（机械电子工程专业论文）基于嵌入式linux的网络视频监控系统研究.pdf

摘要 l i n u x 和嵌入式系统都是计算机技术领域中的研究热点，两者的结合，为它 们开辟了新的发展空间。l i n u x 由于其源代码公开、内核精简、支持多种硬件平 台、网络功能强大等特点，是如今嵌入式领域使用比例最高的操作系统，视频 监控系统正是其应用之一。随着电子技术，多媒体技术及网络技术快速发展， 视频频监控系统正在向嵌入式，数字化，网络化方向发展。嵌入式网络视频监 控系统融合传统视频监控技术和现代信息技术为一体，和当前世界信息技术的 发展紧密相连，其核心部分就是一个可以直接连入以太网的视频设备，提供实 时的视频数据采集、压缩和传输的功能。 本文分析总结了视频监控系统的发展历程和研究现状，围绕如何完成网络 视频监控的目的，提出了一种以嵌入式l i n u x 和a r m 微处理等主流技术为基础 的通用性强且成本低的网络视频监控解决方案，具有广泛的应用价值。在硬件 方面，采用三星公司的a r m 系列嵌入式处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 及其外围设备构成系 统的硬件核心。在软件方面，建立了系统的软件开发环境，包括交叉编译环境 的建立、b o o t l o a d e r 、l i n u x 内核的移植等。在嵌入式l i n u x 平台上实现了u s b 摄像头驱动程序的开发，并基于v i d e 0 4 l i n u x 模块提供的编程接口( a p i ) 完成了 视频数据的采集；选取m p e g - 4 视频压缩标准作为系统的视频压缩算法，以x v i d 编码器模型为基础实现了视频数据的压缩；基于流媒体传输的基本协议实时传 输协议( r t p ) 和实时传输控制协议( r t c p ) ，对服务器端m p e g - 4 视频流的r t p 封包策略进行研究，最后利用j r t p l i b 库，实现了一个r t p r t c p 架构，成功 用于m p e g 4 视频流的实时传输。 关键字：视频监控，嵌入式l i n u x ，m p e g 4 压缩，实时传输协议 a b s t r a c t l i n u xa n de m b e d d e ds y s t e ma r eb o t hh o tp o i n t si nt h ea c a d 【e m i ef i e l do f c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h ec o m b i n a t i o no ft h e mf u r t h e re x p a n d st h e i rr e s p e c t i v e d e v e l o p m e n ta r e a l i n u xh a sb e c o m et h em o s tp o p u l a ro p e r a t i n gs y s t e ma tt h ef i e l d o fe m b e d d e dd o m a i n ，b e c a u s eo fi t so p e ns o u r c ec o d e ，s i m p l i f i c a t i o no ft h ek e r n e l ， s u p p o r t i n gm u l t i p l eh a r d w a r ep l a t f o r m s ，s t r o n gn e t w o r k s u p p o r ta n do t h e rp o w e r f u l f e a t u r e s v i d e os u r v e i l l a n c e s y s t e mi s o n eo fi t sa p p l i c a t i o n s w 砧t h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，m u l t i m e d i at e c h n o l o g ya n dn e t w o r k t e c h n o l o g y ，t h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mi se m b e d d e d ， d i g i t a la n dn e t w o r k e d e m b e d d e dn e t w o r kv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mi n t e g r a t e s t r a d i t i o n a lv i d e os u r v e i l l a n c et e c h n o l o g ya n dm o d e mi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya sa w h o l e ，a n dc l o s e l yl i n k sw i t hc u r r e n ti