（信号与信息处理专业论文）基于arm的嵌入式数字图像处理方法研究.pdf

中文摘要 中文摘要 随着科学技术的快速发展，嵌入式技术已经深入我f f 蝌学技术、生活和生产的各个角 落，例如国防军事领域、安保监控设备、消费电子产品、工业化自动生产、智能化控制、 电子医疗、网络通信、航空航天等诸多领域。以应用为目的以及计算机技术为基础的嵌入 式技术与通信和网络等燃技术广泛结合，在社会发展的轨迹中发挥着巨大的作用。 本论文应用嵌入式技术和图像处理技术，充分发挥嵌入式系统功能强大、处理速度 高、运行稳庭的优点，把嵌入式系统作为图像处理的载体平台。以数字图像处理的终端设 各作为应用背景，利用基于s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 4 0 处理器系统进行开发。 本论文根据数字图像处理理论的特点，从嵌入式总体构架开始进行介绍，并从硬件和 软件两个组成部分进行时论和研究。第部分为硬件部分，根据功能差异进行不同模块的 介绍，核心部分为$ 3 c 2 4 4 0 处理器的杨l 娠，其他部分包括各种通信接口设备，l c d 显 示输出设备等。第二部分为软件部分，包括嵌入式系统环境的搭建，数字图像采集相关驱 动设计和数字图像处理鼾去软件的设计三个部分。通过以e 两个部分可以有效完成数字图 像处理平台的功能设计，其中硬件是框架基础，软件是功能实现。模块式的软件设计使得 图像处理算法更具有多魏引生，能够根据需求完成对采集图像并进：行各种算法图像的数字处 理，处理的算法包括多种常用图像处理算法，正交变换、平滑、锐化、边缘检测、浮雕 等。最终实现图像处理平台的小型化、方便化。 关键词：嵌入式系统；数字图像处理；a r m 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w a ht h e 哪蚶d e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , e m b e d d e dt e c h n o l o g yh a sb e e n t d e e p l yu s e di no u rs c i e n c ea r i dt e c t h x , t o g y , l i f ea n oe v e r y 删嘲u f 蔬弘洮山1 f o re x a m p l e , i t h a sb e e nw i d e l yu s e di nn a t i o n a ld e f e n s ea n d m i l i t a r ya r e a s , s e c u r i t ym o n i t o r i n gd e v i c e s , c o n s u m e r e l e c t r o n i c s , h x t u s t f i a la u t o m a t e dp r o d u c t i o n , i n t e l l i g e n tc o n t r o l , e l e c t r o n i cm e d i c , a t , n e t w o r k c o m m t m i c a t i o n s , a e r o s p a c ea n do t h e ri l l d l a 妊e s w r d at h ep u r p o s eo f 邳椰c a 6 0 n ，e m b e d d e d t e c h n o l o g yw h i c hb a s e d0 1 1c o m p u t e rt e c h n o l o g yw a sw i d e l yc o m b i n e dw i t hc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , n e t w o r kt e c h n o l o g ya n do t h e ra d v a n c e dt e c h n i q u e s , a n di ta l s op l a y sas i g n i f i c a n tr o l e i nc o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to f t h e c o m m u n i t y t h i st h e s i st r i e st oa p p l yt h ee m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g ya n d i l r l a g ep d ：e s st e d ：m o l o g y s i n c et h ee m b e d d e ds y s t e mh a sp o w e r f u lp e r f o m m c e , h i g hs p e e da n d 蛐s t a b l y , w e t r yt og i v e f u l lp a i yt oi t se x c e l l e n tc h a r a c t e