基于arm的网络视频监控系统的设计与实现

基于arm的网络视频监控系统的设计与实现内容摘要：

了 Pentium 处理器工艺和系统结构技术，实现了 Pentium 微处理器体系结构的一系列高性能技术，达到了高性能、低功耗和小体积等嵌入式系统要求的特性。 它的特点有：超流水线、高主频、存储体系、分支预测和指令集 体系结构。 本设计 采用的就是基于英特尔 Xscale 构架的一种 32 位嵌入式处理器，它除了应用于掌上电脑之中外，还可以应用于智能手机、网络存储设备、骨干网路由器等电子设备。 PXA27x 系列处理器是英特尔当前最新推出的嵌入式处理器。 它的时钟频率从 312 到 624MHz 不等 ，并内建 64MB 的堆栈型 Intel StrataFlash 内存。 内置了英特尔的无线 MMX 技术，能够显著提升多媒体性能。 OURSPXA270EP 是一款基于 INTEL XSCALE PXA270 处理器，针对高效东北大学本科毕业设计（论文） 第 2章 嵌入式 ARM系统硬件结构简介 6 嵌入式系统教学和实验科研的平台。 这 款设备主要包括核心板与底版两个部分，核心板主要集成了高速的 PXA270 CPU，配套的存储器，网卡等设备；底版主要是各种类型的接口与扩展口。 核心板（ 8 层 PCB 电路）系统包括： CPU： INTEL PXA270(520M),支持 GDB 调试； SDRAM: 64M 工作在 104M 外频上； FLASH: 32M INTEL Nor FLASH。 Net: 10/100M Ether controller (LAN91C111)。 SUPERIO: WINBOND 83977。 CPLD: XILINX 95144 (117USER IO)。 总线驱动器： 若干； 核心板正面 如图 所示 ，核心板背面如图 所示。 C P UC P L DS D R A ML D Od r vF L A S HF L A S Hd r v d r v d r vd r vd r v 图 核心板 正面 图 E t h e r n e tS D R A MS u p e r I O1 0 0 P I N C O N N E C TO RL D Od r v d r v d r vd r v 图 核心板背面图 东北大学本科毕业设计（论文） 第 2章 嵌入式 ARM系统硬件结构简介 7 底版（ 4 层 PCB 电路） 如图 所示。 包括： Ether： 10/100 接口 1 个 UART： 6 个（包括 RS232,RS485,IRDA,全功能串口） ： 2 个（ 1 个 host 一个 device） PS2： 2 个（ KEYBOARDamp。 MOUSE） 标准并口： 1 个 PCMCIA: 1 个 IDE： 1 个 SD/MMC: 1 个 SMC： 1 个 CAMERA： 1 个 96PIN 功能扩展口： 2 个 4X5 小键盘 CPU_JTAG CPLD_JTAG LED SHARP LQ080V3DG01 8 寸真彩 LCD 640X480 VGA 640X480 LED 8X8 点阵 一组 7 段 LED 数码管 4 个 串 口 串 口 串 口 串 口i r d aP C M C I A 卡S M C 卡S DP S P S U S B U S B并 口 V G A音 频 3音 频 1音 频 2L E D点 阵L C D 接 口L C D 接 口L E D 数 码 管核心板键盘4 8 5 N E T 图 底版图 东北大学本科毕业设计（论文） 第 2章 嵌入式 ARM系统硬件结构简介 8 主要硬件电路说明 嵌入式设备除了以 ARM 芯片为主要 控制单元，也有很多周边电路和外围设备，它们有的帮助 ARM 处理信号、有的负责存储数据、有的进行网络连接、有的用来数据通信，这些周边设备缺一不可，不能替代。 首先介绍 CPU 核心总线 [4]，总线是 CPU 和其他设备的桥梁。 CPU 是通过总线信号来控制 SDRAM ,FLASH,网卡， SUPERIO 等外部设备的，无论是低速还是高速，只要是 与 总线相关的芯片，都要和 CPU 总线信号有关。 其次 ，研究嵌入式系统内存 ——SDRAM。 SDRAM 是嵌入式系统的内存，具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点，已 广泛应用在各种嵌入式系统中。 