（电力系统及其自动化专业论文）嵌入式网络视频监控硬件系统的分析与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i ti sa t e n d e n c y t ou s ee m b e d d e dn e t w o r k t e c h n o l o g y i nt h ef i e l d m o n i t o r i n g a n d s u p e r v i s i o n t h e e m b e d d e dn e t w o r kv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m i san e w t e c h n i q u ep r o d u c tt h a te l e c t r o n i c st e c h n i q u e ，c a l c u l a t o rt e c h n i q u e c o r r e s p o n d e n c et e c h n i q u ej o i n i n gt o g e t h e rw i t ha u t o m a t i z a t i o nt e c h n i q u ea n d d e v e l o p i n gq u i c k l y e m b e d d e d n e t w o r k t e c h n o l o g y w i l lc h a n g et h ea r c h i t e c t u r e o f m o n i t o r i n g a n d s u p e r v i s i o ns y s t e m ，a n d i tw i l ls a t i s f yt h ee x p a n s i b i l i t y ， d i s t r i b u t i o n ，r e a lt i m ei nm o d e mm o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n g i t c a nb e e x t e n s i v e l ya p p l i e d i n t e l e c o m m u n i c a t i o n ，p o w e r t r a n s p o r t a t i o n ，b a n k t i r r i g a t i o nw o r k s ，i n t e l l i g e n c em a n s i o n e t c i nt h i sp r e m i s e ，t h i sd i s s e r t a t i o n ，a l l e m b e d d e dv i d e om o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nn e t w o r ki s d e s i g n e d t h e h a r d w a r e p l a t f o r mo ft h es y s t e m i s d e v e l o p e db a s e do nh i g hp e r f o r m a n c e e m b e d d e d p r o c e s s o r a n d s p e c i f i c v i d e o c o m p r e s s i o nc h i p s t h e m p e g 一4 t e c h n o l o g y ，e m b e d d e dl i n u x ，a n ds t r e a mm e d i at e c h n o l o g y a r eu s e di n d e s i g n i n gt h es y s t e m b yt h i ss y s t e m ，w e c a nd ov i d e o m o n i t o r i n g a l lo v e rt h e n e t w o r k t h es y s t e mh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs m a l lv o l u m e ，h i g hs t a b l e i m a g eq u a l i t y ，l o n g d i s t a n c em o n i t o r ，e t c s oi t h a s g o o da p p l i e d a n d d e v e l o p m e n t a l o u t l o o k t h i sp a p e r ，f i r s ta n a l y z e st h eh i s t o r y d e v e l o p m e n to fv i d e om o n i t o r i n g t e c h n o l o g ya n dt h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so fe m b e d d e ds y s t e m a n dt h e n ， c o r r