【文章內容簡介】 能、功耗等嚴格要求的專用計算機系統。特點就是潛入與專用，強調軟硬件可裁剪，與通用計算機有著顯著區(qū)別，目前已經廣泛應用于網絡通信、汽車電子、軍事航天、醫(yī)療電子等各個領域。 20 世紀 70 年代，單片機出現，這個是最初的嵌入式設備，汽車，工業(yè)機器，通信裝置等成千上萬種產品通過 內嵌電子 裝置獲得更佳的使用性能。 80 年代，嵌入式操作系統出現，廣泛的應用于工業(yè)制造、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事設備、消費類產品等眾多領域，發(fā)展到現在，嵌入式系統在數量上遠遠超過了各種通用計算機系統，廣泛的應用于人們的生活之中。 嵌入式系統主要由嵌入式硬件平臺、嵌入式操作系統以及上層的嵌入式應用程序三部分組成。嵌入式系統結構如圖 所示。 圖 嵌入式系統結構 嵌入式系統的特點有 [9]： 1) 系統 內核 小。由于嵌入式系統一般是應用于小型電子裝置的， 系統資源相對有限，所以 內核 較之傳統的 操作系統 要小得多。 2) 專用性強。嵌入式系統的個性化很強，其中的 軟件系統 和硬件的結合非常緊密，一般要針對硬件進行系統的移植，即使在同一品牌、同一系列的產品中也需要根據系統硬件的變化和增減不斷進行修改。同時針對不同的任務，往往需要對系統進行較大更改， 程序 的編譯下載要和系統相結合，這種修改和 通用軟件 的 ―升級 ‖是完全兩個概念。 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 6 頁 共 37 頁 3) 系統精簡。嵌入式系統一般沒有 系統軟件 和 應用軟件 的明顯區(qū)分，不要求其功能設計及實現上過于復雜，這樣一方面利于 控制系統 成本，同時也利于實現系統安全。 4) 高實時性的系統軟件 (OS)是 嵌入式軟件 的基本要求。而且軟件 要求固態(tài)存儲，以提高速度； 軟件代碼 要求高質量和高可靠性。 5) 嵌入式軟件開發(fā) 要想走向標準化，就必須使用多任務的操作系統。嵌入式系統的 應用程序 可以沒有 操作系統 直接在芯片上運行；但是為了合理地調度多任務、利用系統資源、 系統函數 以及和專家 庫函數 接口，用戶必須自行選配 RTOS（ Real－ Time Operating System）開發(fā)平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行的實時性、可靠性，并減少開發(fā)時間，保障 軟件質量 。 6) 嵌入式系統開發(fā) 需要開發(fā)工具和環(huán)境。由于其本身不具備 自舉 開發(fā)能力，即使設計完成以后用戶通常也是不能對其中的 程序 功能進行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)，這些工具和環(huán)境一般是基于通用計算機上的軟硬件設備以及各種邏輯分析儀、 混合信號示波器 等。開發(fā)時往往有主機和目標機的概念，主機用于 程序 的開發(fā)，目標機作為最后的執(zhí)行機，開發(fā)時需要交替結合進行。 7) 嵌入式系統與具體應用有機結合在一起，升級換代也是同步進行。因此，嵌入式系統產品一旦進入市場，具有較長的生命周期。 8) 為了提高運行速度和系統可靠性，嵌入式系統中的軟件一般都固化在存儲器芯片中。 嵌入式 ARM 處理器 簡介 ARM(Advanced RISC Machines)，既是一家英國公司的名字，也是一種體系結構處理器的名字。 采用 ARM 技術知識產權（ IP）核的微處理器，即我們通常所說的 ARM 微處理器，已遍及工業(yè)控制、消費類電子產品、通信系統、網絡系統、無線系統等各類產品市場，基于 ARM 技術的微處理器 的應用 占據了 32 位 RISC 微處理器75％以上的市場份額， ARM 技術正在逐步滲入到我們生活的各個方面 [12]。 下面就不同系列的 ARM 處理器進行簡要介紹 ： a) ARM CortexA 應用程序處理器 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 7 頁 共 37 頁 作為目前 ARM 處理器中最高端的系列， Cortex 應用程序處理器在高級工藝節(jié)點中已經可實現高達 2GHz+標準頻率的卓越性能。主要包括 CortexA系列： CortexA CortexA CortxA CortexA15。