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基于a r m 的嵌入式视频监控系统的研究 摘要 视频监控以其直观方便、准确、信息内容丰富而广泛应用于许多 场合，已经渗透到交通、城市治安、国防等多种领域，甚至家庭安防， 在人们的日常生活中扮演着越来越重要的作用。 由于传统的视频监控系统存在着结构复杂、稳定性可靠性不高、 价格昂贵而且传输距离明显受限的缺点。同时，随着近年来计算机、 网络、电子与通信、图像处理等技术的飞速发展，视频监控技术正朝 着一体化、视频全面数字化、监控网络化、系统集成化的嵌入式视频 监控方向发展。 因此，本系统采用3 2 位a r m 处理器和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，通过g p r s 模块，将图像不断的 发给远端的管理指挥中心。 本文将介绍这种基于a r m 的嵌入式远程视频监控系统的研究。 首先，介绍了嵌入式技术的发展趋势及研究现状，几种主要的操作系 统以及a r m 处理器的发展情况。然后，分析了嵌入式l i n u x 的源 代码以及内核的组成和运行原理，并论述了如何在a r m 硬件平台上 进行嵌入式l i n u x 内核的编译与移植，介绍了b o o t l o a d e r 的启动原 理及运行过程，并对在l i n u x 操作系统下的u s b 驱动程序的开发进 行了详细的研究。最后，详细论述了如何利用摄像头进行一路或者多 路的静态图像采集，以及利用g p r s 协议建立服务器完成了图像的网 络传输。 硬件方面采用u s b 摄像头与$ 3 c 2 4 1 0 处理器组成嵌入式视频采 集装置，并通过g p r s 连接宿主机从而组成视频监控系统。 软件方面分为系统软件的移植和应用软件开发两方面。系统软件 方面包含a r m 平台的b o o t l o a d e r 和嵌入式l i n u x 的移植；应用软件 方面包含前端a r m 平台嵌入式视频采集软件设计，g p r s 模块程序 设计，客户端监管系统程序设计三个部分。 关键词：a r m ，$ 3 c 2 4 1 0 ，嵌入式操作系统，火灾报警，视频监控 t h ee m b e d d e dw i r e l e s sr e m o t e v i d e om o n i t o rs y s t e mb a s e do na r m a b s tr a c t v i e w a b l er e a l t i m em o n i t o r i n gi sa ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o no fr e m o t e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g y , w h i c hc a nb eu s e di nm a n yf i e l d s ， s u c ha st r a f f i cc o n t r o l ，p u b l i cs e c u r i t y , n a t i o n a ld e f e n s ea n ds oo 。n i ta c t s am o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei no u rd a i l yl i f e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ei n v e s t i g a t i o no ft h ee m b e d d e ds y s t e m w h i c hi sb a s e do na r m t h es y s t e mc a nb ew i r e l e s sm o n i t o r e db yv i d e o f r o mf a r a w a y i tu s e st h eu s bw e b c a m e r aw i t ht h ec h i po fz c 3 01 w h i c hi sl o wi np r i c ea n dh i g hi nq u a l i t y t h r o u g ht h em o d u l eo fg p r s ， p i c t u r e sw i l lb es e n tb a c kt ot h ec o n t r 0 1c e n t e ri nt h ed i s t a n c e a tf i r s t ，s o m ek i n d so fe m b e d d e do p e r a t i o n s y s t e m sa n dt h e s i t u a t i o n so fa r m p r o c e s s o ra r ei n t r o d u c e d s e c o n d l gt h ep a p e ra n a l y z e s t h ek e r n e lo fe m b e d d e dl i n u x a n di n t