（信号与信息处理专业论文）基于s3c2410和流媒体的音视频采集传输系统设计.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 基于$ 3 c 2 4 10 和流媒体的音视频采集传输系统设计 摘要 近年来，随着计算机网络和多媒体技术的飞速发展，流媒体技术的产 生满足了人们快速获取多媒体信息的需求。因此，基于流媒体技术的相关 开发与应用成为当前热点之一。视频会议，视频点播，远程教育，无人监 控等分布式多媒体应用正迅速走入人们的生活，使用者可以根据自己的需 要主动获得多媒体信息，它们和传统信息发布的最大不同在于其主动性和 选择性，这给人们的工作和生活带来了极大的便利和无穷的乐趣。 与基于p c 的流媒体服务器相比，嵌入式流媒体服务器具有体积小，携 带方便，功能专业化高，成本低，稳定性高，实时性好等优点，因此越来 越受到开发厂商和消费者的青睐。本文正是在这种背景下，开始研究流媒 体技术的实现原理，并在此基础上设计和实现了一个基于a r m 嵌入式处理 器s 3 c 2 4 1 0 流媒体服务器。 首先，本文简要介绍了系统的软、硬件平台，嵌入式系统的基本原理 和音视频相关技术。 然后，本文研究了流媒体传输的相关技术。深入研究了用于流媒体传 输的实时传输与控制协议r 皿瓜t c p ，掌握其结构与规则。介绍了嵌入式 l i n u x 系统的移植，分析了网络上开源的r t p r t c p 实现库j r t p l i b 。以此 为基础，实现了流媒体传输控制的方法。 最后，本文完成了u s b 摄像头驱动程序的编译与移植。重点阐述了基 于u s b 摄像头的视频采集和视频数据的传输过程，对其中的若干关键技术 太原理工大学硕士研究生学位论文 进行了较为详细的介绍。 通过测试，本设计最终达到了我们设计的目标。 关键词：嵌入式系统，流媒体，u s b 摄像头，r t p 瓜t c p 协议，视频采集， 传输控制 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ed e s i g n0 fc a p t u r e t ra n s p o r r 咖0 n s y s t e mo fa u d l 0 v i d e 0 b a s e do ns 3 c 2 4 1 0a n ds t r e a m i n gm e d i a a b s t ra c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rn e t w o r k sa n d m u l i t i m e d i a t e c h n o l o g y , t h et e c h n o l o g y o fs t r e a m i n gm e d i am e e t so u r r e q u i r e m e n t st og e tm u l i t i m e d i ai n f o r m a t i o n a ss o o na sp o s s i b l e t h e r e f o r e ，t h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o nb a s e do nt h es t r e a m i n gt e c h n o l o g yi sb e c o m i n g o n eo ft h eh o t t e s ts p o tn o w d i s t r i b u t em u l t i m e d i aa p p l i c a t i o ni sq u i c k l yc o m i n g i n t op e o p l e sl i f e s u c ha sv i d e oc o n f e r e n c e ，v i d e oo nd e m a n d ，l o n g - d i s t a n c e e d u c a t i o na n da u t o m a t i cm o n i t o rs y s t e me t c t h r o u g ht h e s es y s t e m s ，t h eu s e r s c a na c t i v e l yg e tt h em u l t i m e d i ai n f o r m a t i o na c c o r d i n gt ot h e i ro w nn e e d s a n d t h e i rb i g g e s td i f f e r e n c ef r o mt h et r a d i t i o n a li n f o r m a t i o np r o m u l g a t i o ni st h e i r a c t i v e n e s sa n dc h o i c e ，w h i c hb r i n g sm u c hf a c i l i t i e sa n df u nt op e o p l e sw o r k a n dl i f e c o m p a r e d w i t ht h es t r e a m i n gs e r v e rb a s e do np c ，t h ee m b e d d