【文章內(nèi)容簡介】 物。 (3) 嵌入式系統(tǒng)要求對軟硬件可以裁減，以適合各種需求。特別是對于軟件系統(tǒng)，其核心是往往是一個幾KB到幾十KB的微內(nèi)核，可以對其進行功能擴展和裁減。 其實，嵌入式系統(tǒng)是一個外延極其廣泛的名詞，但凡與產(chǎn)品相結(jié)合的，具有嵌入式特點的系統(tǒng)都可以看作嵌入式系統(tǒng)，如一個手持MP3，一個微型工業(yè)控制計算機都可以稱作嵌入式系統(tǒng)?，F(xiàn)在講的嵌入式系統(tǒng)主要指近年來比較熱的具有操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計中也將沿用這一觀點[9]。 嵌入式系統(tǒng)特點 嵌入式系統(tǒng)和一般的PC機上的應(yīng)用系統(tǒng)不同，它有自己的特點： (1) 嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的。嵌入式CPU與通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在為特定用戶設(shè)計的系統(tǒng)中，它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點，能夠把在通用型計算機系統(tǒng)中許多由板卡完成的功能集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計趨于小型化，移動能力大大增強。 (2) 嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。這一點就決定了它必然是一個技術(shù)密集、不斷創(chuàng)新的知識密集型系統(tǒng)。 (3) 嵌入式系統(tǒng)的硬、軟件都必須高效率地設(shè)計，量體裁衣、去除冗余，針對具體需求，對系統(tǒng)進行合理配置，達到理想性能。 (4) 為了提高執(zhí)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器芯片中，而不是存貯于磁盤等載體中。由于大部分嵌入式系統(tǒng)必須具有較高的實時性，因此對程序的質(zhì)量，特別是可靠性，有著較高的要求。 (5) 嵌入式系統(tǒng)本身并不具備在其上進行開發(fā)的能力，都是通過交叉編譯開發(fā)完成的，即采用宿主機和目標機的開發(fā)模式，在PC上開發(fā)完，編譯成功后下載到目標機運行的模式[10]。 嵌入式系統(tǒng)的組成一般而言，一個完整的嵌入式系統(tǒng)由四部分組成:嵌入式微處理器、嵌入式外圍設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用軟件。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖31所示。嵌入式外圍設(shè)備主要包括以太網(wǎng)RJ45接口，串行口，USB接口，SD卡存儲接口，攝像頭接口，電源接口等等。嵌入式應(yīng)用軟件種類繁多，不甚枚舉，下面介紹常見的嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)[11] 。 圖31 嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1. 常見嵌入式處理器 (1) 嵌入式微控制器(MCU)：其典型代表是單片機：將ROM/EPPROM, RAM,總線、定時/計數(shù)器、I/O, PWM, A/D, D/A等必要的功能和外設(shè)集成于芯片內(nèi)部，實現(xiàn)單片化，體積大大減小，功耗、成本大為降低，可靠性也有很大提高，代表產(chǎn)品有MCS51/96/196系列。 (2) 嵌入式微處理器(MPU)：由通用計算機CPU演變而來，其主要特征是具有32位或64位，而其性能可堪比PC機CPU，具有功耗低、體積小、可靠性高等優(yōu)點，其主要類型有ARM/Strong ARM系列、PowerPC,MIPS系列。 (3) 嵌入式DSP處理器(DSP )：一種類似于微處理器的的設(shè)備，DSP常常支持復(fù)雜指令集去非常快地完成通用的信號處理計算，其代表產(chǎn)品TI的TMS320C2000/C6000等。 (4) 嵌入式片上系統(tǒng)(SOC)：其最大的特點是實現(xiàn)了軟硬件的無縫結(jié)合，直接在處理器內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼，整個嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔，對于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。其性能優(yōu)于以傳統(tǒng)工藝設(shè)計的應(yīng)用系統(tǒng)。 2. 常見嵌入式操作系統(tǒng) (1) Windows CEWinCE是由微軟公司推出的，為有限資源平臺設(shè)計的多任務(wù)、多優(yōu)先級、有完整優(yōu)先權(quán)的實時嵌入式操作系統(tǒng)，現(xiàn)己發(fā)展到WinMobile。其最大特點是應(yīng)用開發(fā)簡單、界面優(yōu)美。該操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核需要至少200 KB內(nèi)存空間。