（信号与信息处理专业论文）基于嵌入式系统图像采集的软硬件设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近年来，嵌入式已经成为通信和消费类产品的共同发展方向。伴随着多 媒体技术、网络技术的迅速发展，利用嵌入式系统实现远程视频监视、可视 电话和视频会议等应用已成为可能。 本文设计了一个基于三星$ 3 c 2 4 1 0 a 芯片的u s b 接口电路，在此硬件电 路基础上，实现了w e b e y ev 2 0 0 0 视频摄像头的驱动，在驱动实现的基础上 进行视频采集，并对采集的图像进行j p e g 压缩处理。 论文首先介绍了u s b 接口电路的硬件系统设计。硬件系统以$ 3 c 2 4 1 0 a 为核心扩展外围电路。外围电路主要包括：电源电路、j t a g 接口、复位电路、 存储器电路、u s b 集线器接口电路、以太网接口电路、串口电路等。 其次介绍了开发嵌入式系统常用的交叉编译环境的搭建。本文分别给出 了搭建主机软件平台和目标机软件平台的方法步骤，其中，主要介绍了搭建 目标机软件平台需要的v i v i 的编译和移植、l i n u x 内核的编译和移植以及文 件系统的建立和移植。 接着分析了l i n u x 系统下u s b 系统的软件结构，在该软件结构的基础上 详细介绍了l i n u x 系统下u s b 摄像头驱动的软件开发，其中包括驱动程序的 整体结构、摄像头芯片的配置、v 4 l 的a p i 接口实现、等时数据通信的建立。 最后，本文给出了利用开发的硬件平台和软件平台进行图像采集的软件 实现，其中分别对进行图像采集的两种方式：r e a d ( ) 方式和m m a p 0 方式进行了 阐述。并给出了利用j p e g l i b 库对图像数据进行压缩的方法。 关键字：$ 3 c 2 4 1 0 a ；u s b 摄像头驱动；图像采集；j p e g 压缩 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，e m b e d d e ds y s t e r mi st h ec o m m o md e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h e c o m m u n i c a t i o n sa n dc o n s u m e rp r o d u c t s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i a 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 y , t h e u s eo fe m b e d d e ds y s t e m st oa c h i e v e l o n g r a n g e v i d e o s u r v e i l l a n c e ，v i d e ot e l e p h o n ya n dv i d e oc o n f e r e n c i n gh a s b e c o m ep o s s i b l e 1 1 1 i sp a p e rd e s i g n e dau s bi n t e r f a c ec i r c u i tb a s e do l lt h ec h i po fs a m s u n g s $ 3c 2 410 a o n , t h eb a s e do ft h eh a r d w a r ec i r c u i t ，t h i sp a p e ra c h i e v e dt od r i v e r w e b e y ev 2 0 0 0v i d e oc a m e r a ，a n dc a p t u r ep i c t u r e s t h e n ，c o m p r e s s e dt h e s e p i c t u r e st oj p e gi m a g e t h ef i r s to fa l l ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ed e s i g no f h a r d w a r es y s t e mo ft h eu s b i n t e r f a c ec i r c u i t t h eh a r d w a r es y s t e ma st h ec o r eo ft h ec h i p $ 3 c 2 4 10 a ，e x p a n d s t h ee x t e r n a lc i r c u i t p e r i p h e r a lc i r c u i t si n c l u d e ：t h ec i r c u i to fp o w e lt h ec i r c u i to f j t a gi n t e r f a c e ，t h ec i r c u i to fm e m o r y , t h ec i r c u i to fr s 2 3 2s e r i a li n t e r f a c e ，t h e c i r c u i to fr e s e t ，t h ec i r c u i to fu s bi n t e r f a c ea n dt h