（电路与系统专业论文）嵌入式图像监控网络平台的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

嵌入式图像监控网络平台的研究 摘要 随着信息社会的飞速发展，通信与计算机网络技术的发展日新月 异，人们对信息的获取及传输也提出了更高的要求。在很多情况下，传 统的语音及文本信息已经不能满足实际需求，而包含图像信息在内的多 媒体信息的处理与传输，日益受到人们关注。因此，研究基于互联网 t c p i p 协议的嵌入式监控图像的处理与传输，将具有重要的现实意义。 本文在深入研究现有的嵌入式监控图像的处理与传输方法的基本 原理及其优缺点的基础上，结合互联网t c p i p 协议及嵌入式处理器的 特点，给出了一种基于r i s c 处理器和t c p i p 协议栈来实现的图像网络 服务器解决方案，并给出了系统实现的软硬件设计。该系统方案设计灵 活、易于实现而且具有良好的可扩展性；适用于有线及无线互联网接入 等多种情况。本文的研究成果对于开发研制图像网络服务器一类的产 品，打下了良好的基础。 全文共分五章： 第一章对图像传输可以采用的现有技术做了简要地介绍和比较； 第二章对实现网络传输的不同系统方案进行分析； 第三章对本文给出的基于r i s c 处理器的嵌入式计算平台的设计方案 进行了较详细的论述； 第四章论述了系统设计中的关键技术，其中包括实时内核移植和驱动 程序的开发： 第五章给出了实现图像网络服务器所需的协议栈及软件实现要点。 关键词：图像传输网络服务器实时内核嵌入式计算平台 t h es nd y o ft h ee m b e d d e d n e t w o r k i n gi m a g em o n i t o r s y s t e m a b s t r a c t t h eg r o w t ho ft h ei n f o r m a t i o n a c c e l e r a t e st h ep a c eo ft h ec h a n g e t e c h n o l o g yo v e rt h ep a s tf e wd e c a d e s o nt e l e c o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t e r n e t w o r k i nm o s tc a s e s ，p e o p l ea r en ol o n g e rs a t i s f i e dw i t ht h et r a d i t i o n a l w a yt oe x c h a n g ei n f o r m a t i o nw i t hv o i c ea n dt e x td a t a ，i n s t e a d ，t h e y a r e e a g e r f o ra d v a n c e d t e c h n o l o g y t o p r o c e s s a n dt r a n s m i tm u l t i m e d i a i n f o r m a t i o ni n c l u d i n gg r a p h i cd a t a t h e r e f o r et h es t u d yo fe m b e d d e di m a g e m o n i t o r s y s t e mu s i n g t c p i p p r o t o c o li so f a c t u a ls i g n i f i c a n c e t h er e s e a r c hs t u d i e s t h e t h e o r y o f e x i s t i n g e m b e d d e d i m a g e t r a n s m i s s i o na n dm o n i m r s y s t e m sa n da n a l y z e s t h e i rs t r e n g t ha n dw e a k n e s s a sar e s u l tt ot h es t u d y , t h ea u t h o rc o m e su dw i t ht h es o l u t i o nt oi m p l e m e n t t h et r a n s m i s s i o nb a s e do n 砌s c p r o c e s s o ra n d t c p ps t a c k f u r t h e r m o r e ，a s e to fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g ni s d e v e l o p e df o rs u c hs y s t e m t h e r e s e a r c hp r o v i d e saf o u n d a t i o nf o rd e v e l o p i n gn e t w o r k i