（通信与信息系统专业论文）基于web技术的嵌入式网络图像监控系统的研究和设计.pdf

摘要 视频图像监控系统是各行各业安全防范系统的组成部分，目前主要以基于台 式p c 机的视频图像监控技术最为成熟，应用较广泛。这种监控系统主要缺点在 于：成本较高，扩展能力差，如在楼宇监控中，增加了几个监控点，新设备要添 加到原系统中就比较复杂，改动较多，且无法实现无人监管，自动报警等功能。 本课题根据目前监控行业的发展现状及趋势，结合本实验室以往的研究成 果，提出一种新型的网络视频图像监控系统设计方案。与现有的监控系统组网方 式不同，新方案将监控服务器的功能集中到前端的a r m 芯片上，在芯片中嵌入 w e b 服务器，通过以太网络接口接入i n t e m e t ，组成基于w e b 的监控系统。该系 统不需要p c 机，就能拥有独立的i p 地址和嵌入式操作系统，能独立运行于网 络的监控端。系统安装方便，可以实现无缝扩展，所有设备都以m 地址进行标 记，增加设备只是意味着口地址的扩展。在系统的客户端，用户使用网络浏览 器就能浏览嵌入式w e b 服务器上的视频图像，并能根据情况对监控现场实施控 制，不但成本低而且提高了系统的稳定性。论文首先分析了监控系统的发展现 状及各种监控手段的不足，介绍了课题研究的背景。然后介绍了嵌入式系统的基 础理论和基于w e b 技术的嵌入式网络图像监控系统的整体构建，介绍系统各个 功能模块及涉及到的软硬件平台。本文着重介绍了嵌入式系统的开发，操作系统 的移植及上层应用程序的编写。系统采用a r m 微处理器，嵌入l i n u x 操作系统， 构建基于t c p i p 协议的嵌入式w e b 服务器，通过以太网实现监控数据的远程传 输。 最后完成了整个系统设计后，系统在学校实验楼安装，经过实验测试，系统 运行良好，具有良好的实用和推广价值，可以应用于楼宇自动化、变电站、仓库、 家庭、银行的a t m 机等监控领域。 关键词：嵌入式l i n u x 、a r m 、w e b 、图像处理、g s m 模块 a b s t r a c t i m a g em o n i t o r i n gs y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to fs e c u r i t yi n d u s t r y n o w , g e n e r a l m o n i t o r i n gs y s t e m sa l em a i n l yb a s e do np e r s o n a lc o m p u t e r s t h e s es y s t e m sh a v e m a n yd i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sp o o re x t e n d i n gc a p a b i l i t y , s m a l lm o n i t o r i n ga r e a , l a c ko f a u t o a l a r n la n ds oo n t h i sp a p e rp r o p o s e s 锄i n t e l l i g e n tn e t w o r ki m a g em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e d0 1 3 e m b e d d e dw e bs e r v e r i nt h en e ws y s t e m ，t h em o n i t o r i n gs e r v e ri se m b e d d e di nt h e w e bs c t v e ra n dc o n n e c t e dt 0i n t e r n e tb ye t h e r n e ti n t e r f a c e ，s o ，t h i ss y s t e mh a si t s o w ni pa d d r e s sa n de m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m e a c he q u i p m e n ti sm a r k e db yi p a d d r e s si nt h es y s t e mw h i c hc a l la c h i e v en o n - g a pe x t e n s i o n t h eu s e r sc a l le a s i l y o p e r a t et h em o n i t o r i n gs y s t e mb yb r o w s e r f i r s t l y ，i n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to f m o n i t o r i n gs y s t e m t h e n , i n t r o d u c et h et h e o r yo fe m b e d d e ds y s t e ma n dt h e c o n f i g u r a t i o no ft h en e t w o r ki m a g