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嵌入式数字视频记录系统研究 学科：控制理论与控制工程 研究生签字：刨 指导教师签字： 摘要 随着数字化技术和民用摄录像技术的发展，数字记录技术在普通民用领域得到了广泛 的应用。采用数字图像压缩技术实现高压缩比、高质量的数字图像记录系统已成为可能。 本文所研究的嵌入式数字音视频记录系统是一种专门用于记录和保存车辆行驶过程中重 要信息的智能化设备，可为汽车事故的调查提供客观依据，还可以使汽车在行驶中及时发 现安全隐患，防患事故于未然。本课题的研究是为了扩大视频记录系统的应用领域，更好 地发挥这类产品在防范犯罪、维护社会稳定和增强人们的安全感等方面的积极作用。 本系统采用高压缩比的m p e g 4 压缩标准的硬件压缩芯片i m e 6 4 0 0 和a r m 微控制 器设计了一种嵌入式数字音视频记录系统。该系统通过麦克和摄像头采集音视频数据，经 过可编程音视频采集芯片p c m l 8 0 8 和s a a 7 1 1 1 对音视频信号进行a d 转换，在i m e 6 4 0 0 中对音视频数据进行编码压缩，a r m 微控制器l p c 2 2 10 控制压缩好的数据流通过i d e 接口存入电子盘。本文具体介绍了i m e 6 4 0 0 与p c m l 8 0 8 、s a a 7 1 1 l 和l p c 2 2 1 0 的接口 电路设计，以及i m e 6 4 0 0 的f i r m w a r e 固件程序的下载和m p e g 一4 格式视频数据流的存储。 该系统提高了图像质量同时降低存储容量，其成本较低、体积较小、应用灵活，具有良好 的通用性和可靠性。经验证，这是一个具有一定的实际应用价值的方案。 关键字：嵌入式系统；视频压缩；m p e g 4 ；i m e 6 4 0 0 r e s e a r c ho fe m b e d d e dd i g i t a lv i d e or e c o r d i n gs y s t e m d i s c i p l i n e ：c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： a b s t r a c t w i t h i n gt h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e c h n o l o g ya n d c i v i l i a np h o t ov i d e ot e c h n o l o g y , d i g i t a l r e c o r d i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e df o rc i v i lu s e i ti sp o s s i b l et ou s e t h et e c h n o l o g yo f d i g i t a li m a g ec o m p r e s s i o nt oa c h i e v eh i g hc o m p r e s s i o nr a t i o ，h i g h q u a l i t yd i g i t a li m a g e r e c o r d i n gs y s t e m i nt h i st h e s i s ，e m b e d d e dd i g i t a la u d i o & v i d e or e c o r d i n gs y s t e m i sai n t e l l i g e n t d e v i c ew h i c hi sd e d i c a t e dt or e c o r da n ds a v et h ei m p o r t a n ti n f o r m a t i o ni no r d e rt op r o v i d ea n o b j e c t i v eb a s i sf o rc a ra c c i d e n ti n v e s t i g a t i o n s m e a n w h i l e ，w h i l et h ec a ri sr u n n i n g ，i ta l s oc a n d e t e c tp o t e n t i a ls a f e t yp r o b l e m s ，t op r e v e n ta c c i d e n ti nt h ef i r s tp l a c e t h er e s e a r c ho ft h ep a p e r i st oe x p a n dt h ea p p l i c a t i o na r e a si nv i d e or e c o r d i n gs y s t e m ，t om a k es u c hp r o d u c t sp l a yam o r e a c t i v er o l ei nt h ep r e v e n t i o no fc r i m e ，m a i n t a i n i n gs o c i a ls t a b i l i t ya n de n h a n c i n gp e o p l e ss e n s e o fs e c u r i t y t h es y s t e mi sa ne m b e d d e dd i g i t a la u d i o & v i d e or e c o r d i n gs y s t e m ，w h i c hi sd e s i g n e d u s i n g t h eh a r d w a r ec o m p r e s s i o nc h i pi m e 6 4 0 0i n h i 【g hc o m p r e s s i o nr a t i o o fm p e g - 4 c o m p r e s s i o ns t a n d a r da n da r m m i c r o c o n t r o l l e r s t h es y s t e mc o l l e c t e da u d i o & v i d e od a t ab y m i c r o p h o n ea n dt h ec a m e r a ，a f t e ra dc o n v e r s i o nb yp r o g r a m m a b l ea u d i o & v i d e oc o l l e c t i o no n t h ec h i ps a a 71 1ia n dp c m 18 0 8 ，t h e ne n c o d ea u d i o & v i d e od a t ac o m p r e s s i o ni ni m e 6 4 0 0 a t l a s t ，t h ed a t a ，h a v i n gp r o c e s s e db ya r m m i c r o c o n t r o l l e rl p c 2 210c o n t r o l ，w a ss a v e di n t o f l a s hd i s kt h r o u g ht h ei d ei n t e r f a c e t h i sa r t i c l ed e s c r i b e ss p e c i f i ci m e 6 4 0 0w i t hp c m 18 0 8 ， s a a 71 11a n dl p c 2 210i n t e r f a c ec i r c u i td e s i g n ，a sw e l la sd o w n l o a d i n gf i r m w a r eo ft h e i m e 6 4 0 0a n ds t o r i n go fm p e g 4f o r m a tv i d e od a t as t r e a m t h es y s t e mi m p r o v e st h ei m a g e q u a l i t yw h i l er e d u c i n gt h es t o r a g ec a p a c i t y ，a n di t h a ss o m ea d v a n t a g e ss u c ha sl o w e rc o s t ， s m a l l e rs i z e ，f l e x i b i l i t y , g o o dv e r s a t i l i t ya n dr e l i a b i l i t y t e s t i f i e d ，i ti sap r o g r a mo fc e r t a i n p r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；v i d e oc o m p r e s s i o n ；m p e g - 4 ；i m e 6 4 0 0 学位论文知识产权卢明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。大学有权保留送交的 学位论文的复印件，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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 指导教师签名 日期： ：庸 沙7 o j o g ， 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明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，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其它用途使用过的成果。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致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：钊q 指导教师签名： 同期： 6 7 莎红m 参莎 以叫 1绪论 1 绪论 1 1 研究背景 视频信号采集及存储技术历史不长，但其发展速度十分迅速。