（通信与信息系统专业论文）多通道数字硬盘录像机的设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 数字视频监控系统，集图像、声音和防盗报警于一体，越来越受到人们的青睐。由 于数字视频监控符合当今社会数字化、智能化的发展趋势，从而引发了安防领域的技术 革命，已经成为安全防范自动化技术的发展方向。 数字视频监控系统的核心组成部分是硬盘录像机( d i g i t a lv i d e or e c o d e r ，d v r ) 。硬 盘录像机的优劣决定了整个数字视频监控系统的性能。硬盘录像机分为p c 式硬盘录像 机和嵌入式硬盘录像机。论文设计了基于p o w e r p c 的多通道嵌入式d v r ，并改进p c 式d v r 为性能稳定的多通道工控式d v r 。视频压缩是图像处理的关键技术，选择合适 的视频压缩标准是实现高质量监控效果的前提。在众多的视频压缩标准中，m p e g 4 以 其高压缩比、适合在网络中传输的特点，在实际应用中最为广泛。论文所设计的嵌入式 与工控式d v r 的图像处理模块核心部件均采用v w 2 0 1 0 高性能芯片，使系统实现了 m p e g 4 的同时编解码。 p o w e r p c 架构的处理器在通信领域中表现出卓越的性能，其高度稳定性、高效的指 令执行效率使得其在复杂的应用领域中游刃有余。而工控机在工业控制领域大展身手， 其优异的性能不言而喻。文章的第二章设计出以p o w e r p c 架构的m p c 8 2 4 5 微处理器为 核心嵌入式d v r 的硬件平台。第三章则以威盛公司的e p i a 嵌入式主板为基础，设计 出工控式d v r 的硬件平台。 嵌入式l i n u x 操作系统是p o w e r p c 处理器的理想的搭档。第四章中详细论述为嵌入 式d v r 定制嵌入式l i n u x 和移植的过程，包括p p c 1 i n u x 交叉编译工具的搭建。同时在 第五章了设计l i n u x 下的v w 2 0 1 0 设备驱动程序。文中有关l i n u x 内核的讨论均基于2 6 版本的l i n u x 内核。文章最后对嵌入式d v r 和工控式d v r 分别做了综合测试，包括不 同码率( 不同的压缩率) 时的图像效果测试、静态物体取景、动态物体取景的测试，测 试中两种类型的d v r 均显示出了优异的性能，其性能足以应用于实际的高速公路监控 中。 关键词：数字视频监控；硬盘录像机；p o w e r p c ；1i n u x ；设备驱动程序 多通道数字硬盘录像机的设计与实现 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fm u l t i c h a n n e ld v r a b s t r a c t d i 百t a lv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m s ，w i t hv i d e o ，a u d i oa n da l a r mi n t e g r a t e dt o g e t h e r ，a r e e n j o y i n gm o r ea n dm o r ep o p u l a r i t ya m o n gc u s t o m e r s d u et ot h ed e v e l o p m e n tt r e n dt o w a r d s d i 西t a la n di n t e l l e c t u a ls y s t e m s ，d i g i t a lv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m sh a v eb e e nl e a d i n gt h e t e c h n o l o g yr e v o l u t i o ni nt h ef i e l do fd e f e n s e ，a st h eo b j e c t i v eo fd e v e l o p m e n t t h ec o r eo fd i g i t a lv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mi s d v r ( d i g i t a lv i d e or e c o d e r , d v r ) t h ep e r f o r m a n c eo fd v r ，w h i c hc a nb ec a t e g o r i z e da sp c t y p ed v r ，a n de m b e d d e dd v r ， h a st h ed e c i s i v ei n f l u e n c eo nt h ee n t i r ed i g i t a lv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m i nt h i sp a p e r , a d e s i g no fm u l t i - c h a n n e le m b e d d e dd v rb a s e do np o w e rp ci sp r o v i d e d ，a n da n i m p r o v e m e n to np c - d v rh a ss u c c e s s f u l l ym a d e i tm o r er e l i a b l ea n ds t a b i l ea sa m u l t i c h a n n e li n d u s t r i a l c o n t r o l l e dd v ri sd e s i g n e d s i n c et h ek e yt e c h n i q u eo fi m a g ep r o c e s s i n gi sv i d e oc o m p r e s s i o n ，a na p p r o p r i a t ec h o i c e o fv i d e oc o m p r e s s i o ns t a n d a r d si st h ep r e c o n d i t i o no fa n yq u a l i t yi m p r o v e m e n ti n s u r v e i l l a n c e a m o n ga l lt h ev i d e oc o m p r e s s i o ns t a n d a r d s t h em p e g 4s t a n d a r di su n i v e r s a l l y a p p l i e di nr e a l i t yd u e t oi t sh i 曲c o m p r e s s i o nr a t i oa n df i t n e s si nn e tt r a n s m i s s i o n v w 2 010i s a d o p t e da st h ec o r eo fb o t ht h ee m b e d d e da n di n d u s t r i a l c o n t r o l l e dd v ri m a g ep r o c e s s i n g m o d e l sp r o p o s e di nt h i sp a p e r , w i t hs i m u l t a n e o u sc o d i n ga n d d e c o d i n go fm p e g 一4 p o w e r p cp r o c e s s o r sh a v ey i e l d e ds a t i s f y i n gp e r f o r m a n c ei nc o m p l i c a t e dp r a c t i c a l c o m m u n i c a t i o n sf i e l dd u et oi t ss t a b l e n e s sa n de 衔c i e n c y w h i l ei n d u s t r i a lo n e sw o r kw e l li n t h ei n d u s t r i a lc o n t r o l l i n ga r e a i nt h es e c o n ds e c t i o n a ne m b e d d e dd v rh a r d w a r ep l a t f o r n l b a s e do np o w e r p cw i t hm p c 8 2 4 5a si t sc o r ep r o c e s s o ri sp r e s e n t e d a n o t h e rd v rh a r d w a r e p l a t f o r m o ft h ei n d u s t r i a l c o n t r o l l e dt y p ei si n t r o d u c e di ns e c t i o nt h r e eb a s e do n 也e e m b e d d e d m a i nb o a r do f f e r e db yv l ac o m p a n y t h ee m b e d d e dl i n u x o si st h ei d e a lp a r t n e ro fp o w e rp cp r o c e s s o r i ns e c t i o nf o u r a s p e c i f i cd i s c u s s i o ni s d e v o t e dt ot h ep r o c e s si ns e a r c ho fs u i t a b l ee m b e d d e dl i n u xf o r e m b e d d e dd v r ，a n dt h ep r o c e s so ft r a n s p l a n t a t i o ni