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基于嵌入式i 血的数字家庭安防图像采集系统 摘要 随着信息领域的技术革新，信息技术已经发展到了“后p c 时代”。嵌入式技术突飞 猛进的发展推动了在各领域的应用。嵌入式系统的研究开发已成为信息领域的一个热点。 特别在“数字家庭”的构建中，基于嵌入式技术的产品层出不穷。有了嵌入式技术的应 用，人们的生活变得更加安全、高效。 在现今的居家环境中，存在着这样的问题：一方面，传统的家庭安防的手段多为被 动式，当意外发生时，不能及时做出判断或者保留可靠的信息：另一方面，即便小区中 安置有安防系统，也不能够及时告知家庭主人个体家中的异常情况。在构建数字家庭的 背景下，从家庭的个体安防理念出发，这样的弊端是理应被克服的。 本文研究的正是应用在家庭环境中的嵌入式图像采集系统，旨在快速地反应情况、 高效地捕捉信息，提高信息的可信度和完整性，为小区安全和个体家庭安全服务。 本文在对嵌入式系统的特点、软件和硬件进行详细分析讨论的基础上，做了以下研 究： 分析了家庭安防领域的发展趋势，基于家庭安防环境的特点，结合嵌入式技术的 优势，论证了采用嵌入式技术构建图像采集系统方案。 选择了l i n u x 作为开发平台，采用a r m 9 芯片s 3 c 2 4 1 0 、u s b 摄像头和g p r s 通 信模块，设计了一个基于嵌入式的现代家庭安防监控系统，并且提出了适用于家庭的图 像采集系统的专用微缩模型。 剖析了u n u x 下的u s b 驱动开发和a r m 技术。研究了u s b 摄像头在u n u x 下的挂 载和设置，实现了u s b 摄像头在u n u x 环境下的的驱动。设计了核心板的外围接口电路、 红外感应模块的外围接口电路，并扩展了与g p r s 通信模块( 为后端传输准备) 的接口。 基于v 4 l 接- 口，采用双缓冲的采集方法，有效地提高了图象采集效率，实现了家 庭图像在异常状态的实时采集，并且应用j p e g 算法对图像数据进行了压缩。 实验结果表明，整个系统自成体系，灵敏度高，效率高，可扩展性强，能够有效地 实现家庭安防监控系统的异常图像采集和报警任务，具有一定应用价值和市场推广前景。 关键词：家庭安防，嵌入式u n u x ，u s b 设备驱动，a r m 9 ，v 4 l 基于嵌入式l 自哪的数字家庭安防图像采集系统 a b s t r a c t w i t ht h ei n n o v a t i o no ft h et e c h n o l o g yi ni tf i e l d ，t h ei tt e c h n o l o g yh a ss t e p p e d i n t ot h es t a t eo fp o s tp ce r a e m b e d d e ds y s t e mh a sag i a n td e v e l o p m e n ti nv a r i o u s f i e l d s ，a n dt h ea p p l i c a t i o nm a k e st h er e s e a r c h i n go ne m b e d d e ds y s t e mb eah o tp o i n t e s p e c i a l l y , i nt h ef i e l do fe - h o m e ，v a r i o u sp r o d u c t ss p r e a di n as u d d e n t h e e m b e d d e ds y s t e m sm a k et h el i f eo fp e o p l eb em o r es a f e ra n de f f i c i e n t t h e r ea r es o m ep r o b l e m sa p p e a r i n gi nt h eh o u s i n gs u r r o u n d i n g sa b o u ts e c u r i t y ： f o ro n et h i n g ，t h et r a d i t i o n a lm e t h o d so fs e c u r i t ya r ep a s s i v em o d e s 。a n dt h e yc a nn o t m a k ead e t e r m i n a t i o ni m m e d i a t e l ya n dr e c o r dt h er e l i a b l ei n f o r m a t i o n f o ra n o t h e r t h i n g ，e v e ni fs e c u r i t ys y s t e mh a sb e e ni n s t a l l e di nt h ez o n e ，i ts t i l lc a nn o ti n f o r mt h e h o u s eh o s ta b o u tt h eu n u s u a lc a s e t h e s ed e f e c t sm u s tb ee r a s e d ，a c c o r d i n gt ot h e c