n gi m a g em o n i t o r s y s t e m t h e r ea r ef i v e c h a p t e r s i nt h i s r e s e a r c h c h a p t e r o n ej sab r i e f i n t r o d u c t i o na n dc o m p a r i s o nf o re x i s t e di m a g et r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g i e s c h a p t e rt w oa n a l y z e s s e v e r a ls o l u t i o n st on e t w o r ki m a g et r a n s m i s s i o n c h a p t e r t h r e ea d d r e s s e st h es o l u t i o nt oi m p l e m e n tt h et r a n s m i s s i o nb a s e do n r i s c p r o c e s s o ra n de m b e d d e dc o m p u t i n gp l a t f o r mi nd e t a i l c h a p t e rf o u r d i s c u s s e st h ec r i t i c a tp a r to ft h ed e s i g n r e a l t i m ek e r n e lm i g r a t i o na n d d r i v e r d e v e l o p m e n t c h a p t e r f i v e g i v e s t h ee s s e n t i a l so fs o f t w a r ea n d p r o t o c o ls t a c k i nt h ed e s i g n 。 k e yw o r d s ：i m a g et r a n s m i s s i o n ，w e bs e r v e r , r e a l t i m ek e r n e l ，e m b e d d e d c o m p u t i n g p l a t f o r m 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名日期 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一年解密后适用本授权书。非保密论文 注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 导师签名 悸p 一 日期 日期 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 人类在接受信息的来源方面，靠眼睛摄入的图像信息占8 0 以上。传统的语言 通信已远远不能满足人们对信息传送的需求，人们迫切需要通过视觉直观地获得多种 图像信息，从而产生了图像通信。常见的应用有：电视、电影、会议电视、视频监控、 可视电话等。因此，图像传输越来越需要解决支持更高速数据传输的技术，有着巨大 的市场需求。 1 1 图像基础 图像可以定义为景物在各种介质上的再现，例如图片、电影、传真、电视等介质 都可以使人们获得图像信息。把图像信息传送到远方或是存储图像信息的过程，统称 为图像传输。 图像可以分为静止图像和活动图像。属于静止图像传输的通信业务有传真、电子 邮件、智能用户电报、图文电视、可视图文等。这类图像传输的速率比较低，大部分 可以在普通电话线或一般低速的信道上传输。属于活动图像传输通信业务的有可视电 话、会议电视、电视传送等。这类图像传输要求高速度、宽频带的信道。要实时地传 送活动的图像，在屏幕上显示出来，必须要用大容量的信道，如微波、同轴电缆、卫 星、光缆等。举例来说，传送一路电视就需要占用9 6 0 路电话信道。 高质量与一般质量的图像信号、高速运动的与活动较少的视像信号以及高质量音 乐与一般话音信号的频带差别很大，对通信线路带宽、系统处理能力的要求自然就很 不相同。一百路话音信号需要的通信线路带宽，仍然可能大于一路视频动态图像信号 需要的带宽，所以不能脱离多个用户使用环境来考虑系统的容量。在共享性的网络环 境中，还要考虑用户数目增加，有效带宽从而下降的问题。 选择传输技术，要具体分析图像信号是否采用了压缩技术和采用了什么压缩标 准。因为压缩后的数据流量可能减少数十倍，这对通信线路带宽的要求就不样，例 北京邮电大学硕士论文 如对于一个可以从视频服务器点播视频动态图像的多媒体计算机，如果传输的视像信 号是没有经过压缩的，则需要用l o o m b s 的通信线路接入，而采用了m p e g 标准压 缩之后，用一般的1 0 m b s 的通信线路就可以了。当然，压缩一般仍然是要牺牲一定 质量为代价的，特别是压缩比率大时。所以在多媒体通信网络设计时，多媒体信号的 传输质量和通信线路带宽是需要经常权衡的一对矛盾。 