（计算机科学与技术专业论文）无线流媒体传输系统及qos研究与实现.pdf

， 扇 独洲声明鼎黜 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得北京工业大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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应遵守此规定) 签名：垮导师签名一 j - ， 懊 j 捅要 摘要 流媒体是以流的方式在网络上传输多媒体数据的技术。流媒体服务已经成 为互联网上的主流应用；同时，智能移动终端在人们的生活中扮演了越来越重 要的角色。通过移动终端来访问流媒体服务是发展的必然趋势。8 0 2 1 l 协议能 够为移动终端访问流媒体服务提供一个高带宽低成本的技术实现。因此，基于 8 0 2 1 1 协议的无线流媒体传输系统及q o s 研究成为当前的一个研究热点。 论文主要研究了应用x i l i t l ) 【f p g a 技术构建通用外置无线模块，结合m p e g - 4 及f p g a 技术完成流媒体数据的编解码；针对无线环境的特点，以c r o s s 1 a y e r 媒体 传输框架为基础，建立一个改进的q o s 保证模型。论文首先分析了移动终端对于 无线流媒体服务的需求，提出了一种基于8 0 2 1 l 协议的无线流媒体传输系统。系 统从功能上分为嵌入式网络摄像机和嵌入式流媒体终端两部分，并以x i l i n x f p g a d e v e l o p m e n tp l a 仃0 册为基础，分别对这两部分在软件及硬件方面进行了设 计；同时，分析了该系统需解决的关键技术和存在的问题。针对嵌入式网络摄像 机，采用x i l i 似s p a n a n 3 ad s ps t a m rp 1 a t f o m 为开发平台，设计并实现了数据的 采集和编码，并结合j m f 技术建立流媒体服务器。针对嵌入式流媒体终端，采用 n e x i ip r 0m l 3 1 0p 1 a t f o m 为开发平台，设计并实现了通用外置无线收发模块， 结合j m 技术，建立流媒体客户端并设计了与p d a 之间的数据通信协议。使用 s d l 技术开发了p d a 上的播放程序。除此之外，以c r o s s 1 a y e r 框架为基础，针对 无线环境下高误码率和高延迟的特性以及流媒体数据的特性，对“层次化的无线 环境下的流媒体传输框架”进行了改进，以一种非平等的层次化协作q o s 模型实 现了优先级区分的流媒体数据传输及网络不同层次之间的q o s 协同调节。最后， 建立了系统测试环境，对系统在功能和性能方面进行了测试。结果表明，移动设 备能够使用本课题开发的传输系统访问流媒体服务，并在质量上有一定的保证。 关键词流媒体；8 0 2 1 l ；m p e g _ 4 ；服务质量；现场可编程门阵列 北京t q p 大学工学硕士学伊论文 i i ， 上 a b s t r a c t a b s t r a c t s 仃e a m i n gm e d i ai sat e c l l l l i q u et 0 仃肌s p o r tm u l t i m e d i a 讹t l l r o u g ht h e n e 铆o r l ( s 仃e a m i n gm e d i as e r v i c e sh a v eb e c o m eam a i n s 仃e 锄i n t e m e t 叩p l i c a t i o n a tt h es 锄et i m e ，i n t e l l i g e n tm o b i l et e m l i n a l sp l a yam o r ea n dm o r ei r n p o r 咖tr 0 1 e i np e o p l e sl i v e s a c c e s s i n gt h es t r e a m i n gm e d i as e r v i c e sb e c o m ea ni n e v i 协b l e 仃e n d b ym eu s eo fm o b i l et e 硼i n a l s 8 0 2 1 lp r o t o c a lc 觚p r o v i d eah i 曲- b 锄d w i d 吐l 锄d l o w c o s ti m p l e m e n tf o rm o b i l et e 肌i n a l st 0u s es t r e 锄i n gm e d