（计算机应用技术专业论文）嵌入式网络视频监控系统的研究与实现.pdf

江苏大学硕士学位论丈 摘要 作为安防系统的重要组成部分，视频监控系统随着嵌入式技术、多媒体技术、 计算机网络技术的快速发展也在不断地更新与发展。目前新兴的基于嵌入式技术 的网络视频监控系统与传统的视频监控系统相比具有体积小、成本低、稳定性高、 实时性好等优点，具有广阔的发展前景。 本文在综述视频监控发展现状及趋势的基础上，提出了一种基于3 2 位r i s c 处理器的嵌入式网络视频监控方案。方案采用北京亿旗公司的e a x 4 0 0 嵌入式 开发硬件平台，软件实现视频图像的实时采集、压缩和网络传输的功能。 论文着重论述了该视频监控系统的总体设计及具体实现。硬件方面，简要介 绍了a r m 体系结构处理器核的特点和优势及e a x 一4 0 0 的主要部件和相关接口， 给出了e a x 4 0 0 的硬件总体结构。软件方面，实现了嵌入式l i n u x 平台的搭建、 基于v 4 l 的视频采集以及基于优化的x 2 6 4 编码器的视频压缩；在实现视频实时 传输时，设计了简化的r t p r t c p 分组格式，实现了简化r t s p 协议，并优化了 h 2 6 4 的r t p 封装设计，最后建立了嵌入式w e b 服务器，并在连网的p c 机上通 过浏览器完成了对视频监控服务器端的实时视频监控。 关键词：视频监控，嵌入式l i n u x ，v 4 1 ，王 2 6 4 ，r t p r t c p ，嵌入式w e b 服务 器 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sa ni n t e g r a lp a r to fs e c u r i t y & d e f e n s es y s t e m v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mi s s e e i n gar a p i dd e v e l o p m e n tw i t ht h et e c h n o l o g yi n n o v a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m ， m u l t i m e d i aa n dc o m p u t e rn e t w o r k t h ec u r r e n te m b e d d e d s y s t e mb a s e dn e t w o r k v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mh a sag r e a tp r o s p e c td u et oi t sb e t t e rp o r t a b i l i t y , l o w e r c o s t ， h i g h e rs t a b i l i t ya n db e t t e rr e a l - t i m ef e a t u r e ，c o m p a r e d 谢t ht h et r a d i t i o n a lv i d e o s u r v e i l l a n c es y s t e m a tt h eb a s i so fd e s c r i b i n gt h ed e v e l o p m e n ts t a t u sq u oa n dt r e n do fv i d e o s u r v e i l l a n c e ，as o l u t i o no f3 2 b i tr i s cp r o c e s s o rb a s e de m b e d d e dn e t w o r kv i d e o s u r v e i l l a n c eh a sb e e nr a i s e di n t h i sp a p e r i nt h es o l u t i o n ，t h ef u n c t i o no fr e a l t i m e v i d e oc a p t u r e ，e n c o d i n ga n dt r a n s f e rh a sb e e ni m p l e m e n t e do nt h ee a x - 4 0 0 p l a t f o r m ， ap r o d u c to fe f l a gc o m p a n yi nb e i ji n g t h ep a p e rs t r e s s e so nt h eo v e r a l ld e s i g na n ds p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o no ft h e s y s t e m o nt h ep a r to fh a r d w a r e ，ab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ef e a t u r ea n da d v a n