毕业论文（设计）-基于三星ARM S3C2410的指纹识别系统10870.pdf

哈尔滨工程大学 硕士学位论文 基于三星arm s3c2410的指纹识别系统 姓名：孙紫鹏 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：刁鸣 20070301 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 指纹识别技术是种重要的生物身份识别技术，也是目前生物识别技术 发展的最为成熟的一个分支。作为一种飞速发展的技术，指纹识别已经在刑 侦领域大显身手，在银行身份认证等民用领域，这项技术也具有广阔的应用 空间。将指纹识别技术和嵌入式系统相结合可以使指纹识别技术的应用摆脱 空间与环境的限制，更加广泛的适用于各种场合。本论文对嵌入式指纹识别 系统做了初步的研究，主要做了以下几个方面的工作： 首先，分析了本课题国内外研究现状和发展方向，阐述了本课题研究的 必要性。考虑到基于a r m 体系结构的芯片所具有强大的处理功能和低廉的价 格，本论文考虑基于目前较为先进的三星$ 3 c 2 4 1 0 处理器和l i n u x 嵌入式 操作系统来构建一个嵌入式指纹识别系统。 而后，对嵌入式系统所使用的嵌入式操作系统l i n u x 进行了介绍。对系 统的硬件平台进行了初步的设计，根据系统的要求对芯片及其工作模式进行 了合理的选型和确定，并且绘制了原理图。在软件实现方面，采用了经典的 图像增强，二值化，细化，特征提取，伪特征去除等处理步骤，详细讨论了 各个步骤现有处理方法的思路，分析了这些算法的优点和不足；根据嵌入式 系统的要求优选了各个步骤合适的算法；构造了一种速度快、处理效果好的 细化算法，并完成了相应代码的编写。 关键词：指纹识别；嵌入式系统；s 3 c 2 4 1 0 , l i n u x ；图像增强；特征提取 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i n g e r p r i n tv e r i f i c a t i o ni s a ni m p o r t a n tb i o m e t r i ct e c h n i q u ef o rp e r s o n a l i d e n t i f i c a t i o nw h i c hi sa l s ot h em a r l r e s tb r a n c ho fb i o m e 打i ct e c h n i q u e a sa r a p i d l ye v o l v i n gt e c h n o l o g y , f i n g e r p r i n tv e r i f i c a t i o nh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h e f i e l do fc 血1 i m li d e n t i f i c a t i o n , a n do b v i o u s l yi th a st h ep o t e n t i a lt ob c 、i d e l y a d o p t e di nav e r yb r o a dr a n g eo fc i v i l i a na p p l i c a t i o n ss u c ha sb a n k i n gs e c u r i t y t h ec o m b i n a t i o no ff i n g e r p r i n tv e r i f i c a t i o na n de m b e d d e ds y s t e m sw o u l dm a k e t h i st e c h n i q u es u i t a b l ef o rm a n yk i n d so fo c c a s i o n s t h i sp a p e rd i ds o m e e l e m e n t a r yr e s e a r c ho ne m b e d d e da u t o m a ：c c df i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ns y s t e m , i t m a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gs e v e r a la s l x 斌s ： f i r s t , t h i sp a p e ra n a l y z et h es t u d ya c t u a l i t ya n dd e v e l o p m e n td i r e c t i o no f t h i s t a s k , a n de x p l a i nt h en c s s i t yo ft h i st a s k c o n s i d e r i n gt h eh i g hp e r f o r m a n c ea n d l o wc o s to fa r m - c h i p ，i nt h i sp a p e rw ec o n s t r i c ta l la f i sb a s e do nt h ep r o c e s