该技术在交通系统、银 行系统、智能建筑和高档住宅等重要场所都有比较广泛的应用。这些场所的采集和存储功 能都是依靠台式机、大容量硬盘的承载而实现较长时问的纪录。这类视频记录系统能够充 分利用计算机的快速处理能力，对其进行压缩、分析、存储和显示，并通过视频分析，可 以及时发现异常情况并进行报警，从而实现无人值守。同时它可以实现多路实时监控，在 一台显示器上同时观看多路视频图像，存储模式采用大容量硬盘来存储采集到的视频信 号，能够存储长达几个月的数据量，并且用计算机建立检索，便于日后的查找和回放。但 是此类产品的体积较大，携带不方便，而且价格都相对较为昂贵，主要使用在一些没有剧 烈震动的场合和温度变化范围不大的场合。针对这种情况，目前国内外的发展趋势是使用 嵌入式系统来实现该技术。嵌入式系统不仅可以获得高质量、低码率的视频图像，而且具 有体积小、功耗低、可靠性高以及价格低等优点，是视频记录系统低成本化的理想解决方 案【1 圳。 1 2 选题意义 随着数字化技术和民用摄录像技术的发展，数字记录技术在普通民用领域得到了广泛 的应用。视频记录方式由模拟向数字化方向发展。随着大规模集成电路的发展，采用数字 图像压缩技术实现高压缩比、高质量的图像数字压缩记录系统已成为可能。数字化的记录 方法可以将视频数据经过压缩记录在大容量的存储器上，并能有效消除噪声、增加记录时 间、加快复制速度，快速查找和回放，同时还可以快速地通过计算机网络进行传送。 本文所研究的嵌入式数字音视频记录系统是一种专门用于记录和保存车辆行驶过程 中重要信息的智能化设备，可为汽车事故的调查提供客观依据，为事故责任认定和汽车治 安提供第一手的视频资料，还可以使汽车在行驶中及时发现安全隐患，为危险品运输车辆、 长途汽车加装汽车行驶记录仪来记录车辆行驶中重要数据，防患事故于未然，车辆行驶中 的信息记录仪是一个极有市场价值的汽车电子设备。本课题的研究是为了扩大视频记录系 统的应用领域，更好的发挥这类产品在防范犯罪、维护社会稳定和增强人们的安全感等方 面的积极作用1 3 j 。 1 3 研究现状 视频记录一直是人们关注的应用技术热点之一，它以其直观、方便、信息内容丰富而 被广泛应用于许多场合。在电子技术与通信技术的发展过程中，视频记录系统的技术水平， 两安jl ：业人学硕+ 学位论文 直接反映了不同阶段电子与通讯的技术状况。视频记录系统的发展大致经历了三个阶段： 1 ) 在2 0 世纪9 0 年代初以前，主要是以模拟设备为主的闭路电视视频记录系统，称 为第一代模拟记录系统。从摄像机、电视机出现的那天起，原始的视频记录系统就已诞生。 它被广泛应用于保安、生产管理等场合。本地视频记录系统主要由摄像机、视频矩阵、监 视器、录像机等组成，由视频线、控制线缆等连接。模拟视频系统一般采用模拟方式信号 传输，采用视频电缆( 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， 如大楼监控等。视频图像一般只能在控制中心查看。 2 ) 9 0 年代中期，随着计算机处理能力的提高和视频技术的发展，出现的基于p c 机 的多媒体主控台系统称为第二代数字化本地视频记录系统。这种系统利用计算机的高速数 据处理能力进行视频的采集和处理，利用显示器的高分辨率实现图像的多画面显示，从而 大大提高了图像质量。数字视频压缩编码技术的日益成熟，计算机的普及化，为基于p c 的多媒体视频记录创造了条件。这种视频记录系统是一般采用以下的结构：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 体视频记录终端。除了处理各种信息和完成本地所要求的各种功f l 汐l - ，系统利用视频压缩 卡和通信接口卡，通过通信网络，将这些信息传到一个或多个监控中心。基于p c 的多媒 体视频记录系统功能较强，但稳定性不够好；功耗高；需要有人值守；同时，软件的丌放 性不好。 3 ) 在2 1 世纪以后，随着计算机处理能力和存储容量的快速提高，以及各种实用视频 处理技术的出现，视频记录步入了全数字化的时代，称为第三代数字视频记录系统。近两 年随着视频系统被越来越多的应用于各个领域，对视频记录系统的要求也越来越高：操作 简单、实时可靠、多功能、数字化、经济实用的视频记录系统的开发和设计正越来越多地 受到人们的瞩目。基于嵌入式技术的视频记录系统应运而型4 1 。 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、适应应用系统 对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统以其本身体 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 术的视频记录系统有效地将嵌入式技术和视频技术结合在一起，可以很好地解决基于p c 的视频记录系统中存在的问题。 嵌入式数字视频记录系统是新近崛起的以数字视频压缩技术为核心的新型视频记录 系统，是数字视频处理技术、计算机网络技术和嵌入式技术有机结合的高科技产品。