ec i r c u i to fe t h e r n e ti n t e r f a c e n e x t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ew a yo fb u i l d i n gc r o s s c o m p i l e re n v i r o n m e n t w h i c hu s u a l l yu s e dt od e v e l o pe m b e d d e ds y s t e mu n d e rl i n u xs y s t e m t h i sp a p e r i n t r o d u c e dt h ea p p r o a c h e sa n ds t e p so fb u i l d i n gt h es o f t w a r ep l a t f o r mb o t ho fh o s t a n dt a r g e t a m o n gt h e m ，t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e dt h ew a yo fb u i l d i n gt h e s o f t w a r ep l a t f o r mo ft a r g e t ，w h i c hi n c l u d et h ec o m p i l e da n dt r a n s p l a n t a t i o no f v i v i ，t h ec o m p i l e da n dt r a n s p l a n t a t i o no f l i n u xk e r n e l ，t h eb u i l ta n d t r a n s p l a n t a t i o no f f i l es t s t e m t h e n ，t h i sp a p e ra n a l y s e dt h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r eo ft h eu s bs y s t e mu n d e r l i u n xs y s t e m o nt h eb a s eo ft h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dh o w t od e s i g nt h ed r i v e ro ft h eu s bc a m r au n d e rl i n u xi nd e t a i l s ，w h i c hi n c l u d et h e s o f t w a r ea r c h i t e c t u r eo ft h ed f i v e r ，t h ec o n f i g u r a t i o no fc a m e r a sc h i p s ，t h e r e a l i z a t i o no ft h ea l p if u n c t i o no fv i d e 0 4 l i n u x t h ee s t a b l i s h m e n to fi s 0d a t a c o m m u n i c a t i o n o nt h eb a s i so ft h es o f t w a r ep l a t f o r ma n dt h eh a r d w a r ep l a t f o r mw h i c hh a d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 d e v e l o p e d ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h es o f tr e a l i z a t i o no fi m a g ec a p t u r e a m o n g t h e m ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt w ow a y so fi m a g ec a p t u r ei nd e t a i l sd e p a r t ，w h i c h i n c l u d et h ew a yo fr e a d ( ) a n dt h ew a yo fm m a p o ，a n di n t r o d u c e dt h em e t h o do f i m a g ec o m p r e s s i o no nt h eb a s i so fj p e g e i b k e yw o r d ：$ 3 c 2 4 10 a ；u s bc a m e r ad r i v e r ；i m a g ec a p t u r e ；j p e gc o m p r e s s i o n 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 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研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文完成的主要功能如下： 1 利用$ 3 c 2 4 1 0 a 设计u s b 接口的硬件电路 2 u s b 摄像头驱动的实现 3 图像采集及j p e g 压缩的实现 学位论文作者签名：审螂零 日期：南讨夯6 诗i 岁日 西南交通大学曲南交通大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密囤，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：印硼中五 日期：2 0 0 7 年6 日 、 指导老师签名：褥邓及 日期： 少。