e l a t i v et e c h n i q u e so fe m b e d d e d n e t w o r k i n gv i d e om o n i t o r i n gs y s t e ma r e i n t r o d u c e d t h ed e e pr e s e a r c hi n t og e n e r a le m b e d d i n gp r o c e s s o ra n ds p e c i f i c v i d e o c o m p r e s s i o nc h i pa r ec o n d u c t e d t h e nt h e t o t a l s y s t e md e s i g n a n d f u n c t i o nd e f i n i t i o nj sd i s c u s s e di nd e t a i l b a s e do nt h eb a c k g r o u n dm e n t i o n e d a b o v e ，a n dt h e d e e p m a r k e t i n v e s t i g a t i o na l o n gw i t hc o l l e c t i v ee v i d e n c e ，t h i s p a p e rs t u d i e st h es c h e m e so ft h ep o p n i a re m b e d d e ds y s t e ma n dm p e g 4 s p e c i f i cv i d e oc o m p r e s s i o nc h i p s o ne m b e d d e ds y s t e m ，t h es y s t e mc o n f i r m s t h es c h e m e so f c o n s t r u c t i n g a ne m b e d d e dw e bs e r v e ri na r m $ 3 c 2 5 1 0 h a r d w a r e p l a t f o r m c o l l e c t i o na n dc o m p r e s s i o no ft h ea u d i o v i d e od a t ab yt h e s p e c i a lc h i pg 0 7 0 0 7 s b ，i tm a k e su s eo ft h en e w e s tm p e g 4t e c h n o l o g yt o 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 c o m p l e t e v i d e os t r e a m c o m p r e s s i o n t h e ne m b e d d i n gc p ua n d m p e g 一4 e n c o d i n g a n d t r a n s m i t t i n g c i r c u i t r y f i t f o r a p p l i c a t i o n a r e d e s i g n e d s u b s e q u e n t l y t h e h a r d w a r e d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n ta n dt h et l o wo f h a r d w a r es y s t e md e s i g na r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h et h e o r yd i a g r a ma n dp c bo f t h es y s t e mh a r d w a r ec i r c u i ta r ed e s i g n e db yv i r t u eo fc a d e n c e t h eh a r d w a r e d e s i g np r i n c i p l ea n de x p a n s i b i f i t yo f t h es y s t e mi si n t r o d u c e d f i n a l l y ，t h em a i n r e s e a r c hc o n c l u s i o ni ss u m m a r i z e d t h es u c c e s s i v er e s e a r c hc o n t e n to ft h e s y s t e mi si n t r o d u c e d t h ep r o s p e c t o ff u r t h e rr e s e a r c hi sa l s o p r o p o s e d t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ft h ep r o i e c ti s d i r e c t l yf a c i n gm a r k e t r e q u i r e m e n t ，a n d s e l e c t su p - t o t h e - m i n u t em p e g 一4 c o d i n gc h i p sa n d t h em o s t p o p u l a rs o l u t i o ns c h e m e o fe m b e d d i n g s y s t e m ， w h i c he n s u r e st h ef e a s i b i l i t y o ft h ep r o j e c ta n da d v a n c e m e n ta n d p r a c t i c a b i l i t yo f t h ea c c o m p l i s h e d s y s t e m 。 