（电路与系统专业论文）基于IP的一类音视频处理系统的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

基于ip 的一类音视频处理系统的研究 专业 硕士生 指导教师 电路与系统 谢碧辉 谭洪舟教授 摘要 随着社会的不断发展和人们需求的不断提高 传统广播系统现在面临着许多 挑战 如施工问题 距离问题 音效问题 系统升级与扩容问题 稳定性问题等 为了解决这些问题 广播系统数字化成为了不可逆转的趋势 数字广播系统应运 而生 本文提出的数字广播系统是基于i p 网络的数字广播系统 本文首先分析了市场需求 结合国内外的研究现状 提出了基于i p 的数字网 络广播系统 首先对系统进行整体架构的介绍 然后对各个功能模块进行详细的 分析和阐述 通过现有的i p 网络 实现服务器端对终端的控制 在实现网络播放 的同时 增加了现场监控模块 使得系统的监控更加完善 本文提出的数字网络广播系统终端节点采用a r m 9 平台 对分区控制器 功 率放大器 时序控制器等部件进行有效的控制 采用以太网协议实时地和服务器 端进行通信 并能通过监控模块提供实时的现场数据 对紧急事故起到更好的防 御功效 本系统能够有效地解决传统广播系统所带来的距离 音效等问题 由于 采用已有的i p 网络 故布网容易 成本较低 随着时间的推移 本项目中的公 共广播系统定将以其良好的互通性 低成本的造价 可靠稳定的测试 可预见的 发展速度迅速地占领市场 关键词 数字广播系统 以太网 删 l i n u x ac i a s so fa u d i oa n dv i d e o p r o c e s s i n gs y s t e mb a s e d 0 ni pn e t w o r k m 旬o r n 锄e c i r c u i ta n ds y s t e m b i h u ix i e s u p e i s o r p r o f e s s o r h o n g z l l o u1 锄 a b s t r a c t w t ht h ed e v e l o p i i l go fs 0 c i e t ya n di 1 1 c r e a s i i l go f p e o p l e sr e q u n m e n t t r a d i t i o m l b r o a d c a s t i r 培s y s t e m sn o wf 犯ei i l a n yc l l a l l e n g i l l gp r o b k m s 鲫c ha sc o n s t m c t i o n d i s t a n c e a u d i oe m c a c y s y s t e mu p 盟a d i i l g 锄de i l l 鹕i i 培 s t a b i h t y 锄de t c t l ot a c l d c w i t ht h e s ep r o b l e i i l s d 远i t a la u d i ob r o a d c a s t i i l gs y s t e mi st h ea h e m a t i v e n l i sp a p e r p r o p o sad a b d 远i t a la u d i 0b r o a d c a s t i n g s y s t e m 弧do ni pi l e t w o r k a n e ra m 舵i n gt h er e q u i r e m e n to fm a r k e t t 1 1 i sp 印e rp r o p o s e sad a bs y s t e m b a do ni pn e 帆v o r ka c c 0 r d i n gt ot h ep r e s e n td o n l e s t i ca n d 南r e 逸ns i t u a t i o l l s f i r s t l y t h i sp 印e r 硫r o d u c e st h ew h 0 1 es t m 嘶玳o ft 1 1 ed a b s y s t e i i ls e c o n d l y e a c hf i l n c t i o n m o d u l ei sa n a l y z e di i ld e t a i l t h e 矗m c t i 0 i l w m c ht h et e 舶m l sa r ec o n t r o u e db yt h e n e r i sr e a l 娩e db yt h ee 出i i l gi pn e t w o r k 7 i 恤i sm o r e i i lo r d e rt 0 呻r 0 v e 跚p e r v i s i i l g 锄dc o m r o m n gm n c t i o no fs y s t e m as p o to v e r e i l l g 锄dc o n t r 0 1 l i i l g n l o d u l ei sa d d e dt ot h es y s t e i i l mt e m l i m