（电路与系统专业论文）基于arm9的指纹识别门禁系统.pdf

中文摘要 摘要：指纹识别门禁系统是基于生物特征识别技术的一项高科技安全设施，近年 来在国内外得到了广泛的应用，并已成为现代建筑智能化的重要标志之一。对于 一些核心机密部门，如国家机关、科研实验室、档案馆、民航机场等重要场所， 指纹识别门禁系统可以提供高效、智能、便捷的授权控制。由于指纹具有无需携 带、人人各异、终生不变的特点，因此利用指纹识别作为身份认证的手段，与钥 匙、密码等传统手段相比，大大提高了安全性与可信性。 在该研究领域中，基于p c 平台的识别系统一直是研究的重点，本文基于删 平台的系统具有轻便、易安装、成本低的优点，具有良好的发展前景。论文的内 容主要包括以下几个方面： 1 研究和分析了指纹识别技术的原理以及目前国内外指纹识别技术应用领域 及其系统应用方案，在此基础上建立了系统软硬件平台，内容包括硬件平台的选 型、软件平台中u - b 0 0 t 系统引导程序的移植、嵌入式i j m 内核的配置移植以及文 件系统制作三大部分。 系统在设计中选用了删处理器的t q 2 4 4 0 开发板和嵌入式l i n u x 操作系统， 使其具有低耗能、控制方便、成本低廉和智能性的特点一 2 仿真了指纹识别的完整过程，包括指纹图像采集算法、图像预处理算法、 特征提取算法、特征匹配算法。其中预处理算法包括：指纹图像场计算、指纹图 像分割、指纹图像均衡、指纹图像智能增强、指纹图像二值化、指纹图像细化。 3 实现了指纹识别算法在嵌入式i ，j n _ 1 1 ) 【上的移植。 论文的创新点主要在于开发平台的选择和指纹图像处理算法的改进。开发平 台为嵌入式i j m 】x ，体积小、易安装、成本低；在算法上大量采用了方向场的理论， 处理效果更加良好。 关键词：指纹传感器；a r m 9 ；嵌入式；指纹识别；门禁系统；q t 分类号：t p 3 6 8 2 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h ea c c e s ss y s t e mo f 丘n g 叩一n tr e c o 嘶t i o ni sal l i 曲t e c h n o l o g y s e c i l r i t ym e a s u r eb 硒e do nb i o l o 舀c a lf e a n l r er e c o 鲥t i o n ；i ti sw i d e l yu s c da th o m ea n d a b r o a di l l r e c _ e n t ”a r s ，锄dh 嬲b no n co ft l l es i 印s o fm o d e n lb u i l d i n g s i n t e l l e c t i l a l i z a t i o n f o rs o m ec o r es e c r e td 印a m n e 咄s u c h 嬲i l n p o n a 呲。伍c e ，r c s e 疵h 1 a b ，觚斌v e s ，锄da i 印o r t ，t l l ea c c e s ss y s t a no ff i n g e 叩r i n tr e c o 印i t i o ns u p p l i e se 伍c i e 咄 n e l l i 蹦l t ，c o n v e n i e n ta 训r i z a t i o nc o 蛐1 f i n g e 印r i n th 勰n l ec h a r a c t 舐s t i c so f c o n v e n i c l l tt oc a r r y ，d i 邱b r e n tt 0e v e r y o n e ，k e 印i i l gt l l es 锄e 南rt h ew h o l el i f e ，弱趾 i d 训t ) r 砌e n t i c a t i o nm e l o d ，c o m p 砌w i mt l l e 仃a d i t i o n a lk e y s ，p 嬲s w o r dm e m o d ，i t d r a m a t i c a l l yi n c r e a s e sm es a f e t ya n dr e l i a b i l i 填 i i l l i sj e i e l d ，m ei d 朗岫s y s t 锄b a s c do nm ep cp l a t f 0 衄i sa l w a y sm er c s e 盯c h e m p h 觞i s 1 1 1 es y s t e mi i l “s 枷c l eb 舔骼0 n l e 删p l a t f o 船，h 弱n l ea d v a n t a g 鹊o f p o r ta ：b i l i 劬e 嬲yi i l s t a l l a t i o 玛a n dl o wo 【搭t ，w ep r 。