基于arm的嵌入式监控终端的设计与实现毕业设计论文(编辑修改稿)

基于arm的嵌入式监控终端的设计与实现毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

：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、监视和管理等功能。 嵌入式系统具有软件代码少、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务处理的场合 本文所设计的嵌入式视频监控终端主要完成视频数据的采集、频数据的压缩、络接入、协议的封装等功能。 它主要由中央微处理器及其外围设备、嵌入式操作系统为核心的软件平台以及相应的应用程序组成。 本文所设计的嵌入式视频监控终端以及所涉及的视频监控系统的整体架构如图 21 所示： 图 21 视频监控系统基本框 架 嵌入式视频监控终端 传输网络 后台控制中心 基于 ARM 的嵌入式监控终端的设计与实现 13 硬件整体架构的选择 嵌入式微处理器是嵌入式视频监控终端的 CPU，它的性能的好坏直接关系到本系统整体的性能，是硬件选择中最重要的一部分。 选择一款合适的处理器，不但能起到事半功倍的作用，甚至有可能发挥的效用都是自己意想不到的。 在现在的微处理器领域，有很多的嵌入式处理器能够供我们选择，现在我们就对这些常用的处理器做一下简单的介绍。 主流微处理器 （ 1） ARM 微处理器 ARM 微处理器是基于英国全球领先 32 位 RISC(精简指令集计算机 )微处理器知识产权设计供应商的 ARM 公司内核所生 产的一类微处理器的统称，对高性能、低成本、低功耗有着苛刻要求的嵌入式产品提供了完成的芯片级解决方案。 这类处理器的应用领域十分的广泛，并且获得了巨大的成功，已经逐渐成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的 RISC 标准。 （ 2） MIPS 处理器 MIPS 处理器是由 MIPS 公司自主研发的针对高性能，高档次的嵌入式应用而开发的一类处理器的统称 [18]。 MIPS 公司自成立之日起，就相继开发出了一系列优秀的芯片，并开发了与之配套的软件技术，在很多领域获得了巨大的成功，特别是在工业控制领域比如说智能机器人 方面发挥出了自己独特的优势。 但是在针对手持终端设备这一块，它的价位比较高，并且与之相关的软件支撑也略显不足，因此在本设计中，虽然这个处理器也是很好的选择，但是考虑到成本和二次开发的可操作性上，暂时没有用 MIPS 处理器。 （ 3） Power PC 处理器 由 IBM、 Apple 和 Motorola 公司开发的 Power Pc 处理器也是位处理器领域极具代表性的芯片之一，并且其架构具有可伸缩性好，方便灵活的优势，在许多对性能要求很高的场合发挥了其独特的优势。 但是这款处理器功耗比较大，一般不适合于对低功耗要求的比较 高的移动设备的应用上，因此本设计暂时不考虑这款处理器。 基于 ARM 的嵌入式监控终端的设计与实现 14 （ 4） x86 处理器 X86 处理器是基于 CISC(复杂指令集计算机 )架构的处理器，曾经在通用电脑的应用方面获得了巨大的成功，至今为止仍然是计算机领域最具优势的处理器。 但是其成本较高，并且指令反复复杂，另外芯片的体积比较大，因此不符合本设计终端对体积轻便的要求，暂时不考虑 X86 处理器作为本终端的中央 CPU。 表 22 中列出了主要的嵌入式微处理器的特性。 处理器类型 处理器价格 处理器性能 应用场合 ARM 低 功耗低 性能较高 应用范围广 MPIS 较低 功耗低 性能较高 便携通信设备，工业控制 Power PC 高 功耗较高 性能高 通信，网络设备 高 功耗高 性能高 个人电脑 表 22 主要的嵌入式微处理器特性比较 ARM 微处理器的优点 面对如此众多的处理器，考虑到本设计终端对低功耗，低成本，低体积方面的严格要求，因此最终决定选择 ARM 处理器作为本终端的中央 CPU，下面简单介绍一下 ARM 微处理器相比其他很多的处理器无可比拟的巨大有点。 (1)高性能、低功耗、低价格 在嵌入式终端产品的开发过程中，对于低功耗 的理念必须一直贯彻在没一个环节上。 ARM 公司提供的芯片解决方案在保证性能的情况下能够将功耗降到最低，在性能功耗比方面远远领先于其他的芯片。 