1 2 图像传输的主要技术概述 、电视广播 电视广播是目前实现远程视频图像传输的主要方式。这种电视广播方式的最大好 处是节省播出线路颇带，8 m h z 带宽的一路电视图像可以提供几十万直至上千万观众 同时收看；为了实现远程观看现场图像的要求，关键是解决图像实时传输问题：而图 像的信息量巨大，在传输过程中需要很大的线路带宽资源：模拟电视图像占8 m h z 带宽，数字电视原始图像需要1 7 0 m b p s 的传输码率；但是宽带远距离通信线路的使 用费十分昂贵。因此，为了降低图像传输的费用，必需压缩其占用的线路带宽，即采 用图像信息压缩技术；而图像压缩在模拟信号方式下无法实现，只能在数字信号方式 下进行。 二、电话线传输视频信息 用电话系统传输视频信号，主要应用的是各种数字用户线路x d s l 技术。它提供 一种直接接入i n t e r n e t 方案的不中断服务。最新的x d s l 技术利用电话线路的双铜线 实现每秒数兆比特的数据传输，比普通拨号上网及i s d n 适配器的速率高得多。 三、利用无线技术传输视频信息 近年来，无线通信技术的发展进入了空前活跃的历史时期。呼之欲出的第三代 ( 3 g ) 移动通信不仅能提供现有的各种移动电话业务，还能提供高速率的宽带多媒体业 北京邮电大学硕士论文 务，支持高质量的话音、分组数据业务以及实时的视频传输。在无线i n t e m e t 上高效 地传输多媒体业务面临着各种挑战。无线网络条件的动态变化、多媒体信息处理、传 输的高功耗和无线设备上的有限电池容量等均是多媒体传输中必须解决的问题。 四、网络传输 近几年来，i n t e r n e t 蓬勃发展，而且逐步发展成为一个宽带数据传输网络，其触 角遍及全球各地，是一个使用十分方便的数据传输网络，因此人们希望在网上传送更 多的多媒体信息。 静态图像的传输速率要求，取决于每帧图像的数据量和应用的实时性要求。允许 数据量与图像分辨率及颜色深度有关，如一幅7 2 0 x 5 1 2 的2 4 位真彩色的图像具有 8 8 m b 的数据量，传输这样的一幅图像，在具有1 0 m b s 带宽的局域网上只需要1 秒 钟，而用6 4 k b s 的综合业务数字网的通信线路进行远程传输，则大约需要2 分钟。 1 _ 3 图像监控与网络的结合一嵌入式网络监控系统 本文的目标是设计一个嵌入式网络监控系统，可以通过网络作为传输媒介，控制 c m o s 摄像头，设置参数和发送拍摄命令，将j p e g 图片通过1 0 m 以太网发送到计 算机。 本文将在后面的章节中详细说明： 第二章：设计嵌入式图像网络监控系统的不同方案 第三章：基于r i s c 处理器的嵌入式计算平台设计 第四章：嵌入式实时内核u c o s - - i i 的移植 第五章：实现图像网络服务器所需的软件协议栈分析 北京邮电大学硕士论文 第二章系统方案设计 为了设计满足系统需求的电路，最关键的步骤是做出划分决策，也就是如何把系 统划分为由硬件和软件表示的功能部件。系统软硬件划分的可能性和必然性取决于硬 件和软件的双重性，对于一个项目，可以由软件完成也可以通过专门的a s i c 完成。 确定划分决策所需要解决的问题空间具有很高的复杂度，要完整的完成这个问题空 间，需要多个坐标轴，包括多种体系结构、目标技术、设计工具等等。 2 1 复杂数字系统设计方案分析 复杂数字系统的设计是一个把思想( 即算法) 转化为实际数字逻辑电路的过程。 同一个算法可以使用不同结构的数字逻辑电路来实现，从运算的结构来说可能是完全 一致的，但其运算速度和性能价格比可以有很大的差别。 我们可以用许多方案来实现实时完成算法的复杂数字系统电路，常用的四种方案 为： ( 1 ) 以微处理器芯片为中心完成算法所需的电路系统 ( 2 ) 用高密度的f p g a ( 从几万门到几百万门) ( 3 ) 设计专用的大规模逻辑电路( a s i c ) ( 4 ) 将分立的微处理器的口核与高速a s i c 运算电路结合在一起的s o c 采用何种方案要根据具体项目的技术指标、经费、时间进度和批量综合考虑而定。 为什么要用微处理器? ( 1 ) 用微处理器设计是实现数字系统的一种非常有效的方法。 ( 2 ) 微处理器使设计在不同价位上提供不同特性的产品系列变得容易，并且能够扩 充新特性以满足飞速变化的市场需求。 例：1 9 7 1 年，i n t e l 发布了世界上第一块微处理器4 0 0 4 。 日本的b i s i c o m 公司生产商用计算器，而i n t e l 没有为每一种计算器分别进行设计，而 是设计了一种可以用在所有计算机型号上的通用电路，这个通用处理器被设计来读取 北京邮电大学硕士论文 外部存储芯片中的一系列指令( 软件) ，即通过软件的设计来为每一种计算机提供各 自的特性。 所以基于微处理器的设计的最大优点是通用性，即可编程能力。一块设计好的定 制逻辑电路不能用于执行其它的功能，而只需更换微处理器执行的程序就可以让它们 执行不同的算法。由于很多系统利用了复杂的算法和用户界面，如果是使用定制逻辑 电路，就必须设计多个执行不同任务的逻辑电路。