d i c ta 星r 0 0 dd e v e l 叩m 吼tp r o s p e c t t h e m a i l lc o n t e 札t so fm ea r t i c l ea 1 ea si b l l0 _ w s ： 1 、i ta n a l y z e s l e l e o r yo f缸萨叩咖ti d 训f i c a t i o 玛i n 仃d d u c e s 廿1 ea p p l i c 撕o n6 e l d a n ds y s t e m 印p l i c a t i o np l a i lo ft l l e 缸g e 叩m ti d e n t i f i c a t i o na th o m e 锄da b r o a d ，o n m 锱eb 嬲i s ，b l l i l dm es y s t e m 胁a 觚dk 瞰1 w a r ep l a t f o n n ，i n c l u d i n gh a r d w a r e p l a t f b n ns e l e c t i o 玛b o o 协胁p 扛a n s p l a n t a 舡o no fs o f t w a r ep l a t f o mu - b 0 0 ts y s t e l n ， 锄小e d d e dl i n _ i l 】【k 锄e lc o n f i g u 鹏t m n s p l 觚t a t i o n 锄df i l es y s t e mm a ：k i n 孚 d 切吨m es y s t e i i ld e s i 印，w es e l e c tm et q 2 4 4 0d e v e l o 呻e n tb 0 莉o f 也e 灿洲 p r o c e s s o r 觚de i l l b e d d e d “m o p e r a 恤gs y s t e m ，l i sm a k 髓t h es y s t 锄h 嬲廿l e a d v a i l t a g e so fl o w 饥啦g ) rc o i l s u m 砸o i l e 雒yc o n n 0 l ，l o wc o s t 缸di n t e l l i g e i l c e 2 、i ts i i l l l l l a t c sm ew 1 1 0 l ep r o c c s so ff i n g e r 】砸n ti d e n t i f i c a t i o i l ，i 1 1 c l u d i n g 缸g e 印r h l t c o l l e c t i n ga l g o r i m m ，i m a g ep r e - p r o c e s s i i l ga l g o r i l 】【i l ，i i i l a g ee x 仃a c t i n ga l g o r i t l l 驰 h n a g em a t 出n ga l g o r i t h m a r l dt l l ep r e p r o c e s s i n ga l g o r i m mi r l c l u d e sf i n g e 印r i n tj f i e l d c 0 m p u t a t i o 玛f i n g e 删n ti 玎1 a g es e g m 铋t a t i o n f i n g e 叩r i n ti i n a g ee q u a l i z a t i o 玛 丘i 唱e 印血ti i i l a g e 衙t e l l i 答：i l c ee l l l l a n c e m e n t ，f i n g 硼证mi i i l a g e 丘锄e w o f ke x t r i c a t i o 玛 f m 譬硼揶n ti n l a g e e w o r kd e t a i l i n g 3 、i tr e a l i z 鹪m e 丘l l g e q 珂n ti d 朗t i f i c a t i o na 1 9 0 r i t l l m 咖s p l a n t i n gi n 锄1 b e d d c di 血u x k e y w o r d s ：f 她e r 】皿n ts 锄s 0 r ；e m b e d d e dl i n u x ；f i l l g e r l 砸n ti d e n t 语c a t i o n ；a c c 销s s y s t e m ；q t c i 。a s s n o ：t p 3 6 8 2 致谢 在论文即将完成之际，我深深地感谢我的导师陈后金教授。本论文的工作是 在我的导师陈后金教授的悉心指导下完成的，陈后金教授高超的学术造诣、严谨 的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。陈老师在学术上给予我 悉心指导，在生活上关怀备至，无论是学习上还是生活上都给以了我很大的教诲 和指导，使我终身受益。在此向陈老师表示衷心的谢意和由衷的敬意。 在我攻读硕士学位期间，侯建军老师、刘颖老师和郝晓莉老师也都给予了我 很多的指导和教诲，使我终身受益，在此向他们表示由衷的谢意。 