n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yo ft h ew o r l d i t sk e r n e l p a r ti sav i d e oc a p t u r ed e v i c ew h i c hc a nb ec o n n e c t e di n t oe t h e m e td i r e c t l ya n dt h e n p r o c e s s e st h ec a p t u r i n g ，c o m p r e s s i o na n dt r a n s p o r t a t i o no fr e a l - t i m ei m a g e t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dt h er e s e a r c hs t a t u so fv i d e o s u r v e i l l a n c es y s t e ma r o u n dt h ep u r p o s eo fc o m p l e t i n gan e t w o r kv i d e os u r v e i l l a n c e s y s t e m ，p u t sf o r w a r das o l u t i o no fv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mb a s e do ne m b e d d e d l i n u x ，a r mm i c r o p r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n do t h e rm a i n s t r e a mt e c h n o l o g y ，w h i c h i sp r a c t i c a la n dl o w - c o s t i nt e r m so fh a r d w a r e ，i tu s e sp r o c e s s o r $ 3 c 2 4 4 0a n do t h e r p e r i p h e r a le q u i p m e n t ，w h i c ha r ep r o d u c e db ys a m s u n gc o m p a n y i nt e r m so f s o f t w a r e ，i ts e t su pt h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，i n c l u d i n gt h ee s t a b l i s h m e n to ft h e c r o s s c o m p i l ee n v i r o n m e n t ，t h ed e s i g no fb o o t l o a d e ra n dt h et r a n s p l a n to ft h e e m b e d d e dl i n u xa n ds oo n o nt h ee m b e d d e dl i n u xp l a t f o r m , i ti m p l e m e n t st h e u s bc a m e r ad r i v e rd e v e l o p m e n t ，a n dd e s i g n sv i d e oc a p t u r ep r o g r a mb a s e do n v i d e 0 4 l i n u xa p i ，c h o o s e sm p e g - 4v i d e oc o m p r e s s i o na l g o r i t h mt oe n c o d ev i d e o s i g n a lb a s e do nx v i de n c o d e r f i n a l l y ，i ti sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e rt h a tm p e g - 4 e n c a p s u l a t i o na n dp a c k e t i s a t i o nm e t h o da tt h ep o i n to fs e r v e rb a s e do ns t r e a m i n g m e d i at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y ，a n di m p l e m e n t sar t p r t c pf r a m eu s i n gj r t p l i b t ot r a n s m i tt h ed a t ap a c k e tt ot h eu s e r k e yw o r d s ：v i d e os u r v e i l l a n c e ，l i n u x ，m p e g - 4 ，r t p r t c p 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工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 表示了谢意。 