r o d u c e st h eb o o t l o a d e r t h e ni t r e s e a r c h e st h ed r i v e ro fu s bd e v i c ea n dt h et r a n s p l a n t a t i o no fe m b e d d e d l i n u xo nt h ea i w p l a t f o r r n f i n a l l yt h er e a l i z a t i o no fv i d e os i g n a l c a p t u r eu n d e re m b e d d e dl i n u xi sd i s c u s s e di nd e t a i l w i t hr e g a r d st ot h eh a r d w a r ed e s i g n ，t h ee m b e d d e dv i d e oc a p t u r e s y s t e mi sc o n s i s to fu s bc a m e r aa n ds 3 c 2 4 10a si t sc p u a n da si t c o n n e c t st op ct h r o u g he t h e m e t ，t h es y s t e mo fv i d e oi n s p e c t in gc a nw o r k w e l l a sf a ra st h es o f t w a r ed e s i g n t h es y s t e ms o f t w a r ea n dt h ei n t e m e t a p p l i c a t i o n sm u s tb ed e s i g n e d f i r s tw em u s tp u tt h eb o o t l o a d e ra n d e m b e d d e dl i n u xk e r n e lt ot h et a r g e to fa r m p l a t f o r m t h e nas y s t e mo f v i d e oc a p t u r i n ga n dag p r sm o d u l en e e dt ob ed e s i g n e dt o r 1 j no nt h e p l a t f o r mo f a r m i nt h ee n dw es h o u l dd e s i g nac o n t r 0 1c l i e n tm o d u l e k e y w o r d s ：a r m ；$ 3 c 2 410 ；e m b e d d e d o p e r a t i o ns y s t e m ；f i r e a l a r m ；v i d e om o n i t o r i n g 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 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料羞有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：二芟垒日期：塑呈墨：垡：f 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：堡! 壁：尘： 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景及实际意义 目前，国际高端视频监控系统是欧美和同本的天下，他们的产品多采用多 c p u 系统，各个c p u 执行不同的任务，有的负责接收、处理和传输图像采集模 块输入的信号，有的发出报警信号。采用的控制器以1 6 位控制器为主，在通信 方面以c a n 总线方式为主。国内多数采用8 位微处理器，成本低廉，但是无法 直接同i n t e r n e t 相连接，只能通过p c 机再与互联网相连，增加了额外的工程造 价，不利于实现远程监控，可操作性差。 为适应经济和社会发展的数字化、网络化发展趋势，嵌入式系统以其体积小、 效率商、性能稳定、成本低得到了广大用户的喜爱，在各行各业大显身手。嵌入 式系统就是把计算机直接嵌入到应用系统中，它融合了计算机软硬件技术、通 信技术和半导体微电子技术，是信息技术i t ( i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ) 的高端产品。 嵌入式系统是由嵌入式处理器、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件组成。在需求 推动，技术拉动之下，嵌入式系统也由8 位系统发展到了3 2 位系统。随着技术 进步，3 2 位系统的价格也不比8 位系统高多少，有些系统使用3 2 位机整体成本 甚至比8 位机还低，这样更使3 2 位系统得到广泛应用。目前在3 2 位市场上， a r m 扮演着8 位市场上的8 0 5 1 的角色。在本课题中，我也使用的是a r m 处理 器。 