在撰写论文期间，卢威、孙镇江、陈新等同学对我论文的撰写工作给予了热 情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 感谢我的爱人安琪和父母，在我的学业过程中，是他们给予了我鼓励和支持， 给予了我战胜困难的勇气和力量，感谢他们为我付出的一切。 最后感谢所有在我硕士学习期间给予我帮助的师长和同学们。 1 绪论 1 1 研究的背景与意义 当今社会，科学技术飞速发展、日新月异。人们在体味科技带来的便捷与享 受的同时，却不得不面临着更严峻的安全问题。如何利用高科技的手段与技术阻 止犯罪，保护人们的生活安全，便成了研究的热门课题。同时，随着国民经济生 活水平的快速提升，人们对自身的生活水平也提出了更高的要求，追求高质量生 活的呼声也更加迫切，在衣食住行的每个方面都有具体的体现，尤其是住宅的要 求上，人们不再是单纯地追求舒适与美观，而是更加希望具有高科技的便捷、高 效与安全【1 1 。 智能小区的概念来源于美国，同时欧洲、日本、新加坡等发达国家在智能化 小区方面也有良好的发展。在我国，虽然智能小区起步较晚，但是近年来随着经 济生活水平的提高，发展迅速。从发达国家的发展历程推算，智能小区在我国必 然会有良好的前景。 而智能小区中很重要的一部分就是门禁系统。作为安全系统的第一道也是最 重要的屏障，门禁在安全保护中起着至关重要的作用，而普通的门禁( 门锁) 系统和 传统的人工出入管理已经不能满足现代人的实际需求，于是智能门禁系统应运而 生，并且逐渐成为现代智能建筑的重要组成部分。尤其对于一些保密性要求较高 的核心机密部门，如科研院所、档案馆、民航等重要场所，指纹门禁系统能够提 供高效、便捷、智能的授权控制。 多种高科技技术的综合使用在智能门禁系统有很好的体现，从光学、电子、 计算机算法、通信技术到机械、生物统计学等诸多学科领域。身份识别是门禁系 统中最关键的部分，传统上，个人身份的鉴别主要通过如身份证、工作证、智能 卡或密码等手段，然而传统手段存在易仿造、携带不便、容易遗失，使用不当而 损坏、由于磨损而不可读与密码被破解等诸多缺点。而生物特征属于人的内在属 性，它具有个体唯一性和难以复制等良好特性，为现代身份鉴定技术提供了良好 的前提【2 1 。与传统意义上的身份鉴定手段相比，基于生物特征的身份鉴定技术具有 不可比拟的优势，用来进行身份鉴定的生物特征应该具备以下特点： ( 1 ) 普遍性。即每个人应该都具备这种特征。 ( 2 ) 唯一性。即每个人具有的这种特征各不相同。 ( 3 ) 稳定性。即这种特征不应该轻易发生变化。 符合上述特点的生物特征主要有指纹、掌纹、人脸、虹膜、笔迹等。这些生 物特征在现代身份鉴定中都得到了广泛的应用，本文采用指纹作为身份识别的特 征。 1 2 国内外研究现状 国内外的门禁系统从发展过程来看，主要经历了如下几个阶段【3 j ： ( 1 ) 第一代门禁 。 单一的键盘密码输入。容易忘记密码或被别人盗用。 ( 2 ) 第二代门禁 接触式智能卡。容易丢失、容易使用不当而损坏。 ( 3 ) 第三代门禁 感应式智能卡。容易丢失、由于磨损而难以读取。 ( 4 ) 第四代门禁 生物特征身份系统。包括指纹识别、掌纹识别等。 指纹识别技术具有悠久的历史，人类很久以前就利用指纹代替签名【4 】。我国古 代最广泛的应用就是在文书契约上按手印，而西方逐渐在近代发展成了完整的科 学。2 0 世纪早期，指纹识别正式成为身份识别的方法并被法律部门用作身份鉴定 的依据，并开始在世界范围内建立指纹识别机构和罪犯指纹档案。指纹识别的有 关技术，包括指纹采集技术、指纹分类技术和指纹匹配技术都得到了较快发展。 1 9 0 5 年，法国警方和英国警方先后采用指纹作为犯罪证据。 1 9 1 l 1 9 1 5 年，国际上确定了指纹鉴定的标准。 然而，传统的指纹识别技术主要通过人工比对的方法，该方法虽然能够解决 指纹比对方面的问题，但比对者工作繁冗复杂，并且容易出现错误的判断。为了 减轻比对者的工作量，1 9 8 5 年，美国警方建立了辅助人工鉴别的计算机指纹分析 系统，该计算机能在几分钟之内就可以提供相匹配的类似指纹，最后为关键的几 个指纹进行详细的人工比对即可，大大降低了人工鉴别的工作量。 2 0 世纪8 0 年代，随着光学扫描、个人电脑等技术的发展，指纹采集工具这一 难题得到解决，从而指纹识别技术在其他领域中得以了广泛的应用，同时由于数 字化采集设备的应用，指纹识别理论的逐渐成熟，指纹可靠比对算法的发现都为 曾经停滞的指纹识别技术提供了巨大的推动力和更广阔的舞台。目前，利用计算 机作为工具进行指纹识别的相关技术在国外已相当成熟，并且已经得到了大规模 推广和应用。许多大公司成立了专门的机构从事指纹识别技术的研究、研发与推 广应用，其中美国d i 百t a l p c r s o n 公司、i d 肌t i x 公司、v r 砸d i c o m 公司、韩国现代集 2 团及台湾m e r 公司等，指纹识别算法都具有世界先进水平。其中美国d i c o m 的指纹识别算法被认为是国际上最优秀的算法之一，它具有独特的技术，在处理 过程中不进行细化，而是直接对二值化后的指纹图像进行滤波，在其基础上提取 特征点，进而利用拓朴结构图进行对比，其算法结果可以达到拒判率不大于1 ， 误判率不大于o 0 1 。 