这样，在系统运行时，许多逻辑单 元会空转，比如，当执行用户界面功能时处理逻辑就在空转，但在单个处理器上采用 并行程序设计就能充分利用硬件的能力。 为什么要设计专用复杂数字电路? 有的数字信号处理对时间的要求非常苛刻，以至于使用基于微处理器的方案也无 法在规定的时间内完成必要的运算。因此，必须采用使用f p g a 、a s i c 或s o c 的方 案来完成这样的运算。 微处理器芯片中的内部总线和运算部件是为通用目的而设计的，即使是专为信号 处理而设计的d s p 芯片，也不可能为某个特殊的算法来设计专用的运算电路，且 其内部的总线宽度不能随意改变，只有改变程序，才能实现这个特殊的算法，因此运 算速度受限制。 而采用专用复杂数字电路就能满足速度的要求，但采用f p g a 、a s i c 、s o c 设 计方案时，电路结构的考虑与决策至关重要。有的电路速度快，但所需的逻辑单元多， 成品高；而有的电路结构速度馒，但所需的逻辑单元少，成本低。设计过程往往需要 通过多次仿真，从不同的结构方案中找到种符合工程技术要求的性能价格比最好的 结构。 北京邮电大学硕士论文 目前的趋势 在过去，硬件实现是昂贵的代名词，而目前的趋势是从板极设计迁移到s o c 。 采用s o c 的设计方案，通过选择微处理器i p 核融入了算法与应用的特点，在需要高 速的部分使用a s i c 运算电路，因而能够设计出性能价格比最高的理想数字信号处理 系统。但也因为设计和制造周期长、投片成本高导致使用门槛高。 2 2 硬件设计方法与软件设计方法的融合 2 1 节所提出的设计复杂数字系统的四种方案中，都是可以编程的，从而看出硬 件的逻辑功能很大程度上是由软件编程实现的，从设计方法上，硬件的设计方法也与 软件设计方法非常相似，高级的设计工具可以从实时系统的高级设计描述开始，然后 自动生成c c + + 或v h d l 代码。 这里提出了两个问题： 谁来对系统编程? 对硬件的编程可以分别由应用开发者、系统集成商和器件制造商来进行。对嵌入 式系统来说，最终用户的编程自由度是有限的，大部分软件是由系统集成商提供的。 编程在哪个层次上进行? 数字系统可以在不同层次上进行编程，包括应用层、指令层和硬件层。在应用层， 用户可以用抽象程度很高的设计语言进行编程，而不用考虑太多的硬件细节。在指令 层，对带有自己的指令集结构的器件，如微处理器，可以进行指令层的编程。在硬件 层，是指器件在出厂后，按照需要对其进行编程配置，如f p g a 。 正是硬件设计方法的软件化，使得硬件设计方法与软件设计方法不断融合，从传 统的软硬件相对独立的设计方法演变为软件硬件协同设计方法。 北京邮电大学硕士论文 一、传统的嵌入式系统设计模型 目前，在进行数字系统设计时，广泛采用的是传统的嵌入式系统设计流程，如图 2 1 所示。在系统的硬件软件任务划分后，它们的设计和测试就是两个相对独立的过 程，这种方式可以称为平行设计方式。在整个设计过程中，采用硬件优先原则，即在 只粗略估计软件任务需求的情况下，首先进行硬件设计，然后在此硬件平台上，再进 行软件设计。这种方法的最大不足在于很难充分利用软硬件资源，取得最佳性能的效 果，且一旦在测试中发现问题，需要对设计进行修改时，整个设计流程将重新开始， 对设计成本和设计周期影响很大，因此这种设计方法已经很难适应复杂的大规模系统 设计任务。 医： 巳! = = 竺! ：l 图2 1 ：传统开发流程 、软硬件设计过程发展方向一协同设计 软硬件协同设计就是通过系统硬件和软件的并行设计、相互作用，充分发挥它们 的最佳性能以达到系统设计的要求。 北京邮电大学硕士论文 软硬件协同设计的步骤为： ( 1 ) 系统描述( s p e c i f i c a t i o n ) ( 2 ) 设计建模( m o d e l i n g ) ( 3 ) 软件硬件任务划分与调度( d e s i g ns p a c ee x p l o r a t i o na n d p a r t i o n i n g ) ( 4 ) 综合与优化( s y n t h e s i sa n do p t i m i z a t i o n ) ( 5 ) 设计验证( v a l i d a t i o n l ( 6 ) 设计实现( i m p l e m e n t a t i o n l 图2 2 ：软硬件协同开发流程 北京邮电大学硕士论文 2 3 设计模型 图2 3 ：一个软硬件协同设计实例 模型是对实际系统的抽象的形式化的表示。虽然基于软硬件协同设计思想的系统 开发在目前成本比较高，真正使用这种方式进行设计的很少，但软硬件系统设计的重 要思想如设计模型对传统的设计方法也有很大的好处。 主要的建模方法有如下几种 一、有限状态机( f s m ) 一切运行算法的电子系统基本上都可以看作是一台有限状态机。f s m 是表示数 字系统行为模型的一种最常用的方法，它通过描述系统在一组有限的状态之间的相互 转移和转移条件来表示系统的行为，可以强有力的表示出这种输入输出之间复杂的联 系。 北京邮电大学硕士论文 当前在嵌入式软件的设计中也将这种硬件设计人员看待系统的自然方式，引入到 嵌入式软件设计的开发过程中，即基于状态图的设计方法。