在无线视频传输方面，目前设备主要采用微波方式，其致命弱点是传输距离 短，有障碍物时传输距离大为减少，多年来一直没有得到很好的解决。随着运营 商在国内大部分地区推出g r p s ，通过公共无线数据网络传输视频己成为当今研 究和应用的热点，它能彻底解决微波方式的短距离问题。 与此同时，经过多年的发展，视频盟控系统取得了长足的进步，已由模拟视 频监控进入了数字视频蛉控。综合比较之后，我们认为基于嵌入式系统的g p r s 无线数字视频监控更有发展前景。本文论述的远程视频无线监控系统采用三星公 司的a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 10 作为控制器，成功地实现了图像处理，传感器数据处 理及g p r s 无线传输等多项功能。 1 2 本课题研究领域的国内外研究动态和发展趋势 视频监控系统是一门集计算机技术、通信技术和数字视频技术于一体的综合 系统，它是安全防范系统的重要组成部分，是一种防范能力较强的综合系统。视 频监控系统以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于工业生产、交通、电力、 银行、智能办公大楼等许多场合。 在国内外市场上，主要推出的是基于模拟视频监控的工业电视监控，基于数 字技术的多媒体监控系统和基于嵌入式技术的视频监控系统三类产品。前两种技 术发展已经非常成熟、性能稳定，并在实际工程应用中得到广泛应用；后者是新 近崛起的以计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统，该系统解决 了模拟系统部分弊端而迅速崛起，但仍需进一步完善和发展。与传统的视频监控 系统相比，嵌入式方式的视频监控系统其具有体积较小、携带方便、布控区域广 阔、几乎无限的无缝扩展能力、易于组成非常复杂的监控网络、性能稳定可靠等 特点，有良好的应用和发展前景，必将成为今后视频监控领域的主流产品l i 】。 1 2 1 基于模拟视频监控的工业电视监控系统 从摄像机、电视机出现的那天起，原始的以录像机为核心的视频监控系统就 已经诞生。它被广泛应用于保安、生产管理等场合。本地模拟图像监控系统主要 由摄像机、视频矩阵、监视器、录像机等组成，由视频线、控制线缆等连接。采 用视频电缆( 少数采用光纤) 或微波进行传递，传输距离不能太远，容易受到地形 和线路的限制，主要应用于小范围内的监控，如大楼监控等。 监控图像大多只能在现场进行监视。而且，传统的模拟视频监控系统有几个 致命缺陷1 2 j ： ( 1 ) 布线复杂：传统的视频监控主机通常放置在总监控室中，现场的每一个 摄像头都要拉一根很长的同轴电缆到总监控室。传感器信号量和报警器控制信号 也需要分别布线到总监控室。 ( 2 ) 设备庞杂：传统的视频盟控系统每一个监视器只能固定监视某一个摄像 头的画面，因此总监控室通常需要摆放上十台甚至更多监视器，即使是做画面切 割，一个监视器也只能固定监视某四个摄像头的画面，而这样又凄添加昂贵的分 屏器。此外，系统还需要解码器和电源等设备。 ( 3 ) 智能化低：传统的视频监控系统视频和报警实际上是分丌来的，报警后 需要人的干预，不可能自动做一些智能化的反应；例如根据报警状况决定关廖1 某 电源或是启动某装置，通常视频总是要每天2 4 小时录像爿能保证记录到事故发 生的过程。 ( 4 ) 监控质量不高：由于模拟信号容易受干扰，所以监控质量不高。 ( 5 ) 监控的范围有限：由于模拟线路不可能很长，所以信号传输距离有限， 且无法联网，仅限于同一建筑物或工厂那。 以录像机为核心的模拟图像监控系统价格昂贵且使用和管理不便，使监控系 统达不到用户的使用要求。基于模拟视频监控的工业电视监控系统，造价极高且 浪费资源，不易推广应用，已远远不能满足越来越高的生产和管理监控需要。 1 2 2 基于数字技术的多媒体监控系统 9 0 年代中后期，计算机网络开始普及并得到迅猛发展，视频技术的发展也 同新月异，这些技术的发展特别是视频压缩技术的出现和发展，伎数字视频的存 储和传输成为可能。计算机技术的成熟和微机的普及，也为基于数字技术的多媒 体监控系统的发展创造了条件p 】。 基于数字技术的多媒体监控系统以t c p i p 协议为网络传输协议，这种数 字化的监控系统有以下优点： ( 1 ) 组网简单，具备t c p i p 协议就可完成监控组网，用网线就可实现设备 间的物理连接。 ( 2 ) 网络规模不受限制，只要能支持t c p i p 协议的网络，都可以传播多媒 体信号及控制信号。在数据传输过程中完全实现数字化，易于实现在远程网络和 复杂的网络拓扑结构中传输。 ( 3 ) 控制管理简单，支持远程控制，容易实现系统的扩容和改造。 基于数字技术的多媒体监控系统一般采用下面的结构：在远端监控现场，有 若干个摄像机、各种检测、报警探头与数据设备，通过各自的传输线路，汇接到 多媒体监控终端上，多媒体监控终端可以是一台p c 机，也可以是专用的工业机 箱组成多媒体监控终端。除了处理各种信息和完成本地所要求的各种功能外，系 统利用视频压缩卡和网络接口卡，通过数字网络，将这些信息传到一个或多个监 控中心。 由于数字信号传输的可靠性高，而且数字化的视频流数据可以通过各种方式 被连接在网络上的计算机共享，所以与模拟视频监控系统相比，基于数字技术的 多媒体监控系统具有传输距离远，图像质量好，数据保存成本低等优点。