（物理电子学专业论文）基于arm9的嵌入式图像采集系统的设计.pdf

硕上论文 基于a r m 9 的嵌入式图像采集系统的设计 摘要 随着电子技术的快速发展，特别是大规模集成电路的产生而出现的微型机，使现代 科学研究得到了质的飞跃，而嵌入式微控制器技术的出现则是给现代工业领域带来了一 次新的技术革命。由嵌入式微控制器组成的系统，最明显的优势就是可以嵌入到任何微 型或小型仪器、设备中。 嵌入式系统主要由硬件和软件两部分组成；本实验系统的硬件核心部分是$ 3 c 2 4 4 0 开发板，s 3 c 2 4 4 0 微处理器是一款低功耗、高集成度的微处理器，采用2 8 9 脚f b g a 封 装，包含a r m 9 2 0 t 内核。本实验系统的软件核心部分是嵌入式l i n u x 操作系统，它是 对l i n u x 操作系统进行裁剪，使之能在嵌入式计算机系统上运行的一种操作系统；并且 具有软件移植容易，代码开放，有许多应用软件支持等特点。 论文主要介绍了嵌入式技术的现状和发展趋势，对基于s 3 c 2 4 4 0 的嵌入式图像采集 系统提出了一个总体设计的方案，其中包括系统硬件平台的搭建，嵌入式l i n u x 操作系 统的移植，交叉编译环境的建立，以及嵌入式软件开发平台的建立。 在嵌入式系统硬件方面，主要介绍了a r m 9 处理器的结构特点和功能以及系统硬件 平台的选择原则。在嵌入式软件开发平台方面，主要介绍了嵌入式l i n u x 的特点和应用， l i n u x 系统如何移植到s 3 c 2 4 4 0 开发板，以及应用软件在嵌入式系统上的开发流程。 关键词：a r m ，s 3 c 2 4 4 0 ，图像采集系统，嵌入式l i n u x a b s t r a c t 一 堡主丝壅 a b s t r a c t w 1 t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h ee m e 曜e n c eo f l a r g e 。s c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t sa n dt h ee m e r g e n c eo f t h em i c r o c o m p u t e r , t h e r eh a sb e e na q u a l l t a t l v el e a pi nm o d e ms c i e n t i f i c r e s e a r c h a n dt h e e m e 唱e n c eo ft l l ee m b e d d e d 咖c r o c o n t r o l l e rt e c h n o l o g yh a sb r o u g h tan e w t e c h n o l o g i c a lr e v o l u t i o ni nt h ef i e l do fm o d e m 1 n d u s t r y t h em o s to b v i o u sa d v a n t a g eo ft h ee m b e d d e dm i c r o c o n t r o l i e rs y s t e mi st h a tc a j lb e e m b e d d e di n t oa n ym i c r o o rs m a l l - s c a l ea p p a r a t u s ，e q u i p m e n t e m b e d d e ds y s t e mi sm a i n l yc o m p o s e do f t w op a r t s ，h a r d w a r ea n ds o 觚a r e t h ec o r eo f t | 1 e s y s t e m sh 羽啪i s $ 3 c 2 4 4 0d e v e l o p m e n t b o a r d $ 3 c 2 4 4 0 m i c r o p r o c e s s o ri sa 1 0 w l p o w e r ，h l g h l yi m e g r a t e dm i c r o p r o c e s s o r , u s i n g2 8 9 - p i nf b g a p a c k a g e ，i n c l u d i n gt h e a r m 9 2 0 tc o r e t h ec o r eo ft h es y s t e m ss o f t w a r ei se m b e d d e d l i n u ) 【o p e r a t i n gs y s t e m ni s a no p e m t l n gs y s t e mw h i c hi st h ep r o d u c to f c u t t i n gt h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e m i tc a l l 砌m t n ee m b e d d e dc o m p u t e r s y s t e m - e m b e d d e dl i n u x o p e r a t i n gs y s t e mh a sm a n yf e a t u e r s ，s u c ha s 呦1 s p l a n ts o f t w a r ee a s i l y , o p e n s o u r c e ，s u p p o r t e db ym a n ya p p l i c a