同时 ARM 芯片的价格也是非常的低，甚至有的也就十几元，这在嵌入式开发领域无疑能够极大地降低成本，因此成就了很多的低中端用户。 (2)丰富的可选择芯片 ARM 公司并不生产自己的芯片，只是开发有知识产权的内核，并且与全球几乎所有的半导体厂家都有业务往来，许许多多的半导体公司比如说 ST、TI、 NXP、 Samsung、 OKI、 Sharp、 Crystal 等厂家都基于 ARM 内核开发出了自己的具有专业特色的芯片，在业界形成了具有不同品牌但是内核相同的 ARM 芯 基于 ARM 的嵌入式监控终端的设计与实现 15 片。 因为不同的 ARM 芯片都有自己专一的特定特色，或是针对具体应用，或是针对降低功耗，或是针对某一性能，用户可以根据自己的实际需求，选出性价比最高的 ARM 芯片来设计自己的产品。 (3)广泛的第三方支持 ARM 公司从成立之初就非常注重第三方的合作，在二十多年的发展中，已经获得了 全球约有 50 家以上的实时操作系统（ RTOS）软件厂商和 30 家以上的EDA 工具制造商的支持，他们设计的产品如编译器，调试环境，嵌入式操作系统等都对 ARM 提供了完整的技术支持。 采用基于 ARM 内核的处理器开发自己的产品，不但能够运用成熟的软硬件支持来缩短开发周期，并且在业内有许许多多的专业人士供我们沟通交流，来进一步提高我们的水平。 (4)完整的产品线和发展规划 ARM 公司设计的内核能够根据不同应用需求对处理器性能的不同要求，设计了一个从 ARM ARM9 到 ARM ARM11，以及新定义的 Cortex M/R/A系列完整的产品线。 用户在选择 ARM 处理器时，可以针对应用需求，从大量的ARM 芯片中选用满足自己设计性能、功能要求的产品，以获得较好的性价比。 综合考虑成本，功耗以及需要的第三方技术支持等多方面的考虑，中央微处理器采用基于 ARM9 内核的芯片。 同时由于本系统是专门针对视频监控而设计，视频图像处理需要很大的计算量，因此对处理器的计算性能提出了更高的要求，用单纯的 ARM 处理器进行视频数据的处理显然不能满足本方案的设计要求。 本终端中央架构 为了节约开发时间和最大可能的保障系统对于速度和稳定性的要求，本文采用专用的视频处理芯片来完成视频数据的压缩和原始数据的行为分析。 考虑到监控终端对于视频高清和智能化的要求，系统采用富瀚公司推出的专 门针对高清智能监控的专用 压缩芯片 FH8735。 相比主流的 DSP 方案和 ASIC 方案，运用专用压缩芯片有以下的优点： （ 1）性价比高 基于 ARM 的嵌入式监控终端的设计与实现 16 FH8735 单芯片即可完成 8 路 D1,16 路 CIF 全实时和 16 路 D1 等功能，相比其他的 DSP 和 ASIC 方案，具有明显的性价比优势。 （ 2）方案开发周期短 该方案的软硬件设计简单，软件方面由于复杂的视音频编码完全由硬件完成，并已经有稳定的驱动和 SDK，我们在开发时候只要基于驱动和 SDK 就能够完成定制化的应用程序。 因此能够缩短开发周期，可以使我们开发出的产品快 速推向市场。 综上所述，本文采用 ARM 中央控制器加专用视频压缩芯片双处理器方案进行嵌入式终端的设计。 操作系统的选择 (1) VxWorks VxWorks 操作系统是美国 WindRiver 公司于 1983 年设计开发的一种实时操作系统。 VxWorks 拥有良好的持续发展能力、高性能的内核以及良好的用户开发环境，在实时操作系统领域内占据一席之地。 它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通信、军事演习、导弹制导、飞机导航等。 在美 国的 F1 FA18 战斗机， B2 隐形轰炸机和爱国者导弹上，甚至连 1997年 4 月在火星表面登陆的火星探测器上也使用了 VxWorks。 它是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统。 它支持多种处理器，如 x86， i960，Sun Sparc， Motorola MC68xxx， MIPS RX000， Power PC， ARM ， StrongARM等。 大多数的 VxWorksAPI 是专有的。 (2) QNX QNX 是一个实时的、可扩充的操作系统；它部分遵循 POSIX 相关标准，如 实时扩展；它提供了一个很小的微内核以及一些可选的配合进程。 