l i 娇c s c h o o s e nt h ee m b e d d e ds y s t e ma st h ed i g i t a li m a g e p r o c e s s i n gp l a t f o r m ；t a k e no i # a ii m a g ep r o c e e s i n gd e v i c ea sa na p p f i 碰o nb a c k g r o u n d , a n d e m p o l d e r e do n t h eb a s i so f $ 3 c 2 4 4 0c o r ep r o c e s s o rw h i c h p r o d u c e db ys a m s t m gc o r p o r a t i o n a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f 击g i t a li m a g e 皿o 治西i 培t h e o r y , t h i st h e s i si i i 抓) d i 】c 。dt h e m a i ns m l c t m - eo f e m l x x m e d s y s t e m , d i s c u s s e da n dr e s e a r c h e df r o mh a l x t w a r et os o t t w a r e t h ef r i s t p a r ti sh a r d w a r e ；t h e 酬o r l sv c e r ea r r a n g e db yt h ed i f f e r e n tf u n c f i o mo f t h ed i f f e r e n tm o d u l e s t h ec 0 孵p a r tb a s e so nt h e $ 3 c 2 4 4 0p i d 矗；s o ba n dt h eo t h e rp a r tc o i x q i s 沤o fav a r i e t yo f c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ed e v i c e s , l c dc h p 6 yd e v i c ea n ds oo n t h es e c o n dp a r ti ss o t t w a r e , c o n s i s t e db yt h r e em o d u l e sw h i c ha l eb u i l d i n gt h es t r t l c t t a eo fe m b e d d e ds y s t e m , d e s i g n i n gt h e d r i v e r s 衙位i m a g ec o l l e c t i o nd e v i c e sa n ds o t h ，a r ef o rd i g i c a li m a g e 弘o c 岱她a l g o r i t l m a s t h e f u n c t i o n a ld e s i g no f d i g i t a li m a g e p r o c e s s i n gp l a t f o r mi sc o m p l e t e db yt h e s et w op a r t s h a r d w a r ei s t h eb a s eo ff r a m e w o r k , a n ds 嘎睦w 狃ei st h ew a yt or e a l i z et h ef u n c t i o n a lw o r k t h em o d u l a r s o h v a r ed e s i g n 螂m o r e f l e x i b i l i t yi nr n a n yk i n d so f i m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m s t h ei n l a g g 1 1 a b s t r a c t p r o c e s s s n ga l g o r i t h m si n v o l v eo r t h o g o n a lt r a n s f o r m a t i o n , s m o o t h i n g , s h a r p e n i n g , e d g ed e t e c t i o n , e m b o s sa n do t h e ru s u a la l g o r i t h m s e v e n t u a l l y , m a k et h ec u g i a li m a g ep r o c e s s i n g p l a t f o r mb e c o m e m i n i a t u r ea n dc o n v e n i e n c e 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得黑龙江大学或其他教育机构的学位或正书而使用过的 材料。 