t a g eo f a r ma r c h i t e c t u r ea n dt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo fe a x 一4 0 0 ，a sw e l la si t sm a i n c o m p o n e n t ，h a v eb e e nm a d e a n df o rs o f t w a r e ，t h ee m b e d d e ds y s t e md e v e l o p m e n t p l a t f o r mh a sb e e nb u i l t ，o nw h i c ht h ep r o g r a m so fv i d e oc a p t u r eb a s e do nv 4 1a n dt h e v i d e oc o m p r e s s i o nb a s e do no p t i m i z e dx 2 6 4h a v eb e e nd e s i g n e d w h e ni tc o m e st o v i d e ot r a n s f e r , t h es t r u c t u r eo fr t p r t c pp a c k e t sh a v eb e e ns i m p l i f i e d ，s oh a v et h e i m p l e m e n t a t i o no fr t s pa n dt h er t pp a c k e t i z a t i o no fh 2 6 4v i d e o a tl a s t ，a n e m b e d d e dw e bs e v e rh a sb e e np o r t e dt ot h ep l a t f o r mf o rc o n n e c t i o nf r o mt h eb r o w s e r o nt h ew e bc l i e n tt or e a l i z er e a l t i m ev i d e os u r v e i l l a n c e k e y w o r d s ：v i d e os u r v e i l l a n c e ，e m b e d d e dl i n u x ，v 4 1 ，h 2 6 4 ，r t p r t c p ，e m b e d d e d w e bs e r v e r 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：3 o l9 年易月c ，9 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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。 保密口， 在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密凹。 一虢懈 新虢膨殍 签字日期帅年多月澎日 签字日期3 弼b 年6 月【矿日 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究的背景和意义 第一章绪论 随着多媒体技术和网络技术的发展，及图像较之其他信息形式的直观性，视 频监控业务得到了广泛的应用。据悉，世博会期间，为全面构建“社会防控体系” 上海就于市区内安装2 0 余万个监控摄像头。社会防控体系只是视频监控的应用 之一，但这足以说明视频监控市场规模之大。市场调查显示，2 0 0 7 年中国网络 视频监控业务市场规模达到2 6 3 6 亿元人民币，预计2 0 11 年达到8 6 6 1 亿元人民 币。未来3 年之内，网络视频监控都将保持约3 8 的年增长率，会有越来越多的 视频监控系统采用完全数字化的技术，特别是在一些行业市场，如交通、城市监 控、工业和零售业等等。此外，以数字化视频监控为基础的智能视频监控技术也 将获得长足的发展i l j 。 视频监控系统主要用于完成现场点的数据采集、处理、实时监控等功能。传 统的视频监控系统采用自动控制技术、计算机技术，并己广泛地应用于工业自动 化、工业控制领域。然而，由于传统的视频监控系统没有或无法解决实时大数据 量处理远程通信等问题，或者其成本等原因，其应用受到很大的限制。随着网络 通讯技术和图像压缩处理技术以及传输技术的快速发展，数字视频通信技术得到 越来越广泛的应用，采用这些先进技术的网络视频监控系统开始逐渐替换传统的 视频监控系统。 然而借助于p c 机来实现的视频监控服务器注定要面临先天的弊端：1 、体积 大，便携性差。2 、电源依赖性强，无法实现自主供电。3 、操作复杂。4 、成本 较高。这对视频监控技术的广泛应用造成了障碍。随着嵌入式技术的不断成熟， 这些问题迎刃而解。借助以太网和i n t e m e t 技术，把嵌入式系统连接至i n t e r n e t 上，就可以方便、低廉的把信息传送到世界的任何一个地方，实现资源的共享， 从而使人们有能力解决以前在极有限的资源下很难解决的问题，为远程网络视频 监控系统的发展提供了有利的条件。