【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 能、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。特點(diǎn)就是潛入與專用，強(qiáng)調(diào)軟硬件可裁剪，與通用計(jì)算機(jī)有著顯著區(qū)別，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通信、汽車電子、軍事航天、醫(yī)療電子等各個(gè)領(lǐng)域。 20 世紀(jì) 70 年代，單片機(jī)出現(xiàn)，這個(gè)是最初的嵌入式設(shè)備，汽車，工業(yè)機(jī)器，通信裝置等成千上萬種產(chǎn)品通過 內(nèi)嵌電子 裝置獲得更佳的使用性能。 80 年代，嵌入式操作系統(tǒng)出現(xiàn)，廣泛的應(yīng)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(shè)備、消費(fèi)類產(chǎn)品等眾多領(lǐng)域，發(fā)展到現(xiàn)在，嵌入式系統(tǒng)在數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了各種通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，廣泛的應(yīng)用于人們的生活之中。 嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式硬件平臺(tái)、嵌入式操作系統(tǒng)以及上層的嵌入式應(yīng)用程序三部分組成。嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)有 [9]： 1) 系統(tǒng) 內(nèi)核 小。由于嵌入式系統(tǒng)一般是應(yīng)用于小型電子裝置的， 系統(tǒng)資源相對(duì)有限，所以 內(nèi)核 較之傳統(tǒng)的 操作系統(tǒng) 要小得多。 2) 專用性強(qiáng)。嵌入式系統(tǒng)的個(gè)性化很強(qiáng)，其中的 軟件系統(tǒng) 和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對(duì)硬件進(jìn)行系統(tǒng)的移植，即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要根據(jù)系統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進(jìn)行修改。同時(shí)針對(duì)不同的任務(wù)，往往需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行較大更改， 程序 的編譯下載要和系統(tǒng)相結(jié)合，這種修改和 通用軟件 的 ―升級(jí) ‖是完全兩個(gè)概念。 中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 6 頁(yè) 共 37 頁(yè) 3) 系統(tǒng)精簡(jiǎn)。嵌入式系統(tǒng)一般沒有 系統(tǒng)軟件 和 應(yīng)用軟件 的明顯區(qū)分，不要求其功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)上過于復(fù)雜，這樣一方面利于 控制系統(tǒng) 成本，同時(shí)也利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全。 4) 高實(shí)時(shí)性的系統(tǒng)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(chǔ)，以提高速度； 軟件代碼 要求高質(zhì)量和高可靠性。 5) 嵌入式軟件開發(fā) 要想走向標(biāo)準(zhǔn)化，就必須使用多任務(wù)的操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的 應(yīng)用程序 可以沒有 操作系統(tǒng) 直接在芯片上運(yùn)行；但是為了合理地調(diào)度多任務(wù)、利用系統(tǒng)資源、 系統(tǒng)函數(shù) 以及和專家 庫(kù)函數(shù) 接口，用戶必須自行選配 RTOS（ Real－ Time Operating System）開發(fā)平臺(tái)，這樣才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性、可靠性，并減少開發(fā)時(shí)間，保障 軟件質(zhì)量 。 6) 嵌入式系統(tǒng)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(shè)計(jì)完成以后用戶通常也是不能對(duì)其中的 程序 功能進(jìn)行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)，這些工具和環(huán)境一般是基于通用計(jì)算機(jī)上的軟硬件設(shè)備以及各種邏輯分析儀、 混合信號(hào)示波器 等。開發(fā)時(shí)往往有主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的概念，主機(jī)用于 程序 的開發(fā)，目標(biāo)機(jī)作為最后的執(zhí)行機(jī)，開發(fā)時(shí)需要交替結(jié)合進(jìn)行。 7) 嵌入式系統(tǒng)與具體應(yīng)用有機(jī)結(jié)合在一起，升級(jí)換代也是同步進(jìn)行。因此，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場(chǎng)，具有較長(zhǎng)的生命周期。 8) 為了提高運(yùn)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片中 。 嵌入式 ARM 處理器 簡(jiǎn)介 ARM(Advanced RISC Machines)，既是一家英國(guó)公司的名字，也是一種體系結(jié)構(gòu)處理器的名字。 采用 ARM 技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)（ 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(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場(chǎng)，基于 ARM 技術(shù)的微處理器 的應(yīng)用 占據(jù)了 32 位 RISC 微處理器75％以上的市場(chǎng)份額， ARM 技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個(gè)方面 [12]。 