嵌入式無線視頻監(jiān)測終端的研究與設計.doc

江蘇大學碩士學位論文嵌入式無線視頻監(jiān)測終端的研究與設計姓名：馮志偉申請學位級別：碩士專業(yè)：通信與信息系統(tǒng)指導教師：陳祖爵20100608江蘇大學碩士學位論文，：，；腥；，：學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學位論文作者完全了解學校有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)江蘇大學可以將本學位論文的全部內(nèi)容或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。保密口，在年解密后適用本授權(quán)書。本學位論文屬于不保密函。學位論文作者簽名：拶午指導教師簽名：騰傍們卜年月知日扣卜年石月日獨創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的內(nèi)容以外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。斟汨“謬廠：月名簽者年作小劉杪淪：位期學日江蘇大學碩士學位論文第一章緒論研究背景隨著生活水平的提高，人們對發(fā)生事件現(xiàn)場的狀況提出了更高的要求。很多情況下，人們希望能夠在不被察覺的情況下對現(xiàn)場的圖像信息進行監(jiān)測。比如在民警執(zhí)勤過程中用到的警盔監(jiān)測攝像機，它可以隨時記錄發(fā)生的事件，一方面可以記錄現(xiàn)場情況為事件處理提供依據(jù)，另一方面可以規(guī)范執(zhí)法人員的行為。如果該監(jiān)測終端采用傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡進行傳輸就顯得極為不便，另外在一些較難安裝有線網(wǎng)絡的地方比如海上等，傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡傳輸方式就更顯得無能為力了；此時，依靠無線傳輸技術(shù)的視頻監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了。在技術(shù)方面，嵌入式技術(shù)、視頻編解碼技術(shù)和無線傳輸技術(shù)的快速發(fā)展，使得嵌入式無線視頻監(jiān)測成為可能。隨著視頻編解碼算法的改進，在同等清晰度下，壓縮比進一步提高，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)餐減小。而無線傳輸技術(shù)的發(fā)展更是立竿見影，的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)與通用分組服務相比在技術(shù)上有顯著不同，其傳輸速率高于，在新業(yè)務承載上也比成熟，更適合大容量、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸，而且時代的到來，給予無線視頻傳輸更充足的帶寬。這些為實現(xiàn)嵌入式視頻監(jiān)測提供了良好的平臺。嵌入式視頻監(jiān)測相比其他監(jiān)測系統(tǒng)，有如下優(yōu)點：）嵌入式視頻監(jiān)測與網(wǎng)絡結(jié)合，直接接入網(wǎng)絡，即插即用，擴大了監(jiān)測地域，增加的設備只是地址的擴充，使用方便，節(jié)省成本。嵌入式視頻監(jiān)測系統(tǒng)多采用嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)，系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性、可靠性大大提高，往往無需專人管理，可用于很多特殊情況使用。）嵌入式視頻監(jiān)測通過聯(lián)網(wǎng)可以使監(jiān)測更加靈活，隨時隨地得到現(xiàn)場情況，由于網(wǎng)絡的雙向傳輸性，監(jiān)測中心還可以通過控制監(jiān)測終端來實現(xiàn)全方位的監(jiān)測；通過網(wǎng)絡對現(xiàn)場進行控制，還可以進行圖像分析辨識，實現(xiàn)對監(jiān)測現(xiàn)場異常情況的實時監(jiān)測。