（机械电子工程专业论文）工厂监控系统研究与应用.pdf

工厂监控系统研究与应用 摘要 近年来嵌入式远程视频监控系统取得了飞速的发展，被应用 与社会生活的方方面面。它可以充分利用现有的网络资源，方便 的接入到l o m l o o m 以太网中。在系统结构上采用浏览器朋艮务器 的模式，它的优点是在有网络的地方就可以利用浏览器查看现场 情况：采用超文本协议，可以进行静态、动态、交互等形式的文 字处理，无需客户端开发专用软件等。 本文研究和设计了一种基于$ 3 c 2 4 1 0 嵌入式a r m 芯片和嵌 入式l i n u x 相结合的厂房远程视频监控系统，包括系统硬件的选 择、b o o t l o a d e r 的移植、l i n u x 系统的移植等。让系统可以实现对 远程监控信息的获取。 本文首先详细的介绍了嵌入式系统的硬件选择和组成。阐述 了了系统的硬件性能和嵌入式系统的工作原理。 接着，详细阐述了嵌入式系统和嵌入式l i n u x 操作系统的特 点及构成。然后在完成建立嵌入式l i n u x 系统的交叉编译环境后， 建立了一个w e b 访问的主页实现客户远程访问现场的视频信息。 文章最后，对本系统的设计进行了总结，提出了尚需改进和 提高的地方，并对监控系统的应用和未来的发展做了简要的介绍。 关键词：嵌入式系统嵌入式l i n u x工厂远程监控 t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f f a c t o r ym o n i t o rs y s t e m a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，e m b e d d e dr e m o t e v i d e om o n i t o rs y s t e m a c q u i r e s r a p i dd e v e l o p m e n t ，a n d t h es y s t e mi s a p p l i e dw i t ha l l a s p e c t so fs o c i a ll i f e i t c a nm a k ef u l lu s eo fe x i s t i n gn e t w o r k r e s o u r c e s c o n v e n i e n t l ya c c e s st o1o m 1o o me t h e r n e t t h es t r u c t u r e u s e di nt h es y s t e mi sb r o w s e r s e r v e rm o d e l a n di t s a d v a n t a g e s i n c l u d et h a ti nt h el o c a ln e t w o r kt h ec l i e n tc a nu s et h eb r o w s e rt o v i e wt h el o c a lc i r c u m s t a n c ea n di tc a nt r a n s f e rt h ea r t i c l ea n dp i c t u r e o fs t a t i cs t a t ea n dd y n a m i cs t a t i ca n di n t e r a c t i v ef o r mw i t ht h eh y p e r t e x tp r o t o c 0 1 t h i st h e s i ss t u d i e da n dd e s i g n e do n ek i n do fp l a n tr e m o t ev i d e o s u p e r v i s i n g ，b a s e do nt h e $ 3 c 2 4 10c h i pa n de m b e d d e dl i n u x i t i n c l u d e sh a r d w a r es y s t e mb o a r ds e l e c t l i n u xs y s t e mb o o t l o a d e r c o m p i l ea n dt r a n s p l a n ta n dl i n u xs y s t e mt r a n s p l a n t s ot h es y s t e m c a na c h i e v et h er e m o t em o n i t o r i n gi n f o r m a t i o n f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h es e l e c t i o no ft h ee m b e d d e d s y s t e ma n dh a r d w a r e i te x p o u n d st h es y s t e mh a r d w a r ep e r f o r m a n c e a n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ee m b e d d e ds y s t e m s e c o n d l y ，t h ec h a r a c t e r sa