它一 经出现，便以其优异的性能展现出了强大的生命力。总的来说，嵌入式数字记录系统与传 统的视频记录系统相比具有如下优点： 处理速度快、画质好。系统采用专用的高精度、高分辨率的音视频压缩处理芯片， 使所产生的监控音视频数据可以高效率实时的得到压缩处理，不会出现停顿、延迟现象。 控制操作简单方便。使用友好的人机交互界面，只需操作鼠标就能轻松实现各种 l绪论 操作。用户不仅可以在监控主机上进行集中控制，还可以通过计算机网络远程控制摄像机 的状态和监控效果。 存储方便。压缩后所产生的文件可以保存在硬盘或光盘中，还可以通过计算机网 络把资料存储在网络上的计算机中。 节约成本。嵌入式数字视频记录系统的监控单元仅需一个数字摄像头和嵌入式视 频服务器。嵌入式视频服务器采用专用的处理芯片和开放源代码的操作系统，整套系统成 本可以很好的控制。 体积小巧，安装方便。嵌入式数字视频记录系统使用高集成度的处理芯片构建， 整体硬件构建主要就是安装芯片和接口电路的电路板，体积只有普通p c 的十几分之一。 安装后现场无需专人值守，稳定性高，实时性好。 传输方便。视频豁控服务器可以支持e t h e r n e t 、c d m a 、g p r s 等多种传输方式。 视频数据可以通过已有的计算机网络，快捷、方便地在l a n i n t e r n e t 上远距离传输，实 现远程监控。 综上所述，嵌入式数字视频记录系统充分发挥了计算机多媒体技术、网络技术、嵌入 式技术等的优势。与传统模拟监控系统相比，新系统具有附属设备少、性价比高、操作简 单、信息查询方便等特点。因此，受到了学术界、产业界和使用部门的高度重视。 目自订，国外的数字视频监控技术正朝着多元化和网络化方向发展，技术水平较高的是 美国、以色列等国。其中由于美国在集成电路、数字通信和图像压缩技术上的优势和长期 的积累，在这一领域处于明显的领先地位。如美国的d i g i g u a r di 型数字记录系统是一个 功能全面、突出远程传输的数字安全防范系统，具有多画面同时监控录像和回放、软件图 像检测和硬件感应器触发报警，可在5 6 k b p s 普通电话线条件下，传输q c i f ( 3 8 4 x 2 8 8 ) 格 式图像，其帧速率可达1 0 帧秒以上，并可在远程计算机上实时监视、控制、记录监控端 采集的视频信号。d i g i g u a r di i 型系统支持局域网和i n t e m e t 方式，在1 0 m b p s 局域网中， 传输q c i f ( 3 8 4 x 2 8 8 ) 格式图像，帧速率可达2 5 帧秒，每一个监控端可达1 6 路视频信号 输入，切换与轮巡方式显示，1 6 路警报信号输入，2 路继电器输出，1 路音频对讲，支 持远程操作及控制等功能。以色列d i m e x 公司的d 2 v r 数字视频网络监控系统具有图像 自动压缩功能，压缩比可在2 1 0 0 之间由用户自定义，视频信息可通过网络实现共享、 实现远程监视，捕获的图像质量高，回放时不会出现闪烁不稳定情况，可同步输入4 到 1 6 路视频信息，并具有“w a t c hd o g ”监控机制，在系统遇到意外中断时能自动重新启动等 优良性能。但这些系统由于价格昂贵，不适合我国国情，难以在我国推广应用【5 】。 国内视频监控技术水平比国外要相对落后一些。首先，由于受i c 集成电路设计制造 水平的限制，目前国内还没有自主版权的视频编码压缩专用芯片；另外，在数字视频采集 压缩的板卡产品中，国内市场也大多数是进口产品，较有影响的数字视频压缩卡研发公司 有北京的银河公司，但在市场上处于低档产品，市场占有率也不大，缺乏影响力；其次， 国内从事视频记录系统开发具有代表性的公司，如三泰电子公司、厦华电子公司等，其产 两安y 2 l e 人学硕十学位论文 品与国外先进水平相比，也存在以下几方面明显的差距 6 】： 系统可靠性差、功能弱。目自 国内视频记录系统终端机都是采用工控p c 机加上 视频数据压缩卡( 或采集卡) 方案进行构造，并没有按视频监控系统专用设备的要求进行优 化设计。因此易造成板卡和插槽等接触不良而导致系统可靠性降低；另外，很多国产系统 没有事件报警、远程监控和信息处理功能。 视频数字化处理关键基础件对国外公司依赖性强。除进1 2 1 外，国产的数字视频监 控系统关键基础件数字视频编码压缩模块设计都是基于国外公司生产的专用硬件芯 片( 如w i n b o n d 的m p e g 芯片) 。因此系统的性能、价格、升级等受到国外公司的很大牵 制，并存在国外芯片厂家被并购而导致无法供货或无法技术支持等j x l 险。 多画面视频播放器效率低，影响远程监控的图像清晰度和质量。远程监控系统的 监视器，一般要同时播放8 路、1 6 路，甚至更多的监控信息，目f j 的视频播放器没有有 效解决多路视频信号实时播放问题。 网络传输实时性和视频流系统复合同步性较差。目前视频记录系统的网络传输采 用t c p i p 协议，但单纯的t c p i p 难以适应连续监控视频流的通信要求，易产生信号网 络传输较大延时，并影响视频流的同步和视频图像质量。 由于数字视频监控产品潜在的巨大市场和可观经济效益，我国现有许多企业、高校和 科研机构在从事与数字视频记录相关的技术研究和系统丌发，己有一批可以实用化的成 果。