i as e r v i c e s t h e r e f o r e ， w i r e l e s ss t 咒锄i n gm e d i a 仃a n s m i s s i o ns y s t e ma n dq o sr e s e a r c hb a s e do n8 0 2 1 1 p r o t o c a lh a 、r eb e c o m ear e s e a r c hh o t s p o t i n l i sp a p e rw es t u d yt h ec a s eo fc r e a t i n gac o m m e x t e m a lw i r e l e s sm o d u l e u s i n gx i l i n xf p g at c c h n o l o g y ；c o n l p l e t i n gs 仃e a m i n gm e d i ac o d e d e c o d ep m c e s s u s i n gm p e g 一4a n df p g at e c l l l l 0 1 0 9 y b a d0 nt h ec r o s s 一1 a y e rm u l t i m e d i ad c l i v e 巧 触m e 、o r k ，w eb u i l d 卸i m p r o v e dm o d e lf o rq o sg u a r a n t c ei l la l l u s i o nt 0t l l e c h a r a c t e 省o fw i r e l e s ss 仃e a m i n gm e d i a f i r s n y ，w ea 1 1 a l y z em er e q u i r e m e n to fm o b i l e t c m l i n a l s 幻w i r e l e s ss 仃e a m i n gm e d i as e i c e sa n dd e v e l o paw i r e l e s ss 打e a m i n g m e d i a 仃a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do n8 0 2 1 1p o t o c a l t l l i ss y s t 锄i sd i v i d c di n t 0 铆o p a r t s ：e 瑚i b e d d e dn e 似o r kc a m e m a n de n l b e d d e ds 仃e a m i n gm e d i at e 册i m la c c o r d i n g t 0d i f i e r e n t 如n c t i o n s w ed e s i g nt h e s et w op a r t si ns o 胁a r ea n dk l r d w a r eb y l e m e 孤so fx i l 缸f p g ad e v e l o p m e n tp l a t f o mr e s p e c t i v e l y a tt h es 锄et i m e ，m e k e yt e c h n o l o g i e s 粕dp r o b l e m sa r e 锄a l y z e da i l da d d r e s s e d f 0 re i l l b e d d e dn e 铆o r k c a m e r a ，w ei n l p l e m e n td a t ac o l l e c t i o n 肌de n c o d i n g 卸de s 切b l i s has t r e a m i n gm e d i a s e n r e ru s i n gm 伍t e c l l l l o l o g y f 0 re n l b e d d e ds 仃e 锄i n gm e d i at e 肌i n a l ，w ed e v e l o p ac o m m o ne x t 唧a lw i r e l e s st r a n s c e i v e rm o e i u l eb a s e do nt l l eu s eo fv i r t e x - i ip r 0 m l 31op l a t f o m as t r e 锄i n gm e d i ac l i e n t 砒l dac 伽m u n i c a t i o np f o t o c o lb e t 、e e n