lo f t h ed a bs y s t e mi se 印1 0 i t e do n 也e 删9p l a t 内码州c hc a n m a n a g ea n dc o n t lt h e 吼舡d i s t r i c tc o n n o u e r s p o w e ra r i p l i f i e 船a n d t i m j i l g c o m r o u e r sw e u c o m m i l l l i c a t ew i t l lt h e v e rm l d e rt h ei pp r o t o c o lo nr e a l t i l l l e 锄d p r o v i d et h es p o td a t av i ao v e r s e e i i l ga l l dc o m r o u i l l gm o d u l et 0r e s p o n s et h eu 玛e n t e v e n t s t 1 1 i ss y s t e mc a ns o l v et h ed i s t a n c ea i l da u d i 0e 位c t i v ep r o b l e m sw 1 1 i c ht h e t r a d i t i o n a lb r o a d c a s t 访gs y s t e mb r i i l g s hm a e su s eo ft h e e i s t i i l gi pn e t w o r l s ot h a t h w i r i i 坞i sv e r re a s ya n dt h ec o s ti s1 0 w 1 kd a bs y s t e mw i no c c u p yr a p i d l yt h e m a r k e ta tt h ee e c t d b l ed e v e l o p i l l gs p e e db yi t sg o o di i l t e r o p e r a b i l i t xl o wc o s ta n d r e l i a b l ea n ds t a b l ep e r 旬n l l a n c e k e yw o r d s d 远i t a la u d i ob r o a d c a s t i n gs y s t e m e t l l e r n e t 删 l i i n l 论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究 工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 日期 钞归阴 孚 穆日哥 论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究 工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 日期 钞归阴 孚 穆日哥 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版 有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆 院系资料室被查 阅 有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索 可以采用复印 缩印或其 它方法保存学位论文 学位论文作者签名 日期 矽噼f 月彦 坳辉 日 一名 净嘶 日期 训 年r 月f 日 中山大学硕士学位论文 不受多重路径干扰的影响 从而使传输高质量的音频信号得到有效保证 3 随着 现代网络技术的飞速发展和网络的不断完善 采用网络传输高质量音频信号也成 为可能 这样不仅可以大大简化了系统结构 降低系统成本 简化布线 更能使 音频信号的传输质量得到很好的改善 综合考虑成本 使用场合和稳定性后 本课题制定了基于i p 网络的研究方 案 基于i p 网络的数字公共广播系统是基于因特网和服务器系统的 本系统不 仅能解决稳定性等问题 而且在音频传输上也能保证高质量的传输 这对当前的 公共广播的发展起到较大的推动作用 具有较高的现实意义 1 2 网络广播系统的国内外研究现状 自1 9 8 0 年德国广播技术研究所开展d a b 研究后 d a b 技术得到了迅速发 展 1 9 8 6 年 德 英 法 荷 丹麦等国的政府及广播机构与电子产业界共同 组成了e 啪e k a 联盟 并共同制定了e u r e k a 1 4 7 数字公共广播标准 3 欧盟许多 国家也已经开始进行数字公共广播系统的测试或者正式开播 到目前为止 英国 d a b 覆盖率已达到8 5 4 在日本 数字广播也已经投入使用 进入实用化阶 段 中国香港政府也已经宣布 香港将进入数字广播的新纪元 5 在国外 数字广播技术日趋完善 德国博世 b o s c h 最新开发出的p r 毵s i d e 0 系统 它是一种具有高投资效益的模块化公共广播音响系统 这种模块化设计可 以满足专业用户对数字公共广播和紧急广播的要求 在数字广播产品中 p r a e s i d