签名： 胁峭 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 武汉理工大学町以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关 机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 研究生( 签名) ： ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 导9 币( 签名) ； 嗍渺凡7 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 在社会数字信息化飞速发展的今天，多媒体技术、宽带网络传输技术以及 嵌入式技术己经渗入到我们工作、生活的各个方面，视频监控领域作为其重要 应用领域之一，获得了长足的发展。市场调查显示，2 0 0 6 年中国网络视频监控 业务市场规模达到1 8 2 4 亿元人民币，2 0 0 7 年中国网络视频监控业务市场规模 达到2 6 3 6 亿元人民币，预计2 0 1 1 年达到8 6 6 l 亿元人民币。未来3 年之内，网 络视频监控都将保持约3 8 的年增长率，会有越来越多的视频监控系统采用完 全数字化的技术，特别是在一些行业市场，如交通、城市监控、工业和零售业 等等。此外，以数字化视频监控为基础的智能视频监控技术也将获得长足的发 展【l 】。 视频监控系统主要用于完成现场点的数据采集、处理、实时监控等功能。 传统的视频监控系统采用自动控制技术、计算机技术，并己广泛地应用于工业 自动化、工业控制领域。然而，由于传统的视频监控系统没有或无法解决实时 大数据量处理远程通信等问题，或者其成本等原因，其应用受到很大的限制。 随着网络通讯技术、嵌入式技术及图像压缩处理技术以及传输技术的快速发展， 数字视频通信技术得到越来越广泛的应用，采用这些先进技术的网络视频监控 系统开始逐渐替换传统的视频监控系统。 目前，基于嵌入式多媒体技术和b s 架构的分布式视频监控系统，已经成 为信息网络的一种最普遍应用的信息交互平台。借助以太网和i n t e m e t 技术，把 嵌入式系统连接至i n t e m e t 上，就可以方便、低廉的把信息传送到世界的任何一 个地方，实现资源的共享，从而使人们有能力解决以前在极有限的资源下很难 解决的问题，为远程网络视频监控系统的发展提供了有利的条件。由此可见， 嵌入式网络视频监控系统必将有良好的应用和发展前景，由它替代当前普遍应 用于p c 的视频远程监控系统己成为必然趋势。而目前在我国基于嵌入式技术的 网络化视频监控系统刚刚起步，所以对基于嵌入式技术的网络视频监控系统进 行研究具有很大的实际意义。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 视频监控系统发展动态与研究现状 1 2 1 发展动态 视频监控系统以其直观、方便、信息内容丰富等特点而广泛应用于许多场 合。视频监控系统的发展经历了三个不同阶段：模拟视频监控，数字化图像监 控和基于嵌入式技术的网络化数字视频监控 2 1 3 1 。 ( 1 ) 模拟监控系统发展较早，目前常称为第一代监控系统，一般是由摄像机、 传输电缆、监视器、视频矩阵切换器等组成。在这一代视频监控系统中，由摄 像机获得现场的视频，通过电缆的传输，在监视器中对现场进行监控。随着技 术的发展，出现了视频矩阵切换器等新技术，可以实现多路信号的切换以及对 视频前端的控制。系统特点：视频、音频信号的采集、传输、存储均为模拟形 式，质量最高；经过几十年的发展，技术成熟，系统功能强大、完善。存在的 问题是：只适用于较小的地理范围；与信息系统无法交换数据，监控仅限于监 控中心，应用的灵活性较差不易扩展。 ( 2 ) 随着计算机存储和计算能力的不断增强，图像监控迎来了一场技术革 命。慢慢从过去的模拟处理方式转向数字处理方式，开始使用p c 处理图像信号。 利用计算机的数据处理能力与显示器的高清晰度，将视频信号通过视频采集卡 采集到计算机中，在显示器上显示，大大提高了图像的画质，但是控制与切换 仍采用传统的方式，只是计算机串口与之相连，完成控制工作。尽管它有良好 的人机界面和较好的稳定性，但它不能称为真正的数字图像监控系统。 ( 3 ) 随着信息处理技术的不断发展，基于嵌入式技术的网络化数字视频监控 近几年异军突起。全数字化网络监控系统以网络为平台，采用全新的设计理念， 集成了当今最先进的网络技术、计算机技术以及数字处理技术，以i p 地址来识 别所有的监控设备，采用先进的压缩算法以及网络传输协议来进行视频图像、 声音等数据的处理与传输。 网络数字视频监控系统具有比较明显的优势：利用现有的网络资源，轻而 易举地实现远程视频监控；布控区域广阔，系统扩展能力强，只要有网络的地 方增加监控点设备就可扩展新的监控点，彻底抛弃了地域的概念；可组成非常 复杂的监控网络，采用基于嵌入式w | e b 服务器为核心的监控系统，在服务器端 完成模拟视频到数字视频的转换并压缩，采用统一的协议在网络上传输，支持 2 武汉理工大学硕十学位论文 跨网关、跨路由器的远程视频传输：系统的硬件是一个处理器和操作系统捆绑 紧密、功能专一的独立的设备，因此不像插卡系统那样易受通用计算机系统中 其它软件硬件的影响，性能上更稳定，且便于安装、维护，易于实现系统的模 块化设计，便于管理、维护。 