而且就目前先进的数字视频记录系统而言，在视频压缩、分析、传输、存储和分级控 制等方面仍有待提高和完善。因此，开发技术含量高的多媒体视频传输系统是大势所趋， 己势在必行【7 - 引。 1 4 论文工作 论文主要论述了嵌入式数字音视频记录系统的设计和实现，主要分为五章： 第一章是绪论部分，主要介绍了嵌入式数字音视频记录系统设计项目的研究背景，同 时分析了国内外视频记录系统的研究现状。 第二章介绍了系统的总体规划，主要介绍视频记录系统的理论基础，系统每个功能的 模块相关理论以及系统的总体设计方案。 第三章介绍了系统的硬件设计，主要介绍了a r m 最小系统设计、a d 模块外围电路 设计、压缩模块外围电路设计及存储模块外围电路设计的实现。 第四章是系统的软件部分设计，主要是介绍解码芯片的初始化控制程序、压缩芯片的 f i r m w a r e 固件程序的下载以及a r m 对i d e 电子盘写操作的实现。 第五章介绍了嵌入式数字视频记录系统的调试，先介绍了整个系统的硬件调试的方法 和注意点，然后介绍软件凋试，最后进行软硬件协同调试。 第六章是总结和展望，主要是对论文工作的总结，对现有的方法进行分析，预见不足 的同时展望更加优越的视频记录系统。 4 2 系统总体方案设计 2 系统总体方案设计 本章主要介绍了嵌入式数字视频记录系统中相关理论基础和总体规划，其中包括嵌入 式视频记录系统中所涉及的数据编码压缩技术。针对视频记录的应用要求，对相应的关键 技术进行比较，选择了合适的技术应用在本系统上。 2 1 常用的图像压缩标准 1 ) m p e g - 1 标准 m p e g 即m o v i n g p i c t u r ee x p e r tg r o u p ( 运动图像专家组) ，它是专门从事制定多媒体音 视频压缩编码标准的困际组织。m p e g 系列标准已成为国际上影响最大的多媒体技术标 准，其中m p e g 1 和m p e g 2 是采用以仙农信息论为基础的预测编码、变换编码、熵编 码及运动补偿等第一代数据压缩编码技术。 m p e g 和i s o 在1 9 9 1 年1 1 月提交了i s o i e c1 1 1 7 2 标准“用于数字存储媒体的 码率为1 5 m b i t s 的活动图像及其声音编码”的建议草案，即通常所说的m p e g 1 。该标 准于1 9 9 2 年1 1 月通过，1 9 9 3 年8 月公布。它是为工业级标准而设计的，可适用于不同 带宽的设备，如c d r o m ，v i d e o c d 等。m p e g 1 的视频主要面向速率为1 5 m b p s 的视 频信号的压缩编码，音频主要面向每通道6 4 k b s ，1 2 8 k b s 以及1 9 2 k b s 的数字音频信号 的压缩。其最终目标是在一个可以接受的声音及图像质量下将多媒体数据压缩为大约 1 5 m b p s 的数据流。m p e g 1 现已成为常规视频标准的一个子集，可以被用束作为记录媒 体或在i n t e m e t 上传输，如用于视频点播( v o d ) ，远程视频监控等。 2 ) m p e g - 2 标准 1 9 9 2 年7 月m p e g 专家组制订了m p e g 2 。m p e g 2 是m p e g 制定的第二个国际标 准。经过多次讨论和测试，于1 9 9 3 年1 1 月产生了m p e g 2 草案，即“活动图像及声音 的通用编码”，1 9 9 4 年正式定为国际标准。m p e g 2 所追求的是图像质量，即为d v b ， h d t v 和d v d 等制定的3 m b p s 1 0 m b p s 的运动图像及其伴音的编码标准。 m p e g 2 标准扩展了m p e g 1 标准，能够支持高分辨率图像和声音。m p e g 一2 在n t s c 制式下的分辨率可达7 2 0 4 8 6 ，它还可提供广播级的图像和c d 级的音质。m p e g 2 的 音频编码可提供左右中及两个环绕声道，以及一个重低音声道和多达7 个伴音声道。因为 m p e g 2 可以提供一个较广的范围改变压缩比，以适应不同画面质量、存储容量以及带宽 的要求，所以除了作为v c d 和d v d 的指定标准外，m p e g 2 还可用于为广播、有线电 视网、电缆网络以及卫星直播提供广播级的数字视频。 3 ) m p e g - 4 标准 m p e g 4 是新一代基于内容的多媒体数据压缩编码国际标准，它与传统视频编码标准 的最大不同在于第一次提出了基于对象的视频编码新概念。基于内容的交互性是m p e g 4 阿安r ：业大学硕十学位论文 标准的核心思想，这对于视频编码技术的发展方向及广泛应用都具有特别重要的意义。 m p e g 4 全称叫视听对象的编码( c o d i n go f a u d i o v i s u a lo b j i e c t s ) 。它的初衷是视频会 议、可视电话的低比特率编码，原标准名称是甚低速率编码( v e r y 1 0 wb i tr a t ea u d i o v i s u a l c o d i n g ) ，但是在制定中，m p e g 4 感受到两个变化，一是高性能通用芯片性价比的提高使 得基于软件平台的压缩编码方法具有实用的可能；二是人们对多媒体信息特别是视频信息 的应用要求从单纯播放型转向到基于内容的访问和操作型。