c l i e n t 锄dp d aa r cc r e a t e db yn l cw a yo fj m ft e c h n o l o 鲚ap l a y e rr u n i n g p d a i sd e v e l o p e db y l eu s eo fs d la p i m o r e o v e r ，w ei m p l 咖e n ts 仃e 锄i n gm e d i a 仃a n 锄i s s i o nb yt h ep r i n c i p l eo fd i 仃e r e n t 砸o r i t y 锄dq o sc o o r d i n a t i o nb e 俩e e n d i 腩r e n t1 a y e r so fn e 撕o r kb yam o d e lo fu n e q u a la n dc r o s s 一1 a y e rq o sc o o r d i n a t i o n t h i sm o d e li s 锄 i m p r o v e m e n tf o r “c r o s s - l a y e rs 臼l e a m i n gm e d i a 仃a n s m i s s i o n 仔锄e w o r ki nw i r e l e s se n v i r o n m e n t ”锄de s p e c i a l l yf o rt h eh i g he r r o rr a t ea n dh i g h 1 a t c n c yc h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s s 胁v i r o l l l l l e n t 锄dc o n s i d e r i n gt 1 1 ef e a m r e so f s n e a m i n gd a t a f i n a l l y ，w ee s t a b l i s ha ne n v i r o n m e n tt 0c o m p l e t e 如n c t i o n 锄d p e r f o m l a n c et e s t t h er e s u l ts h o w st h a tm o b i l ed e v i c e sc 锄a c c e s ss 缸a m i n gm e d i a s e r v i c e sb yu s i n gt h i ss y s t e ma i l dt h eq u a l i t ) ，i sp a r t l yg u a r a n t e e d k e y w o r d ss t r e 锄i n gm e d i a ；8 0 2 11 ；m p e g - 4 ；q o s ；f p g a i i i 北京工q k 大学丁学硕f j 学付论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论l 1 1 课题背景1 1 2 国内外研究现状2 1 3 研究内容4 1 4 论文组织结构4 第2 章相关技术研究7 2 1 嵌入式l i n u x 开发。7 2 1 1 嵌入式l i n u x 7 2 1 2l i n u ) 【下的设备驱动开发8 2 。1 3v i d e 0 4 l i n u x & s d l 1 6 2 2 流媒体传输协议1 9 2 2 1 实时传输协议( r t p ) 2 0 2 2 2 实时传输控制协议( i 汀c p ) 2 1 2 - 3j a v a 媒体框架2 2 2 3 1 相关模型2 2 2 3 2 相关a p i 。2 7 2 4m p e g 4 与h 2 6 4 31 2 58 0 2 1 1 3 3 2 6 本章小结：3 4 第3 章系统总体设计3 5 3 1 系统概述3 5 3 1 1 应用场景3 5 3 1 2 系统功能目标3 6 3 1 3 系统性能指标3 6 3 2 系统体系结构设计3 7 3 2 1 总体体系结构设计3 7 3 2 2 硬件体系结构设计3 8 3 2 3 软件体系结构设计4 0 3 3 主要问题分析4 3 3 4 本章小结4 4 第4 章基于x i l i l l ) 【f p g a 结构的硬件设计与实现4 5 4 1 嵌入式网络摄像机4 5 4 1 1d d r 2s d r a m 4 6 4 1 2f l a s hm 锄。