e o 系统是第一个全数字化的系统 p r s i d e 0 系统中的音频处理部分 控 制部分以及部件间的通信部分 全部在数字域进行 所以具有较高的灵活性 通 过对p c 机进行软件配置来完成系统的初始化 不需要在设备终端进行设置或对 系统布线进行复杂 费时的改装 p c 机通过网络连接允许得到授权的人在任何 地点监测整个系统 完成初始化配置之后 把p c 断开 p r s i d e o 系统可以独立 中山大学硕士学位论文 伟大的应用发明 嵌入式技术的开发应用是技术发展和社会需求的一个必然趋势 1 4 o 3 使用 s u a ls t u d i 0 编程工具进行软件设计 s u a ls t u d i 0 中的工具是运 行于w i r l d o w s 上的交互式可视化集成开发环境 使用它进行软件开发不但方便 程序调试 更能缩短软件开发周期 面向对象化程序设计方法使得人机界面设计 更加人性化 便于操作 4 本系统功能较以往的数字广播系统而言 功能更加强大 具备分区管 理器 收音机 报警器 监听器 m p 3 录音器 分区寻呼器 电源管理 m p 3 播放器 音频矩阵器等功能 适合于大中型公共场所 如高校 大型运动场 大 型商场等的使用 1 4 本课题研究内容及个人贡献 音频网络是一个软件 硬件和网络技术规则相结合的音频信号传输网络 它 允许设计者创建大量基础构建以便在以太网上组成大量的数字音频传输通道 音 频网络在1 0 0 m b i t 的快速以太网上实时地发送和接收高质量的数字音频信号 由 于音频电信号在网络上以标准互联网包的形式传递 基于其数字化的基本特征 信噪比 失真系数等技术指标均大大高于模拟方式 改善了音频信号的传输质量 课题研究内容如下 1 软件设计任务 系统界面设计 其功能模块划分为 分区控制模块 报警器模块 收音机模块 监听模块 音频矩阵模块 音乐前级处理模块 m p 3 录音模块 电源管理模块 分区寻呼模块 4 第一章绪论 节目管理模块 支持c d d v d m p 3 播放功能模块 2 硬件设计任务 现有的音频设备大多数是模拟的 要实现全数字化广播系统 则必须对其设 备进行数字化设计 完成数字化硬件平台的搭建 本系统中需要设计的硬件设备 包括 时序控制器控制接口的网络功能设计 功率放大器数据流接口的网络功能设计及其数字化处理 分区控制器控制接口的网络功能设计 数字广播系统中 亦可划分成服务器端软件设计和智能终端设计两部分 本 人在系统开发中负责智能终端的开发工作 其中包括终端操作系统的裁减与移 植 在操作系统下多任务的开发工作 时序控制器的驱动程序设计 网络播放功 能的实现以及分区控制器控制程序的设计 并且负责网络监控模块的硬件设计 制板以及以太网协议栈 图像采集等软件的设计工作 1 5 文章的结构安排 本文结构安排如下 第一章介绍了本课题的研究意义和数字广播系统的国内外研究现状 重点 论述了基于i p 网络的数字广播系统的特色 第二章讲述了数字广播系统的总体架构和实际的解决方案 包括软硬件实 现 以及服务器端人机界面接口的介绍 第三章分析了嵌入式芯片的选型 所采用的嵌入式平台以及l i l l u x 系统移 植的相关内容 其中对l i 肌x 系统移植的阐述中包括交叉环境的建立 b o o l o a d e r 的介绍 内核的裁减以及文件系统的移植等内容 第四章介绍了网络实时播放模块的设计 其中包括l i n u x 下的网络s o c k e t 编程以及本地m a d p l a y 的移植 第五章介绍了网络控制模块的设计 通过驱动程序的编写和串口通信程序 的编写分别实现了对时序控制器和对分区控制器的控制 第六章介绍了网络监控模块的设计 这是数字广播系统的扩展部分 通过 5 中山大学硕士学位论文 8 9 s 5 2 单片机进行图像采集和网络传输 从而使得系统管理员在紧急情况发生时 能更准确地了解现场情况 最后 本文对数字广播系统进行总结 6 第二章数字网络广播系统简介 第2 章数字网络广播系统简介 本章主要介绍了数字广播系统的总体架构和具体实现方案 系统设计主要分 为服务器软件设计 终端硬件系统 人机接口界面设计等三部分 服务器端通过 网络协议与终端进行通信 通过对终端的操作控制时序控制器 功率放大器 分 区控制器等音响设备 并把相关信息反馈回服务器 以达到实时监控的目的 同 时介绍了易于控制的人机接口界面的设计 2 1 数字广播系统研究开发的必要性 现有公共广播类型大致可以分为四类 传统模拟型 数字控制型 全数字专 网型和全数字网络型 传统广播系统仍然遇到许多问题 这些问题目前已经严重制约了公共广播的 发展了 比如施工问题 长距离传输问题 音频效果问题 功率分配问题 系统 升级与扩容问题 稳定性问题等 数字控制型也存在着类似的问题 而全数字专 网型最主要问题就是成本问题 专网布线成本太高 而且施工方面也存在一些不 容易解决的问题 全数字网络型则是基于现有的以太网网络 利用现有的网络传输控制信号和 音频信号 不仅可以解决施工 长距离传输 音频效果等问题 而且在系统升级 和稳定性方面有较大的优势 本系统就是基于全数字网络型设计的数字网络广播 系统 当今社会的公共广播运用越来越广泛 市场越来越大 在目前的广播系统中 还经常可见用传输模拟信号的音频电缆作为设备之间的连接线 这样 传输多路 