（计算机应用技术专业论文）基于网络视频的嵌入式实时系统研究与设计.pdf

查堕查堂塑兰! 兰垡型生一 摘要 嵌入式系统是以应用为中心的硬件设计和面向应用的软件产品开发为基础的专 用计算机系统，广泛应用于制造工业、过程控制、通讯、仪表航天、消费类产品等领 域。典型的嵌入式应用是以微处理器或者微控制器为核心的硬件设计和基于嵌入式实 时操作系统的软件开发。 随着图像压缩技术、网络传输技术和电子技术的飞速发展，嵌入式数字网络图像 监控系统己成为当今监控领域的一个新的开发热点。本文论述了基于网络视频的嵌入 式实时系统的设计与实现，重点讨论了嵌入式实时操作系统灶c 0 s i i 在a r m 7 t d m i 嵌 入式处理器芯片上的移植、c o s i i 实时多任务调度算法的改进和嵌入式t c p i ? 协 议栈的实现。 本文首先介绍了视频监控系统的二般结构和发展概况，并阐述了当前的发展趋势 以及本文的主要工作。 第二章对本系统的总体方案作了概述，并对主要的硬件接口设计作了分析。 第三章讨论了嵌入式操作系统的选择依据，详细介绍了p c o s i i 在s a m s u “g s 3 c 4 4 8 0 x 上的移植。 第四章主要就“c o s i i 实时操作系统的多任务调度做了研究，并提出了e d f r m s 组合调度算法，以期望在嵌入式系统中提高实时性能。 第五章从网络通信协议原理入手，介绍了网络各层的结构，同时详细给出了基于 嵌入式系统的t c p i p 协议栈的实现，通过实现的嵌入式w e b 服务器对网络协议进行 了测试。 关键字：嵌入式系统，u c o s i i ，多任务调度，网络协议 、 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t e m b e d d e ds y s t e m sa r eb a s e do n 印p l i c a t i o n c e m e r e dh a r d w a r ed e s i g na 1 1 da p p l i c a t i o n s p e c m cs o r w a r ep r o d u c td e v e l o p m e n t e n l b e d d e ds y s t e m sa r e 晰d e l y 印p l i e di n s u c h a r e a sa sm a n u f a c t u r e ，p r o c e s sc o m r o l ，c o m m u n i c a t i o n ，a u t o m o b i l e ，a n dc o n s u m e rp r o d u c t a t y p i c a le m b e d d e d 印p l i c a t i o ni st h ei n t e g r a t i o no fh a r d w a r ed e s i g nc e m e r e do na m i c r o d r o c e s s o ro rm i c r o c o n f r o u e ra n ds o f t w a r eb a s e do ne m b e c i d e dr e a l 一t i m es v s t e m w i t ht l l er a d i de v o l u t i o no fi m a g ec o m p r e s s i o n ，n e t w o r kt r a n s m i s s i o na n de l e c t r o n t e c t u l i q u e ，e m b e d d e di m a g e s u e i l l a n ts y s t e mh a sb e c a m ean e w d e v e l o p i n gh o t s p o t i n 山ed i s s e r t a t i o n ，w ed i s c u s st 1 1 e 胁s p l a n to fu c 0 s i ie m b e d d e dr e a i t i m eo p e r a t i n g s y s t e mo na r m 7 t d m i ，t h ei m p r o v e m e n tt h er e a l t i m em u l t i t a s ks c h e d u l i n ga l g o r i t h m s a n dt h er e a l i z a t i o no f 也ee m b e d d e dt c p i pd m t o c o ls t a c k i nt h ef i r s tp a no f t h i sp a p e r ，幽eg e n e r a ls t r u c t u r ea i l dt h ed e v e l o p m e ms i t u a t i o no f m e v i d e os u r 、e i a n c es v s t e ma r ei m r o d u c e d a l s o ，o u rm a i n w o r ko f t h i sp a p e ri sd e s c r i b e d i nc h a p t e r2 。