卓越性能表現在：移動 Inter 的理想選擇，高性能，多核技術，高級擴展。 b) ARM Cortex 嵌入式處理器 區(qū)別于 Cortex 應用程序處理器對操作系統和移動 Inter 的支持偏向，Cortex 嵌入式處理器旨在為各種不同的市場提供服務。包括 CortexM 系列和 CortexR 系列。 CortexM 系列 ——面向具有確定性的微控制器應用的成本敏感型解決方案； CortexR 系列 ——面向實時應用的卓越性能 ； CortexM 系列基本特征：成本低，能耗低可兼容性好，易于使用。 c) 經典 ARM 處理器 ARM 經典處理器適用于那些希望在新應用中使用經過市場驗證的技術組織。這些處理器提供了許多的特性、卓越的功效和范圍廣泛的操作能力，適用于成本敏感型解決方案。 經典 ARM 處理器包括我們耳熟能詳的 ARM ARM ARM11 三個 系列： ARM7 系列 ——面向普通應用 的經典處理器； ARM9 系列 ——基于 ARMv5 體系結構的常用處理器； ARM11 系列 ——基于 ARMv6 體系結構的高性能處理器。 ARM 不同系列處理器之間內核的演進如圖 22 所示： 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 8 頁 共 37 頁 本設計采用就是 ARM9 系列， ARM920T 內核的芯片 S3C2440(來自韓國三星電子 )。 圖 ARM 不同系列處理器內核的演進 ARM9 處理器的特點 1) 流水線 對嵌入式系統設計者來說，硬件通常是第一考慮的因素。每一級流水都對應CPU 的一個時鐘周期，如果一級流水中的邏輯過于復雜，使得執(zhí)行時間居高不下，必然導致所需的時鐘周期變長，造成 CPU 的主頻不能提升。所以流水線的拉長，有利于 CPU 主頻的提高。 ARM7 使用三級流水線、 ARM9 使用五級流水線。 5 級流水線的具體內容如下： 取址：從存儲器中取出指令并將其放入指令流水線。 譯碼：對取出的指令進行譯碼。 執(zhí)行：把一個操作數移位，產生 ALU 的結果。 緩沖：如果需要則訪問數據存儲器，否則 ALU 的結果只是簡單地緩沖一個時鐘周期，以便所有的指令具有相同的流水線流程。 回寫：將指令產生的結果回寫到寄存器堆，包括從存儲器取出的數據。 三級和五級流水線結構如圖 所示： 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 9 頁 共 37 頁 圖 三級與五級流水線 2) 采用哈佛結構 根據計算機的存儲器結構及其總線連接形式，計算機系統可以分為馮 諾依曼結構和哈佛結構。 ARM9 采用的就是哈佛結構，而 ARM7 采用的則是馮 諾依曼結構。 馮 諾依曼 體系結構和哈佛體系結構如圖 、圖 所示： 圖 馮 諾依曼 體系結構 圖 哈佛體系結構 在 RISC 架構的處理器中大約有 30%的指令是 LoadStore 指令，而采用哈佛結構將大大提升這兩個指令的執(zhí)行速度，提高系統效率。 3) 引入高速讀緩存和寫緩存 一般來說處理器的處理速度遠遠高于存儲器的訪問速度，而當存儲器訪問成為影響系統性能的主要因素時，高速緩存（ Cache）和寫緩存（ Write Buffer）可以很好地解決這個問題，它們存儲了最近常用的代碼和數據，以供 CPU 快速存儲 能的瓶頸時，處理器再快也無法發(fā)揮作用。 4) 支持 MMU MMU 是存儲器管理單元的縮寫，是用來管理虛擬內存系統的器件。 MMU通常是 CPU 的一部分，本身有少量存儲空間存放從虛擬地址 到物理地址的匹配表。 MMU 的主要功能：將虛地址轉換成物理地址?？刂拼鎯ζ鞔嫒≡试S， MMU關掉時，虛地址直接輸出到物理地址總線。 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 10 頁 共 37 頁 系統的總結結構 該 紅外遙控攝像存儲儀 是由 嵌入式微處理器， PC 機， 51 單片機 以及一些所需的外圍部件所組成，本文是以應用比較廣泛的嵌入式微處理器 S3C2440 為核心，以太網控制器選用的是一款完全集成的、符合成本效益的 DM9000 以太網控制器，系統移植了嵌入式 Linux 操作系統。整個系統是由微處理器控制 USB攝像頭進行視頻圖像的采集，并將采集的圖像由經 USB 總線再傳至微處理器，再經過 ARM9 微處理器對所采集的圖像進一步處理后通過網絡進行傳輸?？