s o r $ 3 c 2 4 1 0w i t ht h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ml i n u x s e c o n d , t h i sp a p e rg i v e ss o m ei n t r o d u c t i o no fl i n u x ，a n dt h e nw ed e s i g nt h e h a r d w a r eo ft h es y s t e m , s e l e c tt h ec h i p s ，c o n f i r mt h e i rw o r k i n gm o d ea n dd r a w t h ec o r r e s p o n d i n gd a t a s h e e t a st h es o f t w a r ea s p e c t , w cc h o s et h ec l a s s i c a ls t e p s o fi n l a g ee n h a n c e m e n t , b m r y , t h i 血a n dm i n u t i a ee x t r a c t i o n t h ep a p e ra n a l y s e d t h ei d e a , a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fa v a i l a b l ea l g o r i t h m so ft h e s t e p s ， s e l e c t e dt h eb e s to n eo fe a c hs t e p ，a n dc o n s t r u c t e daf a s t e r , n e wa l g o d t h r aw h i c h c a nt h i nt h ei m a g eo f f i n g e r p r i n l k e yw o r d s ：f i n g e r p r i n tv e d f i c a t i o m $ 3 c 2 4 1 0 ；l i n u x i m a g ee n h a n c e m e n t ； m i n u t i a ee x t r a c t i o n 关于本文创新点及独立完成工作的简要说明 作为一种理想的身份认证技术，指纹识别有着十分广泛的应用前景，它已经 成为生物特征识别技术的主流。早期的指纹识别系统需要在大型的计算机上处 理，但其便携性受到了限制，随着嵌入式技术的不断发展与更新，以及a r m 等 嵌入式处理器性能的不断升级，使其处理数字图象成为可能。 本文着眼于嵌入式技术的研究，从硬件和软件两个方面入手完成指纹识别系 统的构建：在硬件方面，本文采用了现在广为流行的三星a r ms 3 c 2 4 1 0 微处理 器作为核处理器，其特点是体积小、低功耗、成本低、高性能，5 级流水线，提 供1 1 m i p s 肺d 的哈佛结构，全性能m m u ，指令和数据c a c h e ，高速a m b a 基 于总线的接口，以此处理器为基础本文初步完成了指纹识别系统的硬件平台电路 设计及指纹采集模块的设计。平台软件方面，介于l i n u x 操作系统较之其他操作 系统有着内核可剪裁，源码开放，并且是免费的，以及自带大量驱动程序的特点。 在此本文此操作系统应用到此平台上，并初步尝试了将l i n u x 操作系统移植a r m 平台之上及大量应用程序的加载。在此基础上本文又结合了o v 5 1 1 图像u s b 接口 的便携式特点，将其和指纹传感器连接制作为指纹图像的采集模块。应用软件方 面，本文借助m i n i g u i 这款强大的图形软件实现了指纹图像的采集与显示。指纹 识别算法方面，本文通过v c + + 对通用的指纹识别算法仿真并进行了验证。 ， 从硬件电路的设计到指纹识别算法的仿真均由本人一人完成，其中也借鉴了 一些他人的开发经验，经过验证，此指纹识别系统有着可行性，便携性的特点， 但将算法移植到此平台还有待进一步的研究与开发。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 人类指纹由于其唯一性和不变性而可以用在身份验证中，相对于传统的 “口令+ 密码”等保护措施，指纹识别有其明显的优越性。作为一种理想的 身份认证技术，指纹识别有着十分广泛的应用前景，是将来生物特征识别技 术的主流。嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件 可以剪裁，应用系统对功能，可靠性，成本，体积和功耗严格要求的专用计 算机系统。嵌入式指纹识别系统即是将指纹的采集和处理集于一身的单机系 统，可以做的很小，因此可以作为客户端应用于任何场合，是适应当代身份 认证要求的一种识别系统。指纹识别技术所具有多方面的优点，这使它成为 身份认证的主要技术：此外，国际形势的日益严峻也是指纹识别技术迅速发 展和普及的主要原因。指纹识别技术在未来的身份识别中的重要意义，鉴于 指纹识别广阔的应用前景，本课题将对嵌入式指纹识别系统进行研究。 1 2 生物特征识别作为身份认证手段的优势 身份识别就是通过特定方式确定用户身份的过程。