k e y w o r d ：v i d e om o n i t o r i n gs y s t e m ，e m b e d d e ds y s t e m ，m p e g 4s t a n d a r d ， g 0 7 0 0 7 s b ，s 3 c 2 5 1 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 本章首先介绍了视频监控技术的发展动态，然后介绍了嵌入式系统的 现状，最后引出本文的主题“基于m p e g 4 标准的嵌入式网络视频监控系 统”，其根本目标在于设计一个具有较强实用价值的嵌入式网络视频监控系 统，接下来给出了本课题的目标和本文的任务。 1 1 视频监控技术的发展动态 视频监控系统是一门集计算机技术、通信技术和数字视频技术于一体 的综合系统。它以其直观、方便、信息内容丰富等特性而被广泛应用于工 业生产、交通、电力、银行、智能办公大楼等场所。随着计算机技术、网 络技术、视频技术等高科技技术的发展，视频监控技术也得到了迅速发展。 视频监控技术的发展大致可分为三个阶段： 1 1 1 本地模拟视频监控 从摄像机、电视机出现的那天起，原始的视频监控系统就己诞生，主 要由摄象机、视频矩阵、监视器、录象机等组成，由视频线、控制线缆等 连接。视频以模拟方式采用同轴电缆进行传输一。并由控制主机进行模拟 处理。基本上只能实现监看的功能，缺乏有效的调控手段； 系统的特点： 视频、音频信号的采集、传输、存储均为模拟形式； 经过几十年的发展，技术成熟。 存在的婀题： 传输距离不能太远，只适用于较小的地理范围且无法连网，与信 息系统无法交换数据： 模拟信号占用通讯线路较大，而且开放性较差； 监控仅艰于监控中心，应用的灵活性较差，维护管理复杂。没有 良好的用户操作界面，非专业人员无法正常操作； 监控质量不高，模拟信号很容易受干扰，监控图像质量不好； 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 成本较高。对于每个监控中心都需要配置一套监控设备。且信息 的存储方式是利用录像带、磁带等设备，这些存储设备成本较高。 1 1 2 基于p c 的远程视频监控 模拟监控系统的捉襟见肘，使得人们开始寻求远距离监控盼解决方法。 在9 0 年代中后期，随着计算机网络的逐渐普及和视频技术的发展，特别是 视频压缩技术的出现和发展，使得数字音频、视频的存储和传输成为可能。 基于p c 的视频监控系统是先将麦克风和摄像头采集的模拟音频视频 信号转化为数字信号，利用专用压缩卡对数字信号进行压缩处理后，通过 网络传输给作为监控前端的p c 机，监控前端p c 机利用专用解压卡对数据 进行解压后，就能够重现远端的图像和声音a ，“n 。 系统的特点： 视频、音频信号的采集、传输采用模拟形式，存储主要采用数字 形式，保存成本低且质量较高： 传送距离远，系统功能较为强大、完善，监控人员无需在现场就 可以对监控现场进行实时监控； 数字信号的传输可靠性高，且数字化的音视频流可以通过各种方 式被连接在网络上的计算机共享，与信息系统可以交换数据； 应用的灵活性较好。 存在的问题： 系统从监控点到监控中心为模拟方式传输，与第一代系统相似存 在许多缺陷； 实现远距离视频传输需铺设( 租用) 光缆、在光缆两端安装视频 光端机设备，系统建设成本高，不易维护、且维护费用较大； 体积大、成本高。由于需要利用专用的压缩解压卡对视频信号进 行压缩和解压处理，而且一个摄像头需要一对对应的压缩解压 卡，这使得监控系统的体积较大； 脓控现场需要专人僮守，维护烦琐； 实时性不高和稳定性较差； 可扩展性差，采用专用的压缩卡和解压卡对视频数据进行压缩和 解压，只能支持一种编码格式，无法提供对其他编码方式的支持。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 1 3 基于嵌入式技术的网络视频监控 伴随着计算机技术、图像处理技术和网络技术的发展，传统模拟视频 监控系统和基于p c 的远程视频监控系统由于自身的不足，已经不能满足现 代社会应用中不断涌现出来的新需求，于是新型基于嵌入式技术的网络数 字视频监控系统就应因而生了。 目前主流的嵌入式网络视频视频监控系统一般拥有以下功能4 1 ： 1 系统提供友好的用户接口，操作界面简单易用，用户在世界的任何 地方都可以通过网络来监控前端现场，通过网络来遥控现场的嵌入式系统 前端机来达到图像控制、云台旋转、镜头变换、报警控制等目的。 