它的最大缺點是實時性不好，只能用于對實時性要求不高的場合，并且需要一定的版權(quán)費。(2) VxworksVxworks是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中使用最廣泛、市場占有率最高的系統(tǒng)。它支持多種處理器，如x86, ARM, MIPS, Power PC等。Vxworks被廣泛應(yīng)用于通信、軍事、航空航天等高精尖技術(shù)領(lǐng)域以及實時性要求極高的領(lǐng)域中，具有高性能的內(nèi)核和友好的用戶開發(fā)環(huán)境，開發(fā)便利。 (3) pSOS現(xiàn)在pSOS屬于WindRiver公司的產(chǎn)品。這個系統(tǒng)是一個模塊化、高性能的實時操作系統(tǒng)，專為嵌入式微處理器設(shè)計，提供一個完全多任務(wù)環(huán)境，在定制的或是商業(yè)化的硬件上可達到高性能和高可靠性。(4) Linux 經(jīng)過幾年的發(fā)展，Linux技術(shù)和產(chǎn)品日趨成熟，有越來越多的公司了解了Linux的優(yōu)點而選用Linux作為主要的平臺。Linux以其獨特的特性，在數(shù)字視頻監(jiān)測領(lǐng)域己經(jīng)有了一段時間的應(yīng)用，其可針對不同硬件設(shè)備與數(shù)字影像監(jiān)測應(yīng)用需求而量身訂制，可有效減少對硬件資源的需求。為了有效降低數(shù)字視頻監(jiān)測、安全管理系統(tǒng)的整體運作成本，Linux OS應(yīng)是最適當?shù)倪x擇。 采用Linux進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)具有以下優(yōu)點：源代碼開放，軟件資源豐富；成本低，優(yōu)秀的開發(fā)工具；廣泛的硬件支持，良好的可移植性；強大的網(wǎng)絡(luò)支持功能；系統(tǒng)安全可靠[12]。 系統(tǒng)主要硬件介紹 嵌入式處理器設(shè)計中選擇ARM作為系統(tǒng)核心處理器，ARM架構(gòu)是第一款RSIC微處理器，是一種可擴展、可移植、可集成的處理器。其代表處理器ARM9實物圖如圖32所示。采用RSIC架構(gòu)的ARM微處理器一般有如表31所示的特點[13]：表31 ARM CPU特點序號特點1體積小，低功耗，低成本、高性能2支持Thumb/ARM雙指令集，能很好的兼容8/16位操作3大量使用寄存器，大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成，指令執(zhí)行速度更快 4尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高5指令長度更長 基于以上的一些優(yōu)點，隨著更多應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中的實現(xiàn)，作為32位結(jié)構(gòu)體系中的翹楚，ARM在各種應(yīng)用領(lǐng)域里得了極其廣泛的應(yīng)用。目前在市場上常用的ARM處理器有ARM7系列、ARMS系列。但ARM9代表了ARM公司主流的處理器，得到了更多的應(yīng)用。ARM9相對于ARM7來說有了更多的優(yōu)點，主要表現(xiàn)在如下：(1) ARM9主頻更高。ARM9采用5級流水線而ARM7為3級流水線。每一級流水都對應(yīng)CPU的一個時鐘周期，如果一級流水中的邏輯過于復(fù)雜，使得執(zhí)行時間居高不下，必然導(dǎo)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。在常用的芯片生產(chǎn)工藝下，ARM7一般運行在100MHz左右，而ARM9則至少在200MHz以上。 (2) ARM9帶有MMU, CACHE等。MMU則是用來支持存儲器管理的硬件單元，滿足現(xiàn)代平臺操作系統(tǒng)內(nèi)存管理的需要，它主要包括兩個功能：一是支持虛擬/物理地址映射，二是提供不同存儲器地址空間的保護機制。Cache以及MMU等硬件單元的引入，給系統(tǒng)程序員的編程模型帶來了許多全新的變化。例如，系統(tǒng)實時性和系統(tǒng)軟件優(yōu)化上的考慮。 (3) 性能和效率的提升。由于ARM9內(nèi)核采用的是哈佛架構(gòu)，擁有獨立的指令和數(shù)據(jù)總線，而ARM7為傳統(tǒng)的馮諾依曼結(jié)構(gòu)；ARM9的5級流水線設(shè)計把存儲器訪問和寄存器寫回放在不同的流水上面。運行同一段程序，ARM9的處理器可以比ARM7節(jié)省大約30%左右的時鐘周期。通過上面比較，結(jié)合項目需要，為了實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)功能，需要在嵌入式平臺實現(xiàn)視頻采集、編碼、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?，因此在監(jiān)測系統(tǒng)中采用ARM9作為微處理器，而三星的ARM產(chǎn)品價格便宜，性能穩(wěn)定，開發(fā)資料豐富等優(yōu)勢，因此選用的是三星的ARM9 S3C2440X作為微處理器。S3C2440是三星公司針對工業(yè)級和民用級等多種應(yīng)用場合設(shè)計的一款性價比比較高的32位RISC嵌入式微處理器，它是16/32位RISC嵌入