根据被认证对象所掌 握的信息来确定其身份及利用被认证对象所拥有的物品对其进行身份识别， 由于其认证操作对象并不是被识别人本身，而是通过对物品( 或知识) 进行的 识别来间接认证人的身份，有其固有的局限性。相比较而言，生物特征识别 认证则是一种更为可靠、而且更为方便的认证方式。生物特征识别认证是根 据人体所固有的生理特征或行为特征来确定被识别人身份的。人类所具有的 生物特征有指纹、掌纹、虹膜、人脸、视网膜、体味、手形、姿态、语音、 签名、笔迹等许多种。但是可以用于身分认证的生物特征必须满足如下的条 件【l l i ：普遍性，唯一性，永久性，可采集性，性能，可接受性，及安全性。 下面对现在应用较多的生物特征识别方案作一个扼要的叙述。 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 语音识别：通过识别人的语音频率来识别说话的人。语音识别较为复杂并且 精度较低。手形识别：利用手形图像进行识别，目前来说，相较之下准确性 较低。人脸识别：通过分析脸部特征的惟一形状、模式，位置来识别人。识 别的精度和系统的可靠程度仍不能说得到了保证。虹膜识别：用摄像机取得 虹膜的特征样本并将人的虹膜形状图像变换成数字代码，然后与存储模板进 比对。认证方式由于人眼损伤而带来不便。指纹识别：指纹具有惟一性和终 生不变性，利用指纹进行身份认证的过程即是比对两幅指纹图像的全局特征 和局部细节特征的过程。作为一种理想的身份认证技术，指纹识别有着十分 广泛的应用前景。作为对上述几种生物识别方式的总结，表1 1 1 2 】对几种技 术做了比较。 表1 1 几种生物识别技术的比较 识别方法识别效果l 比1 比对1 比多比对传感器价仪器体积 格 指纹很好可以可以 l o 1 0 2很小 虹膜或视很好可以可以1 0 2 1 0 3大 网膜 手形好可以不可以 1 0 2居中 人脸变化可以不可以1 0 2小 语音变化可以不可以0 1 0 2很小 通过比较可知，从识别效果来看，指纹识别和眼睛识别的效果较好，人 脸的识别容受光线的影响较大，语音识别受麦克风的影响较大。指纹识别和 眼睛识别的错误率较低，但通过对传感器价格和仪器体积比较可知，指纹识 别更易于普及。 1 3 指纹识别国内外目前的发展状况 目前，人工识别、光学识别和计算机识别是指纹识别的三种手段。人工 识别利用指纹专家人工完成指纹识别的工作。这种方式效率很低，难以大范 围推广。光学识别运用光学原理，利用光学滤波器等光学器件对输入指纹进 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 行采集、变换和识别，具有高度并行、速度快的优点，但装置复杂、精度低、 稳定性差，目前研究比较少。计算机识别则是综合运用模式识别原理、数字 图像处理技术对输入图像进行识别，缺点是速度慢，但装置简单、精度商、 稳定性好。 指纹识别系统的实现有软件和硬件两方面的基础，需要解决系统结构、 指纹获取、指纹图像处理算法、指纹数据库、指纹分类与识别算法、指纹压 缩解压等多项关键技术。软件方面的基础主要是指指纹算法的研究和实现。 指纹识别算法研究到现在只有短短几十年的历史，但是却已经硕果累累，有 许多经典的思路涌现，足以胜任现在民用领域对指纹识别的要求。目前，许 多国家都有公司或研究机构在从事指纹识别算法的研究。现在，指纹识别技 术虽有许多缺点尚待改进，但其为市场接受已经称为一个不争的事实。指纹 识别算法研究的重点和难点可以归纳为对采集进来的各种有噪声图像进行 滤波和增强；对指纹的全局和局部特征进行提取；如何在图像不能完全定位 和图像可能发生扭曲变形的情况下进行特征比对等三个方面。鉴于指纹图像 本质上是一种脊线和谷线交替出现、平行分布的纹理图像，根据局部图像的 纹理特点求出表征纹理走向的方向图，并借助方向图进行图像增强，进而对 图像通过二值化，细化，去除伪特征并提取特征的思路已经得到了广泛的应 用。 在硬件上，从系统结构来看可以将系统分为嵌入式系统和连接计算机的 桌面应用系统。其中，前者可独立运行，功能较为单一，识别效率较高，稳 定性较好，p - l 以适用于e 泛的应用场合；后者需要连接计算机，可建立大型 的数据库应用，可扩展性好。与计算机相连的桌面应用系统在以前研究较多， 现在，随着大众对身份识别技术的要求越来越高，指纹识别也逐渐被广泛的 应用于各式各样的场合，因此嵌入式指纹识别系统越来越受到人们的重视。 大量的数据和资料显示由于指纹识别应用的日益广泛，开展指纹识别技 术研究必然可以因其丰富的应用产品而创造巨大的经济效益，兼之这种技术 可以在公安、金融、网络安全等方面的战略作用而创造巨大的社会效益。由 哈尔滨工程大学硕士学位论文 于在指纹识别技术发展的同时还可带动图像处理、模式识别、光电子和计算 机等相关学科的发展，因此指纹课题的研究具有很高的学术价值。 1 4 本文要完成的工作 本课题是针对嵌入式指纹识别系统进行研究，由研究目的决定了研究的 内容涉及了嵌入式系统硬件设计和指纹图像处理与识别算法研究两个大的 方面。在系统硬件设计方面，包括了硬件电路的设计和操作系统的移植等方 面的内容；在软件设计，即指纹图像处理与研究的这个领域，我们将采用较 为成熟的主流技术的流程：指纹图像增强一指纹图像二值化一指纹图像细化 一特征提取一伪特征的去除一指纹比对。目前，我们处于初入嵌入式指纹识 别领域的状态，在指纹算法研究和嵌入式系统的设计方面还需要一定的技术 积累，但是我们相信只要我们能够从底层做起，积极跟踪指纹识别领域的最 新进展，经过数年的不懈努力后，我们一定会在指纹识别和嵌入式系统相结 合的研究领域内取得大的进展，并使我们的功能强大的嵌入式系统能够安全 并可靠的应用到各种场合中。 