而且监 控人员无需在监控现场就可以监控现场进行实时监控，大大提高了监控工作效率 和灵活性。因此，基于数字技术的多媒体监控系统自出现后得到了广泛应用，占 据了监控系统的主要市场并逐步取代了模拟视频监控系统。 但基于数字技术的多媒体监控系统还存在许多问题： ( 1 ) 监控系统无法适应现场的使用环境，无法实现无人值守，需要专人职守， 维护繁琐。 ( 2 ) 实时性不高，稳定性、可操作性较差。 ( 3 ) 成本较高。 ( 4 ) 可扩展性差，采用专用的压缩卡和解压卡对视频数据进行压缩和解压， 只能支持一种编码格式，无法提供对其他编码方式的支持。 1 2 3 基于嵌入式技术的视频监控系统 目前虽然基于数字技术的多媒体监控系统仍然占据监控系统的主要市场，但 是它具有：结构复杂，可靠性、稳定性不高，价格昂贵，操作繁琐等缺陷。特别 是很多场合需要在一个监控现场安装多个摄像头，并需要在监控终端同时对多个 监控现场进行实时监控。对于这种需求，如果仍然采用基于数字技术的多媒体监 控系统，利用专用的压缩卡和解压卡对视频数据进行压缩和解压，就需要大量的 压缩解压卡，使整个系统更加复杂，稳定性和可靠性更低，整个系统的成本也更 高。 近年来，随着视频监控系统被越来越多的应用于各个领域，对视频监控系统 的要求也越来越高：操作简单、实时可靠、多功能、数字化、经济实用的视频监 控系统的开发和设计正越来越多的受到人们的关注。所以，基于嵌入式技术的视 频监控系统应运而生【4 j 。 ， 嵌入式系统的定义：嵌入式系统是执行专用功能并被内部计算机控制的设备 或者系统，它是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用 于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序 等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统 以其体积小、实时性高、稳定性好、支持以太网等优点，成为工控领域的新热点。 基于嵌入式技术的视频监控系统有效的将嵌入式技术和视频监控技术结合在一 起，并且可以很好的解决基于模拟视频监控的工业电视系统和基于p c 的多媒体 监控本地远程视频监控系统中存在的问题。 基于嵌入式技术的视频监控系统的主要工作原理是：采用嵌入式实时多任务 操作系统，高效压缩芯片压缩和功能强大的电脑c p u ，将视频压缩与传输处理 工作全部内置到芯片上，摄像机传送来的视频信号数字化后由高效压缩芯片压 缩，通过内部处理后转送到网络或服务器上。网络上用户直接用浏览器( 如i e 或 n e t s c a p en a v i g a t o r 等) 观看w e b 服务器上的摄像机图像，也可以通过g p r s 无线 接收模块查看定时图片1 5 1 。 4 基于嵌入式技术的视频监控系统采用专用的嵌入式芯片和实时操作系统，有 效的提高了系统的实时性和稳定性，而且把视频压缩和网络传输功能集中到一个 很小体积的设备内，可以直接接入以太网，达到即插即看，省掉了各种复杂的电 缆，且安装方便( 只需设置一个i p 地址) ，无需专人职守。 因此，基于嵌入式技术的视频监控系统必将有良好的应用与发展前景，由它 替代当前监控市场上的主流基于数字技术的多媒体监控系统将成为必然趋势。 1 3 视频监控在各种应用中的作用 以在森林防火中的应用为例，以下列举视频监控的各种作用： ( 1 ) 视频监控以直观、真实、有效而被广泛应用在许多重点防范地区。视频 监控能在森林发生火灾前及时发现火情，从而起到预防火灾的目的。 ( 2 ) 视频监控能在森林发生火灾时把现场的图像传回指挥中心，指挥中心通 过电视监控的画面指挥调度救火，最大限度的能减小火灾造成的损失。 ( 3 ) 视频监控能真实记录火灾发生前救火过程中以及救火以后现场的真实情 况从而对火灾进行处理，提供有效真实的资料。 ( 4 ) 在林区分散安置嵌入式视频监控终端多台，观测周围森林火情。对初发 火情，做到及时发现、及时救护。使火灾隐患消亡在萌芽状态。 ( 5 ) 从嵌入式视频监控终端至消防监控中心可通过g p r s 模块无线传输，森 林防火消防中心可对火情及现场情况进行实时观察，以便及时了解现场情况协调 调度指挥。 ( 6 ) 森林防火管理中心能实时监控林区火情实况。 ( 7 ) 森林防火管理中心能记录火情发生、发展和消灭的整个过程，对以后的 火情的预防、治理提供真实有效的直观资料。 ( 8 ) 中心设软件监控模块，满足一幅画面同时观看多幅画面的需要，并具有 报警连动及人工录像网络传输功能。 1 4 本文的主要任务和工作 本文根据视频监控领域的发展趋势，开发了一套基于a r m 9 处理器和u s b 摄像头的嵌入式视频监控告警系统。通过g p r s 无线传输模块将终端采集的图片 定时传输到远端的监控中心，通过j a 、，a 编写监控中心的管理控制程序，有效的 对图片进行显示，分析及处理，提高远程视频监控的管理效率。 5 本课题笔者的任务如下： 了解a r m 9 高性能3 2 位嵌入式处理器的体系结构，熟悉采用a r m 9 内核的 $ 3 c 2 4 1 0 的芯片的内部结构，掌握其中需要用到的功能单元的使用。查阅需要用 到的芯片的资料，用p r o t e l 制图软件画出开发板的设计原理图，为后继课题的设 计做准备。 