n ds t r u c t u r eo ft h ee m b e d d e ds y s t e m a n de m b e d d e dl i n u xo sa r ed i s c u s s e di nt h et h e s i s t h e na f t e rt h e f o u n d a t i o no fc r o s sc o m p i l e re n v i r o n m e n t ，ah o m e p a g ef o rw e b c l i e n tt or e m o t ea c c e s st h es c e n c eo ft h ev i d e oi n f o r m a t i o ni s c o m p l e t e d a r t i c l ef i n a l y ，t h ed e s i g no ft h es y s t e mw e r es u m m a r i z e db ya n e e dt o i m p r o v ea n de n h a n c e t h ep la c e ，a n dm o n i t o r i n g s y s t e m a p p l i c a t i o n sa n dt h ef u t u r ed e v e l o p m e n to fa b r i e fi n t r o d u c t i o n f i n a l l y ，ac o n c l u s i o ni sm a d eo ft h ew h o l em o n i t o rs y s t e m t h e r ea r ea l s os o m en e e d sa n di m p r o v e m e n tf o rt h es y s t e m a n dt h e n ab r i e f l yi n t r o d u c t i o ni sm a d ea b l o u tt h ea p p l i c a t i o na n df u t u r e d e v e l o p m e n to ft h ep l a n tr e m o t em o n i t o rs y s t e m k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e me m b e d d e dl i n u x f a c t o r yr e m o t em o n i t o r 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，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邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 骥耷缝日期：一丝! 乒她 f 1 、- o 。o， 。一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围， 本人签名：丝垒韭 导师签名：在经聋 适用本授权书。 日期： 加9 乒3 iz沙j 己 第一章绪论 1 1 厂房监控系统的研究背景 在目前企业的厂房中存在着大量得机器和设备。这些机器和设备要求很高 的运行稳定性和可靠性，有的还要2 4 小时运行。为了保证这些精密机器和设 备的安全稳定运行，厂房里一般配有可以调节温度和湿度的空调，防断电保护 的u p s ，多路电源，以及防水防火和防盗的设备。而且一般的厂房都会安排一 些专门的人员来维护这些设备。这就出现了一些问题，例如上面所说的机器和 设备都是独立运行的设备。如何有效能提高这些设备的故障检测处理速度，减 少维护人员的数量，提高工作的效率，那么一套厂房视频监控系统是必不可少 的。 传统的工厂几乎都没有类似的监控系统，都是人工职守的，而由于恶劣的 工作环境，不便于实地坚守就需要花费人力来定时巡查。而现代通信技术和嵌 入式技术的发展为视频监控系统提供了新的解决方案。 随着科学技术的迅猛发展，自从上个世纪9 0 年代以来，远程监控技术的 重要性正逐渐的被人们所认识和重视。远程监控系统是信息网络与工业控制网 络相结合的产物，它通过现场控制网络、企业内部网和i n t e m e t ，把分布于各 地的智能仪表系统互连起来，实现控制设备间的远程信息交互，完成远程监视 与控制任务。其应用领域十分广阔，涉及工业的生产控制、航空航天、智能小 区、网络化家电等各行各业，具有良好的发展前景。这项技术的发展与成熟将 会给人们的生产生活带来深远的影响。将w e b 技术应用到远程监控系统中， 可以提供比传统远程监控更为强大的功能。用户只需要通过普通的浏览器，就 可以实现对远程设备的监视、控制、诊断、测试和配置，且系统具有界面简单、 标准、技术成熟、传输数据量少等优点。而且随着i n t e r n e t 的普及和现代通信 技术的进步，基于t c p i p 技术和b r o w s e r s e v e r 架构的分布式监控系统，已经 成为信息网络的一种最普遍应用的信息交互平台。借助以太网和i n t e m e t 技术， 把嵌入式系统连接到i n t e r n e t 上，就可以方便、低廉的把信息传送到世界的任 何一个地方，实现资源的共享，从而使人们有能力解决以前在极有限的资源下 很难解决的问题，为远程监控系统的发展提供了有利的条件【l 】。