（测试计量技术及仪器专业论文）基于数字音视频的事件记录仪设计.pdf

at h e s i si nm e a s u r i n ga n dt e s t i n gt e c h n o l o g i e sa n di n s t r u m e n t s d e s i g no f t h ee v e n tr e c o r d e rb a s eo n d i g i t a la u d i oa n d v i d e o b y l i ud a s u p e r v i s o r ： a s s o c i a t ep r o f e s s o r y a n gw e i m i n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 ：的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 ! 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 j -作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 j 意。 学位论文作者签名：别达 日期：狮2 么2 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 i 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 l i作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 一 l 半年口一年口一年半口两年 学位论文作者签名： 别达、 j 签字日期：v i 睨f 弓0 、 导师签名：粕汐艮导师签名：哜白汐队 签字曰期：2 0 d 罗、多、。 专 东北大学硕士学位论文摘要 基于数字音视频的事件记录仪设计 摘要 事件记录仪是一种记录发生事件的信息的重要电子设备，已广泛地应用于军事、运 输、公安、消防、工业生产监督等诸多领域。 本论文首先结合记录仪行业的发展现状和发展动向，提出了针对具体事件进行记 录，并能够实现包括警前录像和警后录像( 即事件发生前后预定时间段内音像资料的记 录) 回放功能。该记录仪采用嵌入式技术，便携性好；针对事件进行记录节约存储空间， 避免记录无效信息，节省调查人员精力，同时由于减少了存储空间，节约了硬件成本。 其次对记录仪进行了需求分析，根据功能划分了对各功能模块( 音频模块，视频模 块，m e p g 4 压缩模块，g p i o 模块) 进行了介绍。在硬件方面，该数字音视频的事件记 录仪采用以a r m 9 芯片z 2 2 8 高性能多媒体处理器为核心，在软件方面采用a r m l i n u x 操作系统。 接着详细说明了开发平台的建立过程和系统设计思路流程，同时介绍了系统调试的 方法。 最后对系统软件进行了总体设计，并重点对预报警功能做了探讨，提出了提高预录 像时间精度的办法。 设计初步实现了一些功能要求，能够对场景进行实时监测，当有事件发生时按要求 保存音像资料。系统的功能还可以根据需要作进一步的扩展和丰富。 关键词：a r m ；m p e g 4 ：嵌入式l i n u x ；警前录像 l 一 i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t d e s i g n o ft h ee v e n tr e c o r d e rb a s eo n d i g i t a l a u d i oa n dv i d e o a bs t r a c t e v e n tr e c o r d e ri sa l le l e c t r o n i ce q u i p m e n tw h i c hc a nr e c o r de v e n t so ft h ei m p o r t a n t i n f o r m a t i o n i th a sb e e nw i d e l yu s e di nt h em i l i t a r y , t r a n s p o r t ，p u b l i cs e c u r i t y , f i r ec o n t r o l ， i n d u s t r i a lp r o d u c t i o ns u p e r v i s i o na n do t h e rd o m a i n s f i r s t l y , c o m b i n i n gr e c o r d e ri n d u s t r yd e v e l o p m e n ts t a t u sa n dd e v e l o p i n gt r e n d s ，t h i