o n c e p t i o no fi n d e p e n d e n th o u s i n gs e c u r i t y t h es y s t e mi nt h i sp a p e ri st h ev e r ys y s t e mi nh o u s i n gs u r r o u n d i n g s ，a i m i n ga t c a p t u r i n gt h ei n f o r m a t i o ni m m e d i a t e l y , a n ds t r e n g t h e n i n gt h er e l i a b i l i t ya n di n t e g r i t y b a s e do nt h ef e a t u r eo fe m b e d d e ds y s t e m ，t h ea n a l y s i so fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ， t h i sp a p e rh a sd o n et h er e s e a r c h i n g s a sb e l o w ： t h i sp a p e ra n a l y z e dt h et r e n do ft h ef i e l do ft h eh o u s i n gs e c u r i t y , b a s e do n t h eh o u s i n gs u r r o u n d i n g s ，a n dh a sd e m o n s t r a t e dt h ep l a no fu s i n ge m b e d d e d s y s t e m c o m b i n e de m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，s 3 c 2 4 1 0 ，u s bc a m e r aa n d g p r sm o d u l e 。am o d e r nh o u s i n gm o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e nf o r n l e d a n d 。a m i n i a t u r ef o rh o u s i n gs u r r o u n d i n g sh a s b e e nb r o u g h tu p ， a n a l y z e dt h et e c h n o l o g yo fu s ba n da r m 。r e s e a r c h e do nt h es e t t i n go fu s b d e v i c eu n d e ru n u x ，t h ed r i v e ro fu s bc a m e r ah a sb e e nf o r m e d ，t h eo i m u 鹏o f c o r e - b o a r d ，i n f r a r e dm o d u l ea n dg p r sm o d u l eh a v e b e e nf i n i s h e d b a s e do nt h ev 4 la n dd u a l - b u f f e rm o d e t h ee f f i c i e n c yo fc a p t u r i n gh a sb e e n a d v a n c e d a n dj p e gh a s b e e na p p l i e dt oc o m p r e s st h ef r a m e s t h er e s u l t sm a k ei tc l e a rt h a tt h eo v e r a l ls y s t e mh a sah i g hs e n s i t i v i t y a n di tc a n r e a l i z et h et a s k so fc a p t u r i n gu n u s u a lf r a m e sa n da l a r m i n g w h a ti sm o r ei m p o r t a n t ， 基于嵌入式i j 呱的数字家庭安防图像采集系统 t h es y s t e mh a st h ev a l u eo fa p p l i c a t i o na n dp o p u l a r i z a t i o ni nt h em a r k e t k e y w o r d s ：h o u s i n gs e c u r i t y , e m b e d d e dl i n u x ，u s bd e v i c ed d v e r 。a m r 9 ，v 4 l 论文独创生声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包括其他人或其他机构已 经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者虢妻壹盛噍 论文使用授权声明 坠! z 、厂 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：妻逋! 