互联网技术近 年来发展迅速，将工业控制网络融入互联网，并对其进行w e b 监控成了近期 的热点课题。可以预见，将w e b 技术应用于监控系统将成为今后远程监控技 术发展的主流方向之一。 厂房远程视频监控系统可以实现厂房内设备的集中控制，并且能清楚的了 解厂房内设备的运转情况。由于厂房内设备的多样性，如电源、电机、机床、 空调、变电器、服务器等设备的参数以及厂房内的环境参数如温度、湿度的参 数，非常繁多，如果采用这个一个厂房远程的视频监控系统，就可以快速的对 这个环境有一个正确的了解，进而能够提高生产效率。 现代社会对计算机和网络的需求越来越大，我们越来越离不开信息化带给 我们的便利生活条件。我们可以在计算机前处理工作文档，可以视频聊天，甚 至可以进行网上的物品交易。因而对厂房等等比较恶劣的工作场所，如果能利 用信息化带给我们的便利，那我们就可以更方便的工作，改善工作环境。 嵌入式系统以它不逊于计算机的性能和便携的体积正应用在我们生活的 每一个角落，小到刮胡刀、m p 3 等，大到冰箱电视等日常用品。在工业系统中， 如数字机床，工业机器人也正越来越多装备到企业中。 厂房视频监控系统是基于t c p i p 协议，以网络为传输媒介，以计算机技 术为核心的数字监控系统。 嵌入式视频监控系统是以应用为核心，软硬件可裁剪的可定制的专用计算 机系统。嵌入式操作系统是一种实时的，支持嵌入式系统应用的操作系统软件， 它是嵌入式系统极为重要的组成部分，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、标准化浏览器等，嵌入式操 作系统在系统实时高效性、硬件的相关依靠性、软件固态化及应用的专用性等 方面具有较为突出的特点。 1 2 嵌入式系统研究的发展与现状 2 1 2 1 模拟视频监控 模拟视频监控高度依赖摄像机、缆、录像机和监视器等专用设备。例如， 摄像机通过专用同轴缆输出视频信号。缆连接到专用模拟视频设备，如视频画 面分割器、矩阵、切换器、卡带式录像机( v c r ) 及视频监视器等。模拟视频监 控存在大量局限性【2 】： ( 1 ) 有限监控能力。只支持本地监控，受到模拟视频缆传输长度和缆放大 器限制。 ( 2 ) 有限可扩展性。系统通常受到视频画面分割器、矩阵和切换器输入容 量限制。 ( 3 ) 录像负载重。用户必须从录像机中取出或更换新录像带保存，且录像 带易于丢失、被盗或无意中被擦除。 ( 4 ) 录像质量不高。录像是主要限制因素。录像质量随拷贝数量增加而降 低。 1 2 2 基于p c 的多媒体监控 基于p c 的多媒体监控是以数字硬盘录像机d v r 为核心的半模拟一半数字 方案【3 】。它从摄像机到d v r 仍采用同轴缆输出视频信号，通过d v r 同时支持 录像和回放，并可支持有限i p 网络访问，由于d v r 产品五花八门，没有标准， 所以这一代系统是非标准封闭系统，d v r 系统仍存在大量局限： ( 1 ) 复杂布线。“模拟数字 方案仍需要在每个摄像机上安装单独视频缆， 导致布线复杂性。 ( 2 ) 有限可扩展性。d v r 典型限制是一次最多只能扩展1 6 个摄像机。 ( 3 ) 有限可管理性。您需要外部服务器和管理软件来控制多个d v r 或监控 点。 ( 4 ) 有限远程监视控制能力。您不能从任意客户机访问任意摄像机。您只 能通过d v r 间接访问摄像机。 ( 5 ) 磁盘发生故障风险。与r a i d 冗余和磁带相比， “模拟数字 方案录 像没有保护，易于丢失。 1 2 3 基于网络的数字化远程视频监控 全i p 视频监控系统与前面两种方案相比存在显著区别。该系统优势是摄 像机内置w e b 服务器，并直接提供以太网端口。这些摄像机生成j p e g 或 m p e g 4 数据文件，可供任何经授权客户机从网络中任何位置访问、监视、记 录并打印，而不是生成连续模拟视频信号形式图像【4 1 。全i p 视频监控系统它巨 大优势是： ( 1 ) 简便性一所有摄像机都通过经济高效有线或者无线以太网简单连接到 网络，使您能够利用现有局域网基础设施。您可使用5 类网络缆或无线网络方 式传输摄像机输出图像以及水平、垂直、变倍( p t z ) 控制命令( 甚至可以直接通 过以太网供) 。 ( 2 ) 强大中心控制。一台工业标准服务器和一套控制管理应用软件就可运行 整个监控系统。 ( 3 ) 易于升级与全面可扩展性。轻松添加更多摄像机。中心服务器将来能够 方便升级到更快速处理器、更大容量磁盘驱动器以及更大带宽等。 ( 4 ) 全面远程监视。任何经授权客户机都可直接访问任意摄像机。您也可通 过中央服务器访问监视图像。 ( 5 ) 坚固冗余存储器。可同时利用s c s i 、r a i d 以及磁带备份存储技术永久 保护监视图像不受硬盘驱动器故障影响。 1 2 4 视频监控系统的发展方向 数字化、网络化、智能化是视频监控系统的发展方向。 视频监控系统的数字化首先是将系统中信息流( 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，改变视频监控系统的信息采集、数据处理、传输、系统 控制等方式和结构形式【5 】。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他各子系统问实现无缝连接，并在统一的操作平台 上实现管理和控制。 