s p a p e rp u t sf o r w a r dt h er e c o r d e ra m i n ga ts p e c i f i ce v e n t s ，a n dr e a l i z e sp l a y b a c kf u n c t i o n ( i e e v e n t ss c h e d u l e dp e r i o d sb e f o r et h ev i d e od a t ar e c o r d ) i n c l u d ev i d e oa n da f t e rb e f o r ep o l i c e f o o t a g e t h er e c o r d e ra d o p t se m b e d d e dt e c h n o l o g yw i t hg r e a tp o r t a b i l i t y a c c o r d i n gt os a v e s t o r a g es p a c ee v e n t sr e c o r d e d ，a v o i di n v a l i di n f o r m a t i o nr e c o r d e d ，s a v ee n e r g y , i ts a v e st h e c o s to ft h eh a r d w a r eo w i n gt or e d u c i n gt h es t o r a g es p a c e n e x t ，t h ep a p e rm a k e sr e q u i r e m e n ta n a l y s i st ot h er e c o r d e ra n di n t r o d u c e st h ef u n c t i o n o fe a c hm o d u l e ( a u d i o ，v i d e om o d u l e ，m e p g 4m o d u l eg p i om o d u l e ) a b o u tt h eh a r d w a r e ， t h ed i g i t a la u d i oa n dv i d e or e c o r d e ra d o p t st h ee v e n ta r m 9c h i pz 2 2 8p e r f o r m a n c e m u l t i m e d i ap r o c e s s o ra st h ec o r ea n du s e sa r m l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m t h e n ，i td e s c r i b l e st h ee s t a b l i s h i n gp r o c e s so fd e v e l o p i n gp l a t f o r ma n ds y s t e md e s i g n a n di n t r o d u c e st h em e t h o do f t e s t i n gs y s t e m f i n a l l y , i tm a k e st h ew h o l ed e s i g nt ot h es y s t e ms o f t w a r ea n df o c u s e so nt h ep r e a l a r m f u n c t i o na n d p u t sf o r w a r dt ot h em a n n e r t oi m p r o v et h ea c c u r a c yo f p r e v i d e o t h ed e s i g nr e a l i z e ss o m ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sa n dm o n i t o r st h es c e n eo nr e a lt i m e a n ds a v e st h ea u d i o - v i s u a lm a t e r i a l sa c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t sw h e nt h e r ea r ee v e n t s 。 