（机械电子工程专业论文）基于arm和gprs远程无线监控系统的设计与实现.pdf

基于a r m 和g p r s 远程无线监控系统的设计与实现 摘要 随着计算机软件和硬件的发展，以及图像处理技术的日益成熟， 基于嵌入式的监控系统发挥越来越重要的作用。针对无人值守行业对 远程监控的需要，特别是厂房、仓库等场所，本文实现了一种基于嵌 入式的远程无线监控系统。系统以a r m 处理器为核心，通过摄像头 采集监控图像，并利用g p r s 网络完成数据的传输，以达到远程监控 的目的。 本文介绍了该系统的总体架构，确定了系统硬件与软件的实现方 案。并对设计中用到的一些技术原理和协议做了一些介绍和分析。其 中，本设计以三星公司a r m 9 系列的$ 3 c 2 4 1 0 为核心，采用了市场上 广泛使用的价廉物美的z c 3 0 1 芯片的u s b 摄像头，以及西门子公司的 g p r p 模块t c 3 5 i 来实现系统的各部分功能。 本文完成了对l i n u x 操作系统在本监控系统的移植，设计了系统 软件的总体流程，并完成了各个模块的软硬件实现：用户通过手机发 送控制命令，t c 3 5 i 接收后传给a r m 处理器，处理器根据协议解释命 令，控制设备产生相应的动作，继而通过g p r s 网络发送数据到指定 邮箱，从而实现了系统监控功能。除此之外，系统实现了软件的模块 化，完成对重要模块的介绍与分析，如短消息处理模块以及s m t p 邮 件发送模块。 关键词：a r m ，$ 3 c 2 4 1 0 ，嵌入式操作系统，g p r s 冱l e ssr e m o t e e om o n i t o r s y s t e mb a s e do na r ma n dg p r s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs o f t w a r e 。h a r d w a r ea n dt h e i m a g ed i s p o s i n gt e c h n o l o g y , e m b e d d e dm o n i t o r i n gs y s t e mp l a y sam o r e a n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h ev i d e om o n i t o r i n gf i e l d e s p e c i a l l yf o rt h e u n a t t e n d e ds t a t i o n ss u c ha sf a c t o r yw o r k s h o pa n dw a r e h o u s e ，ar e m o t e w i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e mi sd e s i g n e dw i t ht h ec o r ep r o c e s s o ro fa r m ， w h i c hi sa b l et ot r a n s f e rd a t av i ag p r sn e t w o r kt om o n i t o rr e m o t es c e n e t h ew h o l es t r u c t u r ew i l lb ei n t r o d u c e df i r s t w h i c hc o n t a i n s h a r d w a r ea n ds o f t w a r es o l u t i o n t h e ns o m eb a s i ct h e o r i e sw i l lb e i n v o l v e d t h ed e s i g ni sc o n s i s to ft h e c h i ps 3 c 2 4 10p r o d u c e db y s a m s u n g ，u s bc a m e r aw i t ht h ec h e a pa n df i n ec h i po fz c 3 01 ，a n dt h e g p r sm o d u l et c 3 5 if r o ms i e m e n s t h es y s t e mc o m p l e t e st ot r a n s p l a n tl i n u xt ot h ee m b e d d e ds y s t e m a n dd e s i g n st h eg e n e r a lp r o c e s s i n gf l o wa n da c h i e v e st h eg o a l s ：f i r s t ， u s e r ss e n dt h ec o m m a n db ys m s s e c o n d ，t c 3 5 iw i l lr e c e i v et h e m e s s a g ea n dd e l i v e ri tt o 删p r o c