由此可见，嵌入式网络视频监控系统必将有 良好的应用和发展前景，由它替代当前普遍应用于p c 的视频远程监控系统己成 为必然趋势。而目前在我国基于嵌入式技术的网络化视频监控系统刚刚起步，所 以对基于嵌入式技术的网络视频监控系统进行研究极具现实意义。 江苏大学硕士学位论文 1 2 视频监控的发展历史及现状 视觉是人类最重要的感觉，也是人类获取信息的主要来源。据统计，在人类 从外界获取的信息中，有7 0 以上来自视觉。图像与其他的信息形式相比，具有 直观、具体、生动等诸多显著的特点。视频监控系统的发展大致经历了三个发展 阶段【2 】【3 】： 1 ) 模拟视频监控系统。 主要是以模拟设备为主的闭路系统，称为第一代监控系统。 2 ) 数字监控系统。 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技术的发展，计算 机的高速数据处理能力被用来进行视频的采集和处理，这大大提高了图像质量， 增强了视频监控能力。此为第二代视频监控系统。 3 ) 网络数字视频监控系统。 2 0 世纪9 0 年代末，随着网络带宽、计算机处理能力和存储容量的迅速提高， 以及各种使用视频信息处理技术的出现，视频监控进入了全数字化得网络时代， 称为第三代视频监控系统。 目前一般远程视频监控系统，其视频数据的解压缩一般基于p c 的视频卡来 完成，这样视频前端比较复杂，价格高昂，所占空间较大，便携性差，不易布控。 新近出现的基于嵌入式视频服务器技术的远程视频监控，由于视频采集前端的高 度一体化，可方便实现广阔区域的布控。系统扩展能力也很强，只要有网络的地 方增加监控点设备就可扩展新的监控点。另外，采用基于嵌入式系统的硬件是一 个处理器和操作系统捆绑紧密、功能专一的独立设备，因此不像插卡系统那样易 受通用计算机系统中其它软硬件的影响，性能上更稳定。 现阶段，嵌入式网络视频监测系统的解决方案主要有以下几种： 1 ) 视频采集芯片+ d s p 处理器。该方案中由视频采集芯片完成图像的预处理， 由d s p 完成图像的编码：基于h 2 6 4 或m p e g 标准的压缩，经以太网网络传输。 方案的主要缺点是控制不够灵活，不适合作系统控制，因为通d s p 通常没有强 大的操作系统。 2 ) d s p 处理器+ 嵌入式处理器。该方案采用由d s p 完成基于h 2 6 4 或m p e g 标准的图像压缩，在嵌入式处理器上运行嵌入式操作系统，( 如嵌入式l i n u x ) 进行系统控制和网络传输。方案的主要缺点是：由于有两个主要的芯片，设计、 调试、使用较难，系统成本偏高。 3 ) 图像采集芯片+ 嵌入式处理器。该方案中，在嵌入式处理器上运行嵌入式 操作系统( 如嵌入式l i n u x ) 进行系统控制和网络传输。方案的主要缺点是缺乏 江苏大学硕士学位论文 强大的图像处理能力，不能满足高实时性要求，但具有开发容易，成本低的优点。 因此，本文采用基于图像采集芯片+ 嵌入式处理的方案来完成嵌入式网络视频监 控系统的实现的。 1 3 论文主要研究工作 1 ) 针对a r mx s c a l ep x a 2 5 5 处理器的e a x 4 0 0 平台设计基于w e b 的网络视 频监控方案。 2 ) 针对e a x 4 0 0 平台，构建嵌入式交叉开发环境，移植l i n u x 2 6 2 7 内核， 创建文件系统。 3 ) 开发l i n u x 下基于v 4 1 的视频采集程序，研究h 2 6 4 编码标准，并针对应 用特点优化编码器。对采集和编码模块采用并发程序设计。 4 ) 研究r t p r t c p 相关协议，简化r t p r t c p 分组的封装，简化实现r t s p 协议，分析h 2 6 4 的网络传输标准，并优化h 2 6 4 的r t p 封装策略，实现视频 传输。 5 ) 构建嵌入式w e b 服务器，通过客户浏览器和视频服务器的交互来实现对 服务器的相关设置，在客户端用浏览器调用v l c 播放器进行系统监控测试。 江苏大学硕士学位论文 第二章嵌入式视频监控系统的总体方案 2 1 嵌入式视频监控系统总体方案 嵌入式视频监控系统应用到了嵌入式技术、视频压缩技术和视频传输技术等 多个方面，一个良好的总体方案设计是系统开发成功的关键。本章根据嵌入式系 统的一般构成，给出了系统设计的总体方案，这包括硬件和软件两个部分。系统 可分为硬件层、b o o t l o a d e r 引导程序、操作系统层、应用软件层，整个系统整体 设计框架如图2 1 所示，最终通过作为视频监控客户端p c 机将能对监控现场实 现实时监控。 图2 - 1 视频监控系统总体设计 2 2 嵌入式视频监控系统硬件 嵌入式微处理器是整个系统的核心，因此首先要确定系统的嵌入式微处理器。 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 架构的微处理器具有体积小、低功耗、低成本、 高性能等特点，因而在嵌入式领域得到广泛应用。嵌入式网络监控系统要求能够 实时采集压缩视频数据并通过网络实时传输，数据运算量大对处理器要求高。本 课题使用北京亿旗公司的e a x 4 0 0 嵌入式开发系统为硬件开发平台。