可4 7 4 1 31 0 1 0 0 1 0 0 0e t h e m e tp h y s i c a ll a y e ri n t e r f a c e 4 7 4 2 嵌入式流媒体终端4 8 v 北京丁q p 大学丁学硕士学付论文 4 2 1v l r t e x i ip r om l 3 l op l a t f i 3 m 4 8 4 2 2 无线网卡5 0 4 3 本章小结5 2 第5 章系统软件设计及实现5 3 5 1 基于x i l i n ) 【e d k 的嵌入式开发流程5 3 5 1 1s t a n d a l o n e 开发流程5 4 5 1 2e m b e d d e do s 开发流程5 5 5 2 面向m i c r o b l a z e 的操作系统移植5 6 5 2 1 环境配置5 7 5 2 2 硬件配置及交叉编译环境配置5 7 5 2 3 内核裁剪及编译5 8 5 2 4b o o t l o a d e r 配置6 0 5 2 5 内核下载及测试6 2 5 3 嵌入式网络摄像机6 3 5 3 1 摄像头驱动开发6 4 5 3 2 采集程序开发6 9 5 3 3 流媒体服务程序开发7 3 5 3 4m p e g 4 编码实现7 4 5 4 嵌入式流媒体终端7 6 5 4 1 操作系统移植7 7 5 4 2 无线网卡驱动移植8 0 5 4 3 数据通信协议设计8 l 5 4 4f p g a 上的控制程序开发8 3 5 4 5p d a 程序设计8 6 5 5 本章小结8 8 第6 章无线环境下的流媒体质量控制研究8 9 6 1 无线流媒体传输特点8 9 6 2 无线流媒体o o s 需求9 0 6 3 无线流媒体q o s 研究现状9 1 6 4 层次化的无线环境下的流媒体传输框架9 2 6 5 非平等的层次化协作q o s 模型9 4 6 5 1 设计目标9 5 6 5 2 系统框架9 5 6 5 3 分层q o s 保证9 7 6 6 本章小结1 0 0 第7 章系统测试1 0 1 7 1 测试环境1 0 1 7 2 测试步骤1 0 2 7 3 测试结果及分析1 0 3 7 4 本章小结1 0 5 结论1 0 7 参考文献1 0 9 目录 攻读硕士学位期间发表的学术论文1 1 3 致谢1 1 5 北京工业大学丁学硕士学付论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 流媒体技术是以流的方式在网络上传输多媒体( 包含音频、视频数据) 的技 术。这种技术可以被广泛地应用于远程教育、实时视频会议、网络监控、视频 点播、远程医疗等场合。它彻底改变了传统互联网只能向用户提供文字和图片 的缺陷，建立了集音频、视频及图文为一体的新格局。随着网络环境在硬件及 软件上的逐步的优化，流媒体服务逐渐成为互联网上的主流服务。 目前，大部分的网络业务( 包含流媒体) 都是基于有线网络。有线网络能够 提供高带宽、可信赖及信道稳定的环境。随着通信技术日新月异的发展，智能 的移动终端( 如智能手机、p d a 、便携式笔记本) 等设备的普及面越来越广，扮 演了越来越重要的角色。随着设备的处理能力越来越强大，人们对于移动设备 的功能要求也越来越丰富。因此，流媒体业务从有线网络扩展到无线网络是一 个必然的而且很具有发展前景的趋势。无线流媒体业务正在成为一种新新的业 务受到越来越多的关注。 移动设备接入i n t c m e t 的方式分为三种： 1 、c s d + 後p c s d 方式称为电路交换。这种方式类似于采用电话线上网的方式。这种方 式的缺点是费用较高( 按时计费，不按流量) 、速度慢( 9 6 k b p s ) 且语音和数据不能 同时传播。 2 、g p r s 、3 g g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e n ，i c e ，通用无线分组业务) ，是一种基于g s m 系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线i p 连接。被称为2 5 g 移动通信技术。与早期的c s d 接入方式相比，g p r s 有相当明显的优点f 卜。】： 表1 1c s d 与g p r s 性能比较 t a b l e1 1c o m p a s o nb e t w e e nc s da n dg p r s 对比项 c s dg p r s 传输速度 9 6 k b p s 1 7 1 2 k b p s 连接建立速度 l o 3 0 s 极短时间 费用 按时间计费 按流量计费 语音与数据不支持同时传输 支持同时传输 从表1 1 可以看出，相对于c s d 的数据接入方式，g p r s 在各个方面都有 很大的改善，提高了用户服务的质量。