1 2 。2 国内外研究现状 在国内，模拟、数字视频监控系统的发展大致经历了孤立的监控系统和联 通的监控系统两个阶段【3 1 1 4 1 。目前，网络视频监控系统正朝着“统一部署+ 数据 共享 的监控网络方向发展。据了解，烽火网络、h 3 c 和u t 斯达康等厂商的视 频监控解决方案已经实现了统一监控、统一存储、统一管理和资源共享。 智能化是网络视频监控系统未来发展的方向之一。例如，中国电信推出的 “全球眼 业务利用网络监控系统的智能化特性，大大提高了效率。视频监控 系统的智能化主要体现在图像智能分析、报警联动和远程管理与控制等方面， 包括车牌识别，人脸识别，物体分类，运动检测，越界检测和流量统计等，对 于图像智能分析识别出来的特定事物或事件，以及其他报警装置触发的报警事 件，系统能够自动报警，包括联动到报警专用处理系统、语音电话、手机短信 和其他公共平台等( 如11 0 、11 9 ) 。 随着今年我国3 g 网络的大规模商用及其移动终端大规模的普及，用户可以 手持移动终端进行移动视频监控。而且，移动和固定的融合为电信运营商开展 视频监控增值业务带来了更多的机会。3 g 带来的最直接变化就是移动网络带宽 不再是手机视频业务发展的瓶颈。“运营商积极部署全业务运营，与此同时国 民生活水平有了很大提升，这推动了视频监控在手机等移动终端上的应用发 展。”融合固网与移动网将是未来视频监控业务的一个发展趋势。同时，视频 监控业务自身具有良好的发展前景，如果能和其他视频业务，例如i p t v 、视频 会议、传感器网络等业务进行融合，将为其注入更多的活力。 中国整体监控市场已有2 0 余年的发展历史相比，网络视频监控市场还是一 个相对新兴的市场。然而，随着标准的完善以及监控需求的不断提升，网络视 频监控已经做好了准备，它将促使国内网络视频监控市场逐步升温并迎来黄金 时代。 目前，国内外对基于嵌入式和网络技术的视频监控系统的研究，一般集 武汉理工大学硕士学位论文 中于嵌入式视频监控系统的设计、嵌入式操作系统的研究、视频图像的网络 传输以及视频图像处理等几个方面【5 j ： 在嵌入式视频监控系统的设计方案上，例如有d e s u r m o n tx a v i e r 设计并 实现的一种实时优化的小型网络摄像机，系统由图像传感器、嵌入式处理器、 图像处理电子卡、网络接口组成，通过压缩优化算法和背景差分算法可以使 摄像机实现实时的图像压缩、传输，并能跟踪目标。在嵌入式操作系统方面， 例如有对于u c l i n u x 在建立嵌入式视频监控系统中的应用的研究；关于嵌入式 l i n u x 在远程数据采集及w e b 服务器中的应用研究；在嵌入式l i n u x 下对视频 采集设备驱动程序的研究等。在对视频流网络传输的研究中，有h e n gb r i a n a 等提出的一种利用多重描述符编码的编程方法，以用来减少在网络传输中造 成的丢失数据包，使端到端的网络视频图像传输更为优化；p 2 p 技术在视频网 络传输中的应用，在提高网络资源利用率、消除服务器瓶颈方面起到了显著 的作用；采用流媒体的格式传送视频图像数据，可以更好的实现视频的传输 及播放等。 1 3 论文的主要研究工作 论文以中科院知识创新项目一“融合广播通信的无线宽带多媒体网络研究 与应用示范 为课题背景，在深入研究了嵌入式l i n u x 操作系统、视频数据的采 集、压缩与流媒体实时传输技术的基础上，将上述三者有机结合起来设计了一 套基于嵌入式l i n u x 操作系统的网络视频监控系统。论文的研究工作主要集中在 以下几个方面： ( 1 ) 系统整体软硬件平台的构建； ( 2 ) u s b 摄像头的选择以及l i n u x 平台上驱动程序的开发； ( 3 ) 基于v i d e 0 4 l i n u x 的视频采集程序的研究与实现； ( 4 ) 基于m p e g - 4 视频压缩算法的研究与实现； ( 5 ) m p e g 4 视频流的r t p 封包策略研究，基于r t p r t c p 网络协议的实时 视频流的传输研究。 4 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章嵌入式l i n u x 视频监控系统设计 本章提出了一种以嵌入式l i n u x 和a r m 微处理等主流技术为基础的通用性 强且成本低的网络视频监控方案，对其软硬件方案进行了设计。在开发平台搭 建过程中考虑了所选择的器件是否适合应用要求，硬件资源是否足够用以编程 调试并保证系统性能优良，同时还要兼顾硬件资源满足系统需求的前提下尽可 能降低成本；对于软件开发环境，主要考虑的是所选操作系统的性能、稳定性 是否满足应用要求，以及是否支持相应的配套开发工具。 2 1 系统设计方案 2 1 1 硬件设计方案 系统的硬件部分包括嵌入式微处理器和外围设备，该系统主要由c p u 芯片， f l a s h 芯片、s d r a m 芯片、摄像头等硬件组成，其中c p u 采用三星公司的 a r m 系列嵌入式处理器$ 3 c 2 4 4 0 a ，它是整个硬件系统的核心。