状态图是f s m 的升级， 采用基于状态图的设计方法的一个原因是许多嵌入式系统能使用消息传递结构。在消 息传递结构中，系统中的不同元素能使用独立实体的松散耦合来表示，这些实体通过 前后传递消息来进行交互作用，这些消息或事件表示数据的传递，就像两个处理器之 间在总线上进行的d m a 数据传输一样。类似地，一个事件可能就是接收一个外部中 断。事件、d m a 或中断都能触发系统，使之响应并转移到新状态。基于松散耦合的 独立实体的系统设计是描述嵌入式系统的正确方法，非常适合通过网络互联的大量分 布式嵌入式系统。 为了更好的表示系统的行为，人们对f s m 进行了扩展： a t a k a c h 和w w o l f 提出了b e h a v i o r f s m 模型。b f s m 模型的输入输出是根据一 组线性不等式得到的，并按时间顺序排列的。这样，b f s m 可以在有限状态机的框架 内表示系统行为的时间约束。 m c h i o d o 和p g i u s t o 等提出了c o d e s i g n f s m 模型：c f s m 与传统的f s m 相似， 通过一组有限的内部状态，将输入转换为输出。不同之处在于，f s m 中的通信是同 步的，意味者所有的状态是同时改变的。而在软件实现f s m 时，各状态是有时间交 错的。在c f s m 中，状态的转移由输入触发，经过一定延时后，输出才发生变化。 二、控n 数据流图( c d f g ) f s m 在任务( t a s k ) 和进程( p r o c e s s ) 级对系统进行描述，c d f g 则是在操作 ( o p e r a t i o n ) 级对系统进行描述。基于f s m 的任务划分称为粗粒度( c o a r s e g r a i n ) 划分，而基于c d f g 的任务划分称为细粒度( f i n e g r a i n ) 划分。 三、p e t r i 网和数据流网络 p e t r i 网是一个展开的层次结构，采用异步通信，且缓冲区的大小没有限制。它 北京邮电大学硕士论文 所传输的不是任何值，而是可能的状态转移的点火序列。数据流网络与p e t r i 网相似 但其通信传输一个具体值，并且缓冲区采用f i f o 机制，大小是有限的。 四、进程网络 进程网络是对f s m 网络的扩展。人们提出多种模型，有s d l 进程网络，c s p 网 络、s o l a r 和u n i t y 等。 2 4 系统设计方案比较 为了实现通过网络控制摄像头和采集图像，根据不同的划分策略，设计了三种设 计方案。 一、方案l ：采用i p 专用器件与原来系统连接 由于我们已经实现了一个基于蓝牙的无线图像传输系统，所以最直接的想法是利 用原有平台进行改造使图像可以通过网络传输。 基于蓝牙的无线图像传输系统分为图像采集端( 图2 4 ) 和p c 监控端( 图25 ) 两部分，监控人员通过p c 端的蓝牙模块发送摄像头的设置信息和采集命令，w 7 7 e 5 8 单片机通过蓝牙接收各种命令，解析后执行相应的操作，如设置o v 摄像头的参数， 发送拍照命令等，将o v 摄像头采集到的j p e g 图像通过蓝牙发送到p c 监控端。 北京邮电大学硕士论文 图2 4 ：图像采集端结构 图2 5 ：图像监控端 方案1 的思路是保持原有的无线图像传输系统的架构不变，为其采用一个可以实 现i p 功能的专用器件代替原来的c s r 蓝牙发送模块，只要将要发送的图像数据通过 这个i p 器件发送到网络上就可以实现网络传输功能。 方案1 采用专用数字电路的设计方法，其优点是系统架构简单，可以实现通信过 程和原来的系统并行操作，这一优点对于这个单独的项目而言并不突出，但对于许多 传统的缺乏网络接口的工业设各而言意义很大，这个方案可以使任何数字化设备都能 通过这个i p 协议器件直接连到基于i p 的网络。而它的不足之处是需要改写原来基于 p c 端串口的图像接收程序。 北京邮电大学硕士论文 二、方案2 ：增加网络接口 方案2 的设计思路还是不改变原有设计平台，但与方案1 的接口替换协议转换思 路不同，方案2 的思路是增加功能，增加网卡芯片( r t l 8 0 1 9 a s ) 电路，即增加了一 个i o m 以太网接口，这样通过设计网卡初始化、控制发送和接收程序就可以实现网 络通信。它的优点在于开发成本较低，网卡：卷片价格便宜接口简单，而且开发人员不 必熟悉新的处理器平台，只要熟悉对网卡的编程就可以完成开发过程，而它的不足之 处也和方案1 相同，p c 端的接收程序需要定制。 三、方案3 ：基于r i s c 微处理器的嵌入式计算系统 上面分析的两种方案都是在无线图像传输系统的平台上实现协议转换的替换功 能或者是增加功能，他们有一个共同的缺陷就是p c 监控端( 即客户端) 的控制程序 必须定制，需要程序员专门设计应用程序。 而网络通信的一个特点是，每一台接入i n t e m e t 的计算机都具有客户端w e b 浏览 器。w e b 浏览器是网络化桌面的一种常见设备，可以提供与远程设备进行通信和展 示数据的丰富功能。它的使用已经变成与远程嵌入式设备进行通信和管理的标准。 