n c l u d i n gt h ec o m p i l a t i o nt o o l sb u i l do f p p c l i n u xi ns e c t i o nf i v e ，av w 2 0 10d e v i c ed r i v e ri sd e s i g n e d a n da 1 1t h ed i s c u s s i o n so n l i n u xk e m e lr e f e rt ot h ev e r s i o n2 6l i n u xk e l t l e lw i t h o u te x c e p t i o n t h ep e r f o r m a n c e so fe m b e d d e dd v ra n di n d u s t r i a l c o n t r o l l e dd v ra r ee v a l u a t e da n d c o m p a r e dr e s p e c t i v e l yi nt h el a s ts e c t i o nb a s e do n as y n t h e t i ct e s t ，a n dt h e yb o t hs h o w e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e s i i 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：d i g i t a lv i d e os u r v e i l l a n c e ；d v r ；p o w e r p c ；l i n u x ；d e v i c ed r i v e r i ! i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名： 大连理t 人学颂+ 学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部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。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 盈亟数芬骇趁朱 移钏沁浚朽欠幽 坳盗 日期： 一4 睑一一 日期： 年韭月1 日 年业茂正b 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1课题背景 在社会飞速发展的今天，人们在物质生活水平迅速提升的同时，也越来越注重自己 的生命财产安全、出行的交通安全，安防也随之被摆到十分重要的位置，倍受大众的关 注。伴随着人们对安全意识的提升，我国的安防产业发展迅速，近几年安防产业的发展 速度远高于我国的g d p 增速，在国民经济中所占的比重也在不断增加【l 】。视频监控作为 安防的主要手段，保持高速的发展同样在情理之中。视频监控已广泛应用于公共场所的 监控、工业控制、道路交通等行业。 近年来，我国在基础设施上的投入逐年增加，高速公路的建设尤为迅猛。沿海大通 道、各省之间的省际高速、各个城市之间的城际高速相继投入使用。这为我国的经济发 展注入了强大的动力。但是道路更加宽畅、路面更加平坦并非就能使行车更加安全，随 着行车速度的提升，安全系数也随之降低高速公路上发生的重大交通事故屡见不鲜。因 此，行车安全已经成为高速公路发展的制约因素。为解决这一棘手的问题，必须引进有 力的监督管理制度，对进入高速公路的车辆严格排查，限制存在安全隐患的车辆上路。 视频监控以其直观性、实时性自然而然的成为高速公路上主要的监管手段。 率先在高速公路上应用的视频监控方式是模拟视频监控。模拟视频监控的缺陷是显 而易见的，它在远距离传输、抗干扰性、图像质量、信息存储、设备造价等方面的先天 缺陷，注定其不能被推广应用。随着高速公路发展，模拟视频监控的各种缺陷逐渐暴露 出来，模拟视频监控已经无法满足高速公路上的监控需求。 数字视频监控伴随着现代计算机技术、图像处理技术、网络通信技术的发展潮流而 发展。数字视频监控具有处理速度快、画质好；控制操作方便简单；视频数据传输快捷、 距离远；视频数据存储方便；性价比高等特点。由于数字视频监控具有传统模拟监控无 法比拟的优点，而且顺应当前信息社会中数字化、网络化和智能化的发展趋势，所以数 字视频监控正在逐步取代模拟监控【2 1 。本文所研究设计的嵌入式多通道硬盘录像机和工 控式多通道硬盘录像机，j 下是应用于高速公路收费站的数字视频监控系统，用以取代高 速公路上的模拟视频监控系统。 1 2 数字视频监控的发展趋势 网络带宽和硬盘存储容量的迅速提升，使得全程数字化、网络化的视频监控技术逐 渐占据安防领域的主导地位。随着3 g 时代的到来，无线传输速度呈指数增加，这使得 移动i p 监控渐渐成为视频监控的研究热点。移动视频监控代表了一种新型的监控模式， 多通道数字硬盘录像机的设计与实现 它可以随地接收视频监控信号，还可以可以随时随地处理和查看视频监控信号【3 】。文献 3 提出了一种流式移动视频监控技术。