为了减少系统 设计的成本，方案中m p e g 4 视频压缩模块采用软件算法实现，实现将u s b 摄 像头采集视频数据进行压缩的功能。s d r a m 和f l a s h 芯片是系统存储模块， 其中f l a s h 里面存储系统的引导代码、内核和文件系统( 其中包括应用程序) ， s d r a m 提供系统操作系统和应用程序运行的空间，并存储系统在工作时产生的 临时数据。对系统硬件部分的详细划分如图2 1 所示。 图2 1 系统硬件平台结构图 5 武汉理j 二人学硕十学位论文 在一般的a r m 开发板上都具备上述的硬件部件。奉设计采用的是广州友善 之臂有限公司q q 2 2 4 0a r m 9 开发板。它采用s a m s u n g $ 3 c 2 4 4 0 a 作为微处理器 核心，其硬件资源在下节介绍。开发板外观如图2 - 2 所示i 。 2 12 软件设计方案 图2 - 2q q 2 4 4 0 开发板外观 通过对嵌入式操作系统l i n u x 体系结构的分析，结合a r m 处理器及其外围 设备的的特性，奉系统中将软件的体系结构分为两层：内核宅问和用户空间。 内核窄间：l i n u x 内核以及视频采集、编码的内核代码以及相关协议栈的移 植。操作系统内核的主要功能是管理任务、任务排序、提供中断、系统时钟管 理以及实现硬件抽象层和视频编码内核问的通信；为了使系统具有网络传输功 能必须用到嵌入式操作系统中网络协议如t c p i p 协议，同时为了在低带宽的 条件下实时传输视频数据，还须依靠r t p r t c p 协议对视频流数据打包封装、 发送和控制。应片j 程序的接口由a p i 来实现，a p i 的实现包括三个部分：一部分 a p i 作为库来实现与应用程序间的连接，一部分实现与编码内核的连接用以控制 编码模块，一部分在r t p r t c p 协议中实现。 用户空间：即麻用层软件，当u s b 摄像头驱动加载之后，视频采集模块采 集摄像头的视频数据，通过视频压缩模块对视频流进行压缩处理，然后通过流 媒体技术通过网络传送到远程客户端。 图2 3 所示为系统的整体软件设计方案。 武汉理t 大学硕士学位论文 用 内 一_数据路径_调用路径 图2 3 系统软件体系结构 由于视频流在网络中传输时有着较大的数据吞吐量，因此发送时常常会出 现阻塞现象。为了在实际的视频传输应用中避免出现这种情形，提高传输的效 率，在设计服务器端应用层软件的时候，采用了多线程技术来进行网络编程。 具体多线程方案如下所示： ( 1 ) 服务器端主线程 服务器开启之后，启动主线程，主线程开始完成初始化( 如系统信息存 储缓冲区，s o c k e t 建立与初始化等) ，等待用户命令，选择m p e g - 4 视频源， 启动视频采集线程和编码线程。同时启动r t p 瓜t c p 实时传输线程，不断检 测缓冲区，若缓冲区非空，则读出其中数据打包进行发送。主线程的关闭由 服务器端用户来控制，关闭之前应发送对应数据包通知客户端，并利用事件 机制，关闭所有子线程，清空所占用系统资源。 ( 2 ) 视频采集线程 完成从视频设备采集视频数据的功能。 7 武汉理工大学硕十学位论文 ( 3 ) m p e g - 4 编码线程 完成对所采集视频数据进行基于m p e g - 4 的压缩编码的功能。 ( 4 ) r t p r t c p 实时传输线程 完成视频流的实时传输。 下图2 - 4 所示为服务器端的主线程工作流程。 是 图2 4 服务器端的主线程工作流程 2 2 系统硬件系统概述 2 2 1a r m 微处理器 嵌入式系统的核心是处理器，传统嵌入式处理器根据应用可分为两大类： 一是以单片机为主的微处理器，这一类芯片的产品有8 1 6 位的单片机，如i n t e l 的8 0 c 5 1 等，单片机具有体积小，指令系统简单，抗干扰能力强，成本低廉， 8 武汉理工大学硕士学位论文 控制能力强等特点。二是注重数字化后的各种快速算法的数字信号处理器d s p ， d s p 作为高速的数字信号处理器主要的应用在声音、图像等需要大量的数据计 算的领域，有着功耗小、运算速度快、吞吐量大的特点。 嵌入式系统由于融合了计算机技术、数字通信技术、半导体技术等多种技 术，符合当前电子类设备对体积、成本、性能的需求，而得到了高速的发展。 嵌入式系统不同于原来的单片机系统，它不仅有自己的操作系统，上层应用程 序，而且还具备网络通信和信息管理的功能。a r m 体系的处理器是目前嵌入式 系统中使用最广泛的处理器，它采用了r i s c 技术，具有寻址方式简单，寄存器 多，指令长度固定等特点，使得它的处理速度快，执行效率高。由于l i n u x 对于 a r m 技术的支持，具有内核可裁减，网络功能强大，代码开放的特点，把l i n u x 应用到嵌入式系统中，能充分发挥a r m 和l i n u x 的优势。 a r m 体系结构的总体设计思想是在不牺牲性能的同时，尽量简化处理器， 同时从体系结构的层面上灵活支持处理器扩展。这种简化和开放的思路使得 a r m 处理器采用了很简单的结构来实现。所有a r m 处理器都共享这一体系结 构。