em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ne m b e d d e dw b b s c n ，i nt h ee n d s t u d yt h es o 盱w a l ea n dh a r d w a r eo fe a c hp a r to ft h es y s t e m a r m p r o c e s s o ra n dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma l eu s e d i nt h es y s t e mt oc o n s t a n tt h e e m b e d d e dw 曲始f v e rb a s e d0 1 1t c p e p l o n g - d i s t a n c et r a n s m i s s i o no fm o n i t o r i n g d a t ai sa c h i e v e db ye t h e m e t t h i ss y s t e mh a sb e e ni n s t a l l e di n t h ee x p e r i m e n tb u i l d i n g t e s t i n gr e s u l t s d e m o n s t r a t et h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma t t a i n st h ed e m a n d s t h es y s t e mh a s h i 曲p r a c t i c a lv a l u ea n dc o n t r i b u t e st ot h ed e v e l o p m e n to f s e c u r i t yi n d u s t r y k e y w o r d s ：e m b e d d e dl i n u x ；a r m ；w e b ；i m a g ep r o c e s s i n g ；g s mm o d u l e 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个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。与我一同工 作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：塑堑。，) 年j 月2 1 日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所( 含万方数据库) 、国家图 书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位 论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内 的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布 ( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 查：l 盐坚0 2 n 7 年岁月11 日 壁大学硕士学位论文垄于w e b 技术的嵌入式阿络图像监控系统的研究和设计 1 1 课题背景 第一章绪论 视频监控系统是- - f 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丽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、数字视频技 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：本地模拟视频监控、基于p c 的视频监控和现在的基于网络 的数字视频监控。 本地视频监控系统1 1 2 j 一般采用模拟方式传输，采用同轴电缆( 少数采用光 纤) ，传输距离不能太远，主要应用于小范围内的监控。监控视频图像一般只能 在控制中心查看。而且模拟视频监控系统有很大的缺陷：模拟信号的传输工具主 要是同轴电缆，而同轴电缆传输模拟信号的距离不大予l k m ，双绞线的距离更短， 这就决定了模拟监控只适合于单个大楼、小的居民区及其它小范围的场所；对于 已经建好的系统，如果增加新的监控点，往往是牵一发而动全身，新的设备也难 添加到原有的系统之中：在模拟监控系统中，由于各部分独立运作，相互之间的 控制协议很难互通，联动只能在有限的范围进行。 基于p c 的视频监控系统p 卅是先将摄像头采集的模拟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终 端的p c 机，监控终端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。但是基于p c 的视频监控系统还存在很多问题：由于需要利用专用压缩 解压卡对视频信号进行压缩和解压缩处理，所以使监控系统体积较大，功耗较高： 监控现场需要专人值守：维护烦琐实时性不高和稳定性较差成本较高可扩展性 差：采用专用的压缩卡和解压缩卡对视频数据进行压缩和解压缩，只能支持一种 编码格式。 