嵌入式視頻監(jiān)測的國內(nèi)外研究和應用現(xiàn)況如下：由于社會、經(jīng)濟等方面的因素，我國的監(jiān)測領(lǐng)域起步比較晚，在年代以后才得到了較快發(fā)展。目前，我國擁有很多專門從事視頻監(jiān)測生產(chǎn)與研究的企業(yè)，如?？低?、天津三星等國內(nèi)知名企業(yè)；許多大專院校和科研機構(gòu)也都從事這一領(lǐng)域的研究。由于國外發(fā)達國家監(jiān)測技術(shù)比我國起步早很多年，掌握著很多核心技術(shù)，目前已經(jīng)形成了不少知名品牌，如：索尼、博世、松下等。隨著監(jiān)測領(lǐng)域研究的的深入，其相關(guān)的應用也越來越廣泛，如將其應用于煤礦的生產(chǎn)中，減少生產(chǎn)事故的發(fā)生】；在遠程醫(yī)療領(lǐng)域采用監(jiān)測技術(shù)為偏遠落后地區(qū)提供醫(yī)療服務【。江蘇大學碩士學位論文論文針對執(zhí)法人員在執(zhí)勤過程中使用的警盔攝像機為具體應用對象，研究設計嵌入式無線監(jiān)測終端。該攝像終端要求攜帶方便，低成本，操作簡單，可方便執(zhí)法人員在多種場合使用。研究目的和意義課題來源于實驗室申報的研究項目嵌入式無線視頻監(jiān)測終端在警盔攝像機中的應用研究。課題的目的是研究和設計嵌入式無線視頻監(jiān)測終端，該終端的功能是將采集到的視頻信息進行編碼，將壓縮后的視頻數(shù)據(jù)流通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)奖O(jiān)測服務器中，同時監(jiān)測終端完成壓縮視頻流的存儲備份。所研究的嵌入式無線視頻監(jiān)測終端順應監(jiān)測領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，結(jié)合先進的視頻壓縮技術(shù)和網(wǎng)絡傳輸協(xié)議，并將近幾年來，已經(jīng)成熟的無線通訊技術(shù)運用到視頻監(jiān)測中，具有一定的理論和實踐價值。該視頻監(jiān)測終端可應用與無線警盔攝像機中【，對于警方現(xiàn)場取證非常方便，大大提高破案效率。為民間糾紛、突發(fā)性事件和群體性事件鎖定了證據(jù)，同時保證了案件處理的準確性和公正性，增強執(zhí)法透明度。防止發(fā)生執(zhí)法不規(guī)范、對群眾態(tài)度蠻橫等問題。另外，監(jiān)測錄像記錄現(xiàn)場情況，監(jiān)測終端的備份資料可在第一時間成為民警維權(quán)的重要證據(jù)。同時監(jiān)測終端具有低成本、小型化、擴展性強等優(yōu)點，也可擴展到其他的無線多媒體應用中。本文研究內(nèi)容論文以執(zhí)法人員使用的警盔攝像機為應用對象，通過深入分析視頻編碼技術(shù)和嵌入式技術(shù)，將采集到的視頻進行視頻編碼壓縮，同時實現(xiàn)基于的傳輸控制方法，完成了嵌入式無線監(jiān)測終端的設計。全文組織結(jié)構(gòu)如下：第一章：簡單闡述了課題的研究背景及監(jiān)測系統(tǒng)研究應用現(xiàn)狀，引出課題的研究目的和意義。第二章：提出嵌入式無線視頻監(jiān)測系統(tǒng)的基本框架，對監(jiān)測終端分別從硬件組成和軟件框架兩方面闡述設計的思路。第三章：闡述了嵌入式的發(fā)展與特點，建立交叉編譯開發(fā)環(huán)境，針對處理器分析的啟動過程，對其進行設計移植，對內(nèi)核進行了相關(guān)配置、修改與編譯，并對其進行了移植，同時完成根文件系統(tǒng)的設計和移植，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)軟件的開發(fā)與移植。第四章：深入分析了視頻編碼結(jié)構(gòu)，對其中復雜度較高的運動估計算法和幀內(nèi)預測算法進行了改進與優(yōu)化，提高了編碼效率，為下一步編碼移植做準備。江蘇大學碩士學位論文第五章：通過編程完成了視頻采集，將視頻采集程序和編碼算法進行融合，對編碼器移植到平臺上，并針對該平臺進行優(yōu)化，完成視頻的采集壓縮模塊設計。第六章：提出基于的傳輸控制方法，重點分析了基于庫的傳輸控制編程，并給出其實現(xiàn)步驟。第七章：結(jié)合無線網(wǎng)絡的接入方法和原理，對整個系統(tǒng)進行測試，并進行相應的結(jié)果分析。