音频信号就要采用多芯电缆或者多根电线 这就导致系统布线十分复杂 成本也 较高 同时也无法实现音频信号灵活的分配 并且不利于音频信号的远程监控及 音频设备的远程管理 传统的模拟广播方式制约着公共广播的发展 公共广播产 业的发展急需对广播系统进行数字化 网络化改造 从而适应广播事业发展的需 求 所以 开发一套稳定高性能的数字网络广播系统就有非常现实的意义了 本系统是基于i p 网络的公共广播系统 终端控制器具有丰富的接口资源 7 中山大学硕士学位论文 友好的人机界面管理 在多媒体开发方面有着显著的优势 图2 1 为数字广播系 统实物图 2 2 系统总体架构 嘲潮l l l l l i l l l l l i l l i l 川i i i m 图2 1 数字广播系统实物图 系统设计主要包括服务器系统 终端硬件设计 人机接口界面设计等三部分 服务器系统设计包括如下功能模块 分区控制模块 收音机模块 报警器模块 监听模块 音频矩阵模块 音乐前级处理模块 m p 3 录音模块 田 中山大学硕士学位论文 本系统主机中的功能通过软件编程实现 使用以太网协议通过交换机进行网 络传输 终端部分主要包括终端控制器 功率放大器 分区控制器 时序控制器 等部件 主要通过对终端控制平台的系统移植和软件编程来实现控制 因此 可 将本系统部分功能进行重构整合 具体划分为三个部分进行模块设计 1 服务器软件系统设计 软件功能划分如下所述 坌匡控剑搓迭 负责底层分区控制器的控制 实现区域播放功能 蝗童扭槿迭 进行f m 调频收音机的数字化转换并进行存储及分区播放 拯鳘墨搓迭 为系统接入消防报警信号 实现消防联动 接收终端报警信号 终端带有强制切断功能以及烟雾报警器 能实现消防系统的全部功能 鉴咂搓迭 实时监听任意区域任意通道的广播内容 从而实现实时监控功能 童麴筵睦搓迭 可控性多输入多输出设备 童压煎级丝理搓迭 提供音乐播放模式选择 进行播放风格处理 均衡器处 理等 三塞童槿迭 实现声音的录入以及存储转换功能 鱼沤筻堡撞基 根据语音信号的有无可控切换功放的电源 避免功放2 4 小 时长时间工作 盆匡曼哩搓迭 可在任意区域实现寻呼功能 苴旦筻堡攫迭 友好的人机界面 可进行广播内容的载入 管理 播放等功 能 直挂 q 坐y q 三搔趑功能撞迭 实现各种格式的转换以及播放功能 2 终端硬件系统设计 l i 肌x 系统的裁减与移植 在以s 3 c 2 4 1 0 为主处理芯片的开发板上 对 l h l x 2 6 8 1 内核进行裁减与移植 文件系统采用c r a j n 砖基 x 中山大学硕士学位论文 第3 章嵌入式系统的软硬件设计 本章研究终端软硬件开发平台的搭建 硬件平台采用越m 9 开发平台 带 有音频口 以太网口 串口 通用i o 口以及相应的调试接口 软件平台采用l i n u x 操作系统 选用l m 2 6 8 1 内核 文件系统采用c 聊幽文件系统格式 对内核 进行裁减后 把内核和文件系统移植到开发平台上 创建一个易于开发的软件平 厶 口o 3 1 主控芯片介绍 数字广播系统的主控芯片是整个硬件平台的核心 其处理性能和技术指标都 要求能够满足系统功能的要求 因此 主控芯片采用基于删系统的微处理器 对它的选型就是对基于删系统的微处理器进行选型 3 1 1a r m 微处理器概述 删 a d v a n c e d s cm a c h i i l e 是由英国a l c o mc o i n p u t e r 公司设计开发的基 于精简指令集计算机体系结构的计算机系统 2 0 世纪9 0 年代后期 删以其卓 越的性能和价格的优势迅速占领了嵌入式市场 在目前的嵌入式应用领域中 删己经确立了市场和技术的领先地位 作为一种 s c 体系结构的微处理器 删微处理器除了具有 s c 体系结构的典型特征 还具有以下特点 1 5 1 1 体积小 功耗低 成本低 高性能 2 支持m i n b 1 6 位 a r m 3 2 位 双指令集 兼容8 位 1 6 位器件 3 大量使用寄存器 使指令执行速度更快 大多数数据操作都在寄存器中 完成 4 寻址方式灵活简单 执行效率更高 5 指令长度固定 在a r m 家族中 舢蝴9 处理器通过全新的设计 能够达到两倍于删7 处理器的能力 它有如下特点 1 2 第三章嵌入式系统的软硬件设计 1 采用了5 级流水线设计 2 引入了高速缓存 3 支持瑚 4 体系结构为哈佛结构 程序存储器和数据存储器分离 3 1 2 基于i p 网络的数字广播系统的主控芯片选型 嵌入式处理器是整个嵌入式系统选型的核心 所以嵌入式处理器的选型也是 整个硬件系统选型的核心 处理器性能的好坏直接决定整个系统的运行效果 在 数字广播系统的微处理器选型过程中 主要从下面三方面考虑 1 6 1 处理器的性能和技术指标 嵌入式处理器选择的基本原则是满足具体功能指标的 市场反应良好的 外 围配置最少的嵌入式处理器 2 应用环境 应用需求决定着嵌入式处理器的性能选型 不同的应用领域所需的处理器类 型是不同的 针对数字广播系统 应选取适合于控制和面向音频处理应用的类型 3 成本因素 功能强大的处理器成本会偏高 要在满足基本功能要求的情况尽可能地降低 成本 4 其他因素 此外 还有一些其它的因素的考虑 比如 处理器是否有较好的软件开发工 具支持 是否配备调试工具等 