但现在该研究领域中，主要以p c 作为开发平台，代价高，体积大，尤其对于 一些小型系统，如门禁系统的应用，该开发模式并不合适，所以开发一款用于门 禁的指纹识别系统，具有很好的应用前景。 1 3 论文的主要研究内容及结构 论文的研究内容分为系统的软硬件设计实现及指纹识别的算法研究两个部 分。 ( 1 ) 基于删9 的嵌入式开发平台的搭建：这一部分包括系统硬件平台 的选型( 基于s 锄蹦培s 3 c 2 4 4 0 a l l 处理器的t q 2 4 4 0 开发板与v 硪d i c o m 公司指纹采集芯片f p s 2 0 0 ) 以及软件平台的建立( 启动部分u b 0 0 t 引导程序 的分析与移植、操作系统嵌入式i ，i n u x 内核部分的移植与上层文件系统的 选择与制作、驱动程序的分析与实现三大部分) ( 2 ) 仿真了指纹识别的完整过程，包括指纹图像采集、图像预处理算法、特征 提取算法、特征匹配算法。其中预处理算法包括：指纹图像场计算、指纹 图像分割、指纹图像均衡、指纹图像收敛、指纹图像平滑、指纹图像智能 增强、指纹图像骨架提取、指纹图像骨架细化。 ( 3 ) 实现了指纹识别算法在嵌入式i ，i n l 】x 上的移植。 ( 4 ) 对全文进行了总结，并对指纹识别门禁系统的未来发展趋势做出展望。 论文的组织结构如下：第1 章绪论，主要阐述本文的研究背景和意义，同时 列出论文的主要工作与组织结构。第2 章开发平台的建立，介绍本系统采用的硬 件平台与软件平台的选择与搭建。第3 章指纹预处理，研究指纹识别流程中的预 处理算法部分。第4 章指纹特征提取与比对，研究指纹识别流程中的特征提取与 比对算法部分。第5 章实现指纹识别算法在嵌入式【血l l x 上的移植。第6 章为总结 和展望。 1 4 本章小结 本章在阅读大量国内外作品与参考文献的基础上，对指纹识别研究领域的背 3 景及意义以及国内外该领域的研究现状，尤其是指纹识别技术在门禁系统中的应 用做了详细的论述，并介绍了研究思路、研究内容与文章的组织结构。 4 2 开发平台的建立 嵌入式终端使用基于删9 的嵌入式“n u x 开发平台，该系统平台的搭建主 要包括两部分：系统硬件平台的搭建和系统软件平台的搭建。在本章中，主要介 绍系统硬件的选择与平台的总体结构；系统的软件平台主要包括几部分：u - b o o t 引导程序的移植、l i n u x 内核的裁剪、移植与文件系统和设备驱动三个部分。下面 将详细对其进行分析与设计实现。 2 1 系统硬件平台 图2 - l 系统硬件架构图 f i g 2 一ls y s t 锄h 盯d w a 豫b l o c kd i a g r a m 图2 1 是整个系统硬件平台的架构图【5 1 ，以s a m s u n g 公司删9 系列 s 3 c 2 4 4 0 a l 微处理器为硬件核心，外围扩展有电源管理与实时时钟模块、采集模 块、人机交互模块、存储模块、通讯模块、输出模块等，其中，采集模块主要是 通过f p s 2 0 0 指纹采集模块采集指纹图像，图像处理完成后通过东华l c d 液晶显 示屏将最终的处理结果以直观易见的方式显示给用户，并通过电控锁控制门的打 开与闭和；而存储模块主要由一片6 4 m b 的s d r j 蝴和两片f l a s h 组成( n o rf l a s h 与n a i l df l 嬲h ，其中n 0 rf l a s h2 m b ，n a n df l a s h6 4 m b ) ，它们构建了嵌入式i ，i m 操作系统运行时需要的内存环境；通讯模块则主要由两个部分组成：u s b 、r s 2 3 2 接口及以太网接口，其中，其中u s b 、r s 2 3 2 接口主要完成程序的下载、指纹模 板库的输入，而以太网留待扩展，完成与上位机的通信功能；电源管理模块主要 5 负责硬件上的电源转换与管理以及软件即操作系统平面上的电源管理，其中低层 硬件的电源管理主要功能主要是实现电源9 v 电压向硬件平台其余芯片所需3 3 v 、 5 v 、1 8 v 等电压的转换，而上层软件上的电源管理功能主要是通过利用i ，i m 操 作系统的电源管理功能使得系统运行时的功耗达到最低；而实时时钟模块主要提 供系统意外掉电时的时钟信息保持功能，在该系统中采用的是芯片内部具有日历 功能的芯片时钟发生器，此外还可以通过s d 卡扩充系统的存储容量。 下面重点介绍一下核心部分：s 3 c 2 4 4 0 a l 微处理器，微处理器是整个系统硬 件平台的大脑，对其深入详细的理解，将有助于系统开发工作的进行j 。 目标平台所采用的核心微处理器为韩国s 舢订s u n g 公司的s 3 c 2 4 4 0 a l ，它是 三星公司推出的一款高度集成的芯片，2 0 0 3 年的第四季度开始进行量产，具有低 价位、低功耗、高性能的特点，内核采用删9 2 0 t 内核，3 2 位r i s c 指令集，五 级整数流水线；该处理器工作电压1 3 v ，工作频率最高可达5 3 3 m h z 。 