a c c o r d i n gt ot h en e e d ，t h ef u n c t i o no ft h es y s t e mc a nb ef u r t h e re x p a n d e da n db em o r e r i c h k e yw o r d sa r m ；m p e 9 4 ；e m b e d d e dl i n u x ；v i d e ob e f o r et h ea l a r m i i i 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景及意义l 1 2 相关研究的发展动态和现状1 1 3 论文内容”2 第2 章系统总体设计3 2 1 记录仪的需求分析及功能划分3 2 2 记录仪的组成结构4 2 3 数字音视频事件记录仪的工作原理5 2 4 本章小结5 第3 章记录仪嵌入式系统开发平台7 3 1 嵌入式系统简介”7 3 2 记录仪嵌入式系统硬件平台7 3 2 1z 2 2 8 处理器的介绍7 3 2 2z 2 2 8 开发板的介绍9 3 3 记录仪嵌入式系统软件平台1 1 第4 章记录仪的嵌入式l i n u x 移植1 3 4 1 建立嵌入式l i n u x 交叉编译环境1 3 4 2b o o t l o a d e r 引导程序14 4 3 嵌入式l i n u x 内核移植15 4 3 1l i n u x 内核源代码及组成15 4 3 2l i n u x 2 6 15 的选择17 4 3 3l i n u x 内核的移植18 4 4 嵌入式l i n u x 文件系统的实现2 1 i v 东北大学硕士学位论文 目录 4 4 1 嵌入式l i n u x 文件系统简介2 l 4 4 2j f f s 2 文件系统的移植“2 2 4 5 目标映像文件的下载2 3 4 5 1 用a d s 下载b o o t l o a d e r 2 3 4 5 2 用b o o t l o a d e r 下载l i n u x 内核及文件系统2 4 4 6 嵌入式系统调试2 6 第5 章软件总体设计2 9 5 1 系统软件结构的设计2 9 5 2 基于事件的预录像的研究3 0 5 2 1 预录像的定义3 0 5 2 2 针对该目标板的预录像的设计3 0 5 2 3 预录像的误差分析3 2 5 2 4 预录像的误差解决方案及预录像程序改进3 2 5 3s e r v e r 部分实例及相应模块的工作原理和实现3 3 5 4 记录仪的视频采集及时间字幕的叠加3 6 5 5 视频数据压缩编码模块的实现4 0 5 5 1 图像压缩的必要性4 0 5 5 2m p e g 4 压缩标准4 3 5 5 3 图像压缩编码模块的工作原理与实现4 3 5 6 音频的采集及压缩4 4 5 7 报警信息的触发4 4 5 8 音视频的存储格式的设计4 5 5 9 音视频的回放的实现及s o c k e t 编程4 5 5 9 1 音视频的回放的设计4 5 5 9 2 记录仪与计算机的s o c k e t 连接4 6 第6 章实验结果及其分析5 3 第7 章结论及展望5 5 参考文献5 7 致i 射一61 v 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 事件记录仪是一种安装在特定现场、记录发生事件的信息的重要电子设备，已广泛 地应用于军事、运输、公安、消防、工业生产监督等诸多领域，应用较广泛的有机动车 行驶记录仪，家居安防记录仪。 随着社会的进步和人民生活水平的提高，机动车保有量与日剧增，大量交通事故也 随之而来。大量的交通事故给相关部门的事故调查带来了繁重的工作压力。而汽车记录 仪的出现给调查部门带来了福音。传统记录仪记录车辆的各种状态参数，对于事故的还 原提供了一定的科学数据。但是由于传统记录仪不能记录交通事故发生时的现场场景， 因此在事故后的责任认定中发挥的作用有限。为了在类似于交通事故责任调查这类工作 中提供更有力的证据，使判罚更公正同时减轻调查部门的劳动强度，本文提出了一种新 型记录仪基于数字音视频的事件记录仪，其主要功能是安装在特定现场( 例如汽车 前端，住宅小区) 针对具体事件进行记录，并能够实现事件发生前后预定时间段内音像 资料回放功能。该记录仪最大的特点就是针对事件记录，并且实现预录像功能即报警前 录像功能。能够节约存储空间，避免记录无效信息，造成对事件调查时需要浏览大量信 息，降低了调查人员劳动强度，同时由于减少了存储空间，节约了硬件成本。 1 2 相关研究的发展动态和现状 记录仪行业的发展迅速，并且已经渗透到各行各业，品种繁多。 就汽车记录仪行业而言，德国在1 9 3 4 年就发明了世界第一台纸盘式行驶记录仪， 至今已有7 0 多年的历史。2 0 世纪9 0 年代初，美国和德国首先开发了数字式汽车行驶记 录仪，实现了同步记录仪、电子采集数据、打印机打印状态信息等功能，用于监督驾驶 员的超时和超速驾驶行为。日本也将大规模集成电路和新型的存储介质用于记录仪，如 日本某型记录仪的采样频率达到1 m h z ，存储容量达4 m b l l l 。