钟签 日期：沁7 、7 旷 基于嵌入式u n 的数字家庭安防图像采集系统 1 1 数字家庭的概况 第一章绪论 “数字家庭”，是指那些采用信息技术来控制电子设备，并能够与外界进行通信联系 的住宅。数字家庭，可以定义为一个过程或者一个系统。利用先进的计算机技术、网络 通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起，通过 统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。 与普通家庭相比，数字家庭由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，能 够提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方 式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。 2 年前，比较出名的数字家庭便是海尔集团的“海尔e 家”系列产品。它包含了家 电控制系统、媒体娱乐系统、可视对讲系统、灯光窗帘系统、远程监护系统、家校通系 统、安防报警系统、环境监测系统、车辆进出管理系统以及故障反馈等十大系统。 到了今天，这种能够给使用者带来的一个崭新的生活方式和自动化的生活环境的新 技术，已经迅速地铺展开来。 多数消费者看到“数字家庭”四个字，首先想到的总是类似于长虹数霸、海信智佳、 盛大盒子之类的产品。然而数字家庭的概念不仅仅如此。一个完整的数字家庭的控制结 构( 如图1 - 1 所示) 分为安防监控系统、家电控制系统、家庭抄表系统和家庭通信系统， 四个子系统 图1 - 1 数字家庭的控制结构 f i g 1 1 s f l l c t w eo f d i g i 脚h 基于嵌入式工血弧的数字家庭安防图像采集系统 1 。2 家庭安防监控系统 随着信息技术的不断发展及相关技术的融合。数字小区、数字家庭系统已浮出水面 并进入实用阶段。家庭安防监控系统是数字家庭的重要组成部分，我们涉足于家庭安防 领域，立足于安防监控系统，寻求技术上的突破，使家人能够更舒适地生活。 目前的问题是：传统的家庭安装了防盗门、防盗网是不能够保护家人、家庭以及财 产的绝对安全的。事实上，仅有消极防范作用的这种机械式、被动式的防盗门、防盗窗 正在逐渐淘汰，取而代之的则是各种先进的、智能化的电子保安设备，它可以对家庭各 敏感区域提供监测报警功能，它集防盗、防劫、防火、防燃气泄漏等功能于一体。现在， 如果有机会拥有这样的家庭电子安防系统，它将成为家庭安全的守护神 1 2 1 家庭安防监控技术的现状 目前市场上，针对于个体家庭的安防产品很少，显得非常薄弱，而更多的是工业、 小区安防监控技术的产品，本文作以下分析：在已应用的领域中，数控模拟系统已发展 非常成熟、性能稳定，在实际工程应用中得到广泛应用，特别是在大、中型视频监控工 程中的应用尤为广泛。但随着计算机技术和图像处理技术的发展，以计算机技术及图像 视频压缩为核心的数字系统正迅速崛起，视频监控市场正处在数字和模拟混合应用并将 逐渐向数字系统过渡的阶段。数字信号控制的模拟视频监控系统分为： 基于微处理器的视频切换控制加p c 机的多媒体型； 基于p c 机实现对矩阵主机的切换控制及对系统的多媒体型。 这样的系统存在着的问题是：常常与d s p 协同处理，系统的扩展能力差，其体积大， 成本高，负荷高，由于各部分独立运作，相互之间的控制协议很难互通，无法形成集约 型的更小系统，用于家庭环境中。这说明，通过裁剪，简化现有的小区安防系统成为家 庭安防系统，其难度是很大的。 2 2 家庭安防监控的发展方向 数字化、网络化、集成化是所有监控系统共同的发展方向，家庭安防系统作为其中 的一种，也应具有这样的发展方向。 数字化。首先应该是系统中信息流( 包括视频、音频、控制等) 从模拟状态转为数 字状态，这将彻底打破“经典闭路电视系统是以摄像机成像技术为中心”的结构，根本 上改变视频监控系统从信息采集、数据处理、传输、系统控制等的方式和结构形式 2 基于嵌入式i 孟眦的数字家庭安防图像采集系统 网络化。系统的网络化在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界 限。系统的网络化将使整个网络系统硬件和软件资源的共享以及任务和负载的共享，这 也是系统集成的一个重要概念。 集成化。信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，使视频监控系统与安防系 统中其它各子系统间实现无缝连接，并在统一的操作平台上实现管理和控制。 事实上，家庭环境下，需要的是一种简单而又精悍的，开销不大的，能够方便，灵 活使用的，即插即用的，美观的实用系统。这样，从技术角度而言，嵌入式技术便提供 了很大的方便 1 3 嵌入式技术的发展 1 3 1 嵌入式技术的国内现状 随着数字化、智能化、网络化的发展，在国外，嵌入式技术【1 1 已经成为通信和消费 类产品的共同发展方向，也介入家庭安防领域总体来说，嵌入式系统已经在硬件和软 件( 主要是嵌入式操作系统) 方面获得发展。 