e s s o r t h i r d ，t h ep r o c e s sw i l la n a l y z e t h em e s s a g ea n ds e n do r d e r st ot h ec o n t r o l l i n gd e v i c e s f i n a l l y , t h eg p r s m o d u l ew i l ls e n da ne m a i lt ot h ec u s t o m e r i na d d i t i o n t h es y s t e mi s d e s i g n e do fm o d u l e sw h i c hw i l lb ei n t r o d u c e da n da n a l y z e d s u c ha ss m s d i s p o s i n gm o d u l ea n ds m t pm a i l i n gm o d u l e k e yw o r d s ：a r m ，$ 3 c 2 410 ，e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，g p r s 独创性( 或创新性) 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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论 本人签名： ，本人承担一切相关责任。 日期：趔乒址 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期： 型：三：! ! 醐：号恤 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景及实际意义 随着科学技术的飞速发展，人们的生活、工作节奏也不断加快。在许多领域 需要对大范围的数据进行及时的采集、传输、存储，以便及时地掌握情况，并进 行分析处理。诸如电力、自来水、煤气等公用事业部门需要实时监测整个系统的 运行状况、读取用户数据等参数，同时对远端的设备进行监控；环保水利部门需 要监控江河湖海的水文、水质以及不同地区的空气质量等；而交通、公安、消防 部门也需要及时了解各重要场所、路段的交通安全情况。总起来说，这些领域的 分支机构分布范围比较广、且分布地域也比较复杂，因此需要有一个高效的数据 监控系统来解决远程数据监测和控制问题。 监控系统源自自动控制系统，伴随着计算机技术、通信技术、自动控制技术 以及网络技术的不断发展，监控系统历经了集中式控制、集散式控制和现场总线 监控等阶段。 而目前在图像监视系统领域，有线方式的图像监视系统较为普遍，而在设备 分布广泛和数据不易采集的场合，有线图像监视方式受到了固有物理布线的限制 而显得无能为力，但无线远程监控方式则没有这种限制。随着计算机技术和通信 技术的发展，将嵌入式系统技术、无线通信技术和基于t c p i p 的i n t e r a c t 技术 结合在一起的无线远程图像监视系统成为可能。此外，现有的无线电台技术、蓝 牙技术、无线局域网技术等无线技术都无法解决传输距离、传输速率以及成本费 用等问题。具有覆盖范围广、传输速率高、接入时间短、永远在线、按流量计费 等特点的g p r s 正满足了无线监控系统的需要。 在近几年的系统设计中，嵌入式处理器的应用取得了突飞猛进的发展。在众 多的领域中，嵌入式系统的各种优势得到了充分的体现。其体积小、处理能力强、 定制方便、可靠性高、实时性强以及成本低的优势，使其在工业控制、通信设备 及消费电子等行业中的应用越来越受欢迎。特别是在传统的工业生产中，很多智 能化、数字化的改造，智能监控设备和智能仪表的使用为嵌入式系统提供了巨大 的市场。从消费电器到工业设备，从民用产品到军用器材，嵌入式系统几乎包括 了生活中的所有设备，特别是在传统的工业生产中，很多智能化、数字化的改造， 智能监控设备和智能仪表的使用为嵌入式系统提供了巨大的市场。嵌入式系统的 发展潜力使得一些学者断言嵌入式技术将成为后p c 时代的主宰。 本文所设计的嵌入式无线视频监控系统顺应视频监控系统的发展趋势，结合 视频压缩技术和网络传输协议，相信随着无线网络的建设，特别是第三代移动通 信网络的建设和成熟，此系统在不远的将来一定会得到广泛的应用【l 】。 1 2 国内外无线监控状况 目前在图像监视系统领域，有线方式的图像监视系统较为普遍，而在设备分 布广泛和数据不易采集的场合，有线图像监视方式受到了固有物理布线的限制而 显得无能为力，但无线远程图像监视方式则没有这种限制。随着计算机技术和通 信技术的发展，将嵌入式系统技术、无线通信技术和基于t c p i p 的i n t e m e t 技 术结合在一起的无线远程图像监视系统成为可能。基于嵌入式系统的该类监视系 统对嵌入式系统的软硬件开发提出了新的挑战，而图像、视频等大信息量的多媒 体无线传输要求也给无线通信技术提出了新的挑战。 1 3视频监控系统传输方案的比较及方案选定 由于课题所涉及的监测对象距离较远，只能在远距离的地方进行数据采集及 传输。