9 6 f r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题的背景和研究意义 随着大规模数字集成电路和通讯技术的高速发展，嵌入式系统的应用已 经渗透到社会生活中的各个角落，在自动控制、工业生产、军事技术、医疗 电子和家用消费电子等各个领域都有着广泛的应用。就目前来讲，嵌入式系 统是一门综合性很强的技术，主要涉及软件和硬件两大类。软件主要包括c 语言技术，操作系统，人机交互，自动控制，数学算法等内容，硬件主要包 括传感器技术，电子技术，微机原理等内容；结合长期实践经验，嵌入式系 统设计需要软件和硬件紧密配合，互相协调才能完成系统的预定功能。 系统硬件的核心是微处理器，经过几十年的发展，微处理器从单片机开 始，不断出现了以5 1 为代表的8 位机，以m s p 4 3 0 系列为代表的1 6 位机， 以a r m 为代表的3 2 位机，也包括以实现复杂运算著称的d s p 。而目前，在 嵌入式控制的高端场合，主要以a r m 的为主。据统计，当前超过9 0 的手机 c p u 是使用a r m ，而在其他很多领域，a r m 也被广泛采用。系统软件的核 心则是操作系统，目前市场上广泛流行的操作系统包括l i n u x 、u c l i n u x 、 w i n c e 、u c o s i i 等等，而l i n u x 以其开源和可靠性赢得了广泛的青睐。 在嵌入式应用中，视频方面的应用需求相当广泛。视频图像是对客观自 然环境形象、生动的描述，是直观具体的信息表达形式。特别是今天的信息 社会，随着网络、通信和微电子技术的快速发展和人民物质生活水平的提高， 视频图像以其直观、方便和内容丰富等特点，日益受到人们的青睐。 开发新一代嵌入式视频采集系统具有重要意义，可以广泛应用在各行各 业，例如：生活小区的安全监控，电信行业的基站监控，银行系统的柜员监 控，林业部门的火情监控，交通方面的违章和流量监控等等。从功能上讲， 视频采集能用于安全防范、信息获取和指挥调度等方面n ，。 1 2 国内外研究现状及发展 随着信息化、智能化、网络化的发展，现在嵌入式已经成为通信和消费 类产品的共同发展方向。从国内i t 市场来看，嵌入式系统及其产品在市场中 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 占有主导地位和独特份额。它是一个分散的行业，充满了竞争、机遇与创新， 没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。即便在体系结构上 存在着主流，但各不相同的应用领域决定了不可能有少数公司、少数产品垄 断全部市场。因此嵌入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的，留给 各个行业的中小规模高技术公司的创新余地很大幢，。 由于l i n u x 是开放源代码的，操作系统的一切对用户来说都是透明的； 另一方面其模块化的设计，为用户提供了极大限度的可缩放功能。高端嵌入 式系统要求许多高级功能，如图形用户界面和网络支持，嵌入式l i n u x 操作 系统以价格低廉、功能强大以及易于移植被广泛采用，成为新兴的力量。目 前众多厂家纷纷转向了嵌入式l i n u x ，以l i n u x 为代表的自由软件开始占领比 较大的市场。嵌入式操作系统发展更为迅速，著名的产品有美国加州的集成 系统公司( i n t e g r a t e ds y s t e m si n c ) 推出的p s o s y s t e m ，占领极大的市场份额。国 内九五期间，由中科院推促并产业化的h o p e n 嵌入式系统，被列为国家 科技攻关项目，基于l i n u x 技术的嵌入式操作系统也已经推出。 1 3 论文主要研究方法及内容 本论文的目的是设计一个嵌入式系统，以该系统为基础，研究l i n u x 在 嵌入式环境下的裁剪与移植，以及在嵌入式环境下的设备驱动开发方法；并 通过在嵌入式平台上开发摄像头驱动程序，实现在嵌入式环境下的视频采集。 主要内容包括：设计一个以$ 3 c 2 4 1 0 a 为核心的嵌入式系统，该系统包 括：j t a g 接口、复位电路、存储器电路、u s b 集线器接口电路、以太网接口 电路、串口电路等。以该嵌入式系统为基础，分析并移植l i n u x 系统启动代 码，研究l i n u x 的内核结构，配置和移植l i n u x 内核，建立和移植c r a m f s 文 件系统；研究l i n u x 下u s b 设备驱动程序的结构与工作原理，在交叉编译环 境下，设计u s b 摄像头驱动程序，控制摄像头在嵌入式平台上进行视频采集， 并对采集到的图像数据实现j p e g 压缩处理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 第2 章嵌入式系统及l i n u x 概述 2 1 嵌入式系统概述 2 1 1 引言 i e e e ( 国际电气和电子工程协会) 对嵌入式系统的定义：“用于控制、监 视或者辅助操作机器和设备的装置”( d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o ro r a s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。