嵌入式系统已经成为当今世界i t 界的新焦点，开发自主知识产权的嵌入式处理器和 嵌入式操作系统，赶上先进国家的水平，对于我们国家的i t 产业具有重要的战略意义。 从某种角度来说，嵌入式系统是一个充满了创新的新兴领域，只有在体系结构上的 主流，而不存在市场的垄断。因此，嵌入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的。 另外，社会上的各个应用领域不断向前发展，要求其中的嵌入式处理器核心也必须同步 发展，这就构成了推动嵌入式领域发展的强大动力。 自从国内开发了红旗u n u x ，中国科学院又推出并产业化的h o p e n 嵌入式系统，基于 l i n u x 技术的嵌入式操作系统风靡起来。嵌入式技术在国内的广阔发展前景吸引了越来越 多的企业、研究机构、培训中心、高等院校加入其中，嵌入式人才需求的不断膨胀也激 发了越来越多的i t 从业者转入这一领域，高校与企业也越来越重视嵌入式人才的培养。 优秀的嵌入式开发人才对企业发展来说是至关重要的，而对于从业者来说，越早进入这 一领域就能越早获取一种竞争优势，而这种优势也将会对个人整个事业有个很大的提升。 1 3 2 嵌入式技术与家庭安防领域 我们把嵌入式技术嘲与家庭安防领域相结合，对此领域的双方技术发展起到促进的 作用，是一个巨大的技术革新。 基于嵌入式l i n , j x , 的数字家庭安防图像采集系统 嵌入式技术能够承担起这样的要求与负荷，而且能高效地采集与传输信息，性能稳 定而卓越将成为该领域的技术革新方向。技术是生产力，而人才则是技术发展的根本 推动力，嵌入式开发作为国家“十一五”规划的重要内容，符合构建和谐社会的技术要 求，必会在未来5 年进入高速的发展阶段，无论是企业还是从业者，只有抓住先机才能 获取最大发展空间 1 4 课题的来源和目的 2 0 1 0 - d e ，上海将举办世博会。家庭和公共场所的安全是社会稳定的基础，我们导师 正在与世博信息部建设上海世博安全联合实验室。本课题是联合实验室“基于无线测控 网的世博安全监控系统”的一部分，其目的是研究基于嵌入式a r m 计算机的家庭安防监 控技术，有效地解决安防监控技术的发现机制和图像采集、传输技术 1 5 本文的主要研究内容 本文主要从提高家庭安防的信息量和可靠性水平出发，研究应用于家庭安防领域的 嵌入式技术网，构建整个硬件系统的平台，并完成前端图像采集与处理的任务，以克服 当前传统家庭安防的弊端 本文所设计的系统是基于嵌入式u n u x 操作平台的，将a r m 9 芯片作为中央处理器， 开发了l i n u x 下的u s b 驱动( 接入摄像头) ，配有人体红外感应模块( 用于系统触发) 和 g p r s 模块( 用于后端图像的传输) 。系统是应用于家庭安防监控系统的子系统( 或者 前端系统) ，具有主动检测，图像采集，压缩的功能。 全文共分七章： 第一章绪论。介绍了目前数字家庭的基本情况，家庭安防领域的发展方向，嵌 入式技术与家庭安防领域的结合，并对嵌入式技术在国内国外的研究发展状况进行了论 述，最后结合国内的需求背景，提出了课题的来源和目的。 第二章关键技术的研究。本章论述了嵌入式系统及嵌入式开发、比较了目前流 行的嵌入式操作系统，根据系统的选型原则，确定采用嵌入式l i n u x 操作系统进行系统 开发；然后论述了a r m 技术，比较技术差异，采用a r m 9 作为嵌入式处理器；最后研 究了u n u x 系统的u s b 驱动，及在u n u x 系统下的u s b 设备以及配置方法 第三章一系统方案的设计。本章研究了家庭环境下的系统的特点，确定了系统的 基于嵌入式【j m x 的数字家庭安防图像采集系统 功能指标，进行了具体c p u 的选型、红外芯片的选型、摄像头的选型和g p r s 模块( 为 后端传输准备) 的选型。 论文的前三章作为整个系统构建的理论基础与前提，第四章和第五章是具体的设计 过程及实现方法。 第四章系统样机硬件结构。系统的硬件设计包括诸多模块的设计：人体红外感 应模块、电源系统、网口设计、u s b 接口设计、串口设计、g p i o 扩展设计和后端将要 用于数据传输的g p r s 模块设计等。论文给出了详细的硬件设计原理图，以及设计思路 和注意要点，最终构建了数字家庭安防图像采集系统的硬件平台。 第五章图像采集与处理。本章详细分析了在u n u x 中的视频设备的内核驱动 v i d e 0 4 u n u x ，详细介绍了基于v 4 l 的视频采集的一般步骤及代码，在程序流程图的指引 下，分别描述了两种采集方法，比较之后，采用内存映射方法，提高效率。最后，对采 集的图像进行j p e g 压缩。一帧3 2 0 2 4 0 的图像大小是6 k 左右，将有利于后端的g p r s 传输。 第六章系统调试及结果分析。鉴于本文的系统是一个软硬件结合的系统，本章 介绍了开发环境的建立方法，按照前文的方法和步骤，给出了系统采集图像的结果，并 进行了调试结果的技术分析。 第七章结束语。本章基于前文完成的的软硬件系统和嵌入式技术，对该系统的 技术优化提出了建议，并展望了该领域的技术发展。 基于嵌入式【j 眦的数字家庭安防图像采集系统 第二章嵌入式家庭安防图像采集系统的核心技术 2 1 嵌入式系统及嵌入式开发 2 1 1 嵌入式系统的广泛应用 随着信息技术的发展和数字化产品的普及，i n t e r n e t 得到了广泛深入的应用。