当 系统启动时，CPU 首先从复位地址 0x0 处读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码一般应调入 SDRAM 中运行，以提高系统的运行速度。 同时，系统及用户堆栈、运行数据也都放在 SDRAM 中。 SDRAM 的存储单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电，为避免数据丢失，必须定时刷新 (充电 )。 因此，要在系统中使用SDRAM，就要求微处理器具有刷新控制逻辑，或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路。 PXA270 芯片在片内具有独立的 SDRAM 刷新控制逻辑，可方便地与SDRAM 接口。 除了 SDRAM， FLASH 也是一种存储媒介。 FLASH 一般具有 NOR型和 NAND 型。 NAND 型 FLASH 单元密度 高 ，写入和擦除速度非常快，而且一般 NAND 型 FLASH 的存储容量很大。 NOR 型 FLASH 的优点 是芯片内执行 命令 ，这样应用程序可以直接在 FLASH 内运 行，不用进入内存 ， 使得它的传输效率很高。 嵌入式设备最大的优点就是网络功能强大，它能像 PC 一样方便地 连接到互联网上，这些功能都是网络控制器的作用。 也就是 Ether Controller， 本系统采用 SMSC 公司的单芯片的网络控制器， LAN91C111。 它可以工作在两种速度下， 10M 以太网或者 100M 以太网。 LAN91C111 的 工作流程是，驱动程序将要发送的数据包按指定格式写入芯片并启动发送命令， LAN91C111 会自动把数据包转换成物理帧格式在物理信道上传输；反之芯片收到物理信号后自动将其还原成数据，并按指定格式存放在芯片 RAM 中以便主机程序取用。 就是LAN91C111 完成数据包和电信号之间的相互转换。 最后，说明一下串口电路，在嵌入式视频监控系统中，串口起到了很重要地作用，嵌入式系统启动的信息都可以通过串口传到 PC 上，极大地方便了系统的移植和软件的调试。 大多数情况下，嵌入式 CPU 的串口 0 会作为 CPU 的 一个终端，为用户与 CPU 交互提供基本的输出输入信息。 当 CPU运行 BOOT代码时，通常只有这个终端 ；运行 LINUX内核时，如果有 LCD 显示，串口 0 与 LCD 终端会同时有效。 串口 0 终端的交互东北大学本科毕业设计（论文） 第 2章 嵌入式 ARM系统硬件结构简介 9 方式是命令行的模式，在 BOOT 阶段，支持简单的 BOOT 命令。 东北大学本科毕业设计（论文） 第 3章 嵌入式 ARM系统软件结构 10 第 3章 嵌入式 ARM 系统软件结构 Linux 操作系统简介 Linux 是一个类似 Unix 的操作系统，它起源于芬兰一个名为 LinusTorvaldS的业余爱好者，现已成为最流行的一款开放源代码的操作系统。 Linux 从问世至今，短短时间内 已 发展成为一个功能强大、设计完善的操 作系统。 Linux 系统不仅能够运行于 PC 平台，还在嵌入式系统方面大放光芒。 由于 Linux 的源码开放，内核精简且性能强悍，不依赖于具体厂商，能广泛适用于各种硬件设备，系统二次开发成本极低，因此在 IT 业界已 经达成共识，即采用嵌入式 Linux 作为嵌入式操作系统是大势所趋 [5]。 嵌入式 Linux 是目前嵌入式系统领域中发展势头非常迅猛的系统。 嵌入式Linux 是指对 Linux 经过小型化裁剪后，能够固化在容量只有几百 K 字节或几 M字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用操作系统。 目前正在开发的嵌入式系统中， 49%的项目选择嵌入式 Linux 作为操作系统。 嵌入式Linux 现已成为嵌入式操作系统的理想选择 [6]。 目前基于嵌入式 Linux 的应用已经遍布很多领域，比如移动多媒体设备、手持设备、车载导航系统、机械控制等。 嵌入式 Linux 分为两种类型：在没有使用 MMU 的平台上（无内存虚实地址转换和映射）的一般为 uCLinux；而在有 MMU 平台上，则使用原本地嵌入式 Linux版本。 