e ds t r e a m i n g s e r v e rh a st h e a d v a n t a g e s o f s m a l l v o l u m e ，p o r t a b i l i t y , h i g h f u n c t i o n a l s p e c i a l i z a t i o n ，l o w c o s t ，s t e a d y g o i n ga n dr e a l t i m e s o ，i ti sb e c o m i n gm o r ea n d m o r e p o p u l a r w i t h d e v e l o p m e n t m a n u f a c t u r e r sa n dc o n s u m e r s i ns u c h b a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rs t u d i e st h er e a l i z a t i o np r i n c i p l eo fs t r e a m i n gm e d i a i n 太原理工大学硕士研究生学位论文 t e c h n o l o g y , u p o nw h i c has t r e a m i n gs e r v e rb a s e do na r m e m b e d d e dc p u $ 3 c 2 4 1 0i sd e s i g n e da n dr e a l i z e d f i r s t l y , t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r mo f t h i ss y s t e m ，t h ef u n d a m e n t f lp r i n c i p l eo fe m b e d d e ds y s t e ma n dt h ec o r r e l a t i o n t e c h n o l o g yo fa u d i oa n d v i d e o s e c o n d l y , t h i sp a p e rs t u d i e ss o m er e l a t e dt e c h n o l o g i e so fs t r e a m i n gm e d i a ， r e s e a r c h e s d e e p l y o nt h er t p r t c pp r o t o c o lu s e di n s t r e a m i n g m e d i a t r a n s m i s s i o n ，m a s t e r i n gi t s s t r u c t u r ea n dr u l e s i ti n t r o d u c e se m b e d d e dl i n u x s y s t e m st r a n s p l a n t ，a n da n a l y z e st h ej r t p l i bl i b r a r yw h i c hi sa no p e ns o u r c e c o d et oi m p l e m e n tt h er t p r t c po nt h en e t w o r k t h et r a n s m i s s i o na n dc o n t r o l m e t h o d so fs t r e a m i n gm e d i aa r er e a l i z e do nt h i sb a s i s f i n a l l y , t h i sp a p e rc o m p l e t e st h ec o m p i l i n ga n dt r a n s p l a n t i n go fu s b c a m e r ad r i v e r s i te m p h a t i c a l l yi l l u s t r a t e st h ep r o c e s so fv i d e oc a p t u r eb a s e do n u s bc a m e r aa n dt h et r a n s m i s s i o no fv i d e o d a t a ，a n dg i v e sa d e t a i l e d i n t r o d u c t i o na b o u ts e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e sr e f e r r e dt ot h i sp r o c e s s t h r o u g ht e s t i n g ，t h i sd e s i g nf i n a l l yr e a l i z e so u re x p e c t e da i m k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，s t r e a m i n gm e d i a ，u s bc a m e r a ， r t p r t c pp r o t o c o l ，v i d e oc a p t u r e ，t r a n s m i s s i o nc o n t r o l i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：! 