本文将完成以下的任务： 1 基于三星a r ms 3 c 2 4 1 0 处理器进行嵌入式指纹识别系统的设计，即 完成本系统硬件器件的选择和电路的初步设计； 2 在硬件开发装置上进行l i n u x 操作系统的移植，以构建指纹采集与 识别的硬件平台； 3 进行软件方面的研究，即指纹图像处理算法的研究，采用c 语言编 写实现。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章指纹识别系统硬件平台 本文中系统硬件平台是在参考了许多开发板的基础上，并结合课题的内 容进行选件并配置的，意在以最简单的方式来实现指纹识别的硬件设计。 2 1 硬件平台组成 l p , f l 两片c ， c 婚擅口 羞量 ii t a x df 1 m c c ， 兜x 嘲 l m f ? ，- 一j 营 s 3 ：2 4 l a c 擅薯岛朝善雌 j ，n e r i c 蔓位螂 图2 1 指纹识别系统硬件平台 如图2 1 所示，指纹识别系统硬件平台的配置如下； c p u ：三星s 3 c 2 4 1 0 a 2 0 运行主频2 0 0 m 2 6 6 m s d r a m ：三星2 片k 4 $ 5 6 1 6 3 2 共6 4 m n a n i ) f l a s h ：三星一片n a n d f l a s hk 9 f 5 6 0 8 u o c3 2 m x 8 n o r f l a s h ：三星s s t 3 9 f 1 6 02 mn o rf l a s h 扩展 p o w e r ：凌特i t c l 9 1 1 - 1 g v 高质量电源 采集模块：指纹输入模块本文中采用o v 5 1 1 及指纹输入传感器实现 l c d ：l c d 使用三星的l t s 3 5 0 q 1 p e l 液晶 复位电路：采用r c 复位实现 ，r a g 接口：用来完成l i n u x 内核移植，交叉编译，驱动下载与交叉调试。 交叉网线：功能同上 相关的原理图见附录a 。 甲 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 1 中央处理器( c p u ) ：$ 3 c 2 4 1 0 $ 3 c 2 4 1 0 微处理器是一款s a m s u n ge l e c t r o n i c sc o ，l t d 为手持设备 设计的低功耗、高度集成的内含一个a r m 9 2 0 核微处理器。a r m 即 a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写。 a r m 处理器的三大特点： ( 1 ) 小体积、低功耗、成本低、高性能 ( 2 ) 1 6 位3 2 位双指令集 ( 3 诠球众多合作伙伴 a r m 处理器本身是3 2 位设计，但也配备1 6 位指令集，以允许软件编 码为更短的1 6 位指令。与等价的3 2 位代码相比，占用的存储器空间节省达 3 5 ，t h u m b 状态与正常的a r m 状态之间是零开销切换。a r m 处理器当 前有5 个产品系列：a i m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m l 0 和s e c u r c o r e 。 a r m 7 ，a r m 9 ，创陋佃e 和a r m l 0 是4 个通用处理器系列。其中，a 踟9 2 0 系列是高性能和低功耗特性方面最佳的硬宏单元。它具有： 0 ) 5 级流水线 ( 2 ) 提供1 1 m i p s m h z 的哈佛结构 ( 3 ) 全性能m m u ( 4 ) 指令和数据c a c h e ( 5 ) 高速a m b a 基于总线的接口 组成结构如图2 2a r m 9 2 0 t 开放平台处理器核所示： 加 双疆b 高速c 4 出。 嵌 置l 四 z r i o 巷口 娜一t n t 赫 s b 接口 图2 2 a r m 9 2 0 t 开放平台处理器核 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 $ 3 c 2 4 1 0 处理器是s a m s u n g 公司基于a r m 公司的a r m 9 2 0 t 处理器 核，采用o 1 8 t t m 制造工艺的3 2 位微控制器。该处理器拥有：独立的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e m m u ，支持叩的l c d 控制器，n a n d 闪存控制器，3 路d a r t ，4 路d m a ，4 路带p w m 的t i m e r ，i 0 口，r t c ， t o u c h s c r e e n 接口，2 个u s b 主机，1 个u s b 设备，s d 主机和m m c 接口， 2 路s p i o ，$ 3 c 2 4 1 0 处理器最高可运行在2 0 3 m h z 下。 