3 g 作为第三代移动通信技术，标准最高 可提供2 m b p s 的带宽，3 g 与2 g 及2 5 g 的主要区别就在于带宽的提高。 北京工q k 大学工学硕十学伊论文 3 、8 0 2 1 1 i e e e 提出的无线局域网协议( 8 0 2 1 1 ) 不管在费用还是在速度上( 8 0 2 1 1 的 速度是m 级的) 都能完全超越g p r s 及3 g ，只要再，a n 覆盖的区域，就能 像平时一样接入i n t e m e t 。8 0 2 1 1 是当前使用率最高的无线数据传输协议，有丰 富的工业级产品。 由于流媒体业务本身特质对带宽的要求，因此，使用8 0 2 1 1 协议将流媒体 业务扩展到移动设备以建立无线环境下的流媒体应用，是一个很好的选择。 对于流媒体传输系统，一个关键的评估标准是服务质量( q u l 时o fs e n ，i c e ， q o s ) 。它是指网络参与者( 网络终端、网络介质) 提供优先服务保证的一种能力。 包括抖动消减、延迟优化( 用于交互式和实时服务的情形) 、预留带宽、丢包率 的改进以及在不同的网络环境( w l a n 、l a n 和下的指定流量等。同时， 为了保证网络带宽使用的公平性，q o s 需要确保为每种服务提供的优先措施不 会阻碍其它服务的正常运行。一般情况下，如果网络只用于对时间无明确限制 的应用系统，并不需要q o s ，比如网页浏览，收发邮件，查看电子公告板等。 特殊服务情况下，如某些对关键应用和多媒体应用，q o s 就是十分必要的。当 网络拥塞或者带宽波动时，q o s 能确保重要业务量不受延迟与丢包或者在现有 条件下，尽量减少延迟与丢包，同时保证网络的平等、高效地运行。 无线环境下的流媒体业务除了具有有线环境下的基本特点，如非均匀性、 大数据量、可忍耐的误码、延迟与丢包之外，还具有高丢包率、误码率、终端 移动性及时变带宽等特性。这些特性是制约q o s 的关键因素。因此，对于无线 环境下的流媒体传输系统而言，为了提高系统的服务性能，q o s 是必须研究的 一个基础问题。 本课题就是在这种背景下提出的。 1 2 国内外研究现状 流媒体( s 仃e 狮i n gm e d i a ) 是指在i n t e m e t 上使用流式技术进行传输的基于时 间的媒体数据，包含音频、视频等媒体文件【4 l 。流媒体技术是指使用流式方式 在网络上传输流媒体数据的技术。实现流式数据传输有两种方式：顺序方式 ( p r o g r e s s i v es 仃e 锄i n g ) 和实时方式( r e a l t i m es 仃e 锄i n g ) 。顺序的方式适合于多媒 体文件的访问，如通过h t t p 服务器传输文件。实时方式适合现场需求，如视 频会议，远程监控、远程医疗等场合。 由于流媒体数据自身的特点以及对带宽、误码及时延的要求，对于流媒体 业务的研究主要集中在q o s ( q u a l 埘o f s e i c e ) 的保证上。在流媒体业务中，涉 及到三个组件：流媒体服务器、信道、终端。因此，q o s 的研究主要集中在这 第1 苹绪论 三个组件上。通过对相关文献的分析、整理可以得出影响q o s 的关键因素有： 信源编码性能和效率、信道编码与性能、流媒体服务器的性能、数据传输策略 等。 在信源编码方面，i s o 、t 等国际标准化组织都在一直进行着关于高性 能编码方案的研究，以便在不可靠的网络环境下，提供可靠的数据传输。当前 常用的视频编码标准有m p e g _ 4 ，h 2 6 4 等。新的标准正在不断的制定中。这 些编码标准采用了新的编码方式，如可伸缩编码( f g s 、p f g s ) 【5 1 、分层编码、 渐进式编码等。 在信道编码方面，根据实现的不同，可以分为两类：纠错编码和扰码1 6 l 。 采用扰码技术，使信号受到随机化处理，变为伪随机序列。这不但能改善错误 恢复的质量，还可以使信号频谱平滑，使帧同步、自适应同步和自适应时域均 衡等系统的性能得到改善。纠错编码是指在信源编码数据的基础上增加一些冗 余码元( 又称监督码或检验码) ，并通过一些机制，使监督码元与信息码元之间 建立一种确定的关系。在接收端，根据监督码元与信息码元之间已知的特定关 系，可实现检错和纠错。主要的纠错编码方式有奇偶校验码( c r c ) 、r s 编码、 交织编码及卷积码p j 。 传输策略是指流媒体服务器与终端以及终端与终端之间的进行数据传输的 协议。当前采用的流媒体传输协议是i e t f 在r t c l 8 8 9 中发布了r t p r t c p 协 议。但是r t p 本身只保证实时数据的传输，并不提供可靠的传输机制，也不提 供流量控制或者拥塞控制。