【文章內(nèi)容簡介】 度更快；l 保證高性能的同時，減小體積、降低功耗和成本；l 大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；l 尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；l 采用固定長度的指令格式。ARM處理器共有7種不同的運(yùn)行模式[13]。在ARM運(yùn)行的7種模式中，除了用戶模式以外，其他的模式稱為特權(quán)模式（Privileged Modes），在特權(quán)模式下，程序可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以在幾個運(yùn)行模式之間轉(zhuǎn)換。在特權(quán)模式中，除了系統(tǒng)模式，其他的5種模式又稱為異常模式（Exception Modes）。 ARM處理器的7種不同運(yùn)行模式 Seven different operating modes of ARM processor處理器模式描述用戶模式(usr)一般的程序執(zhí)行在此模式下外部中斷模式(irq)一般用于中斷的處理快速中斷模式(fiq)高速數(shù)據(jù)傳輸和通道的處理數(shù)據(jù)訪問中止模式(abt)用于保護(hù)存儲和虛擬存儲管理模式(svc)供操作系統(tǒng)使用的特權(quán)模式未定義指令中止模式(und)主要用于支持協(xié)處理器系統(tǒng)模式(sys)用于管理模式下的操作系統(tǒng)任務(wù)ARM處理器共37個寄存器：31個通用寄存器和6個狀態(tài)寄存器[14]。期中包括程序計數(shù)器（PC）在內(nèi)的31個通用寄存器都是32位的。用以標(biāo)識CPU工作狀態(tài)及程序運(yùn)行狀態(tài)的6個32位狀態(tài)寄存器目前只使用了其中的一部分。在7種不同的處理器模式下，ARM處理器在每一種處理器模式中有一組相應(yīng)的寄存器組。在任意的處理器模式下，可見的寄存器包括R0～R14這15個通用寄存器以及一個或兩個狀態(tài)寄存器及程序計數(shù)器（PC）。在所有的寄存器中，有些是各模式共用同一個物理寄存器；有一些寄存器是各模式擁有自己獨(dú)立的物理寄存器。 S3C2440AS3C2440A是三星公司生產(chǎn)的16/32位RISC微處理器。該芯片是專門為手持設(shè)備和一般類型應(yīng)用所提供的一款低功耗、低價格、高性能的微處理器[15]，主頻400M，最高533Mhz。它采用一種被稱作AMBA(Advanced Micro controller Bus Architecture) 的新的總線架構(gòu)。S3C2440A基于ARM920T的內(nèi)核， 的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲器單元。由于其采用全靜態(tài)設(shè)計，并且具有低功耗、簡單等特點(diǎn)，因此特別適合于對成本和功率敏感型的應(yīng)用。ARM920T 實現(xiàn)了MMU，AMBA BUS和Harvard 高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)分別具有獨(dú)立的16KB指令Cache和數(shù)據(jù)Cache。每個都是由具有8字長的行組成。通過提供一套完整的通用系統(tǒng)外設(shè)， S3C2440A無需配置額外的組件，減少整體系統(tǒng)成本。 ARM920T的結(jié)構(gòu)圖 The structure of ARM920TS3C2440A有如下一些特性[16]：（1）強(qiáng)大的片上外圍電路。S3C2440A提供了全面的、通用的片上外設(shè)，可極大的減小系統(tǒng)的成本：，，同時帶有16KB的指令Cache和16KB的數(shù)據(jù)Cache/MMU；外部存儲控制器（SDRAM控制和片選邏輯）；提供3個UART通道（，64字節(jié)發(fā)送FIFO及64字節(jié)接收FIFO）；IICBUS總線接口(支持多master)；1通道IISBUS音頻編解碼器接口；具有片內(nèi)PLL時鐘發(fā)生器；兩路USB Host控制器和一路USB Device控制器()；130個通用I/O端口和24通道外部中斷源。（2）強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。