与通信系统一样，移动i p 视频监控系统同样需 要有效的措施来保证视频数据的安全传输。使用传统网络中的加密技术很难保证i p 网 络监控系统中的数据安全，在m 网络中应用专用的加密技术对监控视频流进行保护， 可以使得移动i p 监控视频更加安全有效传输【4 1 。可以预见在未来的4 g 时代中无线传输 速度的进一步提高将会为移动口视频监控提供更大的发展空间。 智能监控系统是目前视频监控技术的另一研究热点。智能监控系统可以实现对监控 目标的自动检测、识别、跟踪并自行采取相应的处理。通过静态摄像机传输图像很难获 得高质量的视频图像【5 】。智能监控系统的关键技术是智能摄像机和实时图像处理技术， 而智能摄像机的核心技术是目标识别算法。对智能监控系统的研究主要集中在目标识别 算法的研究上，当前流行的目标识别算法主要有分布式推理算法、基于神经网络的自动 目标识别算法、基于证据理论的交互式目标识别算法等。文献 5 】中提出了分布式推理算 法的原理。实时图像处理和分布式推理算法使得智能摄像机不仅可以升级现有的应用， 还可以激发新的应用【6 | 。 1 3 数字硬盘录像机 数字视频监控系统的核心组成部分是硬盘录像机( d i 【g i t a lv i d e or e c o r d e r ，d v r ) ， 硬盘录像机的优劣决定了整个数字视频监控系统的性能。目前，主流的d v r 分为两类： p c 式d v r 和嵌入式d v r 。 p c 式录像机是在标准的计算机内插入视频压缩解压缩卡和多个大容量硬盘，然后 在操作系统上丌发相应的录像软件并由计算机完成d v r 的管理功能。p c 式d v r 开发 难度较小、周期较短，但这种系统容易受到p c 机上其他软硬件的影响，稳定性较差， 安装上也不方便【7 j 。 嵌入式硬盘录像机是采用嵌入式c p u 、专用的图像处理芯片、构成的嵌入式系统作 为硬件平台，并在平台上运行嵌入式操作系统及相应的应用软件。嵌入式d v r 具有如 下特点：首先，嵌入式d v r 一般采用单板结构，相对于p c 式的插板结构，有更高的 可靠性和稳定性，外部连接更为方便。其次，嵌入式d v r 由于操作系统较小，可以将 程序固化到系统的f l a s h 或电子硬盘上，开关机和振动对它的影响较小，程序数据不容 易丢失，稳定性更高而且启动速度快，进入工作状态时间较短【8 】。但嵌入式d v r 的开 发难度大、开发周期较长。 人连理t 大学硕+ 学位论文 1 4m p e g - 4 视频压缩标准 m p e g ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ，运动图像专家组) 组建于1 9 8 8 年，是在i s o ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d i z a t i o n o r g a n i z a t i o n ，国际标准化组织) 和i e c ( i n t e r n a t i o n a l e l e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ，国际电工委员会) 内运作的一个工作组。m p e g 的任务是 开发运动图像及其伴音的数字编码标准，已公布包括m p e g 1 、m p e g 2 、m p e g 一4 、 m p e g 一7 和m p e g 一2 1 在内的多个标准，其中m p e g 4 标准在数字视频监控系统中的应 用最为广泛【9 】。 m p e g 4 标准是数字视频监控系统中的应用最为广泛的标准。m p e g 4 标准的目标 是：支持多种多媒体应用，可根据不同的应用现场配置解码器。m p e g 4 标准获得了业 界厂家的广泛支持，使得交互式媒体得以迅速发展。m p e g 4 标准具有如下特点【i o j ： ( 1 ) 基于内容的交互性( c o n t e n t - b a s e di n t e r a c t i v i t y ) ； 支持基于内容的操作与比特流编辑，而无须编码。 支持自然视频图像同合成数据( 文本、图形) 有效地结合，并支持交互性操作。 增强的时间域随机存取。m p e g 4 提供了高效的随机存取方式，可在很短的时 间间隔内，按任意形状对音视频序列进行随机存取。 ( 2 ) 高压缩率( c o m p r e s s i o n ) ； 提高编码效率。m p e g 一4 标准比现有的标准在编码速率上做了很大提升，它提 供了更好的主观视觉质量的图像。这、使得m p e g 4 在迅速发展的无线通信中有广阔的 应用空间。 对多个并发数据流的编码。m p e g 4 提供了对景物的有效多视觉编码，并加入 多伴音声道编码，使得音频信号与视频信号更好地同步。在立体视频应用方面，m p e g 4 充分利用了对同一景物的多视点观察所造成的信息冗余，有效地描述三维自然景物。 ( 3 ) 存取灵活多样( u n i v e r s a la c c e s s ) ： 错误易发环境中的鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 。