蛻舳耸菍邮盏降囊曨l數據解碼后進行圖像顯示。系統的整體結構框圖如圖 所示。 控制 步進電機 USB 網線 串口線 嵌入式微處理器 系統整體結構框圖 系統開發(fā)的 硬件 及操作系統的選擇 系統開發(fā)的硬件選擇 1) 微處理器的選擇 嵌入式微處理器 [16]是一切功能和任務的實際執(zhí)行者，處于嵌入式系統的核心地位，其性能的好壞對嵌入式系統的性能起到直接的影響。本系統在完成了圖像采集之后，要將采集到的視頻圖像進行網絡數據的傳輸，所以要求硬件平臺在選型上要具有集成度高、處理速度快、功耗低等特點，嵌入式處理器的種類繁多，其應用最為廣泛的是 ARM 處理器，它同時提供了許多接口模塊以及其片上資源豐富等特點 。 它常常被廣泛應用到安全系統、移動通信、成像設備等領域。 ARM 處理器在指令集系統的情況下，通過搭配不同的部件構成了功能不同的處理器，這些處理器被分為一下幾個系列： ARM ARM ARM9E、 ARM10E、 ARM1Cortex、 SecurCore、 OptimoDE Data Engines 等。這些系列的微處理器為了實現不同領域的需求，每一系列都具有相對獨特的性能。對于 ARM9 系列的微處理 S3C2440 CPU 紅外攝像頭 51 單片機開發(fā)板 客戶端 紅外遙控 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 11 頁 共 37 頁 器來講，其采用 5 級流水線，從而它的執(zhí)行效率要比 ARM7 提高很多，最高可達 300MIPS，在處理器的性能上得到了整體的改善； ARM9 微處理器還提供了 MIPS/MHz 的哈佛結構；其具有全性能的 MMU，可以支撐許多主流的嵌入式操作系統；支持數據 Cache 和指令 Cache，可以將讀寫和取指操作同時進行，使數據和指令的處理能力大大提高。 綜合考慮，該系統選用三星公司生產的基于 ARM920T 內核的芯片 S3C2440，它是一款 16/32 位 RISC 微處理器，為一般類型的應用提供了性能高、功耗低、價格低的微處理器解決方案，這些方面都 很好的滿足了嵌入式視頻監(jiān)控系統對微控制器的要求。 S3C2440 提供了很多可擴展功能的模塊，主要有 MMU 虛擬內存管理單元、 LCD 控制器、 2 通道 SPI、 IIC 接口、 IIS 接口、 3 通道 UART、 4 通道 DMA、 4 通道具有 PWM 功能的定時器、 130 個 通用 I/O 口、8 通道 ADC 接口、攝像頭接口、觸摸屏接口、 24 通道外部中斷源、 1 個 USB 主機接口 /1 個 USB 設備接口、 SD/MMC 接口、音頻輸入輸出接口等。 通過采用 S3C2440 提供的一套完整的系統外設資源，可以有效的減 少其他組件的配置，使得整個系統的成本降低。同時，對于處理器的主頻來講，如果主頻不高，在視頻處理方面需要進行大量的計算，這會使系統顯的力不從心，同系列的 S3C2410 的主頻為 203MHz，而 S3C2440 的主頻為 400MHz，最高可達 533MHz，這使得更加適合于計算量較大的場合。并且內核的工作電壓只有 ，輸入輸出電壓也只有 ，充分滿足了嵌入式系統對性能高和功耗低的要求。 2) 視頻采集設備的選擇 該系統進行視頻數據的采集是通過 紅外 USB 攝像頭。因為 USB 攝像頭的價格低廉，并且具有良 好的性能，使用也很方便，連接到嵌入式系統中也更加容易。所以我選用 了 韓國現代 公司生產的 V2021 攝像頭，該攝像頭芯片內部含有數字攝像 IC 接口、具有實時圖像壓縮引擎、 FIFO 等功能，并且芯片的壓縮比達到 5:1，經處理后輸出的為 JPEG 格式的圖像；該款攝像頭采用的是高質量的 CMOS 感光芯片，并且具有紅外夜視功能，可以再弱光下自動調節(jié)畫質的清晰程度 。 且該款攝像頭無需驅動，完美支持 Linux 操作系統，在開發(fā)板上使用效果良好。 3) 攝像頭角度可調設備的選擇 中北大學 2021 屆畢業(yè)設計說明書 第 12 頁 共 37 頁 在該系統中選用了步進電機來調節(jié)攝像頭的角度及焦距，步進電機由 51 單片機控制，并且是由紅外遙控器來控制，這樣的選擇實現起來方便快捷，成本低廉。而且易于調節(jié)和可控性強。 嵌入式操作系統的選擇 結合嵌入式硬件的平臺局限性，嵌入式的操作系統一般應該具有軟件代碼小、高度自動化、響應速度