、频道切换等功能；目前在影像串流系统与嵌入式影像系统中应 用广泛，例如：远距离教学系统、远距离诊断系统、视频会议等。在嵌入式的应 用方面，v i d e 0 4 1 i n u x 经常被使用在需要影像采集的场合，例如：视频监控系统、 w e b c a m 、可视电话等。 v i d c 0 4 1 i n u x 下视频图像采集的工作流程f 1 2 】f 1 习如图2 - 4 所示。 图2 _ 4v 4 l 视频图像采集的工作流程图 在v i d e 0 4 1 i n u x 编程时要包含 头文件，其中包含了v i d e 0 4 1 i n u x 的数 据结构和函数定义。 ( 1 ) v 4 1 的数据结构 在v i d e 0 4 1 i n u xa p i 中定义了一个描述设备的数据结构，它包含了v 4 i 中定义的 所有数据结构： t y p e d e f s t r u c tv 4 1 d e v i c e 砒缝，设备号 s t r u c tv i d e o _ c a p a b i l i t yc a p a b i l i t y ；定义摄像头的参数，如画面大小等 s t r u c tv i d e o c h a n n e lc h a n n e l 1 0 ； s m m v i d e o _ p i c t u r ep i c t u r e ；定义图像的属性，诸如亮度，对比度等 s t r u c tv i d e o _ c l i pc l i p ； s t r u c tv i d e o w i n d o ww i n d o w ； s t r u c tv i d e o _ c a p t u r ec a p t u r e ； 一壁全壅堡鱼堡全婴里墨竺叁壁垫查婴壅 s t r u c tv i d e ob u f f e rb u f f e r ； s t r u c tv i d e o _ m m a pm m a p ； s t r u c tv i d e om b u fm b u f ； s t r u e tv i d e o u n i tu n i t ； u n s i g n e dc h a r * m a p ；m m a p 方式获取数据时，数据的首地址 p t h r e a d _ m u t e x _ tm u t e x ； i n t