糍：钐既交【，幻签字日期：2 。年占月占日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解墨蕉哒堂有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，僦文被查阅和借阅。本人授权黑龙江大 堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存、汇编本荨啦论文。 黜文一屹甏宅匀导臌： 签字日期：2 。d 年么月占e t 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通词地址： 浠鹕 签字日期：弘厂护年6 月，( ) 日 ， 蛳j | 7 9 占67 j 弓牛 邮编： 第1 章绪论 1 1 课题学术背景 第1 章绪论 随着世界科学技术水平的高速发展，嵌入式技术已成为当今电子、计算机相关技术的 热点，嵌入式的相关产品深入我们生活的各个方面。由于微处理器体系结构的优化以及微 电子技术的革新，使得目前的微处理以其处凸密度更高、功能更加强大、运行稳定、功耗 低等优势更加受到青睐。嵌入式技术被广泛应用于国防军事、安保防护设备、消费电子产 品、生产自动化、电子医疗器械、工业控制、网络通信、航空航天，汽车卫业等诸多行业 领域。 回顾二十世纪七十年代，单片机的广泛应用是嵌入式技术应用的开端，发展至今已经 如火如荼，微处理器和微控制器大规模的被应用，比较流行的嵌入式体系有a r m 、 p o w e r p c 、a i 肿认、m i p s 、x 8 6 体系等0 1 。嵌入式技术的发展可划分为四个阶段圆。 第一阶段，是以单芯片为核心处理器，可进行可编程控制。通过汇编语言进行编程， 并使用编辑器和下载器进行程序的烧写，最终完成逻辑控制。在实际的工业白盘中，微处 理器可以完成指标的监控、数据的测量、驱动和指示设备等功能。i n t e l 的8 0 c 3 1 以及 8 0 c 5 1 单片机系列成为这个阶段的典型代表。当时单片机的出现风靡全球，推动了自动 化，工业化的进程。就其特点来说，处理器体系结构单一，功能较为简单，处理的效率不 高，而且不能支持操作系统以及友好的用户接口。但由于这种微处理器使用简单方便，成 本低，在当时的工业领域广泛应用，直到现在些项目中仍采用单片机- 儆r 为控制器。 第二阶段，采用嵌入式中央处理器，该类处理器能够支持简单的操作系统。这_ 阶段 的处理器种类 = 匕较多，处理效率有较大提高，可支持操作系统，缺点是通用性比较差，用 户界面简单，不利于程序员的开发。 第三阶段，该阶段的微处理器以嵌入燥作系统的成熟化为标志，嵌入式操作系统兼 容性提高，可运行于不同体系类型的处理器。嵌入式操作系统借鉴计算机操作系统的优 黑龙江大学硕士学位论文 势，采用模块化管理，有效提高可扩展性。基本匕计算机操作系统能办到的，在嵌入式系 统中都可以办到，例如文件目录管理，多任务、多进程管理，模式化的设备支持等。特别 值得提的是，当时的嵌入式系统已经可以为氓开发人员提供了大量的应用程序接口函 数a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a n m 讪l ei n t e r f a c e ) ，这样我们可以：对复杂的设备进行简单明了的 操作控制，例如论文中要提到l ( d 显示，和v i d e 0 4 l i n u x 视频的驱动，就是基于a p i 的 程序设计。 第四阶段，嵌入式技术和网络技术的结合是这阶段的标志，网络的普及和应用已经 涉及到各行各业。通信技术的发展，同样也把嵌入式技术推向个高度，使得嵌入式设备 可以借助有线网络或者无线网络接入h t e m e t 中。- 湎嵌入式可以通过网络获取更多的 资源，另力面多个嵌入式设备可以通过网络连成个整体互相作用互相协作。例如在中 国厦门，打造体化的通讯网络城市，其中的个项目就是城市噪声监控。市政部门的工 作人员在各个施工单位都安装了噪声监控设备。这类的嵌入式设备可以通过自身的通信 模块和主机网络联系起来，接收每个测试点的数据，旦有数据超标就进行报警，这样 相关的指标、地点、时间等信息被显示出来。如此看来网络技术可以使嵌入式发挥更加强 大蝴。 从目前的发展形势来看，现代科学技术的网络化、信息化、智能化发展方向，拓展嵌 入式的应用领域。根据嵌入式大会的报告统计，由嵌入式带来的年工业总产值超过万亿 美元，这个数字还在逐年增长。正如世界著名的未来学家n i c h o l a sn e g r o p o n t e 预言嵌入式 技术是继个 电脑和互联网之后的又伟大发明。嵌入式的应用已经深入各个领域，如此 广泛而大量的使用已经证明了它的强大，并目影响的效果将不断扩大。 有句古话：“工欲善其事，必先利其器，嵌入式设备是个载体来完成我们的各种想 法，以下就是介绍兀个相关行业的技术更新和嵌入式技术结合的事例。 在数据通信领域，数字技术以其高速、便于传输、抗干扰能力强等特点全面取代模拟 数据传输技术，提高了网络传输的效率。由于嵌入式技术的引入，广播电视信号由模拟向 数字再向高清技术不断发展，从而提高电视的视频和音频质量。 