t i o ns o r w a r e 1n ep a p e rm t r o d u c e dt h es t a t u sa n d d e v e l o p m e n tt r e n do fe m b e d d e dt e c h n 0 1 0 9 y i tr a i s e s t h eo v e r a l lp r o g r a mo f i m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mw h i c hi sb a s e do ne m b e d d e dt e c l m 0 1 0 9 y i t 1 n c i u d e st h ee 吼a b l i s h m e n to fh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h e 咖s p l a i l to ft h ee m b e d d e d o p e r a t i n g s y s t e m ，t h ee s t a b l i s h m e n to fc r o s s c o m p i l e re n v i r o n m e n t ，a sw e l l a l st h ee s t a b l i s h m e n to f d e v e l o p m e n tp l a t f o r mu s e di ne m b e d d e ds o r w a i e i nt e r m so fe m b e d d e d s y s t e m sh a r d w a r e ，i tm a i n l yi n t r o d u c e dt h es t m c t u r ea i l df e a t u r e s o ta r m 9 p r o c e s s o r , a sw e l la st h ec h o i c ep r i n c i p l e so fh 莉啪p l a t f o 咖 1 ns o n w a r ed e v e l o p m e n t p l a t f o r mo fe m b e d d e ds y s t e m , i tm a i n l yi n t r o d u c e dm e c n a r a c t e n s t l c sa n da p p l i c a t i o n so fe m b e d d e dl i n u x s y s t e m ，a n dh o wt om i g r a t ei tt o d e v e j o p m e n tb o a r d ，a sw e l la st h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so f e m b e d d e ds o 觚a r e k e y w o r d ：a r m ，$ 3 c 2 4 4 0 ，i m a g ea c q u i s i t i o ns y s 蛐，锄b e d d e di i n u x n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月日 硕上论文基于a r m 9 的嵌入式图像采集系统的设计 1 绪论 在现在日益信息化的社会中，计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每一个角 落。对于我们每个人，需要的已经不再仅仅是那种放在桌上处理文档，进行工作管理和 生产控制的计算机；各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过通用计 算机，任何一个普通人可能拥有从大到小的各种使用嵌入式技术的电子产品，d nm p 3 ， p d a 等微型数字化产品，大到网络家电，智能家电，车载电子设备。而在工业和服务领 域中，使用嵌入式技术的数字机床，智能工具，工业机器人，服务机器人也将逐渐改变 传统的工业和服务方式。 1 1 嵌入式技术的现状和发展趋势 1 1 1 嵌入式技术的现状 i n t e m e t 与网络的迅速普及应用，并向家庭领域不断扩展，使消费电子、计算机、 通信( 3 c ) 一体化趋势日趋明显，嵌入式系统再度成为研究与应用的热点。 嵌入式系统被描述为：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、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统主要由嵌入 式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是集软硬件于一 体的可独立工作的“器件 。嵌入式处理器主要由一个单片机或微控制器( m c u ) 组成。 相关支撑硬件包括显示卡、存储介质、通信设备、i c 卡或信用卡读取设备等。 嵌入式操作( r e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，r t o s 或e o s ) 是一种实时的、 支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统( 包括硬、软件系统) 极为重要 的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协 议、图形界面。标准化浏览器b r o w s e r 等。 