随着自动化程度的不断提高，对现场数据远程采集与传输的要求也日益提 高。远程数据采集和传输的实现使得技术人员不需要到达生产现场就能获得重要 的数据，进行远程控制。其中，数据传输的技术是其实现的前提。因此，选择合 适的数据传输方式也是本课题的重要部分。 监控系统根据数据传输方式的不同可以分为有线网络监控系统和无线网络 监控系统。其中有线网络监控系统主要可以分为【2 】： ( 1 ) 基于l a n 的监控系统； ( 2 ) 基于i n t e m e t 的监控系统； ( 3 ) 基于p s t n 的监控系统等等。 无线监控系统又主要可以分为： ( 1 ) 基于集群通信系统的无线监控系统； ( 2 ) 基于g s m 短信息的无线监控系统； ( 3 ) 基于g p r s 的无线监控系统等等。 有线监控方式虽然具有稳定可靠、数据传输速率高等特点，但是对于监测点 数目众多、分布广、地形复杂的区域，有线监控的组网成本高、施工难度大、维 护工作量大。下面对有线和无线传输方式的优缺点做一下简要的对比： 2 ( 1 ) 成本廉价：有线通信方式的建立必须架设电缆，或挖掘电缆沟，因此需 要大量的人力和物力；而无线数据传输方式则无需架设电缆或挖掘电缆沟，只需 要在每个终端连接无线数传电台和架设适当高度的天线就可以了。相比之下无线 数据传输方式，节省了人力物力，节省了投资。 ( 2 ) 适应性好：有线通讯的局限性太大，在遇到一些特殊的应用环境，比如 遇到山地、湖泊、林区等特殊的地理环境或是移动物体等布线比较困难的应用环 境的时候，将对有线网络的布线工程有着极强的制约力，而无线数据传输方式将 不受这些限制，所以说无线数据传输方式比有线通讯有更好的更广泛的适应性， 几乎不受地理环境限制。 ( 3 ) 扩展性好：在用户组建好一个通讯网络之后，常常因为系统的需要增加 新的设备。如果采用有线的方式，需要重新的布线，施工比较麻烦，而且还有可 能破坏原来的通讯线路，但是如果采用无线数据传输方式，只需将新增设备与无 线数传电台相连接就可以实现系统的扩充了，相比之下有更好的扩展性。 ( 4 ) 设备维护更容易实现：有线通讯链路的维护需沿线路检查，出现故障时， 一般很难及时找出故障点，而采用无线数据传输方式只需维护数传模块，出现故 障时则能快速找出原因，恢复线路正常运行。 相比之下，无线数据传输有着很大的优势。以上提到的几种无线监控方式比 较如下。 ( 1 ) 集群移动通信系统是专用移动通信网，建设资金投入量大、建设周期长、 维护不方便，最致命的缺点是系统的有效覆盖范围有限。 ( 2 ) g s m 短信息通信方式利用移动公网的资源，投资少、维护成本低；但是 g s m 短信息一次最多只能传送1 6 0 个字符，不适合大数据量的无线数据传送； 而且短信息的平均传输时延大，实时性差。 ( 3 ) g p r s 系统同样也是利用移动公网的资源，但是基于口的网络，传输速 率较高，理论上可以达到1 7 1 2 k b s ，且传输时延小、系统性能稳定。现在中国 移动的g p r s 网络已经基本覆盖了全国，采用g p r s 实现监控推广方便。g p r s 通信是按流量计费，因此通信资费低廉。更重要的是g p r s 网络作为2 5 g 的移 动通信系统，是g s m 网向3 g 宽带移动通信网平滑过渡的中间阶段，网络的升 级对于用户应用是透明的，未来可以为用户提供更高的传输速率和更广阔的应用 空间。 通过比较，结合本课题的实际要求，选择g p r s 无线传输方式。g p r s 无线 移动通信网络具有稳定可靠、覆盖面广、网络能力强、通信费用低、不受地域限 制的优点，其最大的好处是设备体积小，方便移动，没有引雷部件，不需要作防 雷处理。 3 此外，本课题在选择图像监测方案时，根据实际情况，图像采集没有选择当 前流行的视频图像方式，而是选择了静态图像的方式。这大大降低了对数据传输 网络容量的要求，使得采用g p r s 网络传输数据的可行性更高。 1 4 研究内容以及论文安排 课题研究任务可以分为以下四个过程： ( 1 ) 应用需求调研和方案设计。通过对嵌入式系统设计、远程监控技术、图 像压缩技术的研究，从而了解远程监控系统的发展现状、各种实现方案及其应用 场合。在此基础上确定总体设计方案，并根据需求进行软硬件方案协同设计。 ( 2 ) 系统硬件结构设计。有了方案后，首先确定嵌入式开发平台，考察是否 满足图像压缩算法处理的需要；其次是存储器容量计算与选型；u s b 摄像头选 型，这里主要是对摄像头所采用的d s p 芯片进行选择；以及g p r s 无线接入模 块的选型。 ( 3 ) 系统软件设计。首先是开发工具及调试工具的选取，建立开发环境；接 着根据监控系统的需要移植和配置嵌入式l m u x 操作系统，搭建监控软件的运行 平台；然后编写相应的核心模块。 ( 4 ) 实际应用及测试。选择测试工具和系统测试方法；将系统接入g p r s 网 络后，对系统运行情况进行针对性分析，主要是对系统的实时性和可靠性得出测 试结果。 论文的结构安排如下： 第一章，通过对课题背景的描述，引出了课题的研究范畴及意义，并分析了 本课题的核心技术及其在相关领域的发展和应用。 