2 采用多级权限控制，定制用户组，权限严格控制，提供用户密码控 制存取登入系统及w e b 远程登入浏览授权用户只能进行相应操作； 3 选择嵌入式操作系统( 如l i n u x ) ，集成了网络传输功能，支持多种网 络协议，具备e m b e d d e dw e bs e r v e r 功能，可以通过浏览器访问，并可通 过浏览器设置参数、实时监控音视频信号、查看视频设备状态。 4 每个安装有监控软件的p c 用户可以进行远程图像的实时监控，并 可以根据实际需要对视频素材进行高效精确的查询和存储管理。 5 对原始视频图像进行压缩处理后，以评组播的方式将监控现场的 视频图像发送出去，网络中的监控点只要加入该组播组，即可接收嵌入式 前端发送的视频图像数据，展开实时监控。 因此基于嵌入式技术的网络视频监控系统将有良好的应用与发展前 景，它代替当前普遍应用的基于p c 的网络视频监控系统将成为必然趋势。 1 2 嵌入式系统的现状 嵌入式系统被定义为；以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬 件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的 专用计算机系统n m 。嵌入式系统以其本身体积小，实时性高，稳定性好， 支持以太网等优点，成为工控领域的新热点。 嵌入式系统由嵌入式硬件与嵌入式软件组成，硬件以芯片、模板、组 件、控制器形式埋藏于设备内部，软件是实时多任务操作系统和各种专用 软件，一般固化在r o m 或闪存中。软硬件可剪裁，适用于对功能、体积、 成本、可靠性、功耗有严格要求的计算机系统中n ”。嵌入式系统主要用于 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 各种信号处理与控制，目前己在国防、国民经济及社会生活各领域普及应 用，用于企业、军队、办公室、实验室以及个人家庭等各种场所。 嵌入式系统是新的经济增长点，是振兴我国信息产业的突破口。我国 信息产品有了飞速发展取得巨大进步，但是产品技术水平、市场占有率与 国外发达国家及新兴发展中国家都有很大差距，要迎头赶上必须走技术创 新的路子，首先要大力采用嵌入式系统，广泛采用微处理器、微控制器及 嵌入式软件，提高产品数字化智能化水平，提高产品的性能价格比；无论 改造旧产品发展新产品实现技术创新，嵌入式系统都是有效手段和得力工 具，嵌入式系统为我们迎头赶上振兴民族信息产业提供了难得的机遇。 1 3 课题的提出 嵌入式网络视频监控技术将先进的嵌入式技术、视频压缩编码技术、 网络传输技术和计算机技术相结合，在监控点采用嵌入式技术，利用视频 压缩芯片对音频视频数据进行压缩，在监控前端的p c 机中利用软件实现 对视频压缩数据的艉压回放。基于监控现场的嵌入式系统集成度高并且可 以直接连入以太网，可即插即看，省掉了各种复杂的电缆铺设，安装方便( 仅 需设置一个m 地址) 。无需专人值守。而且远程监控人员只需拥有一台安 装了监控前端软件的p c 机，无需安装特殊的硬件设备，就可以在世界的 任何一个地方，对监控现场进行实时远程监控，不但降低了系统的成本， 而且系统维护方便。 目前我国的嵌入式网络视频监控系统还处于起步没多久的阶段，所 以研究并开发一种基于嵌入式技术和m p e g 4 压缩标准的网络数字视频监 控系统将有较高的技术先进性和良好的市场应用前景。 1 4 本课题的目标和任务 1 4 。1 课题目标 本项且将以先进的嵌入式技术和m p e g 4 视频压缩技术为基础，结合 国内主要行业需求，设计一套先进的、方便实用的、数字化的嵌入式网络 视频监控系统。该系统可以根据项目具体需求以及应用环境进行剪裁和配 置，并可以在未来平滑升级；系统主要分为前端的现场视频采集、处理、 发送等构成硬件部分和君端的系统监控软件部分。前端硬件部分由视频采 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 集、视频处理等十多个模块有机结合而成，而后端的监控软件部分则由网 络接受模块、视频点播模块等模块组成，完全符合国际数字视频通讯标准 和互联网标准。本系统能够使用户在费用低廉的宽带接入上，实现任意地 理位置的监控，能全面构架在企业的网络平台和互联网上。该系统完成后 将可以用在电力、电信、银行、交通、水利、建筑等行业，以及中小型企 事业单位、家庭等领域。课题的目标是让设计的这个基于m p e g 4 的嵌入 式网络视频监控系统具备一般嵌入式视频监控系统的功能和特性的同时， 还具有接口简单、使用方便、实时性能好、具有高容错性高可靠性、较好 的可维护性和可扩展性等特性。 1 4 2 任务概述 本课题阐述的基于m p e g 4 压缩标准的嵌入式网络视频监控系统主要 分为两个子系统：一是嵌入式前端子系统，包括了现场的信号采集设备( 摄 像头、麦克风、报警设备等) 、嵌入式系统硬件板卡( 内含m p e g 4 压缩芯 片) 以及嵌入式前端系统软件。嵌入式系统硬件板卡采集c c d 摄像头的视 频和麦克风的音频数据，经过板上集成的专用m p e g 4 压缩芯片压缩，在 经过嵌入式实时系统的各种处理封装后的数据包以组播方式传送到网络 上。二是后端监控端子系统，即监控前端软件系统( 包含了m p e g 4 解码播 放软件模块) ，该子系统接收通过网络传输过来的媒体流数据，交付解码播 放器达到实时监视的目的。同时接收各种告警信息进行分析并作出相应处 理。