a r m 体系结构具有以下特点 7 - 1 9 ： 夺r i s c 型处理器结构 a r m 采用r i s c 结构，在简化处理器结构，减少复杂功能指令的同时，提 高了处理器的速度。 t h u m b 指令集 考虑到r i s c 型处理器的指令功能相对较弱，新型的a r m 体系结构中定义 了1 6 位的t h u m b 指令集。t h u m b 指令集比通常的8 1 6 位c i s c r i s c 处理器有 更好的代码密度，而芯片面积只增加6 ，却可以使程序存储器更小。 夺多处理器状态模式 a r m 体系结构定义了7 种处理器模式：用户( u s r ) 、快中断( r i 0 3 、中断( i r 0 3 、 管理( s v c ) 、终止( a b t ) 、系统( u n d ) 和未定义( s y s ) ，大大提高了a r m 处理器的效率。 两种处理器工作状态 a r m 处理器有两种工作状态：a r m 状态( 执行3 2 位a r m 指令) 和t h u m b 状态( 执行1 6 位t h u m b 指令) 。 嵌入式在线仿真调试 a r m 体系结构的处理器芯片都嵌入了在线仿真i c e r t 逻辑，便于通过 j t a g 来仿真调试芯片，省去了价格昂贵的在线仿真器。 9 武汉理工大学硕士学位论文 令灵活方便的接口 a r m 体系结构具有协处理器接口，允许接6 个协处理器。这样，既可以使 基本的a r m 处理器内核尽可能小，也可以方便地扩充各种功能。 低电压功耗的设计 考虑到a r m 体系结构的处理器主要用于手持式嵌入式系统中，a r m 体系 结构在设计中就十分注意功耗的设计。 a r m 的应用领域有开发式应用平台，包括无线设备、消费产品以及成像设 备等；实时嵌入式应用，包括存储设备、汽车、工业和网络设备；安全系统， 包括信用卡和s i m 卡等。这些应用领域都是控制复杂、信息量大、算法相对复 杂、存储数据量大、功耗低。 2 2 2 $ 3 c 2 4 4 0 a 微处理器 $ 3 c 2 4 4 0 a 是三星公司推出的1 6 3 2 位对s c 微处理器，为手持设备和一般 类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。为了降低 整体系统成本，$ 3 c 2 4 4 0 a 提供了一些丰富的内部设备。$ 3 c 2 4 4 0 a 采用了 a r m 9 2 0 t 的内核，0 1 3 u m 的c m o s 标准宏单元和存储器单元。其低功耗，简 单，优雅，且全静态设计特别适合于对成本和功率敏感型的应用。它采用了新 的总线架构a d v a n c e dm i c r oc o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ( a m b a ) 。 $ 3 c 2 4 4 0 a 内部结构较复杂，提供可扩展的功能模块较多，主要由a r m 9 2 0 t 内核( 1 6 3 2 一b i tr i s cc p u ) ，独立的1 6 k b 指令和1 6 k b 数据缓存，m m u 虚拟内 存管理单元，l c d 控制器，n a n df l a s hb o o t l o a d e r ，系统管理单元( s d r a m 控制器等) ，3 个d a r t ，4 通道d m a ，4 通道具备p w m 功能的定时器，i o 口， r t c ( 实时时钟) ，8 通道i ob i t 精度a d c 和触摸屏控制器，1 2 c 总线接口，1 2 s 数字音频总线接口，u s b 主机，u s b 设备，s d m m c 卡控制器，2 通道s p i 和 p l l 数字锁相环组成。 $ 3 c 2 4 4 0 a 提供了一套比较完整的通用系统的外围设备，并且使得整个系统 功耗最小，片上集成的功能主要包括如下几个方面【6 1 ： ( 1 ) 1 2 “1 3 v a r m 内核，1 8 v 2 5 v 3 0 v 3 3 v 存储器，3 3 v 外部i o ，具有1 6 k b 指令缓存1 6 k b 数据缓存和m m u ； ( 2 ) 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) ； 1 0 武汉理t 大学硕士学位论文 ( 3 ) l c d 控制器，l 通道l c d 专用d m a ； ( 4 ) 具有外部请求引脚的4 通道d m a ； ( 5 ) 2 通道s p i ，3 通道u a r t ( i d r a l 0 ，6 4 字节t xf i f o 和“字节r xf i f o ) ； ( 6 ) 1 通道1 2 c 总线控制器，1 通道1 2 s 总线控制器； ( 7 ) 兼容s d 主机协议1 0 版和m m c 卡协议2 1 1 兼容版； ( 8 ) 2 个u s b 主机，1 个u s b 设备( u s b l 1 ) i ( 9 ) 4 通道p w m 计时器，1 通道内部计时器； ( 1 0 ) 看门狗电路； ( 1 1 ) 1 3 0 个通用i o 口，2 4 通道外部中断源； ( 1 2 ) 电源控制：普通、缓慢、空闲和断电模式； ( 1 3 ) 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口； ( 1 4 ) 具有日历功能的实时时钟r t c ； ( 1 5 ) 具有p l l 片上时钟发生器； ( 1 6 ) 相机接口。 