目前，嵌入式操作系统的品种较多，据统计，仅用于信息电器的嵌入式操作系统就 有4 0 种左右，其中较为流行的主要有：w i n d o w sc e 、p a l mo s 、r e a l t i m el i n u x 、 v x w o r k s 、p s o s 、p o w e r t v 以及m i c r o w a r e 公司的o s 9 。与通用操作系统相比较，嵌 入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等 方面具有较为突出的特点。象前途无可计量的维纳斯计划生产机顶盒，核心技术就是采 用3 2 位以上芯片级的嵌入式技术。在个人领域中，嵌入式产品将主要是个人商用，作 为个人移动的数据处理和通讯软件。由于嵌入式设备具有自然的人机交互界面，g u i 屏 幕为中心的多媒体界面给人很大的亲和力。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮 件以及彩色图形、图像已取得初步成效。 目前一些先进的p d a 在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，日用范围 l 1 绪论硕上论文 也将同益广阔。对于企业专用解决方案，如物流管理、条码扫描、移动信息采集等，这 种小型手持嵌入式系统将发挥巨大的作用。自动控制领域，不仅可以用于a t m 机，自 动售货机，工业控制等专用设备，和移动通讯设备结合、g p s 、娱乐相结合，嵌入式系 统同样可以发挥巨大的作用。长虹推出的a d s l 产品，结合网络，控制，信息，这种智 能化，网络化将是家电发展的新趋势。 硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的各种配套开发 包。目前低层系统和硬件平台经过若干年的研究，已经相对比较成熟，实现各种功能的 芯片应有尽有。而且巨大的市场需求给我们提供了学习研发的资金和技术力量。 我国自主开发的嵌入式系统软件产品如科银( c o r e t e k ) 公司的嵌入式软件开发平 台d e l t a s y s t e m ，中科院推出的h o p e n 嵌入式操作系统( 虽然还不够完善) 。同时由于是 研究热点，所以我们可以在网上找到各种各样的免费资源，从各大厂商的开发文档，到各 种驱动，程序源代码，甚至很多厂商还提供微处理器的样片。这对于我们从事这方面的 研发，无疑是个资源宝库。对于软件设计来说，不管是上手还是进一步开发，都相对来 说比较容易。这就使得很多生手能够比较快的进入研究状态，利于发挥大家的积极创造 性。 1 1 2 嵌入式技术的发展趋势 信息时代，数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展契机，为嵌入式市场展现了 美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战，从中我们可以看出未来嵌入式 系统的几大发展趋势： 嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系 统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。 目前很多厂商已经充分考虑到这一点，在主推系统的同时，将开发环境也作为重点 推广。比如三星在推广a r m 7 、a r m 9 芯片的同时还提供开发板和版及支持包( b s p ) ， 而w i n d o w c e 在主推系统时也提供e m b e d d e dv c + + 作为开发工具，还有v x w o r k s 的 t o n a d o 开发环境，d e l t a o s 的l i m d a 编译环境等等都是这一趋势的典型体现。当然，这 也是市场竞争的结果。 网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽r 益提高，使得以往单一功能 的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构更加复杂。这就要求芯片设 计厂商在芯片上集成更多的功能，为了满足应用功能的升级，设计师们一方面采用更强 大的嵌入式处理器如3 2 位、6 4 位r i s c 芯片或信号处理器d s p 增强处理能力，同时增 加功能接口，如u s b ，扩展总线类型，如c a nb u s ，加强对多媒体、图形等的处理， 逐步实施片上系统( s o c ) 的概念。软件方面采用实时多任务编程技术和交叉开发工具 技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。 2 硕士论文基于a r m 9 的嵌入式图像采集系统的设计 网络互联成为必然趋势未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然要求硬件 上提供各种网络通信接口。传统的单片机对于网络支持不足，而新一代的嵌入式处理器 已经开始内嵌网络接口，除了支持t c p i p 协议，还有的支持i e e e l 3 9 4 、u s b 、c a n 、 b l u e t o o t h 或i r d a 通信接口中的一种或者几种，同时也需要提供相应的通信组网协议软 件和物理层驱动软件。软件方面系统系统内核支持网络模块，甚至可以在设备上嵌入 w 曲浏览器，真正实现随时随地用各种设备上网。 