这主要是从应用对象 上加以定义，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，并涵盖机械 等附属装置”。 国内普遍认同的嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基 础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功能等严 格要求的专用计算机系统。可以这样认为，嵌入式系统是一种专用的计算机 系统，作为装置或设备的一部分。通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在 r o m 中的嵌入式处理器控制板b ，。 2 1 2 嵌入式系统的特点 ( 1 ) 专用性强 从嵌入式系统定义可以看出，嵌入式系统的软、硬件可以根据具体应用 进行设计、量体裁衣，是实现专门针对应用的低成本、高性能的嵌入式系统。 因此，和通向系统相比，嵌入式系统功能专一，采用的微处理器和外围设备 各具特色、种类繁多，不具有通用性。 ( 2 ) 功耗低、可靠性高、稳定性高 嵌入式系统经过专用设计可用在环境条件恶劣的场合，为适应这些特殊 环境，通常要求嵌入式系统具有高可靠性、高稳定性、低功耗等特点。 ( 3 ) 软件代码小 由于嵌入式系统专用性的特点、且多用于小型电子装置，通常其系统硬 件资源相对有限。因此对嵌入式系统软件设计也提出了较高的要求。 ( 4 ) 具有实时性 。 这是嵌入式软件的基本要求。软件代码要求高质量、高可靠性、实时性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 而且软件要求固态存储，以提高速度。 ( 5 ) 需要专门的开发工具和开发环境 嵌入式系统开发时，往往有主机和目标机的概念。主机用于程序的开发， 而开发的程序运行在目标机上。主机和目标机系统通常不兼容，因此需要一 套特定的开发工具和环境才能进行。这些工具和环境一般基于计算机的软硬 件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。 ( 6 ) 要求开发、设计人员有较高的技能 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、不断创新的知识集成系统盼”。 2 2 嵌入式处理器 嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器，嵌入式处理器的体系结 构经历了从c i s c ( 复杂指令集) 到r i s c ( 精简指令集) 和c o m p a c tr i s c 的转变， 位数则由4 位、8 位、1 6 位、3 2 位逐步发展到6 4 位。鉴于嵌入式系统广阔 的发展前景，很多半导体制造商都大规模生产嵌入式处理器，并且公司 自主设计处理器也已经成为了未来嵌入式领域的一大趋势，其中从单片 机、d s p 到f p g a 有着各式各样的品种，速度越来越快，性能越来越强， 价格也越来越低。据不完全统计，全世界嵌入式处理器已经超过1 0 0 0 种， 流行的体系结构有3 0 多个系列，其中以a r m 、p o w e r p c 、m c 6 8 0 0 0 、m i p s 等实际应用最为广泛。 根据现状，目前常用的嵌入式处理器可以分成下面几类t ，： ( 1 ) 嵌入式微处理器( m i c r op r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变而来的。它的特征是 具有3 2 位以上的处理器，具有较高的性能等。与计算机处理器不同的是， 在实际嵌入式应用中，它只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去 除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的 特殊要求。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量 轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有x 8 6 系 列( 主要是i n t e l 和a m d 生产) ，m o t o r a l a 的p o w e rp c 、m 6 8 0 0 系列、m i p s 的m i p s 系列、z i l o g 的z 8 0 0 0 系列，以及目前市场占有率最高的以a r m 处理器内核衍生出的各种a r m 系列。