视频监控系统的网络化意味着系统结构将由集总式向集散式系统过渡。集 散式系统采用多层分级的结构形式，具有微内核技术的实时多任务、多用户、 分布式，操作系统，以实现抢先任务调度算法的快速响应( 6 j 。组成集散式监控 4 系统的硬件和软件采用标准化、模块化和系列化设计，系统设备的配置具有通 用性强、开放性好、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、人机界面 友好以及系统安装、调试和维修简单化，系统运行互为热备份，容错可靠等优 点。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，使整个网络系统硬件和软件资源共享以及任务和负载共享。视频监控系统 信息流直接在i p 网络中传输，充分利用网络现有的强大功能，而不是另起炉 灶，不需重新布线。 视频监控系统的智能化采用智能视频技术，智能视频( i v ) 源自计算机视觉 ( c v ) 技术。计算机视觉技术是人工智能( a i ) 研究的分支之一，能够在图像及图 像描述之间建立映射关系，从而使计算通过数字图像处理和分析来理解视频画 面中的内容。而视频监控中的智能视频技术主要是指“自动分析和抽取视频源 中的关键信息 。智能视频技术借助计算机强大的数据处理功能，对视频画面 中的海量数据进行高速分析，过滤掉用户不关心的部分，仅仅为监控者提供有 用的信息。 前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化是视频监控系统公认 的发展方向，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础【7 1 。在 实际选用技术方案时，应选用新型元器件组成的视频采集、信号处理、功能控 制系统，建设时应与弱电项日和网络建设一同考虑，最大限度共享资源，节省 综合投资，方便运行处理。 随着网络带宽、计算机处理能力和存储容量的迅速提高，以及各种视频信 息处理技术的出现，全程数字化、网络化、智能化的视频监控系统优势愈发明 显，其高度的开放性、集成性、安全性和灵活性为视频监控系统和设备的整体 性能提升创造了必要的条件，同时也为整个视频监控的发展提供了更加广阔的 发展空间，崭新的应用模式和市场机遇不断涌现，而智能视频监控则是网络化 视频监控领域最前沿的应用模式之一。 1 3 本视频监控的意义 根据厂房的实际情况，建立一个厂房视频监控系统的总体功能如下： “无人值班、少人值守”的运行管理模式，要求设备要适应环境的变化， 能高效、长期、可靠和稳定运行； 实现视频图像的稳定采集； 实现视频图像的远距离传输； 可实现远程浏览视频信息； 可实现远程图片存储； 具有远程控制功能； 可任意扩充监控终端； 系统管理员分级权限； 本系统的远程视频监控系统功能有如下两点：第一、通过实时的数据传输 得到网络视频图像，这样要求系统的及时性和网络性要好；第二、通过嵌入式 系统的功能，控制摄像头产生实时监控的图片，可以远程将图片传送出去，这 样的好处是比视频占用的带宽更小，更稳定。 1 4 课题的研究内容及其设计方案 本系统主要分为三个部分，即图像信号和采集数据的采样，信息的编码， 编码后的网络传送。 系统的工作原理是：首先移植嵌入式操作系统到操作系统平台中，针对摄 像头和数据采集芯片编写驱动实现对硬件的驱动，系统中的操作系统启动后加 载摄像头驱动和硬件驱动采集数据，接着将采集的数据通过数据压缩，最后通 过网络通信程序把压缩后的文件发送出去，远端的主机可以通过网络进行浏览 并可进行远程控制。 网络视频监控系统是一个完整的系统，这里涉及如下的工作： 硬件系统的实现，这里包括对存储控制芯片d m 9 0 0 0 、f l a s h 存储器、 s d r a m 存储器等接口实现。 数据采集模块和摄像头的驱动编写及加载。这个是这个系统的难点和重 点。 视频采集技术。 视频压缩技术的实现。要保证视频传输的稳定和快速。 网络通信及浏览器中视频浏览的实现。 因此在设计这个系统中设计的难点主要涉及到对硬件的了解、硬件的驱动 的编写，有了系统硬件的支持才能使系统正常的工作。 还要涉及到视频采集压缩的知识，以及t c p i p 协议的学习，使整个系统 呈现在网络上，实现网络的监控设计。 6 第二章嵌入式开发平台的选择 2 1 平台选择的原则 开发平台的选择主要从四个方面考虑，即先进性、结构开放性、实时 性和可靠性： 先进性：用最新或是功能更完善的芯片，达到更高的精度和可靠性， 使系统的精度和可靠性得到了保证；运用先进的面向对象程序设计技术和 软件功能模块方法，保证系统最大限度地适应技术发展和业务发展的变化。 结构开放性：应用开发平台接口开放化、网络设计标准化，采用开 放性和 标准化协议，保证网络互连简单易行；并使设计留有余地，为以后的 升级提供了方便。 实时性：监控系统严格要求业务数据必须能够进行实时的交互数据 传送。 可靠性：须满足业务数据在其中进行稳定可靠的传输、显示，不会 因为外界的干扰而错误的位置信息。 整个开发平台由核心板和底板构成。核心板和底板配合即构成一个完 整的应用系统。系统具有体积小、耗电低、处理能力强等特点，能够装载 和运行嵌入式l i n u x 操作系统。用户可以在这个系统平台上进行自主软件开 发。具体的结构如图2 1 所示。 