第八章：總結(jié)課題的工作及特點，對下一步工作進行展望。江蘇大學碩士學位論文第二章嵌入式無線視頻監(jiān)測系統(tǒng)總體方案嵌入式無線視頻監(jiān)測是在軟硬件協(xié)同工作的基礎(chǔ)上運作的，良好的總體方案是視頻監(jiān)測系統(tǒng)能夠開發(fā)成功的關(guān)鍵。本章提出無線視頻監(jiān)測系統(tǒng)的基本框架，重點對監(jiān)測終端從硬件、軟件兩個方面分別介紹。嵌入式無線視頻監(jiān)測系統(tǒng)總體方案警盔式無線監(jiān)測系統(tǒng)以無線視頻監(jiān)測終端作為警盔攝像端，在監(jiān)測網(wǎng)絡中心設置監(jiān)務器，警盔攝像端保存監(jiān)測錄像用以備份，同時通過無線網(wǎng)絡將采集到的視頻數(shù)據(jù)，音頻數(shù)據(jù)等傳到監(jiān)測中心，監(jiān)測人員可以對現(xiàn)場情況進行監(jiān)測。根據(jù)警盔監(jiān)測系統(tǒng)的具體功能，論文提出警盔式無線視頻監(jiān)測系統(tǒng)的基本框架如圖所示：廣一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一無線視頻監(jiān)測終端瞬絡圖警盔式無線視頻監(jiān)測系統(tǒng)基本框架警盔式無線視頻監(jiān)測系統(tǒng)由警盔攝像機和監(jiān)控服務器構(gòu)成，其中警盔攝像機硬件部分由警用硬質(zhì)頭盔、核心開發(fā)板、收發(fā)模塊和攝像頭構(gòu)成，軟件部分包括：嵌入式平臺上運行的基于的采集編碼程序和網(wǎng)絡傳輸程序：采集編碼后的視頻流一方面用外接卡進行存儲，另一方面通過模塊進行無線傳輸?shù)奖O(jiān)務器。鑒于研究成本開銷和開發(fā)周期問題，課題采用基于現(xiàn)有核心板基礎(chǔ)上開發(fā)視頻監(jiān)測系統(tǒng)。核心板上有主控制器、存儲器和以太網(wǎng)控制芯片以及外接的卡。在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進行擴展，包括設計視頻采集編碼、視頻傳輸及鏈接等模塊。論文重點對系統(tǒng)的監(jiān)測終端部分進行研究和設計，下面分別對監(jiān)測終端的軟硬件部分進行說明。視頻監(jiān)測終端硬件組成江蘇大學碩士學位論文視頻監(jiān)測終端以為核心處理器，硬件結(jié)構(gòu)圖如下圖所示，其中，控制器和模塊是監(jiān)測終端重要組成部分。圖監(jiān)測終端硬件結(jié)構(gòu)框圖微處理器嵌入式微處理器方面，技術(shù)推動著計算機體系結(jié)構(gòu)從封閉的向開放的結(jié)構(gòu)發(fā)展。全球各大芯片制造廠商爭相丌發(fā)生產(chǎn)芯片，目前的典型結(jié)構(gòu)為系列、和。一般的嵌入式實時操作系統(tǒng)都支持上述微處理器。公司是一家供應商，其核心業(yè)務是核以及相關(guān)工具的開發(fā)和設計。公司的核也由，發(fā)展到今天的版本。微處理器的特點：體積小、功耗低、低成本、高性能；支持（位）（位）指令集，能很好的兼容位器件；大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；尋址方式靈活簡單；執(zhí)行效率高；指令長度固定。體系的設計是基于思想的，其代碼密度性能介于其他多數(shù)微處理器和微處理器之間。后來引入的指令集則大大提高了代碼密度。主要使用位的指令，但是指令代碼利用率低，為了彌補此不足，在新型的構(gòu)架定義了位的指令集。另外，為了加速通信和多媒體中有關(guān)數(shù)字信號的處理，微處理器在的基礎(chǔ)上增加了核中的關(guān)鍵部件，雙核協(xié)同工作。構(gòu)架的微處理器主要用于嵌入式系統(tǒng)，因此構(gòu)架在設計中十分注意低電壓、低功耗處理，設計中采用了以下措施：降低電源電壓；減少門的翻轉(zhuǎn)次數(shù)，當某個功能電路不需要時，禁止門翻轉(zhuǎn)；減少門的數(shù)目，降低芯片的集成度；降低時鐘頻率。的低功耗，使得在專門針對嵌入式系統(tǒng)的微處理器市場中始終處于有利的江蘇大學碩士學位論文地位。