该处理器提供了丰富的内部设备：1 6 k b 的指令c a c h e 与1 6 k b 的数据c a c h e 、 虚拟存储器管理m m u 、支持n o rf l 础与n a l l df l a s h 的双重引导、3 通道u a r t 控制器、4 通道d m a 、系统管理器( 包括片选逻辑与s d 毗m 控制器两部分) 、 8 通道l o 位a d c 控制器与触摸屏接口。产品采用o 1 3 微米工艺，上层支持m i c r o s o f i w i n d o w sc e 、s ) ，刀曲i 觚、p a l i i lo s 和嵌入式l i n u ) 【操作系统，产品包括5 3 3 、4 0 0 、 3 0 0 m h z 三款。 由于s 3 c 2 4 4 0 a l 是内核为删9 2 0 t r i s c 的处理器。而删9 2 0 t 内部实现 了包括m m u ，d m a 等多种控制器，通过比较少的外围设备的扩展即可以实现完 整的系统，因此采用s 3 c 2 4 4 0 a l 作为核心微处理器进行系统设计可以大大减少系 统的硬件成本。其中系统的内部结构图如图2 - 2 所示。 6 图2 - 2s 3 c 2 4 4 0 a l 内部结构图 f i g 2 2s 3 c 2 4 4 0 a l b l o c kd i a 斟呦 在s 3 c 2 4 4 0 a l 的使用过程中应该注意以下几个方面： ( 1 ) 系统时钟模块：由于s 3 c 2 4 4 0 a l 内部集成了具有日历i 玎c 功能和 p l l ( m p l l 和u p l l ) 功能的芯片时钟发生器，因此s 3 c 2 4 4 0 a l 可以生成三 种不同的时钟信号，它们分别是c p u 使用的f c l k 信号，a h b 总线使用 的h c l k 信号和a p b 总线使用的p c l k 信号。两个锁相环l l 可以用 于f c l k 、h c l k 以及p c l k ，而u p l l 则用于u s b 设备。同时s 3 c 2 4 4 0 a l 支持f c l k ，h c l k 与p c l k 三个时钟的分频选择，该选择可以通过控制 7 寄存器c l l n 的h d n 悄与p d i v n 的设置完成，系统默认的比率是1 ： 1 ：l ，在使用中推荐的比率是1 ：2 ：4 ，即结果为h c i k _ f c l 2 ，p c l k = f c l 趴，在使用过程中按需求进行设置。 ( 2 ) n a n df l a s h 控制器：微处理器s 3 c 2 4 4 0 a l 支持从n o rf l a s h 与n a i l df l a s h 双重启动和引导系统，如果从n a n df l 砒启动，s 3 c 2 4 4 0 a l 内部具备一个 s r a m 缓冲器，名字叫做“s t 印p i n 笋t o n c ，当操作系统选择从n a l l df l a s h 启动时，n a n df l 嬲h 存储器中存储的前面4 k 字节的内容会被自动载入到 s t 印p i n g s t o n e 中，接着系统会自动执行载入的引导代码。同时s 3 c 2 4 4 0 a l 关于存储器映射也随启动方式的变化而变化，具体分配如图2 - 3 所示：其 中存储空间总共分为8 组( b a i l l 【) ，每一组的大小都是1 2 8 m b ，总共1 g b 。 从b a l l l 【o 到b a n k 5 ，这些b 锄k 的开始地址是固定不变的，用于r o m 或 s ra m 。剩余的b 锄k 6 和b 锄k 7 主要用于r o m ，s r a m 或s d r a m ，而这 两个b a n k 可以编程但大小必须相同，可以看出b a i l k 6 的结束地址即b 锄k 7 的开始地址。 p r n 越u s e d r s f r a m a l ：； b 0 0 t s r a m ( 4 k b y t 鼯) s r o m ，s d r a m ( r l ( s 7 ) s r o m s d r a m ( n g c s 6 ) s r o m o l g c s 5 ) s r o m ( n g c s 4 ) s r o m ( n g c s 3 ) s r o m ( n g c s 2 ) s r o m ( n g c s l ) s r o m ( n g c s o ) n o t u 刚 s f r a 礴 n 0 t u s e d s r o m s d r a m ( 1 l g c s 7 ) s r o m s d r a m ( n g c s 6 ) s r o m ( i l g c s 5 ) s r o m ( i l g c s 4 ) s i 的m ( i i g c s 3 ) s r o m ( r _ g c s 2 ) s r o m ( 1 l g c s l ) o m 【l ：o 】= = 0 l ，l o0 m 【1 ：o 】0 0 不使用n i m d f i a s i l 引导使用n a n d f l a s i i 引导 图2 3s 3 c 2 4 4 叫儿存储空间映射图 f i g 2 3s 3 c 2 4 4 0 a lm 锄l o 巧m a p ( 3 ) s 3 c 2 4 4 0 a l 的启动方式选择：s 3 c 2 4 4 0 a l 支持三种启动方式，三种方式的 8 选择可以通过对o m 0 ：l 】引脚电平的设置实现，如图2 - 3 所示： o m 1 ：0 】= 0 0 从州df 1 嬲h 启动； o m 【l ：o 】= 0 1 从1 6 位宽的r o m 启动； o m 【l ：0 】= 1 0 从3 2 位宽的r o m 启动。 