S3C2440A采用的是ARM920T內(nèi)核，因此具有5級整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率非常高；ARM920T在ARM9TDMI的基礎(chǔ)之上增加了全性能的MMU、16K的數(shù)據(jù)Cache和16K的指令Cache、寫緩沖區(qū)（write buffer）、Write PA Tag RAM、32位的高速AMBA總線等構(gòu)件；，支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集，支持32位的高速AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）總線接口。 系統(tǒng)硬件總體構(gòu)架設(shè)計一種應(yīng)用系統(tǒng)，一般要滿足以下兩個原則[17]：一是設(shè)計的系統(tǒng)要滿足最初的設(shè)計要求；另外一方面要降低系統(tǒng)成本且開發(fā)周期要盡可能的短。本文選用三星公司的S3C2440處理器，由于其采用FBGA封裝，因此為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性一般需要設(shè)計六層的PCB板。六層板的開工費(fèi)用較高且設(shè)計難度較大，為了提高系統(tǒng)的開發(fā)周期降低開發(fā)成本，本文的核心電路模塊采用現(xiàn)成的開發(fā)板——廣州友善之臂的MINI2440。其主要硬件設(shè)備[18]： 系統(tǒng)主要硬件列表 List of major hardware硬件描述CPU處理器Samsung S3C2440ASDRAM內(nèi)存64M SDRAMFLASH存儲256M Nand Flash 2M Nor Flash接口和資源一個以太網(wǎng)接口 三個串口 兩個USB口 一個TJAG接口系統(tǒng)晶振12M無源晶振： Mini2440開發(fā)板布局圖 The mini440 board layout diagram。開發(fā)板通過USB接口和攝像頭連接，通過攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)然后回傳到系統(tǒng)中，對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理后通過網(wǎng)絡(luò)傳送給監(jiān)控客戶端。本文所選的攝像頭為支持UVC驅(qū)動的USB攝像頭，網(wǎng)卡接口為采用DM9000 網(wǎng)絡(luò)芯片的100M以太網(wǎng) RJ45 接口。 硬件的總體結(jié)構(gòu) The overall structure of hardware 本章小結(jié) 本章的主要內(nèi)容是對系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)作簡單的介紹。分析了ARM技術(shù)和本文所選取的芯片S3C2440A，然后給出了視頻采集系統(tǒng)的整體硬件構(gòu)架。第3章 系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺的建立 開發(fā)嵌入式Linux系統(tǒng)有三種不同的主機(jī)/目標(biāo)板架構(gòu)：連接式設(shè)置、可抽換存儲裝置設(shè)置、獨(dú)立式設(shè)置[19]。根據(jù)現(xiàn)有的實驗環(huán)境，本文選用連接式設(shè)置，在這種設(shè)置下所有數(shù)據(jù)都是通過連接來傳送的。： 主機(jī)/目標(biāo)板架構(gòu) Host/target architecture 在本課題中，目標(biāo)板和主機(jī)是通過串口線和網(wǎng)線進(jìn)行通信的，即以遠(yuǎn)程組件來簡化目標(biāo)板的開發(fā)工作。例如，可以通過TFTP下載Linux內(nèi)核，通過NFS安裝根文件系統(tǒng)等，而不需要直接寫到目標(biāo)板的存儲介質(zhì)中。這種設(shè)置在開發(fā)調(diào)試階段能讓開發(fā)者在主機(jī)和目標(biāo)板直接快速共享數(shù)據(jù)，而不必每次都直接操作目標(biāo)板。構(gòu)建基于Linux系統(tǒng)的目標(biāo)板一般分三個步驟[20]：l 在主機(jī)上移植Bootloader，編譯后下載到目標(biāo)板。