针对这个两变化，m p e g 4 修 改了工作计划，制定了现在意义上的m p e g 4 标准。 m p e g 4 标准的目标与以往m p e g 1 2 标准有很大的不同，主要目标是： 基于对象的压缩标准。 具有可交互性。 码率范围宽( 5 k 1 0 mb i t s ) 。 它强调低码率( 5 6 4 k b s ) ，加强了m p e g 4 标准在互联网上的应用适应性。m p e g 4 不仅针对一定比特率下的视频、音频编码，它更加注重多媒体系统的交互性和灵活性，其 应用前景极为广阔。 m p e g 4 具有三大优点： m p e g 4 的压缩比高，使高码率的视频传输成为可能。在 公用电话线上可以连续传输视频，并能保证图像质量，这是其它技术做不到的；节省存 储空间。由于m p e g 4 算法比m p e g 1 、m p e g 2 更为优化，因而在压缩率上更高；图 像质量好。m p e g 4 的最高图像清晰度为7 5 6 * 5 7 6 ，采用基于对象的识别编码模式，可以 达到接近d v d 的画面效果，使得它的图像高清晰度非常好。 m p e g 4 在功能上的特点主要有： 基于内容的交换性 基于内容的操作和比特流的编辑：支持无须编码就可以进行基于内容的操作与比特流 编辑。例如：使用者可在图像或比特流中选择一个具体的对象( 如图像中的某个人、某个 建筑物等) ，随后改变它的某些特性。 自然与合成数据混和编码：将自然视频图像与合成数据( 如文本、图形等) 有机结合起 来进行编码、同时支持交互性操作。 增强的时问域随机存取：m p e g 4 提供有效的随机存取方式，即在有限的时间间隔内， 可按帧或任意形状的对象，对音频、视频序列进行随机存取。 高压缩率 提高编码效率：与现有的或正在制定的标准相比，m p e g 4 标准将提供更好的主观视 觉质量的图像。这一功能可能在迅速发展的移动通信中获得应用，更值得注意的是提高编 码效率不是m p e g 一4 的唯一主要目标。 对多个并发数据流的编码：m p e g 4 提供对景物的有效多视角编码，加上多伴音声道 编码及有效的视听同步。在立体视频应用方面，m p e g 4 将利用对同一景物的多视点观察 所造成的信息冗余进行编码优化。m p e g 4 的这一功能在足够的观察视点条件下，将有效 6 2 系统总体方案设计 地描述三维自然景物。 灵活多样的存取 错误易发环境中的抗错性：“灵活多样 是指m p e g 4 允许采用各种有线、无线网络 和各种存储媒体。在各种情况下，m p e g 4 将提高抗错误能力，尤其是在易发生严重错误 的环境下的低比特率应用中。m p e g 一4 是第一个在其音视频表示规范中考虑信道特性的标 准，其目的是提供一种对抗残留错误的坚忍性，如错误掩盖。 基于内容的扩展性：内容扩展性意味着给图像中的各个对象分配优先级，其中，比较 重要的对象用较高的空i i j 、时间分辨率来表示以达到更好地应用要求，不重要的也就只需 要少量数据就可以完成，即节省了带宽又降低了计算延迟。基于内容地扩展性是m p e g - 4 中灵活多样性中的一个关键因素，因为它提供了白适应使用资源的能力。例如：它允许制 作者规定对具有最高优先级的对象用可以接受的质量进行显示，第二优先级的对象则以较 低的质量显示，而其余内容对象则不予显示。可见，这种方式能最有效地利用有限的资源。 m p e g 4 代表了基于模型对象的第二代压缩编码技术，它充分利用了人眼视觉特性， 抓住了图像信息传输的本质，从轮廓、纹理思路出发，支持基于视觉内容的交互功能，这 适应了多媒体信息的应用由播放型转向基于内容的访问、检索及操作的发展趋势【9 】。 2 2 嵌入式处理器 嵌入式系统的定义是：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应 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。嵌入式系统一般 是由嵌入式处理器、嵌入式系统软件和嵌入式应用软件组成，其中嵌入式处理器是最核心 部分【10 1 。 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 ) 型处理器具有结构简单、处理速度快和处理功 能强等优点，当前的嵌入式系统大多数都采用r i s c 型处理器。如a r m 公司的a r m 、 h i t a c h i 公司的s h 、m i p s l s il o g i c a l d e n y t o s h i b a 公司的m i p s 和m o t o r o l a 公司的 m c o r e 等都是常用的r i s c 型处理器。针对我们这个系统的要求，考虑到a r m 处理 器在价格，处理器速度，功耗，开发工具成本，丌发资料等方面具有优势，最后决定选择 使用a r m 处理器。 2 2 1a r m 处理器 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司是一个知识产权供应商、设计公司，专注于设计 低功耗、低成本、功能强，特有1 6 3 2 位双指令集的微处理器内核。