目前较常见的电子式记录 仪包括记录器、显示器、数据采集处理卡、传感器以及p c 机处理软件等几个部分，其 中数据采集处理卡为便携式的磁卡，可插入记录仪进行数据采集，亦可将采集到的数据 送计算机进行图像处理和事故分析。 上述机记录仪虽然种类繁多、特点各异。显然嵌入式设备在便携上具有更大优势， 但是都没有对机动车行车环境图像进行记录，这使得其在对事故责任判断的作用上大打 1 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 折扣。如果能够开发出可以记录图像信息的，具有便携特点的记录仪，无疑将具有极大 的意义。 1 3 论文内容 本文将在介绍了记录仪的发展和研究现状的基础上，对记录仪音视频采集和处理， 事件的触发机制，以及对嵌入式操作系统定制移植进行较深入的研究。 全文结构如下： 第l 章为绪论，主要介绍“基于数字音视频事件记录仪”的课题背景、意义、相关研 究的发展动态和现状。 第2 章对记录仪系统进行需求分析及功能划分，介绍了记录仪的组成结构，工作原 理。 第3 章介绍记录仪嵌入式系统开发平台，硬件平台部分和软件平台部分。 第4 章l i n u x 操作系统的应用。 第5 章介绍记录仪软件总体的设计。 第6 章实验结果及分析。 第7 章结论与展望。 2 一 东北大学硕士学位论文第2 章系统总体设计 第2 章系统总体设计 2 1 记录仪的需求分析及功能划分 数字音视频事件记录仪是以a r m l i u n x 操作系统为平台，针对事件记录数字音视 频信息的嵌入式设备，主要应用于汽车、住宅、办公室、大型工厂等多种环境。根据应 用场所可以对其功能需求做以下细分： ( 1 ) 预录像功能 为了得到更加完整的事件过程录像，需要对报警信号之前的一段时间内的录像进行 记录，针对报警信号之前的一段时间内的视频信息录像简称预录像。 ( 2 ) 声音及图像的记录功能 图像是反应信息最直观的方式，也是事件调查中最有力的证据，图像的记录对还原 事件发生经过或者追查如住所访客信息十分便捷。同时需要对事故现场的视频信息的同 步声音进行记录。 ( 3 ) 视频回放功能 能够对记录的音视频信息进行回放，达到还原现场的目的。 ( 4 ) 网络传输功能 记录仪能够通过网线上传数据。 ( 5 ) 字幕叠加功能 通过字幕叠加实现对记录信息进行标记，这里标记有记录音视频信息的确切时间信 息，有年、月、日、时、分、秒。 ( 6 ) u 盘存储功能 系统自动拍摄并将图像以循环替换的方式存储在s d r a m 中，并记录图片的时间数 据。根据一定的机制将缓存中的图片转移到u 盘中，如在发现异常情况或事故可疑点的 时刻。 在明确基于数字音视频的事件记录仪具体使用需求之后，需要通过需求对功能进行 划分，这样有利于应用软件的开发，有利于根据实际功能需要进行增加或裁剪，增强应 用程序的灵活性。 由于记录仪需要完成音视频的记录和回放，因此根据数据流的方向首先可以将其划 分为两大功能模块：记录部分和回放部分。记录部分完成本地多媒体信息的采集压缩记 录；回放部分完成对多媒体数据的解码和还原。如图2 1 所示： 3 东北大学硕士学位论文 第2 章系统总体设计 记录部分 视频采音频采 土土 m p e g 4 音频编 土上 标记时间戳 土 媒体数据缓冲区 弋7 存储 i i 回放部分 图2 1 系统软件功能框图 f i g 2 1f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mo fs y s t e ms o f t w a r e 2 2 记录仪的组成结构 数记录仪的硬件由音视频采集模块、c p u 模块和网络模块，存储模块等部分构成， 其结构图如图2 2 所示。 视频采集 程序存储器 图2 2 记录仪硬件结构框图 f i g 2 2h a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo fe v e n tr e c o r d e r 音视频采集模块，用来音视频的采集和数字化处理。 4 1，1 1iiiiil1ii 一 l 东北大学硕士学位论文笫2 章系统，总体设计 c p u 部分负责对数字化后的数据进一步处理，如数据的压缩。 网络模块负责与计算机通过网络连接，进行数据的传输。 存储模块分别负责操作系统和应用软件存储，以及实现音视频数据的最终存储。 2 3 数字音视频事件记录仪的工作原理 数字音视频事件记录仪的工作过程如下：记录仪开机即对摄像头上电，对目标场景 进行监视，当有预想事件( 例如住所有访客进行留影，家居出现盗窃，生产线发生着火 事故，机动车发生碰撞事故等等) 发生时，通过传感器进行报警，通知处理器把记录的 信息转存到记录仪的存储体( 如u 盘、s d 卡) 中。从而完成了记录仪对事件发生现场 的音视频信息进行采集、压缩、存储，达到了针对事件本身有用信息进行记录的目的。 