蓥番 日期：坐丝笪：兰 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；。学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：! 茎盘日期：签名：士互日期： 抛g 6 2 - 导师签名：幽盘逊 日期：才卫 ，冱 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题背景与意义 第一章绪论 随着计算机通信网络技术、流媒体技术的迅猛发展和后p c 机时代的到来，传统的 网络应用如：文件传输、电子信箱、远程登录等己经不能满足人们日益增长的需要，集 音频、视频和共享数据于一身的多媒体网络通信成为新型应用的热点。利用嵌入式系统 实现远程视频监控、可视电话和视频会议等应用已成为可能。尤其是网络视频技术在目 前的因特网中得到了广泛的应用，如普通的视频聊天系统等等，这种视频技术的特点就 是将模拟的视频信号转换为数字视频信号引入口网，利用t c p 口协议和流媒体传输控 制协议r t p r t c p 来进行话音和图像传输。模拟监控系统基本方法是摄像机以每秒2 5 帧的标准速率采集图像，然后将图像信号直接通过同轴电缆从摄像机传送到控制中心， 控制中心对终端设备云台镜头进行控制，同时选择任何一路或几路视频信号进行输出。 这种监控系统配置比较简单，视频不用压缩，也不需要相应的网络环境，但是和数字监 控比较起来，它具有：信息量大、检索麻烦、无法远距离传输、维护不方便、录像媒体 易损耗、附加功能不方便等显著的缺点。数字监控的图像都是经过压缩，所以一般信息 量都比模拟的信息量小很多，适合长时间录像和存储，降低存储设备的费用；而且适合 计算机管理，结合计算机高速运算的特性，可以容易地进行图像检索；再者，数字视频 由于不存在信号随距离衰减的问题，所以很适合在网络上传输，可以充分发挥当今高速 发展的网络技术的优势，彻底消除监控的距离限制；此外，数字监控利用计算机的优势， 可以对设备和录像实施智能化管理，减少人工干预，并且可以随着技术的不断发展而升 级，降低长期投资。 本文所论述的就是利用现在流行的a r m 9 处理器以及u s b 接口的摄像头来实现数 字图像系统的采集，视频远程监控仍然使用p c 机。该设备是基于嵌入式硬件平台和嵌 入式l i n u x 操作系统进行的，采用流媒体播放式，可以直接挂接到以太网上使用，在工 业远程监控上具有十分广泛的应用前景，实现了一种方便且成本低廉的实时图像采集和 传输设备的设计方案。为了实现这些应用，实时获得视频数据是一个重要环节。针对这 一点，本文在基于嵌入式l i n u x 系统平台上，利用v i d e 0 4 l i n u x 内核应用编程接口函数， 实现了单帧图像和视频连续帧的采集，并保存成文件的形式供进一步视频处理和网络传 输使用。 太原理工大学硕士研究生学位论文 本文的意义在于：将流媒体技术和监控的功能与i p 网络技术结合起来是数字监控 领域发展的方向，把模拟的视频监控信号转化为数字信号引入i p 网，即可随时随地的 实现必要的监控功能，在应用上不再受到距离等方面的限制。口网络监控系统基于最为 广泛使用的t c p 口协议和流媒体传输控制协r t p 瓜t c p ，将监控的功能与网络技术完 美地结合，拥有强大的技术优势，而这里面的核心部分就是一个可以直接连入以太网的 视频采集设备，提供实时的图像采集、压缩和传输的功能。研制出这样一种通用的网络 视频采集设备，将具有十分广泛的应用前景，以它为核心，结合不同的应用需求，可以 构筑出各种各样的数字监控系统和视频会议系统。 1 2 研究领域发展现状 流媒体技术是网络和多媒体相结合的产物，它的国际标准和基础研究正在成为产业 界和科研机构密切关注的焦点。现在典型的流媒体系统有m i c r o s o f tw i n d o w sm e d i a ， r e a l s y s t e m ，a p p l eq u i c k t i m e 等。但这些软件的大小都在几十兆以上，不适合与嵌入式 系统相结合。目前，学术界和产业界已开始研发一些嵌入式系统下的网络多媒体系统， 而其中基于r 耶瓜t c p 的实时视频传输方法又是研究的一个热点。 从全球范围看，日本、韩国的嵌入式流媒体业务起步较早，视频业务的发展和推广 一直保持领先的地位。如韩国的s k t 的n a t e 和j u n e 业务以及日本n t i d o c o m o 的 i - m o d e 业务和f o m a 业务等。这些业务包括视频电视、视频会议、视频邮件、远程教 育、视频点播等。其他运营商如英国v o d a f o n e 和美国s p r i n t 公司也推出了多种3 g 视讯 业务。 在国内市场，比较有影响力的有联通的“视讯新干线 系统，广州富年公司的 f u n i n h a n d 系统等。“视讯新干线”是中国联通专为c d m a1 x 移动智能终端用户量身 定制的移动流媒体。f u n i n h a n d 采用新一代的h 2 6 4 技术。可保证在2 5 g 移动网络环境 下得到较为满意的视音频质量和手机电视直播的流畅性。