其内核仅提供 4 种服务：进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理， 基于 ARM 的嵌入式监控终端的设计与实现 17 其进程在独立的地址空间中运行。 所有其他操作系统服务都实现为协作的用户进程，因此 QNX 内核非常小巧 (QNX4． x 大约为 12KB)，而且运行速度极快。 这个灵活的结构可以使用户根据实际的需求，将系统配置成微小的嵌入式操作系统或包括几百个处理器的超级虚拟机操作系统。 POSIX 表示可移植操作系统接口 (Portable Operating SystemInterface,缩写 为POSI X 是为了读音更像 UNIX) 电气和电子工程师协会 (IEEE）最初开发 POSIX 标准 ,是为了提高 UNIX 环境下应用程序的可移植性。 然而 ,POSIX 并不局限于 ,例如 DEC OpenVMS 和Windows NT ,都支持 POSIX 标准 ,尤其是 IEEE (1995 年修订 )或, 提供了源代码级别的 C 语言应用编程接口（ API）给操作系统的服务程序 ,例如读写文件 . 已经被国际标准化组织 (ISO)所接受 ,被命名为 ISO/IEC 99451:1990 标准。 POSIX 现在已经发展成为一个非常庞大的标准族，某些部分正处在开发过程中。 POSIX 与 IEEE 1003 和 20xx 家族的标准是可互换的。 (3) Palm OS 3Com 公司的 Palm OS 在掌上电脑和 PDA 市场上占有很大的市场份额。 它有开放的操作系统应用程序接口 (API)，开发商可以根据需要自行开发所需的应用程序。 目前共有 3500 多个应用程序可以运行在 Palm Pilot 上。 其中大部分应用程序均为其他厂商和个人所开发，使 Palm Pilot 的功能得以不断增多。 这些软件包括计算器、各种游戏、 电子宠物、地理信息等。 在开发环境方面，可以在Windows 95/98/NT 以及 Macintosh 下安装 Palm Pilot Desktop。 Palm Pilot 可以与流行的 PC 平台上的应用程序 (如 Word， Excel等 )进行数据交换。 (4) Windows CE Microsoft Windows CE 是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。 它的模块化设计允许它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备 进行定制。 操作系统的基本内核至少需要 200KB 的 ROM。 基于 ARM 的嵌入式监控终端的设计与实现 18 (5) LynxOS Lynx Realtime Systems 的 LynxOS 是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统 ,它遵循 ， 和 标准。 LynxOS 支持线程概念，提供 256 个全局用户线程优先级；提供一些传统的、非实时系统的服务特征，包括基于调用需求的虚拟内存， 一个基于 Motif的用户图形界面，与工业标准兼容的网络系统以及应用开发工具。 Motif 是开放软件基金（ OSF） 于 1989 年推出的一个图形用户界面系统。 由于它融合了多种图形用户界面产品中的优点，因此得到了 OSF 的所有成员及广大第三方厂商的广泛支持。 目前 Motif 已作为软件产品在 OS/2 、 Unix、 Sys V、 OSF/1 、 VMS 、Macintosh OS、 Ultrix 等 48 中操作系统平台上实现，并可在 PC、工作站、小型机和大型机等各种计算机系统上运行。 Motif 由工具箱（ Motif Toolkit）、用户界面语言（ UIL）、窗口管理程序（ MWM）、 风格指南文档（ Style Guide）等四部 分组成： Motif Toolkit 是一个具体的 X Toolkit 产品，它包括 Xt Intrinsics、 Motif 对象元类集合和操纵这个对象元类集合的简便函数等三个部分。 利用 Motif 开发的应用程序通常可分为两个部分：一部分是有关应用程序界面的代码；另一部分是关于应用程序具体功能的代码。 一般来说，应用程序中这两个部分是不会相互干扰的。 比如说菜单项位置的变动、标图的更换就都不会影响。