记录仪采用嵌入式实时多任务操作系统，在c p u 的控制下，专用音频模块、视频 处理模块分别对音频信号、视频信号进行硬件压缩编码、和软件压缩编码，编码后的音 视频数据储存在记录仪的相应存储体中，执行回放功能时，通过网络传送至个人计算机 上用相应软件进行音视频的解压回放。 2 4 本章小结 以上几节分别对记录仪进行了需求分析，根据系统的功能划分了各个模块，并对其 功能进行了说明，这些功能既保证了系统的安全性和数据的准确性，又保证了反应的及 时性和操作的便捷性。功能分析明确了软件设计方向，而系统设计也是建立在功能分析 的基础上，并围绕功能分析的结果展开。 软件总体设计则从记录仪的两大功能出发，概述了数字音视频记录仪的各个软件部 分。 5 、 东北大学硕士学位论文第3 章记录仪嵌入式系统开发平台 第3 章记录仪嵌入式系统开发平台 3 1 嵌入式系统简介 嵌入式系统的定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适 合于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格需求的专用计算机系统【2 1 。嵌 入式系统分为硬件和软件两部分。硬件包括处理器、存储器及外设器件和i o 端口等。 软件部分包括嵌入式操作系统和应用程序两部分。嵌入式操作系统控制着应用程序编程 与硬件的交互作用，保证系统的运行以及各种操作的实现。应用程序控制着系统专用功 能的实现。 嵌入式设备是指内部有嵌入式系统的产品、设备。例如，内含单片机的家用电器、 仪器仪表、工控单元、机器人、手机、p d a 等。随着计算机软件和集成电路技术的发展， 嵌入式系统产品日益完善，在航天、航空、交通、网络、电子、通讯、金融、智能电器、 智能建筑、仪器仪表、工业自动控制、数控机床、掌上型电脑、各种智能卡，第二代身 份证验证、公共交通收费系统、医药系统以及军事等领域得到广泛应用【3 1 。嵌入式系统 与对象系统密切相关，其主要技术发展方向是满足嵌入式应用要求，当前嵌入式系统的 主要应用的领域有：家庭信息网络、移动通信计算设备、网络设备、自动化与测控仪器 仪表以及交通电子等。 3 2 记录仪嵌入式系统硬件平台 记录仪嵌入式系统的硬件平台，选取合适主频的芯片，合适大小的r a m ，f l a s h 对 操作系统的稳定运行和应用程序的性能都至关重要。本文采用的硬件平台处理器为基于 a r m 技术的杰德公司z 2 2 8 多媒体处理器。 3 2 1z 2 2 8 处理器的介绍 z 2 2 8 是上海杰德公司生产的a r m 9 微处理器。该处理器是一款基于a r m 9 2 6 e j 内 核的3 2 位嵌入式处理器，运行频率2 6 6 m h z 。先进的v g a 尺寸的m p e g 4 h 2 6 3 全硬 件全双工编解码器和杰得专利的v i p ( 视频图像处理) 引擎。v g a 3 0 帧秒的全双工 m p e g 4 h 2 6 3 视频在双向的视频通信应用，具有独特的优势。基于杰得创新性的a c e ( 音频编码引擎) 技术，z 2 2 8 提供高质量的m p 3 ，a a c a a c p l u s ，w m a 和c a t ( 杰 得原创的精简音频技术) 音频。z 2 2 8 还支持其它流行的应用，高达1 6 0 0 万像素的静态 图像拍摄，双l c d 独立显示，方便的u s b o t g 连接，灵活的s d c f p c m c i a 存储卡扩展 7 东北大学硕士学位论文第3 章记录仪嵌入式系统开发平台 等。丰富的外设接口使得z 2 2 8 能无缝地连接其它常用的设备，能有效地降低成本，缩 短产品的上市时间。 z 2 2 8 是构建视频系统的理想选择。其内置的a r m 9 处理器和硬件视频编解码器有 利于研制更加灵活和廉价的分布式终端设备和基于i p 的监控网络，符合视频向网络化、 数字化和智能化方向发展的趋势。z 2 2 8 的先进的视频压缩算法，能在较低带宽下( 小 于7 0 0 k b p s ) 下提供良好的画质( 大于3 0 d b ) ；在低延迟模式下，端到端延迟( 不计传 输延迟) 小于6 0 m s ；a r m 9 处理器的存在使得音视频同步的实现更为方便。使用z 2 2 8 ， 并配合彩色图像传感器模块和l c d 显示模块，产品可传送双向的m p e g 4 视频信号。 v g a 尺寸的画面，再加上低延迟模式和防错技术，可显著改善用户体验。a r m 9 2 6 e j 处理器可运行s i p 协议栈，并对视频流的码率进行即时动态调整，以适应不同的信道带 宽。z 2 2 8 处理器的内部模块构成框图如图3 1 所示： 图3 1z 2 2 8 的内部模块 f i g 3 1i n t e r n a lm o d u l eo fz 2 2 8 通过提供一系列完整的系统外围设备，z 2 2 8 大大减少了整个系统的成本，消除了 为系统配置额外器件的需要。