精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本，未来的嵌入式产品是软硬件紧密结 合的设备，为了减低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统内核，只保留和系统功能紧 密相关的软硬件，利用最低的资源实现最适当的功能，这就要求设计者选用最佳的编程 模型和不断改进算法，优化编译器性能。 提供友好的多媒体人机界面，嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素就是它 能提供非常友好的用户界面。图像界面，灵活的控制方式，使得人们感觉嵌入式设备就 象是一个熟悉的老朋友。这方面的要求使得嵌入式软件设计者要在图形界面，多媒体技 术上痛下苦功。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像都会 使使用者获得自由的感受。目前一些先进的p d a 在显示屏幕上已实现汉字写入、短消 息语音发布，但一般的嵌入式设备距离这个要求还有很长的路要走。 1 2 课题研究的背景及意义 随着我国科技的进步和社会的发展，数字视频图像的采集、存储、处理及传输技术 在最近几年得到了广泛的应用和发展，各类图像采集及处理系统已经逐渐深入到人们生 活的各个方面。与视频采集卡等传统图像采集系统相比，嵌入式图像采集系统具有体积 小、成本低、可靠性高等优点，在智能交通、远距离监控、计算机视觉等领域应用广泛。 图像是人类获取和交换信息的主要来源，图像信息的采集和处理经过十几年的发 展，随着各种新方法，新技术以及新设备的不断涌现，已经广泛应用于各行各业。在视 频监控，智能交通和智能小区的发展，卫星遥感图像识别，生物医学学科中诸如射线成 像，染色体分类技术，办公自动化中的手写识别，票据及人民币的识别以及工业视觉， 虚拟现实等等领域，图像的采集都有着极其重要的应用。 随着图像压缩技术的进步，数字图像采集产品进入了一个快速发展时期，产品也由 原来的数字监控录像主机发展到网络摄像机，网络传输设备，电话传输设备，专业数字 硬盘录像机等多种产品。经过这几年的发展，国内诞生了一批新兴的数字化图像采集产 品生产企业，特别是以数字化安防产品为代表的数字硬盘录像机生产企业的迅速崛起， 使原有的图像采集市场发生了根本性的变化，传统监控产品生产企业如松下、三洋、产 品在市场中的份额不断缩减，民族品牌的数字化图像采集产品逐步占据市场。 图像视频技术在现代科学研究，工农业生产、交通运输、资源的遥感探测，医疗卫 3 l 绪论硕士论文 生、空间探测、航天探测等各个领域内应用越来越广泛。第一，在广播电视的传输领域 内继续发展，高清晰度数字电视已经受到越来越多人的关注。国家已制定了数字电视进 程的明确时间表，高清晰度电视制式及其标准不久将要布。第二，在通信领域中，有可 视电话、会议电视、多媒体通信、视频数据库、视频监控等。第三，在教育医疗领域， 有远程教育、远程医疗会诊、现场实况转播等。第四，在计算机领域，有桌面视频、视 频数据库、视频检索、影视制作、多媒体通信，动画设计与制作、视频服务等。此外， 在其它领域也有广泛应用。 1 3 论文的主要工作和组织结构 本文以在嵌入式环境下的图像采集为例，介绍了嵌入式系统的基本概念及组成部 份。讨论了基于$ 3 c 2 4 4 0 的图像采集系统硬件平台的搭建，l i n u x 在a r m 9 开发板上的 移植问题，以及如何在嵌入式l i n u x 开发环境中进行图像采集软件的开发。为了实现本 系统的功能要求，需要在v i d e 0 4 l i n u x 下进行图像采集的编程，通过代码的编写设置好 图片采集的速率，采集的帧数，采集图片的大小，存储的格式和路径等，从而实现系统 的具体功能。 本文组织结构如下： 第一章，绪论。介绍了课题的研究背景、嵌入式技术的国内外发展现状和本课题的 研究目标和内容。 第二章，嵌入式系统总体方案设计。介绍了嵌入式系统的基本组成部分，及其各部 份的特点。 第三章，嵌入式系统硬件丌发平台。介绍了嵌入式开发硬件平台的选择原则，以及 a r m s y s 2 4 4 0 的基本组成部分和功能特点。 第四章，嵌入式系统软件开发平台。介绍了嵌入式操作系统的选择原则。分析了 l i n u x 设备驱动程序的结构和工作原理。 第五章，嵌入式l i n u x 开发环境的搭建。研究l i n u x 内核的结构特点，重点研究l i n u x 内核在嵌入式环境下的移植及裁剪方法。 第六章，u s b 摄像头驱动设计。介绍了u s b 结构以及如何进行u s b 摄像头驱动的 开发。详细分析了v i d e 0 4 l i n u x 图形接口函数的特点，研究通过调用v i d e 0 4 l i n u x 编写 设备驱动的方法和流程。 4 硕士论文 基于a r m 9 的嵌入式图像采集系统的设计 2 嵌入式系统总体方案设计 2 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统是以应用为中心，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。 2 1 1 嵌入式系统的组成 一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，嵌入式计算机系 统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。执行 装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操 作或任务。 图2 1 嵌入式系统框架 本实验系统的硬件部分主要包括：视频采集模块，a r a s y s 2 4 4 0 开发板，以太网模 块，存储器，键盘，l c d 等构成。