s 3 c 2 4 1 0 采用了2 7 2 脚的f b g a 封装，内含一个a r m 9 2 0 核和如下主要片 内外围： 1 个l c d 控制器( 支持s t n 和t f t 带有触摸屏的液晶显示器) s d r a m 控制器 3 个通道的u a r t 4 个通道的d m a 4 个具有p w m 功能的计时器和1 个内部时钟 触摸屏接口 1 个u s b 主机接口，1 个u s b 设备接口 1 1 7 位通用i o 口和2 4 位外部中断源 在时钟方面$ 3 c 2 4 1 0 x 也有突出的特点，该芯片具有p l l ( m p l l 和 u p l l ) 的芯片时钟发生器。m p l l 产生主时钟，能够使处理器工作频率最高 达到2 0 3 m h z 。这个工作频率能够使处理器轻松运行于w i n d o w s c e ( w m c e ) ，l i n u x 等操作系统以及进行较为复杂的信息处理。u p l l 产生 实现主从u s b 功能的时钟。$ 3 c 2 4 1 0 x 将系统的存储空问分成8 组( b a n k ) ， 每组大小是1 2 8 m b ，共1 g 。b a n k 0 到b a n k 5 的开始地址是固定的，用于 r o m 和s r a m 。b a n k 6 和b a n k 7 用于r o m ，s r a m 或s d r a m ，这两个 组可编程且大小相同。b a n k 7 的开始地址是b a n k 6 的结束地址，灵活可变。 所有内存块的访问周期都可编程。$ 3 c 2 4 1 0 x 采用( n g c s 【7 ：0 】) 8 个通用片选 信号选择这些组。 $ 3 c 2 4 1 0 x 支持从n a n df l a s h 启动，h a n df l a s h 具有容量大，比n o r 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 _ l _ _ _ _ i i l i l j i i i 目i i 自i i 自i i i | _ _ 目目_ _ i 目i l - f l a s h 价格低等特点。系统采用n a n df l a s h 与s d r a m 组合，可以获得非 常高的性价比a $ 3 c 4 1 2 0 x 具有三种启动方式，可通过o m 1 ：o 】管脚进行选 择。 。 根据课题的要求即前述的硬件设计方案，具体的硬件电路设计将涉及到 存储器接口，l c d 控制器接口，网口，j t a g 接口，u s b 接口等方而的引 脚控制设计，将相应的引脚简单介绍如下： ( 1 ) 总线控制器引脚： 0 m 1 ：o 】：决定s 3 c 2 4 1 0 的启动模式，0 0 ：n a n d f l a s h 启动；0 1 ：1 6 - b i t 模式； 1 0 ；3 2 b i t 模式；l l ：t e s t 模式； n g c s 7 ：0 ：当存储器的地址在每个b a n k 区域内时，相应的引脚被触发。 a d d r 2 6 ：0 ：输出对应的b a n k 的存储器地址。 n w e ：( 写使能) 表明当前处于写周期。 n o e ：( 输出使能) 表明当前处于读周期。 n x b r e q ：( , 总, 线占用请求) 允许另一个总线控制器请求控制总线。 n x b a c k ：( 总线占用响应) 表明已将总线控制权将交给另个总线控制器。 n w a r r ：请求延迟一个总线周期，只要n w a i t 引脚为低电平，那么当前总 线周期就不会完成。 ( 2 ) s d r a m s r a m 控制器引脚： n s r a s ：s d r a m 行地址 n s c a s ：s d m 气m 列地址 n s c s 1 ：0 ：s d r a m 芯片选择 d q m 3 ：o 】：s d r a m 数据掩模 s c l k i ：o 】：s d r a m 时钟信号 s c k e ：s d r a m 时钟使能 n b e 3 ：0 ：高低字节使能( 在1 6 b i t 模式) n w b e 3 ：0 ：写使能 ( 3 ) n a n of l a s h 接口 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c l e ：命令锁存使能 a l c ：地址锁存使能 n f c e ：n a n df l a s h 芯片使能 n f r e ：n a n df l a s h 读使能 n f w e ：n a n df l a s h 写使能 n c o n ：n a n df l a s h 配置 剐b ：n a n df l a s h 准备忙 ( 4 ) l c d 控制单元 v d 2 3 ：0 ：s t n t f t s e ct f t l c d 数据总线 l c d _ p w r e n ：s t n t f t s e ct f tl c d 电源使能控制信号 v c l k ：s n q ，r f tl c d 时钟信号 v 】艰a m e ：s t nl c d 帧信号 v l 斟e ：s t n 线信号 v m ：s t n v m 转换行、列电压的极性 v s y n c ：t f t 垂直同步信号 h s y n c ：t f t 水平同步信号 v d e n ：t f t 数据使能信号 l e n d ：t f t 线中端信号 ( 5 ) u a r t 接口 r x d 2 ：0 i ：u a r t 接收数据输入 t x d 2 ：0 ：u a r t 发送数据输出 n c t s i ：0 ：清除输入信号 