所以方案3 的思路是建立基于r i s c 处理器的嵌入式计算平台，在r i s c 处理器 上运行w e bs e r v e r ，就可以通过p c 端w e b 浏览器实现上网功能，用户可以通过 浏览器设置摄像头的各种参数，发送命令和收取图片。采用基于3 2 位r i s c 处理器 的计算平台而不是方案2 的基于5 1 单片机的平台，主要是由于实现t c p i p 及网络服 务器需要占有大量系统资源，同时硬件设计上采用集成了m a c 控制器的r i s c 处理 器芯片可以免除进行网卡芯片接口设计的烦琐。 方案3 采用了当前主流的嵌入式开发平台，但在设计过程中包括了复杂的选择过 程，必须从芯片、r t o s 、操作系统可移植性、设备驱动程序开发等多角度出发做出 北京邮电大学硕士论文 最终的选择。正如我们在传统的嵌入式系统设计流程中看到的那样，我们的选择过程 面i i 每着同样的问题。 为了解释所选择的$ 3 c 4 5 1 0 b + uc o s i i 的原因，必须回答如下问题 w h ys 3 c 4 5 1 0 b ? w h yuc o s i i ? 这些问题将在后面三章得到具体的回答，这里我们着重谈处理器的选择以及 r t o s 的选择策略。 选择性能优良、便于使用的芯片 在设计中首先考虑的因素是性能，性能的优劣直接影响到处理器是否能准时完成 任务。实时性能的分析依赖于采用性能测试工具，如d h r y s t o n e s 与m i p s 基准。更有 实用价值的测试基准为e e m b c ( e d n 嵌入式系统微处理器测试基准协会) ，e e m b c 测试基准由特定的工业测试组成，1 0 版有4 6 个测试，分成5 个应用套件，如网络类 套件中有o s f p i i j k s t r a 路由算法，分组流等，电信类套件中有自相关、卷积编码器等。 从硬件设计的角度来说，集成了多种外围芯片控制器的芯片可以实现无缝连接的 硬件设计。 选择与芯片紧密结合的r t o s 一般我们是从应用程序员的角度看待r t o s 的，也就是说，从r t o s 的外面看。 r t o s 内核负责处理器专项任务，例如c p u 的分配与调度、寄存器上下文切换和存 储器管理。内核的周围是完成r t o s 服务的例行程序库，它们执行各种系统级功能， 在应用程序运行时发挥一定的作用。应用程序被分解为一组任务；r t o s 调度器根据 某些多任务调度算法让这些任务得以控制c p u 。一个应用任务为了得到r t o s 服 务，需调用相应的应用程序界面( a p i ) 功能。假设应用程序用c 语言写成，则r t o s 北京邮电大学硕士论文 及其a p i 库实际上掩盖了处理器的内部工作机理( 不管它是c i s c 还是r i s c ，是8 位、1 6 位、还是3 2 位，等等) ，因而应用软件工程师不必太多地考虑实际使用的 处理器。 图2 6 ：v x w o r k s 结构 但从r t o s 的内部看，就会发现r t o s 的性能与芯片有很大的关系，r t o s 内核 的切换时间与芯片相关。每当r t o s 服务请求或中断引起任务的处理流发生改变时， c p u 的寄存器上下文就必须进行相应的管理，以保证同一任务重现获得c p u 的控 制权时处理工作能正确继续下去。 r i s c 机器通常采用数量很大的寄存器，这要求r t o s 设计时给与特殊考虑。当 应用任务调用一个r t o s 服务时，r t o s 究竟需要多少个寄存器来保存上下文? r t o s 中的功能需用多少个寄存器? 中断需用多少个? 如果保存用的寄存器太少， r t o s 显然就会出错；这是设计r t o s 之初的唯一考虑。反过来，如果要处理的寄 存器太多，虽然问题不太明显，但性能肯定要下降。 北京邮电大学硕士论文 第三章基于r i s c 处理器的硬件平台设计 结构化设计要求设计者在系统设计时，自顶向下分层进行，而实现系统时又自底 向上进行。在本章中，首先采用自顶向下的方法分析嵌入式计算平台的通用特性和实 现嵌入式网络监控设备的系统结构图，随后再按照自底向上的原则分析本文采用的嵌 入式计算平台的具体设计。 3 1 嵌入式计算平台体系结构 嵌入式计算平台的体系结构是由微处理器、i o 设备和存储器构建的，c p u 总线 是硬件系统的支柱。 真实的世界 徽控利葵的功能 r 一一 馓赴爨嚣麴功艟 ：i 图3 1 ：典型的面向总线的嵌入式计算平台 iill 北京邮电大学硕士论文 图3 2 ：嵌入式网络监控设备硬件平台 3 2 嵌入式计算平台硬件设计 按照嵌入式计算平台的体系结构，依照选择微处理器、选择存储器、选择i 0 设 备的顺序进行电路设计，并在最后考虑面向总线的板级设计的注意要点。 一、选择微处理器 c i s c ：复杂指令系统计算机 提供多类指令，可以处理类似字符串查询这种十分复杂的工作，普遍采用大量变 长形式的不同指令。 r i s c ：精简指令系统计算机 提供较少而简单的指令，这些被精选出来的指令可以在流水线处理器中高效执 行。大部分指令可以在一个时钟周期内执行。 