目前廣泛應用的微處理器有系列、系列、系列和、系列。鑒于微處理器在技術(shù)和市場上的優(yōu)勢，論文使用為嵌入式開發(fā)系統(tǒng)，以為核心處理器。英特爾是基于微體系結(jié)構(gòu)的處理器，具有先進的集成功能、領(lǐng)先的多媒體性能和卓越的節(jié)電能力。內(nèi)部采用內(nèi)核構(gòu)架（基于公司的體系結(jié)構(gòu)），但為進一步增強系列處理器的多媒體應用能力，內(nèi)核增加了額外的乘累加功能模塊，該功能模塊是媒體處理技術(shù)的首個應用實例。因此內(nèi)核構(gòu)架的性能比同樣基于體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)核更加優(yōu)越，其頻率高達，內(nèi)核擴充的指令極大提高了多媒體處理能力，同時提供了（液晶顯示器）控制器、無線局域網(wǎng)（）、藍牙、高速紅外、等多種功能模塊。作為便攜移動設備的首選嵌入式處理器，內(nèi)核具有先進的動態(tài)電源管理技術(shù)，可以根據(jù)處理器所執(zhí)行的任務情況動態(tài)調(diào)整工作頻率和多種節(jié)電模式，實現(xiàn)低功耗高性能的技術(shù)。一嵌入式開發(fā)平臺部分硬件如下：）處理器主頻：單元，字節(jié)擴展多媒體指令）存儲器：，快速頁面讀取模式：，可以定制擴展到外置卡：）通訊模塊以太網(wǎng)控制器：一個接口，支持低功耗模式：個全功能串行接口，速率高達：一個通用串行總線從設備控制器（）調(diào)試接口調(diào)試接口模塊采集終端與通信網(wǎng)絡【】之問的連接是通過（數(shù)據(jù)終端單元）來實現(xiàn)的。目前市面上已經(jīng)有許多廠家生產(chǎn)的多種模塊，如西門子、華為、江蘇大學碩士學位論主中蔗等。本系統(tǒng)采用的是￥模塊，垓模塊的特點是穩(wěn)定性好。模塊是高通公百的工業(yè)級模塊，支持語音、數(shù)據(jù)、短信等功能?？捎糜诨诩夹g(shù)的數(shù)鼎化輸、無線終端、實時監(jiān)控等領(lǐng)域。該模塊內(nèi)嵌協(xié)議棧，并且提供了標準的指令和接，朋戶可方便的通過微處理器的與模塊相連，使用指令控制模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。模塊的主要技術(shù)指標有：頻率：發(fā)送，接收輸入電壓：功耗：最大，特機左右上下行盎；高速率：指令的概述：指令是公司為（調(diào)制解調(diào)）制定的一個控制指令集，日前在工業(yè)界已變成了一個二實標準，廣泛應用對和（移動臺的控制。所有指令都以“”丌頭，以結(jié)尾，不；（分大小寫。要有四種格式：）無參數(shù)指令：指示模塊做什么，模塊根據(jù)內(nèi)部參數(shù)完成命令并應答：）查詢指令：奩詢該指令當前設置的值，模塊返回設置值；）幫助指令：用來列出該指令的可能參數(shù)，模塊返同列襲；）帶參數(shù)指令：設置模塊的相應參數(shù)。指令的返回值豐要有以下兩種情況：）指令的操作結(jié)果報告：返叫最近一條指令的操作結(jié)果若指令操作錯誤，則返叫錯誤代碼。）事件報告：當網(wǎng)絡宵下發(fā)率什時，如收到短信、柬乜振鈴等，模塊會動將事件報告給客戶。課題所使用的模塊及設計的模塊如下崮所示：嘲塑視頻監(jiān)測終端軟件框架圖模塊江蘇大學碩士學位論文監(jiān)測終端軟件框架主要包括：嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)建及應用軟件的開發(fā)。構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)軟件包括：交叉編譯開發(fā)環(huán)境的建立、的設計移植、內(nèi)核的編譯和移植、根文件系統(tǒng)的構(gòu)建。該部分的工作主要為應用軟件搭建一個系統(tǒng)平臺。應用軟件包括視頻采集編碼模塊設計和視頻傳輸模塊設計。視頻采集壓縮模塊完成對視頻信號的采集，將攝像頭采集的信息以文件的形式保存或者放入內(nèi)存緩沖區(qū)，由視頻壓縮編碼視頻緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，對其進行壓縮處理后形成文件，用卡進行存儲，另一方面將壓縮后的視頻流通過視頻傳輸模塊傳輸?shù)奖O(jiān)測服務器。