2 0 0 1 年初，a r m 公 司的3 2 位r i s c 处理器市场占有率超过了7 5 ，引起业界的极大关注。a r m 公司本 身不生产芯片，靠转让设计许可，由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片，截至2 0 0 2 年 1 2 月3 l 同，全世界范围已有1 0 8 个合作伙伴( 包括i n t e l ，t i ，i b m ，p h i l i p s ，m o t o r o l a ， s a m s u n g 等等) ，a r m 已成为移动通信、手持计算、视频数字消费等嵌入式解决方案的 r i s c 标准。 7 两安i ：业人学硕十学位论文 a r m 3 2 位体系结构目前被认为是业界领先的3 2 位嵌入式r i 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，在软件开发上可获最大的回报。 1 ) a r m 内核系列 a r m 内核分为a r m 7 ，a r m 9 ，a r m l0 ，a r m l1 ，s t r o n g a r m 和x s c a l e 等几类。 不同内核有不同的市场定位： a r m 7 a r m 7 系列为低功耗3 2 位内核，最适合对价位、性能和功耗敏感的消费类应用，是 目前应用很广泛的3 2 位高性能嵌入式r i s c 处理器。主要特点有： 三级流水线处理，提供o 9 m i p s m h z ； 采用a r m v 4 t ( n e w m a n ) 结构，每条指令平均执行1 9 个时钟周期。 其中的a r m 7 2 0 和a r m 7 4 0 为内带c a c h e 的a r m ，a r m 7 2 0 t 带有全性能m m u ， 可以支持l i n u x ，w i n c e ，s y m b i a n ，l ac o s i i 等r t o s 。 a r m 9 a r m 9 系列是高性能和低功耗特性方面最佳的微处理器内核。它具有： 五级流水线处理和分离的c a c h e 结构，提供1 1 m i p s m h z 高性能； 采用a r m v 4 t ( h a r v a r d ) 结构，每条指令平均执行1 5 个时钟周期； 支持3 2 位高速a m b a 总线接口。 其中的a r m 9 2 0 ，a r m 9 4 0 和a r m 9 e 为含c a c h e 的c p u 核。 a r m l 0 a r m l 0 较a r m 9 有很大性能的提高： 六级流水处理，指令与数据分离的c a c h e 结构，提供1 2 5 m i p s m h z 高 性能； 采用a r m v 5 t ( h a r v a r d ) 结构，每条指令平均执行1 2 个周期； 支持3 2 位高速a m b a 总线接口和d s p 指令集。 其中的v f pl o ( 矢量浮点单元) 为七级流水结构。 s t r o n g a r m s t r o n g a r m 处理器采用a r m v 4 t 的五级流水结构，是与i n t e l 合作丌发后授权给i n t e l 的内核，目前有s a l l 0 ，s a l l 0 0 以及s a l l l o 等三个。主要用于便携通信和消费电子产 品。 x s c a l e i n t e lx s c a l e 是基于a r m v 5 t e 体系结构的高性能微处理体系，提供一种全性能、高 性价比、低功耗的解决方案。主要用于移动手机、p d a 和网络等。 2 ) a r m 体系结构简介 a r m 内核中有多个功能模块可供生产厂商根据不同用户的不同要求来配置生产，其 2 系统总体方案设计 模块分别用各个参数表示：t 、d 、m 、i 、e 、j 和f 。 t ：表示t h u m b ，该内核可从1 6 位指令集扩充到3 2 位a r m 指令集。 d ：嵌入式i c e r t 逻辑，为a r m 核提供了集成的片上调试支持。可以使用嵌入式 i c e r t 逻辑来编程断点或者观察点。 m ：表示长乘法指令，包括4 个附加指令完成3 2 * 3 2 - - * 6 4 的乘法和3 2 * 3 2 + 6 4 的乘法 运算。 i ：表示e m b e d d e di c el o g i c ，用于实现断点观测及变量观测的逻辑电路部分，其中 的t a p 控制器可接入到边界扫描链。 e ：增强d s p 指令，可以有效的增加a r m 处理器处理数据的性能，在v 5 t 及其之 后的处理器中使用。 j ：j a z e l l e ，可直接执行硬件和软件中的j a v a 字节码，为j a v a 虚拟机提供了最佳化的 执行能力，不仅提高了执行速率，还在移动器件中有着很好的应用，该技术与j 2 m e t m 的结合，将为无线领域的o e m 厂商提供运行j a v a 平台的专用j a v a 虚拟机。 f ：矢量浮点单元，支持浮点的加、减、乘、除、乘加和平方根运算，兼容i e e e 7 5 4 的 单精度和双精度格式。 