2 3 软件开发环境的建立 基于嵌入式l i n u x 开发环境一般由目标系统硬件开发板和装有l i n u x 桌面版 的主机平台p c 组成。l i n u x 主机上操作系统采用r e d h a t 9 版本。目标系统硬件 开发板用来运行嵌入式l i n u x 操作系统、用户系统应用程序等，而主机平台用来 进行嵌入式操作系统内核编译，文件系统的制作和系统应用程序开发和调试等。 双方通过串口、并口或者以太网口等建立连接。 2 3 1 嵌入式l i n u x 操作系统 l i n u x 类似于u n i x ，是免费的，源代码开放的，符合p o s i x 标准规范的操 作系统。近几年l i n u x 在嵌入式领域获得了飞速发展，已开发的嵌入式系统中， 4 9 的项目选择l i n u x 作为嵌入式操作系统。l i n u x 之所以有能在嵌入式系统市 场上取得如此迅速的发展，与自身的优良特性有着不可分割的关系。 ( 1 ) l i n u x 作为嵌入式操作系统的优势【1 0 l 1 1 1 】 l i n u x 正在嵌入式开发领域稳步发展，是由于其自身具有非常适合于作为嵌 武汉理工大学硕士学位论文 入式操作系优点，主要表现在： 使用成本低 几乎所有的商业用操作系统如m i c r o s o f t 公司的w i n d o w s 系列，都需要为 每一个拷贝支付数量的费用。但是l i m i x 是免费软件，只要遵守g p l 的规定， 就可以免费获得拷贝。l i n u x 同样遵循g p l 规定的c 、c + + 、j a v a 等等一系列 的软件工具开发包，从功能角度上看并于商用开发包，同时可以极大的降低开 发成本。这点优势是其他商用操作系统无法比拟的。 源代码公开 l i n u x 可以随意地配置不需要任何的许可证或商家的合作关系，任何人可 以修改并在l 下发行。l i n u x 带有u n i x 用户熟悉的完善的开发工具，几乎所 有的u n i x 系统的应用软件都己移植到了l i n u x 上。其强大的语言编译器g c c 、 g 斗斗等也是开源的，可以很容易得到，并在不断完善与成熟。 支持多种硬件平台 l i n u x 拥有了一个庞大的支持者群体，其中许多人都编写驱动程序和其它的 更新程序并且免费的通过i n t e m e t 网络进行分发。现在l i n u x 已经被移植到多种 硬件平台，支持包括x 8 6 、a l p h a 、s p a r e 、m i p s 、p o w e r p c 、a r m 、s 3 9 0 、s u p e r h 等现有的绝大部分微处理器体系结构中。这对受开销和时间限制的研究与开发 项目是很有吸引力的，原型可以在标准平台上开发然后移植到具体的硬件上， 加快了软件与硬件的开发过程。 强大的网络功能 l i n u x 操作系统最突出的是网络部分，基本上所有的网络协议和网络接口都 可以在l i n u x 上找到，l i n u x 内核比标准的u n i x 能够更加高效地处理网络协议， 系统的网络吞吐性能非常好，这也是为什么l i n u x 在网络服务器市场上占据越来 越大市场份额的一个原因。 微内核模块化体系结构 l i n u x 操作系统本身的微内核体系结构相当简单，网络和文件系统以模块形 式置于微内核的上层，驱动程序和其它部件可在运行时作为可加载模块编译到 或者是添加到内核，这为构造定制的可嵌入系统提供了高度模块化的构件方法， 使添加部件非常容易。 系统小巧 一个功能完备的l i n u x 内核要求大约1 m b 内存。而l i n u x 微内核只占用其 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 中很小一部分内存，包括虚拟内存和所有核心的操作系统功能在内，只需占用 系统的1 0 0 k 内存。只要有5 0 0 k 的内存，一个有网络栈和基本实用程序的完全 的l i n u x 系统就可以在一台8 位总线( s x ) 的i n t e l 3 8 6 微处理器上运行的很好了。 由于内存要求常常是根据需要的应用所决定的，l i n u x 系统甚至可以仅使用 2 5 6 k br o m 和5 1 2 k br a m 进行工作，完全适合于资源有限的嵌入式硬件平台。 ( 2 ) l i n u x 多线程技术【1 2 】 线程技术早在6 0 年代就被提出，但真正应用多线程到操作系统中去，是8 0 年代中期。现在，多线程技术已经被许多操作系统所支持，包括l i n u x 和w i n d o w s 操作系统。线程就是操作系统分配处理器时间的最基本单元。在一个多线程的 应用程序中，每一个线程都有它自己的堆栈，并且可以独立地对在同一程序中 运行的其它线程进行操作。 采用多线程结构的优点是：第一，可以同时处理多个不同的事务，且各个 事务的处理模块相互独立；第二，良好的可扩展性，可以方便的在有新的需求 时添加对应的处理模块。 在l i n u x 系统中提供了几种同步对象，即临界区( c r i t i c a ls e c t i o n ) ，互斥量 ( m u t e x ) ，信号量( s e m ) 和事件( e v e n t ) 等。