系统的软件部份主要由引导驱动程序，操作系统，文 件系统，应用程序等几部份组成。 2 嵌入式系统总体方案设计 硕十论文 2 1 2 嵌入式系统的分类 由于嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，所以其分类也可以从硬件和软件进行 划分。 从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分， 而目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1 0 0 0 种，流行体系结构包括m c u ， m p u 等3 0 多个系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前景，很多半导体制造商都大规模生 产嵌入式处理器，并且公司自主设计处理器也已经成为了未来嵌入式领域的一大趋势， 其中从单片机、d s p 到f p g a 、a r m 有着各式各样的品种，速度越来越快，性能越来 越强，价格也越来越低。目前嵌入式处理器的寻址空间可以从6 4 k b 到1 6 m b ，处理速 度最快可以达到2 0 0 0m i p s ，封装从8 个引脚到1 4 4 个引脚不等。 嵌入式处理器可以分成下面几类： 嵌入式微处理器( m i c r op r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变而来的。它的特征是具有3 2 位以上 的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是，在 实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部 分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比， 嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处 理器类型有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m s t r o n g a r m 系列等。 其中a r m s t r o n g a r m 是专为手持设备开发的嵌入式微处理器，属于中档的价位。 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器的典型代表是单片机，从7 0 年代末单片机出现到今天，虽然已经 经过了2 0 多年的历史，但这种8 位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛 的应用。单片机芯片内部集成r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、 看门狗、i o 、串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要 功能和外设。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小， 从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制 器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。 由于m c u 低廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代表性 的包括8 0 5 1 、m c s 2 5 l 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、p 5 1 x a 、c 1 6 6 1 6 7 、6 8 k 系列以及m c u 8 x c 9 3 0 9 3 1 、c 5 4 0 、c 5 4 1 ，并且有支持1 2 c 、c a n b u s 、l c d 及众多专用m c u 和兼容 系列。目前m c u 占嵌入式系统约7 0 的市场份额。近来a t m e l 出产的a v r 单片机由于 其集成了f p g a 等器件，所以具有很高的性价比，势必将推动单片机获得更高的发展。 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 6 硕士论文基于a r m 9 的嵌入式图像采集系统的设计 d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行 了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度。在数字滤波、f f t 、谱分析等各 种仪器上d s p 获得了大规模的应用。 d s p 的理论算法在7 0 年代就已经出现，但是由于专门的d s p 处理器还未出现，所 以这种理论算法只能通过m p u 等由分立元件实现。m p u 较低的处理速度无法满足d s p 的 算法要求，其应用领域仅仅局限于一些尖端的高科技领域。随着大规模集成电路技术发 展，1 9 8 2 年世界上诞生了首枚d s p 芯片。其运算速度比m p u 快了几十倍，在语音合成和 编码解码器中得到了广泛应用。至8 0 年代中期，随着c m o s 技术的进步与发展，第二代 基于c m o s 工艺的d s p 芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为 语音处理、图像硬件处理技术的基础。