m p e g 4 是第一个在音、视频表示规 范中考虑信道特性的标准。它允许采用有线、无线网络和各种存储媒体，它提高抗错误 能力，适合应用在易发生严重错误的环境下的低比特( 移动通信链路) 的环境中。 基于内容的尺度可变性( c o n t e n t b a s e ds c a l a b i l i t y ) 。基于内容的尺度可变性是 m p e g - 4 的核心，内容尺度可变性，即为图像中的各个对象分配优先级。它的基本思想 是，对比较重要的对象用较高的空间或时间分辨率表示。对甚低比特率应用，m p e g 4 提供了自适应可用资源的能力。这个功能允许对具有高优先级的对象，以预定的质量显 示，第二优先级的对象则以较低的质量显示，而其余内容不显示。这种方式可最有效地 利用有限的资源。 一3 一 多通道数字硬盘录像机的设计与实现 m p e g 4 的这些特点使它很适合应用在有线及无线网络传输中，本文选择m p e g 4 标准进行监控视频图像的压缩，并为其选择v w 2 0 1 0 高性能专用压缩芯片，实现m p e g 4 压缩编码。 1 5 本文的研究内容 数字硬盘录像机系统的层次结构如图1 1 所示。本文讨论了数字视频监控系统的发 展状况、实现技术及数字视频监控的硬件实现。在此基础上分别设计了p o w e r p c 和x 8 6 两种处理器架构平台下的多通道、图像压缩率( 通过改变码流速率) 可调的硬盘录像机 的硬件系统。同时完成嵌入式l i n u x 系统的移植，并设计开发了l i n u x 下的设备驱动程序。 即完成了系统的应用程序以下部分的研究与设计。 图1 1 系统层次结构 f i g 1 1h i e r a r c h yo f d v r 全文的结构如下： ( 1 ) 绪论； 主要介绍本的课题来源、应用技术及课题的发展现状。 ( 2 )嵌入式多通道数字视频监控系统的硬件构造 深入介绍了本文所设计的基于p o w e r p c 的嵌入式多通道硬盘录像机的硬件构造，从 核心的功能模块到图像处理模块及所用到的p c i 总线技术都做深入的探讨。 ( 3 ) 工控式多通道数字视频监控系统的硬件设计 基于传统p c 式硬盘录像机的不足，设计出用于高速公路数字监控系统的工控式硬 盘录像机。在此基础上设计基于p c i 6 1 5 2 的扩展板，将系统扩展为四通道硬盘录像机。 人连理工人学硕士学位论文 ( 4 ) p o w e r p cl i n u x 的构造 介绍了嵌入式l i n u x 操作系统的剪裁、移植过程，并深入讲解了用于驱动程序开发 的p p c 1 i n u x 交叉编译链的搭建。 ( 5 ) v w 2 0 1 0 设备驱动程序的设计 详细论述了l i n u x 系统中v w 2 0 1 0 设备驱动程序的组成、开发过程。 ( 6 ) 系统调试与测试 对本文所设计的两种硬盘录像机的调试过程和测试结果做了详尽的分析。 多通道数字硬盘录像机的设计与实现 2嵌入式多通道数字视频监控系统的硬件构造 2 1 基于p o w e r p c 的嵌入式硬盘录像机方案设计 开发嵌入式d v r 常用的方法是以一个开发板( 相当于一个小型的p c 机) 作为嵌 入式系统的功能模块，在此基础上重新开发图像处理模块的软硬件。这种设计方法受到 开发板的种类、功能的牵制，在硬件定制上灵活性相对较小。本章讲述的嵌入式d v r 抛开了以开发板为基础的思路，完全根据设计的系统需求定制、构建整个嵌入式系统的 硬件平台。设计的目标是：设计应用于高速公路监控系统的嵌入式硬盘录像机，实现对 高速公路收费站数字化、网络化的实时监控。 本章的设计方案以p o w e r p c 处理器为核心，设计单板的多通道、图像压缩率可调的 嵌入式数字硬盘录像机。外围由v w 2 0 1 0 专用视频压缩芯片构成视频图像处理子系统， 可以支持m p e g 2 4 的同时编解码。系统外围的接口包括网络接口、串行口、硬盘接口、 j t a g 接口等。系统支持4 通道视频编解码，视频处理子系统相对独立，各模块通过p c i 总线与c p u 核心功能模块相连接，系统结构如图2 1 所示。 图2 1 嵌入式d v r 系统结构框图 f i g 2 1d i a g r a mo fe m b e d d 酣d v r ib u s 2 2m p c 8 2 4 5 微处理器 p o w e r p c 架构是i b m 、摩托罗拉( 即现在的飞思卡尔半导体) 和苹果合作开发的新 型微处理器结构。p o w e r p c 从一诞生就以其在通信处理的优异性能迅速成为通信领域的 大迕理工大学硕士学位论文 主导处理器。此外，e l 前p o w e r p c 架构在消费电子、汽车、网络连接、军用和工业电子 等领域也有很高的市场占有率。根据嵌入式多路硬盘录像机的实际需求，选择m p c 8 2 4 5 处理器作为系统的核心。 基于p o w e r p c 体系结构有众多型号的嵌入式处理器，其叶 m p c 8 2 4 5 是f r e e s c a l e 半导体公司的一款优秀的通信处理器。