w ed e t a i lo u rs o l u t i o no ft h i ss y s t e ma n dt h ed e s i g no fm a i nh a r d w a r e i n t e r f j c e i nc h a p t e r3 ，w ed i s c u s sh o wt os e l e c te m b e d d e do p e r a t i o ns v s t e m t h et r a n s p l a n to f u c o s i io ns 锄s u n gs 3 c 4 4 b o xi sa l s od i s c u s s e d i nc h a p t e r4 ，w er e s e a r c ht h er e a l t i m em u l t i - t a s ks c h e d u l i n ga l g o r i t h m so f c 0 s i i a n di n d i c a t et h ee d f & r m ss c h e d u i i n ga i g o r i t h m s ，t h ei m p r o v e ds c h e d u i e ri sp r o v e dt o p r o v i d e0 sp e r f b 珊a n c e i nt h e6 n a lp a r t ，t h es t m c t u r eo ft h en e t w o r ka n dt e c l l l i q u e sb a s e do nt h et h e o r yo f n e t w o r kc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la r eg i v e no u t 厂ed e t a i lt h er e a l i z a t i o no ft c p i p d r o t o c o ls t a c kb a s e do ne m b e d d e ds v s t e m a 1 s o ，e m b e d d e dw e bs e r v e ri st e s t e da n dt h e r e s u l ta r es h o w ni n1 a s tp 印e l k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，“c o s i i ，m u l t i t a s ks c h e d u l i n g ，n e t w o r kp r o t o c 0 1 1 v 东南大学硕：l 学位论文 东南大学学位论文 独创性声明及使用授权说明 一、学位论文独创性声明 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， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东 南大学或其它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。 签名：墨垒盔：日期：坦：望 二、关于学位论文使用授权的说明 。 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所 送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手 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，可以公布( 包括刊登) 论 文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院 办理。 签名：驰导师签名：塑址日期：2 掣 第一章绪论 第一章绪论 1 1 视频监控系统的发展 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。它以其直观、方便、信息内容丰富等特性而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。 近年来，随着计算机网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，视频监控制 技术也有长足的发展。视频监控技术的发展大致可分为三个阶段。 1 1 1 本地模拟视频监控 从摄像机、电视机出现的那天起，原始的视频监控系统就己诞生。它被广泛应用 于保安。生产管理等场合。本地视频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。 图1 1 本地模拟视频监控 本地视频监控系统一般采用模拟方式传输，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。监控图像一般只能 在监控中心查看，而且模拟视频监控系统有很大的缺陷： 监控的范围很有限。由于模拟线路不可能很长，所以信号传输距离有限 且无法连网，仅局限干同一建筑物或工厂内。 