第1 章绪论 在个 领域中，随着手机等移动设备的广泛使用，嵌入式设备也成为了个 ! q ，咯的工 具。“c a l l 机、手机、商务通个都不能少 是力l 千年代的代表，那个时代已经过去，现 在柏能手机或者p d a 就能把这些功能涵盖，进步添加了无线e 网、视频通话、电 话会议、网络游戏等更广泛实用的功能。嵌入式设备也为使用者提供友好的使用界面，加 入方便时尚的元素，方面为企业带来更多的利益，另方面提高我们的生活工作质量。 在企业领域，嵌入式提供了各种解决方案，实现工业自动化和智能比的控制。在汽车 工业、奇莨室! 航天、仪暑新义茅乏笔 匀到或中都得至i j j l 琵的应用。 嵌入式应用到数字图像处理领域也是近年来个仁魄逆流行的发展方向，数字图像处理 技术已经在很多实际的领域发挥了巨大的作用，其主要目的涵盖了图像信息的获取、存 储、传送、处理、输出和显示等方面。就处理技术而言，主要分为模拟图像处理( a n a l o g i m a g ep r 嘁) 数字图像处理( d i 鲋脚p r o o 啦) 嘲。 模拟图像处理广义匕来说就是光学处理；而数字图像处理是通过使用个人电脑、专用 的计算机或者特殊要求的电子硬件设备对图像进行处理，因此数字图像处理技术也被称为 计算机图像处理技术( c o m p u m ri m a g e i n g ) 旧。目前由于数字技术的广泛使用，图 像的数字化处理水平也得到大大提高。根据数字图像信息量大、图像处理技术综合性强以 及和通信理由结合紧密的特点，数字图像处理更加得到广泛的青睐。在这种应用背景下， 把嵌入式技术和图像处理技术相结合，开发基于不同需求的图像处理平台。 回顾图像处理的历史，在二十世纪二十年代，第一次采用数字图像压缩技术，把压缩 后的图像通过薄底电缆从伦敦传送到美国，实现了数字图像处理的历史性突破嘲。就当时 的技术来说，如果图像不翼乏用数字压缩技术，传输同样幅图像可能需要周多的时间。 如果采用数字图像压缩压缩技术进行处理后，传输的时间大大减少，三个小时就可以完成 整个传输过程。到二十世纪六十年代，随着计算机科学技术的高速发展，专门应用于图像 处理项目的计朝应运而生。例如始于19 6 4 年美国加利福尼亚的喷气j 准进实验室进行的 黑龙江大学硕士学位论文 空间图像处理项目，“旅行者7 号”卫星拍摄并传送回的月球图像就由一台专门的计算机 进行图像处理工作，通过各种方法来校正图像畸形，达到正常显示的效果旧。在日常的生 活和生产中，图像处理技术也得到了广泛的应用，如表1 1 所示。 表1 - 1 数字图像处理的应用领域 t a b l e1 - 1 唰i m a g e p r o c e s s i n ga p p l i c a t i o n s 光谱分析、材料破l ；| 蒯参数分析、脉冲图像分析、压力分析 结晶分析、薄膜形态分沂 细胞分析、染色体分析、血球分弓艮基因剞生分析 c r 、b 垂当迢声、放射幽可匿泰扫描、核醢鲥辰成像、医学图像处理 水质污染调查、火灾监澳4 、烟尘监劁、海洋环境、气象环境 资源勘查、地图绘制、地形地貌 农作物估产、农产品自动分级、土壤特征分折 传真、电视、多媒体通信、全息图像降噪、液晶睁，征分析 机器入、非线性系统识别、产品质量监澳帏描9 铁路选线、隧道监测、桥梁监测 电子商务、身份认证、防伪 军事侦察、导弹韦! 导、电子沙盘、军事训练、卫星图像处理 指纹识别、人相组合和识别、电子警察、安全监控等 目前图像采集系统般由个人计算机和专用的图像采集书陶成，但是计算机机体积庞 大、成本高，携带不便，因此在某些场合下计算棚就| 不适合用于图像采集系统。随着嵌入 式的高速发展，嵌入式操作系统的不断完善，处理能力和效率不断的提高，把空域和变换 域的图像处理算渤嘞州、型设备的想法成为可能，选用嵌入式设备进行图像处理平台的 开发，有利于发挥其处理能力强、功能强大、小型化、功耗低、运行稳定的特点。整个系 统包括图像的采集、处理、存储、显示，可以及时采集图像数据，并实观正交、平滑、锐 化、边缘信息检测、浮雕等图像处理算法。 哩学物学境质业信业通业事安枥化生医环地农通工交商军公 第1 章绪论 1 3 本文主要研究内容 首先，介绍嵌入式系统的概念。对嵌入式系统与计算机系统进行特性与特点的对比， 从体系结构方面对微处理器进行了解，结合片上资源与实际功能需求进行裁减硬件，包寺舌 支持u s b 摄像设备，液晶显示设备。参考适合于图形处理的各种相关技术指标，最后选 择功能更加强大的以a r m 为核心的嵌入式系统作为硬件开发系统。 其次，对比当今的嵌入式系统的特性和相关的优势，选择移植性更强、稳定性更佳的 嵌入式l i n u x 操作系统作为系统平台。 然后根据需要，完成嵌入式l i n u x 系统的搭建，包括b o o t l o a d e r 、l i n u x 系统内核、 根文件系统的裁剪和移植，涉及到系统与硬件之间的结合，并完成相应的配置工作。 再次，是相关设备驱动开发和设计，涉及到u s b 摄像头的芯片驱动和基于 v i d e 0 4 l i n u x 的视频驱动开发。实现视频图像的采集功能，并在显示屏匕进行显示。介绍 目前比较流的几种嵌入式g u i 软件开发工具，最后根据图像处理的需求选择o t 的嵌入式 版本边行e 层应用层的开发，完戚图像处理功能，处理的算秸泡括多种基本的图像处理算 法，正多圆目奂、滤波器设计、平滑、锐化、边缘坳0 、浮雕等。 