从消费 电器到工业设备，从民用产品到军用器材，嵌入式被应用到手持通信设备、国防军事、 消费电子和自动化控制等各个领域。嵌入式系统的广泛应用前景和发展潜力使其成为2 1 世纪的应用热点之一，嵌入式系统通常是面向特定应用的 4 1 。然而，嵌入式系统本身不 仅与一般的p c 上的应用系统不同，而且针对不同的具体环境而设计的嵌入式应用之间的 差别也很大。 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 10 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、网 卡、m o d e m 、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。在自动售货机、楼宇控制、家庭控制、p d a 、企业管理、办公自动化等方面均是 嵌入式技术的应用领域，图2 1 可以说明这些应用。 图2 - 1 嵌入式技术的广泛应用 f i g 2 - 1 v a r i o u sa p p l i c a t i o n so f e m b e d d e dt e c h n o l o g y 简单地说，嵌入式系统就是应用软件与系统硬件的一体化，类似于b i o s 的工作方式， 具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点，特别适合于有实时性要求的多荏棼 体系。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应 用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不 基于嵌入式u 蝴的数字家庭安防图像采集系统 断创新的知识集成系统。 2 1 2 嵌入式系统的组成 与普通的计算机系统一样，嵌入式系统也是一种软硬件混合系统，整个系统是由硬 件和软件两大部分组成，如图2 2 所示。 图2 - 2 嵌入式系统的组成 f i g 2 - 2c o m p o n e n l so fe m b e d d e dl i n u x 硬件部分包括嵌入式处理器、外围设备和外围电路三个部分，是整个系统的物理基 础，它提供软件运行平台和通信( 包括人一机交互) 接口 软件部分包括嵌入式操作系统和嵌入式应用软件两个层次，控制系统的运行 2 1 3 嵌入式系统特点 及时响应。嵌入式系统是某种技术过程的核心处理环节，必须满足技术过嵌入式 家用视频服务器的研究与实现程的时限要求，自然具有实时处理的特性。 专用紧凑。由于嵌入式系统的用途固定、成本敏感，其软硬件够用即可。嵌入式 产品的使用人员多为非计算机专业人士，使用坏境不定，往往条件恶劣，因此，它在体 积、功耗和配置方面有明显约束，且健壮可靠。 技术密集。嵌入式系统是计算机技术、微电子技术和通信技术相结合的产物，因 此，它必然是一个技术密集、不断更新的知识集成系统。 软件要求固态化存储。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一 般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 软件代码高质量、高可靠性。尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片 上存储器容量不断增加，但还存在实时性的要求。为此要求程序编写和编译工具的质量 要高，以减少程序二进制代码长度、提高执行速度。 系统软件( o s ) 的高实时性 基于嵌入式l 孟哪的敷字家庭安防图像采集系统 2 1 4 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统 5 1 负责嵌入式系统的全部软件、硬件资源的分配、调度、控制、协 调，能够通过加载、卸载某些模块来达到系统的特定要求。它是根据不同的应用场合来 定制的操作系统，但都有一个核，l ) , ( k e r n e l ) 和系统服务( s y s t e ms e r v i c e ) 。其系统核心的 体积很小，1 0 k b 到2 0 k b 的系统比比皆是，只提供基本的管理功能，这是与w i n d o w s 系 统的一个巨大差别，而系统服务便是实时地处理定制的功能 目前流行的嵌入式操作系统很多，而应用领域不尽相同，表2 1 能够说明这些系统的 概况和主流的适用领域。但是，适用领域不是绝对的，系统开发者可以根据实际应用的 场合具体定制，选择操作系统。 