后端监控端子系统发送控制流给嵌入式前端子系统，实现远程控制和 参数设置。 论文主要讨论了基于g 0 7 0 0 7 s b 的嵌入式m p e g - 4 网络视频监控硬件 系统的分析和设计。首先，介绍了嵌入式网络视频监控系统相关技术，其 次，阐述了系统的总体结构设计：其次，根据功能要求进行功能规划把 整个系统分为视频输入模块、音频输入模块、c p u 处理单元模块、s d 黜w 、 f l a s h 、电源模块、云台控制模块、视频输出模块、调试模块和报警模块。 最后，在c a d e n c e 的e d a 环境下完成了整个系统硬件电路的设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章嵌入式网络视频监控系统相关技术 本章将对与嵌入式网络图像监控系统密切相关的图像压缩技术、嵌入 式处理器、嵌入式操作系统和网络传输技术四个方面做介绍。 2 1 图像压缩技术 2 1 1 视频压缩标准及比较 原始的数字视频信号的数据量是相当惊人的，例如，n t s c 图像以大 约6 4 0 x 4 8 0 的分辨率，2 4 b i t s ，象素，每秒3 0 帧的质量传输时，则视频数 据有6 4 0 x 4 8 0 x 2 4 x 3 0 = 2 2 1 m b s 或2 8 m b s 秒，显然这样庞大的数据流 对大多数传输线路来说是无法承受的，而且也是无法存储的。为此人们开 始专门研究将这些视频、音频数据流进行压缩。很多压缩编码标准相继推 出，主要有j p e g m - j p e g t ，h 2 6 1 1 - i 2 6 3 和m p e g 等标准。其中j p e g 标准主要是用在静止图像的压缩。m j p e g 是将j p e g 改进后用到运动图 像上，在压缩比不高时，有较好的复现图像质量，但占用存储空间大：在 压缩比高的情况下，复现图像质量差。h 2 6 1 h 2 6 3 标准是专门为用于i 虱像 质量要求不高的视频会议和可视电话设计。m p e g ( m o v i n g p i c t u r ee x p e r t g r o u p 即活动图像专家组) 。它是由i s o ( 国际标准化组织) 和m c ( 国际电工 委员会1 于1 9 8 8 年联合成立的。专门致力于运动图像及伴音编码标准化工 作。它们推出了m p e g 编码标准o ”，。到现在为止。专家组己制定了 m p e g 1 ，m p e g - 2 和m p e g - 4 三种标准，由于其标准化、较大的压缩比 及较高的画面质量，成为视频压缩系统首选算法。 m p e g l 是一种压缩比高但图像质量稍差的技术：而m p e g 2 技术主要 专注于图像质量，压缩比小，因此需要的存储空间就大：m p e g 4 技术是 时下比较流行的技术，使用这种技术可以节省空问、提高图像质量、节省 网络传输带宽等优点。表2 - 1 描述了前三种压缩算法的比较。 表2 - 1 三种m p e g 算法比较 i m p e g lm p e g 2m p e g 4 i 标准创建时间 1 9 9 21 9 9 51 9 9 9 l 最高图像分辨率3 5 2 * 2 8 81 9 2 0 1 1 5 27 2 0 * 5 7 6 p a l n t s c 分辨率3 5 2 2 8 8 3 5 2 2 8 87 2 0 。5 7 6 6 4 0 + 4 8 0 7 2 0 5 7 6 6 4 0 + 4 8 0 最高数据流量 3 m b p s8 0 m b p s5 t 0 1 0 m b p s 一般数据流量 1 3 8 0 k b p s6 5 0 0 k b p s8 8 0 k b p s p a l n t s c 帧率 2 5 3 0 f p s2 5 3 0 e p s2 5 3 0 f p s 图像质量一般非常好非常好 硬件编码要求低高非常高 2 1 2 基于m p e g 4 视频压缩芯片的选型 在芯片选型过程中，本文作者跟踪了目前四种用于视频压缩的m p e g 4 芯片，他们分别时：t r e m a d i a 、i n t i m e 、v b 和w l s 芯片 1 t r i m e d l a 芯片 t r i m e d i a 芯片是p h i l i p s 公司新近推出的针对多媒体应用的一种高性能 d s p 兼c p u ，它能够进行高质量的视频和音频处理。t r i m e d i a 现有三种型 号：t m l 0 0 0 ，t m l l 0 0 和t m l 3 0 0 ，处理器的主频分别为1 0 0 m h z ，1 3 3 m h z 和1 6 6 m h z 。t m l 3 0 0 系列芯片正在被大规模应用开始于视频监控产品中。 t m l 3 0 0 的核心是3 2 位的处理器，能够进行3 2 位的线性寻址，寻址能力 可达到4 g b 。同时它含有1 2 8 个通用寄存器，它们不象其它d s p 的寄存器 那样分段，所有的操作都可蛆使用这些寄存器。t m l 3 0 0 核心处理器采用 的是v l i w ( 超长指令字) 结构，可以在每一时钟周期内同时进行5 个操作， v u w 结构还可以减少处理器的工作量。t m l 3 0 0 支持1 6 k b 的数据高速缓 存和3 2 k b 的指令高速缓存，并且数据高速缓存是双端口的，允许同时双 向接入。