针对传统的模拟视频监控系统和基于p c 机的监控系统的不足，一种新的监 控手段即基于嵌入式w e b 技术的监控系统的开发和设计正越来越多的受到人们 的重视，国外公司开始将嵌入式w e b 技术应用到监控系统的前端设备，如摄像 机、高速球等。在前端视频采集的摄像机内部进行视频图像的压缩，并建立嵌入 式w e b 服务器，形成网络摄像机等产品。用户使用普通浏览器，通过以太网远 程访问内置w e b 服务器的监控摄像机，不但可以实现对现场的远程视频监控， 而且还可以控制摄像机、云台、镜头的动作或对系统配置进行操作。由于把视频 压缩和网络功能集中到一个体积很小的设备内，可以直接通过以太网接口接入网 第一章绪论 络，因此只要存在网络的地方都能够接入设备，用浏览器即可实施监控，节省了 多种复杂的电缆，安装维护方便。在国内，这方面的研究刚刚起步，一些企业也 逐步开始加强对嵌入式系统的研究，开发基于嵌入式w e b 服务器的网络视频监 控产品。 本课题根据目前监控行业的发展现状及趋势，提出一种新的监控系统设计方 案，与现有的监控系统组网方式不同：基于w e b 技术的嵌入式网络图像监控系 统的原理图如图1 1 所示。其基本原理：嵌入式监控服务器采用嵌入式多任务实 时操作系统，内置嵌入式w e b 服务器，摄像头每隔l 一3 秒拍摄一张图片( 用户 自行可以预先设置拍摄频率) ，与前面设定的标准图片进行对比分析，发现异常， 存储图片，并通过短信向用户报警，还可以把异常图片发到网络硬盘或邮箱中进 行二次备份。用户可以随时通过浏览器观看服务器上的摄像头照片，也可调用数 据库中的图片查看先前的情况。 本系统和国内外一些企业的基于嵌入式w e b 服务器的网络视频监控产品相 比，有其自身的特点： ( 1 ) 没有采用专用嵌入式实时操作系统，而是使用了开源并且免费的嵌入式 l i n u x 系统，不用支付版权费，节省了开发成本。 ( 2 ) 采用图像处理算法，自动判别，实现无人监控。 ( 3 ) 扩展了g s m 模块t c 3 5 i 作为短消息发送模块，在无人职守时，系统识 别出异常状况后，就会通过此模块向有关人员发送报警短信。 前端 殳鲁 1 2 嵌入式系统概述 ：i l 9 i p ( 远程传输)： 一二一一 图1 1 监控系统原理图 厂 一回 i ： 由 l 一一j 菹控端 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适用 于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。换 句话说，嵌入式系统就是一个计算机硬件与软件的集合体，有时还包括其它一些 组成部分，它是为了完成某种特定的功能而设计的。i e e e 对嵌入式系统的定义： 2 翅海大学硕士学位论文基于曲技术的嵌入式两络图像监控系统的研究和睦计 e m b e d d e ds y s t e mi sak i u do fd e v i c eu s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o ro ra s s i s tt h eo p e r a t i o n o f e q u i p m e n t , m a c h i n e r yo rp l a n t 。 嵌入式操作系统具有以下几个特点：小的系统内核、较强的实时性、多任务 功能、能够提供各种设备驱动程序、网络协议等的支持。作为硬件资源的管理者， 嵌入式操作系统最小构成应包含如下几部分。 1 任务调度 在嵌入式系统中，任务即线程。大多数的嵌入式操作系统支持多任务，多任 务调度策略的优劣至关重要。多任务运行的实现实际是靠c p u 在多个任务之间 切换、调度。每个任务都有其优先级，不同的任务优先级可能相同也可能不同。 任务调度方法一般可分为优先级调度、轮转调度、时间片调度三种。优先级调度 又可以分为：优先级抢占和优先级不抢占。优先级抢占是指当有更高的优先级进 程被激活后，则立即终止当前运行的进程，使其抢占c p u 运行。优先级不抢占 是指当有更高的优先级进程被激活后，并不立即终止当前运行的进程使其抢占 c p u ，而是将其放到进程就绪队列中，在当前运行的进程结束后，再从进程就绪 队列中选择优先级最高的进程运行。轮转调度是进程管理者按照一个固定的时间 间隔让就绪进程轮流运行。时间片调度则是根据每个进程各自的实际情况，分给 每个进程一个时间片，进程开始运行后，运行的时间长短由这个时间片决定。目 前，大多数嵌入式操作系统对不同优先级的任务采用基于优先级的抢占式调度 法，对相同优先级的任务则采用时间片轮转调度法。 2 存储管理 针对有内存管理单元( m m u ) 的处理器设计的一些桌面操作系统，如 w i n d o w s 、l i n u x ，使用了虚拟存储器的概念。虚拟内存地址被送到m m u 。在这 里，虚拟地址被映射为物理地址，实际存储器被分割为相同大小的页面，采用分 页的方式载入进程。一个程序在运行之前，没有必要全部装入内存，而是仅将那 些当前要运行的部分页面装入内存运行。嵌入式操作系统的存储管理通常比较简 单。因为在具体的嵌入式应用中，进程或线程的数量和各自可能使用的内存容量 是可以在开发时预测的，因此嵌入式操作系统通常采用静态内存分配。 存储管理的另一个重要特性就是内存保护。在一般的操作系统中，每个应用 程序都有自己的地址空间。