表2 - 1 嵌入式探作系统的比较 t a b l e 2 - 1 c o m p a r i s o no f e m b e d d e do p e r a t i a gs y s t e m 嵌入式操作系统简介特点适用领域 p a l m 公司出品的3 2 位的 p a i m o s嵌入式操作系统，运行在一灵活性、移动性 p d 个抢占式的多任务内核上 m i c r o s o f t 公司出品，核 心是一个支持多线程以及多具有通信和网络的能 w i n d o w sc e c p u 的操作系统，设置了2 5 6力，在多媒体方面极具p d a 、智能电话 级的工作优先级以及可嵌入优势 式中断处理 j e a n j l a b r o s s 推出的 一个基于优先级调度的抢占 式实时内核的嵌入式操作系便携式电话、运动控 g c o s 统，仅包含任务调度、任务可扩展性和源码开放 制卡、自动支付终 管理、时问管理、内存管理端、交换机 和任务间通信和同步等基本 功能 w i n d r i v e r 公司专门为 实时嵌入式系统设计开发的 操作系统软件，为程序员提单板机、数据网络和 洲o r k s价格昂贵 供了高效的实时任务调度、 通信方面 中断管理、实时的系统资源 以及实时的任务问通信 基于嵌入式l i m l x 的数字家庭安防图像采集系统 l i n u st o r v a l d s 推出， 结构清晰，功能简 e m b e d d e dr e dh a t ，i n f o m a g i c 出品， 捷、支持多种硬件平 网络服务、p d 、通 u n u x以l i n u x 内核为核心的操作 台、易裁剪和重构，具 信系统、智能终端 有微小内核、强实时 系统，影响力直逼u n i x 性、源码开放 2 1 5 嵌入式操作系统的选型 2 1 5 1 选型原则 在嵌入式系统的前期设计过程中，首先必须决定采用哪一种嵌入式操作系统。这是 一个很重要的决定，因为这将影响到系统后期的硬件选材和代码开发。 抛去时限的要求，可以把嵌入式操作系统分为商用型和免费型两种。商用型的实时 操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术和售后支持，但往往价格昂贵，典型的就是风 河公司的v x w o r k s 。免费型的实时操作系统则在价格方面具有优势。但是不管选用什么 样的操作系统，都应该考虑操作系统对硬件的支持，如果选择的系统不支持将来要用的 硬件平台，那这个系统是不合适的；其次要考虑的是开发调试用的工具，特别是对于开 销敏感和技术水平不高的情况而言，开发工具往往起到决定性的作用；第三个要考虑的 问题是该系统是否能满足应用需求。如果一个系统提供的a p i 很少，那么无论这个系统 多么稳定，应用层很难进行2 次开发 由此可见，选择一款既能够满足应用需求，性价比又最佳的实时操作系统，对开发 工作的顺利开展意义非常重大。 概括地说，在进行系统选型的工作时，要遵循以下一些原则： 系统成本 进入市场时间及技术支持 可移植性 可利用资源 系统定制能力 2 1 5 2 本文的操作系统选型 由上文所述，本文采用嵌入式u n u x 操作系统嘲。其几近于0 的成本适合本系统的 开发要求，再加上广泛的技术支持论坛，网络资源丰富，都为系统开发提供了更多的便 捷，更重要的是它符合本文系统的开发要求，是其他操作系统无法取代的。下文将对其 基于嵌入式l i n u x 的数字家庭安防图像采集系统 进行详细的技术分析。 2 1 5 3 嵌入式u n u x 嵌入式u n u x 操作系统作为一个操作系统，几乎满足当今u n i x 操作系统的所有要求， 因此，它具有u n i x 操作系统 7 1 的基本特征： 符合p o s i x1 0 0 3 1 标准 u n u 完全支持p o s i x1 0 0 3 1 标准，并增加了部分s y s t e mv 和b s d 的系统接口，使 u n u x 成为一个完善的u n i x 程序开发系统。 支持多用户访问和多任务编程 嵌入式l i n u x 是一个多用户操作系统，它允许多个用户同时访问系统而不会造成用户 之间的相互干扰。另外，嵌入式l i n u x 还支持真正的多用户编程 e l ，一个用户可以创建多 个进程，并使各个进程协同工作来完成用户的需求。 采用页式存储管理 页式存储管理使嵌入式u n u x 能更有效地利用物理存储空间，页面的换入换出为用户 提供了更大的存储空间 支持动态链接 嵌入式u n u x 支持动态链接方式 e l ，运行时才进行库链接，如果所需要的库已被其它 进程装入内存，则不必再装入，否则才从硬盘中将库调入。这样能保证内存中的库程序 代码是唯一的。不会出现库代码在内存中有多个副本而浪费存储空间的情况。 支持多种文件系统【1 0 1 。目前支持的文件系统有：e x t 2 、e x t 、h p f s 、m s d o s 、 u m s d o s 、p r o c 、n f s 、m i n i 、s m b 、u f s 、v f a t 等。 由于嵌入式u n u x 具有的以上特点，适合我们有针对性的进行裁剪和重构，使之具有 微小内核、强实时性等特点 2 2 a r m 9 技术 2 2 1a r m 处理器介绍 迄今为止，a r m 体系一共定义了6 个版本l 1 i ，版本号为1 6 。从版本1 到版本6 ， a r m 体系的指令集功能不断增强，同时，各版本中还有一些变种，这些变种定义了该版 本指令集中不同的功能。如支持t h u m b 指令集、支持长乘法指令集、增量型d s p 指令 集、j a v a 加速器、媒体功能扩展指令等。这些变种的指令都是针对不同的应用而产生 的，a r m 处理器系列中的各种处理器，由于采用的实现技术各不相同，性能差别很大， 应用的场合也有所不同，这必然引出应用程序代码的可重用性问题。但是，只要处理器 支持相同的a r m 体系版本，基于他们的应用软件将是兼容的。 