l 在主機(jī)上配置編譯Linux內(nèi)核，通過網(wǎng)絡(luò)掛載或下載到目標(biāo)板。l 在主機(jī)上建立根文件系統(tǒng)，編譯后通過網(wǎng)絡(luò)掛載或下載到目標(biāo)板。 Bootloader的設(shè)計 Bootloader的基本概念嵌入式Linux系統(tǒng)上電后，需要一段程序來進(jìn)行相關(guān)硬件的初始化工作，如：改變系統(tǒng)的時鐘、關(guān)閉開門狗、初始化存儲設(shè)備、將操作系統(tǒng)內(nèi)核復(fù)制到內(nèi)存中運(yùn)行等，這樣的一段程序就叫做Bootloader。嵌入式系統(tǒng)中，通常并沒有像PC機(jī)的BIOS那樣的固件程序，因此整個系統(tǒng)的加載啟動任務(wù)就完全由Bootloader來完成。在以ARM920T為核心的開發(fā)板中，系統(tǒng)在上電或復(fù)位后通常都從地址0x00000000處開始執(zhí)行，通常在這個地址存放一開機(jī)就要執(zhí)行的Bootloader。 BootLoader的實現(xiàn)通常嚴(yán)重地依賴于具體的硬件，由于嵌入式系統(tǒng)中硬件的差別很大，所以不可能有一個Bootloader支持所有的電路硬件。因此對于構(gòu)建嵌入式Linux，編寫移植BootLoader是開發(fā)階段必不可少的工作。，其中包含四部分內(nèi)容：Bootloader、內(nèi)核的啟動參數(shù)、內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像。 嵌入式Linux系統(tǒng)的典型分區(qū)結(jié)構(gòu) Typical partition structure of embedded Linux system在開發(fā)時，一般需要通過各種命令操作Bootloader，通常是PC機(jī)通過串口和開發(fā)板連接，可以在超級終端上輸入各種命令觀察運(yùn)行結(jié)果。這只對開發(fā)人員有意義，用戶使用產(chǎn)品時是不用連接串口來控制Bootloader的。從這個角度來說，Bootloader可以分為以下兩種操作模式（Operation Mode）。（1）啟動加載（Boot loading）模式：這種模式也稱為“自主”（Autonomous）模式。也即Bootloader從目標(biāo)機(jī)上的某個固態(tài)存儲設(shè)備上將操作系統(tǒng)加載到RAM中運(yùn)行，整個過程不需要用戶的介入。這種模式是Bootloader 的正常工作模式，因此在產(chǎn)品推出到市場上的時候，Bootloader必須工作在這種模式下。（2）下載（Downloading）模式：在這種模式下，開發(fā)人員可以使用各種命令通過串口連接或網(wǎng)絡(luò)連接等通信手段從主機(jī)（Host）下載文件，比如：下載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像等，將它們直接放在內(nèi)存中運(yùn)行或是寫到目標(biāo)機(jī)上的FLASH類固態(tài)存儲設(shè)備中。目標(biāo)機(jī)與主機(jī)之間傳送文件時，可以使用串口xmodem/ymodem/zmodem協(xié)議，它們使用簡單，但傳輸速度較慢；或者是用網(wǎng)絡(luò)通過TFTP/NFS協(xié)議來傳送，此時主機(jī)上要開啟TFTP、NFS服務(wù)。BootLoader 的啟動過程分為單階段（SingleStage）和多階段（MultiStage）兩種。通常多階段的BootLoader能提供更為復(fù)雜的過程，并且有更好的可移植性。目前最常用的啟動過程可以分為stage1和stage2兩大階段[21]。stage1中一般執(zhí)行CPU體系結(jié)構(gòu)方面的的代碼，如設(shè)備初始化代碼等操作，并且為了提高執(zhí)行的效率，這部分代碼需要用匯編語言來實現(xiàn)。而stage2則是一些用C語言寫的功能實現(xiàn)代碼，如下載程序與控制臺程序等，由于C語言具有語法簡單、處理能力強(qiáng)、效率高、可移植性好等特點(diǎn)，因此既實現(xiàn)復(fù)雜的功能，又使代碼具有更好的可讀性和可移植性。 Uboot的移植Uboot，全稱為universal bootloader，即通用bootloader，是遵循GPL條款的開放源代碼項目。