本文档将介绍z 2 2 8 中集成的以下片上功能： 4 个通道的u a i 盯： s d r a m 控制器； 8 个通道的d m a ； 4 个定时器： 看门狗定时器； 实时时钟。 一8 - 东北大学硕士学位论文第3 章记录仪嵌入式系统开发平台 3 2 2z 2 2 8 开发板的介绍 该开发板上集成z 2 2 8 处理器，3 2 ms d r a m 以及8 m 的n o rf l a s h ，用来。开发板 构成一个最小的完整应用系统。系统具有体积小、耗电低、处理能力强等特点。开发板 的硬件容量能够装载和运行嵌入式l i n u x 操作系统，为软件开发提供了开放的平台，用 户可以在这个系统平台上进行自主软件开发。 开发板规格： c p u ：杰德z 2 2 8 f l a s h ：8 m s d r a m ：3 2 m 网口：1 个1 0 1 0 0 m 自适应以太网接口 串口：2 个u a r t 串口 j t a g ：1 个j t a g 麦克：1 个麦克接口 扬声器：1 个扬声器接口 摄像头接口：1 个3 2 针c m o sc a m e r a 接口 图3 2z 2 2 8 目标板 f i g 3 2z 2 2 8d e v e l o p m e n tb o a r d ( 1 ) 音频模块，采用a k 4 6 3 3 音频编解码器，a k 4 6 3 3 是1 6 位单声道编解码器， 具有低能耗l 声道a d c 和1 声道d a c ，配有a l c ( a u t o m a t i cl e v e lc o n t r o l ，自动电平控 制) 及麦克) x l 扬声器放大器。a k 4 6 3 3 外接麦克，对声音进行编码，z 2 2 8 通过1 2 c 接口 q 东北大学硕士学位论文 第3 章记录仪嵌入式系统开发平台 来读写a k 4 6 3 3 的控制寄存器以控制它的工作，主要有数据线，时钟线，还有一个片选 信号。编码后的信号通过z 2 2 8 的1 2 s 接口输入输出。1 2 s ( i n t e r - i cs o u n db u s ) 是飞利浦 公司为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准。在飞利浦公司的1 2 s 标准中，既规定了硬件接口规范，也规定了数字音频数据的格式。1 2 s 有3 个主要信号： 1 串行时钟s c l k ，也叫位时钟( b c l k ) ，即对应数字音频的每一位数据，s c l k 都有1 个脉冲。s c l k 的频率= 2 x 采样频率采样位数2 帧时钟l r c k ，用于切换左右声道的数 据。l r c k 为“1 ”表示正在传输的是左声道的数据，为“0 ”则表示正在传输的是右声道的 数据。l r c k 的频率等于采样频率。3 串行数s d a t a ，就是用二进制补码表示的音频数 据。 麦克接收声音后经过a k 4 6 3 3 编码为数字信号，然后通过1 2 s 接口传送到z 2 2 8 ， z 2 2 8 采用杰德专利c a t ( 精简音频编解码) 技术对音频数据进行压缩处理，最后经过 d m a 发送到缓存区。 ( 2 ) 视频模块，通过c c d 摄影头进行取像，然后把取得的彩色图像信号送到编码 器a k 8 8 5 6 ，经分色、分别放大校正后得到r g b ，再经过矩阵变换电路得到亮度信号y 和两个色差信号u 、v 。图像被转换为y u v ( y c b c 0 格式后，通过d m a 输出到m e m o r y 中的m p e g - 4 编码数据缓冲区。 ( 3 ) s d r a m 模块，在完成系统初始化后，程序代码载入s d r a m 中运行，以提 高系统运行速度，s d r a m 主要用于程序的运行空间、数据交换区及堆栈区。z 2 2 8 总线 接1 2 1 可支持高达5 1 2m b y t e 的s d r a m ，其m p m c 口是与s d r a m 相接的专用i s l ，包括 3 2 根地址线，3 2 根数据线以及1 3 根控制线。系统采用的是m t 4 8 l c l 6 m 1 6 a 2 芯片， 它是摩托罗拉公司的一款3 2m b y t e s d r a m ，应用领域非常广泛。系统采用两片 m t 4 8 l c l 6 m 1 6 a 2 并联构成3 2 位s d r a m 存储系统。 m p m c 的地址总线a d d r o u t 1 2 ：0 】和s d r a m o 及s d r a m i 的a 【1 2 ：0 】连接， 完成s d r a m 的寻址，a d d r o u t 1 4 - 1 3 与b a 1 ：0 】相连，确定s d r a m 的工作模 式，数据总线d a t a 【3 1 ：0 】连接两个s d r a m 的d q 1 5 ：0 】，完成3 2 位数据传递。