e a x 4 0 0 嵌 入式开发系统采用i n t e l 公司x s c a l e 系列的p x a 2 5 5c p u 为核心处理器，这里给出 了与课题相关的硬件，其框图如图2 2 所示。 4 江苏大学硕士学位论文 图2 - 2 系统硬件结构 图中各硬件模块的介绍如下： 1 ) p x a 2 5 5 处理器 英特尔x s c a l ep x a 2 5 5 是基于i n t e lx s c a l e 微体系结构的i n t e lp c a 处理器【4 1 ， 具有先进的集成功能、领先的多媒体性能和卓越的节电能力。x s c a l e 呋j 核采用带 有一个增强型存储器管道的超级流水线r i s c 处理器架构的体系结构。这款新型 高性能、低功耗的微构架兼容a r m v s t ei s a 指令集( 不支持浮点指令集) 。这种 微构架在a r m 核的周围提供了指令与数据存储器管理单元，指令、数据和微小 数据c a c h e ，写缓冲、全缓冲、挂起缓冲和分支目标缓冲器，电源管理，性能监 控、调试和j t a g 单元以及协处理器接口，m a c 协处理器和内核存储总线。 p x a 2 5 5 性能比a r m l 0 内核更加优越，频率高达4 0 0 m h z ，内核扩充许多 d s p 指令极大提高了多媒体处理能力，同时了提供l c d ( 液晶显示器) 控制器、 无线局域网( 8 0 2 1 l b ) 、蓝牙、高速红外、u s b 等多种功能模块，其结构框图如 图2 3 所示。作为便携移动设备的首选嵌入式处理器，p x a 2 5 5 内核具有i n t e l 最 先进的动态电源管理术，可以根据处理器所执行的任务情况动态调整工作频率和 多种节电模式，实现无与伦比的低功耗高性能的技术【5 】。 扛苏太学硕士学位论支 图2 - 3p x a 2 5 5 系统结构框图 p x a 2 5 5 处理器符合工业产品应用标准，符合工业上倡导的m i p s m v 性能 设计要求。这个处理器将一个复杂集成电路合成在块芯片上，采用i n t c l x s e a l e t m 微结构体系框架，具有许多外围接口，功能强大。p x a 2 5 5 具有嵌入 式处理器的优点，主要用于下一代高性能的s m a r t p h o n e 、p d a 的设计，支持多 种流媒体格式、无线互联网存取以及其他边缘领先技术，同时还支持 s e e u r e d i g i t a l m m c 和c o m p a c t f l a s h 扩展技术为大数据量存储提供有效方案。 2 ) 存储系统 e a x - 4 0 0 嵌入式开发系统的存储子系统由可高速随机访问的r a m 、非易失 性的f l a s h 存储器组成，包括：6 4 m b y l es d r a m 、3 2 m b y t en o rf l a s h 、 3 2 m b y t e n a n d f l a s h 6 1 。s d r a m 采用韩国现代的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 c t - h 芯片，每 片容量为4 b a n k s * 4 m * 1 6 b i t ，共2 5 6 m b r ，3 2 m b y t e 。h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 c t - h 的位宽为 1 6 ，e a x - 4 0 0 系统用两片拼接为3 2 位宽度的6 4 m i l y t er a m 存储器。 n o rf l a s h 采用的是美国i n t e l 公司的s l r a t a f l a s h 2 8 f 1 2 8 j 3 ，每片容量为 1 6 m b y m ，芯片内部分为1 2 8 块，每块1 2 8 k b y t e 。2 8 f 1 2 8 j 3 的位宽也是1 6 ，e a x - 4 0 0 系统用两片拼接为3 2 位宽度的3 2 m b y t en o rf l a s h 存储器。n o rf l a s h 带有 s r a m 接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节， 因d 七n o r f l a s h 的传输效率很高，读速度比n a n d n 础稍快一些。n o r f l a s h 具有 芯片内执行( x me x e c u t ei np l a c e ) 的特点，这样应用程序可以直接在f l a s h 芯片内 运行，不必再把代码读到系统r a m 中。n o r f l a s h 的不足是写堞除的速度太大慢 于n a n df l a s h ，且价格较贵，擦除次数低于n a n df l a s h ，为1 0 万次。e a x - 4 0 0 系统中n o rf l a s h 用于存茄b o o t l o a d e r 、l i n u x 核及根文件系统。 江苏大学硕士学位论文 n a n df l a s h 采用韩国三星的k 9 f 5 6 0 8 ，每片容量为3 2 m b y t e ，位宽为8 。 