因此，对于流媒体传输的q o s 的保证，还需要进一 步的研究。其中拥塞控制是传输策略中一个比较关键的研究点。 目前，流媒体业务还是以有线网络为主。随着人们需求水平的不断提高， 以及无线通信技术的发展，流媒体技术正在慢慢地发展到无线网络环境中。无 线环境具有高丢包率、误码率、终端移动性及带宽不稳定性，因此，对于无线 环境下的流媒体业务的研究还需要进一步的发展。对于无线环境下的流媒体传 输主要集中在两个方面：差错控制及拥塞控制。 在差错控制方面，由于无线信道容易受到其他信道以及环境的干扰，差错 控制是一个关键的研究点。主要的差错控制研究主要有，前向纠错( f e c ) 、自动 请求重传( a r q ) 、容错性编码及差错掩盖| 7 】。t s a im i n g f o n g 等提出了一种自适 应的子包前向纠错机制( s u b p a c k e tf e c ，s p f e c ) ，以改进在无线网络中传输 流媒体视频的质量。同时，增强了错误恢复及减少时延和抖动的效果蝎j 。 在拥塞控制的研究方面，主要集中在发送端的速率控制及端与端的控制反 馈上。主要的实现方法有，最小传输、自适应速率控制。针对无线环境的特点， 吕提出了一种基于无线环境下的丢包区分算法拥塞控制策略【引。盛提出了一种 基于接收端的速率控制方法和传输策略【i 。y a n gs o n g 提出了一种在8 0 2 1 1 北京工q p 大学丁学硕：l ：宁仲论文 w l a n 环境下，基于门限值优化的自适应速率控制算法j 。g 0 u d a r z ip 等提出 了一种适合无线a d h o c 网络的视频传输的优化速率分配机制2 i 。 另外，目前移动终端使用w l a n 方式接入i n t e m e t ，享受流媒体服务采用 的主要方式是使用内置的w i f i ( 8 0 2 1 1 b ) 模块来完成。这种方式虽然轻巧、方便， 但这种方式存在以下几个缺点【l 3 2 1 j ： l 、通用性：内置芯片使得数据的处理及控制依赖手机本身的操作系统，芯片 的设计与手机主板的设计存在高耦合性，不具备通用性。本课题就是要开发一 个通用外置的模块，这样就能轻易的使用该模块达到无线数据接入，而且，对 于其他的移动终端，如p d a ，也可快速的实现无线数据传输功能。 2 、安全性：无线数据传输由于其开放性，使得数据的加密异常的重要。内置 的芯片在使用之前就必须设置好加密的方式和相关的电路设计，而外置的模块 可自由选择合适的加密子模块，且更改方便。 3 、整合：将8 0 2 1 1 与低速的蓝牙整合在一个系统中一直是研究的前沿，鲜有 工业级的产品。而采用外置的方式时，这个麻烦将被巧妙的避开。 1 3 研究内容 论文的主要研究内容有： l 、嵌入式流媒体摄像机系统的开发。开发涉及到硬件开发与软件开发。软件 开发包含：摄像头驱动的开发、采集程序的开发、视频编码以及流媒体服务器 程序的建立 2 、嵌入式流媒体终端系统的开发。终端系统的开发涉及到硬件与软件开发。 硬件开发包含：无线模块设计、终端系统设计。软件开发包含：流媒体客户端、 音视频解码操作、接口数据交互协议及手持设备上的播放程序。论文的关键工 作是无线模块硬件实现，以及相应的配套软件开发。 3 、无线环境下的流媒体质量控制研究。研究处于无线环境下的流媒体q o s 保 证策略，包含差错控制及拥塞控制。 1 4 论文组织结构 论文的章节安排如下： 第1 章，绪论：主要介绍课题的选题背景、国内外现状，并对文中涉及到 的技术进行简要的介绍。同时阐述了论文的研究内容及组织结构。 第2 章，相关技术研究：主要介绍与课题相关的技术，包含：嵌入式l i n u x 开发( 主要是嵌入式环境下的设备驱动开发) 、流媒体传输协议、j a v a 多媒体开 发框架、流媒体压缩算法( m p e g 4 、h 2 “) 及8 0 2 1 1 协议。 帮1 覃绪论 第3 章，系统总体设计：分析系统使用场景、功能及性能月标，设计系统 总体结构，并就硬件及软件给出具体的设计方案。 第4 章，基于x i l i l l ) 【f p g a 结构的硬件设计：从硬件上设计并实现了嵌入 式网络摄像机及嵌入式流媒体终端。 第5 章，系统软件设计及实现：从软件的角度对系统进行了设计。首先实 现了面向x i l i l l ) 【f p g a 的操纵系统移植，然后分别就嵌入式网络摄像机及嵌入 式流媒体终端进行了软件设计。 第6 章，无线环境下的流媒体质量控制：分析流媒体q o s 影响因素及无线 环境下的流媒体传输特点，改进了一种适合无线环境下的q o s 保证模型。 