通过分析数字广播系统的各项指标以及研究市场上各款嵌入式处理器的性 能指标之后 我们选择基于删体系结构的s 3 c 2 4 1 0 嵌入式处理器作为数字广 播系统的终端控制器 s 3 c 2 4 1 0 芯片由韩国三星公司生产 它能满足数字广播系 统终端控制的应用需求 它的c p u 核如图3 1 所示 该处理器具有如下特点 3 0 1 3 3 v 供电的存储系统 带有3 3 v 外部接口的微处理器 带有1 6 k b 指令缓 存和16 k b 数据缓存 m m iy 单元 外部存储器控制 s d 黜蝴控制和片选逻辑 l c d 控制器 高达4 k 颜色的s t n 或2 5 6 k 色t f t 的l c d 带有1 个l c d 1 3 中山大学硕士学位论文 专用d m a 控制通道 4 通道d m a 具有外部请求引脚 3 通道u 趾汀 支持i r d a l 0 1 6 字节发送f i f o 及1 6 字节接收f i f o 2 通道 s p i 接口 1 个通道多主1 2 c 总线控制器 1 通道i i s 总线控制器 1 o 版本s d 主机接口以及和2 1 1 版本兼容的m m c 卡协议 2 个主机接口的u s b 口 1 个设备u s b 口 1 1 版本 4 通道p w m 计时器 1 通道内部计时器 看门狗定时器 l1 7 位通用i o 口 2 4 个外部中断源 电源控制 正常 慢速 空闲及电源关闭模式 8 通道l o 位a d c 和触摸屏接口 具有日历功能的实时时钟控制器 具有p l l 的片上时钟发生器 l 摇l 擞i 乍冷月夺 i 屠溉j h i 嘲嘲 肝i 8蚓 一l 懒l 8矧 鬻r 嗍i u s夺刮茹黑 i 馨u ml i 黼kl 酬岬 一t c h i i l 擘 i j u e 旧 p i l g 穹 8 8 s i 锕匝 崎 图3 一ls 3 c 2 4 1 0 体系结构 1 4 第三章嵌入式系统的软硬件设计 3 2 数字广播系统的终端硬件平台 数字广播系统的硬件平台采用广东省嵌入式软件公共技术中心提供的 g e c 2 4 1 0 开发板 开发板外形如图3 2 所示 其硬件构成为 1 7 选用三星公司的删9 处理器芯片s 3 c 2 4 1 0 主频高达2 0 3 m h z 带传输和连接指示灯的1 0 m 以太网接口 l c d 和触摸屏接口 s 3 c 2 4 1 0 内置的符合u s b1 1 标准的2 个u s bh o s t s 3 c 2 4 1 0 内置的符合u s b1 1 标准一个u s bd e v i c e 支持音频输入和音频输出 音频模块由s 3 c 2 4 1 0 的i i s 音频总线接口和 u d a l3 41 音频编码解器组成 板上还有一个m c 用于音频输入 2 路u a r t 串行口 波特率最高可以达到1 1 5 2 0 0 b p s 由两片k 4 s 5 6 1 6 3 2 组成的6 4 m 字节的s d r a m 带有6 4 m 字节n a n df l a s h 采用的是k 9 f 1 2 0 8 可以兼容1 6 m 3 2 m 或 1 2 8 m 字节 采用s s t 3 9 v f l 6 0 1 的2 m 字节的n o rf k h s d 卡接口 e r n b e d d e d i c e 接口和j t r a g 接口 支持a d s s d t 软件的下载和调试以 及f l a s h 的烧写 串行e e p i 的m 1 2 c 接口 蜂鸣器 4 个l e d 灯 1 6 个按键 开关电源 分布式电源供电 3 v 锂电池 提供c p u 内置i 玎c 操持电源 1 5 1 山大学硕十学位论文 图3 2 数字广播系统的硬件平台 3 3 嵌入式操作系统的介绍及其选型 数字广播系统由于其软件功能复杂 且硬件平台资源丰富 因此 采用嵌入 式操作系统来管理这些软硬件资源是非常必需的 3 3 1 几种常见的嵌入式操作系统 嵌入式操作系统种类多种多样 从成本这个角度考虑 大体分为两种 商用 型和免费型 我们常见的嵌入式操作系统有 u c 0 s i i v x w o r k s w m c e l i l l u x 等 其中u c o s i i 和l i n u x 是免费开放源代码的 所以他们在价格方面具有很 大优势 有利于降低开发成本 u c 0 s i i 是一个可裁减 源代码开放 结构小巧 的实时多任务内核 但是系统本身不支持文件系统 比较适用于小型控制系统 而l i n u x 则类似于u n i x 下面会有详细的介绍 3 3 2 基于i p 网络的数字广播系统的操作系统选型 简单的嵌入式产品开发不需要操作系统的支持 但对于复杂的数字广播系统 来说 既要便于控制台的操作又要实时传输和播放音频数据 就需要一套功能强 大的操作系统的支持了 使用操作系统可以使复杂问题分而治之 减轻开发人员 1 6 第三章嵌入式系统的软硬件设计 的劳动 提高产品的可靠性 缩短产品开发周期和加快产品的上市速度 嵌入式操作系统的选择有许多因素要考虑 在网络广播系统的嵌入式操作系 统选型过程中 主要从以下几方面来考虑 1 8 1 考虑对硬件平台的支持 在本系统中 只需要考虑支持a r m 体系机构 的操作系统 2 操作系统的各项性能指标 