2 2 系统软件平台 2 2 1嵌入式操作系统 在开发应用中常用的嵌入式操作系统主要有以下几种【7 1 ： ( 1 ) v x w b r k s v x w o r k s 是由美国w i n d m v e r 公司开发的硬实时嵌入式操作系统，同时也是嵌 入式操作系统市场上占有率最高的，它支持多种架构处理器：x 8 6 、s 城s p a r c 、 p o w e rp c 、删等，是一款非常成熟可靠的嵌入式操作系统，已经在多个领域 得到了广泛应用，但v x w o d ( s 价格很高，在一些实力雄厚的大公司应用比较广泛， 小公司往往难以承担。 ( 2 ) w i l l c e w i i l c e 是m i c r o s o f t 开发的一款操作类似于w i n d o w s 的嵌入式操作系统，它 的实时性强，功能非常强大，但是由于版权原因，成本较高。 ( 3 ) 嵌入式i ，i n u x 嵌入式i ，j n u x 来源于“n ：u 】【，i j n u x 是开源的操作系统，主要有r 尉h a t 、n o v e l l 等公司进行企业版本的开发，i ，i n u x 经过多年的发展，已经渗入了各个领域，包括 服务器，个人p c 以及嵌入式领域，i j n _ 1 1 】【操作系统是软实时、多任务处理操作系 统，稳定性高。其最大的优势是源代码公开，由于这个特点所以非常适合在此基 础上进行系统的裁减、移植与进一步的开发。 该系统的软件平台采用嵌入式“n u x 系统；是由于它具有以下几个优点： ( 1 ) 源代码开放 由于源代码开放，开发者可以查看和修改系统内的任何代码。 ( 2 ) 设备驱动程序丰富 硬件层出不穷，而硬件厂商对几乎所有的硬件都提供了l i i 眦的驱动支持，基 于提供的驱动进行修改可以大大提高开发速度。 ( 3 ) 适合剪裁和定制 针对外围器件与存储空间的大小限制，可以对操作系统进行必要的裁 剪；而由于“n u ) 【源代码开放，裁剪工作可以方便的完成。 9 ( 4 ) 强大的网络、图形、文件管理 l 椭腿提供了强大网络功能，可以支持多种文件系统，界面功能强大，q t 、 m 陆g u i 等多种界面库提供了强大的图形功能。 ( 5 ) 内核小巧、稳定 l i n u x 正是由于内核非常稳定，所以在服务器领域得到了广泛的应用。 嵌入式i j n u x 操作系统主要由以下三部分组成：引导程序( u - b o o t ) 、内核镜像、 上层文件系统。当系统上电运行后，引导程序被首先执行；然后在引导程序的引 导下启动内核，内核实现了对系统硬件的驱动；内核启动完成后挂载文件系统， 并运行系统上的应用程序。下面将分别对这三个方面进行详细论述。 2 2 2 u b o o t 引导程序分析与移植 b d o t l o a d e r 与w i n d o w s 操作系统下的b i o s 功能类似，是在“r n l x 操作系统启 动运行之前运行的一段小程序【引。b o o t l o a d e r 的主要功能是进行必要的硬件初始化、 建立内存空间的映射图、引导内核、传递内核参数，将系统的运行环境设置成一 个合适的状态，从而为调用l i n l l ) 【操作系统内核做好必要的准备。b 0 0 t l o a d e r 最终 目的将操作系统映像正确加载到内存中，然后将系统控制权交给“n u x 操作系统。 b c 脱l o a d c r 虽然代码量少，但是它的作用却非常重要，b 0 0 t i o a d e r 中许多代码 是根据处理器的体系架构以及设计的外围电路而编写的，因此要为不同类型不同 架构的嵌入式开发平台构建一个通用的b 0 0 t l o a d e r 是难以实现的，所以在进行嵌入 式l i n l l 】【移植之前，必须针对自己的独特的硬件平台来移植一个合适的b o o t l o a d 盯。 其中l l - b 0 0 t 是目前比较流行、功能比较强大的b 0 0 t l o a d e r ，可以支持多种处理 器架构。 常用的b o o t l o a d e r 有u b 0 0 t 、v i v i 、捌b o o t 、a m l i o o t 等。 ( 1 ) 山0 t u b o o t 是由德国d e n x 小组开发的b o o t l o a d e r 程序，可以用于多种架构的嵌 入式c p u 的，包括x 8 6 、p o w e r p c 、m 口s 、a r m 等，支持的嵌入式操作系统有 v x w b d 【s 、n c t b s d 、i ，i n u x 、q n x 、l y n x o s 等，利用u b o o t 可以通过串口和网口 下载程序，通过串口发送命令等，另外它还是开源项目，可以直接获取它的源代 码，进行修改编译。 ( 2 ) 同b o o t r e d b 0 0 t 是r e d h a t 研发的为嵌入式系统量身定制的引导启动工具。r o d b o o t 集 成了b o o t l o a d 盱、调试、f l 曲烧写，同时支持串口、网络下载，无论在产品的开 l o 发阶段还是在最终的产品上都得到了广泛的应用。r 础o o t 支持g d b ( m eg n u d e b 删调试，相比于简易的j t a g 调试器，它更可靠、高速、稳定。 ( 3 ) v i v i 是韩国m i z i 公司为删产品线专门开发的一种b 0 0 t l o a d e r 。但是由于 v i 目前仅支持通过串口与主机通信，因此在开发过程中必须通过串口电缆来连 接主机和目标板。 在移植u b o o t 之前，先从软件的角度来了解一下嵌入式“n u x 系统的层次结 构以及上述b o o u o a d e r 在该系统中的位置十分必要。通常从软件的角度看来，一个 典型的嵌入式l i n l l ) 【系统可以分为4 个层次： ( 1 ) 引导加载程序：这部分由固件程序f n w a r e ( 可选) 与上述的b o o t l o a d e r 两大部 分组成。在一些复杂的系统中，c p u 在运行b o o t l o a d e r 之前会先运行一段 固化程序( 固件，缸m w a r e ) ，比如通常所用的x 8 6 结构的c p u 在运行的 b o o u o a d 叫位于硬盘第一个分区) 之前都先运行b i o s 中的固件。当然，在大 部分嵌入式系统中并没有固件，上电后执行的第一个程序就是b o o n o a d 贫。 ( 2 ) l i 删x 内核：特指操作系统的核心部分，已经裁剪了不必要的驱动与上层部 分，嵌入式内核指针对不同板子定制的内核以及内核的启动参数。l i i n i x 内 核的启动参数有两种来源，一种是默认参数，另一种是通过b 0 0 u o a d e r 传递 过来的设定参数。 ( 3 ) 文件系统：文件系统位于操作系统之上，主要包括根文件系统以及建立在 f l a 出内存上的文件系统。文件系统中包含了l i n u x 系统能够正常运行所需 要的库函数以及应用程序等，比如“n u x 环境下编程需要的系统调用，程 序运行时所需要的动态链接库，如百i b c 或u c l i b c 库，还有提供给用户供用 户操作的控制界面，如x w i n d o w s 或s h e l l 程序等。 ( 4 ) 用户应用程序：特指用户编写的应用程序，主要用来完成实际的处理功能， 它们也存储在文件系统中。该文章中的指纹识别算法就主要在该层面完成， 当然，用户应用程序要需要调用内核中的函数或者库。 在嵌入系统的固态存储设备中，上述不同部分都有对应的分区来存储它们，如 图2 4 所示是一个典型的分区结构。 l b o o n o a d e rl 启动参数l 内核i 根文件系统i 用户应用程序l 图2 4 嵌入式i 枷系统的典型层次结构 f i g 2 4t ) 慨c a la 刊h i t e c t u r ed i a g 姗o fe l 曲吱i d e di 血u xs y s t 锄 “启动参数”分区用于存放一些可以进行设置的参数，比如串口波特率、口地 址、传递给i j n _ u ) 【内核的命令行参数等。在正常启动过程中，首先运行的是 j b 塞蛮道厶堂亟堂缱途塞珏筮垩台的建童 b o o n o a d e r ，然后在b o o t l o a d e r 引导下内核复制到内存s d r a m 中( 有些内核可以直 接在固态存储设备f l a l s h 上运行) ，同时通过将内存某个固定地址设置为要传递给 l i n u x 内核的参数，然后运行内核。l i n u x 内核启动完成之后，它会自动挂接根文 件系统，挂载完成后启动应用程序。 天嵌开发板提供了编译好的u - b o o t 镜像，在w i n d o w s 平台下利用h j t a g 软件 烧写进n o rf l a s h 或n 锄df l a s h 中，进而提供两种方式的f l a s h 启动。如图2 5 是 u b o o t 的烧写。 图2 5u 舢o t 烧写过程 f 嘻2 5d o ，n l o a do f u j b o o t 当然，我们也可以下载u b o o t 源代码进行配置、编译、下载。 $ t a rx v 旬b o o t l o a d e r t a r b z 2 c $ m a k em e n u c o n 矗g $ m a k e 2 2 3嵌入式l i n u x 内核移植 l i n u x 内核的下载需要通过串口，通过串口控制开发板，需要上层p c 机有模 拟终端程序，主流操作系统都自带了模拟终端【9 】；w i n d o w s 系统中的超级终端， l i n u ) 【系统中的耐i l i c o m 都属于模拟终端的范畴。