不允许任意访问其它应用程序的地址空间，这样，当 一个应用程序崩溃时，不会对其它程序产生影响 3 中断响应 在嵌入式操作系统中，对中断处理十分重视，一般在中断处理程序中仅执行 一些必要的状态转换，对于事件的真正处理则利用中断任务来完成。这样使得中 断处理程序的运行时间尽可能短，以便系统可以处理其它中断事件。 在中断处理上，一般的操作系统与嵌入式操作系统的不同之处是现场保护。 第一章绪论 一般的操作系统的中断现场保护是由操作系统来完成的，在中断处理完成之后， 也由操作系统自动恢复现场。而在嵌入式操作系统中，由于受到代码量的限制， 中断现场的保护往往由中断处理程序来完成。进入中断处理程序后。应马上保护 在中断处理程序中要用到的寄存器。在中断处理完成后再恢复。这样一方面减少 了操作系统的代码量，另一方面提高了中断响应时间，但是却损失了系统的安全 性，同时也增加了调试的难度。这是在嵌入式操作系统的设计中应该予以关注的 问题。 4 。硬实时和软实时 有些嵌入式系统对时间的要求较高，称之为实时系统。有两种类型的实时系 统：硬实时系统和软实时系统。软实时系统并不要求限定某一任务必须在一定的 时间内完成，只要求各任务运行得越快越好；硬实时系统对系统响应时间有严格 要求，一旦系统响应时间不能满足，就可能会引起系统崩溃或致命的错误，一般 在工业控制中应用较多。 5 操作系统与用户的接口 操作系统提供给用户使用的有两类接口。一类是人机界面，无论是视窗形式 还是命令行形式，这个接口确切地说并不能做为操作系统的一部分，而仅仅是操 作系统的一个外壳，这个界面完全是为了方便用户使用操作系统而设的，而这个 接口在嵌入式操作系统中一般是不存在的。 另一个接口就是操作系统提供给用户开发应用程序的接口( a p i ) ，也就是系 统调用。无论是一般的操作系统还是嵌入式操作系统都应具有这个接口。对于一 个操作系统来说，它提供的系统调用越多，则功能越强，对于应用程序的开发， 也就越能提供高效而简单的支持。但是嵌入式操作系统由于受到硬件资源、成本 等方面的约束，只能根据实际需要来确定系统调甩，以便达到最有效性。 1 3 嵌入式w e b 服务器 嵌入式w e b 服务器( e m b e d d e dw e bs e t v e e r , e w s ) 是指将w e b 服务器引入 到现场测试和控制设备中，在相应的硬件平台和软件系统的支持下，使传统的测 试和控制设备转变为具备了以t c p i p 为底层通信协议，w e b 技术为核心的基于 互联网的网络测试和控制设备。由于有了标准的接口形式和通信协议，内嵌于设 备的w e b 服务器可以向任何接入它所在网络的合法用户提供统一的基于浏览器 方式的操作和控制界面。浏览器成了设备的前端控制扳。由于w e b 技术的开放 性和独立平台特性，大大降低了软件系统和通信系统的设计、维护工作量，节省 了人员培训费用等，提高了现场测试和控制设备的管理水平。 和运行在标准微机服务器上的w e b 服务器不同，嵌入式w e b 服务器有如下 4 柳海大学硕士学位论文基于g a b 技术的嵌入式网络图像监控系统的研究塑望 计 特点： 1 体积小，代码少，执行内存少，功能简单，专用性强。 2 对自身硬件依赖性强，和其他硬件设备接口简单，数据流量小。 3 设备造价低，应用领域广。 随着w e b 技术的发展和应用，越来越多的网络通信设备内置的嵌入式w e b 服务器。一些商业性的嵌入式w 曲服务器软件也已经应用于嵌入式系统开发， 比如：w i n d e rr i v e r 公司已经提供商业性的嵌入式w e b 服务器软件w i n dw e b s e r v e r 用于v x w o r k 的嵌入式应用中。a l l e g r o 公司的r o m p a g e r 是一个免特许权 费用，价格适合的嵌入式w e b 服务器包，使客户可以使用通用的w e b 浏览器来 管理和控制网络设备。 嵌入式w e bs e r v e r 是随着w e b 应用环境的改变而产生的，它是在嵌入式设 备上利用简化的嵌入式t c p i p 协议实现w e bs e r v e r 的功能。在嵌入式设备中一 个w 曲s e r v e r 不可能做到很全面，它必须能实现w e bs e r v e r 的一般功能，而且 需要做到代码小、执行内存小等特点。 监控器 图1 2 嵌入式w e b 服务器工作示意图 如图1 2 所示，嵌入式w e b 服务器已经应用到许多的领域，随着t c p 1 p 通 信协议的w e b 技术得到了广泛的应用和普及，该技术将广泛应用于智能家居系 统、仪器仪表、数据采集和显示、过程控制、工业自动化、家庭自动化的实时应 用等各个方面。 1 4 本论文的研究内容和章节安排 本文分析了嵌入式系统，嵌入式w e b 服务器，监控系统的发展状况，结合 本研究室以往的工作基础之上，提出了采用三星公司的a r m 9 芯片、s i e m e n s 公 司的g s m 模块t c 3 5 系列的t c 3 5 i 、网眼v 3 0 0 0 摄像头等设备为主的硬件系统 架构，将嵌入式w e b 服务器植入a r m 9 芯片中，该芯片作为中央控制器，把摄 像头采集的图像信息进行处理，当发现拍摄图像发生变化时，发送警报信号给 t c 3 5 i 芯片，t c 3 5 i 根据报警程序的设置通过短信方式向用户报警，系统采用b s 第一章绪论 软件体系架构，即不同的用户可以在不同的地点通过i e 浏览器查看监控端的情 况，实现远程监控。 