到8 0 年代后期，d s p 的运算速度进一步提高，应 用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。9 0 年代后，d s p 发展到了第五代产品， 集成度更高，使用范围也更加广阔。 目f i 最为广泛应用的是t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 系列，另外如i n t e l 的m c s 2 9 6 和s i e m e n s 的t r i c o r e 也有各自的应用范围。 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) s o c 追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领域的热门话题之一。 s o c 最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码 模块。而且s o c 具有极高的综合性，在一个硅片内部运用v h d l 等硬件描述语言，实 现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一 点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用 处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于绝大部分系 统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提 高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。 由于s o c 往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，比较典型的s o c 产品是 p h i l i p s 的s m a r tx a 。少数通用系列如s i e m e n s 的t r i c o r e ，m o t o r o l a 的m c o r e ，某些 a r m 系列器件，e c h e l o n 和m o t o r o l a 联合研制的n e u r o n 芯片等。 预计不久的将来，一些大的芯片公司将通过推出成熟的、能占领多数市场的s o c 芯片，一举击退竞争者。s o c 芯片也将在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领 域中发挥重要作用。 从软件方面划分，主要可以依据操作系统的类型。目前嵌入式系统的软件主要有两 大类：实时系统和分时系统。其中实时系统又分为两类：硬实时系统和软实时系统。 实时嵌入系统是为执行特定功能而设计的，可以严格的按时序执行功能。其最大的 特征就是程序的执行具有确定性。在实时系统中，如果系统在指定的时间内未能实现某 个确定的任务，会导致系统的全面失败，则系统被称为硬实时系统。而在软实时系统中， 7 2 嵌入式系统总体方案设计硕士论文 虽然响应时间同样重要，但是超时却不会导致致命错误。一个硬实时系统往往在硬件上 需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片，而软实时系统则主要在软件方面通过 编程实现时限的管理。比如w i n d o w sc e 就是一个多任务分时系统，而u c o s i i 则是典 型的实时操作系统【1 1 。 2 1 3 嵌入式系统的特点 这些年来掀起了嵌入式系统应用热潮的原因有几个方面：一是芯片技术的发展，使 得单个芯片具有更强的处理能力，而且使集成多种接口已经成为可能，众多芯片生产厂 商已经将注意力集中在这方面。另一方面的原因就是应用的需要，由于对产品可靠性、 成本、更新换代要求的提高，使得嵌入式系统逐渐从纯硬件实现和使用通用计算机实现 的应用中脱颖而出，成为近年来令人关注的焦点。 嵌入式系统的几个重要特征： 1 系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有 限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如e n e a 公司的o s e 分布式系统，内核 只有5 k 。 2 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密， 一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统 硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改， 程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级是完全两个概念。 3 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功 能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。 4 高实时性的系统软件( o s ) 是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态存储， 以提高速度；软件代码要求高质量和高可靠性。 