该论文下载环境选择w i n d o w s 操作系统，使用其自带的超级终端程序，可以通过“开始 程序 附件 通讯”打开 1 2 超级终端，在使用之前，需要对超级终端进行设置。 运行该程序后，弹出如图2 6 窗口，询问是否将h y p e r t e n n i n a l 作为t e l n e t 程 序，选择“否”。 图2 6 串口配置界面 f i g 2 6c o n f i g u r a t i o no fs e r i a lp o r t 新建的超级终端需要赋予一个名字，记为“m 姗i n a l ”，然后选择p c 的物理串 口序号，该开发环境使用的为c o m 2 口，通过u s b 转r s 2 3 2 得到；进而设置c o m 口属性，波特率：1 1 5 2 0 0 ，数据流控制：无，其余按默认配置。 本系统采用的l i n u x 内核版本是l i n u x 2 6 3 0 4 ，天嵌提供的“n u x 内核版本 中带有了文件系统。 $ t a rx v 旬l i n u x - 2 6 2 5 8 t a r b z 2 c d p t e m b e d s k y 进入到内核源码，修改“m a k e f i l e ”文件增加对a r m 的支持。 “a r c h = a 彻”， “c r o s s - c o m p i l e = a m - l i n u x c ” 修改系统的时钟，因为开发板使用的1 2 m h z 的外部时钟源输入，所以需要把 内核中默认的1 6 9 3 4 4 0 0 改为1 2 0 0 0 0 0 0 保存设置好的参数，然后开始配置内核。 $ m a l ( em e n u c o n f i g 如图2 - 7 先调用开发板自带的一个默认配置单：位于内核源码的“a r c h a m c o n f i g s ”目录 下面，名为“s 3 c 2 4 1 0d e 劬n f i g ，该配置文件选择了和s 3 c 2 4 x x 系列c p u 相关的 配置选项，在该配置基础上进行添加、删除修改【l 0 | 。 图2 7 内核配置界面 f 培2 - 7c o n f i g u r a t i o no fk e n l a l $ m a l ( ez i i n a g e 编译内核镜像 内核编译完成后，接上串口到开发板和p c 之间，然后按住p c 键盘上的空格 键之后，打开开发板的电源，进入开发板的下载模式，此时，会在l c d 上面显示 “d o w n l o a ds y s t e mm o d e ”的字样。系统进入u b o o t ，如图2 8 所示，选择3 进入下 载l i n u x 内核镜像操作。 文件啦l 锄重f 够删o d 蓐坳s 由舀骨 雠鼍劬 【7 】d o 叭1 dt os 哝洲r 帆 【8 】b o o tt h es 雌t 明 1 9 】f o n 吣tt h en 8 n df l a s h l b 【a 【o 【a e n s e t t h eb td a r a - e t e r s 【k - n 1 口a d 岭e rp r o 口r 馥 d o - n l o a du b o o tt o 陬，rf l a s h q u i tf r o _ - e n u ”y o u rs e l 托t i -b o o tf o rn o rf l a s h 1d o _ n l o 利u b o o tt on d n d 1d o - n l de b o o t jd o - n l dl i n u xk e 广n e l 1d o - n l du i n c eh k b i n 抖* 抖* 一 f l a s h o 饷n l o a da 碥峤si _ a 卵 d o - n 1 dv 孵f si m g e d o - n l o a dt os d 明h & r u n b o o tt h es y s t 朗 f o r m tt h eh a n df l a s h s k t t h eb td 翻a e t e r s d o - n l o a du ：s e rp r o 口r 氍 d m l o a du - i tt o rf l a s h a u i tf r o 一e r 山 盯v o 忻s e l k t i ： 图2 8u j b o o t 下载模式 f i g 2 - 8d o 、) l m l o a dm o d e lo fu - b o o t 1 4 u心婚幅哺n嵋b旧bh阳卧 2 2 4设备驱动 驱动程序源文件编译生成d n v 瓯k o 驱动模块，使用i n s m o dd n 既k o 就可以将其 插入到内核中运行了，如果把编译出来的驱动模块拷贝到 l i b m o d u l e s l 【e n l e l 嘶v e r s u s b 下，然后执行d 印r n o d 命令，当插入u s b 设备的时 候，系统就会自动加载驱动模块，驱动模块加载成功后就会在d e