其軟件結(jié)構(gòu)如下圖所示：應用軟件：視頻采集、編碼壓縮、網(wǎng)絡程序，。、，：士！，”蕊儀實現(xiàn)嵌入式內(nèi)核，根文件系統(tǒng)驅(qū)動程序系統(tǒng)引導圖監(jiān)測終端軟件結(jié)構(gòu)圖嵌入式系統(tǒng)軟件的構(gòu)建）嵌入式交叉開發(fā)環(huán)境的建立嵌入式開發(fā)的目標平臺確定后，首先要建立交叉開發(fā)環(huán)境。交叉開發(fā)環(huán)境的軟件核心是一套交叉編譯工具鏈，運行在本地宿主平臺上，它是用于編譯生成在目標平臺上運行的可執(zhí)行文件的一組編譯軟件。嵌入式交叉開發(fā)的本地宿主平臺通常采用平臺。嵌入式交叉開發(fā)的目標平臺取決于其處理器的體系結(jié)構(gòu)和采用的操作系統(tǒng)。是在系統(tǒng)加電后嵌入式操作系統(tǒng)運行之前執(zhí)行的一段小程序。它的作用是初始化硬件設備、建立內(nèi)存空問的映射表，從而建立適當?shù)南到y(tǒng)軟硬件環(huán)境，為調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核做準備。嵌入式內(nèi)核嵌入式的開發(fā)和研究是操作系統(tǒng)領(lǐng)域中的一個熱點，目前已經(jīng)開發(fā)成功的嵌入式系統(tǒng)中，約有一半使用的是。之所以能在嵌入式系統(tǒng)市場上取得如此輝煌的成果，與其自身的優(yōu)良的特性是分不開的。如：廣泛的硬件支持，內(nèi)核高效穩(wěn)定，開放源碼，軟件豐富優(yōu)秀的開發(fā)工具，完善的網(wǎng)絡通信和文件管理機制。）根文件系統(tǒng)江蘇大學碩士學位論文根文件系統(tǒng)是系統(tǒng)的一個重要組成部分。它提供內(nèi)核運行所必須的庫文件、設備文件、系統(tǒng)配置文件等。嵌入式支持的文件系統(tǒng)有數(shù)十種之多，其中仃是一種針對存儲器開發(fā)的嵌入式文件系統(tǒng)。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特點和所選用的硬件平臺，論文采用舔根文件系統(tǒng)。應用軟件的設計應用軟件的設計包括：視頻采集編碼模塊設計和視頻傳輸模塊設計。）視頻采集模塊設計：使用攝像頭進行視頻采集，需要在嵌入式內(nèi)實現(xiàn)對驅(qū)動的添加，通過編程來實現(xiàn)視頻的采集。視頻信號采集不采用芯片級設計方案，而是基于市場上常見的攝像頭采集數(shù)據(jù)，并通過開發(fā)板提供的型接口進行通訊，將視頻數(shù)據(jù)輸入開發(fā)板中，進行后繼處理。視頻信號采集的硬件結(jié)構(gòu)見圖所示。圖視頻采集硬件結(jié)構(gòu)圖攝像頭屬設備，它將攝取的數(shù)字視頻圖像直接通過接口送入開發(fā)板進行處理。嵌入式系統(tǒng)最常用的攝像頭有兩大系列，分別是基于和芯片的。其中以為圖像處理核心芯片的攝像頭所獲取的圖像質(zhì)量更高，在市場上的應用也更為廣泛。故本系統(tǒng)選用以中星微公司的為核心芯片的攝像頭。壓縮編碼軟件的選擇標準自年月開始公布以后，世界各國的視頻開發(fā)人員很快地開發(fā)出符合標準的多個版本的視頻程序，同時很多研究組織公布了他們各自的開源代碼。其中有個開源組織開發(fā)的標準的程序較為著名，分別是德國的版本、法國的版本及發(fā)源于中國的版本，這三大系列具有不同的特點：】系列是的官方測試源碼，由德國研究所（）負責開發(fā)，實現(xiàn)了所有的特性。由于是官方的測試源碼，所以學術(shù)研究的算法一般在基礎(chǔ)上實現(xiàn)并和進行比較。但程序結(jié)構(gòu)冗長，只考慮引入各種新特性以提高編碼性能，忽視了編碼復雜度，因此其編碼復雜度極高，不宜實用。是網(wǎng)上自由組織聯(lián)合開發(fā)的兼容標準碼流的編碼器，是由法國巴黎中心學校的中心研究所（）的一些學生發(fā)起的。在程序結(jié)構(gòu)和算法方面較系列有較大改進，并利用了等基于架構(gòu)的多媒體硬件江蘇大學碩士學位論文指令加速技術(shù)，同時摒棄了一些耗時但對編碼性能提高微小的模塊。和相比，更注重實用，在不明顯降低編碼性能的前提下，努力降低編碼的計算復雜度。