下面就不同系列的 ARM 處理器進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹 ： a) ARM CortexA 應(yīng)用程序處理器 中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 7 頁(yè) 共 37 頁(yè) 作為目前 ARM 處理器中最高端的系列， Cortex 應(yīng)用程序處理器在高級(jí)工藝節(jié)點(diǎn)中已經(jīng)可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 2GHz+標(biāo)準(zhǔn)頻率的卓越性能。主要包括 CortexA系列： CortexA CortexA CortxA CortexA15。卓越性能表現(xiàn)在：移動(dòng) Inter 的理想選擇，高性能，多核技術(shù)，高級(jí)擴(kuò)展。 b) ARM Cortex 嵌入式處理器 區(qū)別于 Cortex 應(yīng)用程序處理器對(duì)操作系統(tǒng)和移動(dòng) Inter 的支持偏向，Cortex 嵌入式處理器旨在為各種不同的市場(chǎng)提供服務(wù)。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(yīng)用的成本敏感型解決方案； CortexR 系列 ——面向?qū)崟r(shí)應(yīng)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(jīng)典 ARM 處理器 ARM 經(jīng)典處理器適用于那些希望在新應(yīng)用中使用經(jīng)過市場(chǎng)驗(yàn)證的技術(shù)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(jīng)典 ARM 處理器包括我們耳熟能詳?shù)?ARM ARM ARM11 三個(gè) 系列： ARM7 系列 ——面向普通應(yīng)用 的經(jīng)典處理器； ARM9 系列 ——基于 ARMv5 體系結(jié)構(gòu)的常用處理器； ARM11 系列 ——基于 ARMv6 體系結(jié)構(gòu)的高性能處理器。 ARM 不同系列處理器之間內(nèi)核的演進(jìn)如圖 22 所示： 中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 8 頁(yè) 共 37 頁(yè) 本設(shè)計(jì)采用就是 ARM9 系列， ARM920T 內(nèi)核的芯片 S3C2440(來自韓國(guó)三星電子 )。 圖 ARM 不同系列處理器內(nèi)核的演進(jìn) ARM9 處理器的特點(diǎn) 1) 流水線 對(duì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來說，硬件通常是第一考慮的因素。每一級(jí)流水都對(duì)應(yīng)CPU 的一個(gè)時(shí)鐘周期，如果一級(jí)流水中的邏輯過于復(fù)雜，使得執(zhí)行時(shí)間居高不下，必然導(dǎo)致所需的時(shí)鐘周期變長(zhǎng)，造成 CPU 的主頻不能提升。所以流水線的拉長(zhǎng)，有利于 CPU 主頻的提高。 ARM7 使用三級(jí)流水線、 ARM9 使用五級(jí)流水線。 5 級(jí)流水線的具體內(nèi)容如下： 取址：從存儲(chǔ)器中取出指令并將其放入指令流水線。 譯碼：對(duì)取出的指令進(jìn)行譯碼。 執(zhí)行：把一個(gè)操作數(shù)移位，產(chǎn)生 ALU 的結(jié)果。 緩沖：如果需要?jiǎng)t訪問數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，否則 ALU 的結(jié)果只是簡(jiǎn)單地緩沖一個(gè)時(shí)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(chǎn)生的結(jié)果回寫到寄存器堆，包括從存儲(chǔ)器取出的數(shù)據(jù)。 三級(jí)和五級(jí)流水線結(jié)構(gòu)如圖 所示： 中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 9 頁(yè) 共 37 頁(yè) 圖 三級(jí)與五級(jí)流水線 2) 采用哈佛結(jié)構(gòu) 根據(jù)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及其總線連接形式，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以分為馮 諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)。 ARM9 采用的就是哈佛結(jié)構(gòu)，而 ARM7 采用的則是馮 諾依曼結(jié)構(gòu)。 馮 諾依曼 體系結(jié)構(gòu)和哈佛體系結(jié)構(gòu)如圖 、圖 所示： 圖 馮 諾依曼 體系結(jié)構(gòu) 圖 哈佛體系結(jié)構(gòu) 在 RISC 架構(gòu)的處理器中大約有 30%的指令是 LoadStore 指令，而采用哈佛結(jié)構(gòu)將大大提升這兩個(gè)指令的執(zhí)行速度，提高系統(tǒng)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于存儲(chǔ)器的訪問速度，而當(dāng)存儲(chǔ)器訪問成為影響系統(tǒng)性能的主要因素時(shí)，高速緩存（ Cache）和寫緩存（ Write Buffer）可以很好地解決這個(gè)問題，它們存儲(chǔ)了最近常用的代碼和數(shù)據(jù)，以供 CPU 快速存儲(chǔ) 能的瓶頸時(shí)，處理器再快也無法發(fā)揮作用。 4) 支持 MMU MMU 是存儲(chǔ)器管理單元的縮寫，是用來管理虛擬內(nèi)存系統(tǒng)的器件。 MMU通常是 CPU 的一部分，本身有少量存儲(chǔ)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(zhuǎn)換成物理地址?？刂拼鎯?chǔ)器存取允許， MMU關(guān)掉時(shí)，虛地址直接輸出到物理地址總線。 