北京邮电大学硕士论文 3 2 位鬟统总绒 图3 3 ：$ 3 c 4 5 1 0 结构框图 s 3 c 4 5 1 0 b 是三星公司推出的针对嵌入式应用的1 6 3 2 位嵌入式处理器，该微控 制器专为以太网通信系统的集线器和路由器而设计，具有低成本和高性能的特 点，$ 3 c 4 5 1 0 b 中内置了a r m 公司设计的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i 处理器，可以执行3 2 位的a r m 指令，也可执行1 6 位的t h u m b 指令，并集成了多种外围部件，芯片内部 结构见图3 3 。 由图可见，s 3 c 4 5 1 0 b 提供了8 k 字节的c a c h e ( 高速缓存) 和以太网控制器，内 置2 通道的h d l c ( 高级数据链路控制) ，2 个u a r t ( 通用异步收发) 通道，内置 3 2 位定时器和1 8 个通用可编程i o 端口。s 3 c 4 5 1 0 b 内部采用3 2 位系统总线，有1 2 c 接口，还集成了中断控制器、d r a m s d r a m 控制器、r o m s r a m 和f l a s h 控制 器。以上功能特点均集成在此单芯片中，可大大减少系统成本。 s 3 c 4 5 1 0 b 采用3 3 v 电压供电，2 0 8 脚的q f p 封装，操作频率最高达5 0 m h z 。 北京邮电大学硕士论文 若设计中采用5 0 m h z 外部频率，则因$ 3 c 4 5 1 0 b 内部有锁相环电路可将外部振荡频 率提升5 倍作为内部系统时钟，所以内部最高频率实际上已达2 5 0 m h z 。 $ 3 c 4 5 1 0 b 芯片集成了a r m 公司的3 2 位精简指令集处理器a r m 7 t d m i 核。 a r m 7 t d m i 核采用冯诺依曼体系结构，使用单3 2 位总线传送指令和数据，使用三 级流水线操作以提高处理器执行速度。 a r m 7 t d m i 核可以使用两种指令集：一种是3 2 位a r m 指令集；一种是1 6 位 t h u m b 指令集。t h u m b 指令集是a r m 指令集的子集，但它能提供比1 6 位体系结构 更高的性能、比3 2 位体系结构更高的代码密度。因此，t h u m b 指令集使a r m 7 t d m i 核非常适合有存储器宽度和代码密度限制的嵌入式场合。$ 3 c 4 5 1 0 b 芯片的存储空 间最大可达1 6 m x 3 2 b i t s ( 包括程序存储区、数据存储区和i o 设备区) ，它内部集成了 一个存储控制器，具有自动刷新存储区数据和自动插入可编程等待周期的功能，可以 支持多种类型的存储芯片( 包括r o m 、s r a m 、f l a s h 和d r a m ) 。在芯片内部还集 成有8 k x 8 b i t s 的指令数据c a c h e ，采用p s e u d o l r u ( l e a s tr e c e n t l yu s e d ) 算法，大大 提高了芯片的性能。 二、选择存储器 除了微处理器的选择，在一个嵌入式系统中最重要的选择就是选择正确的存储 器，主要从以下三个方面考虑：不同的存储类型，应用程序对存储器容量的要求及存 储器访问时间。 存储类型 对一个系统来讲，选择r a m 是设计的一个很重要的方面，它会影响到产品的使 用环境以及产品的全面的功能需求。应用本身往往会确定使用何种存储器。其它因素 和成本、实时性、产品稳定性也会影响r a m 的选择。 静态r a m 以使用方便和速度快而著称。例如，s r a m 的脉冲，通常由1 个2 - 1 1 1 2 0 北京邮电大学硕士论文 的周期组成，意味着它要用2 个时钟周期来取第1 个长字，然后每1 个时钟周期取1 个。在设计中，s r a m 也易于实现。受限制的因素包括低密度的封装以及较高的价格。 e d o r a m 和d r a m 在老一点的设计中经常见到，但随着这些类型的r a m 被淘 汰，现在很少能见到了。而且，e d o r a m 很难找到适合嵌入式设计的通用密度( 1 、2 或8 m b ) 。 s d r a m 是今天的智能网络设备中最常见的r a m 。s d r a m 可用性很好，与 s r a m 相比，每兆字节的成本比也不错。处理器易于与s d r a m 交互，而且s d r a m 也能提高效率。s d r m m 的脉冲周期如果为3 1 1 1 ，但s d r a m 第1 个指令获取之后， 每下一个获取必须与时钟的上升沿同步。 d r a m 在信号产生上有行地址和列地址之分。行地址和列地址在d r a m 类型中 都要给出来定位一个存储器地址。d r a m 还有刷新周期，s d r a m 有列地址延迟的值， 以及需要存储器控制器控制的其它信号。 大多数设备使用f l a s h 进行映像文件存储以降低成本，但程序是否在f l a s h 中执行依赖于具体的应用。f l a s h 与r a m 相比是较慢的，因此在多数应用中，特 别是在实时应用中，程序在f l a s h 中的执行效率不高，一般在这种应用中映像文件在 r a m 中执行，这种结构被采用后可以不影响产品的运行。