是由中國視頻編碼自由組織聯(lián)合開發(fā)的編解碼器，編碼器編碼輸出標準的碼流，但解碼器只能解編碼器生成的碼流。和的出發(fā)點相似，比較注重實用，吸收了、（）的優(yōu)點。和相比，在編碼性能和相當甚至更好的情況下，編碼速度可以提高倍。和相比，雖然編碼速度有了很大的提高，但其解碼器只能解碼編碼的碼流，通用性不佳。另外，有測試結(jié)果顯示，在客觀質(zhì)量（）相同的情況下，的主觀圖像質(zhì)量明顯比的高，而在客觀質(zhì)量不如的情況下，有時的主觀圖像質(zhì)量卻比好，這說明更加注重實效。因此，通過對碼率、失真度、編解碼時間、功能實用性、程序復雜度、通用性等各項因素的測試和比較，選擇作為本課題的參考模型。由于該編碼技術(shù)較為復雜，需要對編碼技術(shù)進行核心算法的改進以降低復雜度并針對平臺對編碼器進行優(yōu)化。）視頻傳輸模塊設計：主要實現(xiàn)將采集壓縮處理過后的視頻流進行無線發(fā)送，網(wǎng)絡協(xié)議棧使用模塊內(nèi)嵌的協(xié)議棧，傳輸層采用協(xié)議，通過網(wǎng)絡通信完成視頻傳輸。本章小結(jié)本章首先介紹了嵌入式無線視頻監(jiān)測系統(tǒng)的基本框架設計，然后重點以監(jiān)測終端部分分別從硬件和軟件兩方面進行了具體的設計和構(gòu)架，在硬件部分主要介紹了控制模塊和模塊；軟件框架主要從嵌入式系統(tǒng)軟件的構(gòu)建和應用軟件兩方面進行了描述。江蘇大學碩士學位論文第三章嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)與移植從年問世到現(xiàn)在，近二十年的時問已經(jīng)發(fā)展成為功能強大、設計完善的操作系統(tǒng)之一，不僅可以與各種傳統(tǒng)的商業(yè)操作系統(tǒng)分庭抗爭，在新興的嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)也獲得了飛速發(fā)展。采用對標準，型化裁剪處理之后的嵌入式，可以利用開源代碼的易得性、兼容性、堅實的可靠性以及大量的應用程序，且無需支付任何許可費用。所有這些優(yōu)點，再加上價格優(yōu)勢，使得成為嵌入式操作系統(tǒng)的一個出色的解決方案。嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機理論為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。一般的嵌入式系統(tǒng)具有以下特征：系統(tǒng)內(nèi)核?。粚Ｓ眯詮?；系統(tǒng)可裁剪以及實時操作系統(tǒng)（）的需求。嵌入式操作系統(tǒng)（）是一種支持嵌入式系統(tǒng)應用的操作系統(tǒng)軟件，它是嵌入式系統(tǒng)中（包括硬、軟件系統(tǒng)）極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標準化瀏覽器等。與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)具有在系統(tǒng)實時高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固態(tài)化以及應用的專用性等方面的特點。目前廣泛應用的產(chǎn)品包括、等，這些都足商用的嵌入式操作系統(tǒng)，它們在系統(tǒng)可靠性和對用戶的技術(shù)支持都有優(yōu)勢。但是缺點是價格昂貴，核心源代碼不公開，可移植性差，難以實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)要以最小的軟硬件系統(tǒng)，最低的成本去完成目標功能這一特點。系統(tǒng)與系統(tǒng)兼容，開放源代碼。它原本被設計為桌面系統(tǒng)，現(xiàn)在廣泛應用于服務器領(lǐng)域。而更大的影響在于它正逐漸的應用于嵌入式設備。另外，操作系統(tǒng)源碼全部公開，任何人可以修改并在通用公共許可證下發(fā)行。嵌入式開發(fā)環(huán)境的建立硬件環(huán)境宿主機通過串、并口、以太網(wǎng)絡接口與嵌入式開發(fā)板系統(tǒng)的串口、以及以太網(wǎng)接口分別連接。