模拟信号占用通讯线路较大，而且开发性差。 监控质量不高。由于模拟信号很容易受到干扰，所以监控图像质量不好。 维护管理复杂。没有良好的用户操作接口，非专业人员无法正常操作。 成本较高。对于每个监控中心都需要配置一套监控设备，而且信息的存 储方式是利用录像带、磁带等设备，这些设备成本较高。 1 1 2 基于p c 的视频监控系统 9 0 年代中后期，计算机网络开始普及并得到迅猛发展，视频技术的发展也日 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，使数字视频的存储和传 输成为可能。计算机技术的日益成熟，微机的普及化，也为基于p c 的视频监控创造了 条件。 第一章绪论 基于p c 的视频监控系统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资料进行解压后，就能够重现远程的图像。 图1 2 基于p c 的视频监控系统 数字信号的传输可靠性较高，且数字化的视频流资料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相比基于p c 的视频监控系统具有：传送距 离远、图像质量好、资料的保存成本低等特点。而且监控人员无需在现场就可以对监 控现场进行实时监控，大大提高了监控工作的效率和灵活性。因此基于p c 的视频系统， 自出现后，得到广泛的应用，占据了监控系统的主要市场并正在逐步取代模拟监控系 统。 但是基于p c 的视频监控系统也存在着很多问题： 体积大、功耗高。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，维护繁琐 ，实时性不高和温度性较差 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资料进行压缩和解压 缩，只能支持一种编码格式，无法提供对其他编码格式的支持 1 1 3 基于嵌入式技术的网络化视频监控系统 目前虽然基于p c 的视频远程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，稳定性、可靠性不高，价格高昂、操作烦琐等缺陷。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p c 的远程监控技术，利用专用的压缩 解压缩卡来实现视频资料的压缩和解压，就需要大量的压缩解压缩卡，、使整个系统 更加复杂，稳定性和可靠性更低，而整个系统的成本也变得更加昂贵。 近两年随着远程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 第一章绪论 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地受到人们的瞩目。基于嵌入式技术的网络化视频监控系统 应运而生。 嵌入式系统被定义为：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。基于嵌入式技术的网络化视频监控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 的视频监控系统中存在的问题。 基于嵌入式技术的网络化视频监控主要的原理是：在监控现场采用嵌入式技 术。摄像机传送来的视频信号和麦克风采集的音频信号数字化后由高效压缩芯片压 缩，传送到网络上。网络上用户可以直接用监控终端软件收看监控现场的图像，授权 用户甚至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。 在监控现场利用嵌入式技术，采用专用芯片和实时操作系统，有效地提高了 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成到一个体积很小的设备 内，可以直接连入以太网，达到即插即看，省掉各种复杂的电缆，安装方便( 仅需设 置一个i p 地址) ，无需专人值守。在监控终端，远程监控人员只需拥有一台安装了监 控终端软件的p c 机，无需安装特殊的硬设备，就可以在世界的任何一个地方，对监控 现场进行实时远程监控。这样大大降低了系统的成本，极大地方便了整个监控系统的 操作和维护。 与基于p c 的视频监控系统相比，基于嵌入式技术的网络化视频监控系统具有： 体积小，安装方便，现场无需专人值守，成本低，稳定性高，实时性好等特点。因此 基于嵌入式技术的网络化视频监控系统必将有良好的应用与发展前景。由它代替当前 普遍应用的基于p c 的视频远程监控系统将成为必然趋势。 1 2 嵌入式系统及嵌入式操作系统的现状 1 2 1 嵌入式系统的现状 嵌入式系统的定义是以应用为中心5 1 ，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。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外部 设备中就包含了5 1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示 器、m o d e m 、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、u s b 集线器等均是由嵌入 式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、 航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。