如何将远程视频图像监控和智能化监控管理有机的结合起来，做到既可以进 行远程视频图像传输，又能进行智能化的管理，减少工作人员负担，实现联网报 警，而且造价合理，能够更加有效的预防和打击犯罪，将安全防范水平提高到一 个新的高度，已成为当前安防领域发展的一个方向。 本课题基于上述目的进行研究，从实际应用角度看，在楼宇自动化、仓库、 家庭、银行的a t m 机等监控领域都有广泛的前景。 作者的主要工作有： 1 完成了系统框架设计，包括系统功能划分，软硬件模块的划分。系统功 能可划分为操作系统模块、w e b 服务器模块、图像处理模块和报警模块。 2 完成了系统基本模块的硬件设计。包括硬件原理图的绘制，硬件p c b 板 图的绘制。完成了系统硬件的焊接制作，并最终完成了硬件系统的调试和测试。 3 学习研究嵌入式l i n u x 操作系统及a r m 体系结构，完成交叉编译环境的 建立、b o o t l o a d e r 的移植及根文件系统设计，最终实现l i n u x 2 ，6 版本在a r m 上 的移植。 4 分析了本研究室以往在图像处理方面的研究成果和实际开发经验。分析 研究p c 机在图像处理上采用的方法，学习v c 编写的各种图像处理算法。结合 嵌入式技术及a r m 的特点，编写适用于嵌入式系统的图像处理算法。 5 研究l i n u x 的设备驱动程序，完成对系统的外围设备s b 摄像头、网卡 等) 的驱动开发。 6 根据实际应用的需要，编写上层应用软件，实现整个监控系统的功能。 通过实验，完成对系统软硬件的测试及修改，最终完成基于w e b 技术的嵌入式 网络图像监控系统的设计和实现。 本文章节安排如下： 第一章绪论。介绍了监控系统的发展过程及各种监控手段的优缺点，以及 嵌入式技术及嵌入式w e b 服务器，阐述了课题的背景及意义。此外，还介绍了 本文的主要研究内容和作者所做的工作，最后给出本文的主要章节和内容安排。 第二章嵌入式系统基础理论及本嵌入式监控系统总体设计。介绍了嵌入式 系统设计的具体方法和原则，结合嵌入式l i n u x 和a r m 体系结构的介绍，提出 了本课题嵌入式监控系统整体架构的设计，包括系统的各个功能模块，硬件平台 和软件平台。 第三章系统的硬件设计。详细介绍了各个功能电路的实现，包括s 3 c 2 4 1 0 芯片的简介，电源电路、复位电路、时钟电路及网卡、f l a s h 等接口电路的实现。 6 塑塑大学硕士学位论文基于w e b 技术的嵌入式网络图像监控系统的研究和设计 第四章嵌入式l i n u x 系统的构建。介绍了构建嵌入式l i n u x 中的几个关键 技术。包括交叉编译环境的建立，b o o t l o a d e r 的移植，内核移植，硬件驱动开发 及根文件系统的设计。 第五章上层应用程序开发。介绍了实现系统功能的各个应用程序的开发。 包括嵌入式w e b 服务器，短信报警功能槐块，动态网页的实现及图像处理。 第六章总结和展望。总结本课题研究所得的成果和不足之处，提出了课题 迸一步深入研究的展望及其应用前景。 1 5 本章小结 本章作为整篇论文的绪论部分，首先介绍了课题背景，分析各种监控系统的 优缺点，提出了基于嵌入式w e b 技术的监控手段，然后介绍了嵌入式系统和嵌 入式w e b 技术。最后，简要概括了本文的主要内容和结构安排。 7 第二章嵌入式系统基础理论及本嵌入式监控系统总统垃计 第二章嵌入式系统基础理论及本嵌入式监控系统总体设计 2 1 嵌入式系统设计的具体方法 由于嵌入式系统是为特定的需要而设计，并且要考虑到空间、成本、存储、 带宽等限制，嵌入式系统的开发方法与一般的计算机软件有所不同。为了提高系 统的开发效率，缩短研发周期，在对系统各组成部分进行详细分析的基础上，需 要深入研究系统各组成部分间的依赖性、相关性，以便合理安排开发进度，尽可 能地提高系统开发的并行性。 1 需求分析 设计一个优秀的嵌入式系统，需求分析是必不可少的一个阶段。在进行设计 开发之前，弄清用户的需要，对产品进行明确的定位，可以节省很多时间和入力。 2 硬件平台的设计 硬件平台是嵌入式系统的基础，其稳定性和可靠性直接影响后期嵌入式产品 的开发。根据用户需求，并考虑将来系统功能的扩展，选择合适的嵌入式c p u 及其它外围设备。 3 建立开发环境 由于大部分嵌入式系统的硬件资源有限，无法在上面直接进行开发，一般都 是利用p c 机进行开发。为此我们需要在p c 机上建立针对目标平台的交叉开发 调试环境，用于编译、链接、运行、调试目标系统上的内核和应用程序。 4 开发引导程序 引导程序与底层硬件资源密切相关，通常是在硬件上执行的第一段代码。它 负责硬件设备的低级初始化，将内核和文件系统搬至内存中，然后将控制权转给 内核。在开发嵌入式l i n u x 时，首先要为系统开发或移植一个引导程序。 5 定制内核 由于l i n u x 内核采用单内核体系，与微内核体系的嵌入式操作系统相比体积 显得过于庞大，因此需要对内核进行定制。通过定制，可以剔除大量与具体应用 无关的模块，以减小内核的体积。 6 编写驱动程序 设备驱动是构成l i n u x 内核的主要部分，驱动程序设计的好坏是影响l i n u x 系统稳定性的关键因素之一。一般来说，编写驱动程序是嵌入式l i n u x 系统开发 中工作量最大的部分，对系统的开发周期影响较大。 