其中各接口如下：）以太網(wǎng)絡接口傳送文件）口燒寫江蘇大學碩士學位論文）串口一傳送文件和調(diào)試交叉開發(fā)環(huán)境的建立通常開發(fā)嵌入式系統(tǒng)宿主柵目標平臺構(gòu)架選用連接式設置，即宿主機和目標平臺一直通過交叉線連接在一起，所有的數(shù)據(jù)都是通過連接傳送。其中，宿主機包含交叉開發(fā)環(huán)境，目標平臺則包含引導加載程序、內(nèi)核、根文件系統(tǒng)。所謂交叉編譯，就是在一個平臺上生成另一個平臺上的可執(zhí)行代碼，即將在上的代碼編譯為系統(tǒng)可以識別的二進制可執(zhí)行文件。在進行應用程序開發(fā)之前，必須在宿主機上建立和配置好開發(fā)應用程序所需要的開發(fā)環(huán)境。一個完整的交叉編譯器包括以下幾個部分：交叉編譯器（），庫文件（），調(diào)試工具（），頭文件，以及一些常用的操作二進制文件的工具（）。由于內(nèi)核對編譯器有很大的依賴性，所以不同版本的需要相應版本的編譯器編譯。本文采用版本編譯器，該版本比較穩(wěn)定。首先啟動機系統(tǒng)，拷貝一文件至。然后安裝交叉編譯器。在終端窗口輸入以下命令：撐撐一群撐￥：這樣，編譯器就安裝完畢了。上述命令的含義：解壓壓縮文件包。解壓完成后，輸入，可以看到新的目錄“”。：移動整個目錄到目錄下。￥：設置系統(tǒng)環(huán)境變量。如果輸入命令后能有版本顯示則表明交叉編譯環(huán)境己經(jīng)建立好了。完成以上步驟，在個人機上就完成交叉編譯環(huán)境的建立。配置網(wǎng)絡文件系統(tǒng)（）是為了在不同的系統(tǒng)問使用文件，所以它的通訊協(xié)定設計與主機及操作系統(tǒng)無關(guān)。當使用者想用遠端文件時只要用“”即可把服務器文件系統(tǒng)安裝在自己的文件系統(tǒng)之下，使得遠端文件使用上和本地機器的文件一樣【】。在嵌入式的移植過程中，服務主要用于目標系統(tǒng)和主機系統(tǒng)共享相同的文件目錄，這樣就不再需要上傳和下載，直接就可以看到并行編譯好的應用程序。配置艮務器，可以通過如下操作來完成：江蘇大學碩士學位論文（）主機使用操作系統(tǒng)，目標板運行操作系統(tǒng)，并接入局域網(wǎng)，分別為和。（）在主機端以用戶運行，選項中選擇，退，然后修改主機上的文件，添加一行：（）。保存并退出，然后啟動，艮務（為啟動艮務必須）、。可以通過機自己自己，看是否成功就可以判斷是否配置好。的設計和實現(xiàn)就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前執(zhí)行的一段小程序。通過這段小程序，完成初始化硬件設備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準備好正確的環(huán)境引。圖是一個典型的嵌入式應用系統(tǒng)固態(tài)存儲設備的空間分配示意圖。圖以及系統(tǒng)各個部件所處的層次目前大多數(shù)都包含兩種不同的操作模式：“啟動加載”模式和“下載”模式。啟動加載模式也稱為“自主”模式。從目標機上的某個固態(tài)存儲設備上將操作系統(tǒng)加載到中運行，整個過程并沒有用戶的介入。下載（）模式：在這種模式下，目標機上的將通過串連接或網(wǎng)絡連接等通信手段從主機下載文件。從主機下載的文件通常首先被保存到目標機的中，然后再被寫到目標機的類固態(tài)存儲設備中。的啟動過程可以是單階段的，也可以是多階段的，通常是兩個階段啟動，冪兩部分。下面是常規(guī)的設計流程：通常包括如下步驟：）硬件設備初始化；）為加載的準備空間；）拷）的至空間中；）設置好堆棧；江蘇大學碩士學位論文）跳轉(zhuǎn)：至的入口點。包括如下步驟：）初始化本階段要使用到的硬件設備；）檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射；）將映像和根文件系統(tǒng)映像從上讀到空間中；）為內(nèi)核設置啟動參數(shù)；調(diào)用內(nèi)核。通常用匯編設計，主要完成：硬件初始化，為加載的準備內(nèi)存空間，復的到內(nèi)存中，設置堆棧，跳轉(zhuǎn)至的，口。常用語言來設計，可以實現(xiàn)復雜的功能，并具有更好的可移植性。