m p c 8 2 4 5 内部集成了曲大模块：c p u 核( c o l e ) 和外围逻辑模块。c p u 核为p o w e r p c6 0 3 e 处理核心，时钟频率3 3 3 m h z ，总线频率 1 0 0 m h z 。m p c 8 2 4 5 集成了众多的外围屯路控制接u ：消息控制器、d m a 控制器、1 2 c 控制器、可编程中断控制器( e p i c ) 、d u a r t 、内存控制器和p c i 总线接门单兀等。 m p c 8 2 4 5 的内部结构如图2 2 所示【“i 。 。磊磊r ， ”1 i p ab u g s h 4 f g mo s c 女b i t h “k - p p k l 岫m m 图22 m p c 8 2 4 5 的内部结构 f i g2 2 m p c 8 2 4 5b l o c kd i a g r a m 以下分别对m p c 8 2 4 5 的处理器内核和外围逻辑模块做简要的介绍。m p c 8 2 4 5 的 6 0 3 e 内核具有如下特点： ( 1 ) 包含五个执行单元：整数单元( i u ) 、浮点单元( f p u ) 、分支处理单元( b p u ) 、 l o a d s t o r e 存储单元( l s u ) 和系统寄存器单元( s r u ) 。大多数整数运算指令可在一个 时钟周期内完成，单精度的浮点乘加运算也可以在一个时钟周期内完成； ( 2 ) 提供了独立的片内1 6 k b 的物理地址指令和数据的c a c h e ： ( 3 ) 支持8 位、1 6 位、3 2 位整型和3 2 位、6 4 位浮点型等数据类型； ( 4 ) 可不经缓存直接访问寄存器及内部存储器中的双口r a m ： 暑王磐 墨 一鬻毯一 一霪 圈圆 戮数薹薹 = 翠团甲 墨囝墨 多通道数字硬盘录像机的设计与实现 ( 5 ) 支持动态的电源管理，有三种节电模式：瞌睡模式、睡眠模式和深度睡眠模 式。 m p c 8 2 4 5 的外围的逻辑接口及其功能如下【1 2 j ： ( 1 )内存接口控制器，完成处理器内核、p c i 总线事务与主存之间的数据传输和 控制，3 2 位地址总线和6 4 位数据总线，用于内部数据的传输和控制。内存接口控制器 支持当前主流的存储器类型，包括s d r a m ( 同步动态随机存储器) 、f l a s h ( 闪存) 和 r o m ( 只读存储器) 等。内存接口控制器可同时支持最大2 g b 的s d r a m 和2 7 2 m b 的r o m f l a s h ； ( 2 ) p c i 接口单元符合p c i2 2 规范，时钟频率为3 3 m h z 和6 6 m h z 可选，集成了 p c i 总线仲裁器和p c i 桥，有5 对p c i 仲裁信号，可同时支持5 个p c i 主设备； ( 3 ) 两个独立的d m a 控制器，可以提供p c i 存储空间与内存、p c i 存储空间之 间、内存与内存之间的数据传输； ( 4 ) 1 2 c 串行总线接口，可方便地访问外部低速设备： ( 5 ) 可编程中断控制器e p i c ，e p i c 用于接收外部的硬件中断信号，并对中断信 号进行屏蔽和优先级分配后送到处理器内核； ( 6 ) d u a r t 串并转换器，用于实现来自处理器内核的并行数据和外部串行数据 的转换。d u a r t 外接串行控制器可以实现r s 2 3 2 和r s 4 8 5 串行通信协议，使得系统 的调试和控制都极为方便。 m p c 8 2 4 5 集成了众多外围接口，且同时兼容t t l 电平，使得外围电路的设计时省 去了c m o s 电平与t t l 电平之间的转换，外围电路设计大为简化。本文在嵌入式d v r 的设计中，充分利用了m p c 8 2 4 5 的所提供的接口控制器来完成系统的功能，表2 1 总 结出了m p c 8 2 4 5 各模块在嵌入式d v r 中的应用。 表2 1m p c 8 2 4 5 各模块在硬盘录像机中的使用 t a b 2 1m o d u l a ru s a g eo fm p c 8 2 4 5i nd v r 模块应用 m e m o r yi n t e r f a c e p c i b u si n t e r f a c e 1 2 c d u a r t j t a g 扩展s d r a m ，f l a s h 连接l a n 、硬盘控制器及视频编解码模块 视频a d 与d a 控制 扩展r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 接口 烧写f l a s h 与系统调试 大迮理工大学硕士学位论文 2 3 存储系统的设计 2 3 1 存储器分类 ( 1 ) 随机存取存储器( r a m ) r a m ( 内存) 的存储单元可以读出、写入或改写数据。r a m 只能用于暂时存放程 序和数据，一旦关闭电源或发生断电，其中的数据就会丢失。r a m 多为m o s 型半导体 电路，它分为静态和动态两种。静态r a m 靠双稳态触发器来记忆信息，而动态r a m 则靠m o s 电路中的栅极电容记忆信息。