第二章，针对监控系统的一般应用，提出了一套适用于远程无线监控的系统 总体设计方案，包括硬件结构设计、应用软件设计，并提出了系统实现目标与特 点。 第三章，重点介绍了a r m 嵌入式平台以及l i n u x 在监控系统上的移植过程 以及内核引导启动过程，同时也描述了基于嵌入式l m u x 的软件开发环境的建立 步骤。 第四章至第七章，介绍了系统的四个模块设计与实现：图片编解码及压缩模 块、短信息处理模块、s m t p 邮件发送模块以及g p r s 无线数据传输模块。 最后，在第八章中对论文内容进行了总结，根据自己研究的成果和体会，提 出了未来进一步研究的方向。 4 2 1 总体框架设计 第二章系统总体设计 远程图像监控系统是一套嵌入式系统，具有图像采集、图像处理、数据传输、 命令信号智能识别等主要功能。通过中国移动的g p r s 网络，使得无论监控者身 处何地，都可以查看到安装了本系统的监控现场的实时现场图像，这样对于无人 职守的监控现场提供非常便捷的监控方式。系统的组成示意图如图2 1 所示。 2 2 系统硬件构成 图2 - 1 系统框架图 回 白手机 鉴于a r m 微处理器的众多技术和市场优势，本系统硬件设计中，选用了一 款带有a r m 处理器的嵌入式评估板，如图2 2 所示。本硬件平台采用三星 $ 3 c 2 4 1 0 x 嵌入式微处理器。硬件平台上的重要部件有晶振( 时钟) 电路，复位电 路，键盘、l e d 等人机交互接口，j t a g 接口电路，存储系统采用了6 4 m b 的 n 觚df 1 嬲h 和3 2 m b 的s d r a m 。本系统的g p r s 应用设计采用的方式是将g p r s 模块独立设计，与嵌入式硬件平台通过u a r t 接口经电平转换后的r s 2 3 2 接口 相连。这种模块化的结构设计，可以降低硬件调试难度，同时也是基于硬件平台 的可重用性考虑。 5 2 3 系统应用软件设计 图2 - 2 系统硬件构成 系统的软件设计基于嵌入式l i n u x 操作系统平台，系统软件结构模块如图 2 3 所示，整个系统根据功能分为4 个独立的模块，各功能模块功能说明如下： 图2 3 应用软件功能模块 ( 1 ) 图像采集处理模块。该模块用于完成对视频信号的采集，控制u s b 摄 像头采集图像，并将其进行图像数据的压缩处理，对生成的j p e g 形式的文件保 存或者放入缓冲区，以供其他模块使用。 ( 2 ) 短信息处理模块。该模块对接收到短信进行分析处理，可以通过短信息 触发不同的命令，也可用短信息配置相关信息。 ( 3 ) s m t p 邮件发送模块。该模块通过s m t p e s m t p 协议与m i m e 的结合， 构造了一个方便易用的邮件发送客户端，该客户端可将视频处理后的图像以 e m a i l 的形式发送到用户。 ( 4 ) g p r s 无线数据传输模块。该模块用于完成对数据的网络传输，通过 g p r s 无线接入模块与i n t e r n e t 进行连接，并发送缓冲区里或f l a s h 里的数据。 6 2 4 系统工作过程 图2 - 4 主程序流程图 7 2 5系统特点 整个系统具有如下的特点： ( 1 ) 设备硬件核心采用基于a r m 系列的$ 3 c 2 4 1 0 嵌入式芯片，系统软件使 用嵌入式l i n u x 系统，使得系统本身具有强大的处理功能，方便功能的扩展； ( 2 ) 视频采集采用具有u s b 接口的通用外置摄像头进行，使视频采集的通 用性更好，软硬件设计容易，成本更低： ( 3 ) 软件部分采用模块化设计，各模块均可作为独立的子系统存在，增强的 系统通用性、可升级性和可维护性； ( 4 ) 采用j p e g 图像压缩方式，适合无线网络传输的需要； ( 5 ) 联网方便，安装简易，充分利用g p r s 永远在线等优点。 8 第三章基于a r m 的l i n u x 嵌入式平台开发 3 1 嵌入式系统介绍 1 9 4 6 年，数字式的电子计算机诞生。之后，在相当长的历史过程中，计算 机始终是被固定的安装于条件稳定可靠的机房中作为数值计算的大型昂贵设备。 直到2 0 世纪7 0 年代，微处理器的出现，计算机才出现了历史性的变化。以微处 理器为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠性特点，迅速走出机房；基于 高速数值计算能力的微型机，表现出的智能化水平引起了控制专业人士的兴趣， 要求将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制。例如，将微 型计算机经电气加固、机械加固，并配置各种外围接口电路，安装到大型舰船中 构成自动驾驶仪或轮机状态监测系统。由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系 中，实现的是对象的智能化控制，因此，它有着与通用计算机系统完全不同的技 术要求与技术发展方向。通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算； 技术发展方向是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。