5 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统 的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行：但是为了合理地调度多任务、利用系 统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配r t o s ( r e a l - - t i m e o p e r a t i n gs y s t e m ) 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时 间，保障软件质量。 6 嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备自主开发能力，即使 设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和 环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻 辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开 发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行【2 , 3 1 。 2 2 图像采集系统硬件平台方案 8 硕士论文基于a r m 9 的嵌入式图像采集系统的设计 本实验系统的硬件部分主要包括：视频采集模块，$ 3 c 2 4 4 0 开发板，以太网模块， 存储器，键盘，l c d 等构成。 $ 3 c 3 4 4 0 开发板是整个嵌入式图像采集系统的核心，它由两个部份组成，即核心板 和扩展板，两个板之间采用两个板之间采用s o d i m m 2 0 0 标准插座连接。 核心板主要是由$ 3 c 2 4 4 0 微处理器芯片，必需的电源电路，r e s e t 电路，晶振电 路和f l a s h 存储器，r a m 存储器等构成。 扩展板外围各功能模块有：串口、网口、j t a g 、l e d 、l c d 等 在嵌入式处理器的控制下，通过u s b 摄像头采集到得图像数据输出到缓冲区中， 保存成b m p 文件，并且在l c d 上显示出来；或者经侦同步信号触发产生中断后被拷贝 到s d r a m ，然后通过网络接口，利用u d p 协议传输到远端的p c 机上。 视频采集模块采用以o v 5 1 1 芯片为核心的u s b 摄像头，它可以被设置成为最大输 出为6 4 0 x 4 8 0 分辨率的8 位c c i r - 6 5 6y u v4 ：2 ：2 格式的图像。这类摄像头有图象清 晰，价格相对低廉，与l i n u x 系统兼容性好等特点。 a r m 处理器采用的是三星公司的s 3 c 2 4 4 0 芯片，$ 3 c 2 4 4 0 微处理器是一款由 s a m s u n g 半导体公司为手持设备和各种多用途应用设计的，低功耗、高集成度的微处理 器，采用2 8 9 脚f b g a 封装，包含a r m 9 2 0 t 内核。 网络模块选用c s 8 9 0 0 a 作为主控芯片的i o m 以太网模块，该模块特性：单芯片i e e e 8 0 2 3 以太网控制器( 带d i r e c ti s a b u s 接口) ，最大工作电流5 5 m a ，3 v 工作电源，工 业温度范围，全双工操作，片上收发帧的r a m 缓存区，1 0 b a s e t 端口具备隔离变压 器，可编程传输特性，a u t o m a t i cr e t r a n s m i s s i o no nc o l l i s i o n ，a u t o m a t i cp a d d i n ga n dc r c g e n e r a t i o n ，可编程接收特性，s t r e a mt r a n s f e r t mf o rr e d u c e dc p uo v e r h e a d ，a u t o s w i t c h b e t w e e nd m aa n do n c h i pm e m o r y ，e a r l yi n t e r r u p t sf o rf r a m ep r e p r o c e s s i n g ，a u t o m a t i c r e j e c t i o no f e r r o n e o u sp a c k e t s ，边界检测和还回测试，具备“n k 状态和l a n 活跃的l e d 状态指示灯，具备待机和挂起休眠模式等。 l c d 选择的是8 0 英寸真彩t f t 型液晶屏模块l 8 0 t 8 4 。显示分辨率：8 0 0 x 4 8 0 ， 亮度：3 5 0 c d m 2 ( 典型值) ，类型：透射式( t r a n s m i s s i v e ) ，色彩：1 8 位( 2 6 2 1 4 4 色) ， 输入类型：数字信号，最佳视角：6 oc l o c k ，l c d 供电：+ 5 v ， 液晶尺寸：1 8 3 0 ( w ) 1 4 1 0 ( h ) 1 4 0 ( d ) 单位：i 1 1 ，环境温度：0 - - - 5 5 。 2 3 图像采集系统软件设计方案 嵌入式图像采集系统的软件部分由引导驱动程序，操作系统，文件系统和应用程序 构成。 2 3 1u b o o t 简介 9 2 嵌入式系统总体方案设计 硕士论文 本系统的引导驱动程序选择的是u b o o t ，它是一个庞大的公开源码的软件。他支持 一些系列的a r m 体系，包含常见的外设的驱动，是一个功能强大的板极支持包。 