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器的典型代表是单片机，从7 0 年代末单片机出现到今 天，虽然已经经过了2 0 多年的历史，但这种8 位的电子器件目前在嵌入 式设备中仍然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部集成r o m e p r o m 、 r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、看门狗、i 0 、串行口、脉宽调 制输出、a d 、d a 、e e p r o m 等各种必要功能和外设。和嵌入式微处理 器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积小，从而使功耗和成本下 降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的 片上外设资源一般比较丰富，适合于控制。 单片机目前应用最广泛的是8 位的i n t e lm c s 一5 1 系列以及其他公司 以m c s 5 1 核心开发出的其他衍生产品群。高端应用的微控制器最广泛 的产品是以a r m 内核构建的各类处理器系列。另外还有i n t e l 的 8 0 3 8 6 e x ，a m d 的嵌入式4 8 6 5 8 6 系列，m o t o r a l a 的p o w e rp c 、m 6 8 0 0 系列、m i p s 的m i p s 系列等。 ( 3 ) 数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指 令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度。 在数字滤波、f f t 等各种仪器上d s p 获得了大规模的应用。但是它们在 其他方面则不如通用的嵌入式处理器。 目前最为广泛应用的是t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 系列，另外还有 m o t o r a l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列等。但目前有些微控制器已将d s p 集成于一 体，如a r m 9 e 。 ( 4 ) 可编程片上系统s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 这种方式是将处理器以及其他有关电路利用专门的开发工具定制在 一个大规模集成电路中。实现了用户通过自己的编程来构建一个专用的 片上系统。目前的主要应用形式是含c p u 软核的f p g a ，如a l t e r a 的 c y c l o n e 及s t r a t i x 系列。 7 2 3 嵌入式系统的软件 嵌入式系统的软件一般由嵌入式操作系统和应用软件组成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 3 1 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统e o s ( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 是连接计算机硬件与 应用程序的系统程序。操作系统主要有4 个任务：进程管理、进程间通信与 同步、内存管理和i o 资源管理怕，。 嵌入式操作系统是嵌入式系统极为重要的组成部分，其通常包括与硬件 相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面等。 目前，嵌入式操作系统品种较多，据统计，仅用于信息电器的嵌入式操作系 统就有4 0 种左右。 1 主流操作系统 目前，市场上较为流行的操作系统有以下几种： p a l mo s p a l mo s 是3 c o m 公司的产品，是一种3 2 位的嵌入式操作系统。p a l m 提 供了串行通信接口和红外线传输接口，利用它可以方便地与其它外部设备通 信、传输数据。同时，它拥有开放的o s 应用程序接口，开发商可根据需要白 行开发所需的应用程序。p a l mo s 是一套具有很强开放性的系统，现在有大约 数千种专为p a l mo s 编写的应用程序，从程序内容上看，小到个人管理、游 戏，大到行业解决方案，p a l mo s 无所不包。在丰富的软件支持下，基于p a l m o s 的掌上电脑功能得以不断扩展。但它是一个准多任务操作系统，而且硬 件的互换性较差。 w i n d o w sc e w i n d o w sc e 是微软开发的一个开放的、可升级的3 2 位嵌入式操作系统， 是基于掌上型电脑类的电子设备操作系统。w i n d o w sc e 是所有源代码全部由 微软自行开发的嵌入式新型操作系统，其操作界面虽来源于w i n d o w s9 5 9 8 ， 但w i n d o w sc e 是基于w i n 3 2a p i 重新开发的、新型的信息设备平台。w i n d o w s c e 具有模块化、结构化和基于w i n 3 2 应用程序接口以及与处理器无关等特点。 w i n d o w sc e 不仅继承了传统的w i n d o w s 图形界面，并且在w i n d o w sc e 平台 上可以使用w i n d o w s9 5 9 8 上的编程工具( 如v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 等) 、 使用同样的函数、使用同样的界面网格，使绝大多数的应用软件只需简单的 修改和移植就可以在w i n d o w sc e 平台上继续使用口，。 