7 2 2 嵌入式处理器 图2 1 开发平台硬件架构 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处理器 的最大不同点在于嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中【8 1 。 它通常把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于 嵌入式系统设计趋于小型化，并且有高效率、高可靠性等特征。 随着嵌入式系统不断深入到人们生活中的各个领域，嵌入式处理器得 到了前所未有的飞速发展。目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器品种 总量超过1 5 0 0 多种，流行体系结构有5 0 多个系列。它具有体积小、重量 轻、成本低、可靠性高等优点。目前比较有影响的嵌入式r i s c 处理器产品 主要：m o t o r o l a 公司的6 8 0 0 0 c o l d f i r e 、i b m 公司的p o w e rp c 、m i p s 公司 的m i p s 、s u n 公司的s p a r c 和a r m 公司的a r m 系列等。 a r m 系列处理器是英国先进r i s c 机器公司( a d v a n c er i s cm a c h i n e s ， a r m ) 的产品。a r m 公司自1 9 9 0 年正式成立以来，在3 2 位r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ) c p u 开发领域不断取得突破，其结构己经从v 3 发 展到v 6 。由于a r m 公司自成立以来，一直以i p ( i n t e l l i g e n c ep a t e n t ) 提供者 的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而自己从不介入芯片的生产销 售，加上其设计的芯核具有功耗低，成本低等显著优点，因此获得众多的 半导体厂家和整机厂商的大力支持，在3 2 位嵌入式应用领域获得了巨大的 8 成功。2 0 0 1 年度里a r m 占据了整个3 2 位、6 4 位嵌入式微处理器市场的 7 5 ；在2 0 0 2 年度里，占据了整个3 2 位、6 4 位嵌入式微处理器市场的7 9 5 。 在低功耗，低成本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位。目前，8 0 以上 的g s m 手机、9 9 的c d m a 手机以及将来的w c d m a 、t d s c d m a 手机 都采用的是基于a r m 核心的处理器。全球设计、生产a r m 芯片的半导体 公司将近2 0 0 多个，国际大公司已经超过5 0 多家，国内中兴、华为、东南 大学、上海集成电路设计中心、中芯国际、大唐等公司已经购买a r m 公司 的芯片核心技术授权协议，用于通讯专用芯片的设计。 此外，a r m 芯片还获得了许多实时操作系统供应商的支持，比较知名 的有：w i n d o w sc e 、u c l i n u x 、p s o s 、v x w o r k s 、n u c l e u s 、e p o c 、uc o s 、 b e o s 、p a l mo s 、q n x 等。自v 5 以后，a r m 公司提供p i c c o l od s p 的 芯核给芯片设计者，用于设计a r m + d s p 的s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 结构的芯 片。 a r m 微处理器核技术广泛用于便携式通信产品、手持计算、多媒体和 嵌入式解决方案等领域，以成为r i s c 标准。目前基于a r m 核的处理器有 以下几类： a r m 7 家族； a r m 9 家族； a r m 9 e 家族； a r m l 0 e 家族； a r m l l 家族； s e c u r c o r e 家族； o p t i m o d e 数据引擎内核； m p c o r e 多处理器家族； i n t e l 公司的s t r o n g a r m x s c a l e 。 其中a r m 9 微处理器系列在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能 组合。具有以下特点： 5 级整数流水线，指令执行效率更高； 提供1 1 m i p s m h z 的哈佛结构； 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集； 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口； 全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流 嵌入式操作系统； m p u 支持实时操作系统； 9 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 a r m 9 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机 顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。 