由于在目前的主流嵌入式 ARM 中大多不具有 MMU，因此只用 IM 左右的内核就能实现网络功能和任务调度的 Linux 系统就可以适用于从高端服务器到嵌入式应 用的各级平台。 ARM 技术和 Linux 成功地结合，应用于数以千计的商业产品中。 从便携式消费品、网络和无线设备，到自动化设备、医疗设备和存储产品，这一应用列表与日俱增。 ARM 和 Linux 的结合充分满足了各类应用对嵌入式平台高性能、低功耗和低价格的要求，通过开发环境、开源社区和 ARM的商业伙伴的优势为嵌入式开发提供了更灵活的选择。 本次设计 的开发环境为 系统，在 Windows XP 下安装虚拟机，在虚拟机中安装 Linux 系统，这样可以屏蔽底层差别，避免硬件驱动带来的麻烦，而且还能方便的使用串口、并 口、 USB 接口，快速的进入实验环境。 图 为虚拟机下 Linux 系统启动后的情况。 东北大学本科毕业设计（论文） 第 3章 嵌入式 ARM系统软件结构 11 图 虚拟机下 Linux 操作 系统 交叉编译环境的建立 通常嵌入式系统的软件编译和执行是在两个不同平台上进行的。 编译是在宿主机，一般为装有 Linux 的 pc；执行是在目标机，即嵌入式系统的硬件平台。 一般是在宿主机上通过跨平台交叉编译器把源文件编译成目标平台上可执行的文件，再通过串口、并口或者网络下载至目标平台上的 FLASH 或者其它存储介质，然后由目标机来运行这些软件。 这里所说的 跨平台编译器和一般的编译器功能类似，都是把源代码通过编译器编译成目标文件，然后通过链接器、可重定位器程序和定位器把目标文件重新定位成可执行文件。 和通用的编译器之间最大的差别就在于跨平台编译器编译出来的可执行程序通常只能在特定 CPU 所属平台上运行。 所以一般来说每种 CPU 都对应有不同的跨平台编译器。 本系统采用基于 XScale 的 PXA270，可以使用常用的 ARMLINUXGCC 交叉编译器。 要成功构建完整的交叉编译环境需要在宿主机上创建一系列的工具包括 C/C++编译器、汇编器、链接器、嵌入式系统的标准 C 库和 GDB 代码级调试器。 成功建立好开发环境后便可以运用这些工具进行嵌入式 系统开发 [7]。 东北大学本科毕业设计（论文） 第 3章 嵌入式 ARM系统软件结构 12 嵌入式 Linux 操作系统移植 BootLorder 移植 BootLoader 是系统加电后运行的第一段代码。 一般只是在启动时运行很短的时间，然而对一个嵌入式系统来说，这一部分却是整个系统的一个无比重要的组成部分，不可缺少。 在一般嵌入式系统中，系统复位或者加电后通常从地址0x00000000 处开始执行，而这个地址一般正是存放的 BootLoader 启动代码。 通过这段程序，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，以便为最终加载操作系统内核准备好正确的环境。 BootLoader 一般情况下需要包含以下几个必备的功能 : (l)初始化处理器。 这个动作都是用汇编语言完成的，称为重置码 (resetcode)或者称为 bootcode，而且对于每个 CPU 都不一样的，当电源接通后就会执行这个动作，通常只有两三个汇编指令，目的是将 CPU 的控制权转给硬件初始化的程序。 (2)初始化一些必要的硬件。 这个动作也大都由汇编语言来完成，主要是初始化 CPU、 SDRAM 等，其他的硬件，例如串口，可以由 c 语言等比较高级 的程序语言来完成后续动作。 (3)设置处理器的寄存器以及内存，关掉所有的输入管脚 (包括中断管脚 )，以防止突然有信号进入妨碍接下来的硬件初始化动作。 然后初始化串口，以便后续运行的程序能够同 HOST 端进行通信，便于调试。 (4)从特定的位置把操作系统和文件系统调入内存，并设置一些操作系统所必需的参数，然后把 CPU 控制权交给操作系统。 有的 BootLoader 会先从串口或者网络等其他途径得到内核的映像文件，然后把这些文件写入目标系统的 FLASH或者其它存储介质，最后再把内核载入 RAM 执行，交出控制权。 一般 BootLoader 都包含两种不同的操作模式 :―启动加载 ‖模式和 ―下载 ‖模式，这种区别仅对于开发人员才 有意义。 从最终用户的角度看， BootLoader 的作用就是用来加载操作系统，而并不存在所谓的启动加载模式与下载模式的区别。 (l。