w i n d o w sc e 的设计目标是：模块化及可伸缩性、实时性能好，通信能力 强大，支持多种c p u 。它的设计可以满足多种设备的需要，这些设备包括了 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 工业控制器、通信集线器以及销售终端之类的企业设备，还有像照相机、电 话和家用娱乐器材之类的消费产品。一个典型的基于w i n d o w sc e 的嵌入系统 通常为某个特定用途而设计。 l i n u x l i n u x 是一个类似于u n i x 的操作系统。它起源于芬兰一个名为l i n u s t o r v a l d s 的业余爱好，但是现在已经是最为流行的一款开放源代码的操作系 统。l i n u x 从1 9 9 1 年问世到现在，短短的时间内已发展成为一个功能强大、 设计完善的操作系统，伴随网络技术进步而发展起来的l i n u xo s 已成为 m i c r o s o f t 公司的d o s 和w i n d o w s9 5 9 8 的强劲对手。l i n u x 系统不仅能够运 行于p c 平台，还在嵌入式系统方面大放光芒。在各种嵌入式l i n u xo s 迅速 发展的状况下，l i n u xo s 逐渐形成了可与w i n d o w sc e 等e o s 进行抗衡的局 面。根据国际上相关专业市场调查机构的调查，目前在所有的嵌入式应用中， 以l i n u x 作为操作系统的占了近乎一半。l i n u x 因为以下的特点在嵌入式应用 中占有优势t 4 】 1 ) 免费获得内核源代码； 2 ) 免许可费用。大多数的商业操作系统对每套操作系统收取一定的许可 证费用； 3 ) 稳定性高； 4 ) 模块化结构。模块化的结构设计，可以为目标板量体裁衣，裁剪出短 小精炼的内核； 5 ) 支持多种文件系统，具有强大的网络功能以及众多的驱动程序和应用 a p i ： 6 ) 丰富的开发工具。l i n u x 为使用者免费提供c 、c + + 、j a v a 以及其他 很多的开发工具，并且这些开发工具设计时已经考虑到支持各种不同微处 理器结构和调试环境。l i n u x 基于g n u 的工具包，此工具包提供了完整 的交叉开发工具，从编辑器到底层调试； 7 ) l i n u x 有大量的文档供使用者查看。 v x w o r k s 在众多的实时操作系统和嵌入式操作系统产品中，w i n d r i v e r 公司的 v x w o r k s 是较为有特色的一种实时操作系统。v x w o r k s 支持各种工业标准， 包括p o s i x 、a n s i c 和t c p i p 网络协议。v x w o r k s 运行系统的核心是一个 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 高效率的微内核，该微内核支持各种实时功能，包括快速多任务处理、中断 支持、抢占式和轮转式调度。微内核设计减轻了系统负载并可快速响应外部 事件。目前在全世界装有v x w o r k s 系统的设备数以百万计，其应用范围遍及 互联网、电信和数据通信、数字影像、网络、医学、计算机外设、汽车、火 控、导航与制导、航空、指挥、控制、通信和情报、声纳与雷达、空间与导 弹系统、模拟和测试等众多领域，。 2 总结 基于各种操作系统的优缺点考虑，特别是l i n u x 的免费和可裁剪的优点， 本论文选择内核版本为2 4 1 8 的l i n u x 作为目标板的操作系统。 2 3 2 应用软件 嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来 达到用户预期目标的计算机软件。由于用户任务可能有时间和精度上的要求， 因此有些嵌入式应用软件需要特定嵌入式操作系统的支持。嵌入式应用程序 主要具有如下的特点n 儿4 】 ( 1 ) 软件要求固态化存储； ( 2 ) 软件代码要求短小精悍； ( 3 ) 具体应用程序与操作系统的一体化整合； ( 4 ) 多数嵌入式应用程序与操作具有或强或弱的实时性； ( 5 ) 高端应用需要多任务操作系统的支持； ( 6 ) 软件开发需要开发工具的支持。 2 4 本章小结 本章主要对嵌入式系统的特点，目前市场上常用的嵌入式处理和较为流 行的几种嵌入式操作系统进行了简单的介绍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第3 章基于a r m 处理器的硬件电路设计 3 1 设计方案对比及选择 根据本设计的需要，自然条件的景象经过u s b 摄像头实现图像数字化， 通过嵌入式系统内的应用程序完成图像的采集、压缩、存储等任务，可以看 出，硬件平台和u s b 图像采集是系统的重点。根据常用的设计方法，由以下 三种可供选择的设计方案： 方案一：利用单片机实现 在单片机技术发展的几十年里，它已经广泛应用于各行各业，在大多数 日常应用中，单片机的处理能力能够满足我们的需求。低成本、低开发难度 并且集成了大量片内外设的特点使其应用非常广泛。在单片机系统中，5 1 系 列单片机有很大的优势，其结构简单，可扩展性强，技术成熟。利用单片机 实现的优点是难度低，成本低，解决方案成熟，维护简单方便，对工程应用 来讲可靠性是需要着重考虑的。不过它也有不足的地方，系统工作能力偏弱， 不能实现高速的数据处理，速度和位宽限制其只能应用在低端场合，不能满 足这次设计的要求。 