嵌入式系统是先 进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合的产物，这就 决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 嵌入式系统主要用于各种信号处理与控制，目前巳在国防、国民经济及杜会生活 领域普及应用，用于企业。军队、办公室、实验室以及个人家庭等各种场所。今天嵌 入式系统带来的工业年产值己超过了1 万亿美元。 第一章绪论 1 2 2 嵌入式操作系统的现状 嵌入式操作系统可以分为实时操作系统和分时操作系统两类。实时操作系统是指 具有实时性，能支持实时控制系统工作的操作系统，其重要特点是通过任务调度来满 足对于重要事件在规定时间内作出正确的响应。实时操作系统与分时操作系统有着明 显的区别。具体来说，对于分时操作系统，软件的执行时间上的要求并不严格，时间 上的延迟或者时序上的错误，一般不会造成灾难性的后果。而对于实时操作系统，主 要任务是对事件进行实时处理，虽然事件可能在无法预知的时刻到达，但是软件必须 在事件随机发生时，在严格的时限内做出响应。 实时系统又可以分为硬实时系统和软实时系统。硬实时操作系统是指各任务不仅 要执行无误而且要做到准时，即从事件触发到任务得到处理的事件的小于某个上限 的。如v x w o r k s ，q n x ，u c 0 s 等等。这类硬实时操作系统内核常常采用占先制的调度 方式。软实时操作系统的宗旨是使各个任务运行得越快越好，并不要求限定某一任 务必须在多长时间内完成。如m i c r 。s o f t 公司的w i n c e ，u c l i n u x 等等。这类软实时 操作系统内核常常采用非占先制的调度方式。 其实，嵌入式操作系统并不是一个新生事物。从2 0 世纪8 0 年代起，国际上就有 一些i t 组织、公司开始进行商用嵌入式操作系统和专用操作系统的研发，这其中涌 现出一些著名的嵌入式系统。经过多年发展，目前世界上已经有一大批十分成熟的实 时嵌入式操作系统n 。 实时嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种一商用型和免费型。商用型 的实时操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵。 免费型的实时操作系统在价格方面具有优势，目前主要有l i n u x 和u c 0 s i i 。 c o s i i 和c l i n u x 的选择主要根据应用系统来选择的，它们各有优劣。 u c o s i i 占用空间少，执行效率高，实时性能优良，且针对新处理器的移植相对简 单。u c l i n u x 则占用空间相对较大，实时陛能一般，属于软实时系统，针对新处理器 的移植相对复杂。但是，心l i n u x 具有对多种文件系统的支持能力、内嵌了t c p i p 协议，这些u c o si i 需要用户自己实现。 1 3 视频压缩和网络流媒体技术的发展 1 3 1 视频压缩技术的发展 m p e g 一4 于1 9 9 5 年1 1 月公布，原预计1 9 9 9 年1 月投入使用的国际标准m p e g 4 不仅是针对一定比特率下的视频、音频编码，更加注重多媒体的交互性和灵活性。m p e g 专家组的专家们正在为m p e g 4 的制定努力工作，m p e g 4 主要应用于视像电话( v i d e o p h o n e ) 、视像电子邮件( v i d e oe m a i l ) 和电子新闻( e l e c t r o n i cn e w s ) 等，其传输 速率要求较低，在4 8 0 0 一6 4 0 0 0 b i t s s e c 之间，分辨率为1 7 6 1 4 4 。m p e g 一4 利用 很窄的带宽，通过帧重建技术，压缩和传输数据，以求得最少的数据获得最佳的图像 质量。 与m p e g l 和m p e g 一2 相比，m p e g 一4 的特点是其更适于交互a v 服务以及远 程监控。m p e g 一4 是第一个使你由被动变为主动( 不再只是观看，允许你加入其中， 4 第一章绪论 即有交互性) 的动态图象标准；它的另一个特点是其综合性；从根源上说，m p e g 一4 试图将自然物体与人造物体相溶合( 视觉效果意义上的) 。m p e g 一4 的设计目标 还有更广的适应性和可扩展性。m p e g 4 试图达到两个目标： 低比特率下的多媒体通信 多工业的多媒体通信的综合 m p e g 一4 的视频质量分辨率比较高，而数据速率相对较低。主要原因在于，m p e g 4 采用a c e ( 高级译码效率) 技术，它是一套首次使用于m p e g 一4 的编码运算规则。与 a c e 已有关的目标定向可以启用很低的数据率。它与m p e g2 相比，可节省9 0 的储 存空间。m p e g 一4 还可以在声频与视频流中广泛的升级。