n r t s 1 ：0 ：u a r t 请求发送输出信号 u c l k ：t 聪r t 时钟信号 ( 6 ) u s b 接口 1 ) u s b 主机接口 d n 1 ：o 】：来自u s b 主机的d a t a ( - ) 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 d p 【l ：o 】：来自u s b 主机的d a t a ( + ) 2 ) u s b 设备接口 p d n 0 ：对u s b 的外围设备d a t a ( - ) p d p o ：对u s b 的外围设备d a t a ( + ) ( 7 ) j t a o 接口 n t r s t ：最开始设置t a p 控制器 t m s ：控制t a p 控制器的状态顺序 t c k ：为，i a g 逻辑提供时钟输入 t d i ：测试指令及数据串行输入 t d o ：测试指令及数据串行输出 2 1 2s d r a m 电路设计 s d r a m 被用来存放操作系统( 从f l a s h 解压缩拷入) 以及存放各类 动态数据，本文采用s a m s u n g 公司的k 4 s 5 6 1 6 3 2 ，它是4 m 1 6 b i t x 4 b a n k 的同步d r a m 容量为3 2 m b 。用2 片k 4 s 5 6 1 6 3 2 实现位扩展，使数据总 线宽度达到3 2 b i t ，总容量达到6 4 m b ，将其地址空间映射在$ 3 c 2 4 1 0 a 的 b a n k 6 。s d r a m 所有的输入和输出都与系统时钟c lk 上升沿同步，由输 入信号r as 、c as 、w e 组合产生s d r a m 控制命令，s d r a m 在具体操 作之前首先必须通过m r s 命令设置模式寄存器，以便确定s d r a m 的列地 址延迟、突发类型、突发长度等工作模式；再通过a c t 命令激活对应地址 的组，同时输入行地址；然后通过r d 或w r 命令输入列地址，将相应数 据读出或写入对应的地址；操作完成后用p c h 命令或b t 命令中止读或写 操作。在没有操作的时候，每隔一段时间必须用a r f 命令刷新数据，防止 数据丢失。 本系统采用了两片k 4 s 5 6 1 6 3 2 c 构成了6 4 m 的s d r a m 空间来运彳亍 l i n u x 和其他应用程序。作为容量数据处理电路的重要组成部分，存储器 s d r a m 具有多种工作模式，内部操作是一个非常复杂的状态杌，s d r a m 的管脚分为以下几类： 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 控制信号：片选、时钟、时钟有效、行例地址选择、读写选择、数据有效； 地址信号：时分复用管脚，根据行列地址选择管脚控制输入为行列地址 数据信号：双向管脚，对数据有效控制。本课题所采用的s d r a m 芯片 k 4 s 5 6 1 6 3 2 b t c l 7 5 管脚及内部框图如2 3 所示： c l kc k e ，c s r a s g a sa c e l ( u ) d q m 图2 3k 4 s 5 6 1 6 3 2 b t c ，l 7 5 管脚及内部框图 s d r a m ( k 4 s 5 6 1 6 3 2 b t c l 7 5 ) 主要引脚描述如下： a o - a i l ：地址输入引脚，当a c t i v e 命令和r e a d w r i t e 命令时，来决 定使用某个b a n k 内的某个基本存储单元。其中，值得注意的是，由于 k 4 s 5 6 1 6 3 2 b - t c l 7 5 是1 6 位的，因此，r a o r a l 2 为行地址，而c a o - c a 8 为列地址。 c l k ：时钟信号输入引脚。 c k e ：时钟使能信号，高电平时有效。当这个引脚处于低电平期间，提供给 所有b a n k 预充电和刷新的操作。 c s ：片选信号，用于选择进行存取操作的芯片 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r a s ：行地址选择( r o wa d d r e s ss e l e c t ) c a s ：列地址选择( c o l u m na d d r e 跖s e l e c t ) s d r a m 的主要信号连接图如图2 4 所示 s 3 c 2 4 1 0 ak 4 s 5 6 1 6 3 2 b 图2 , 4s d r a m 主要信号连接图 2 1 3n a n df l a s h 与n o rf l a s h 电路设计 n o r 和n a n d 是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。n o r 的特 点是芯片内执行，即应用程序可直接在f l a s h 闪存内运行，不必把代码读到 系统r a m 中。n o r 的传输效率很高，但是很低的写入和擦除速度大大影 响了它的性能。n a n d 结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度， 并且写入和擦除的速度也很快。