但是其必须要把m p e g 4 压缩算法嵌入到d s p 中。 2 i n t i m e 芯片 i m e 6 4 0 0 是由韩国i n t i m e 公司生产的m p e g 。4 多媒体编码芯片。此 多媒体芯片也同时支持m p e g l ，m p e g 2 和m p e g 4 三种格式，由于其没 有音频信号的处理，在处理音频信号时，需要用软件压缩音频，这样很难 达到音、视频同步。 3 y b 芯片 v b 2 0 1 0 是兼容m p e g l ，2 ，4 标准的视频音频压缩解压缩芯片。具 有很高实用性。完全符合i s o i e c 1 4 4 9 6 2 标准。压缩芯片接收 i t u r b t 6 5 6 格式的数字视频信号，首先对此数字视频信号进行滤波，然 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 后压缩成m p e g 4 格式的视频信号。音频压缩接收左、右声道的1 2 s 格式 的数字音频信号，然后进行过滤、压缩形成m p e g lm y e r l 格式的音频 信号。芯片对视频，音频压缩数据进行打包处理，形成一组编程码流送入 存储器进行存储。但由于昂贵的入门费用使得他的推广受到了影响。 4 。w i s 芯片 最后一个闯入视野的是基于m p e g 4 算法的压缩芯片g 0 7 0 0 7 s b ，这 款芯片以高实用性和高性价比成为本论文首选芯片a 2 2 嵌入式处理器 2 2 1 嵌入式处理器的选择 每个人都知道什么是p c ，但很多人不明白什么是嵌入式系统和嵌入式 微处理器。与p c 制造者不一样，嵌入式系统的工程师不得不自己设计自 己的系统。与全球p c 市场不同，没有一种微处理器和微处理器公司可以 主导嵌入式系统，以3 2 位的c p u 而言，就有1 0 0 种以上嵌入式微处理器。 那么嵌入式处理器如何选择昵? 通常应用系统的要求是多种多样的， 在某种情况下，性能极为重要，而在另一种情况下，低功耗又成为最关键 的因素。另外，一些设计者会考虑处理器支持的调试软件、嵌入式操作系 统、代码的大小以及多种渠道的资源。下表是目前比较流行的几种嵌入式 处理器的性能比较w 。 表2 2 几种嵌入式处理器的性能比较 运算能力运算频率功耗 编译器操作系 c p u 类型 ( m 坤s ， i z )( m )( 加7 协l h z )支持统支持 a r m 70 92 0 1 3 3o 3 9 多多 a r m 91 1 1 0 0 2 3 30 8 多多 a r m l 01 2 2 6 6 7 0 00 6 多多 x c a k ”1 22 3 3 4 0 01 2 8少少 m l p $ 3 21 1 9 2 2 8 00 5 + 多多 6 8 h0 8 91 2 3 91 3 1多多 e l a n ( x 8 6 1 1 0 0 1 3 31 2 多多 ( a m d ) 8 0 c 5 1 0 2 5 ( 8 位)1 2 1 0 01 2多多 ( c y e n a l ) 往：+ 在0 1 8 # m 制程工艺和该c p u 推荐的电压f 是在i n t e l 制程工艺情况下 从上表可以看出，在嵌入式微处理器中以x 8 6 为代表的c i s c 处理器 的各项性能都被以a r m 为代表的r i s c 所超越。r i s c ( 精简指令集处理器) 的中心思想是简化硬件设计，硬件只执行很有限的最常用的那部分指令， 大部分复杂的操作则使用成熟的编译技术，由简单指令合成。r i s c 使得相 对少的晶体管可设计出极快的微处理器。一般来说，r i s c 处理器比同等的 c i s c 处理器要快5 0 7 5 。a r m 和m i p s 3 2 的m 球s 功耗性能不分上 下，但是a r m 的程序代码更小。在我们这个系统中，考虑到处理器的性 能、功耗、代码、价格、购买方便程度以及厂家支持等因素，最后决定选 择使用a r m 处理器。 2 2 2a r m 处理器 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司是一个知识产权供应商，设计公 司，专注于设计低功耗、低成本、功能强，特有1 6 3 2 位双指令集的微处 理器内核。2 0 0 1 年初，a r m 公司的3 2 位r i s c 处理器市场占有率超过了 7 5 ，引起业界的极大关注。a r m 公司本身不生产芯片，靠转让设计许可， 由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片，截至2 0 0 2 年1 2 月3 1 日，全世界 范围有已由1 0 8 个合作伙伴包括半导体工业的著名公司帅l ，1 1 ， i b m ，m o t o r o l a s a m s u n g 等等) ，a r m 己成为移动通信、手持计算、视频 数字消费等嵌入式解决方案的r i s c 标准“一，。 a r m 3 2 位体系结构目前被认为是业界领先的3 2 位嵌入式r i s c 微处 理器结构，所有a r m 处理器共享这一体系结构。这可确保当开发者转向 更高性能的a r m 处理器时，在软件开发上可获最大的回报。 1 a r m 内核系列 删内核分为- l r m 7 ，：l r m 9 ，a r m10 ，a r m 1 1 ， s t m n g , a 嫩m 和x s c a l e 等几类。