探索基于嵌入式l i n u x 的软件开发流程，熟练运用各种l i n u x 下的开发工具， 为本课题搭建系统开发环境。掌握l i n u x 下驱动程序开发方法，为系统加载所需 的z c 3 0 1 摄像头驱动程序。 深入理解基于l i n u x 的v i d e 0 4 l i n u x 编程，通过编写系统软件，开发出图片 采集，编码，保存及发送的程序。 掌握g p r s 无线模块的使用，并设计完善的便于调试和扩展的流媒体传输协 议，实现视频数据的稳定传输。 1 5 本论文各章节安排 第l 章介绍了课题的背景、意义以及课题涉及的相关技术的国内外发展动 态，明确了课题研究的主要目标和任务。 第2 章介绍了系统的总体构成和各模块的工作原理。 第3 章讲述系统开发环境的搭建过程。搭建嵌入式l i n u x 系统是基于嵌入式 l i n u x 操作系统的项目的首要任务，为后面的软件开发打下基础。 第4 章介绍了u s b 摄像头视频图像采集处理模块的组成，详细介绍了其中视 频采集的关键技术和视频采集的具体实现。 第5 章介绍了g p r s 无线传输模块的技术特点和具体实现。 第6 章是总结和展望。对本系统的设计进行了总结，并提出了有待改进的问 题。 6 2 1 系统总体构成 第二章系统构成和工作原理 嵌入式视频远程无线监控系统以应用为中心，基于嵌入式a r m l i n u x 系 统构建，该操作系统可以提供免费的t c p i p 协议栈，同时由于g p r s 网络( 2 5 g 移动通信技术) 支持t c p i p 协议，这使得无线数据传输变得更加轻松，而且相 对价格比短消息等要便宜许多。本系统采用模块化的结构设计思想，将设备分为 主控模块和各个功能模块。主控模块和各功能模块之间有统一的或者特定的接口 形式，用户可根据不同的需要选用不同的功能模块，各种类型的数据可以同时传 输而不相互干扰，同时也可根据市场的需求继续扩展其它功能模块。 远程无线视频监控系统是由以下几个模块组成： 1 嵌入式a r m2 4 1 0 核心控制模块 2 自动报警模块 自动报警模块一面使嵌入式模块上的蜂鸣器发出警报声，同时发送报警信号 通过g p r s 网络及时的传回远端的监控管理中心，以便管理人员及时发现并处理 火情。 3 传感器数据处理模块 根据实际需要，系统将采集所需传感器( 如温度，烟雾传感器) 的数据，当采 集到的数据值高于报警值时，启动自动报警模块，提醒巡逻人员注意。 4 u s b 摄像头视频图像采集处理模块 5 g p r s 无线数据传输模块 6 远程监控软件模块 系统结构框图如图2 1 所示： 7 2 2 嵌入式系统介绍 2 2 1 嵌入式系统 图2 1 系统结构框图 嵌入式系统足以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠 性、成本、体秘等综合性严格要求的专用计算机系统，办即为监控系统量体裁衣 的专用计算机系统。嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。 8 硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。 软件部分包括操作系统软件( o s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。应用 程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作 用。 虽然嵌入式系统是近几年才开始真正风靡起来的，但事实上嵌入式这个概念 却很早就已经存在了。嵌入式系统的历史几乎和计算机自身的历史一样长。它们 最初于六十年代晚期在通讯中被用于控制电话交换机。由于在过去的近二十年 里，计算机产业不断朝着更小的系统方向发展，嵌入式系统也与之一起为这些嵌 入式设备提供了更多的功能。随着网络的不断普及，对于在嵌入式系统中连接到 某种网络上的需求大量增加，因而也就产生了对网络栈的要求，这样系统的复杂 程度明显提高，并要求更多的存储器和接口，进而产生了对操作系统服务的需求。 纵观嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下四个阶段： 无操作系统阶段，由于这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，因而曾经在工 业控制领域中得到了非常广泛的应用，但却无法满足现今对执行效率、存储容量 都有较高要求的信息家电等场合的需要。 简单操作系统阶段，此时的嵌入式操作系统虽然还比较简单，但已经初步具 有了一定的兼容性和扩展性，各种简单的嵌入式操作系统开始出现并得到迅速发 展。 实时操作系统阶段，此时已具备了文件和目录管理、设备管理、多任务、网 络、图形用户界面( g u i ) 等功能，并提供了大量的应用程序接i s i ( a p i ) ，从而使得 应用软件的开发变得更加简单。 面向i n t e m e t 阶段，随着i n t e m e t 的进一步发展，以及i n t e r n e t 技术与信息家 电、工业控制技术等的结合r 益紧密，嵌入式设备与i n t e m e t 的结合才是嵌入式 技术的真正未来。 