当视频在5 k b s 与1 0 m b s 之问变化时，声频信号可以在2 k b s 与2 4 k b s 之间进行处理。特别要强调的是m p e g 4 标准是面向对象的压缩方式，不是像m p e g 一1 和m p e g 一2 简单地将图像分为一些像 块，而是根据图像内容，将其中的对象( 物体、人物、背景) 分离出来分别进行帧内 和帧间编码压缩，并允许在不同的对象之间灵活分配码率，对重要的对象分配较多的 字节，对次要的对象分配较少的字节，从而大大提高了压缩比，使其在较低的码率下 获得较好的效果。m p e g 一4 的面向对象的压缩方式也使图像探测功能和准确性体现得 更充分，该图像探测功能使硬盘录像机系统具有较好的视频移动报警功能。 目前这方面的技术有多种，但是最基本问时应用最广泛的就是m p e g 一1 。m p e g 一2 、 m p e g 一4 等技术。m p e g1 是一种压缩比高但图像质量稍差的技术；而m p e g 一2 技术 主要专注于图像质量，压缩比小，因此需要的存储空间就大；m p e g 一4 技术是时下比 较流行的技术，使用这种技术可以节省空间、图像质量高。对网络传输带宽要求不高， 占用的带宽仅是同质量m p e g l 和m j p e g 的1 1 0 左右，在相同的画质的要求下， m p e g 4 只需要更窄的带宽。相比之下，m p e g 一4 技术在国内比较普及，同时也得到 了业界专家的认同。 1 3 2 网络流媒体技术的发展 流媒体指的是在网络中使用流技术传输的连续时基媒体，其特点是在播放前不需 要下载整个文件，而是采用边下载边播放的方式，它是视频监控、视频会议。i p 电 话等应用场合的技术基础。 由于受网络带宽、计算机处理能力和协议规范等方面的限制，要想从i n t e r n e t 上下载大量的音频和视频数据，无论从下载时间和存储空间上来讲都是不太现实的， 而流媒体技术的出现则很好地解决了这一难题。目前实现流媒体传输主要有两种方 法：顺序流( p r o g r e s s i v es t r e a m i n g ) 传输和实时流( r e a l t i m es t r e a m i n g ) 传输， 它们分别适合于不问的应用场合。 ( 1 ) 顺序流传输顺序流传输采用顺序下载的方式进行传输，在下载的同时用 户可以在线回放多媒体数据，但给定时刻只能观看已经下载的部分，不能跳到尚未下 载的部分，也不能在传输期间根据网络状况对下载速度进行调整。由于标准的h t t p 服务器就可以发送这种形式的流媒体，而不需要其他特殊协议的支持，因此也常常被 称作h t t p 流式传输。顺序流式传输比较适合于高质量的多媒体片段，如片头、片尾 或者广告等。 第一章绪论 ( 2 ) 实时流传输实时流式传输保证媒体信号带宽能够与当前网络状况相匹 配，从而使得流媒体数据总是被实时地传送；因此特别适合于现场事件。实时流传输 支持随机访问，即用户可以通过快进或者后退操作来观看前面或者后面的内容。从理 论上讲，实时流媒体一经插放就不会停顿，但事实上仍有可能发生周期性的暂停现象， 尤其是在网络状况恶化时更是如此。与顺序流传输不同的是，实时流传输需要用到特 定的流媒体服务器，而且还需要特定网络协议的支持。 1 4 本文的工作 本课题提出的基于网络视频的嵌入式实时系统方案可以比较好的满足当前工程 实际应用中需要。该系统以高性能a r m 7 微处理器为m c u ，以邙0 s i 工为嵌入式实时 操作系统，并且构建了基于网络视频传输的硬件平台，实现了嵌入式网络通信协议的 主要功能。并且具有小型化，低功耗，高性能，低成本，稳定可靠，网络化等显著的 优点，具有一定的工程实用价值。 ， 首先根掘实际应用中对视频监控系统的需求详细阐述了本系统的总体框架。 其次是系统硬件平台设计。根据实际需要，进行了相应外围接口电路的设计， 女口u s b 、j t a g 、串口等 接着对嵌入式实时操作系统的调度策略进行了研究，提出了改进方案。并对 嵌入式实时操作系统l l c 0 s i i 在s a m s u n gs 3 c 4 4 b o x 上进行了移植，详细的 阐述了移植的方法。 最后对嵌入式网络通信协议进行了研究与设计，实现了轻量级的t c p i p 协 议栈。 第二章系统硬件平台 第二章系统硬件平台 通过采用通用微处理器来进行系统资源的管理，扩展相应的功能模块，以满足 应用性的要求，实现一些诸如网络数据传输等功能是本系统硬件模块所要承担的 主要工作。本章将就系统总体方案及基于网络视频传输的嵌入式模块结构作一介 绍，并对主要的扩展模块进行介绍。 2 1 系统总体方案简介 基于嵌入式技术的远程网络视频终端，由于把视频采集、压缩和传输处理集成 到一个体积很小的设备内，可以直接连入以太网，达到即插即看，省掉各种复杂的 电缆，安装方便( 仅需设置一个i p 地址) ，用户的使用也简单，仅需操作软件。本 课题中提出a r m _ d s p 的整体解决方案即系统采用双核结构，d s p 芯片具有专门的硬 件乘法器，广泛采用了流水线操作，提供特殊的d s p 指令，可以用来快速地实现各 种数字信号处理算法。与通用微处理器相比，d s p 芯片的其他通用功能相对较弱， 所以一般需要有一个通用微处理器来实现一些诸如网络数据传输等功能。 越豫 图2 1 总体方案框幽 模拟摄像头将被监控对象的光信号转换成电信号，并且将摄像头的所有像素对 应的电信号组成个符合电视标准的复合信号。 