f b c l k 及c l k o u t 1 ：0 】与c l k 相连提供给两个s d r a m 时钟信号，c k e o u t 【l ：0 连接c k e 为时钟使能信号，d q m o u t 3 0 】与l d q m 及u d q m 相连控制s d r a m 的数据写入与 读出。c s # 起到片选两个s d r a m 的功能，而w e o u t 连接c a s # ，r a s # 及w e # 决定了 命令的输出。 ( 4 ) f l a s h 存储器模块，用来存放系统的b o o t l o a d e r 、嵌入式操作系统、应用程序 10 东北大学硕士学位论文第3 章记录仪嵌入式系统开发平台 以及系统。z 2 2 8 具有丰富的总线接1 2 1 ，可支持高达1g b y t e 的n o rf l a s h 存储器。它的 s s m c 是用于f l a s h 的控制信号，共1 3 个管脚，在和f l a s h 进行连接时，需用到e b i 的 数据总线和地址总线。本系统采用的s 2 9 g l 0 6 4 m 芯片是s p a n s i o n 公司的一款6 4m b i t 的n o rf l a s h ，芯片工作电压为3 3v ，封装类型为4 8 p i nt s o p 。 e b i 的地址总线a d d o u t 2 3 o 和f l a s h 的a 2 3 o 希f l 连，完成对f l a s h 的寻址1 6 位数据总线d a t a 【1 5 - o 】与f l a s h 的d 1 5 - o 相连，完成数据传递。s s m c f b l c k 及 s m c k i 共同提供f l a s h 的时钟信号，s m a d d r v a l i d 连接a d y ，确定z 2 2 8 对f l a s h 的操作是否完成。z 2 2 8 的m s m c s 3 ，n s m o e n 及n s m w e n 分别与f l a s h 的c e # ，o e # 及w e 撑连接，分别完成f l a s h 的芯片使能、输出使能及写操作控制。 ( 5 ) j t a g 接口，提供系统与仿真器的接口，以实现在线仿真、程序下载等操作。 串口模块j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 是一种国际标准测试协议，起初主要用于芯片 内部测试，现在常用于i s p ( i n - s y s t e mp r o g r a m m a b l e ) ，它可在f l a s h 里无任何代码情况 下对f l a s h 编程。标准j t a g 接口是4 线：t m s ，t c k ，t d i ，t d o ，分别为模式选择、时 钟、数据输人和数据输出线。 ( 6 ) 串口模块使用一片m a x 3 2 3 2 芯片实现r s 2 3 2 接口传输，可用来与其他系统 进行短距离通信，可用于嵌入式系统与p c 机的交互。 ( 7 ) 按键模块。本系统使用两个按键，接入z 2 2 8 的g p i o 口g p f 4 、g p f 5 。z 2 2 8 包括8 组g p i o 接口，可以通过软硬两种模式来设定输入和输出功能( 默认为软件模式) 。 以下寄存器来完成特定的管脚功能： 数据方向寄存器是一个8 位宽度的寄存器，来控制g p i o 口为输入或输出口。“o ”， 代表相应的管脚定义位输入管脚，“l ”代表相应的管脚定义为输出管脚。 数据寄存器是芯片与外部数据传输的一个桥梁，把数据写入数据寄存器相当于通过 g p i o 口输出，把数据寄存器中的数据读出相当于通过g p i o 口输入。中断控制寄存器 可以设定g p i o 口输出中断信号。 3 3 记录仪嵌入式系统软件平台 基于a r m 核心的嵌入式系统以其自身的资源丰富，功耗低，价格低廉，支持厂家 众多的缘故在嵌入式丌发中得到了越来越多的应用。现在的网络摄像机的设计中也大都 采用基于a r m 核心的嵌入式系统。而l i n u x 嵌入式操作系统由于源码开放，内核精简， 组件丰富，适用于多种硬件平台，更由于其在网络方面的天然优势，即内含完整的t c p i p 1 1 东北大学硕士学位论文第3 章记录仪嵌入式系统开发平台 协议，因此在选用操作系统的时候，一般都采用嵌入式l i n u x l 4 j 。 当前在嵌入式操作系统中，有许多实时性强、功能强大、具有良好可视化界面解决 方案的操作系统如v x w o r k s ，w i n c e ，q n x 等，但这些操作系统普遍价格较高，而且 部分对网络的支持不是十分的理想，本系统要开发一个支持网络传输功能的数字音视频 事件记录仪，需要一个高可靠性、体积小、支持网络、移植方便、可裁减性强的嵌入式 操作系统，而对网络的支持是系统所必须具备的。 从节约成本以及对系统的支持来看，l i n u x 系统是的最佳选择。