2 2 2a r m 系列开发工具 根据功能不同，a r m 应用软件的开发工具分别有：编译软件、汇编软件、链接软件、 调试软件、实时操作系统、函数库、评估板、j t a g 仿真器和在线仿真器等。 下面介绍一下比较流行的丌发工具。 1 ) 软件开发工具 一般集成开发环境i d e 包括了编辑、编译、汇编、链接、调试、工程管理等功能的 软件，a r ma d s 是a r m 公司推出的a r m 集成开发工具，支持a r m 全系列处理器。 a r ma d s 包括：优化的代码生成工具；功能强大的c o d ew a r r i o r 集成丌发环境：2 个调 试器( a x d ，a r m s d ) ；指令集模拟器；a r m 开发包；a r m 应用库。支持a n g e l 和 m u l t i i c e ( j t a g ) 调试。有了这些部件，用户就可以为a r m 系列的r i s c 处理器编写和调 试自己的开发应用程序了。 2 1j t a g 仿真器 j t a g 仿真器也称为j t a g 调试器，是通过a r m 芯片的j t a g 边界扫描口进行调试 的设备。j t a g 仿真器比较便宜，连接比较方便，通过现有的j t a g 边界扫描口与a r mc p u 核通信，属于完全非插入式( 即不使用片上资源) 调试，它无需目标存储器，不占用目标 系统的任何端口，而这些是驻留监控软件所必需的，另外，由于j t a g 调试的目标程序是 在目标板上执行，仿真更接近于目标硬件。使用集成丌发环境配合j t a g 仿真器进行丌发 是目日 采用最多的一种调试方式】。 9 两安i ：业人学硕十学位论文 2 2 3 嵌入式操作系统概述 简单的嵌入式系统一般并不使用操作系统，只包含一些控制流程，但是当嵌入式系统 所提供的功能复杂化之后( 如图形用户界面和网络支持等) ，简单的流程控制就不能满足系 统的要求，这时就必须考虑使用操作系统。这时，嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i o n s y s t e m ，e o s ) 就应运而生了。嵌入式操作系统的产生为应用程序的丌发带来了方便，使 开发人员不用关心硬件资源，所有的硬件资源都由嵌入式操作系统管理。 嵌入式操作系统有以下几个特点： 较小的系统内核，适合在嵌入式系统的有限存储空间中运行； 面向应用，可剪裁和移植：可进一步缩小编码体积、有效地运行； 较强的实时性，多任务功能，能够提供各种设备驱动程序； 高可靠性：无需人工干预而独立运行，并处理各类事件和故障。 1 ) v x w o r k s 操作系统 v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式实时操作 系统。它是目前嵌入式系统领域使用最广泛、市场占有率最高的嵌入式实时操作系统。以 其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实 时性要求极高的领域中。v x w o r k s 由一个体积很小的内核及一些可以根据需要进行定制 的系统模块组成。由于它的高度灵活性，用户可以很容易地对这一操作系统进行定制或作 适当开发，来满足自己的实际应用需要。 2 ) w i n d o w sc e 操作系统 w i n d o w sc e 是微软公司丌发的一个基于掌上电脑类的电子设备操作系统，是精简的 w i n d o w s9 5 。它是一个3 2 位、多线程、多任务的操作系统。体系结构采用独立于通常的 程序设计语言并且和w i n d o w s 兼容的a p i 的方式，这样就可以保障w i n d o w sc e 的组件 化和r o m 化，充分适应有限的存储空问和各种不同芯片的要求。它最大缺点是不够实时， 属于软实时操作系统，而且其价格太高，使得整个产品的成本急剧上升。 3 ) 嵌入式l i n u x 操作系统 l i n u x 操作系统内核稳定、功能强大，可裁减和低成本的特性非常适合嵌入式应用。 l i n u x 内核本身不具备强实时特性，且内核体积较大，要把l i n u x 用于嵌入式环境，就 必须修改l i n u x 满足嵌入式系统的要求。常用的嵌入式l i n u x 系统，包括r t l i n u x 和 l ac l i n u x 等。r t l i n u x 采用双内核机构，即将l i n u x 的内核代码进行少量修改，将l i n u x 任务以及l i n u x 内核本身作为实时内核的一个优先级最低的任务，而实时任务优先级高于 普通l i n u x 任务，即在实时任务存在的情况下运行实时任务。l ac l i n u x 从l i n u x 2 0 2 4 内核派生而来，沿袭了主流l i n u x 的绝大部分特性。它是专门针对没有m m u 的处理器， 并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作。pc l i n u x 日前已经移植到很多的处理器平台 上，包括6 8 0 0 0 、p o w e rp c 和a r m