视频采集模块的作用就是将模拟摄像头输出的标准电视信号转换成标准格式的 数字信号。在这个过程中，芯片内部的电路首先对输入的标准电视信号进行a d 采样，然后经过滤波实现了颜色空间表示的变换，对于真彩色的图像，每个像素都 要由 r ，g ，b 红、绿、蓝三基色来表示，但是视频解码芯片一般输出的是经过变换 的另一个颜色空间表示 y ，u ，v 灰度、红色差、蓝色差，而且y ：u ：v 通常有4 ：l ：1 ， 4 ：2 ：2 等等几种采样方法。 采用d s p 来实现压缩编码的方法要比采用专用芯片的方法灵活性大，产品的升 级或算法的更改方便，只需要下载新的程序代码就可以实现。这里由微控制器实现 整个系统的控制，由d s p 来执行计算密集型操作，然后通过一定的手段实现微控 制器与d s p 之阊| j 勺通信和数据交换。 第二章系统硬件平台 嵌入式实时系统的网络视频传输应用是本论文的主要研究工作，本文将就硬件 扩展模块、嵌入式操作系统的移植、实时多任务调度算法的改进、嵌入式网络通信 协议等方面展开讨论。其软硬件模块结构如图2 2 所示。 嵌入式网络视频旧务 实时 见频流羰嬲 + ? 6 i ? 5 二j 1 t c p i p 协议栈 操作系统 h p i 驱动 + l 以太网驱动程序i 。l j 一。 l 以太网控制器lh p i 接口l 硬件接口。 十 。 、 u 默网经摭码 图2 2 嵌入式软硬件模块结构 基于嵌入式c p u 的硬件平台作为本系统的基础，起着至关重要的作用。在设计 时考虑到系统既要进行数据采集，又要实现复杂的网络通讯功能，而且要有很强的 扩充和升级能力。所以应该选用功能强大、资源丰富的处理器，由于传统的8 位、 1 6 位单片机资源匾乏，比如运算速度慢，少量的r o m 、r a m ，i 0 端口少等限制不 能满足要求，同时，该系统工作于远程方式，因此对系统的体积和功耗要求也是很 严格的。综上所述，我们选择了三星的s 3 c 4 4 b o x ，a r m 核的微控制器。 2 2 三星s 3 c 4 4 b o x a r m 是一款3 2 位的精简指令集( r i s c ) 处理器架构，以其高性能、低功耗、低 成本占有市场。由于a 脒公司采用i p 授权的方式经营，全球几乎所有的大半导体 公司都有基于a i 瑚的s o c 芯片。 三星s 3 c 4 4 b o x 撼于a r m 7 t d m ir i s c 微处理器内核，主频6 6 硼z ，o 2 5 微米c m o s 工艺，是为掌上设备和其他应用设训的一款高性价比的微控镯j 器。心m 7 r d m i 系统扩 充包括u n l b 仂、处理器、片t ：t c e 中断调试支持和3 2 位硬件乘法器。s 3 c 4 4 b o x 通 过在a r m 77 r 叫i 内容基础上扩展系列完整的通用外圈器件，使系统费用降至最低， 消除了增加附加配馁的需要。具有以f 特性“： 采用a r m 7 t 渊i 内孩，i 0 电压3 3 v ，内核电压2 5 v ； 内置锁相环( 儿i 。) 的片巴时钟发生器； 第二章系统硬件平台 4 种工作模式，可以实现电源管理以降低系统功耗； 8 k b 的系统高速缓存( c a c h e ) ，极大地提高了系统运行速度； 支持8 个m e m o r yb a n k ，最大外部存储空问达2 5 6 懈，并支持s d r a m 带有个专用d m a 通道的l c d 控制器； 2 路异步串口( u a r t ) ； 7 1 个通用i o 口，8 个外部中断源； 8 通路模数转换器( a d c ) ； 实时时钟( r t c ) 和看门狗电路( w a t c h d o g ) 。 2 3 系统主体硬件平台 。 下图为嵌入式a r m 板的功能模块图： 臻n 臻乐9 豢梨 3 钏l s 咯 s 3 e 4 4 8 0 x 图2 2 系统功能模块 主要配置和资源如下： 2 m 字节f l a s h ：s s t 3 9 v f l 6 0 ； 8 m 字节s d r a m ：h y 5 7 6 4 1 6 2 0 ： 网络接口：8 0 1 9 a s ： u s b 接口：s l 8 1 1 h s ： l c d 接口：支持4 位和8 位数据总线的液晶模块； 两路r s 一2 3 2 串行通信接口； 标准1 4 芯j t a g 接口。 由于整个系统很复杂，功能模块也非常多，这里只介绍最主要的模块。 2 3 1 存储器映射 s 3 c 4 4 8 0 x 把外部复位信号也作为一个中断来处理。在系统复位的时候，p c 指针 被置成o ，使程序跳转到o x 0 0 0 0 0 0 0 0 开始运行。此空间对应的是b a n k o ，系统的2 m b f 1 a s h 和处理器的b a n k o 相连。在f 1 a s h 里存储的是系统b 1 0 s ，在系统经过初始化 和硬件自检后，此程序负责f 1 a s h 中的监控程序和应用程序复制到0 x c 0 0 0 0 0 0 地址 开始处，然后引导程序把p c 指针指向0 x c 0 0 0 0 0 0 地址，系统开始运行。 9 竺漱 燮一 第二章系统硬件平台 j s r o w b r m 踞o r a m 2 珥剐科3 2 划8 键芎 雕碉 i 稻e s 7 r o ；g f 船 薯0 融 8 穗字带 t 。