a r m 处理器目前包括的处理器产品【1 2 1 ，如表2 2 所示： 表2 - 2 嵌入式操作系统的比较 a r m 家族a r m 核特点适用领域 从m 7 2 0 t ， a r m 7 a r m 7 e i s ， 价位和功耗要求不高 个人音频设备、无线 a r m 7 t d m i 和 手持设备 a r m 7 t d m i s a r m 9 2 0 t ，5 级流水线，具有分开的指手持设备、视频电 a r m 9a r m 9 2 2 t 和 令和数据存储器，允许使用更话、p d a 、数字消费产 a r m 9 4 0 t 高的时钟频率品、机顶盒、家用网关 a l t m9 6 2 i j - s ， 使用单一的处理器内核提适用于同时使用 a r m 9 e a r m 9 4 6 e - s ， 供了微控制器、d s p 、j a v a 应d s p 和微控制器的场 a r m 9 6 6 e - s 和 用系统的解决方案合 a r m 9 6 8 b s a r m l 0 2 0 e ， 高性能，低功耗，采用了应用于下一代无线 a r m l 0 e a r m l 0 2 2 e 和 新的体系结构 设备、数字消费品 a r m l 0 2 6 e j s s c c u r c o r c s c l 0 0 ， s e c u r c o r c提供了完善的3 2 位r i s c 电子商务、电子银 s e c u r c o r e s c l l 0 ， 技术的安全解决方案行、网络认证 s c c u r c o r es c 2 0 0 s e c u r c o r e s c 2 1 0 采用a r m 体 系结构高度集成 融合了i n t e l 公司的设计和 s t r o n g a r m 处理技术，以及a r m 体系结 手持消费类设备和 的3 2 位r 1 s c 微移动计算与通信设备 处理器 构的电源效率 2 2 2a r m 处理器选型原则 从应用的角度出发，在选择a r m 微处理器时所应考虑的主要问题有以下几个方面： ( 1 ) 内核的选择铘 如果希望使用w i n d o w sc e 或者u n u x 操作系统以减少软件的开发时间，就需要选 择a r m 7 2 0 t 以上带有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 功能的a r m 芯片，例如： 基于嵌入式l 函呱的数字家庭安防图像采集系统 a r m 7 2 0 t 、a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 6 t 、s t r o n g a r m 。而a r m 丌d m i 没有m m u ， 不支持w i n d o w sc e 或者u n u x 操作系统，则不能选择。 ( 2 ) 系统的工作频率 系统的工作频率在很大程度上决定了a r m 微处理器的处理能力。a r m 7 家族的处 理器的典型速度是0 9 m i p s m h z ，常见的a r m 7 芯片系统的主时钟为2 0 m h z 1 3 3 m h z ， 而a r m 9 芯片系统的典型速度是1 1m l p s m h z ，主时钟为10 0 m h z 2 3 3 m h z ，a r m l 0 最高可以达到7 0 0 m h z 。应该根据具体的需要选择合适的芯片 ( 3 ) 芯片内存储器的容量 大多数a r m 芯片的片内存储器的容量都不大，需要在实际应甩是岁 扩存储器，但 也有芯片具有相对较大的存储空间，在设计时，也应当适当考虑，以简化系统的设计。 ( 4 ) 外围电路的选择 几乎所有的a r m 芯片均根据各自不同的应用领域，扩展了相关的功能模块，并集 成在芯片之中，称之为片内的外围电路，如u s b 接口、i i s 接口、l c d 控制器、键盘接 口、d s p 协处理器等。设计系统时，要尽可能采用片内的外围电路完成所需的功能，以 提高系统的可靠性。 以上几点只是在一般情况下的设计原则，而对于本文的设计，在这样的原则指导下， 各种a r m 芯片的取舍就相当容易，将焦点聚于a r m 9 和a r m 7 。 2 2 3a r m 9 与a r m 7 处理器比较 纵观上文提到的如此之多的嵌入式处理器，各有优点，而本文所设计的系统应用在 安防监控领域，进行图像采集与压缩，系统消耗一般，因此，a r m 9 系列【14 】与a r m 7 系列便成为首选。 目前，世界上各大芯片生产商纷纷推出自己的a r m 芯片，其专注的应用背景不同， 因而各有特色。a r m 7 和a r m 9 是目前a r m 处理器中应用较多、技术成熟的两大系列 a r m 芯片，但在性能上也有不小差异。 a r m 9 t d m i 核将a r m 7 t d m i 的功能显著提高到更高、更强的水平。a r m g t d m i 也支持t h u m b 指令集，并支持片上调试。最显著的区别就是流水线从3 级增加到5 级。 其实a r m 9 使用5 级流水线也是受s t r o n g a r m 流水线的启发而设计的，并针对 s t r o n g a r m 的某些不足加以改进，从而获得了更好的性能。