n a n df l a s h 的优点是写擦除的速度快，价格低，能够复用指令、地址和数据 总线，从而节省了引脚数量；能够利用同样的硬件设计和电路板，支持更大容量 的n a n d 器件；n a n df l a s h 的擦除次数可达百万次。但它的缺点也是明显的： 使用复杂的i o 口来串行地存取数据，且各个产品或厂商的方法可能各不相同。 因此使用n a n d 器件时，必须有驱动程序支持，才能继续执行其他操作。n a n d f l a s h 还会产生坏块和位交换( 比特位发生反转) 的现象，因此可靠性稍差， 需要结合e d c e c c 算法以确保数据的可靠性。 3 ) 网络接口 e a x 4 0 0 嵌入式开发系统外扩一个r j 4 5 以太网接口。以太网控制器采用 c i r r u sl o g i c 公司的c s 8 9 0 0 a ，最大速率为1 0 m b p s 。通过双绞线可以实现网 络通讯和数据传输功能。可以通过交叉网线同p c 机连接或通过直联网线同集线 器连接。 4 ) u s b 接口 e a x 一4 0 0 嵌入式开发系统配有1 个标准u s bb 型插座和2 个标准u s ba 型 插座。其中u s bh o s t 采用p h i l i p s 公司生产的i s p l l 6 1 a 1u s b 主机控制器。 i s p l1 6 1 a 1 是一款可以支持主从模式的嵌入式u s b 控制器，支持两种传输模式： 1 2 m b p s 全速传输模式和1 5 m b p s 低速传输模式。i s p l l 6 1 a 1 遵循u s b1 1 规范。 5 ) 其它接口 e a x 4 0 0 嵌入式开发系统具有三个外接的u a r t 串口和一个g p r s 通讯串口， 其中p x a 2 5 5 处理器自身提供的f f u a r t ( 全功能u a i 汀) 可以通过交叉串口线同 p c 机进行通信，主要用于系统调试，作为b o o t l o a d e r 的信息输出口和l i n u x 内核的 控制台端口。e a x 4 0 0 嵌入式开发系统还有一个2 0 针的j t a g 调试口，可实现两 个作用：连接a r m 仿真器进行在线调试；连接j t a g 下载线，直接对e a x 4 0 0 开 发系统的n o rf l a s h 进行烧写编程。 2 3 嵌入式视频监控系统软件 2 3 1 系统软件设计 鉴于嵌入式l i n u x 的稳定性、强大的网络支持功能和完全免费的特性，本 课题选取l i n u x 作为系统软件平台。课题中选取最新的( 本课题研究 时) l i n u x 2 6 2 7 内核版本来做移植。与l i n u x 2 4 相比，l i n u x 2 6 具有很多有利于 嵌入式应用的新特性，如实时性能的增强，更方便的移植性、共享内存的改性和 i o 系统的改进等。构建嵌入式l i n u x 系统的工作主要包括建立交叉编译环境、 江苏大学硕士学位论文 b o o t l o a d e r 移植、l i n u x 内核移植、根文件系统的构建。 2 3 2 应用软件设计 系统的应用软件设计基于嵌入式l i n u x 操作系统平台，应用软件模块见图 2 4 。 h t t p _ w e b 服务器 p 卜、 c g i 程序 嘲 络 令令令 连 接 高 要 视视 视 r t p 3 l 频 卜 频 卜 频 _ r t r p 卜 采 编 传 l g 集码 输 模模 模 块块 块 图2 - 4 应用软件模块 整个系统根据功能分为以下几个独立的模块：视频采集模块、图像压缩编码 模块、视频传输模块、w e b 服务器模块，各功能模块说明如下： 1 ) 视频采集模块。l i n u x 下视频采集是通过v 4 l ( v i d e of o rl i n u x ) t 。7 1 来实现的， 课题中使用的是w e b e y ev 2 0 0 0u s b 摄像头，它采集到的视频数据有r g b 2 4 和 y u v 4 2 0 两种格式，这里取y u v 4 2 0 格式，以方便视频压缩模块对其进行直接处 理。 2 ) 视频编码模块：经过采集模块获得的原始码流保存到缓冲区中，然后编 码模块对该缓冲区码流进行h 2 6 4 格式的编码并负责交给传输模块。这里采用了 多线程程序设计，采集模块和编码模块的同步采用的生产者和消费者模型。 3 ) 视频传输模块：该模块对由编码模块产生的h 2 6 4 码流进行r t p 格式的封 装和传输。对传输质量的控制是通过利用r t c p 反馈包信息实现的，这里对 r t p r t c p 协议进行了简化实现。 4 ) 服务器端会话模块：这个模块是通过建立w e b 服务器来实现的，w 曲服 务器通过h t t p 协议与监控端浏览器软件进行信息交互，提供其他应用程序模块 的接口以及视频数据浏览界面它包括会话建立、会话控制，也包括一些用户设置 等。系统提供t r t s p 8 】会话模式，建立会话线程等待客户端的连接。 8 江苏大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章首先介绍了视频监控系统总体框架设计，接着描述了监控系统硬件开发 平台的主要构成，然后设计了基于嵌入式l i n u x 操作系统的应用软件框架，具体 描述了系统所要完成的功能。 