5 塘州 f n g c s 固0 e 0 0 0 0 0 0 0 x 7 擎f p p 2 盟，豁 国3 2 醐b 一 ， 蝴j l 鲻f ，溅 3 2 m 弱 甲 褴挂鞠刘f 薰恐、 ! 洲s 。 z 嘲b s a 曙r ：纠 1 g c s 3 ， j r l 8 0 1 种 3 2 m 鎏 a 。s # a 蹶r 。孽蚓、 士 d s p 一口i m g e s 2 j卜刚。 ， m 0 c 8 j u s b【3 2 翻3 、 s d 0 i g if u n c i 0 矗 r ；g l s l e r s 悄mb y t o s 哺e 鼢i 端磊竺嚣蹲 7 1 l 2 渊3 ， 图2 3s 3 c 4 4 b o x 的存储器映射 s 3 c 4 4 b o x 的存储器系统具有一下一些主要特征： 支持数据存储的l i t t l e b i ge n d i a n 选择( 通过外部引脚进行选择) ； 地址空间：具有8 个存储体，每个存储体可达3 2 m b ，总共可达2 5 6 m b ； 对所有存储体的访问大小均可进行改变( 8 位1 6 位3 2 位) ； 8 个存储体中，b a n k o b a n k 5 可支持r o m 、s r a m ；b a n k 6 ，b a n k 7 可支持 r o m 、s r a m 和f d e d o s d r a m 等； 7 个存储体的起始地址固定，1 个存储体的起始地址可变。 s 3 c 4 4 b o x 的b a n k 0 数据总线宽度可以在系统启动前通过o m 1 ：0 引脚配置成 8 位、1 6 位、3 2 位。本系统采用跳线的方式进行b a n k 0 数据总线宽度的选择，启 动r o m 选用的是1 鼢1 6 位宽的f l a s h ( s s t 3 9 v f l 6 0 ) ，所以这里选择的是1 6 数据总 线方式。f l a s h 占用的地址空间为o x o 0 0 0 0 0 0 0 h o x 0 0 2 0 0 0 0 0 h 。 s d r a m 芯片选择的h y n i x 的h y 5 7 6 4 1 6 2 0 ，4 b a n k s 1 m 1 6b i t 的同步动态r a m ， 采用c m o s 工艺，特别适合做需要高密度、带宽的应用场合中的主存储器。s d r a m 采用1 6 位数据总线方式与s 3 c 4 4 b o x 连接。 2 3 2 主从式u s b 接口设计 u s b 全称为u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( 通用串行总线) 。除了p c 机外围，u s b 接 口的出现将带来革命性的变化，在嵌入式系统中，u s b 也将扮演举足轻重的角色。 以往，嵌入式系统之间数据交换，或是与p c 机之间的数据交换广泛使用以r s 一2 3 2 为基础的异步串行接口，但这些接口的缺点在于速度低，7 并且需要构建专门的通信 程序，无法实现通用化与规范化的要求“。 o 第二章系统硬件平台 u s b 接口使与p c 接口的嵌入式设备更加方便( 如数据采集) ； u s b 通信方式将替代普通r s 一2 3 2 通信； 具有u 盘功能的嵌入式设备在与p c 机进行交换时更加方便； 具有主机( h o s t ) 功能的嵌入式设备可读写u 盘，对于数据采集、存取 更加方便，适合野外设备或长期运行设备的数据采集； c y p r e s s 公司的s l 8 1 l h s 芯片是一款嵌入式的u s b 主机设备控制器，利用其标 准的地址数据总线可以和大多数的8 位微控制器、1 6 位和3 2 位嵌入式微处理器连 接。可作为u s b 主机或者设备的接口控制器，通过其m s 引脚或者内部地址为o x o f 的控制寄存器2 的d 7 位可对主从模式选择；支持u s b 协议1 1 ，提供全速和低速 2 种u s b 总线速度方式；硬件自动产生帧起始包s o f 和c r c 5 1 6 校验；片上集成了 s i e 、单端口根h u b 、u s b 收发器和2 5 6 字节的s r a m 。3 图2 4s l 8 1 l h s 的功能模块框幽 s l 8 1 l h s 的功能模块框图如图2 4 所示。其主从控制器即可作为u s b 主机结构 的u s b 主机控制器部分，也能够作为u s b 设备的控制器。中断控制器通过检测各种 u s b 总线的状态变化，如设备的接入移除、设备挂起模式的唤醒等，并以中断形式 表现，可通过检测中断状态寄存器来了解设备的状态。s i e 实现数据并、串转换。 集成的根h u b 提供u s b 设备的连接点。处理器接口提供了数据、地址和控制信号线， 方便和单片机、d s p 和嵌入式微处理器连接。 s l 8 1 1 h s 的片内带有2 5 6 字节的r a m ，寻址范围为o x o o o x f f ，它一方面提供 了数据存储的缓冲区，另一方面又定义了各种寄存器用于控制s l 8 1 1 h s ，外部的c p u 通过访问这些寄存器即可了解u s b 的状态和相关信息。其中o x o o o x 0 f 共1 6 个字 节是寄存器区，其余的2 4 0 字节是数据缓冲区。