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。 2 2 2 嵌入式l i n u x 的现状 嵌入式l i n u x 的开发和研究是操作系统领域中的一个热点，目前l i n u x f 在 嵌入式开发领域稳步发展。因为l i n u x 使用g p l ，是开放源代码的自由操作系统， 所以任何对将l i n u x 定制于自己特定开发板或p d a 、掌上机、可佩带设备感兴 趣的人都可以从因特网免费下载其内核和应用程序，并开始移植或开发。 9 同时l i n u x 获得了广泛的硬件支持，几乎能够在所有常用的c p u 上运行。 同时，l i n u x 内核被验证为高效和稳定的内核，它可以自由裁减，非常适合嵌入 式系统的要求。因此，近年来，嵌入式l i n u x 的发展非常迅速。 许多l i n u x 改良品种迎合了嵌入式实时市场。它们包括r t l i n u x 、t t c l i n u x 、 m o n t a v i s t al i n u x 、a r m l i n u x 和其它l i n u x 系统。 ( 1 ) r t l i n u x ，即实时l i n u x 。 r t l i n u x 是源代码开放的具有硬实时特性的多任务操作系统，它是通过底层 对l i n u x 实施改造的产物。通过在l i n u x 内核与硬件中断之间增加一个精巧的可 抢先的实时内核，把标准的l i n u x 内核作为实时内核的一个进程与用户进程一起 调度，标准的l i n u x 内核的优先级最低，可以被实时进程抢断。j 下常的l i n u x 进 程仍可以在l i n u x 内核上运行，这样既可以使用标准分时操作系统即l i n u x 的各 种服务，又能提供低延时的实时环境。 r t l i n u x 的设计思想是：应用硬件的实时约束将实时程序分割成短小简单的 部分，较大部分承担较复杂的任务。 ( 2 ) i _ m i n u x ，即“微控制器领域中的l i n u x 系统”。 在t t c l i n u x 这个英文单词中“表示m i c r o ，小的意思，c 表示c o n t r o l ，控制 的意思，所以l l c l i n u x 就是m i c r o c o n t r 0 1 l i n u x ，字面上的理解就是”针对微控制 领域而设计的l i n u x 系统i t0 l a c l i n u x 从l i n u x2 0 2 4 内核派生而来，沿袭了l i n u x 的绝大部分特性。它是专门针对没有m m u ( i 内存管理单元) 的c p u ，并且为嵌入 式系统做了许多小型化的工作。它通常用于具有很少内存或f l a s h 的嵌入式操作 系统。在g n u 通用许可证的保证下，运行t t c l i n u x 操作系统的用户可以使用几 乎所有的l i n u x a p i 函数。由于经过了裁剪和优化，它形成了一个高度优化，代 码紧凑的嵌入式l i n u x 。它具有体积小、稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、 完备的对各种文件系统的支持，以及丰富的a p i 函数等优点。 ( 3 ) m o n t a v i s t al i n u x m o n t a v i s t al i n u x 支持8 大c p u 系列和1 0 0 种以上硬件板子及2 5 0 种以上 l i n u x 应用。m o n t a v i s t al i n u x 技术领先实时性，电源管理，高可靠性和稳定性， 应用领域已经覆盖：网络基础设备、无线移动设备、通信基础设备、网络家电、 互连网设备、仪器、控制和智能手机。 ( 4 ) a r m - l i n u x 由于l i n u x 的源码丌放，内核精简且性能强悍，适用于多种硬件平台，因此 目前的嵌入式市场中l i n u x 被广泛的应用于多种设备中。特别是和a r m 嵌入式 微处理器相结合，使得l i n u x 得到了更广泛的应用。由于在目前的主流嵌入式 a r m 中大多不具有m m u ，因此只用1 m 左右的内核就能实现网络功能和任务 1 0 调度的l i n u x 系统就可以适用于从高端服务器到嵌入式应用的各级平台，而 g c l i n u x 也在嵌入式系统中广泛应用。 嵌入式l i n u x 与a r m 的结合在为我们带来更多的便利，如智能手机，办公 无线网卡等网络设备，高清电视、p l a y s t a t i o n 等，在这些产品中l i n u x 正日益成 为最受欢迎的嵌入式操作系统。作为一家微处理器知识产权供应商，a r m 的微 处理器结构在全球7 4 6 的r i s c 微处理器中被采用。过去两年，在嵌入式应用 领域，a r m 体系结构正在逐渐替代流行的x 8 6 处理器结构这种趋势依然在继续， 未来两年将有更多的嵌入式项目基于a r m 体系结构，而使用a r m 结构的百分 比也将超过x 8 6 结构。 早在1 9 9 4 年，l i n u x 就能够在a r m 结构中实现。