1 4 本文的结构安排 第章绪论，主要介绍了论文的研究背景、研究意义和主要内容及其安排； 第二章嵌入式系统概念，从整体方向来阐述概念、特点和结构，a r m 处理器体系 的详细介绍： 第三章嵌入式系统平台的搭建，包括两个方面：第方面，着重介绍嵌入式系统的 硬件设备，根据需求构建个完整的系统；第二方面，嵌入式系统平台开发环境的搭建， 着重完成b o o t l o a d e r 、l i n u x 内核、根文件系统的裁剪和移植； 第四章嵌入式系统平台的数字图像采集和显示，驱动程序的开发，使u s b 摄像设备 能够采集视频图像，并在显示屏e 进行显示； 黑龙江大学硕士学位论文 第五章基于q t 的数字图像处理平台设计，完成g u i 层的开发，实现几个典型的图 像处理算法。 第2 章嵌入式系统 2 1 嵌入式系统的概念 第2 章嵌入式系统 目前电子科技的迅速发展，很多名词堆积起来出现，很难进行分类和辨别，包括 m c u 、f p g a 、s o c 、d s p 、嵌入式等等的栩念。根据国际电气和电子工程师仂会i e e e ( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e s ) 提出的概念，嵌入式系统彼定义为，它是 用于控制和监测仪器、机器或者设备的辅助运行装置忉。这主要根据从实际工业应用上加 以概括的，从定义中我们可以看到嵌入式系统是包括软件和硬件的综合体，并目还有相关 的辅助设备。 从我们自身的实际应用和需求来说，国内业界普遍认同，把嵌入式系统的定义为：嵌 入式系统是以应用为中心，以计算朝技术为基础，软件硬件可裁减，适应应用系统对功 能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。这个定义有效区别于其他的 电子：激处理设备，以m c u 为例，般不带有操作系统，不可进行a p i 的上层面对使用者 的g u i 开发，目前的m c u 为适应更力1 1 广泛的应用环境，内部设计了更多的实用模块， 包括脉宽可控调制的输出，数膜转换，搠数转换，支持u s b 和复杂l c d 显示的控制器 等，区别于嵌入式，m c u 的编程多数是基于寄存器和存储单元的控制，嵌入式可以脱离 开这些，把硬件模块和软件模块进行独立开，可以并行陕速的完成项目开发。而f p g a 和c p l d 是偏重于硬件的逻辑设计，使用v h d l 语言和其他的方式迷撇关系的设 定，这种设备更像是积木块，根据需要进行搭建，想完成怎么样的逻辑就可以通过编程来 实现，都可以来实现数字处理的内核等等。觇入式系统的硬件设计，多数是根据需要进行 硬件设计，其中包括产品的外形要求，元器件的要求，工业设计相关要求等等，可裁减性 体现到功能的需要，项目需要怎样的功能，把相关的设备添加进来进行，十分方便灵活。 黑龙江大学硕士学位论文 2 2 嵌入式系统的特点 基于对嵌入式系统以及其他电子设备、或者微控制器的了解，本论文可以从以下几个 方面来理解嵌入式系统的特点嘲。 第一，从多方面对嵌入式系统给出的定义来看，专用性强是它的最显著特点。嵌入式 系统是面向用户、产品和应用的，必须与具体的项目需求以及实际应用相结合才会具有生 命力，嵌入式系统是个载体，可以结合很多新的技术，让更多的想法变成现实，从另外 个角度来说必须结合实际应用需求进行合理的裁减才能提供有效的利用。 第二，嵌入式系统是个综合性知识集成系统，它具备技术密集、资金密集、高度分 散、不断创新的特点。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以及各 个行业具体应用相结合的产物。它的体系结构是继承计算初体系的特点，由于嵌入式提倡 小型化和低功耗，所以不能使用普通计算机的设备，更多的采用半导体技术的产品来完成 相似的功能，而且嵌入式会根据实际的需要来进行硬件设计，所以电子技术在这个方面发 挥了很大的作用，元器件的摆放和布线，整个电路板的工业尺寸的要求，电磁兼容性等 等，这些都是个鳆专台陛的知识系统。 第三，嵌入式系统具有模式化的特点，因此系统内核占用空间小，系统精细。这样我 们设计嵌入式系统的时候就要去根据实际应用需求对硬件和软件分别进行裁减。这些对 软、硬件的裁减满足了应用系统的功能、成本、运行稳定性、外形、占用空间等的要求。 吟- 力面是硬件的裁减，硬件是功能的基础，根据课题实际项目的应用需要来确定，比如 u s b 接口的个数，是不是需要串口，有没有网络的支持，有的话我们需要考虑设计网络 接口，是不是需要l c d 的显示，如何来选择l c d ，根据它的显示尺寸、色彩、分辨率等 和我们的需求来选择，这些都是硬件裁减的工作，把我们所需要的功能撇计上，不需 要的设备可以不要，减少成本以及减低功耗。另方面是软件的裁减，软件的裁减最主要 的体坝是内核的裁减，内核中有很多设备的支持文件、管理文件以及驱动文件，通过选项 的配置和相关的选择来设定个我们实际需要的内核，当然除了内核的裁减，还有根文1 牛 第2 罩嵌入式系统 系统的裁减等等工作。由于嵌入式系统的陵式化的特点，通过对硬件和软件的裁减就能提 高嵌入式系统的工作效率。 