s 3 c 2 4 l o a 支持从g c s 0 上的n o rf l a s h 启动或从n a n df l a s h 启动，通过o m 0 和o m l 上电时的上下拉来设置， 在系统中分别采用了一片n o rf l a s h ( s s t 3 9 v f l 6 0 ) 和n a n df l a s h ( k 9 f 5 6 0 8 u o c ) ，其中n a n df l a s h ( 2 5 6 m ) k 9 f 5 6 0 8 u o c ，由3 2 m x 8 构成， 电压范围2 7 v 3 6 v ，4 8 脚t s o p 封装，6 3 脚t b g a 封装，4 8 脚w s o p 封 装o 1 2 微米制成，文中采用4 8 脚的t s o p 封装。n o rf l a s h ( 2 m ) s s t 3 9 v f l 6 0 ，电压范围2 7 v 3 6 v ，读数据访问速度9 0 n s ，有4 8 脚的t f b g a 和4 8 脚的t s o p 两种封装，本文中采用4 8 脚的t s o p 封装。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 n a n df l a s h ( k g f 5 6 0 8 u o c ) 主要引脚如下： i o u ：o i ：数据输入输出引脚，当芯片未被选中，或是输出被禁止时，i 0 引 脚处于高阻状态。 c l e ：命令锁存引脚，其控制着密令写入寄存器的通道。 a l e ：地址锁存引脚，其控制着地址写入寄存器的通道。 c e ：片选控制信号引脚。 r e - 读使能，当r e 有效时，串行数据被发送到数据总线上。 w e ：写使能，当w e 有效时，在其信号脉冲的上升沿，命令、地址、数据 被锁存。 ，、p ：写保护，在电源变换期间提供相应的写擦除保护。 r b ：此引脚表明设备运行的状态。 l o c k p r e ：锁机制及上电即读使。n a n df l a s h 与$ 3 c 2 4 1 0 的主要信号连 接图如图2 5 所示： 图2 5n a n df l a s h 主要信号连接图 n o r f l a s h ( s s t 3 9 f 1 6 0 ) 主要引脚如下： a 1 9 ：0 ：t 也址籀i a ，用于提供存储器地址。扇区擦除期间，a 1 9 ：1 1 1 来选 择扇区，在块擦除期间，a 1 9 ：1 5 地址线用于选择将要擦除的块。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 d q 1 5 ：0 ：数据输入输出，在读周期输出数据，在写周期接收输入数据，数 据在写周期被内部锁存，当0 1 3 # 或者c e # 为高时，输出为高阻态。 c f a ：芯片使能，当c e # 为低电平时，芯片被使能。 0 e 群：输出使能，数据输出到缓存的门开关。 w e 撑：写使能，控制写操作。根据系统要求，n o r f l a s h 与s 3 c 2 4 1 0 的主要 信号连接如图2 6 所示： 图2 6n o rf l a s h 主要信号连接图 2 1 4l c d 驱动电路设计 三星l c dl t s 3 5 0 q i p e l 是一款3 5 英寸的2 4 0 3 2 0 的2 6 万色t f t 型l c d ，价格大约在7 0 0 元左右，其接口信号如下： n 5 ：0 1 ：红色分量的数据总线s t v ：帧起始信号h c l k ：数据时钟 g 【5 ：o 】：绿色分量的数据总线c k v ：移位时钟 n v - 反转信号 b 5 ：0 1 ：蓝色分量的数据总线s t h ：行起始信号l d ：行数据锁存信号 d v d d ：数字电源3 3 va v d d ：模拟电源4 vv o f f ：直流电源- 1 0 v v o n ：+ i $ v 直流电源 v s s ：g n dv c o m ：公共电压 v r e f f 6 ：0 l ：电压参考 s 3 c 2 4 1 0 处理器的典型l c d 扫描接口信号波形如图2 7 所示： 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 7 n 叮l c d 时序图 由于$ 3 c 2 4 1 0 处理器的典型l c d 扫描接口信号波形与该l c d 的信号波形 有些差距，因此本文中加入了一款专为此款l c d 配备的时控芯片l c c 3 6 0 0 。 下面给出本文设计的$ 3 c 2 4 1 0 与l c dl t s 3 5 0 q 1 - p e l 接口电路。如图2 8 l c d 驱动电路设计所示； v d 伫，l 叼r 口：0 1r po 】瓤5 川 v d d i l 田a 肚o j 蛳o jg f ，o 】v r p * v d p2 l b 辟：mb 仁o l b 岱：o 】v r e f $ v c l f j l c dh c l k m c l th c l k v m 帅e 晰t p 5 日on q v c l c vv r 可，m 亍亍亍亍亍千f ： l e v b t h l 豇h l 餐燃i 1 i 一瓷蔷i l c c 3 6 0 0 a u r s 3 5 0 q l 图2 8l c d 驱动电路图 一 悖 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 以上电路中提到r e v b 用于产生l c d 需要的v c o m 信号，其电路及其他 电源电路如图2 9 所示： 图2 9v c o m 信号及其它电源信号产生电路 2 1 5o v 5 11 芯片及指纹输入传感器： o v 5 l l 是o m a i v i s i o n 公司生产高性能摄像机到u s b 接口单元控制芯 片，它极大地简化了单片c m o s 图像传感器和u s b 的接口，其片上增加 2 5 6 ks d r a m 和一个u s b 收发器，可以很容易构成基于u s b 的视频子系 统。