該階段主要完成：初始化本階段要用到的硬件，檢查系統(tǒng)內(nèi)存映射，將內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)從復制到內(nèi)存中，為內(nèi)核設置啟動參數(shù)，加載內(nèi)核。是嚴重依賴于硬件而實現(xiàn)的，所以在嵌入式開發(fā)中建立一個通用幾乎是不可能的，通常也都需要對已有的羞行移植工作，女、和等。本系統(tǒng)設計完成了代碼在平臺的移植工作。是上常用的程序，它結(jié)構(gòu)簡單，功能完整，支持、傳輸，編程和分區(qū)；支持內(nèi)核引導，可傳遞內(nèi)核參數(shù)。的啟動過程也分為兩個階段：和。的這兩個部分都有獨立的連接腳本，對它們分別編譯生成潞式和映象文件，再通過命令把這兩部分映象復制到一個文件中，得到最終的可直接運行的映象文件。的連接腳本如下：“一”，“，“）（）（）：（）；）腳本設置了代碼是從開始的，入口由符號指定。部分的運行地址，通常在內(nèi)存中，所以才可以實現(xiàn)對空間的編程。而不同的平臺有不同的定義，本系統(tǒng)使用的平臺是。本系統(tǒng)中存儲器的映射江蘇大學碩士學位論文如圖所示：（）；圖存儲器的映射圖對于內(nèi)核，不管是雎縮內(nèi)核還是非壓縮內(nèi)核，要求在跳到內(nèi)核時滿足如下條件：）寄存器設置：；平臺類型（參考）；啟動參數(shù)標記列表在內(nèi)存中的起始基地址。）處理器必須處在超級用戶模式（）且禁止中斷（和）。）數(shù)據(jù)緩沖，和必須關(guān)閉。所以將中的代碼配置如下：（幸）（，）認（）；（，【】）；：；：表示引導的是首先把位于的拷貝到的（），也就是地址的最高端用來放。然后把從處搬遷到處。引導內(nèi)核。內(nèi)核移植內(nèi)核結(jié)構(gòu)核主要由個子系統(tǒng)組成：進程調(diào)度，內(nèi)存管理，虛擬文件系統(tǒng)，網(wǎng)絡接口，進程間通信【。一般在每個目錄下都有一個文件和一個（文件。這兩個文件都是編譯時使用的輔助文件。其中文件中指出的編譯時需要用到的編譯器，也是移植過程中不可缺少的。涫眺螄螄岫盼叭：靳雪她弓一一一一一一一一江蘇大學碩士學位論文）目錄系統(tǒng)可以支持如此多的平臺部分原因是由于內(nèi)核把源代碼劃分為體系結(jié)構(gòu)無關(guān)部分和體系結(jié)構(gòu)相關(guān)部分。目錄包含了體系結(jié)構(gòu)相關(guān)部分的內(nèi)核代碼。其中每個目錄都代表一種硬件平臺，比如本文使用的平臺和使用的。對于任何一個平臺，都必須包括以下一個目錄。：包括啟動內(nèi)核所使用的部分或全部平臺特有的代碼。：存放支持體系結(jié)構(gòu)特有的特征的實現(xiàn)。：存放高速的體系結(jié)構(gòu)特有的通用函數(shù)的實現(xiàn)。：存放體系結(jié)構(gòu)特有的內(nèi)存管理程序的實現(xiàn)。：模擬的代碼，對于處理器來講，此目錄用代替。由此可知，移植的重點就是移植目錄下的文件。）目錄該目錄下保存了所有的設備驅(qū)動程序。其源碼占整個內(nèi)核發(fā)行版代碼的一半以上。有些驅(qū)動程序是與硬件平臺無關(guān)的而有些是相關(guān)的。）目錄該目錄下列出的支持的所有文件系統(tǒng)。目已支持包括在內(nèi)的多種文件系統(tǒng)。）目錄該目錄包含編譯核心所需要的大部分頭文件，如與平臺無關(guān)的頭文件在子目錄下。不同的平臺需要的頭文件有所不同，故該目錄和目錄一樣，按平臺劃分了多個子目錄，女目錄等。目錄目錄下包括核心的初始化代碼，有和兩個文件。）目錄目錄包括了核心的進程間的通信代碼。）目錄內(nèi)核管理的核心代碼在這里，在與處理器結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼都放在木（目錄下。）目錄該目錄包含于平臺無關(guān)的諸女和之類的通用函數(shù)。）目錄該目錄包含了所有的內(nèi)存管理代碼，與具體硬件體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的內(nèi)存管理代碼位于江蘇大學碩士學位論文奎加目錄下。）目錄該目錄是核心的網(wǎng)絡部分代碼，其每個子目錄對應于網(wǎng)絡的一個方面。）其他目錄還有一些目錄如和目錄，目錄存放文檔目錄。目錄主要在配置是用到，包含內(nèi)核的一些腳本文件。內(nèi)核的修改、配置和編譯移植對為核