结论：总结论文完成的工作，分析了研究过程中遇到的问题和解决方法以 及论文的不足，并提出了进一步研究的方向。 北京工q k 大学t 学硕。l ：学付论文 6 ，j 第2 章相关技术研究 第2 章相关技术研究 2 1 嵌入式l i n u x 开发 2 1 1 嵌入式“n u x 嵌入式系统是以应用为中心，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、体积、成本、功耗等要求严格的专用计算机系统【2 引。 一个最小的嵌入式系统的基本组成为【2 3 】： b 0 0 t l o a d e r ：用作引导程序。 嵌入式操作系统：一个具备内存管理，进程管理和定时器服务的操作系 统微内核( 包含设备驱动，可多次更新) 。 根文件系统( 可多次更新) 。 用户文件系统。主要是用户应用程序。 其中，嵌入式操作系统是整个嵌入式系统的核心。嵌入式操作系统除了具 备一般操作系统的基本功能，如进程调度、同步机制、终端处理、文件处理等， 还具备以下特点【2 3 2 4 1 ： 可移植性：由于嵌入式硬件平台的多样性( 主要是处理器的多样性) ， 因此，嵌入式操作系统需要具有良好的可移植性，以便适应不同的硬 件平台且能正确运行。 小巧性：嵌入式系统一个很关键的特点就是非常有限的硬件资源，如 内存、f 1 a s h 等。因此，嵌入式操作系统需要在有限的资源下运行，需 要小巧的内核。 可裁剪性：嵌入式系统是一个面向特定应用的计算机系统，很多的操 作系统提供功能并不是必要的，同时硬件资源非常有限，因此，嵌入 式操作系统必须具有可裁剪性，这样才能在不影响功能的情况下，将 内核裁剪到符合应用及硬件资源限制的要求。 嵌入式l i n u x 是指将l i n u x 系统应用到嵌入式系统中的经过裁剪的小型 l i n u ) 【系统。它具备了l i n l l ) 【大部分的功能和优点：支持多用户、多进程、多 线程、及较好的实时性。典型的应用如手机、p d a 、多媒体播放器、机顶盒以 及其他的消费电子设备、网络设备、机械控制、工业自动化、导航设备以及医 疗设备【2 4 j 。v d c ( v c n t i l r ed e v e l o p m e n tc o r p o r 撕o n ) 的调查统计结果表明，l i 肌x 系统占据了嵌入式设备操作系统中的1 8 拉川。 下面介绍一些较著名的嵌入式l i n u x 2 4 j ： 北京丁q p 大学工掌硕士学何论文 1 、u c l i n u x u c l i n l l ) 【是由l h l e o 公司开发的经典嵌入式l i n l l ) 【系统，主要是针对没有 m m u ( m 锄o d ，m a n a g e m e n tu n i t ) 的目标处理器而设计的，是l i n u x 的嵌入式 版本。它继承了传统l i n u x 的高稳定性、强大网络功能和出色的文件系统特性， 同时又经过各方面的小型化改造，形成了一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式 操作系统。u c l i n u x 提供了短小精悍的u c l i b c 支持函数库，以支持应用开发。 内核裁剪一般能达到5 0 0 k ，非常适合嵌入式系统的要求。目前已经被成功地移 植到很多硬件平台上。 2 、嵌入式i 玎l i n u x r tl i n u x 是r e a lt i m el i n u x 的简写，是一个嵌入式硬实时操作系统，它部 分支持p o s i x 1 b 标准，由美国墨西哥理工学院开发的嵌入式l i n u x 操作系统。 到目前为止，r t _ l i n u x 已经成功地应用于电影特技图像处理、空间数据采集、 科学仪器测控等广泛领域。r _ t - l i n u x 开发者并没有针对实时操作系统的特性而 重写l i n u x 的内核，因为这样做的工作量非常大，而且要保证兼容性也非常困 难。为此，l m l i n u x 提出了精巧的内核，并把标准的l i n u 】【核心作为实时核心 的一个进程，同用户的实时进程一起调度。这样对l i n u x 内核的改动非常小， 并且充分利用了l i n u ) 【下现有的丰富的软件资源。 3 、m o n t a v i s t al i n u ) 【 m o n t a s t al i n u x 是由m o n t a v i s t a 公司推出的商用l i n u ) 【操作系统，核心 产品是p r o f e s s i o ne d i t i o n ( 简称p 版) ，主要针对各种通用的嵌入式应用。 