7 设计文件系统 8 河海大学硕七学位论文墨于w e b 技术的嵌入式网络图像监控系统盟研究租霹计 对于嵌入式系统来说，标准l i n u x 文件系统显得过于臃肿，它的很多特性在 嵌入式环境下并不需要，如虚拟文件系统等。同时，由于嵌入式系统都存在着资 源约束问题，我们必须采取某些措施对l i n u x 的文件系统进行裁剪，构建适合本 课题的嵌入式文件系统。 8 开发应用软件 嵌入式系统对应用程序的要求不同于桌面系统，需要应用程序具有可定制、 小巧、资源占用小、运行速度快等特点。因此，开发适合嵌入式l i n u x 的应用软 件是嵌入式l i n u x 开发的一个很重要的工作。 2 2 嵌入式系统设计的原则 在设计嵌入式监控系统时，为了保证w e b 服务器的响应速度，中央处理芯 片对图像的快速处理能力，必须综合考虑其可行性、先进性、安全可靠性和经济 实用性等一系列问题。因此，进行系统整体设计时应遵循下面一些原则。 1 基于公共硬件平台原则 公共硬件平台具有很好的开放性，在该平台上利用软件方法可以针对不同的 应用实现不同的开发；而专用硬件通常只针对某些特定的应用，扩展性有限。因 此，在设计嵌入式系统时，应该选择通用性好的公共硬件平台。 2 硬件电路设计上应该留有余地 在进行硬件设计时应尽可能留有余地，既要考虑现在的实际要求，又要便于 将来进行修改和扩充。例如，在f l a s h 、s d r a m 等芯片的选取上，在满足当前 要求的情况下，也要在价格允许的范围内，选取较大容量的型号。 3 以软件代硬件 因为软件升级比硬件升级要方便的多，往往只要在软件中修改或添加某些模 块，就可以大幅提高系统的功能。因此，在系统响应速度允许的条件下，能够用 软件完成的功能就不用硬件。这样不仅节省了成本，而且也可以最大化地发挥硬 件的特性，提高系统的可靠性。 4 引入嵌入式操作系统 操作系统不仅可以提供强大的硬件管理能力，而且可以为上层应用提供功能 丰富的a p i 函数。因此，嵌入式操作系统的引入可以缩短系统的开发周期，把系 统开发的重点集中到应用软件的开发上。 5 安全可靠性原则 在任何情况下，都应该保证丢失数据、损坏数据量尽可能的少。即使在系统 出问题时，也能够有必要的手段和措施保护。确保系统能稳定长期使用，符合网 络通信产品的使用年限。 9 第二章嵌入式系统基础理论及本嵌入式监控系统总统i 5 计 6 经济实用性原则 系统设计的出发点是实用性，立足于满足用户监控应用的需要，具有较高的 性能价格比。确保系统采用各种成熟的先进技术，在保证系统性能达到要求的前 提下，尽量使系统投资最省。 2 3 嵌入式l i n u x 系统概述 2 3 1 选择嵌入式l i n u x 系统的原因 目前，用于嵌入式环蠛的嵌入式操作系统比较多：微软的谢n d o w s c e 。m t e r g a t e ds y s t e m 公司的p s o s ，美国a l a m 曲公司的v x w o a s 以及加拿大 q s s l 公司开发的q n x 都是比较流行的嵌入式操作系统，但是歼源并且免费的 的嵌入式系统只有l i n u x 和u c o s i i 。 本课题选择嵌入式l i n u x 系统主要是因为：第一，嵌入式l i l l u x 开放源代码， 这使得学习、修改、裁剪l i n u x 成为可能，嵌入式系统的设计者可以对嵌入式 l i n u x 进行二次开发，去掉操作系统的附加功能，只保留必须的操作系统功能。 而目前大多数的商用操作系统，要么不提供源代码，要么购买源代码要支付高额 的版本费用，如表2 1 所示，相比之下，嵌入式l i n l l ) 【这一优点对于对成本和能 耗极为敏感的嵌入式产品是十分重要的。 第二，成本低，来源于l i n u x 的嵌入式l i n u x 是歼放源代码的自由软件，遵 循g p l 协议，嵌入式“n u x 的源代码可以自由获得，使用嵌入式l i n l l ) ( 开发嵌 入式应用，用于购买嵌入式操作系统的费用可以忽略不计。而商业操作系统其操 作系统的每个拷贝售价在几百美元到几万美元不等，如果需要操作系统的源代 码，则还需要另外购买。嵌入式l i l l i l 】( 的开发工具也可以免费获得。 第三，强大的网络支持功能。嵌入式l i n u x 诞生于因特网时代并具有u n i x 的 特性，保证了它支持所有标准因特网协议，并且可以利用l i n l l ) 【的网络协议栈将 其开发成为嵌入式的t c p i p 网络协议栈。此外，l i n u x 还支持铱也、f a t l 6 、f a t 3 2 、 m f s 等文件系统，为开发嵌入式系统应用打下了很好的基础。 第四，优秀的开发工具。开发嵌入式系统的关键是需要有一套完善的开发和 调试工具。在线仿真器的价格非常昂贵，而且只适合做非常底层的调试。如果使 用的是嵌入式l i n u x ，一旦软硬件能够支持正常的串口功能时，即使不用在线仿 真器也可以很好地进行开发和调试工作，从而节省了一笔不小的开发费用。嵌入 式“n u x 具备一蕤套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环 境，可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍。l i n u x 也符合l e e ep o s 1 标准，使应用程序具有较好的可移植性。 