寄存器定义如表1 所示。 u s b a 和u s bb 两套主机控制寄存器在功能和结构上是完全相同的，以 p i n g p o n g 机制管理u s b 的数据传输，也即意味着表l 中的2 套寄存器集允许交替 操作。当一套正在被配置时，另一套可以进行数据的传输，以提高系统处理数据的 效率。 s a m s u n gs 3 c 4 4 b o x 微处理器与u s b 主从控制芯片s l 8l l h s 的电路连接如图25 第二章系统硬件平台 所示，使用j p l 跳线进行u s b 主从模式的选择。由于s l 8 1 l h s 提供了多数微处理 器兼容的地址、数据和控制信号线，所以在嵌入式应用系统中的硬线连接也相对较 为容易和可靠。 图2 5s l 8 1 l h s 与s 3 c 4 4 b o x 的连接图 2 3 3 网络接口 r t l 8 0 1 9 a s 是r e a l t e k 公司生产的一种1 0 m b p s 全双工以太网控制器，由于其优 良的性能、简便的操作和低廉的价格，在市场上占有很大的比率，特别是在嵌入式 系统中，应用非常广泛。其主要功能有“： 符合i e e e 8 0 2 31 0 b a s e 2 和1 0 b a s e t 标准； 软件兼容n e 2 0 0 0 ，支持8 位1 6 位数据接口； 支持即插即用( p n p ) ，非即插即用( n o n p n p ) 模式； 支持跳线和非跳线模式： 支持全双工模式； 支持u t p ，a u i 和b n c 接口的自动探测： 网络传输速率为1 0 m b i t s e c ，支持c s m a c d 传输协议； 自动奇偶检测及纠错； 片内含有1 6 k b 高速s r a m 。 r t l 8 0 1 9 a s 的硬件连接比较简单，但要注意其设备地址和数据总线类型。 r t l 8 0 1 9 a s 包括了4 页寄存器、远程d m a 端口和复位端口。每页中含有1 6 个寄存器， 地址为o o o x o f ；远程d m a 端口的地址为o x l o o x l 7 ；复位端口地址为0 x 1 8 o x l f 。 所以其有效相对地址范围为o x o o o x l f ，即只需要5 根低位地址线，其高位地址线 可以使用一个确定的地址由s 3 c 4 4 b o x 的n g c s 3 片选来确定，这样可以有效的减少 p c b 的走线数目，r t l 8 0 1 9 a s 内部基地址可以通过1 0 s 0 ：3 管脚来指定。 r t l 8 0 1 9 a s 可以完成所有以太网接受和发送数据的功能，对该芯片的操作也完 全是通过它自身的寄存器实现的，关于该芯片的工作原理和编程模型，在后面有关 第二章系统硬件平台 r t l 8 0 1 9 a s 的驱动程序章节中介绍。r t l 8 0 1 9 a s 与s 3 c 4 4 8 0 x 的连接如图2 6 所示。 s 3 e 4 礴b o x 骶l 8 口1 髂 s 3 泓b 殚d 艇i ，捌霹疆，蜀彗砭譬基k 赳渤鹰s a 姆雌e e d ie 龇 5 魁1 9 撵b 器i d 0 广一 弱璐 班璐 娅 m 盼w e t 甯x m h 彝坼 灞l 鲻 蜷自n 嚣脚j 粼。 r 鞠骶獬 幽2 6r t l 8 0 1 9 a s 与s 3 c 4 4 8 0 x 的连接图 1 0 c s l 6 b ：设置r t l 8 0 1 9 a s 数据总线类型( 8 位1 6 位) 。1 6 位模式时，使用3 0 0 欧姆电阻上拉；8 位模式时，使用2 7 k 欧姆电阻下拉。 j p ：跳线非跳线方式选择。低电平表示非跳线模式，高电平表示跳线模式。一 般在嵌入式系统中，为了简化r t l 8 0 1 9 a s 的驱动程序和使用方式，一般采用跳线方 式，避免复杂的p n p 初始化过程。 2 3 4h p i 接口设计 主机接口( h p i ，h o s tp o r ti n t e r f a c e ) ”1 是t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列定点芯片内部具 有的移植接口部件，主要用于d s p 和其他总线或c p u 进行通信。h p i 接口通过h p i 控制器( h p i c ) 、地址寄存器( h p i a ) 、数据锁存器( h p i d ) 和h p i 内存块实现与主 机通信。其主要特点有：接口所需外围硬件少；h p i 单元运行芯片直接利用一个或 两个数据选通信号、一个独立或复用的地址总线、一个独立或复用的数据总线接到 微控制单元m c u 上；主机和d s p 可独立地对h p i 接口操作；主机和d s p 握手可通过 中断方式来完成。另外，主机还可以通过h p i 接口装载d s p 应用程序、接受d s p 运 行结果或诊断d s p 运行状态。h p i 为d s p 芯片的接口开发提供了一种极为方便的途 径。 t m s 3 2 0 c 5 4 x 中的主机接口( l p i ) 主要有三三种：标准8 位| 1 p 1 8 接口、增强型8 位 h p l 8 缓口和1 6 位h p l l 6 接口。其中c 5 4 2 c 5 4 9 内含标准型h