而嵌入式计算机系 统的技术要求则是对象的智能化控制能力；技术发展方向是与对象系统密切相关 的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。如果说微型机的出现，使计算机进入到 现代计算机发展阶段，那么嵌入式计算机系统的诞生，则标志了计算机进入了通 用计算机系统与嵌入式计算机系统两大分支并行发展时代，从而导致2 0 世纪末， 计算机的高速发展时期。通用计算机系统与嵌入式计算机系统的专业化分工发 展，导致2 0 世纪末、2 1 世纪初，计算机技术的飞速发展。计算机专业领域集中 精力发展通用计算机系统的软、硬件技术，不必兼顾嵌入式应用要求，通用微处 理器迅速从2 8 6 、3 8 6 、4 8 6 到奔腾系列；操作系统则迅速扩张计算机基于高速海 量的数据文件处理能力厂使通用计算机系统进入到尽善尽美阶段。嵌入式计算机 系统则走上了一条完全不同的道路，这条独立发展的道路就是单芯片化道路。它 动员了原有的传统电子系统领域的厂家与专业人士，接过起源于计算机领域的嵌 入式系统，承担起发展与普及嵌入式系统的历史任务，迅速地将传统的电子系统 发展到智能化的现代电子系统时俐3 1 。 3 1 1 嵌入式系统概念 按照历史性、本质性、普遍性要求，嵌入式系统应定义为：“嵌入到对象体 9 系中的专用计算机系统”。“嵌入性 、“专用性 与“计算机系统 是嵌入式 系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。 嵌入式系统简单的说就是面向特定应用设计的专用计算机系统。有别于全局 计算机系统，嵌入式系统的外形尺寸、功耗、外部适配器等各种特征必须满足应 用的要求和限制。通常嵌入式系统的软件包括操作系统烧录在一块电路板上。 在现有的众多可行的选择方案中，包括v x w o r k s 、p s o s 、n e c u l e u s 和 w i n d o w sc e 等，嵌入式l i n u x ，由于它天生的开放性，全世界开发者支持的广 泛性，已经成为挑战这些传统嵌入式操作系统的强大力量，将不断侵占他们的市 场。 3 1 2 嵌入式系统特点 嵌入式系统的设计是不同于桌面计算机系统的，它与通用计算机相比具有以 下不同。 ( 1 ) 嵌入式系统是面向特定应用形式多样的软硬件综合体 嵌入式微处理器与通用处理器最大不同在于嵌入式处理器大多专用于特定 的应用，工作在为特定用户设计的系统中。通常具有低功耗、体积小和集成度高 等特点，能够把通用微处理器中许多板卡完成的功能集成在芯片中，有利于嵌入 式系统设计趋于小型化，大大增强移动能力，而且与网络结合越来越紧密。 ( 2 ) 嵌入式系统有实时性和可靠性的要求 嵌入式系统实时性的要求表现在两个方面：一是大多数实时系统都是嵌入式 系统：另一方面嵌入式操作系统多数有实时性的要求，而且软件一般是固化运行 或直接加载在内存中运行的，具有快速启动的特点。嵌入式系统一般具有出错处 理和自动复位功能，大多数嵌入式系统一般都包括一些软件和硬件机制来保证系 统的可靠性。 ( 3 ) 嵌入式系统具有操作系统的特性 嵌入式系统使用的操作系统一般是适用于多种类型的处理器、可裁减、轻量 型，实时可靠和可固化的嵌入式操作系统。 ( 4 ) 嵌入式系统得到多种处理器类型和体系结构的支持。 ( 5 ) 嵌入式系统通常在功率预算、散热、体积、重量以及系统本身的成本需 求等方面有严格的要求。 3 1 3 嵌入式系统类型 常见的嵌入式操作系统有： 1 0 ( 1 ) w i n d o w sc e w i n c e 是由微软公司推出的，为有限资源平台设计的多任务、多优先级、 有完整优先权的实时嵌入式操作系统，现已发展到w i n m o b i l e 。其最大特点是应 用开发简单、界面优美、程序移植性好。其模块化设计可以方便用户为各类应用 定制系统。该操作系统的基本内核需要至少2 0 0 k b 内存空间。它的最大缺点是 实时性不好，只能用于对实时性要求不高的场合。目前主要使用在掌上电脑和一 些对实时性要求不高的工业控制中，在国内嵌入式数字视频监控领域应用较少。 ( 2 ) v x w o r k s v x w o r k s 是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统。它 支持多种处理器，如x 8 6 、a r m 、m i p s 、p o w e rp c 等。大多数的v x w o r k sa p i 是专有的，采用g n u 的编译和调试器。其突出特点是：可靠性、实时性和裁减 性。v x w o r k s 被广泛应用于通信、军事、航空航天等高精尖技术领域以及实时性 要求极高的领域中，具有高性能的内核和友好的用户开发环境，开发便利，但由 于版权和价格问题，在国内嵌入式数字视频领域使用较少。 ( 3 ) p s o s i s i 公司己经被w i n d r i v e r 公司兼并，现在p s o s 属于w i n d r i v e r 公司的产 品。