l o 河海大学硕士学位论文基于w e b 技术的嵌入式网络图像监控系统的研究和设计 第五，广泛的硬件支持。嵌入式l i n u x 支持的硬件平台很多，包括x 8 6 、a r m 、 m i p s 、a l p h a 、p o w e r p c 等多种体系结构，目前已经成功移植到数十种硬件平 台，几乎能够运行在所有流行的c p u 上，支持各种主流硬件设备和最新的硬件 技术。因此嵌入式l i n u x 的移植是嵌入式开发中的热点。 表2 1 专用的嵌入式实时操作系统与嵌入式l i n u x 的分析比较 丁专用般入式实时操作系统 一一嵌入式l i n u x 操作系酊 t 权费l 每生产一件产品需交纳一份版免费 ： 权费 买费用，人民币数十万元免费 术支持由开发商独家提供有限的技术 全世界的自由软件开发者提供支持 i支持 - 二。 。一 络特性另加人民币数十万购买免费而且性能优异 件移植难，因为是封闭系统易，代码开放，有许多应用软件支持 用产品长，因为可参考的代码有限短，新产品上市迅速，因为有许多公 发周期开的代码可以参考和移植 时性能好 ；需改进，可用r t l i n u x 等模块弥补 1 “1 一一一一一n 定性； 好较好，在高性能系统中仍需改进 2 。2 2 嵌入式l i n u x 系统类型 我们可以使用传统的市场划分方式划分嵌入式系统，比如航空与航天、汽车 系统、消费性电子产品、电信等类型。但是这种划分方式将无法为所指的系统提 供额外的信息，因为嵌入式l i n u x 系统可能会被构建成市场划分无法归类的样 子。倒不如采用能够提供实际信息的评判标准，比如规模、时限、网络能力以及 与用户交互的程度，对嵌入式系统进行分类。 1 规模 嵌入式系统的规模由一些不同的因素来决定。首先，是它实际的尺寸大小。 有些系统的尺寸可能相当大，如那些用来构建集群的产品。有些却相当小，如i b m 制造的l i n u x 手表。最重要的是，嵌入式系统的规模与系统中各个电子元件的属 性有关，如c p u 的运算速度、r a m 的容量、永久性存储器的容量。 就“规模”来说，嵌入式系统大致可以分成三类：小型、中型、大型。小型 系统的特性是：低运算能力的c p u ，并且可以使用至少2 m b 的r o m 和4 m b 的 r a m 。这并不表示说，l i n u x 无法在更小的内存空间中运行，只是你得多费些功 夫就是了。 中型系统的特性是：中等运算能力的c p u ，并且可以使用大约3 2 m b 的r o m 和6 4 m b 的r a m 。大多数以l i n u x 构建的消费性产品皆属此类。这包括p d a 、 第二章嵌入式系统基础理论及奉嵌入式监控系统总统搜计 m p 3 播放器，娱乐系统以及网络设备。这些产品有些可能会包含如下形式的辅 助存储器：固态硬盘( 以r a m 芯片制成的硬盘) 、快闪存储卡，或者甚至是传 统的硬盘。这些设备拥有足够的马力和存储容量来处理各种小型任务，或者为需 要大量资源的单一任务提供服务。 大型系统的特性是：使用运算能力强大的c p u ，或者使用多个c p u ，并且 可以使用大量的r a m 及永久性存储器。通常，这些系统会用在需要大量计算来 完成特定任务的环境中。大型的电信交换机以及飞行仿真器皆属此类。这类系统 的特点是，没有经费和资源上的限制。它们的设计重点在于产品的功能，至于价 格、规模和复杂度则是次要问题。 2 时限 对嵌入式系统来说，有两种时限类型：严格和宽松。严格时限的要求是，系 统必须在预定的对问之内作出反应，否则会发生灾难事件。我们以工厂中工人使 用的大型材料切割机具为例，为了安全起见，会在刀具周围安装光传感器，以便 侦测工人手上所戴具有特殊颜色的手套。当系统察觉工人的手有危险时，必须立 即让刀具停止运转。没有时间等待c p u 置换文件或撤销任务。这种系统具有严 格的时间要求，也就是所谓的硬实时系统。 音频流系统对时间也有严格的要求，因为只要有任何的延迟通常都会令用户 感到不舒服。然而，这种系统一般被归类为软实时系统，因为该系统一时的失误， 并不会像硬实时系统那样，会造成无法弥补的灾难。换言之，尽管可以容忍这种 系统发生一时的失误，不过这种系统还是应该设计为具备严格的时间要求。 宽松时限的要求有各种的形式，不过它们一般会被应用在需要及时( 或适时) 做出响应但不必立即完成的系统上。如果自动柜员机得花1 0 多秒的时间才能完 成交易，这一般不算是什么问题。p d a 启动应用程序需要数秒的时间也是同样 的情况。需要额外的处理时间让系统看来似乎很慢，但并不会影响最后的结果。 3 网络能力 网络能力用来定义一个系统是否可以连上网络。当今，我们可以预期的是， 通过网络能够访问一切事物甚至是电冰箱。然而，这会在我们所建立的系统上 产生特殊的需求。促使人们选用l i n u x 作为嵌入式操作系统的一个因素，就是用 来证明它的网络能力。下跌的价格及网络联机组件的标准化，都加快了这个趋势。 4 与用户的交互 与用户交互的程度，不同的系统之间会有非常大的差别。有些系统，如p d a 的主要功能就是与用户交互。有些系统，如工业的过程控制，用于交互的部分可 能只有l e d ( 发光二极管按钮) 。有些系统甚至没有用户界面。例如，飞机自动 驾驶系统中的某些部件会自己控制机翼，并不会直接与驾驶员交互。 