不同内核有不同的市场定位： a r m 7 a r m 7 系列为低功耗3 2 位内核，最适合对价位、性能和功耗敏感的 消费类应用，是目前应用很广泛的3 2 位高性能嵌入式r i s c 处理器。主要 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 特点有： 三级流水线处理，提供0 9 m i p s m h z ； 采用a r m v 4 t ( n e w m a n ) 结构，每条指令平均执行1 9 个时钟周期。 其中的a r m 7 2 0 和a r m 7 4 0 为内带c a c h e 的a r m ，a r m 7 2 0 t 带有 全性能m m u ，可以支持l i n u x ，w i n c e ，s y m b i a n 等r t o s ； a r m 9 a r m 9 系列是高性能和低功耗特性方面最佳的微处理器内核。它具有： 五级流水线处理和分离的c a c h e 结构，提供1 im i p s m h z 高性能； 采用a r m v 4 t ( h a r v a r d ) 结构，每条指令平均执行1 5 个时钟周期： 支持3 2 位高速a m b a 总线接口。 其中的a r m 9 2 0 ，a r m 9 4 0 和a r m 9 e 为含c a c h e 的c p u 核。 ( 要) a r m l 0 a r m1 0 较a r m 9 有很大性能的提高： 六级流水处理，指令与数据分离的c a c h e 结构，提供1 2 5 m 酬i 玉z 高性能； 采用a r m v 5 t 0 h r v a r d ) 结构；每条指令平均执行1 2 个周期； 支持3 2 位高速a m b a 总线接口和d s p 指令集。 其中的v f p1 0 ( 矢量浮点单元) 为七级流水结构。 ( d s t r o n g a r m s t r o n g a r m 处理嚣采用a r m v 4 t 的五级流水结构，是与i n t e l 合作开 发后授权给i n t e l 的内核，目前有s a i i o ，s a i l 0 0 以及s a i i i o 等三个。 主要用于便携通信和消费电子产品。 x s e a l e i n t e lx s c a l e 是基于a r m v 5 t e 体系结构的高性能微处理体系，提供一 种全性能、高性价比、低功耗的解决方案。主要用于移动手机、p d a 和网 络等。 2a r m 体系结构简介 a r m 内核中有多个功能模块可供生产厂商根据不同用户的不同要求 来配置生产，其模块分别用各个参数表示：t ， d ，m ，i ，e ，j 和f 。 t ：表示t h u m b ，该内核可从1 6 位指令集扩充到3 2 位a r m 指令集。 d ：嵌入式i c e r t 逻辑，为a r m 核提供了集成的片上调试支持。可 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 以使用嵌入式i c e r t 逻辑来编程断点或者观察点。 m ：表示长乘法指令，包括4 个附加指令完成3 2x3 2 6 4 的乘法和 3 2 x3 2 + 6 4 的乘法运算。 i ：表示e n l b e d d e d l c el o g i c ，用于实现断点观测及变量观测的逻辑电 路部分，其中的t a p 控制器可接入到边界扫描链。 e ：增强d s p 指令，可以有效的增加a r m 处理器处理数据的性能， 在v 5 t 及其之后的处理器中使用。 j ：j a z e l l e ，可直接执行硬件和软件中的j a v a 字节码。为j a v a 虚拟机 提供了最佳化的执行能力，不仅提高了执行速率，还在移动器件中有着很 好的应用，该技术与j 2 m e t m 的结合，将为无线领域的o e m 厂商提供运 行j a v a 平台的专用j a v a 虚拟机。 f ：矢量浮点单元，支持浮点的加、减、乘、除、乘加和平方根运算， 兼容i e e e 7 5 4 的单精度和双精度格式。 2 2 3a r i 系列开发工具 根据功能不同，a r m 应用软件的开发工具分别有：编译软件、汇编 软件、链接软件、调试软件、实时操作系统、函数库、评估板、j t a g 仿 真器和在线仿真器等。目前约有柏多家公司提供以上不同级别的产品。 下面介绍一下比较流行的开发工具。 1 ，软件开发工具 一般集成开发环境i d e 包括了编辑、编译、汇编、链接、调试、工程 管理等功能的软件，a r m a d s 是a r m 公司推出的全新a r m 集成开发工 具，目前最新版本为1 2 ，支持a r m 全系列处理器。 a r m a d s 包括：优化的代码生成工具；功能强大的c o d ew a r r i o r 集 成开发环境：2 个调试器( a x d ，a r m s d ) ；指令集模拟器；a r m 开发包： a r m 应用库。支持a n g e l 和m u l t i i c e ( j t a g ) 调试。有了这些部件，用户 就可以为a r m 系列的r i s c 处理器编写和调试自己的开发应用程序了。 2 j t a g 仿真器 j t a g 仿真器也称为j t a g 调试器，是通过a r m 芯片的j t a g 边界扫 描口进行调试的设备。