动态r a m 需要设置刷新电路，这是由于电容 上的电荷会泄漏，需要定时给予补充。通常主内存采用动态r a m ，而高速缓存则使用 静态r a m 。 动态r a m 按制造工艺的不同，可分为动态随机存储器( d r a m ) 、扩展数据输出 随机存储器( e d o r a m ) 和同步动态随机存储器( s d r a m ) 。d r a m 中使用同一电 路存取数据，所以d r a m 的存取时问有一定的时间间隔，这导致了它的存取速度并不 是很快。e d o r a m 和d r a m 相似，区别在于，e d o r a m 在把数据发送给c p u 的同 时可以访问存储器的下一个页面，其速度比普通d r a m 快1 5 3 0 。s d r a m 和d r a m 的区别较大，它可在同一个c p u 时钟周期中完成数据的访问和刷新，即同一个周期内 以相同的速度同步地工作。因而可以和系统总线以同频率工作，极大地提高了数据传输 率，其速度要比比e d o r a m 提高近5 0 。 ( 2 ) 闪存( f l a s h ) f l a s h 即具有r a m 读写的灵活性和较快的访问速度，又具有r o m 在断电后可不丢 失信息的特点。f l a s h 芯片可以用电气的方法快速地擦写，由于快擦写存储器不需要存 储电容器，故其集成度更高，制造成本低于d r a m 。目前流行的f l a s h 技术有n o rf l a s h 和n a n df l a s h 。 n o r 技术闪速存储器是最早出现的f l a s hm e m o r y ，目前仍是多数供应商支持的技 术架构，它源于传统的e p r o m 器件。与其它f l a s hm e m o r y 技术相比，具有可靠性高、 随机读取速度快的优势。在擦除和编程操作较少的场合，尤其是代码( 指令) 存储的应 用中广泛使用。由于n o r 技术f l a s hm e m o r y 的擦除和编程速度较慢，而块尺寸又相对 较大，因此擦除和编程操作所花费的时间很长，在纯数据存储和文件存储的应用中显得 力不从心。 n a n d 技术的f l a s hm e m o r y 以页为单位进行读和编程操作( 1 页为2 5 6 或5 1 2 字节) ， 以块为单位进行擦除操作( 1 块为4 k 、8 k 或1 6 k 字节) ；具有快编程和快擦除的功能， 其块擦除时间是2 m s ( n o r 技术的块擦除时问达到几百m s ) ；数据、地址采用同一总 多通道数字硬盘录像机的设计与实现 线，实现串行读取，随机读取速度慢且不能按字节随机编程；引脚少，芯片尺寸小，是 位成本( b i tc o s t ) 最低的固态存储器，突破了每兆字节1 元的价格限制。基于n a n d 的存 储器可以取代硬盘或其它块设备。 2 3 2m p c 8 2 4 5 的存储空间映射 在基于p c i 总线的系统中，有多个存储器实体( 包括内存、挂载在p c i 总线上的设 备中的存储器及其他设备中的存储器) ，这些存储实体在空间上是分散开的，但是在系 统中它们是组织成一个整体的，即系统存储空间。各存储实体与系统存储空间的映射关 系，由主桥和总线桥中的一些配置寄存器共同决定。m p c 8 2 4 5 系统存储空问的映射关 系如图2 3 所示，由于c p u 与p c i 总线均为3 2 位，故系统的存储空间为4 g b ，内存 ( s d r a m ) 最大可扩展至2 g b 2 5 6 m b 。 本地内存空间 二 扩展r o m 空间 p c im e m o 巧空间 4 一 p c ii o 空问 4 配置地址空间 一4 配置数据空间一1 4 p c ii n t a c k 4 l a s h 与r o m 图2 3m p c 8 2 4 5 系统存储空间的映射 f i g 2 3m e m o r ys p a c eo fm p c 8 2 4 5 2 3 3m p c 8 2 4 5 的存储系统设计 ( 1 ) s d 洲扩展 利用m p c 8 2 4 5 中集成的s d r a m 接口，可以方便地进行s d r a m 扩展，构造系统 内存。考虑到芯片集成度与价格关系，本系统使用4 片m t 公司的4 8 l c 8 m 1 6 a 2 内存 芯片构成了系统的6 4 m b 内存，该s d r a m 芯片的容量为8 m * 1 6 b i t 。 人连理工人学硕士学位论文 ( 2 ) n o rf l a s h 扩展 系统使用一片4 m b 的n o rf l a s h ，在n o rf l a s h 上运行代码不需要任何的软件支 持，故将n o rf l a s h 用来存放启动所需要的引导程序和内核文件。m p c 8 2 4 5 上电时p c 指针指向0 x f f f l 0 0 0 ，引导程序的入口地址包含该地址即可运行操作系统。 ( 3 ) n a n df l a s h 扩展 本文使用的n a n df l a s h 是三星的1 6 m b 的9 f 2 8 0 8 ，用于存放文件系统。