目前该系统己经试运营，同时 支持c d m a i x 和g p r s 网络，业务发展方式也是通过播放器作为媒体门户。这些都是处 在刚起步阶段，市场需求量大。 1 3 主要的研究内容 本文在h h a r m 2 4 1 0 - a u d i o r 1 开发板上实现了流媒体数据的实时采集与传输，并 对嵌入式系统和流媒体传输的一些关键技术做了深入研究。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 1 嵌入式l i n u x 系统的设计 嵌入式系统通常被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可以裁 剪、适应于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用系统。本课题中， 针对网络视频采集设备这样一种应用产品进行研究，采用基于嵌入式平台的设计方案， 不失为一种最佳的选择。由于嵌入式l i n u x 系统具有源代码开放、无版权费、支持硬件 丰富、便于软件移植、网络功能强大、技术支持方便、开发周期短、系统稳定、安全等 突出的优点，设计中选择了嵌入式l i n u x 作为系统的软件操作平台。 嵌入式l i n u x 系统的设计大致有如下几个步骤：第一，选择合适的嵌入式硬件开 发平台，建立嵌入式l i n u x 开发环境；第二，修改和编译l i n u x 内核；第三，设置和调 试系统控制脚本；第四，调试和加载设备驱动程序；第五，组建嵌入式l i n u x 文件系统； 最后，开发和测试l i n u x 应用。 1 3 2 流媒体技术的应用 本文关于流媒体技术的主要研究内容如下： 流媒体的传输方式、播放方式以及文件格式等。 流媒体实时传输和实时传输控制协议r 1 1 r t c p 。深入了解r t p r t c p 的规则和 结构，r t p 分组头部格式中时间戳与序号对于流媒体实时传输的重要性，r t c p 的s r 分组与r r 分组的反馈信息，对传输控制的重要性。 了解r t s p 、r s v p 协议，和智能流技术。 研究分析j r t p l i b 库。对j r t p l i b 库进行详细的解读，分析r 皿i i t c p 的实现 模块，使之和本文研究相结合。 用r t p 协议实现对经过a s f 编码后的m p e g - 4 码流的传输。 1 3 3 论文完成的工作 在基于$ 3 c 2 4 1 0 和流媒体的音视频采集传输系统的设计中，本论文主要完成的工作 如下： 1 嵌入式l i n u x 在硬件平台上的移植，包括内核的裁剪、音频驱动的选择、摄像 头芯片驱动的修改以及文件系统的烧写等。 2 基于v i d e 0 4 l i n u x 视频采集模块程序的编写；图像截取方法的选择与比较。 3 媒体技术的编程实现，j r t p l i b 的分析、安装与使用等。 4 j p e g 压缩的实现，m p e g 4 视频流的r t p 传输以及a s f 与协议栈的关系等。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 4 论文的结构 第一章，介绍本课题的研究背景及意义、研究领域的发展现状、研究内容及论文各 部分的组织结构。 第二章，介绍本课题研究内容所涉及的硬件平台和软件平台的相关知识、概念和构 成系统的硬件框图。 第三章，介绍嵌入式系统的定义、发展及特点，嵌入式处理器的种类以及嵌入式操 作系统的功能等。 第四章，音视频技术的简介，为后续章节做准备。 第五章，研究了流媒体的传输、播放技术，对流媒体的实时传输和实时传输控制协 议进行详细的分析。介绍实时流协议和智能流技术等。 第六章，研究了嵌入式l i n u x 在硬件平台上的移植、u s b 摄像头驱动的编写、流媒 体j r t p l i b 库的分析与使用、m p e g 4 视频流的r t p 传输以及基于v i d e 0 4 l i n u x 模块视 频数据的采集等。 第七章，对系统进行测试，并给予评价。 第八章，总结本文所做的工作，展望下一步的工作。 最后是参考文献、致谢和攻读研究生期间发表过的论文。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 硬件平台介绍 第二章研究平台及环境 系统的硬件平台选用的是安徽合肥华恒公司的h h a r m 2 4 1 0 a u d i o r 1 嵌入式开发 板，它由核心板和接口板组成，核心板尺寸6 4 m m x 4 0 m m x 8 m m ，接口板尺寸 1 4 0 m m x 8 1 m m x l 5 m m 。芯片为三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 ，主频可达2 0 3 m h z 。开发板实物如 图2 - 1 所示1 1 1 。 