a r m 7 的流水线操作如图 2 3 所示 基于嵌入式i 孟m 的数字家庭安防图像采集系统 匦匿囵塑塑誓 煎 匦匾豳囹匿曩 固 匦囊固函弱习 匾 指 - 争t 图2 - 3a p , , m 7 的流水线操作 f i g 2 - 3 s t r e a m l i n eo f a r m 7 到a r m 7 为止，上述的3 级流水线性价比很高，但是随着人们对性能要求不断提高， 使用原有的3 级流水线是无法满足要求的，因此，a r m 9 处理器使用了5 级流水线。同 时具有分开的指令和数据存储器，减少了在每个时钟周期内必须完成的最大工作，进而 允许使用更高的时钟频率。 图2 卅4 比较了a r m 7 的3 级流水线和a r m 9 的5 级流水线，显示了处理器的主要 处理功能如何在增加的流水线之间重新分配。 取指令译码执行 图2 - 4a p , m 7 和, “t m 9 流水线探作的比较 f i g 2 - 4c o m p a r i s o no fs t r e a m l i n e sb e t w e e na r m 7a n da r m 9 由此可以看出，a r m 9 系列处理器无论从处理速度、外设接口以及应用范围等方面 的表现力都比a r m 7 更胜一筹，符合系统的设计要求。下文将进一步剖析a r m 9 2 0 t 微 处理器，体现其技术优势。 2 2 4a r m 9 2 0 t 微处理器 2 2 4 1a r m 9 2 0 t a r m 9 2 a t 【1 司是a r m 9 2 0 t d m i 系列中的一款通用性的微处理器，a r m 9 2 0 t d m i 系 列微处理器包含如下几种类型的内核 a r m 9 2 a t d m h 只有内核 a r m 9 4 0 t ：由内核、高速缓存和内存保护单元组成 a r m 9 2 a t ：由内核、高速缓存和内存管理单元( m m u ) 组成 基于嵌入式u 呱的数字家庭安防图像采集系统 2 2 4 2a r m 9 2 0 t 系统结构分析 圃固囹圈圃 t 图2 - 5a l u m 9 2 0 t 的流水线操作 f i g 2 5 s u e a m l i n eo f a r m 9 2 0 t a r m 9 2 0 t d m i 采用5 级流水线，其结构如图2 - 5 所示，具有分开的指令和数据存 储器，5 级流水线具体如下： ( 1 ) 取址：从存储器中取出指令，并将其放入指令流水线。 ( 2 ) 译码：对指令进行译码。 ( 3 ) 执行：把一个操作数移位，产生a l u 结果。一 ( 4 ) 缓冲数据：如果需要，则访问数据存储器；否则a l u 的结果只能是简单地缓 冲1 个时钟周期，以便所有的指令具有同样的流水线流程。 ( 5 ) 回写：将指令产生的结果回写到寄存器，包括从存储器中读取的数据。 a r m 9 2 a t d m i 处理器一个显著的特点是采用指令和数据分离访问方式，即采用了 指令缓存( | _ c a c h e ) 和数据缓存( d - c a c h e ) 。 a r m 9 2 0 t 以a r m 9 2 0 t d m i 为内核，增加了高速缓存和内存管理单元，系统结构 如下图所示； 图2 - 6 a r m 9 2 0 t 系统结构 f 塘2 _ 6 s t x l l c t l t r eo f a r m 9 2 0 t 2 2 4 3a r m 9 2 a t 工作状态分析 a r m 9 2 0 t 微处理器的工作状态有2 种： a r m 状态，此时处理器执行3 2 位的、字对齐的a r m 指令 基于嵌入式i j a u x 的数字家庭安防图像采集系统 t h u m b 状态，此时处理器执行1 6 位的、半字对齐的t h u m b 指令 a r m 指令集和t h u m b 指令集均有切换处理器状态的指令，在程序的执行过程中， 微处理器可以随时在2 种工作状态之间切换，并且，处理器工作状态的转变并不影响处 理器的工作模式和相应寄存器中的内容。但a r m 微处理器在开始执行代码时，应该处 于a r m 状态。 2 2 4 4a r m 9 2 0 t 的运行模式 a r m 9 2 0 t 支持7 种运行模式，分别为： 用户模式( u s r ) ：a r m 处理器正常的程序执行状态 快速中断模式( 稍q ) ：用于高速市局传输或通道处理 外部中断模式( i r q ) ：用于通用的中断处理 管理模式( s v c ) ；操作系统使用的保护模式 数据访问终止模式( a b t ) ：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟 存储及存储保护 系统模式( s y s ) ：运行具有特权的操作系统任务 未定义指令终止模式( u n d ) = 当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持 硬件协处理器的仿真 a r m 9 2 a t 微处理器的运行模式可以通过软件改变，也可以通过外部中断或异常处 理改变。大多数的应用程序运行在用户模式下，当处理器运行在用户模式下，某些被保 护的系统资源是不能被访问的。除用户模式以外，其余的6 种模式称为非用户模式或特 权模式；其中除去用户模式和系统模式以外的5 种又称为异常模式，常用于处理中断或 异常，以及访问受保护的系统资