中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 10 頁(yè) 共 37 頁(yè) 系統(tǒng)的總結(jié)結(jié)構(gòu) 該 紅外遙控?cái)z像存儲(chǔ)儀 是由 嵌入式微處理器， PC 機(jī)， 51 單片機(jī) 以及一些所需的外圍部件所組成，本文是以應(yīng)用比較廣泛的嵌入式微處理器 S3C2440 為核心，以太網(wǎng)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(wǎng)控制器，系統(tǒng)移植了嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)是由微處理器控制 USB攝像頭進(jìn)行視頻圖像的采集，并將采集的圖像由經(jīng) USB 總線再傳至微處理器，再經(jīng)過 ARM9 微處理器對(duì)所采集的圖像進(jìn)一步處理后通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?？蛻舳耸菍?duì)接收到的視頻數(shù)據(jù)解碼后進(jìn)行圖像顯示。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 控制 步進(jìn)電機(jī) USB 網(wǎng)線 串口線 嵌入式微處理器 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)開發(fā)的硬件及操作系統(tǒng)的選擇 系統(tǒng)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(wù)的實(shí)際執(zhí)行者，處于嵌入式系統(tǒng)的核心地位，其性能的好壞對(duì)嵌入式系統(tǒng)的性能起到直接的影響。本系統(tǒng)在完成了圖像采集之后，要將采集到的視頻圖像進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸，所以要求硬件平臺(tái)在選型上要具有集成度高、處理速度快、功耗低等特點(diǎn)，嵌入式處理器的種類繁多，其應(yīng)用最為廣泛的是 ARM 處理器，它同時(shí)提供了許多接口模塊以及其片上資源豐富等特點(diǎn) 。 它常常被廣泛應(yīng)用到安全系統(tǒng)、移動(dòng)通信、成像設(shè)備等領(lǐng)域。 ARM 處理器在指令集系統(tǒng)的情況下，通過搭配不同的部件構(gòu)成了功能不同的處理器，這些處理器被分為一下幾個(gè)系列： ARM ARM ARM9E、 ARM10E、 ARM1Cortex、 SecurCore、 OptimoDE Data Engines 等。這些系列的微處理器為了實(shí)現(xiàn)不同領(lǐng)域的需求，每一系列都具有相對(duì)獨(dú)特的性能。對(duì)于 ARM9 系列的微處理 S3C2440 CPU 紅外攝像頭 51 單片機(jī)開發(fā)板 客戶端 紅外遙控 中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 11 頁(yè) 共 37 頁(yè) 器來講，其采用 5 級(jí)流水線，從而它的執(zhí)行效率要比 ARM7 提高很多，最高可達(dá) 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(jié)構(gòu)；其具有全性能的 MMU，可以支撐許多主流的嵌入式操作系統(tǒng)；支持?jǐn)?shù)據(jù) Cache 和指令 Cache，可以將讀寫和取指操作同時(shí)進(jìn)行，使數(shù)據(jù)和指令的處理能力大大提高。 綜合考慮，該系統(tǒng)選用三星公司生產(chǎn)的基于 ARM920T 內(nèi)核的芯片 S3C2440，它是一款 16/32 位 RISC 微處理器，為一般類型的應(yīng)用提供了性能高、功耗低、價(jià)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(tǒng)對(duì)微控制器的要求。 S3C2440 提供了很多可擴(kuò)展功能的模塊，主要有 MMU 虛擬內(nèi)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(shí)器、 130 個(gè) 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(gè) USB 主機(jī)接口 /1 個(gè) USB 設(shè)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(tǒng)外設(shè)資源，可以有效的減 少其他組件的配置，使得整個(gè)系統(tǒng)的成本降低。同時(shí)，對(duì)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(jìn)行大量的計(jì)算，這會(huì)使系統(tǒng)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(dá) 533MHz，這使得更加適合于計(jì)算量較大的場(chǎng)合。并且內(nèi)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(tǒng)對(duì)性能高和功耗低的要求。 2) 視頻采集設(shè)備的選擇 該系統(tǒng)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的采集是通過 紅外 USB 攝像頭。因?yàn)? USB 攝像頭的價(jià)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(tǒng)中也更加容易。所以我選用 了 韓國(guó)現(xiàn)代 公司生產(chǎn)的 V2022 攝像頭，該攝像頭芯片內(nèi)部含有數(shù)字?jǐn)z像 IC 接口、具有實(shí)時(shí)圖像壓縮引擎、 FIFO 等功能，并且芯片的壓縮比達(dá)到 5:1，經(jīng)處理后輸出的為 JPEG 格式的圖像；該款攝像頭采用的是高質(zhì)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(dòng)調(diào)節(jié)畫質(zhì)的清晰程度 。 且該款攝像頭無需驅(qū)動(dòng)，完美支持 Linux 操作系統(tǒng)，在開發(fā)板上使用效果良好。 3) 攝像頭角度可調(diào)設(shè)備的選擇 中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 12 頁(yè) 共 37 頁(yè) 在該系統(tǒng)中選用了步進(jìn)電機(jī)來調(diào)節(jié)攝像頭的角度及焦距，步進(jìn)電 機(jī)由 51 單片機(jī)控制，并且是由紅外遙控器來控制，這樣的選擇實(shí)現(xiàn)起來方便快捷，成本低廉。而且易于調(diào)節(jié)和可控性強(qiáng)。 嵌入式操作系統(tǒng)的選擇 結(jié)合嵌入式硬件的平臺(tái)局限性，嵌入式的操作系統(tǒng)一般應(yīng)該具有軟件代碼小、高度自動(dòng)化、響應(yīng)速度快等特