这个系统是一个模块化、高性能的实时操作系统，专为嵌入式微处理器设计， 提供一个完全多任务环境，在定制的或是商业化的硬件上可达到高性能和高可靠 性。可以让开发者根据操作系统的功能和内存需求定制成每一个应用所需的系 统。开发者可以利用它来实现从简单的单个独立设备到复杂的、网络化的多处理 器系统。 ( 4 ) l i n u x 经过几年的发展，l i n u x 技术和产品日趋成熟，有越来越多的公司了解了 l i n u x 的优点而选用l i n u x 作为主要的平台，数字视频监控应用亦不例外。l i n u x 以其独特的特性，在数字影像监控领域己经有了一段时间的应用，其可针对不同 硬件设备与数字影像监控应用需求而量身订制，可有效减少对硬件资源的需求； 为了有效降低数字影像监控、安全管理系统的整体运作成本，l i n u x 作业系统应 是最适当的选择。 采用l i n u x 进行嵌入式系统开发具有以下优点： ( 1 ) 嵌入式l i n u x 源代码开放。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根据项目实际需要对嵌入式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。 ( 2 ) 成本低，源代码完全免费。嵌入式l i n u x 是开放源代码的自由软件，遵 循g p l 协议，它的源代码可以自由获得，使用嵌入式l i n u x 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 n u x 的开发工具也可以免费获得。相比之下，嵌入式l i n u x 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。 ( 3 ) 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 u x 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。 ( 4 ) 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 l i n u x 具备一整套工具链，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。 ( 5 ) 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。 ( 6 ) 良好的可移植性。可移植性是指将操作系统从一个平台转移到另一个平 台使它仍然能按其自身的方式运行的能力。l i n u x 是一种可移植的操作系统，能 够在从微型计算机到大型计算机的任何环境中和任何平台上运行。可移植性为运 行l i n u x 的不同计算机平台与其他任何机器进行准确而有效的通信提供了手段， 不需要另外增加特殊的和昂贵的通信接口。l i n u x 也符合1 e e ep o s i x 1 标准， 使应用程序具有较好的可移植性。 ( 7 ) 系统安全可靠。l i n u x 采取了许多安全技术措施，包括对读、写进行权 限控制、带保护的子系统、核心授权等，这为网络多用户环境中的用户提供了必 要的安全保障1 4 】。 3 2 基于a r m 的嵌入式硬件解决方案 3 2 1a r m 体系的特点 a r m 即a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写。a r m 公司与1 9 9 0 年成立，是一 家设计公司。a r m 是知识产权( m ) 供应商，本身不生产芯片，靠转让设计许可， 1 2 由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片。作为3 2 位嵌入式r i s c 微处理器业界 的领先供应商，a r m 公司商业模式的强大之处在于它在世界范围有超过1 0 0 个 合作伙伴( 包括半导体工业的著名公司) ，从而保证了大量的开发工具和丰富的 第三方资源，它们共同保证了基于a r m 处理器核的设计可以很快投入市场【5 】。 a r m 处理器的3 大特点是： ( 1 ) 耗电少，成本低，功能强大； ( 2 ) 1 6 3 2 位双指令集； ( 3 ) 全球众多合作伙伴保证供应。 a r m 公司专注于设计。a r m 核以其高性能、体积小、低功耗、紧凑代码和 多供应源的出色结合而著名，它的r i s c 性能业界领先，以小尺寸集成，具有最 低的芯片成本，在非常低的功耗和价格下提供高性能的处理器。a r m 已成为移 动通信、手持计算机、多媒体数字消费等嵌入式解决方案的r i s c 标准。 a r m 处理器出色的性能使系统设计者可以得到完全满足其准确要求的解决 方案。借助于来自第三方开发者广泛的支持，设计者可以使用丰富的标准开发工 具和a r m 优化的应用软件。 a r m 体系结构基于精简指令集计算机( r i s c ) 原理。r i s c 指令集和相关的译 码机制比复杂指令集计算机( c i s c ) 的设计更简单。这种简单性得到了： ( 1 ) 高指令吞吐率l ( 2 ) 出色的实时中断响应； ( 3 ) 体积小、性价比高的处理器宏单元。 