对许多实时性不高的应用 来说，可以在f l a s h 中执行程序，如一个简单的串口到以太网的网关设备，在f l a s h 中运行通常不需要性能上的补偿。 另一种非易失性内存为电可擦除可编程只读存储器。e e p r o m 在许多应用中被 用于为设备保存配鼍信息。这些参数通常至少包括m a c 地址和i p 地址。其它参数 可包括子网掩码、序列号、网关、波特率或其它板级参数。e e p r o m 可以作为一个 简单静态r a m 类型设备来被设置和访问。虽然e e p r o m 通常很慢，但它一般不会 影响到嵌入式设备，因为它的主要用途是在启动时提供参数。 北京邮电大学硕士论文 存储容量 为了高效地选取f l a s h 适应产品，f l a s h 的密度要决定好。决定一个系统中 f l a s h 的大小，实际上就决定了设备的材料消耗费( b o m ) 。在f l a s h 的问题上 界限要很好地划定：太少，则限制了软件角度上的可裁剪性；太多，则为产品带来了 成本上不必要的增加。 寻找一个t c p i p 层内存需求最小的操作系统，有助于将材料成本保持在一个较 低的价位，因为它对内存的需求减少了。当有嵌入式w e b 服务器的时候，对于w e b 页面的构建需要仔细考虑。普通的页面设计，用来控制和监视，3 5 0 k b 以内的f l a s h 仍能满足使用。但当动态的g i f 文件、复杂的徽标和j p e g 文件被引进时，内存的需 求会急剧增加。许多设计带f t p 、h t t p 和e m a i l 功能，加上客户的应用，0 5 m b 甚 至更少的f l a s h 仍然放得下。放1 m b 的f l a s h 在板子上可以在板子不用重新设计 布线的情况下增加有意义的特性。 t e m p l a t ea p p l i c a t i o n2 3 7 k b h t t ps e r v e r 2 8 7 k b | f t ps e r v e r2 5 9 k b f t p c i i e n t2 4 7 k b f t pc l i e n ta n ds e r v e r2 6 7 k b | m a i l s e r v i c e s2 5 3 k b s n m p a p p l i c a t i 。n 2 8 8 k b 图3 4 ：在n e t + o s 下不同应用对f l a s h 的需求 r a m 用来执行指令和数据储存。因此，最小的r a m 就是f l a s h 的大小加上数 据内存和以太缓冲区的大小。产品要不要在线升级也能影响r a m 大小的考虑。堆的 大小一定要考虑，堆的大小会有很多职能，如对每一个s o c k e t 连接分配内存。具体 的例子，每一个s o c k e t 连接需要大约4 0 0 字节。在这种情况下，通常用将执行文件 大小加倍的方案来确定r a m 的大小。 2 2 北京邮电大学硕士论文 r a me x e c t u a b l ei m a g e a d d i t i o n a li m a g ef o rr e p r o g r a m m i n g e t h e m e tb u f f e rs t o r a g e d a t as t o r a g e g e n e r a lh e a ps i z e 通常为4 0 0 b y t e s s o c k e t 连接 a p p r o x i m a t i n g s t a r tb yd o u b i n gt h ef l a s hs i z e r a m f o o t f ) r i n t e x e c t u a b l e + n e wi m a g e d o u b l et h er e s u l t r - e t h e m e tb u f f e rs t o r a g e - - - h e a ps i z ef o ra d d i t i o n a lc o n n e c t i o n s 存储器访问时间 图3 5 ：在n e t + o s 下不同应用对r a m 的需求 除了选择不同的存储类型和存储容量，选择正确的存储器还依赖于存储器访问时 间。存储器速度直接影响传输率性能，而传输率直接影响到处理器能处理多少数据。 内存慢导致取指令慢，接着就降低了整个产品效率。 4 - - - 1 is o r a 撕i j t - 1 - j l8 船 1 9 9 0 5 _ ：! | 一1 - 1 s r ；2 - 1 1 - 1 i6 0 0 2 t 56 7 2 66 7 2 - 2 - 2 - 2 b r a n ；2 - 2 - 2 - 2 9 6 81 66 7 1 66 7 图3 6 ：典型存储器的访问时间 2 3 一差j 荨一攀冀萋匿董詈匿晋 一毕焉一一一一一 藩藩鬻蘸纛霉吾鼍善 墅等 一一一 北京邮电大学硕士论文 三、选择i o 设各 1 、c m o s 数字摄像芯片 目前，c c d ( 电荷耦合器件) 是主要的