如操作系统的稳定性 是否支持内存管理单 元 可移植性 调试支持等 因为网络广播系统是基于i p 网络的广播系统 要 涉及到网络应用 所以还需要考虑该嵌入式操作系统是否支持t c m p 的网络组 件和i o 服务等 3 考虑系统开发的成本 首选源代码开放的免费嵌入式操作系统 综合各方面的考虑后 选取了源代码开放的l i n u x 操作系统 它具有如下优 势 1 高度稳定性 2 开发成本低 3 移植容易 4 完整的开发工具链 更重要的是 可以建立嵌入式系统的开发环境和交 叉运行环境 5 l i n u x 具有强大的网络功能 l i i i l l 是一个网络操作系统 几乎所有的网 络协议和网络接口都已经被定制在l i n u x 中 用于开发需要网络功能的设备时可 以加快开发速度 3 4l i n u x 系统的移植 l i n u x 系统是目前最通用的操作系统之一 系统功能十分完善 能适用于几 乎所有的 6 瓜m 微处理器 其系统程序代码也非常庞大 因此 作为嵌入式操作 系统往往需要进行裁剪 本文按照以下几个步骤进行l i n u x 系统移植和裁减 3 4 1 交叉编译环境的建立 嵌入式软件开发过程的特点之一就是采用交叉编译 所谓交叉编译就是在一 1 7 中山大学硕士学位论文 个平台上生成可以在另一个平台上执行的代码 由于不同的体系结构有不同的指 令系统 因此 不同的c p u 程序代码需要有相应的编译器 而交叉编译就如同翻 译一样 把相同的程序代码翻译成不同的c p u 对应语言 编译最主要的工作就在 于将程序转化为运行该程序的c p u 所能识别的机器代码 要注意的是 编译器本 身也是程序 也要在与之对应的某一个c p u 平台上运行 嵌入式系统的交叉编译 环境如图3 3 所示 j 图3 3 嵌入式交叉编译环境 这里一般把进行交叉编译的主机称为宿主机 也就是普通的p c 机 而把程 序实际运行环境称为目标机 在网络广播系统中就是终端嵌入式系统 由于嵌入 式系统的系统资源非常紧缺 没有相关的编译工具 而通用计算机则拥有丰富的 系统资源 可以使用许多方便的集成开发环境和调试工具 因此 嵌入式系统的 开发需要借助宿主机来编译出目标机的可执行代码 1 9 j 编译过程包括编译 链接等几个阶段 因此 嵌入式的交叉编译也包括交叉 编译 交叉链接等过程 为了安装交叉编译器 首先在网上下载到 a 珊 1 m x g c c 3 4 1 t 盯文件 解压在目录瓜棚o c a l a 舢下 在 l 删1 0 c a 陆i i l 3 4 1 b i i l 文件下存放着交叉编译器 然后在终端输入命令设置环境变量 e x p o r tp a t h 嘲l s r 舳c a 讹m 奶 4 1 b i i l p a t h 再输入 l r l l i c ha 瑚 l i 肌x g c c 当终端显示a 锄 l i n u x g c c 3 4 1 时 编译环境配 置成功 这样交叉编译环境就建立起来了 1 8 羹竺看函x 轷裂鑫銎鞒 囊霎羹蓟薹雾务霾溢 塞塑稀鬈璧粪霎髓繇司薹薹蓁塑薹鋈蓁葡茎采凳薹 薹冀蓥蓁 雾囊一嚣要兰矍鍪蚕萋薹萎篓羹羹 蓥 薹 霎冀嚣鏊囊蓊叁墼妻蓁 荆薹歪孽囊鐾甄鬟丽镒薹强嚣科涩 塞蒜楚司囊麓型鬯丽奏鋈 列霎些翼鎏 囊雾雾耋薹需匦羹鋈羹 耋荔衾冀州牵l 萋鑫瑟蒿霆 雾薹妻羹 i 基奏雾雾主雾找丝薹 薹蓁鬻篓雾黼蓁塞 掣氆浔潲瞎孺 黼1 薹蓠裂然霪鎏i 囊霪霪p o 塞i 萋雾譬譬l 唧誊 m dn 奏羹df l a 耋蚕蓁薹i 茎室室以及n a n d fla耋蓑委霎iv辜鸯旬rp 墟5 5 不选 其他 选上 bi主ck主二vices中选上r囊羹d i s k 霎霞霞p o 囊 i 血i 蠢i m 蝴d i s k 塞霞霪藿o n 默认r 枷d i i 蓁s 娩e 为1 6 3 8 4 n奏 worki羹藿s蕤魏费费囊 中的n垂i 羹羹量主 主 囊 i喜嬲中选择p叁叁k垂 奏囊ck蠢i n奏 1iiiiide v i c ee m u l a t 喜nt c p i pn 妻i w o r k i n g i p k 謇爨謇ll e v e la u t o 奏毳n 丘g u r a t 喜i ip tcps y 冀羹o o k i 茎s u 囊霪 孝i i 冀v 6 p 妻羹 交奏毳l n 蠡 w o r 霎妻p 叁叁k 垂i 蓁i n e r i l 妻 再选择n 垂 w o 薹薹de v i c es u p p o 囊 d u n l m yn e td r i v e r 薹l l p p o 囊 p p ps u p p o 囊i p p p i n u i i l i n k 鳓1 1 p o 囊 p p p 鲫拼 薹囊 南ra s y 羹彝 r i a l p o 囊 s s c s i 主j v 喜e 枣鸯霪p o 囊i 中选择l e g 叁叁y 爨耄耄p o 囊i s c s i d娃 奏s毪建po吒scsig 叠鑫塞彗i cs u 霪羹 妻ip 耄羹羹蕃羹雾l u n so ne 叁叁hs c s i devi薹e 垂垂a r a 主rd 羹冀妣s 里面选择蓁萋差i 囊i 锄d 矾墓妻塞 茎 p o 囊 s u p 妻妻囊i s 3 c 2 4l 0mo t o rd 血惯s 毽稳p