j t a g 仿真器比较便宜，连接比较方便，通过现有 的j t a g 边界扫描口与a r m c p u 核通信，属于完全非插入式( 即不使用片 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 上资源) 调试，它无需目标存储器，不占用目标系统的任何端口，而这些是 驻留监控软件所必需的。另外，由于j t a g 调试的目标程序是在目标板上 执行，仿真更接近于目标硬件。使用集成开发环境配合j t a g 仿真器进行 开发是目前采用最多的一种调试方式。 2 2 。4 系统的微处理器选型 本系统所采用的$ 3 c 2 5 1 0 为一款不带m m u 的a r m 9 4 0 处理器核， 是基于以太网应用系统的高性价比3 2 位r i s c 微控制器，可在其上运行 # c l i n u x 操作系统，最适合用于对价格及功耗敏感的应用场合。 2 3 嵌入式操作系统 2 3 1 嵌入式操作系统概述 简单的嵌入式系统一般并不使用操作系统，只包含一些控制流程，但 是当嵌入式系统所提供的功能复杂化之后( 如：图形用户界面和网络支持 等) ，简单的流程控制就不能满足系统的要求。这时就必须考虑使用操作系 统。这时，嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，e o s ) 就应运而 生了。嵌入式操作系统的产生为应用程序的开发带来了方便，使开发人员 不用关心硬件资源，所有的硬件资源都由嵌入式操作系统管理。 嵌入式操作系统由以下几个特点n ”： 小的系统内核，适合在嵌入式系统的有限存储空间中运行； 面向应用，可剪裁和移植：可进一步缩小编码体积、有效地运行： 较强的实时性，多任务功能，能够提供各种设备驱动程序； 高可靠性：无需人工干预而独立运行，并处理各类事件和故障。 2 3 2 z 0 1 i m i x 对于基于嵌入式操作系统的网络监控系统来考虑，操作系统需要支持 t c p i p 协议栈，能够实现多任务应用程序，移植方便、内核较小和适合于 成本较低的n o m m u 嵌入式处理器等特点，因此，选择z c l i n u x 嵌入式 操作系统是本系统理想的选择，p c l i n u x 是一种优秀的嵌入式l i n u x 版本。 # c i n u x 是m i c r o c o n t r o l l i n u x 的缩写。# c l i n u x 从l i n u x2 0 2 4 内核 派生而来，【l c l i n u x 是在标准的l i n u x 基础上进行了适当的裁剪和优化， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 形成了一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式l i n t l x ，专门针对没有m m u 的c p u ，虽然它的体积很小，仍然保留了l i n u x 的大多数的优点；稳定、 良好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持、以及标 准丰富的a p i 等m 。图2 2 为p c l i n u x 的基本架构。 b o o tl o a d e r ：负责u n u x 内核的启动，它用于初始化系统资源，包括 s d r a m 。这部分代码用于建立l i n u x 内核运行环境和从f l a s h 中装载初始 化r a m d i s k 。 内核初始化：l i n u x 内核的入口点是s t a r t _ k e r n e l ( ) 函数。它初始化 内核的其他部分，包括捕获，i r q 通道，调度，设备驱动，标定延迟循环， 最重要的是能够f o r k “i n i t ”进程，以启动整个多任务环境。系统调用函 数捕获函数：在执行完“i n i t ”程序后，内核对程序流不再有直接的控制 权，此后，它的作用仅仅是处理异步事件( 例如硬件中断) 和为系统调用提 供进程。 圈2 - 2 p c l i n u x 的基本架构 设备驱动：设备驱动占据了l i n u x 内核很大部分。同其他操作系统一 样，设备驱动为它们所控制的硬件设备和操作系统提供接1 3 。 文件系统：l i n u x 最重要的特性之一就是对多种文件系统的支持。这 种特性使得l i n u x 很容易地同其他操作系统共存。文件系统的概念使得用 户能够查看存储设备上的文件和路径而无须考虑实际物理设备的文件系统 类型。l i n u x 透明的支持许多不同的文件系统，将各种安装的文件和文件 系统以一个完整的虚拟文件系统的形式呈现给用户。 i 熬藤蛹 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 下面介绍一些和g c l i n u x 相关的知识。一。 1 m m u ( 内存管理单元) 和v m ( 虚拟内存) 许多嵌入式微处理器都由于没有m m u 面不支持虚拟内存。没有内存 管理单元所带来的好处是简化了芯片设计，降低了产品成本。由于大多数 的嵌入式设备没有磁盘或者只有很有限的内存空间，所以无需复杂的内存 管理机制。但是由于没有m m u 的管理，操作系统对内存空间