今天，l i n u x 技术被广泛 地传播和接受，为嵌入式的发展带来了新的市场，更多客户开始在嵌入式操作系 统中首选l i n u x 。这促使a r m 不断加大对l i n u x 的支持力度，也使a r m 对l i n u x 的支持和承诺在嵌入式领域举足轻重。a r m 技术和l i n u x 成功地结合，应用于 数以百计的商业应用中。从便携式消费品、网络和无线设备，到自动化设备、医 疗设备和存储产品，这一应用列表与同俱增。a r m 和l i n u x 的结合充分满足了 各类应用对嵌入式平台高性能、低功耗和低价格的要求，通过开发环境、开源社 区和a r m 的商业伙伴的优势为嵌入式开发提供了更灵活的选择。 2 2 3 嵌入式l i n u x 的优点 l i n u x 系统不仅能够运行在p c 平台上，还可以作为嵌入式系统的可靠主力。 l i n u x 的安装和管理比u n i x 更加简单灵活，而且l i n u x 中有许多命令和编程接 口同传统的u n i x 一样。为了便于习惯了w i n d o w s 操作系统的人操作，l i n u x 的人机界面开发环境正在不断完善。 典型的l i n u x 系统经过打包，在拥有硬盘和大容量内存的p c 机上运行，嵌 入式系统不需要这么高的配置。一个带有中文系统及图形化界面的核心程序也可 以做到不足l m b ，而且同样稳定。而l i n u x 微内核只占用其中很小一部分内存， 包括虚拟内存和所有核心的操作系统功能在内，只需占用系统约1 0 0 k 内存。只 要有5 0 0 k 的内存，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 l3 8 6 微处理器上运行的很好了。由于内存要求常常是需 要的应用所决定的，比如w e b 服务器或者s n m p 代理，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。因此它是一个n 出准嵌入式市场的轻 量级操作系统。 与传统的实时操作系统相：t ( r t o s ) ，采用像嵌入式l i n u x 这样的开放源码的 操作系统的另外一个好处是l i n u x 开发团体看来会比r t o s 的供应商更快地支持 新的i p 协议和其它协议。例如，用于l i n u x 的设备驱动程序要比用于商业操作 系统的设备驱动程序多，如网络接1 3 卡( n i c ) 驱动程序以及并1 3 和串口驱动程序。 核心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。而在典型情况下该系统需结合定制的驱动程序和应用程序以提供附加功能。 嵌入式系统也常常要求通用的功能，为了避免重复劳动，这些功能的实现运 用了许多现成的程序和驱动程序，它们可以用于公共外设和应用。l i n u x 可以在 外设范围广泛的多数微处理器上运行，并早已经有了现成的应用库。 l i n u x 用于嵌入式的因特网设备也是很合适的，原因是它支持多处理器系统， 该特性使l i n u x 具有了伸缩性。因而设计人员可以选择在双处理器系统上运行实 时应用，提高整体的处理能力。例如，您可以在一个处理器运行g u i ，同时在另 一个处理器上运行l i n u x 系统。 在嵌入式系统上运行l i n u x 的一个缺点是l i n u x 体系提供实时性能需要添 加实时软件模块。而这些模块运行的内核空问正是操作系统实现调度策略、硬件 中断异常和执行程序的部分。由于这些实时软件模块是在内核空间运行的，因此 代码错误可能会破坏操作系统从而影响整个系统的可靠性，这对于实时应用将是 一个非常严重的弱点。已经有许多嵌入式l i n u x 系统的示例；可以有把握地说， 某种形式的l i n u x 能在几乎任一台执行代码的计算机上运行。 嵌入式l i n u x 由于代码开放性以及强大的网络功能，在中低端的嵌入式网 络设备中的应用有许多优势。 ( 1 ) 广泛的硬件支持。l i n u x 能够支持x 8 6 、a r m 、m i p s 、a l p h a 、p o w e r p c 等多种体系结构的处理器。 ( 2 ) 内核高效稳定。l i n u x 的内核设计非常精巧，分成进程调度、内存管理、 进程间通信、虚拟文件系统和网络接1 3 五大部分，其独特的模块机制可以根据用 户的需要，实时地将某些模块插入内核或从内核中移走。 ( 3 ) 开放源码，软件丰富。l i n u x 是开放源代码的自由操作系统，它为用户提 供了最大限度的自由度。l i n u x 的软件资源十分丰富，每一种通用程序在l i n u x 上几乎都可以找到，并且数量还在不断增加。 ( 4 ) 优秀的开发工具。使用嵌入式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丌发和调试工作，从而节省了一笔 不小的丌发费用。 ( 5 ) 完善的网络通信和文件管王罩机制。l i n u x 至诞l 三之r 起就与i n t e r n e t 密不 可分，支持所有标准的i n t e m e t 网络协议，并且很容易移植n i c k 入式系统当中。 