a r m 9 系列微处理器包含a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类 型，以适用于不同的应用场合。 基于上述原因，针对课题需求，设计中选用的是s a m s u n g 公司的 $ 3 c 2 4 1 0 x 处理器。 s a m s u n g 公司s 3 c 系列芯片是国内市场占有率最高的a r m 核处理器芯 片，其中基于a r m 9 内核的芯片$ 3 c 2 4 1 0 ，其接口模块丰富，适用面广， 可用于手持设备、可视电话、楼宇的对讲系统、v o i p 、网络监控、多媒体 终端产品、医疗电子设备和各种其它移动无线应用等。 $ 3 c 2 4 1 0 是基于a r m 9 2 0 t 处理器核的1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微控制 器，该内核由a r m 9 t d m i 、存储管理单元( m m u ) 和高速缓存三部分组成。 其中，m m u 可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的1 6 k b 的指令c a c h e 和 1 6 k b 数据c a c h e 组成。$ 3 c 2 4 1 0 的资源丰富，包括：1 个l c d 控制器、s d r a m 控制器，n a n d 闪存控制器，3 路u a r t 、4 路d m a 、4 路带p w m 功能的 计时器和1 个内部时钟、117 位通用i o 口和2 4 位外部中断源、8 路1 0 位a d 控制器、触摸屏接口、1 2 s 总线接口、2 个u s b 主机接口、1 个u s b 设备接口、s d 接口和m m c 卡接口、看门狗计数器、2 路s p i 。在处理器丰 富资源的基础上，$ 3 c 2 4 1 0 核心板上还配置了1 6 m b1 6 b 的f l a s h 和 6 4 m b3 2 位的s d r a m t 9 1 。 $ 3 c 2 4 1 0 x 的资源包括： 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屏) ； 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； 8 通道的l 0 位a d c ； 触摸屏接口； 1 2 s 总线接口； 2 个u s b 主机接口，1 个u s b 设备接口； 2 个s p i 接口； s d 接口和m m c 卡接口； 看门狗计数器； 1 0 1 1 7 位通用i o 口和2 4 位外部中断源； 8 通道1 0 位a d 控制器。 2 3 外围电路 本系统是一个完整的嵌入式系统，根据实际的应用需要以下通信接口： r s 2 3 2 串行接口：目前r s 2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最广泛的 一种串行接口。r s 2 3 2 被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的 单端标准。系统需要通过该串口下载程序，或者进行串行通信。 u s b ：u s b 接口以其方便、传输速率高等优点逐渐成为计算机行业 的外设接口标准。嵌入式设备要与p c 机进行高速通信，那么u s b 接口当 然是理想的选择。 以太网接口：在i n t e r n e t 飞速发展的今天，网络己经渗透到了方方面 面。在嵌入式系统方面，和网络的结合已经成为了嵌入式系统最新的研究 方向。因此，在本系统中，以太网接口是必不可少的。 键盘和液晶屏：键盘和液晶屏是常用的输入输出设备，结合各具特 色的嵌入式应用软件，可以把嵌入式系统的功能发挥的更强大，并且可以 现场调试。 其他接口：因为本系统是一套完整的开发平台，因此还留有其他接 口，如：音频接口( i i s ) 、1 2 c 总线接口、s d 卡接口、i d e 接口等，但不 作为论文的讨论重点，只为以后扩展使用。 2 4 内存部分的构成 1 片8m 1 6 位数据宽度的f l a s h ，共1 6 m 字节f l a s h ，速度1 5 0 n s ； 两片1 6 m 1 6 位数据宽度的s d r a m 构成，共6 4 ms d r a m 。 2 5 片选 $ 3 c 2 4 1 0 提供8 路片选，n g c s n 0 - - 7 】，每个片选都指定了固定的地址， 每个片选固定间隔为1 2 8 m 字节。 本平台内存由两片1 6 m 1 6 位数据宽度的s d r a m 构成，两片拼成3 2 位模式，公用n g c s 6 。共6 4 mr a m 。起始地址：0 x 3 0 0 0 0 0 0 0 。n g c s 0 接的 是一片8 m 1 6 位数据宽度的i n t e le 2 8 f 12 8f l a s h 。起始地址： o x l 0 0 0 0 0 0 0 。按照$ 3 c 2 4 1 0 处理器手册，n o rf l a s h 安装在b a n k o ，地 址应该为0 ，但由于2 4 1 0 中地址是循环映射的，0 x 0 1 0 0 0 0 0 0 就是0 地址。 其中内核z l m a g e 烧写在地址0 x 0 1 0 4 0 0 0 0 开始处，根文件系统r a m d i s k 烧在0 x 0 11 4 0 0 0 0 地址处。 