图2 - 1h i t a r m 2 4 1 0 - a u d i o - r 1 开发板实物图 f i g2 - 1o b j e c to fh h a r m 2 4 1 0 - a u d i o - r 1d e v e l o p m e n tb o a r d 2 1 1h h a r m 2 4 1 0 a u d i o r 1 开发板的硬件构成 h h a r m 2 4 1 0 a u d i o r 1 开发板的硬件功能有： 1 采用三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 芯片，该处理器内部集成了a r m 公司a r m 9 2 时处 理器核的3 2 位微控制器，资源丰富、带独立的1 6 k b 的指令c a c h e 和1 6 k b 数 据c a c h e ，主频可达2 0 3 m h z ； 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 “m 字节的s d r a m ，由两片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 f t p h 组成，工作在3 2 位模式 下； 3 1 6 m 字节n a n df l a s h ，采用的是i n t e l2 8 f 1 2 8 j 3 c ，速度1 5 0 n s ； 4 1 0 0 m 以太网接口采用的是d m 9 0 0 0 a e p ，带传输和连接指示灯； 5 l c d 和触摸屏接口； 6 1 个u s bh o s t 接口，支持8 0 2 1 l bu s b 无线网卡，u s b 摄像头； 7 1 个1 0 1 0 0 m 自适应以太网接口； 8 1 个4 线r s 2 3 2 串口，波特率可高达1 1 5 2 0 0 b p s ，并具有r s 2 3 2 电平转换电路； 9 支持音频输入和输出，音频模块由$ 3 c 2 4 1 0 的s 音频总线接口和u d a l 3 8 0 音频编码解码器组成。板上还集成了一个m i c ，用于音频输入； 1 0 1 个s d 卡接口； 1 1 1 个j t a g 接口和1 个6 v 直流电源接口等。 本文设计的的硬件框图如图2 2 所示。 图2 - 2 $ 3 c 2 4 1 0 系统平台硬件功能框图 f i g2 - 2t h ef u n c t i o nb l o c kd i a g r a mo f $ 3 c 2 4 1 0s y s t e mp l a t f o r mh a r d w a r e 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 2 地址空间分配及片选信号定义 $ 3 c 2 4 1 0 支持两种启动模式：一种是从n a n df l a s h 启动；一种是从外部n g c s 0 片选的n o rh a s h 启动。在这两种启动模式下，各片选的存储空间分配是不同的，这两 种启动模式的存储分配如图2 3 所示。 0 x f f f ff f f f 0 x 6 0 0 00 0 0 0 0 x 4 8 0 0o o 0 x 4 0 0 00 f f f 0 x 4 帅00 0 0 0 0 1 3 8 0 0 0 x 3 0 0 0o o o o o x 2 8 0 0 o x 2 oo o o o b o o t s r a m ( 4 kb y t e s ) s d i 础 ( b a n k 7 ，n g c s 7 ) s d 刚哪 ( b a j c k 6 ，n g c s 6 ) s r o m ( b a n k 5 ，n g c s 5 ) s r o m ( b a n k 4 ，r i m ；4 ) s r 0 6 | ( b a n k 3 ，n g c s 3 ) s r 删 ( b a n k 2 ，n g c s 2 ) s r 饼 ( b n k l ，n c , c s l ) s r o m ( b a n k 0 ，n c ；c s 0 ) 0 m e l ：0 = 0 1 1 0 a ) n o tu s i n gn a n df l a s h f o rb o o t i n gr o m 图2 - 3s 3 c 2 4 1 0 存储分配图 n o t0 s e d s f ra r e a n o tu s e d s d 跚d ( b a n k ? ，n 6 c s 7 ) s d 褂山 ( b a n k 6 ，n 6 c 5 6 ) s r o m ( b a n k 5 ，n 6 c s 5 ) s r 伽 ( b a n k 4 ，n c 蕊4 ) s r o m ( b a n l ( 3 ，n 6 c ：s 3 ) s r o m ( b n k 2 n 6 c s 2 ) s r o m ( b a n k l ，n f , c s l ) 0 m 【1 ：0 = 如o b ) u s i n g 啪f l a s hf o r b o o t i n gr o m f i g2 - 3t h ed i a g i a mo fs 3 c p a l 0s t o r a g ea l l o c a t i o n n g c s 0 片选的空间在不同的启动模式下，映射的器件是不一样的。由图2 3 可以知 道：在m 心df i _ a s h 启动模式下，内部的4 kb y t eb o o t s r a m 被映射到n g c s 0 片选的 空间。在n o rh a s h 启动模式下，与n g c s o 相连的外部存储器n o rh a s h 就被映射到n g c s o 片选空间【2 1 。