此外，l i n u x 还支持e x t 2 、f a t i 6 、f a t 3 2 、r o m f s 等文件系统，这些都为开发嵌 入式系统应用打下了很好的基础。 因此本系统采用嵌入式l i n u x 操作系统。 2 2 4 嵌入式处理器的分析和选型 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， 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。 近年来，随着微电子技术、计算机技术、通信以及网络技术的发展，嵌入 式技术渗透到各个领域。由于被嵌入对象的复杂程度变化很大，对嵌入式系统本 身在性能、体系结构等方面要求多样化，导致了嵌入式系统及其应用的多样性。 作为嵌入式系统核心的嵌入式微处理器必须应对嵌入式应用面临的挑战，而 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 嵌入式微处理器，以其完整的体系结构发展系 列，极小的体积、极低的功耗、极低的成本、极高的性能，及时根据嵌入的对象 的不同进行功能上的扩展的优势，在众多种类的嵌入式微处理器中脱颖而出。 a r m 的设计实现了非常小但高性能的结构。a r m 处理器的结构简单使得其内核 十分的小，因此器件的功耗非常低。 首个被设计的a r m 处理器芯片采用的加载存储体系结构是典型的精简指 令集计算机( r m c ) 结构。a r m 体系结构继承了r i s c 结构中的加载存储体系 结构、固定长3 2 位指令和三地址指令格式。a r m 处理器大量使用寄存器，指令 执行速度更快，大多数数据操作都在寄存器完成【6 】。 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： ( 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能； ( 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器 件； ( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快； ( 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成； ( 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高： ( 6 ) 指令长度固定。 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司自1 9 9 0 年币式成立以来，在3 2 位 r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) c p u 开发领域不断取得突破，其结构已经 从v 3 发展到v 6 。由于a r m 公司从不生产或销售芯片，而是设计出高效的 i p ( i n t e l l i g e n c ep r o p e r t y ) 内核，向各大半导体制造商出售知识产权，加上其设计的 r i s c 处理器具有性能高、功耗低、成本低等显著优点，因此获得众多的半导体 厂家和整机厂商的大力支持1 7 j 。 s a m s u n g 公司$ 3 c 系列芯片是国内市场占有率最高的a r m 核处理器芯片， 其中基于a r m 9 内核的芯片$ 3 c 2 4 1 0 ，其接口模块丰富，适用面广，可用于手 持设备、可视电话、楼宇的对讲系统、v o i p 、网络监控、多媒体终端产品、医 疗电子设备和各种其它移动无线应用等。 $ 3 c 2 4 1 0 是基于a r m 9 2 0 t 处理器核的1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微控制器，该 内核由a r m 9 t d m i 、存储管理单元( m m u ) 和高速缓存三部分组成。其中，m m u 可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的1 6 k b 的指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e 组成。$ 3 c 2 4 1 0 的资源丰富，包括：1 个l c d 控制器、s d r a m 控制器，n a n d 闪存控制器，3 路u a r t 、4 路d m a 、4 路带p w m 功能的计时器和1 个内邦时 钟、1 1 7 位通用i o 口和2 4 位外部中断源、8 路1 0 位a d 控制器、触摸屏接 口、1 2 s 总线接口、2 个u s b 主机接口、1 个u s b 设备接口、s d 接口和m m c 卡接口、看门狗计数器、2 路s p i 。在处理器丰富资源的基础上，$ 3 c 2 4 1 0 核心 板上还配置了1 6 m b1 6 b 的f l a s h 和6 4 m b3 2 位的s d r a m 引。 在数字视频传输开发方面：数字视频信号分为前端和后端数字视频信号，前 端数字视频是a r m 嵌入式处理器产生的原始数字视频信号；后端数字视频是发 送给d a 的数字视频信号。数据的质量和速度是一对矛盾，有速度就会对数据