9 江苏大学硕士学位论文 第三章嵌入式l i n u x 系统构建 嵌入式l i n u x 是目前嵌入式系统中发展势头最猛的嵌入式操作系统，已经应用 在多媒体设备、手持设备、车载导航系统、智能手表、机械控制等领域中。这主 要是因为嵌入式l i n u x 操作系统具有以下的优势【9 】【1 0 】： 1 ) l i n u x 内核精简，各部分的功能明确，可扩展性强，容易剪裁。 2 ) l i n u x 上有丰富的驱动程序，支持各种主流硬件设备和最新的硬件技术， 随着l i n u x 的广泛应用，许多芯片厂家开始提供l i n u x 上的驱动。 3 1 大小功能可以定制，l i n u x 继承了u n i x 的设计思想，内核与用户界面完 全独立，各部分的可定制性都很强。 4 ) l i n u x 符合i e e ep o s i x 编程标准，有非常好的可移植性。它本身是u n i x 系统的一种克隆，支持商业u n i x 的全部功能，u n i x 平台上众多的应用程序稍加 修改就可以应用到嵌入式环境中l i n u x 平台。 5 1 强大的网络功能，l i n u x 支持所有标准的因特网协议，几乎所有的协议和 网络接口都定制在其中。 6 ) 很高的稳定性，l i n u x 的内核是非常可靠和稳定的，并且由于内核的稳定 性使得l i n u x 在移植到特定平台后与通用平台一样具有高稳定性。 3 1 嵌入式l i n u x 开发环境的建立 由于多数嵌入式目标系统未能提供足够的资源供编译过程使用，因而只好将 编译工作转移到高性能的p c 机中进行，这样就需要进行交叉编译。交叉编译本 身在宿主机上进行，编译产生的二进制代码则运行于目标机上，一般把生成代码 的平台称为宿主机，把执行代码的平台称为目标机。 宿主机p c 通过串口c o m l 、并口l p t l 、以太网络接口与目标机e a x 4 0 0 嵌入式开发系统的f f u a r t 串口、j t a g 口、以太网络接口分别连接。如图3 1 所示。 1 0 江苏大学硕士学位论文 图3 1 交叉开发的硬件连接图 本课题中宿主机安装的是w i n d o w sx p 操作系统，宿主机的l i n u x 环境是通 过在虚拟机软件v m w a r e 中安装了f e d o r ac o r e4 提供的，在这上面主要进行编 译工作，编译成功后拷贝到w i n d o w s 系统，再经网络、串口等方式下载到目标 机。这种交叉开发环境既可以同时工作在两种完全不同的操作系统平台，无需频 繁地重启计算机进行系统切换，又具有真实l i n u x 发行版的运行环境。 课题中交叉工具链式是通过c r o s s t o o l 开源软件项目建立的。c r o s s t o o l 是一 组脚本的结合，通过这些脚本，使得基于g c c 、g l i b c 、l i n u x 的交叉开发工 具链的创建能够自动执行。本课题使用的处理器是i n t e l 公司设计生产的x s c a l e 系列的p x a 2 5 5 ，在制作交叉开发工具链时，使用的主脚本文件是 d e m o a r m x s c a l e s h ，其中的核心命令改为： e v a l c a ta r m x s c a l e d a tg c c - 4 0 1 - g l i b c - 2 3 5 一h d r s - 2 6 11 2 d a t 、s ha 1 1 s h 一一n o t e s t ， 在等待了大约两个小时后，一套名为“a n n x s c a l e 1 i n u x g n u - 的交叉工具链就制 作成功了。编译结束后，在$ ( r e s u l tt o p ) 目录下会新建一个目录 g c c 4 0 1 g l i b c 2 3 5 ，就是编译好的交叉工具链。将该目录拷贝至u u s r l o c a l ，再修 改r o o t b a s hp r o f i l e 文件，增加下列命令行： p a t h = $ p a t h ：$ h o m e b i n ：u s r l o c a l g c c - 4 0 1 一g l i b c 一2 3 5 a r m - x s c a l e l i n u x g n u b i n 保存退出后，在终端窗e l 执行命令：s o u r c e r o o t b a s hp r o f i l e 至此，交叉工 具链安装结束。以后使用这个工具链时，就不必指定绝对路径，系统会自动寻找 到它。 3 2b o o t l o a d e r 的构建 3 2 1b o o t l o a d e r 的启动 图3 2 是个典型的嵌入式应用系统固态存储设备的空间分配示意图。 b o o t l o a d e r 是系统加电后所执行的第一个程序，在操作系统内核或用户应用程序 江苏大学硕士学位论文 运行之前运行。