a r m 3 2 位体系结构目前被公认为业界领先的3 2 位嵌入式r i s c 微处理器 核，所有a r m 处理器都共享这一体系结构。这可以确保当开发者转向更高性能 的处理器时，在软件开发上可获得最大的回报。 a r m 处理器本身是3 2 位设计，但也配备了1 6 位t h u m b 指令集，以允许软 件编码为更短的1 6 位指令。与等价的3 2 位代码相比，占用的存储空间节省高达 3 5 ，然而保留了3 2 位系统所有的优势( 例如访问全3 2 位地址空间) 。t h u m b 状态与正常的a r m 状态之间的切换是零开销的。如果需要，可逐个历程使用切 换。这允许设计者完全控制其软件的优化。a r m 的j a z e l l e 技术提供了j a v a 加速， 可得到比基于软件的j a v a 虚拟机( j v m ) 高得多的性能。与同等的非j a v a 加速核 相比，功耗降低8 0 。这些功能使平台开发者可自由运行j a v a 代码，并在单一 存储器上建立操作系统( o s ) 和应用。许多系统需要将灵活的微控制器与d s p 的 数据处理能力相结合，过去这要迫使设计者在性能或成本之间妥协或采用复杂的 多处理器策略。在c p u 功能上，d s p 指令集的扩充提供了增强的1 6 位和3 2 位 算术运算能力，提高了性能和灵活性。多年来，嵌入式i c e r t 一直是a r m 处 1 3 理器重要的集成调试特性，实际上已加入所有的a r m 核中。允许在代码的任何 部分甚至在r o m 中设置断点。断点后，为了调试，前台任务暂停，但并不同时 暂停处理器的活动，而允许中断处理程序继续运行a r m 业界领先的跟踪解决 方案嵌入式跟踪宏单元( e t m ，e m b e d d e dt r a c em a c r o c e l l ) ，被设计成驻留在 a r m 处理器上，用来监控内部总线，并能以核速度无妨碍地跟踪指令和数据的 访问。强大的软件可配置过滤和触发逻辑允许开发者精确地选择让e t m 捕获哪 条指令和数据，然后将信息压缩，通过分布、可配置的跟踪器和f i f o 缓冲器从 芯片中输出。 a r m 当前有5 个产品系列：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 和s e c u r c o r e 。 进一步的产品来自于合作伙伴，例如i n t e lx s c a l e 微体系结构和s t r o n ga r m 产 品。a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l 0 是4 个通用处理器系列。每个系列提供 一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能和体积的需求。s e c u r c o r e 是第5 个 产品系列，是专门为安全设备而设计的。性能高达1 2 0 0m m s ( x s c a l e 体系结构) ， 功耗测量为t t w m h z ，并且所有处理器体系结构兼容。 a r m 作为嵌入式系统中的处理器，以其低电压、低功耗和低集成度等特点 及其开放和可扩性，实际上已成为嵌入式系统首选的处理器体系结构。 ( 1 ) r i s c 型处理器结构 为减少复杂功能的指令，减少指令条件，选用使用频度最高的指令，简化处 理器的结构，减少处理器的集成度，并使每一条指令都在一个机器周期内完成， 以提高处理器的速度。a r m 采用r i s c 结构，并使得一个机器周期可执行l 条 指令。 与存储器打交道的指令执行时间远远大于在寄存器内操作的指令执行时间。 因此，r i s c 型处理器都采用了l o a d s t o r e 结构，即只有l o a d s t o r e ( 加载存储) 指令可与存储器打交道，其余指令都不允许进行存储器操作。为此，a r m 也采 用l o a d s t o r e 结构；为了进一步提高指令和数据的存取速度，有的还增加指令 快存i - c a c h e 和数据快存d c a c h e ：同时，还采用了多寄存器的结构，使指令的 操作尽可能在寄存器之间进行。 由于指令相对比较精简，降低了处理器的复杂性，因此，中央控制器就没有 必要采用微程序的方式。a r m 则采用了硬接线p l a 的方式。另外，a r m 为了 便于指令的操作控制，所有指令都采用3 2 位定长。除了单机器周期执行1 条指 令外，而且，每条指令具有多种操作功能，提高了指令使用效率。 ( 2 ) t h u m b 指令集 由于r i s c 型处理器的指令功能相对比较弱，a r m 为了弥补此不足，在新 型a r m 体系结构定义了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 位和 1 4 1 6 位c i s c s c 处理器具有更好的代码密度，而芯片面积只增加6 可以使程序 存储器更小。 ( 3 ) 多处理器状态模式 a r m 可以支持用户、快中断、中断、管理、中止、系统和未定义等7 种处 理器模式，除了用户模式外，其余的均为特权模式。这也是a r m 的特色之一， 可以大大提高a r m 处理器的效率。 ( 4 ) 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a r m 体系结构芯片，可以省去价格昂贵的在线仿真器。另外， 在处理器核中还可以嵌入式跟踪宏单元e t m ，用于监控内部总线，实时跟踪指 令和数据的执行。 ( 5 ) 灵活和方便的接口 a r m 体系结构具有协处理器接口，这样，既可以使基本的a r m 处理器内 核尽可能小，又可以方便地扩充各种功能。a r m 允许接1 6 个协处理器，例如 c p l 5 用于系统控制，c p l 4 用于调试控制器。 另外，a r m 处理器核还具有片上总线a m b a ( a d v a n c c dm i c r o c o n t r o l l e rb u s a r c h i t e c t u r e ) 。a m b a 定义了3 组总线： 先进高性能总线a d - i s ( a d v a n c e dh i g hp e r f o r m a n c eb u s ) ； 先进系统总线a s b ( a d v a n c e ds y s t e mb u s ) ； 先进外围总线a p b ( a d v a n c c dp e r i p h e r a l8 u s ) 。 通过a m b a 来方便地扩充各种处理器及i o ，这样，可以把d s p 、其他处 理器和i o ( 如u a r t 、定时器和接口等) 都集成在一块芯片中。 ( 6 ) 低电压低功耗的设计 由于a r m 体系结构的处理器主要用于手持式嵌入式系统之中，a r m 体系 结构在设计中十分注意这点。因此，a r m 体系结构在手持式嵌入式系统中得到 广泛的应用。根据c m o s 电路的功耗关系： 1 p c = 厂y 盎彳g c 三 ( 式3 一1 ) 二 g c 式中，f 为时钟频率：v d d 为工作电源电压；a g 是逻辑门在1 个时钟周期内 翻转的次数( 通常为2 ) ；乙三为门的负载电容。因此，a r m 体系结构的设计采 用了以下措施： 降低电源电压，可工作在3 0 v 以下； 减少门的翻转次数，当某个功能电路不需要时，禁止门翻转； 1 5 减少门的数目，即降低芯片的集成度； 降低时钟频率( 但也会损失系统的性能) 。 3 2 2a r m 处理器结构 ( 1 ) a r m 体系结构 图3 1 是a r m 体系结构图，它由3 2 位a l u 、3 1 个3 2 位通用寄存器及6 个状态寄存器、3 2 x 8 位乘法器、3 2 x 3 2 位桶形移位寄存器、指令译码及控制逻 辑、指令流水线和数据地址寄存器组成。 ( 2 ) a r m 的流水线结构 计算机中的1 条指令的执行可以分若干个阶段： 取指，从存储器中取出指令( f e t c h ) ； 译码，指令译码( d e c ) ； 取操作数，假定从寄存器组中取操作数( r c 曲； 执行运算( a l i a ) ； 存储器访问，操作数与存储器有关( m e r e ) ； 结果写回寄存器( r e s ) 。 各个阶段的操作相对都是独立的。因此，采用流水线的重叠技术可以大大提 高系统性能。如图3 2 所示，若每个阶段的执行时间是相同的，那么，在1 个周 期就可以同时执行3 条指令，性能可以改善3 倍。 但上述过程是一种理想的过程，各个阶段的操作时间有长有短，故流水线操 作有时不会十分流畅。特别是相邻指令执行的数据相关性会产生指令执行的停顿 ( s t a l l ) ，严重的会产生数据灾难( h a z a r d ) 。如图3 3 所示，第2 条指令的r e g 操作 需要第l 条指令执行的结果( r e s ) ，因此，第2 条指令在执行时，不得不产生停顿。 1 6 a l e a 3 1 ：0 1a b e 2 3 指令 d b o r q i b r e a k p l l d b g a c k e c l k n e x e c i s y n c b l 3 ：0 a p e m c l k n w a i t r l r w m a s i ：o l i t i r q n f i q n r e s e t a b o r t n t r a n s n m r r e q n o p c s e q l o c k n c p i c p a c p b n m 4 ：o 】 t b e t b l t h i g h z t ) 1 3 1 ：o j 图3 - 1a r m 体系结构图 f e t c h d e c r e g a l um e ml 阳f l ，。i 。l 。，。，l j 。1 。一一一j + 时间 图3 - 2 指4 q a 行流水线 2 指令 时闻 图3 3 流水线的停顿 3 2 3a r m 处理器的选型 鉴于a r m 微处理器的众多优点，随着国内外嵌入式应用领域的逐步发展， a r m 微处理器必然会获得广泛的重视和应用。但是，由于a r