m o n t a v i s t al i n u x 能够支持广泛的c p u 芯片系列，支持多种目标板结构，并提 供强大的网络协议支持，而且拥有丰富的驱动程序和a p i 。目前已被移植到到 多个硬件平台之上，如x i l i 似f p g a 。3 0 版本以后m o n t a v i s t al i n u 】【增加了集 成的开发环境( i d e ) ，使用l e ，3 1 版本之后升级成e c l i p s e ，这是一个目前功 能最完善的集成开发环境。m 0 n t a v i s t al i n u ) 【还支持高可用性技术，尤其是支 持错误恢复、c o m p a c tp c i 热交换重新配置和系统跟踪错误的关键软件，可以 使c o m p a c tp c i 系统的可靠性达到9 9 9 9 9 。 2 1 2l i n u x 下的设备驱动开发 设备驱动程序是l i n u ) 【内核的重要组成部分。设备驱动的主要功能是控制 设备，并且提供一些可用的a p i 以允许应用程序与特定的设备进行交互。 从方法论的角度来看，设备驱动是一个非常有用的抽象。设备驱动程序位 于内核与它所控制的硬件之间。内核只需要向应用程序提供统一的、定义良好 的接口( 如o p e n ，c l o s e ，r e a d ，州t e ，i o c t r l ) ，而不去管理具体的操作是如何实现的。 第2 覃相艾技术研冗 与硬件交互的任务完全交托给驱动程序。在每个驱动程序中，完成了对特定设 备的操作。内核在设计时，就不需要去考虑具体的某个外设，只需要对设备操 作做出一个抽象框架即可。这大大提高了内核的模块化级别、精简程度及代码 的可移植性，同时也方便了对不同设备的驱动的开发。以文件系统为例，l i n u x 系统的文件系统分为两层：虚拟文件系统( v f s ) 及特定的文件系统。虚拟文件系 统是一个通用的平台，向内核提供统一的操作接口。而特定的文件系统，如 e x t 2 、础汀等是注册到虚拟文件系统之上的文件系统。如果要添加一个新的文 件系统，如u f s ，只需要作加载即可。这种基于接口的设计方法被广泛的应用 到l i n u x 及其它类u n 系统的设计中。 驱动程序作为内核的重要组成部分，是以模块的形式加载到内核代码中的。 加载的方式有两种【2 6 l ： 自动加载。采用这种方式时，驱动程序是直接编译进内核，然后下载 到目标板。驱动程序随着内核的启动自动加载。 手动加载。采用这种方式时，内核与驱动程序是分开编译的。驱动程 序编译成模块后，使用i n s m o d 命令进行加载，姗m o d 卸载。模块一 旦被加载到内核后，就与其它的内核模块有同样的地位。 在嵌入式系统开发中，由于内核是运行在嵌入式硬件系统之上，所以一般 都采取直接将驱动程序与内核一起编译进内核的方法来实现驱动程序的自动加 载。 l 、设备分类| 2 昭7 j 根据设备行为的不同，可以将设备驱动分成三类：字符设备、块设备和包 设备。在l i 硼x 系统中，对前两类设备的访问都是通过文件节点来进行的。每 一个设备在l i n u ) 【的文件系统中都有一个文件与之对应。这种文件称为设备文 件。对设备文件的i o 操作，系统会调用对应的设备驱动程序。 1 ) 字符设备( c h a r a c t e rd e v i c e ) 字符设备是指以字节为单位进行顺序读取和写入的设备。对字符设备的访 问就像一般的文件一样，如磁带、音频数据流。某些字符设备也支持定位操作， 也可以实现来回读取。 2 ) 块设备佃l o c kd e v i c e ) 允许随机访问，一般每次读取的大小都是块大小的整数倍。对块设备读写 操作都是通过系统缓冲区来实现的。 3 ) 包设备( p a c l ( a g ed e v i c e ) 或者称为网络设备。此类设备没有对应的设备文件节点。l i n u x 中的网络 系统是基于b s d ( b e r k e l e ys o 脚a r ed i s t r i b u t i o n ) u n i xs o c k e t 框架。网络设备驱 动框架自上而下分为：网络协议接口层、网络设备接口层、设备驱动功能层及 北京工、i k 大掌t 掌硕l 学伊论文 设备媒介层。系统提供对数据收发、缓存、流量控制及多种协议的支持。 需要说明的是，字符设备主要用来存储数据，而块设备主要用于容纳文件 系统。字符设备与块设备的根本区别不在于是顺序操作还是随机操作，而在于 系统对这两类设备的处理方式。对字符设备的读写操作( r e a d 、州t e ) 都交给设备 驱动程序来完成，而对块设备的读写操作都是通过缓冲区来进行的。每一个块 设备驱动程序都需要提供对于b u 虢rc a