1 2 四海大学硕士学位论文基于w e b 技术的嵌入式网络图像蝮丝垂堕丝鲤塞塑亟丛 2 4a 跳处理器的介绍 2 4 1a r m 处理器的概述 a i t m 是a d v a n c e dr i s c t 孓现m a c h i n e 的缩写，由英国a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ( a r m ) l i m i t e d 公司设计。a r m3 2 位体系结构目前被公认为是业界领先的3 2 位 嵌入式p j 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，在软件开发上可获得最大的回报。 a r m 芯片具有越s c 系统的一般特点，如具有大量的寄存器；绝大多数操 作数都在寄存器中进行，通过l o a d s t o r e 的体系结构在内存和寄存器之间传递 数据；寻址方式简单；采用固定长度的指令格式。除此之外，a r m 系统采用了 一些特别的技术，在保证高性能的同时尽量减小芯片体积，降低芯片的功耗。这 些技术包括： 1 在同一条数据处理指令中包括算术逻辑处理和移位处理。 2 使用地址自动增加( 减少) 来优化程序中的循环处理。 3 l o a d s t o r e 指令可以批量传输数据，从而提供数据传输的效率。 4 所有指令都可以根据前面指令执行结果，决定是否执行，以提高指令执 行的效率。 2 4 2a 跚微处理器的应用领域 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域： 1 工业控制领域。作为3 2 位的r i s c 架构，基于a r m 核的微处理器芯片 不但占据了高端控制器的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域 扩展，a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 1 6 位微控制器提出了挑 战。 2 无线通信领域。目前已有超过8 5 的无线通信设备采用了a r m 技术， a r m 以其高性价比，在该领域的地位日益巩固。 3 网络应用。随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步 获得竞争优势。此外，a r m 在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛的支 持，也对d s p 的应用领域提出了挑战。 4 消费类电子产品。a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒 和游戏机中得到了广泛应用。 5 成像和安全产品。现在流行的数码相机和打印机绝大部分采用了a r m 技 术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。 整三兰堂垒壅墨竺薹苎! ! 墨堡墨查堂垒茎些丝墨竺璺竺堡生一 此外，a r m 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更 广泛的应用。 2 4 3a r m 微处理器结构 1 r i s c 体系结构 传统的c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r , 复杂指令集计算机) 结构有其 固有的缺点，随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂指令集，为了支持这些 新增的指令集，计算机的体系结构越来越复杂。然而，在c i s c 指令集的各种指 令中，其使用频率却相差悬殊，大约有2 0 的指令被反复使用，占整个程序代 码的8 0 ，而余下的指令却不经常使用，在程序设计中只占2 0 。显然，这种 结构是不太合理的。 基于以上的不合理性，1 9 7 9 年，美国加州大学伯克利分校提出了 r i s c ( r e d u c c di n s t r u c t i o ns e tc o m m p u t e r , 精简指令集计算机) 的概念。r i s c 并非 只是简单地减少指令，而是把着眼点放在如何使计算机的结构更加简单、合理地 提高运算速度上。r i s c 结构优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令； 将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少；以控制逻辑为主。r i s c 是一 种设计思想，其目标是设计出一套能在高时钟频率下单周期执行，简单而有效的 指令集。r i s c 的设计重点在于降低由硬件执行的指令的复杂度，这是因为软件 比硬件容易提供更大的灵活性和更高的智能。因此，r i s c 设计对编译器有更高 的要求；相反，传统的复杂指令集的计算机( c i s c ) 则更侧重于硬件执行指令 的功能性，使c i s c 指令变得更复杂。图2 1 比较了两者的主要不同。 嬲星黧瞿鬻 图2 ic i s c 对r i s c 2 指令结构和工作状态 a r m 微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集i 明：a r m 指令集和 t h u m b 指令集。其中，a r m 指令为3 2 位的长度，t h u m b 指令为1 6 位长度。t h u m