o 囊i s 3 c 2 4 1 0k e yd v e rf o r g e c 奏湘锄冀霪霪p o 囊 e主薹囊蘸蠹e d 蠢蓁奏it e c i 薹冀薹州l 冀 毒 s 3 c 2 4 l o 蠢蓁蓁i 髓枣墓c i 薹募奏耋妻耋兰 芝e s 霾主h i m e d i a d e v i c e s 趟量上 f i i 主s y 囊i e l 璐中的s e c o 奏耄e 叠蠢d e d 委主s u 藿藿 囊 e i i i 2 e i e i 主主d 奏委 r i b 羹i e s r o m i 主霎藿囊i e ms u p p o 童 k 妻耋n e la i i i o m o 囊i e rs 篓藿p o 毒 k 塞l n e la 垂i o m o 删辇螫v e r s i 茎n4 s u p p o 囊 so餐li主选上 u s b 萋蚕i 奠睡 囊 选上s 霪羹p o 囊 细h o 囊 s i 奏eu s b u s b d 冀妻i 茎e 丘i 薹s y 囊 e 奏l2 us bh o 囊ic o 囊i 夔霆u 室耋o ns 3 c 2 4l0 u s bm 羹羹ss 交r 霪霪es u p p o 囊 h i d i i 妻囊蠹 i 喜y 耋譬塞蚕p p o 擎i i 委e 洲d 主主v 羹羹篷m d d e 主i c e 唧囊 选 择好所有内核选项后 在终端命令行输入眦汰e蠢il进行内核编译 内核编译 完成后 可在l m 薹 2 6 8 1 耄 垂重羹h a 裳 自 主主o 目录下找到内核映像文件蠢i m 龚龚e 并2 x 中山大学硕士学位论文 下载到2 4 1 0 开发板上 但是这时候系统还不能运行 还需要对文件系统进行编 译和移植 3 4 4 嵌入式l i n u x 文件系统的设计与实现 l i n u x 支持多种文件系统 如 僦 r o 越 j 魅 y a 凰等 同样的 嵌 入式l m x 也支持多种文件系统 因为它们的总体架构是一样的 都是采用目录 树的结构 本系统选用的文件系统为c r a m f s 文件系统 使用础制作根文件系统的步骤如下 2 1 1 首先 从网站上下载c r 距蠡 1 1 t a r g z 之后在终端执行解包命令 t a r z x f c r 锄f s 一1 1 t a r g z 解包之后生成c 融 1 1 目录 在终端进入该目录下执行编译命令 n l a k e 编译完成之后 会生成n 出c r a j 幽和c r a i i 瓜c k 两个工具 其中1 1 1 l c r a l i 蠡工具是 用来创建c r a m f s 文件系统的 而c 删n f s c k 工具则是用来进行c r a r 嗑文件系统的释放 以及检查 2 1 1 将b u s y b o x 工具下载后 进行解压编译安装 建立目标根文件系统的b i l l s b i l l u s 怕i n u s r s b i i l 等目录 之后再创建d e v 目录 并在该目录下创建设备节点 然 后在 e t c 目录下创建一些系统运行所需要的配置文件 最后创建l i b 和v a r 目录口 把编译好的引脚驱动模块放在 u s r i n o d u l e 里面 编译好的应用程序放在 觚 a p p 里面 并修改根目录下的l i i l u m 文件 加上 s b i i l 如m o d d u l e s g p i o l e d k 0 b 耐幽d d e v j g p i o l e dc1 2 0o b i i l h l s d e 讹s o d e v t 锣s o b i l l l i l s d e v m s 1 d e v t t y s l c d u s t 婶p 畦a 使其开机自动加载模块并运行程序 最后在终端输入命令 i n k c r a m f sm 弘o o t 6 痂 l a l c r a m f s 生成文件系统映像后 就可以把这个映像下载到板子上 此时 板子就可以 第三章嵌入式系统的软硬件设计 运行了 3 5 本章小节 本章介绍了操作系统平台的搭建 从交叉环境的建立到内核的裁减和文件系 统的移植详细地讲述了l i n u 系统平台的构建 编译器采用a 彻一l i n u x g c c 3 4 1 版本的交叉编译器 系统内核采用了l h l x 2 6 8 1 版本的内核进行裁减 文件系 统则是采用了c 删心格式的文件系统 通过裁减后的内核只有1 m 左右大小 符合系统的要求 第四章网络播放的实现 各种应用层协议 应用层 n l n l 玎 f 1 p s m t p 等 传输层 t c p u d p i c n 田i g m 网络层 i p 一r 一 r a r p la r p 网络接口层 与各种网络接口 物理硬件 图4 1 网络协议架构 由于传送数据较大 且在局域网内传输 所以传输层选用u d p 协议进行传 输 故在网络s o c k e t 编程中选用u d p 连接 4 1 2 网络s o c k e t 编程介绍 1 s o c k e t 定义 s o c k e t 接口是一种特殊的i o 接口 也是一种文件描述符 在l m x 中 网 络编程是通过s o c k e t 接口来进行的 进行s o c k e