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 地址空间的分配和其片选定义如图2 4 所示。 地址范围说明片选信号 o x 4 8 0 00 0 0 0 o x 6 0 0 00 0 0 0 s f r ( 特殊寄存器) 地址空间 n a n df l a s h 启动模式下，该 空间没有被使用 o x 4 0 0 0o o o o , 一o x 4 0 0 00 f f f 非n a n df l a s h 启动模式下， 该空间为b o o t s r 锄a o x 3 0 0 00 0 0 0 - - - 0 x 3 4 0 0o o o os d 舢空闻n g c s 6 0 x 1 9 0 00 3 0 0c s 8 9 0 0 的1 0 基址n g c s 3 n a n df l a s h 启动模式下， b o o t s l l a 的有效地址： o x 0 0 0 00 0 0 0 - , o x 0 0 0 0o f f f o x 0 0 0 00 0 0 0 0 x 0 0 2 00 0 0 0 非n a n df l a s h 启动模式下 棚0 n o rf l a s h ( s s t 3 9 v f l 6 0 1 ) 的 有效地址空间为： o x o 0 0 00 0 0 0 0 x 0 0 2 00 0 0 0 图“地址空间分配及其片选定义 f i g2 - 4a d d r e s ss p a c ea l l o c a t i o na n dt h ed e f i n i t i o no fc h i ps e l e c t i o n 2 2 软件平台介绍 h h a r m 2 4 1 0 为一台采用$ 3 c 2 4 1 0 处理器、提供r s 2 3 2 接口，安装有l i n u x 操作 系统的软件开发平台，其功用相当于一台装有r e d h a tl i n u x 的p c 机。对于唧a r m 2 4 1 0 的所有软件( 操作系统和应用软件) 都固化在板上f l a s h 里面，就相当于p c 机的硬 盘。f l a s h 上的内容，包括b o o t l o a d e r 都可通过烧写工具来更新升级。我们可以在 h h a r m 2 4 1 0 平台上开发应用程序或更改其上的操作系统的工作方式( 因为操作系统是 开放源代码的) ，和在p c 上开发应用唯一的不同之处在于它要采用一种交叉编译的开 发模式，即为h h a r m 2 4 1 0 开发驱动及应用时，不能直接在h h a r m 2 4 1 0 开发板上编 辑、编译和调试，而必须把这些工作寄宿到另一台p c 机上去完成。软件开发环境结构 如图2 5 所示【2 j 。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 宿。l ! 哲 鸹 i n 豫 i 篡种孵絮骘舻蝴镶 - ， 翻二 - 。 图2 - 5 软件开发环境结构图 f i g2 - 5s o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ts t r u c t u r ed i a g r a m 嵌入式系统的软件开发采用一种交叉编译调试的方式。交叉编译调试环境建立在宿 主机( 即一台p c 机) 上，对应的开发板叫做目标板。开发时使用宿主机上的交叉编译、 汇编吸连接工具形成可执行的二进制代码，( 这种可执行代码并不能在宿主机上执行， 而只能在目标板上执行。) 然后把可执行文件下载到目标机上运行。调试时的方法很多， 可以使用串口，以太网口等，具体使用哪种调试方法可以根据目标机处理器所提供的支 持作出选择。宿主机和目标板的处理器一般都不相同，宿主机为i n t e l 或a m d 处理器， 而目标板如h h a r m 2 4 1 0 为s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 ，g n u 编译器提供这样的功能，在编 译编译器时可以选择开发所需的宿主机和目标机从而建立开发环境。 然后在宿主机上要建立交叉编译调试的开发环境。环境的建立需要许多的软件模块 协同工作，这将是一个比较繁杂的工作，但现在只要安装华恒提供的光盘，开发软件包 及g n u 编译工具已完全自动完成了。当开发环境安装完毕后，会在根目录下生成两个 目录：工作目录h h a r m 2 4 1 0 和交叉编译环境目录o p t h o s t a r m y 4 1 。 嵌入式开发通常要求宿主机配置有网络，支持n f s ( 为交叉开发时m o u n t 所用) ， 支持邢服务器( 为下载烧写所用) 等等。 软件开发环境的搭建有以下几个步骤： ( 1 ) 安装一台装有指定操作系统的p c 机作宿主开发机，宿主机上安装r e d h a t9 0 操作系统。 9 超、透黼 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 2 然后在宿主机上要建立交叉编译调试的开发环境。环境的建立需要许多的软 件模块协同工作，这将是一个比较繁杂的工作，但我们只要安装华恒提供的光盘，就会 在根目录下生成两个目录：工作目录唧a r m 2 4 1 0 和交叉编译环境目录o p t h o s t a r m v 4 1 。 ( 3 ) n f s 服务器的配置 首先在r e d h a tl i n u xp c 机上s h e l l 提示符 r o o t 触行s e t u p ，弹出系统 配置菜单界面如图2 6 所示【2 】。 c l t o o sed t o ol l r1re u a1 lc o t lfi 吁l t r a tio n xe t l 黔n dpdc oi 1fil ji if - dti | _ ln o u s econfi 口u r d ti o n h c t “o r kc o n fl 锈t t r atlon p rl 奢_ 1 t cr e o n ft g u r a tl o n 8 垡s e nser l ，ic e s s o u n dc a r dc o n fi 管u r a ti o 砷 ti 陬e - e ( jr i 畔c on f 酊i ir a tii in xc e ：】n fi 盯l i r a t 重0 1 1 图2 - 6 系统配置菜单界面 f g2 - 6s y s t e mc o n f i g u r a t i o nm e n ui n t e f f a c e 选中s y s t e ms e r v i c e s ，回车进入系统服务选项菜单，在其中选中【 n f s ，然后退 出s e t u p 界面返回到命令提示符下。执行如下命令： v i m e t c e x p o r t s 将这个默认的空文件修改为只有如下一行内容： u p 根目录可读写，和) 之间要要留空格然后保存退出( ：w q ) ，然后执行如下 命令来启动n f s 服务。 e t c r e d i n i t d n f sr e s t a r t 或s e r v i c en f sr e s t a r t s h u t t i n gd o w nn f sm o u n t d ： s h u t t i d o w d a e m o n ： s h u t t i n gd o w nn f sq u o t a s ： s h u t t i n gd o w nn f s s e r v i c e s ： s t a r t i n gn f ss e r v i c e s ： s t a r t i q u o t a s ： s t a r t i n gn f sd a e m o n ： 1 0 【o k 】 【o k 】 【o k 】 【o k 】 【o k 】 【o k 】 【o k 】 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t a r t i n gn f s m o u n t d ： 这样n f s 的配置就完成了。 ( 4 ) 邢服务的配置： 【o k 】 在p c 机上执行s e t u p ，选择s y s t e ms e r v i c e s ，将其中的t f t p 一项选中( 出现【宰】表 示选中) ，并去掉i p c h a i n s 和i p t a b l e s 两项服务( 即去掉它们前面的宰号) 。 如图2 - 7 所示【2 】o 图2 - 7 m p 服务配置 f 绝2 - 7 脚s e r v i c ec o n f i g u r a t i o n 最后，退出s e t u p ，执行命令s e r v i c ex i n e t dr e s t a r t 来启动唧服务，这样软件开发 环境就搭建完成了。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章嵌入式系统原理及a r m 介绍 3 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软、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1 3 1 。它主要由嵌入 式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组成。它具有“嵌 入性 、“专用性、与“计算机系统的三个基本要素。 嵌入式计算机系统( 简称嵌入式系统) 与商用、家用计算机一样都由软件、硬件和 操作系统构成，但与普通商用、家用计算机嵌入系统不同的是它一般并不独立使用，而 是作为板级模块或者芯片存在于应用系统中，承担中央控制及科学计算任务。嵌入式系 统在信息家电、手持通信设备、信息终端、仪器仪表、汽车、航天航空、军事装备、远 程医疗设备、工业控制设备等行业得到了广泛的应用。 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点 4 1 ： 面向特定应用 w 嵌入式系统与通用型系统的最大区别就在于嵌入式系统大多工作在为特定用户群 设计的系统中，因此它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，并且可以满足不 同应用的特定需求。 科技含量高 嵌入式系统是将先进计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相 结合后的产物。 产品利润丰厚 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进 行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期，而且不易盗版。