简单地说，u b o o t 就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程 序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到 一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。 2 3 2 嵌入式l i n u x 操作系统我们选择的是嵌入式l i n u x ，该嵌入式l i n u x 的内核版本为l i n u x2 4 1 8 ， 应用程序基于嵌入式l i n u x 基础之上。嵌入式l i n u x 是以l i n u x 为基础的嵌入式作业系 统，它被广泛应用在移动电话、个人数字助理( p d a ) 、媒体播放器、消费性电子产品 以及航空航天等领域中。 嵌入式l i n u x 是将日益流行的l i n u x 操作系统进行裁剪修改，使之能在嵌入式计算 机系统上运行的一种操作系统。嵌入式l i n u x 既继承了i n t e r l n e t 上无限的开放源代码资 源，又具有嵌入式操作系统的特性。嵌入式l i n u x 的特点是版权费免费；而且性能优异， 软件移植容易，代码开放，有许多应用软件支持，应用产品开发周期短，新产品上市迅 速，因为有许多公开的代码可以参考和移植，实时性能r tl i n u xh a r d h a tl i n u x 等嵌入 式l i n u x 支持，实时性能稳定性好安全性好。 2 3 3 文件系统 本试验选择的文件系统是c r a m f s 文件系统，c r a m f s 文件系统是专门针对闪存设计 的只读压缩的文件系统，其容量上限为2 5 6 m ，采用z l i b 压缩，文件系统类型可以是e x t 2 或e x t 3 。 如果使用r a m d i s k 方式来使用文件系统，那么在系统运行之后，首先得把f l a s h 上的 映像文件全部解压到r a m 中，构造r a m d i s k 环境，才可以运行程序，但有一个致命的弱 点，在正常情下，同样的代码不仅在f l a s h 占用了空间，而且还在r a m 中占用极大的空 间，这违背了嵌入式中节省资源的原则。 c r a m f s 文件系统并不需要一次性地将文件系统中的所有内容解压到r a m 中，而只是 是系统需要访问某个位置的数据时，马上计算出该数据在c r a m f s 中的位置，将其解压 到r a m 中，然后通过内存访问来获取数据，c r a m f s 中的解压缩之后的内存中的数据存放 位置都是由c r a m f s 文件系统本身来管理，用户并不需要实现过程，因此增加了透明度， 给丌发人员节约了时间。 c r a m f s 拥有以下一些特性： 采用实时解压缩方式，但解压缩的时候有延迟。 c r a m f s 的数据都是经过处理、打包的，对其进先写操作有一定困难。所以c r a m f s 不支持写操作，这个特性刚好适合嵌入式应用中使用f l a s h 存储文件系统的场合。 1 0 硕十论文 基于a r m 9 的嵌入式图像采集系统的设计 在c r a m f s 中，文件最大不能超过1 6 m b 。 支持组标识( g i d ) ，但是m k c r a m f s 只将g i d 的低8 位保存下来，因此只有这8 位是 有效的。 支持硬链接。但是c r a m f s 并没有完全处理好，硬链接的文件属性中，链接数仍然 为l 。 c m m f s 的目录中，没有“和“”这两项。因此，c r a m f s 中的目录的链接数通常 也仅有一个。 c m m f s 中，不会保存文件的时间戳( t i m e s t a m p s ) 信息。当然，正在使用的文件由 于i n o d e 保存在内存中，因此其时间可以暂时地变更为最新时间，但是不会保存到c r a m f s 文件系统中去。 当前版本的c r a m f s 只支持p a g ec a c h es i z e 为4 0 9 6 的内核。因此，如果发现 c r a m f s 不能正常读写的时候，可以检查一下内核的参数设置。 2 3 4 嵌入式应用程序 图像采集应用程序的开发需要在宿主机上进行代码的编写，编译成功以后，生成可 以在目标机上运行的目标文件。由于开发板的存储空间和运算能力有限，所以应用程序 的开发过程都是在宿主机上进行，这就必须建立起交叉编译环境。 交叉编译( c r o s s c o m p i l a t i o n ) 是指，在某个主机平台上( 比如p c 上) 用交叉编译 器编译出可在其他平台上( 比如a r m 上) 运行的代码的过程。 交叉编译这个概念的出现和流行是和嵌入式系统的广泛发展同步的。我们常用的计 算机软件，都需要通过编译的方式，把使用高级计算机语言编写的代码( 比如c 代码) 编译( c o m p i l e ) 成计算机可以识别和执行的二进制代码。比如，我们在w i n d o w s 平台 上，可使用v i s u a lc + + 开发环境，编写程序并编译成可执行程序。这种方式下，我们使 用p c 平台上的w i n d o w s 工具开发针对w i n d o w s 本身的可执行程序，这种编译过程称 为n a t i v ec o m p i l a t i o n ，中文可理解为本机编译。然而，在进行嵌入式系统的开发时，运 行程序的目标平台通常具有有限的存储空间和运算能力，比如常见的a r m 平台，其一 般的静态存储空间大概是1 6 到3 2m b ，而c p u 的主频大概在i o o m h z 到5 0 0 m h z 之间。 这种情况下，在a r m 平台上进行本机编译就不太可能了，这是因为一般的编译工具链 ( c o m p i l a t i o n t o o lc h a i n