通过这段小程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图， 从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，为最终调用操作系统内核或用户 应用程序准备好正确的环境。 图3 - 2 固态存储设备的空间分配结构示意图 从操作系统的角度看，b o o t l o a d e r 的总目标就是正确地调用内核来执行。 b o o t l o a d e r 的启动过程大多数分为阶段l 和阶段2 。阶段1 主要包含依赖于c p u 体 系结构的硬件初始化代码，通常用汇编语言来实现的。这个阶段通常包括以下步 骤【1 1 1 ： 1 ) 硬件设备初始化。目的是为阶段2 的执行以及随后内核的执行准备好基本 的硬件环境。 2 ) 为加载b o o t l o a d e r 的阶段2 准备r a m 空间。为了获得更快的执行速度，通 常把阶段2 加载到删空间来执行。 3 ) 拷贝b o o t l o a d e r 阶段2 的代码到洲空间中。 设置好堆栈。 4 ) 跳转到阶段2 的c 程序入口点。 b o o t l o a d e r 的阶段2 通常用c 语言来实现，这样可以实现更复杂的功能，而且 代码会具有更好的可读性和可移植性。通常包括以下步骤： 1 ) 初始化本阶段要使用到的硬件设备。 2 ) 检测系统内存映射。 3 ) 将内核映像和根文件系统映像从f l a s h 上读到r a m 空间中。 4 ) 为内核设置启动参数。 5 ) 调用内核。 3 2 2b o o t l o a d e r 的移植 e a x 4 0 0 嵌入式开发系统提供了已经移植好的b l o b 作为b o o t l o a d e r 。同一 个b o o t l o a d e r ，可以引导不同版本的内核。但因内核和根文件系统的下载与烧写 是由b l o b 直接读写f l a s h 对应的偏移地址实现的，因此b l o b 就决定了内核和根 文件系统的存储起始地址和大小，它们与内核中对f l a s h 的分区应相一致。由于 1 2 江苏大学硕士学位论文 后文所移植的l i n u x 2 6 2 7 内核映像大小超过了现有b l o b 所允许的内核大d 、( 1 m b y t e ) ，所以要对b l o b 中有关内核和根文件系统的存储起始地址和大小的代码作 相应的改动。 在e a x 一4 0 0 嵌入式开发系统中，n o rf l a s h 有3 2 mb y t e ，原来的分配是： 表3 - 1n o rf l a s h 原分配表 b l o b 内核根文件系统 所占空间大小 2 5 6 k 1 m3 2 m 一1m 2 5 6 k 起始地址 c s 0 b a s ec s o b a s e + 0 x 4 0 0 0 0c s 0 b a s e + 0 x i4 0 0 0 0 新的分配是： 表3 - 2n o rf l a s h 新分配表 b l o b 内核根文件系统 所占空间人小 2 5 6 k2 m3 2 m 2 m 2 5 6 k 起始地址 c s 0 b a s ec s 0 b a s e + 0 x 4 0 0 0 0c s 0 b a s e + 0 x 2 4 0 0 0 0 在i n c l u d e f l a s h h 中改动后的代码如下： # d e f i n eb l o b s t a r t c s 0 b a s e # d e f i n eb l o b l e n0 x 4 0 0 0 0p2 5 6 k ，s h o u l db ef l a s hb l o c ka l i g n e d 囊| # d e f i n en u m b l o b b l o c k s2 # d e f i n ek e r n e l s t a r t ( c s 0 _ b a s e + b l o b l e n ) # d e f i n ek e r n e ll e no x 2 0 0 0 0 0 严2 m ，原来是0 x l0 0 0 0 0 * # d e f i n en u m k e r n e l b l o c k s16 # d e f i n ei n i t r d s t a r t ( k e r n e l s t a r t + k e r n e l l e n ) # d e f i n ei n i t r dl e n0 x l d c 0 0 0 0 3 2 m 2 m 2 5 6 k ，原来是0 x l e 0 0 0 0 03 0 m * # d e f i n en u mi n i t r db l o c k s 2 3 8 严原来是2 4 0 ，部分f l a s h 空间空闲事 这部分代码决定了内核和根文件系统在f l a s h 中的存储起始地址和大小。 在i n c l u d e m a i n h 中改动后的代码如下： # d e f m ek e r n e l r a m b a s e 0 x a 010 0 0 0 0 | 1m | # d e f i n ek e r n e l b l o c k o f f s e t 0 x 0 010 0 0 0 0 以上代码决定了内核在r a m 中的虚拟存储起始地址和相对虚拟基地址的偏 移量。 # i f d e f i n e de p l 2 5 5 l i d e f i n e de e s 2 5 5 # d e f i n er a m d i s kr a mb a s e ( o x a 0 2 0 0 0 0 0 ) * 2 m 原来的定义，已被注 释掉 # d e f i n er a m d i s kr a mb a s e ( o x a 0 3 0 0 0 0 0 ) * 3 m 修改后的定义木 # e n d i f 1 3 江苏大学硕士学位论文 以上代码决定了根文件系统在r a m 中的虚拟存储起始地址和相对虚拟基地 址的偏移量。 完成上述修改后，重新编译b l o b ，并烧写到f l a s h 中，实现了新的f l a s h 空 间分配。内核映像最大可以到2 m ，根文件系统相应地从新起始地址开始存放。 要注意在l i n u x 移植时，对f l a s h 的分区要与此相对应，才能使l i n u x 系统正确 运行。 3 3l i n u x 2 6 2 7 内核的移植 本课题使用从l i n u x 官网上下载的最新版本l i n u x 内核l i n u x 2 6 2 7 t a r b z 2 来进行移植l i n u x 内核源码非常庞大，其顶层有许多子目录，简要说明如表3 3 。 表3 - 3l i n u x 内核源码顶层目录说明 目录说明 a r c h l i n u x 所支持的所有体系结构特定的内核代码 d d v e r s 各种设备驱动程序 d o c u m e n t a t i o n 内核文档 f s 文件系统 i n c l u d e内核头文件 i n i t l i n u x 初始化代码 l p c 进程间通信的代码 k e m e l l i m u x 内核核心代码 l i b 各种库的程序 m m 存储管理程序 n e t 网络相关代码 s o u n d 声音驱动的支持 s c f i p t s 各种脚本 u s r 用户的代码 本次移植的目标体系结构是a r m ，首先要修改l i n u x 内核源码顶层目录下 的m a k e f i l e 文件，将内核的目标体系结构设为a r m ，同时可以设置交叉编译器。 具体设置方法是修改顶层目录下m a k e f i l e 文件中的a r c h 和 c r o s s c o m p i l e 这两个变量，如下所示： a r c h? = a r m 1 4 江苏大学硕士学位论文 c r o s s c o m p i l e ? = a r m - x s c a l e l i n u x g n u - 在本课题中，所用交叉编译工具链是在前文中用c r o s s t o o l 编译建立的 a r m - x s c a l e 1 i n u x - g n u - g c c 等，其前缀为a r m - x s c a l e l i n u x g n u - 。 设置完成后，执行m a k em e n u c o n f i g ，进入配置界面。 1 ) 选择参考板 在配置界面中，s y s t e mt y p e - a r ms y s t e mt y p e 所选的是“p x a 2 x x b a s e d ”， 即选择了基于a r m 体系结构的i n t e l 公司的x s c a l e 系列处理器“p x a 2 x x ”。此 时，在s y s t e m t y p e i n t e lp x a 2 x xi m p l e m e n t a t i o n s 一 s e l e c tt a r g e tb o a r d 子菜单下， 有六个选项可供选择，表明l i n u x2 6 2 7 支持六种采用“p x a 2 x x 处理器的目 标板。 i n t e ld b p x a 2 5 0d e v e l o p m e n tp l a t f o i - i n ，又称为i n t e lp x a 2 5 0l u b b o c k 开发 板( 后面简称为l u b b o c k 板) ，它支持i n t e l 推出的基于x s c a l e 微架构的系列 处理器，如应用处理器p x a 2 10 、p x a 2 5 0 、p x a 2 5 5 、p x a 2 6 3 ，网络处理器i x p 4 2 0 、 i x p 4 2 1 、i x p 4 2 2 等2 7 1 。其主要特点是提供了插卡式的处理器和闪存以方便重新 配置开发板，并且它的可扩展底盘能实现所有开发板的特征。 l u b b o c k 板主要集成部件有： o i n t e lp x a 2 5 54 0 0 m h zc p u 6 4m b y t e ss d r a m 3 2m b y t e sb o o tr o m 3 2m b y t e sf l a s hm e m o r y 一组i n t e ls a 1 l1 l 芯片组，包括p c m c i a 、c f 卡、u s bh o s t 的插槽 标准m