2 3 嵌入式系统的结构 嵌入式系统的基础技术是计算机技术，所以它的体系继承了计算机体系的特点。体系 结构包括其三个重要的部分：硬件设备部分、嵌入式操作系统部分、应用软件部分。结构 如图2 1 所示。 图2 - l 嵌 式系统体系结构 f i g 2 - 1e m b e d d e ds y s t e m a r c h i t e c a 北 第一，硬件设备是嵌入式系统的基础，包括核心的嵌入式微处理器m c u ( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ) 和外围设备组成。这里所说的外围设备，总体由输入、输出和存储器设 备构成。其结构如图2 - 2 所示。嵌入式微处理器已经集成很多片上资源，可以提供很多 的功能选择，以a r m 9 2 0 t 体系为例，带有指令、数据缓存的m m c 内存管理单元； l c d 自勺控锘螺；支持多种接口，如u a r t 、u s b 等；多通道到d m a ；多通道p w m 输 出；高精度高分辨率a d 转换器和d a 转换器；还有些总线的支持，包括i 2 c 、i 2 s 、 s p i 、c a n 等等，这些功能大大拓展了单片机的功能。为嵌入式系统的应用提供了更广泛 的平台。 黑龙江大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 图2 - 2 嵌入式暖件设蝴 f i g , 2 - 2e m b e d d e dh a r d w a r em r t 衄 从硬件设备结构图来看，铹r 处理器中的中央处理单元c p u ( c e n t r a le r o c e s s i l l gu n i t ) 是由两个主要部分组成，分别为算溺翌辑单元a l u 与控帛蝉巧乇c u ，这是嵌入式微控制 器硬件的核心部分，以下是微控制器硬件设备中各种单元的功能介绍。 算数逻辑单元址u ( a r i t h m e t i cl o g i cu n i t ) 。这个单元用于计算杌执行运算，包括数 据的“加、减、乘、除”算数运算，以及“与、或、非 的逻辑运算。 控制单元c u ( c o n t r o lu n i t ) 。在嵌入式系统中，对数据的操作都是通过指令来完 成。以a r m 9 体系为例，则该单元就是取值、译码、执行、缓冲数据、回写数据这五级 指令流水线的重要协调单元，依据指令来完成对各单元之间数据的传输、计算等操作。 输入单元i u ( i n p u tu n i t ) 。骜据的输i ，入端，把骜d 居送7 、中央必冯陇戴生彳予商己睹以及讨算 处理。常用输入端可以采用的单元有两类：采集类，通过自身的设备进行字符或者图像的 数据采集或者完成控制操作，包括鼠际、按键、键盘、摄像头、扫描仪等；数据类，通过 接口传输获得的数据，包括串口、并口、u s b 线、网线、g p r s 、蓝牙、红外线等传输方 式输入的数据，也包括磁盘机、闪存设备、光碟机、接触类和非残自蚓针嘲佧机、无线数 据传输设备等模块式设备的数据输入方式。 输出单元伽( o u t p u tu n i t ) 。数据经过中央处理器处理以后的输出端。常用的输出可 以完成两类功能：描述类，包括l e d 的数字显示、l c d 的图像界面显示、绘图器、亥l 上录 第2 章嵌入式系统 设备等；控制类，有时候输出通过电压以及电流的大小来控制其他设备，包括有端子、继 电器、p w m 脉宽调制输出等。 存储器单元m u ( m e m o r yu n i t ) 。在嵌入式系统中储存单元必不可少，对输入端传输 的数据进行存储，并为中央处理器提供数据进行操作，再把处理结束后的数据进行存储或 者送入输出单元中。 第二，嵌入式操作系统给开发人员提供便利的环境，提高了硬件应用效率，其体系结 构如图2 - 3 所示。微处理刚刚开始的阶段，硬件设备还不是很丰富相对比较简单，编程 就是利用汇编语言对寄存器进行操作，软硬件咋p 化。随着硬件设备的丰富，功能越来越 复杂，已经不可能像原先样去编程设计复杂有效的应用方案，这样操作系统显得特别的 必要。 图2 - 3 嵌入式操作系统耳本系结构 f i g 2 - 3e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma r c h i t e c t u r e 矾嵌入式操作系统体系结构图中，可以得出：方面它可以有效管理多项而复杂的硬 件资源，把嵌入式设备独立出来进行模式化的驱动开发；另方面，把硬件虚拟化，便于 修改和移植，丰富的库函数和a p i 函数为上层用户以及应用程序的开发提供了更加广泛 的开发平台。 第三，应用软件是为用户开发的专用软件，对嵌入式设备进行直接操作的界面，或称 黑龙江大学硕士学位论文 为是“人机界面 ，使用者通过使用软件或者输入设备的操作来完成实现功能。应用软件 是在嵌入式操作系统之匕的开发，使用设备a p i 函数，：达到对设备进行操作的目的。应 用软件层结构如图2 4 所示。 厂 。 应用软件 。 