快速的准同步f i f o 保证了压缩后视频图像从压缩引擎到u s b 的高速 传输。o v 5 1 1 的功能框图如图2 1 0 所示。 图2 1 0o v 5 1 1 功能框图 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 本文中设计的指纹图像采集部分，出于简单易用的原则，采用了将指纹 输入传感器和摄像头相结合的思想，即通过将指纹输入传感器在光源的照射 下得到的图像通过摄像头的图像传感器传输给o v 5 1 i ，由o v 5 1 l 转换成 l i a u x 操作系统自带的u s b 驱动方式，进而完成指纹图像的采集与显示。 指纹图像的采集流程如下图2 1 1 所示： 2 2p c b 电路设计 图2 1 1 指纹图像的采集流程 对于主频率高达2 0 0 m h z 的$ 3 c 2 4 1 0 处理器来说，它的p c b 设计是硬 件工作中的难点，前面所有工作都集中体现在电路板上，因而p c b 的设计 直接影响整个系统的性能。在p c b 布线之前我们对原理图进行了电气规则 检查，在检查正确无误的情况下开始布线，布线采用手工布线完成，其中元 器件的封装我们参考了开发板元件封装库，对于一些p r o t e l 中没有自带封装 的元器件按照数据手册上的规范进行制作，并对二极管、三极管等极性元件， 以及一些非对称性元件的引脚定义做了仔细的检查。在布局上依照开发扳的 布局，将模拟电路和数字电路分开，整体上采用模块化布局，去耦电容放置 在靠近器件的电源地的地方，并将跳线放置在板子的边缘。为了系统能够 稳定的运行，我的电路板子的核心板采用六层设计，上下两层为元件层，第 二层为电源层，倒数第二层为地层，中间两层为中间层，为了过滤高频干扰， 我们在1 8 v 电源与地之间及3 3 v 电源与地之间分别加入了采用o 1 u f 电容 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 并联的滤波电容，以滤除高频干扰。不同层采用相互垂直走线的方式以避免 串扰，地层和电源层没有布线以保证平面的完整性，具体的p c b 电路图见 附录b 。 2 3 本章小结 本章属于系统的硬件电路设计部分，其中简要的介绍了系统的组成， 参考了相关的技术文档，其中包括$ 3 c 2 4 1 0 芯片的d a t a s h e e t ，以及n a n d f l a s h ，n o rf l a s h 的d a t a s h e e t ，根据系统的需要并结合他人的开发经验设 计了每部分的电路，文中给出了各部分的主要信号电路连接图，详细的电 路原理图可在附录a 中得到，这一章将作为后续的基础，可靠的硬件平台 是本系统得以有效运行最有力的保障。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章l i n u x 操作系统移植及指纹图象采集与显示 这一章详细介绍有关l i n u x 操作系统的移植及指纹图像采集与显示的 原理。l i n u x 操作系统的移植包括四个方面：( 一) b o o t l o a d e r 移植；( - - ) l i n u x 内核移植；( 三) 添加必要的驱动程序；( 四) 挂载文件系统。 3 1 移植的概念 使某个平台的代码运行在其他平台上的过程叫做移植。l i n u x 操作系统 就可以移植，使之运行在a r m 、p o w e r p c 、m 6 8 k 等多种硬件平台上。在 l i n u x 系统内核代码中有a r c h 目录，其中包含了不同平台的代码，a r c h 目录 中的代码的确是为多平台设计并使用的，与体系结构相关的代码都放在 a r c h 和i n e l u d e a s m - 目录中， 是 l i n u x 支持的体系结构的简称。比如说，a r m 体系结构对应的简称是姗。 与这种体系结构相关的代码都存放在a r c h a r m 以及i n c l u d e a s m a r m 目录 下。我们要做的就是结合自己的硬件电路，对已有的内核代码进行修改移植。 3 2b o o t l o a d e l “ 移植 b o o t l o a d e r 指系统启动后，在操作系统内核运行之前运行的一段小程 序。通过b o o t l o a d e r ，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。通常，b o o t l o a d e r 是严重地依赖于硬件而实现的， 特别是在嵌入式领域。因此，在嵌入式世界里建立一个通用的b o o t l o a d e r ， 几乎是不可能的。 大多数b o o t l o a d e r 都分为s t a g e l 和s t a g e 2 两大部分依赖