如图2 4 所示n a n df l a s h 没有独立的地址和数据线，访问其内部单元由8 位的i o 访问来完成。 2 3 4 硬盘接口 2 0 2 e 2 i 2 e 2 b 2 b 2 ep ，4 2 ep o j 3 2 ep c s t ) 嗽o 2 ep c s t 1 2 p a 2 4 c 8 几一 学p l f n a n d f l a s hl 图2 4n a n df l a s h 的信号定义 f i g 2 4 s i g n a lo fn a n df l a s h 图2 5i d e 硬盘接口电路 f i g 2 5 t h ec i r c u i to ft h ei d ei n t e r f a c e 多通道数字硬盘录像机的设计与实现 d v r 中还要有用于存储m p e g 4 数字视频数据信息的i d e 硬盘，本文所采用的i d e 接口控制器为h p t 3 7 4 。该芯片可同时挂接4 个i d e 硬盘，支持每个硬盘的最大容量为 2 0 0 g b 。假设视频制式为p a l ( 2 5 f p s ) ，图像质量等级为6 ，则每路录像l 小时的大小 约为3 0 0 m ，则硬盘可存储录像的的天数约为2 8 天。通过调高图像等级，即降低压缩率， 增大码流速率，可以提高图像质量，但是这是以增加数据量为代价的，即减少了硬盘的 存储时间。硬盘接口的原理电路如图2 5 所示。 2 4 外围接口电路设计 2 4 1以太网接口 以太网接口主要有两个作用：下载宿主机上开发编译好的程序到目标板上，发送和 接收m p e g 一4 数据。在系统调试阶段可以通过以太网接口下载编译好的应用程序到目标 板上。 - - - v c i g 线 - - - - - _ + e e p r o m 一 以扒 - - - - - - m p c 8 2 4 5盯l 8 1 3 9 d 厂 一器h 目r j 4 $ 图2 6r t l 8 1 3 9 的电路接口 f i g 2 6 i n t e r f a c eo fr t l 813 9 本设计中的以太网控制器芯片采用r t l 8 1 3 9 。r t l 8 1 3 9 集成了快速以太网m a c 、 物理层编码解码电路和收发器三种基本功能，在l i n u x 系统中有相应的驱动程序。 r t l 8 1 3 9 提供p c i 总线接口，支持总线主控设备对p c i 内存进行读写操作，支持c p u 访问片上寄存器空间；支持全双工1 0 1 0 0 m b s 传送和接收，具有最小帧间距，数据包 以总线主控的方式进行转移，可以使c p u 的负担大为降低。r t l 8 1 3 9 需要一个外接的 e e p r o m ，对以太网控制器进行配置，r t l 8 1 3 9 的电路接法如图2 6 所示。 2 4 2 串行接口电路 串行接口有三个作用，分别是调试、摄像机云台控制、连接控制砸板。由于r s - 4 8 5 抗干扰性强，适合长距离的控制，故云台控制使用r s 4 8 5 协议，而调试和控制面板使 用r s 一2 3 2 协议。m p c 8 2 4 5 的d u a r t 可以提供两路串行通信接口逻辑，外接不同的电 人连理_ t 大学硕十学位论文 平转换芯片可分别实现r s 一2 3 2 、r s 4 8 5 串行通信协议。d u a r t 只提供了两路串行通 信接口逻辑，由于调试与云台控制不会同时使用，这两个功能可通过跳线复用。 c ： c 1 + c 4 5 8 ，1 u f 1 u f t c v 4 - 玉l ， i 、 ，i ， 朋。 c 4 6 1 i l c2+v c 2 - c 4 6 a 、1 u f 专 j f 双。珂j 蚱下 51 6r , x 2 3 2 1l 糊j 1 。3 野 1 mo u t r i n 7 ，1 t 一i n t i _ o u t l 住：轮卜_ l 0 r 2o u t恕斟 9 1 9 e!-删t2o u t 上 j i _ xv 尹e 一i k l r v a t 幻 t 趱 | f o r c e o nf o 只c e o f f # 伯 口l 勰 l 狮d3 3 v c c 捞 ，一rc 4 6 2 毫x 2 3 2v f d r x 2 3 2 、，f d 芎$ p 3 2 2 3 芎1 u f 图2 7r s - 2 3 2 串口电路图 f i g 2 7 c i r c u i to fr s 一2 3 2 图2 8r s 一4 8 5 串口电路图 f i g 2 8 c i r c u i to fr s - 4 8 5 如图2 7 和图2 8 ，用电平转换芯片s p 3 2 3 即可实现r s 一2 3 2 串行通信协议，用 s n 7 5 1 7 6 实现r s 4 8 5 串行通信协议。j p 2 用于调试接口，j 2 3 用于云台控制，它们通过 j 1 2 、j 1 3 共用d u a r t 的一组逻辑信号输出。当j 1 2 、j 1 3 均接至2 、3 脚时，这组信号 用作s p 3 2 3 的输入，用于调试。当j 1 2 、j 1 3 均接至1 、2 脚时，这组信号用作s n 7 5 1 7 6 的输入，用于