方案二：利用可编程逻辑器件f p g a 实现 f p g a ( f i e l d - - p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 现场可编程门阵列) 是近年来广 泛应用的超大规模、超高速的可编程逻辑器件。由于其具有高集成度、高速、 在系统编程等优点，为数字系统的设计带来了突破性变革，大大推动了数字 系统设计的单片化、自动化，缩短了单片数字系统的设计周期、提高了设计 的灵活性和可靠性。随着f p g a 技术的快速发展，片上资源丰富，高速性能 和片上r a m 使其特别适用于高速数据采集系统的设计。由于f p g a 全部控制 逻辑由硬件完成，时钟频率高，内部延时小，所以具有速度快、效率高的优 点，目前已经广泛应用于数字示波器中的信号采集阳，。但是该方案成本偏高， 而且功耗比较大，开发难度也比较大，所以在本设计中没有采用f p g a 来实 现。 方案三：利用a r m 嵌入式系统实现 鉴于性能、价格和可靠性等方面的优势使a r m 在嵌入式领域得到了广泛 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 的应用。丰富的片内外设极大的简化了设计工作，部分基于a r m 核的处理器 甚至集成了本设计需要的u s b 主机控制器。结合应用，开发嵌入式系统需要 用到的串口、j t a g 接口可以很便捷的连接在a r m 上，而嵌入式操作系统可 以方便的实现系统级的资源管理。可以看出，a r m 平台的硬件和软件实现都 比较成熟。结合这次设计应用，鉴于a r m 系统良好的成本、性能的优越、开 发相对容易和大量的技术资料，本设计选择基于a r m 的平台来实现。 3 2 硬件电路总体结构 嵌入式系统硬件部分包括嵌入式微处理器及其外围硬件设备。本设计选 择s a m s u n g 公司推出的基于a r m 9 2 0 t 内核的$ 3 c 2 4 1 0 a 作为c p u ，配合电 源、j t a g 接口、复位电路、存储器电路、u s b 集线器接口、以太网接口、串 口电路等外围电路，构成了整个硬件电路。硬件设计总体结构图如图3 1 所示。 图3 - 1 硬件设计总体结构图 3 3 $ 3 c 2 4 1 0 a 芯片介绍 $ 3 c 2 4 1 0 a 处理器是s a m s u n g 公司推出的基于a r m 9 2 0 t 内核的 1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微处理器，最高工作频率可达2 0 3 m h z 。适用于手 持设备、p o s 机、数字多媒体播放设备等，具有低功耗、低价格、高性能 的特点。$ 3 c 2 4 1 0 a 提供了丰富的内部结构：独立的16 k b 指令c a c h e 和 1 6 k b 数据c a c h e ，m m u 虚拟存储器管理，支持t f t 和s t n 的l c d 控 制器，支持n a n df l a s h 系统引导，3 路u a r t ，4 路d m a ，4 路带p w m 的定时器，i o 口，r t c ，8 路1 0 位a d c ，触摸屏接口，2 个u s b 主机 接口，1 个u s b 设备接口，s d 主机和m m c 接口，2 路s p i 总线接口以 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 及内部p l l 时钟倍频器旧1 。 $ 3 c 2 4 1 0 a 提供了一系列完整的系统外围设备，消除了为系统配置额 外器件的需要，大大减少了整个系统的成本。$ 3 c 2 4 1 0 a 主要的特征如下： 2 0 3 m h z 的a r m 9 2 0 t 内核，支持j t a g 仿真调试； 1 6 k b 的i c a s h e 和1 6 k b 的d c a s h e ； 具有m m u ，支持w i n c e 、e p o c 3 2 、l i n u x 等操作系统； 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) ，共分8 个b a n k ， 每个b a n k 可访问1 2 8 m b 空间； 片内4 k bs r a m ，可用作n a n df l a s h 系统引导的缓冲区； l c d 控制器( 最大支持4 k 色s t n 和2 5 6 k 色t f t ) ，l 通道l c d 专用d m a ； 4 通道d m a ，有外部请求引脚； 3 个u a r t ( i r d a l 0 ，1 6 字节t xf i f o ，16 字节r xf i f o ) ； 2 个s p i 总线接口； 1 个多主1 2 c 总线接口； 1 个i i s 总线接口； 兼容s d 主接口协议1 0 版和m m c 卡协议2 1l 兼容版； 2 个u s b 主机接口，1 个u s b 设备接口( v 1 1 ) ； 4 个p w m 定时器和1 个内部定时器； 看门狗定时器； 1 17 个通用i o 口； 2 4 个外部中断； 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口； 具有日历和时钟功能的r t c ； 1 8 v 内核供电，3 3 v 存储器供电，3 3 v 外部i o 供电； 功耗控制模式：普通，慢速，空闲和掉电模式； 具有片内p l l 时钟发生器。 $ 3 c 2 4 1 0 a 内部结构如图3 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 图3 - 2 $ 3 c 2 4 1 0 a 内部结构图 3 4 外围电路 3 4 1电源管理 在嵌入式系统设计之初，首先要做的工作是分析系统的供电需求。 本设计选用的$ 3 c 2 4 1 0 a 需要3 3 v 和1 8 v 电压供电，u s b 集线器控制 器芯片和u s b 接口需要5 v 电压供电，其余的以太网控制器芯片、n o rf l a s h 芯片、n a n df l a s h 芯片等都需要3 3 v 电压供电。分析可得，本设计的系统 总共需要三级电压：5 v 、3 3 v 、1 8 v 电压。由此确定本设计采用外接5 v 电 压供电，再利用电压转换芯片分别转换到3 3 v 和1 8 v 电压。 经典的s p x l l l 7 系列电压转换芯片，根据其数据手册，其输出电流可达 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 8 0 0 m a 。由于该系统主要是供给芯片正常工作，不包括l c d 或者功放等大规 模耗能元件，粗略计算各芯片消耗电流，再加上一定的冗余设计，确定1 1 1 7 系列提供的功率能够满足系统各个电压等级总的功耗需求。 具体应用时，5 v 电压输入后，首先选用7 8 0 5 实现电压稳定输出，然后 选用s p x l l l 7 3 3 芯片进行3 3 v 电压转换，s p x l l l 7 1 8 芯片进行1 8 v 电压 转换。在本设计中，大部分的芯片都需要3 3 v 电压供电，因此，为了提高系 统供电的稳定性，使用了两片s p x l l l 7 3 3 芯片进行3 3 v 电压转换。其中一 路输出p v d d 3 3 供给c p u 、n o rf l a s h 、n a n df l a s h 、s d r a m 芯片，另一 路输出v d d 3 3 则供给剩下所有的芯片。 本设计的电源管理电路如图3 3 、3 - 4 、3 5 所示。 图3 3 电源管理电路原理图1 图3 - 4 电源管理电路原理图2 ：一一：。一二一。一：- 。一：。； ：二t 。；： 图3 5 电源管理电路原理图3 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 3 4 2f l a s h 存储器电路 由于f l a s h 存储器在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，它 既有r o m 的特点，又有很高的存取速度，而且易于擦除和重写，功耗很小， 所以在嵌入式设备中得到了广泛的应用。f l a s h 主要有n a n df l a s h 和 n o r f l a s h ，两者在应用中各有特色： n o r 的特点是芯片内执行( x i ee x e c u t ei np l a c e ) ，这样应用程序可以直接 在f l a s h 闪存内运行，不必再把代码读到系统r a m 中。n o r 的传输效率很高， 在l - 4 m b 的小容量时具有很高的成本效益，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。应用n a n d 的困难在于f l a s h 的管理和需要特殊的系统 接口。 根据n a n df l a s h 和n o rf l a s h 的优缺点考虑，本设计设置了2 m 大小的 n o rf l a s h 和6 4 m 的n a n df l a s h 。 ( 1 ) n o rf l a s h 本设计选用s s t 3 9 v f l 6 0 1n o rf l a s h 芯片。为了能使用s s t 3 9 v f l 6 0 1 启动引导系统，将其分配到b a n k 0 ，即使用n g c s 0 片选信号。电路原理图如 图3 - 6 所示。 ： ”! ： 。u 9 。 一r ： ： s s t v g v f l 6 0 1 ” l a d d r l 6 1 7 尬d r 。、n 、n 1 ； ：laddrl52 aa16 l a d d r l 43 a 1 4n c l a d d r l 34 a 1 3v s s 芸；姿4 7 k l a d d r l 25 a 1 2d q l 5 4 5l d a t a 】， l a d d r l l6 a 1 1 d 0 7 4 4l d a t a 7 ：i a d d r l o ? a 1 0d q l 4 4 3u d a t a l 4 ：l a d d r ”8 9d 0 6 4 2u 、 1 a 6 l a d d r 2 09 a s d q l 3 4 lu ) a t a l 3 1 0 a 1 9d 0 5 4 0l d a t a 5 l l f w e l l n cd o l 2 3 9l d a t m 2 7。5 i l r e s e t1 2 w e ；筝d q 4 3 5l d a t a 4c 2 9 1 1 r s 群v d d 3 7p v q ) d 3 3 p v d d 3 3 r 3 6 i i n c d o l l 3 6u d a t a l l i w p # d q 3 3 5l