2 6 中断 t - f ： $ 3 c 2 4 1 0 可处理5 6 路中断，其中2 4 路为外部中断e i n t n 。如图2 2 所 2 7 总线 图2 - 23 c 2 4 1 0 中断结构图 ( 1 ) $ 3 c 2 4 1 0 是内部3 2 位地址，外部2 7 位地址，数据总线宽度3 2 位。 2 0 3 m 的主频，1 0 0 m 的总线速度。 ( 2 ) 若外接8 位或16 位数据宽度的外设芯片，与c p u 相接时， h h a r m 9 e d u 的数据总线宽度是可配置的，可分别配为3 2 位、1 6 位或8 位模式。设置是在b w s c o n 中的d w 位实现的。在给外设分配片选时，设 置好它的b w s c o n 中的这两位，在访问它的地址时就可以改变数据宽度。 1 6 位数据宽度时，是低1 6 位数据线有效。 1 2 第三章嵌入式系统与嵌入式l i n u x 3 1 嵌入式系统 计算机、互联网技术的应用与普及，以及微电子技术的突破，正有力 推动着2 1 世纪工业生产、商业活动、科学实验和家庭生活等领域的自动化 和信息化进程。全过程自动化的产品制造、大范围的电子商务活动、高度 协同的科学实验以及现代化家庭起居，为嵌入式产品造就了崭新而巨大的 商机，市场前景非常广阔。目前嵌入式系统每年全球的工业产值已超过了l 万亿美元f l0 1 。 3 1 1 嵌入式系统的定义 关于嵌入式系统的定义，一般认为嵌入式系统是以应用为中心，以计 算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统】。它一般由嵌入式微处 理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组 成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。按照这种定义，典 型的嵌入式系统有各种使用x 8 6 的小型嵌入式工控主板，它们在各种自动 化设备，数字机械产品中有非常广阔的应用空间；另外一大类是使用i n t e l 、 s a m s u n g 、m o t o r o l a 等专用芯片构成的小系统，它不仅仅在新兴的消费电子、 通讯设备和仪表等方面获得了巨大的发展应用空间，甚至有趋势取代传统 的工控机。 3 1 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统可以称为后p c 时代和后网络时代的新秀。与传统的通用计 算机、数字产品相比，利用嵌入式技术的产品有其自己的特点： 1 由于嵌入式系统采用的是微处理器，独立的操作系统，实现相对单一 的功能，所以往往不需要大量的外围器件，因而在体积上，功耗上有其自 身的优势。一般来说，一个使用w i n d o w sc e 的p d a ，仅靠机内电源就可 以使用几天，而任何一台笔记本仅仅能够支持几小时左右。 1 3 2 嵌入式系统是将计算机技术、电子技术和材料技术与各个行业的具体 应用相结合后的产物，是一门综合技术学科【l2 1 。由于空间和各种资源相对 不足，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，力争在同样的硅片 面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞 争力。 3 嵌入式系统是一个软硬件高度结合的产物。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。片上系统、板上系统的实现，使得以p d a 、 手机等为代表的这类产品拥有更加熟悉的操作界面和操作方式，比传统的 电子记事本等功能更加完善、实用 1 3 1 。 4 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，嵌入式系统要求配备一 种或多种标准的网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入设备必需配有通 信接1 2 1 ，相应需要t c p i p 协议簇软件支持；由于家用电器相互关联( 如防盗 报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息) 及实验仪器的协调工 作等要求，新一代嵌入式设备还需具备i e e e l 3 9 4 、u s b 、c a n 、b l u e t o o t h 或i r d a 通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议，软件和物理层驱 动软件。为了支持应用软件的特定编程模式，如w e b 或无线w e b 编程模式， 还需要相应的浏览器，如h t m l 、w m l 等4 。 3 1 3 嵌入式系统的发展历程 嵌入式系统的发展历史相当悠久，可以追溯至1 9 7 1 年，i n t e l 公司推出 了有史以来第一颗微处理器4 0 0 4 ，嵌入式系统的概念也随之出现，而此时 的嵌入式系统大多都不采用操作系统，它们只是为了实现某个控制功能， 使用个简单的循环控制对外界的请求进行处理【”】。传统的嵌入式系统是 基于单片机( m c u ) 的，是在印制板上实现的电子系统，是计算机的一种应用 形式，它常常不被使用者所注意，但它在接下来的几十年中却悄悄改变着 整个世界。 