l i n u x 是源代码开放 的操作系统，使用成本低廉，内核可裁减性强，集成有t c p i p 协议，其天生具有的对 网络支持是相比较于其它的操作系统的优势【5 1 。传统的嵌入式操作系统一般源代码不公 开，因此开发新的硬件驱动十分的困难，造成了开发周期过长，开发成本高，这成为了 嵌入式系统开发的一个主要的困难。而l i n u x 操作系统，有遍布全球的l i n u x 开发团队 和爱好者，对新技术提供开发和支持，使得在l i n u x 下的软硬件开发，很容易获得源代 码方面的支持，从而缩短开发周期、节约成本、提高效率。从数字音视频记录仪的功能 要求考虑来看，并不要求软件平台具有较好的可视化界面，所以嵌入式l i n u x 操作系统 是本次设计的最佳选择。 1 2 - 东北大学硕士学位论文第4 章记录仪的嵌入式l i n u x 移植 第4 章记录仪的嵌入式l i n u x 移植 为了实现本系统的功能，需要在z 2 2 8 开发板上建立嵌入式l i n u x 操作系统。需要 建立交叉编译环境、移植u b o o t 、内核以及j f f s 2 文件系统。在此基础之上，进行相应 目标文件的下载，在开发平台正常运行。 4 1 建立嵌入式l i n u x 交叉编译环境 进行本系统的设计，首先需要搭建一个开发环境。本系统使用的g n ug c c 编译器 是j 套完整的c 语言编译工具，包括c 编译工具g c c ；汇编工具a s ；反汇编工具o b j d u m p ； 连接工具i d ；调试工具g b d 等。这里可以用批处理文件m a k e f i l e 把上述工具组合成方便 的命令行形式。使用m a k e 和m a k e f i l e 文件的目的是自动连接一个软件包的哪些部分需 要重新编译，并用特定的命令编译它，准确使用m a k e f i l e 可以节约编译程序所花费的时 间。 在嵌入式开发过程中，有宿主机和目标机两部分：宿主机是执行编译、链接、定址 过程的计算机；目标机通常指运行嵌入式系统软件的目标板。在宿主机端完成应用程序 编写之后，还需要进行编译，链接、定址，直到把它转换成可在目标机上运行的二进制 代码。编译过程由交叉编译器实现，交叉编译器就是运行在一个计算机平台上并为另一 个平台产生代码的编译器【6 】。常用的交叉编译器有g n uc i c 一( g c c ) ，具体针对不同的平 台架构，该工具有对应的子集。 为什么需要交叉编译? 首先，在起始阶段，目标平台尚未建立，因此需要进行交叉 编译，以生成我们所需要的b o o t l o a d e r ( 启动引导代码) 及l i n u x 操作系统内核；其次， 当目标平台能启动之后，由于目标板资源的限制，不具备建立编译环境的条件，因此需 要借助于p c 平台来完成交叉编译。 建立交叉编译环境是进行嵌入式软件开发的第一步，目前常用的交叉编译环境主要 有开放和商业两种类型。开放的交叉编译环境的典型代表是g n u 工具链，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【7 1 。商业的交叉开发环境则主要有 m e t r o w o r k sc o d e w a r r i o r ，a r ms o f t w a r ed e v e l o p m e n t t o o l k i t ，s d sc r o s sc o m p i l e r ， w i n d r i v e rt o r n a d o ，m i c r o s o f te m b e d d e dv i s u a l c + + 等。 本文采用r e d h a t9 0 作为软件开发平台，用g n u 工具链作为交叉编译器。 这些工具链包括如下组件【8 】： 】3 东北大学硕士学位论文第4 章记录仪的嵌入式l i n u x 移植 ( 1 ) b i n u t i l s ：用于操作二进制文件的实用程序集合，包括诸如a r ，a s ，o b j d u m p ， o b j c o p y 这样的实用程序。 ( 2 ) g c c ：g n uc 编译器。 ( 3 ) g l i b c - 所有用户应用程序都将链接使用到的c 库。 这里有两种方法可以用来建立工具链：一种方法是下载这些工具的软件包，自己编 译这些源代码；另一种简单的方法就是直接从网上下载已经编译好的工具链。 本文使用杰德公司提供的工具链z 2 2 8 一t o o l c h a i n t g z ，我们只需要简单设置就可以使 用。 执行如下命令安装： # t a rx v z fz 2 2 8 一t o o l c h a i n t g z - - cy o u r d i r e c t o r y # v i e t c b a s h r c 在文件最后加入：e