这些同步对象能够让不同的线程之间实 现同步和协调它们的行为。 正是考虑到嵌入式l i n u x 具有以上众多优点，本论文选取l i n u x 操作系统作 为系统的软件核心。为了使l i n u x 操作系统能在所用的开发板上运行，必须进行 操作系统的移植。在移植l i n u x 操作系统之前先建立系统编译环境。 2 3 2 建立交叉编译环境 交叉编译是嵌入式开发过程中的一项重要技术，主要特征是某机器中执行 的程序代码不是在本机编译生成，而是由另一台机器编译生成。采用交叉编译 的主要原因在于，多数嵌入式目标系统不能提供足够的资源供编译过程使用， 因而只好将编译工程转移到p c 中进行。当前交叉编译器有多种版本，本设计中 使用2 9 5 3 版的a r l n 1 i n u x g c c 。 在网上下载该版本的交叉编译器包：a r m 1 i n u x g c c 2 9 5 3 t g z ，在宿主机的 m r l o c a l 目录下建一个a n n 的目录，将a l t n l i n u x g c c 2 9 5 3 t g z 拷贝到某个目录 下，然后进入该目录，执行解包命令t a r - z x v fa r m 1 i n u x g e e - 2 9 5 3 t g z 即可，之 武汉理t 大学硕士学位论文 后可编辑c t c b a s h r e ：文件，在最后增加路径e x p o r tp a t h = u s r l o c a l a r m 2 。9 5 3 b i n ： $ p a t h ，以后编译内核或其他应用程序均可用a r m l i n u x 的前缀来指定交叉编译 器。 2 3 3b o o t l o a d e r 的移植 图2 5 是一个典型的嵌入式应用系统固态存储设备的空间分配示意图。 b o o t l o a d e r 是系统一加电所执行的第一个程序，在操作系统内核或用户应用程序 运行之前运行。通过这段小程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射 图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，为最终调用操作系统内核 或用户应用程序准备好正确的环境【1 3 1 。 启动参数 l 一 i | 卜| f l j 核根文件系统 b o o t l o a d e r 图2 5b o o t l o a d e r 以及系统各个部件所处的层次 b o o t l o a d e r 是依赖于硬件而实现的，特别是在嵌入式系统中建立一个通用的 b o o t i o a d e r 几乎是不可能的，不同的体系结构需求的b o o t l o a d e r 是不同的。除了 体系结构，b o o t l o a d e r 还依赖于具体的嵌入式板级设备的配置。也就是说，对于 两块不同的嵌入式板而言，即使它们基于相同的c p u 构建，运行在其中一块电 路板上的b o o t l o a d e r ，未必能够运行在另一块电路开发板上，因此我们必须对其 进行移植，这也是我们开发的第一步。通常都是对己有的b o o t l o a d e r 进行移植工 作，如和u b o o t 等。 本系统中，采用作为a r m 9 处理器的b o o t l o a d e r 。是韩国的m i z i 公司开发的b o o t l o a d e r ，适用于a r m 9 处理器。有两种工作模式：启动加 载模式和下载模式。启动加载模式可以在一段时间后( 这个时间可更改) 自行 启动l i n u x 内核，这时的默认模式。在下载模式下，为用户提供一个 命令行接口，通过接口可以使用提供的一些命令。 在代码的头文件公共目录i n c l u d e 中，s 3 c 2 4 4 0 h 文件定义了该处理器 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 的一些寄存器，p l a t f o r m s m d k 2 4 4 0 h 定义了与开发板相关的资源配置参数，我们 只需要修改这些文件就可以配置目标板的参数，如波特率、引导参数、物理内 存映射等。v i 的嵌入式移植过程主要有以下六个步骤： ( 1 ) 从m i z i 公司网站获得v i 源文件，进入v i v i 根目录执行v i 命令修改 m a k e f i l e 文件。 ( 2 ) 修改三个宏定义。 l i n i u xi n c l u d ed i r ：更改为交叉编译器的i n d u d e 文件夹 c r o s sc o m p i l e ：更改为交叉编译器的可执行文件的路径 a r mg c cl i b s ：更改为交叉编译器的l i b 库文件的路径 ( 3 ) 修改a r c h s 3 c 2 4 4 0 s m d k c ，主要是修改n a n df l a s h 的分区信息。 ( 4 ) 修改内核启动时使用的命令行初始参数。 ( 5 ) # m a k em e n u c o n f i g 命令配置v i v i