随着集成电路工艺技术的不断发展和集成度的大幅度提高，将整个嵌 入式系统集成在单一芯片上已成为现实，即单硅片嵌入式系统，也就是通 常所说的s o c 。s o c 通常是指在单一芯片上实现的数字计算系统，该系统包 含两个基本部分：硬件部分和软件部分。硬件部分包括嵌入式处理器、总 线、r o m 、r a m 、i o 端口等计算机系统的基本部件；软件部分主要指操 作系统，也可以包括重要的应用软件。嵌入式系统发展到目前的s o c 阶段， 其设计所面对的工艺条件、设计工具和设计要求等都发生了重大变革，以 1 4 适应系统应用的持续快速发展。 3 1 4 嵌入式系统的设计方法和设计技术 s o c 有两个基本设计技术重用技术和嵌入式技术。设计重用是应 对单硅片设计复杂度日益增长的必要手段。s o c 集成技术可以简单地理解 为“拼装 众多i p ( 集成电路知识产权模块的简称，是i c 重用设计方法学 的产物) 的过程。但是，随着电路规模的进一步增大，一个s o c 要至少包括 十几种甚至更多i p ，仅仅基于i p 的“拼装 过程仍然不够简捷，设计能力 仍然不足以满足需求，基于平台的设计方法应运而生。 基于平台的设计方法是指在s o c 平台的基础上，通过“增加 或“删 减 少量i p ，快速设计出目标s o c 芯片的技术。s o c 平台是一个柔性可构 的基本系统。它包括嵌入式处理器、总线、r o m r a m 、i o 端口、部分专 用i p 模块和嵌入式操作系统，具有稳定、可重用和可扩展的基本属性。基 于平台设计方法的出现进一步降低了s o c 设计过程中系统集成的难度和风 险，从而提高了设计效率，缩短了设计周期。 由于嵌入式系统是应用导向的计算系统，不同的应用需要有不同的软 硬件设计。而嵌入式系统本身在软硬件的配置上又是相当多样化的，例如 待开发的系统需要与其他系统做资料交换，传输介面就有多种选择，有线 的可以是r s 2 3 2 、u s b ，甚至是速度更快的i e e e l 3 9 4 ；无线的也有i r d a 、 b l u e t o o t h 、i e e e 8 0 2 1 l b 等不同协议。在这种情况下完全重新设计系统就非 常困难，再加上嵌入式系统对稳定性的要求很高，很容易导致开发进度滞 后，进度的延迟就意味着巨大的投资风险，这是由嵌入式系统的时效性决 定的。嵌入式系统对多样性和灵活性的要求决定了可重构技术将是其未来 的发展方向之一。可重构技术是指在芯片中设置一个或多个可重构单元 ( r e c o n f i g u r a b l eu n i t ，r c u ) ，使最终用户可以对芯片的部分电路结构进行 现场硬编程和软编程( 即柔性设计) ，从而达到缩短产品面市时间、易于更新 换代，延长芯片生命周期的目的。可重构技术是嵌入式系统设计业的前沿 技术领域，它掀起了一次技术创新的革命。 3 2 嵌入式操作系统 通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口( a p i ) ，是计算机基本 组成不可分割的一部分1 6 】。应用程序开发以后，应用软件都在操作系统平 台上运行。嵌入式系统则不同，应用程序可以没有o s 而直接运行在芯片上。 1 5 但越来越复杂的应用和集成的功能都需要合理的多任务调度、合理的资源 分配以及系统功能的接口，这些都决定了嵌入式操作系统存在的必要性。 这样才能保证程序执行的实时性和可靠性，并减少开发时间，提高软件的 质量。 根据应用场合可以把嵌入式操作系统分为两大类【1 7 】：一类是面向消费 电子产品的非实时系统，这类设备包括个人数字助理( p d a ) 、移动电话、机 顶盒( s t b ) 等。比较著名的有w i n d o w s c e ，p a l mo s ；另一类则是面向控制、 通信、医疗等领域的实时操作系统，如w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s ，i s i 公 司的p s o s ，q n x 系统软件公司的q n x ，a t i 公司的n u c l e u s 等。 以v x w o r k s 为代表的传统嵌入式操作系统是应用最广泛的系统之一 【1 8 】。它是专为嵌入式微处理器设计的高模块化、高性能的实时操作系统， 广泛应用于高科技产品中，但是由于缺乏应用的高效性，网络连接功能较 差，系统对应用程序开发支持相对较弱，对现在复杂的、网络化的、多处 理器的嵌入式系统的许多需要而言，已显得力不从心。 微软的w i n d o w s c e 是一个具有代表性的、由桌面操作系统演变而成的 嵌入式操作系统，但其最大的缺点是实时性不好，只能用于实时性要求不 高的场合【1 9 】。 上述的商用的嵌入式操作系统价格昂贵，核心源代码都是不公开的， 这使得每个系统上的应用软件与其他的系统都无法兼容。由于这种封闭性 还导致商业嵌入式系统在对各种设备的支持方面存在很大问题，使得他们 软件移植变得很困难。 这就为开放源代码的l i n u x 的推广提供了广阔的发展前景。 目前各种嵌入式l i n u x 操作系统正迅速发展，己经形成了能与 w i n d o w s c e 等嵌入式操作系统进行有力竞争的局面。在桌面领域任何一种 操作系统都难以和w i n d o w s 抗衡，l i n u x 的出现使这种状态发生了改变， 由于l i