这些特 点为嵌入式系统提供了丰厚的产品利润。 应用前景广阔 嵌入式系统的技术发展一定与其广阔的应用密切相关。这个具有广阔前景的领域集 中了大量高科技人才，其产品能够有效地解决具体应用问题，并提供丰厚的利润回报。 是未来几十年最具竞争力的行业之一。 太原理工大学硕士研究生学位论文 今天嵌入式系统给我们带来的工业年产值已经超过1 万亿美元。它正在成为信息技 术争夺的焦点之一。据统计，每年有超过1 万个新的嵌入式系统计划产生，它们被广泛 的应用到工业控制、仿真系统、医疗仪器、信息家电、通信设备等众多领域中。 3 2 嵌入式系统的发展 事实上，在很早以前，嵌入式这个概念就已经存在了。在通信方面，嵌入式系统在 2 0 世纪6 0 年代就用于电子机械电话交换的控制，当时被称为“存储式程序控制系统 ( s t o r e dp r o g r a mc o n t r 0 1 ) i s 。 嵌入式计算机的真正发展是在微处理器问世之后。1 9 7 1 年1 1 月，i n t e l 成功推出了 第一款微处理器i n t e l 4 0 0 4 ，其后各个厂家陆续推出了许多8 位、1 6 位的微处理器，包 括i n t e l 8 0 8 0 8 0 8 5 、8 0 8 6 ，m o t o r o l a 的6 8 0 0 、6 8 0 0 0 ，以及z i l o g 的z 8 0 、z 8 0 0 0 等。以 这些微处理器作为核心所构成的系统，广泛地应用于仪器仪表、医疗设备、机器人、家 用电器等领域。此时，为灵活兼容考虑，出现了系列化、模块化的单板机。它使人们可 以不必从选择芯片开始来设计一台专用的嵌入式计算机，而是只要选择各功能模块，就 能够组建一台专用计算机系统。如i n t e l 的i s b c 系列、z i l o g 公司的m c b 等。 用户希望从不同厂家购买的产品可以互相兼容，工业控制微机系统总线因此单身。 1 9 7 6 年，i n t e l 推出m u l t i b u s ，1 9 8 3 年扩展为带宽达4 0 m b s 的m u l t i b u s i i 。1 9 7 8 年由p r o l o g 设计的简单s t d 总线更是广泛应用于小型嵌入式系统中。 2 0 世纪8 0 年代，随着微电子工艺水平的提高，集成电路制造商开始把嵌入式应用 中所需要的微处理器、i o 接口、a d 、d a 转换、串行接口以及r a m 、r o m 等部件 统统集成到一个v l s i 中，从而制造出面向i o 设计的微控制器，即单片机。其后发展 的d s p 产品则进一步提升了嵌入式计算机系统的技术水平，并迅速渗透到消费电子、 医用电子、智能控制、通信电子、仪器仪表、交通运输等各个领域。 2 0 世纪9 0 年代，在分布式、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需求的牵引 下，嵌入式系统进一步加速发展，t e x a s 推出的第三代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 0 ，引导着 微控制器向3 2 位高速智能化发展【5 j 。 2 1 世纪无疑是一个网络的时代，使嵌入式计算机系统应用到各类网络中去也必然是 嵌入式系统发展的重要方向。嵌入式设备与i n t e r a c t 的结合将代表嵌入式系统的未来。 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 3 嵌入式处理器 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心，其特点主要表现在：对实时多任务有很强的 支持能力，有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最 低限度；具有功能很强的存储区保护功能，避免在嵌入式软件模块之间出现错误的交叉 作用【6 1 。 嵌入式微处理器可以分为c i s c 和r i s c 两类。大家熟悉的大多数台式p c 机都使用 c i s c 微处理器，例如i n t e l 的x 8 6 。r i s c 结构体系有两大主流：m i p s 公司( 硅谷图形 公司) 的m i p s ( m i c r o p r o c e s s o rw i t h o u ti n t e r l o c k e dp i p e ds t a g e s ) 技术、a r m 公司的a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 技术。 r i s c 和c i s c 是目前设计制造微处理器的两种典型技术，虽然它们都是试图在体系 结构、操作运行、软件硬件、编译时间和运行时间等诸多因素中做出某种平衡，以求达 到高效的目的，但采用的方法不同，因此，在很多方面差异很大。 3 4 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统作为一个最小的实时内核提供多任务管理、任务间通信和同步、内 存管理、时间管理等重要服务。 操作系统内核是管理微处理器时间的软件，确保所有实时性要求高的事件尽可能高 效地得到服务。操作系统内核也支持将系统分成多个独立的任务，每个任务处理系统功 能的一部