t 编程的基本函数有s o c k e t b i n d l i s t e n a c c e p t n d n d t o r e c v r e c v 丘o m 等 其中 1 5 s o c k e t 用这个函数来建立一个s o c k e t 连接 c o l l i l e c t 在t c p 中 该函数是c l i e n t 端在b i i l d 之后用于与服务器建立 连接 而在切 p 中因为没有b i n d 函数 所以c o n n e c t 有点类似b i l l d 函数在t c p 中的作用 s e n d 和r e c v 这两个函数用于接收和发送数据 可以同时在t c p 和u d p 中使用 当用在u d p 时 在c o n n e c t 函数建立连接之后再用 s e n d t 0 和r e c 垤 0 m 这两个函数的作用与s e n d 和r e c v 函数类似 也可 以用在t c p 和u d p 中 函数当用在t c p 时作用等同于 n d 和r e c v 但是在u d p 时 则用在之前没有使用c o 肌e c t 的情况下 这两个函数可以自动寻找指定地址 并进行连接f 1 5 由于在本系统中传输的数据量较大 且在局域网中进行传输 干扰不大 故 中山大学硕士学位论文 选择使用u d p 连接 服务器端和客户端使用u d p 协议的流程图如图4 2 所示 图4 2s o c k e t 编程流程图 4 1 3 系统监听模块的实现 系统监听模块对本地端口进行监听 当服务器端有传输要求时 对音频数据 进行缓冲以及实时播放 本地采用州牵l 萋鑫瑟蒿霆 雾薹妻羹 i 基奏雾雾主雾找丝薹 薹蓁鬻篓雾蓁羹塞 掣氆浔潲瞎孺 黼1 薹蓠裂然霪鎏i s u p p o r t i n f t l 唧r t m dn a n df l a s hd r i v e r 以及n a n df l a s h d r i v e r 旬rp 墟5 5 不选 其他选上 b l o c kd e v i c e s 中选上r a md i s ks u p p o r t i 血i a lm 蝴d i s ks u p p o n 默认 r 枷d i s ks 娩e 为1 6 3 8 4 n e t w o r k i n gs u p p o r t 中的n e t 0 r k i l l go p t i o 嬲中选择p a c k e ts o c k e t n e t l i l l l de v i c ee m u l a t i o nt c p i pn c l w o r k i n g i p k e m e ll e v e la u t o c o n 丘g u r a t i 0 i l i p t c p 第四章网络播放的实现 图4 3 监听模块流程图 4 2m a d p l a y 在s 3 c 2 4 1 0 上的移植 l i n u x 系统支持多种通用的音视频播放器 如 m p 9 1 2 3 m p l a y e r 和m a d p l a y 等 由于m a d p l a y 的音视频解码算法较为优化 而且还有配套的解码库 所以移 植后的m a d p h y 整体性能好 运行也稳定 2 7 第五章网络控制模块设计 第5 章网络控制模块设计 本章主要介绍了服务器对终端音响设备的实现过程 终端音响设备由终端控 制器进行控制 终端控制器在接收了服务器的控制命令后产生相应的动作对音响 设备进行操作 这里涉及到l i n u x 下硬件驱动模块的设计和串口通信程序的设 计 5 1 时序控制器接口设计 时序控制器用于功放开关的时序控制 其响应由系统的i o 信号激励 根据 l i i m x 系统要求 时序控制器接口采用字符型设备驱动程序方式设计 5 1 1 字符型设备驱动程序设计 驱动程序在l i n u x 环境下 在内核模式中运行 是内核的一部分 内核为设 备驱动程序提供一个i o 接口 驱动程序负责和硬件设备进行交互 它们都是通 过一个通用的接口挂接到文件系统上 从而使用户可以通过这个接口按照操纵普 通文件的方式对硬件设备进行访问操作 这样就屏蔽了不同设备的差异性 作为 l h n l x 内核的重要组成部分 设备驱动程序主要完成以下的功能口4 2 5 1 从内核传送数据到硬件和从硬件中对数据进行读取 2 初始化设备和释放设备 3 错误检测和中断处理 4 对应用程序传送给设备文件的数据进行读取以及回送应用程序请求的数 据 l i i m x 设备驱动程序又包含了中断处理程序和设备服务子程序两部分 图5 1 显示了典型的l i i l u x 系统各层次结构 2 4 2 5 1 3 3 中山大学硕士学位论文 用户程序的进程 且百 设备 文件系统 且丌 设备服务子程序 i 设备驱动程序 中断处理程序 且计 物理设备 图5 1l i n u 系统层次结构 l m x 系统的设备文件分为三类 块设备文件 字符设备文件和网络设备文 件 在本系统中所用到的g p i o 驱动属于字符设备文件 字符设备文件通常指可 以直接读写 没有缓存区的设备f 在l i i l u x 中 要在内核中嵌入驱动程序 一般有两种方式 一种是通过静态 编译 然后链接到内核中