j “_ ”、 圉圉圉圉圉圉圉曰 圉圉圈圉圉圉圉圉圉圉 嵌入式中同件开发平台适配接口 图2 4 应弼软僻佛系结构 f i g 2 - 4 a p p l i c a t i o ns o f l w a 佗 2 4a r m 微挝：理器 当今世界，嵌入式微处理器的种类非常多，我们耳熟能详的有a r m 、p o w e p c 、m c 6 8 0 0 0 、m i p s 、s h 等嘲。根据统计嵌入式微处理器中，流行的体系有三十多个系列，上 千种类。而a r m 体系的应用相对广泛，涉及的领域无线、网络、消费娱乐、影视、数字 摄像、安全保护设备、汽车电子、安全应用及储存设备n 蚺，这些应用都证明了a r m 系统 在有关图像处理平台应用上可以发挥重要的作用。根据数字图像处理需要的相关性能，我 们选择a r m 处理器为核心的嵌入式系统，它的实际应用性更强，也是多数技术结合利用 的有效载体，为在图像处理方面的开发利用奠定实用基础。 2 4 1a r m 相关介绍 a r m ( a d v a n c er i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是个公司的名字，也可以认为是对一 第2 章嵌入式系统 类微处理器的通称，还可以认为是种技术的名字。 作为个公司名来理解，a r m 公司( a d v a w e dr i s cm a c h i n el i m i t e d ) h i ，19 9 0 年 1 1 月成立于英国佥巾瞬，最早由a c o m 、a p p l e 和v l s i 合资成立，致力于出售芯片设计技 术撇。 作为类处理器来理解，a r m 微处理已经遍及全球多个领域，全世界有几十家大的 半导体公司都使用a r m 公司的授权，其中包括i n t e l 、i b m 、s a n m m g 、m o t o r o l a 、 a t m e l 、l g 半导体、n e c 、s o n y 、p h i l i p 等公司蚴。而回顾其处理器的历史，第一 个a r m 原型，于1 9 8 5 年4 月2 6 日，在英国剑桥的a c o m 计算机有限公司诞生嘲。 a r m 架构处理器体系已经发展了很多代，根据不同领域的需求也设计推出了多个系列， 其在高性能、低功耗、低成本的嵌入式应用领域中占据了领挠挝旺立。 作为一种技术来理解，a r m 是一种基于精简指令集r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t i n g ) 芯片设计的技术解决方案。从1 9 9 1 推出第个嵌入式r i s c 核心，a r m 6 系 列处理器，到目前比铰先进的c o r t e x 系列，a r m 公司也正在不断研发、设计推出能适应 于各个领域的高性能嵌入式r i s c 处理器设计方案，作为处理器的知识产权m ( i n t e l l i g e n c ep r o p e r t y ) 的供应商，公司本身不直接生产芯片。世界各个芯片半导体生产 厂商根据自己的需求和特点购买a r m 微处理器核进行再次开发，加入相关的外围电路， 设计出适应于市场的嵌入式芯片。 2 4 2a r m 微处理器体系和结构发展简介 a r m 处理器是种低功耗高性能的3 2 位r i s c 处理器，a r m 微处理器是个综合 体，a r m 公司自身并不铝蜷础r 处理器，而是由a r m 的合作伙伴来审归告，作为片e 系统 s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 的典型应用。目前，基于a r m 的处理器以其高速、低功耗等诸多 优屏的性能而得到爿目苦广泛的应用。 处理器的体系结构定义了两个方面n 帕：一方面为指令集i s a ( i l l s 洲o ns e t a r c h i t e c t u r e ) ；另方面为该体系结构下处理器的程序员模型。a r m 体系结构为嵌入式 系统发展商提高了很高的系统性能，同时保持了优异的功耗和面积效率，并不断的进行革 黑龙江大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 薯 新和发展。a r m 成熟体系结构共定义了六个版本，v - 1 到v 6 ，v - 7 版本也推出，相关系 列c o r t e x 已经投产。例如代表最新嵌入式技术的c o r t e x - a 9 于2 0 0 9 年底开发出来，并在 2 0 1 0 年投入量产。比较兀。个版本特点及变化如下：v - 1 版本采用的地址空间是2 6 位，寻 址空间是6 镰但；v 2 版本增加了乘法指令并且支持协处理器指令；v - 3 版本实现3 2 位的 地址兰空间；、，珥版本增加了半导寸龄的读取和写入操作；v - 5j 钵提升了a r m 和t h u m b 两种指令的交互工作r , - , j 3 ，同时又了d s p 指令w 5 e 结构、j a v a 指令- v 5 j 结构的支持；v 6 版本增加了媒体指令。现在随着的嵌入式技术的发展，a r m 已经推出下代体系v _ 7 版本体系，采用了t h u m b - 2 技术，比3 2 位代码减少内存的3 1 哆分使用率，使用n e o n 技 术，使得d s p 、黼理能力提高4 倍。 基于a r m 核体系结构的微处理器目前包括下面的系列，其主要精御应用方向如表 2 - 1 所示。 