其前身是由德國DENX軟件工程中心的Wolfgang Denk基于8xxROM的源碼創(chuàng)建的PPCBOOT工程。后來整理代碼結(jié)構(gòu)使得非常容易增加其它類型的開發(fā)板、其他架構(gòu)的CPU（原來支持PPC）；增加了更多的功能，比如啟動Linux、下載SRecord格式的文件、通過網(wǎng)絡(luò)啟動、通過PCMCIA、SD等方式啟動[22]。增加了ARM架構(gòu)的CPU后改名為Uboot。Uboot的版本有很多。 Uboot的源碼結(jié)構(gòu)，Uboot的源碼目錄結(jié)構(gòu)比較簡單。，可以分為4類。 （1）平臺相關(guān)的或開發(fā)板相關(guān)； （2）通用的函數(shù)； （3）通用的設(shè)備驅(qū)動函數(shù)； （4）Uboot工具、示例程序、文檔。 。表 Uboot頂層目錄說明Table Uboot toplevel directory Description目錄特性解釋說明board開發(fā)板相關(guān)對應(yīng)不同配置的電路板（即使CPU相同）cpu平臺相關(guān)對應(yīng)不同的CPU，比如arm920t、arm925t等；在他們的子目錄下依然可以進(jìn)一步細(xì)分，比arm920t下就at91rm9200、s3c24x0lib_arm類似某一架構(gòu)下的通用文件include通用函數(shù)頭文件和開發(fā)板配置文件，開發(fā)板的配置文件都放在include/configs目錄下，需要修改配置文件的宏定義Lib_generic通用庫函數(shù)，比如printf.mon通用庫函數(shù)，對下一層接口進(jìn)行的封裝disk通用的設(shè)備驅(qū)動程序硬盤接口程序drivers各類具體設(shè)備的驅(qū)動程序libfdt支持平臺設(shè)備樹的庫dtt溫度測量或者傳感器驅(qū)動程序Fs文件系統(tǒng)nand_spl支持Uboot從Nand Flash啟動的設(shè)備驅(qū)動net各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議post上電自檢rtc實時時鐘doc文檔開發(fā)使用文檔examples示例程序一些測試程序，可以使用Uboot下載后運(yùn)行tools工具制作SRecord、 Uboot格式映像文件的工具api_examplesAPI 的示例具體的使用API的示例程序api擴(kuò)展的API一些擴(kuò)展應(yīng)用的獨(dú)立的APIUboot各層目錄之間存在一定的層次結(jié)構(gòu)的，理解層次結(jié)構(gòu)對移植過程會提供一些幫助。、lib_i386和lib_mips等12種不同CPU架構(gòu)。例如比如mon/ Flash的各種命令，這些命令通過調(diào)用drivers/nand/、讀寫函數(shù)來實現(xiàn)。這些函數(shù)針對Nand Flash的共性作了一些封裝，將平臺/開發(fā)板相關(guān)的代碼用宏或者外部函數(shù)代替。而這些宏與外部函數(shù)，如果與平臺相關(guān)，就要在下一層次的cpu/xxx（xxx表示某型號的CPU）中實現(xiàn)；如果與開發(fā)板相關(guān)，就要在下一層次的board/xxx目錄（xxx表示某款開發(fā)板）中實現(xiàn)。圖 Uboot頂層目錄的層次結(jié)構(gòu) The toplevel directory hierarchy of Uboot Uboot的啟動過程Uboot啟動過程也是采用兩段式結(jié)構(gòu)，其中依賴于CPU體系結(jié)構(gòu)的匯編語言代碼，比如設(shè)備初始化代碼等，通常都放在stage1中，而stage2則通常用C語言來實現(xiàn)。Uboot 的stage1通常包括以下步驟(以執(zhí)行的先后順序)[23]：l 硬件設(shè)備初始化。 l 為加載Uboot的stage2準(zhǔn)RAM空間。 l 拷貝Uboot的stage2到RAM空間中。 l 設(shè)置好堆棧。 l 跳轉(zhuǎn)到stage2的C入口點(diǎn)。其部分相關(guān)代碼如下（ARM的異常向量表放在0地址開始處）： b ResetHandler //復(fù)位的異常向量，定位于開始地址 b HandierUndef //未定義中斷處理 b HandlerSWI //SWl異常，跳轉(zhuǎn)到SWI異常服務(wù)程序 b HandlerPabort //指令預(yù)取中止異常