表2 - 1a r m 微处理器系列的睁砸f f 蝴方向 t a b l e 2 - ia r mn l i c 呷愀s s o r 细i l ) ，妇删岱枷删蒯0 n s a 冈m 1 0 e 该系歹舱蛞a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i - s 、a r m 7 f a - s 和a r m 7 2 0 t 低蝴3 2 位 r i s c 处理器。 最适合用于对价位和功耗要求高的消费电子类，例如工业控制、网络设备、移动电 话、多媒体设备等 该系列包括a r m 9 9 6 h s 、a r m 9 2 叮、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t ，采用了五级流水 线，大大提高了指令效率，支持指令和数据的c a c h e ，具有较高的数据处理能力，是 高性能和低功耗的最佳性能。 适用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、数字孝目柳或割孵徽机等 该系列包括a r m 9 2 6 e j - s 、a r m 9 4 6 e 焉、a r m 6 f _ 烬、a r m 9 6 8 - s ，使用单一的处 理器内核，提供些微控制器、d s p 、j a v a 应用的解决方案。其性能支持d s p 指令 集、3 2 位的高速a m b a 总线接口，带有1 、心小i 功能，最高主频可达3 0 0 m i p s 。 适用于无线设备、数字消费品、工业控制、存储设备和网络设备等 该系列包括a r m l 0 2 0 e 、a r m l 0 2 2 e 、a r m l f f 2 6 f a - s ，采用更高的六级流水线结 第2 章嵌入式系统 a r m 】 构，支持6 4 为的高速a m b a 燃口、3 2 位的a r m 指蝴1 6 位的j h u m b 指令 集。 适用于新代的无线设备、高级数字消费品、成像设备、工! i k 控制、存储设备和网络 设备等 该系列包括a r m l l 3 6 j f 墨和删1 1 2 稍、a r m l l 5 6 t 2 - s 、删1 1 5 6 t 2 f $ 、 灿u 订1 1 7 6 j z f 、a r m l l 7 6 j z - s 、a r m l l 7 6 j 压墨和a r m i im 陀。佗采用了先进的 0 1 31 1i l l 工艺，应用了最新的a r m y 6 处理架构，最高工作频率可达7 5 0 m ，具有高 效能的媒体处理功能，高数据吞吐量适合于网络通讯应用，以及高效的实时性以及浮 点运算都是该体系的特点。 适用于汽车电子、无线通信设备、多媒体设备、成像设备、消费类电子产品、p d a 等 该系列包括s e 跚【c o 豫s c l 0 0 、s e c 慨s c l l 0 、s e c u i c o 佗s 嘞0 和s e c t a c x 肥 s c 2 2 ，专为安全需要而设计，带有灵活的保护单元，以瞻舀排系统和| 立用数据的安 全。 适用于电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统以及对安全性要求比较 高的应用产品及使用系统领域等 该系列包括s m n g a r ms a - 1 1 1 0 ，融合了i n t e l 公司的设计和处理技术以及a r m 体系 结构的电源效率，兼容a r m 体系结构，同时：采用具有i n t d 技术优点的体聊结构。 在c o m p a q 的i p a qh 3 1 0 0 和h 3 6 0 0 产品系列中已经得到应用，适用于便携式通讯产 品和消费多铲c 品等 该体系包括p x a 2 5 x 、p ) 乙心6 x 、p x a z t x ，基于a r m v s t e 体系结构的】酾央方案，主 频达到4 0 0 m h z 甚至更高，集成s i m d 协处理器，有效加快l 见频、3 d 图像、音频 等。 适用于势辱与眵动电话、个人| 殳字助理鄹网络产品等 该系歹i 麟c l x t e x - a 、c o r t e x - r 、c o r t e x - m 系列，这些可以看做是a r m l 2 ，是基于 下代a r m - v 7 架构的敷处理器。采用了t h t n b - 2 技术，比3 2 位代码减少内存的 3 1 使用率，使用n e o n 技术，使得d s p 、媒体处理能力提高4 倍，并改良浮点运 算。 三个系列分别适用于多通道视频、音频和游戏应用；实时操作系统设计的嵌入式处理 器；微控帛4 器、汽车系统、大型家用电器等 1 5 黑龙江大学硕士学位论文 2 4 3 典型a r i v o 体系 a r m 9 体系是整个a r m 体系中的个典型代表，可以通过对它的了解，可以更好利 用嵌入式系统，完成更贴近实际的设计。其中论文采用的$ 3 c 2 4 4 0 也是s a m s u n g 公司基 于a r m 9 体系下a r m 9 2 0 t 系列内核推出的微处理器。它的特点有如下四个方面： 第一，采用的五级指令集流水线。如图2