【文章內(nèi)容簡介】 ：它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的 應(yīng)用程序等四個部分組成，用于實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視和管理等功能。嵌入式系統(tǒng)具有軟件代碼少、高度自動化、響應(yīng)速度快等特點，特別適合于要求實時和多任務(wù)處理的場合 本文所設(shè)計的嵌入式視頻監(jiān)控終端主要完成視頻數(shù)據(jù)的采集、頻數(shù)據(jù)的壓縮、絡(luò)接入、協(xié)議的封裝等功能。它主要由中央微處理器及其外圍設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)為核心的軟件平臺以及相應(yīng)的應(yīng)用程序組成。本文所設(shè)計的嵌入式視頻監(jiān)控終端以及所涉及的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖 21 所示： 圖 21 視頻監(jiān)控系統(tǒng)基本框 架 嵌入式視頻監(jiān)控終端 傳輸網(wǎng)絡(luò) 后臺控制中心 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設(shè)計與實現(xiàn) 13 硬件整體架構(gòu)的選擇 嵌入式微處理器是嵌入式視頻監(jiān)控終端的 CPU，它的性能的好壞直接關(guān)系到本系統(tǒng)整體的性能，是硬件選擇中最重要的一部分。選擇一款合適的處理器，不但能起到事半功倍的作用，甚至有可能發(fā)揮的效用都是自己意想不到的。在現(xiàn)在的微處理器領(lǐng)域，有很多的嵌入式處理器能夠供我們選擇，現(xiàn)在我們就對這些常用的處理器做一下簡單的介紹。 主流微處理器 （ 1） ARM 微處理器 ARM 微處理器是基于英國全球領(lǐng)先 32 位 RISC(精簡指令集計算機 )微處理器知識產(chǎn)權(quán)設(shè)計供應(yīng)商的 ARM 公司內(nèi)核所生 產(chǎn)的一類微處理器的統(tǒng)稱，對高性能、低成本、低功耗有著苛刻要求的嵌入式產(chǎn)品提供了完成的芯片級解決方案。這類處理器的應(yīng)用領(lǐng)域十分的廣泛，并且獲得了巨大的成功，已經(jīng)逐漸成為移動通信、手持設(shè)備、多媒體數(shù)字消費嵌入式解決方案的 RISC 標準。 （ 2） MIPS 處理器 MIPS 處理器是由 MIPS 公司自主研發(fā)的針對高性能，高檔次的嵌入式應(yīng)用而開發(fā)的一類處理器的統(tǒng)稱 [18]。 MIPS 公司自成立之日起，就相繼開發(fā)出了一系列優(yōu)秀的芯片，并開發(fā)了與之配套的軟件技術(shù)，在很多領(lǐng)域獲得了巨大的成功，特別是在工業(yè)控制領(lǐng)域比如說智能機器人 方面發(fā)揮出了自己獨特的優(yōu)勢。但是在針對手持終端設(shè)備這一塊，它的價位比較高，并且與之相關(guān)的軟件支撐也略顯不足，因此在本設(shè)計中，雖然這個處理器也是很好的選擇，但是考慮到成本和二次開發(fā)的可操作性上，暫時沒有用 MIPS 處理器。 （ 3） Power PC 處理器 由 IBM、 Apple 和 Motorola 公司開發(fā)的 Power Pc 處理器也是位處理器領(lǐng)域極具代表性的芯片之一，并且其架構(gòu)具有可伸縮性好，方便靈活的優(yōu)勢，在許多對性能要求很高的場合發(fā)揮了其獨特的優(yōu)勢。但是這款處理器功耗比較大，一般不適合于對低功耗要求的比較 高的移動設(shè)備的應(yīng)用上，因此本設(shè)計暫時不考慮這款處理器。 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設(shè)計與實現(xiàn) 14 （ 4） x86 處理器 X86 處理器是基于 CISC(復雜指令集計算機 )架構(gòu)的處理器，曾經(jīng)在通用電腦的應(yīng)用方面獲得了巨大的成功，至今為止仍然是計算機領(lǐng)域最具優(yōu)勢的處理器。但是其成本較高，并且指令反復復雜，另外芯片的體積比較大，因此不符合本設(shè)計終端對體積輕便的要求，暫時不考慮 X86 處理器作為本終端的中央 CPU。 表 22 中列出了主要的嵌入式微處理器的特性。 處理器類型 處理器價格 處理器性能 應(yīng)用場合 ARM 低 功耗低 性能較高 應(yīng)用范圍廣 MPIS 較低 功耗低 性能較高 便攜通信設(shè)備，工業(yè)控制 Power PC 高 功耗較高 性能高 通信，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 高 功耗高 性能高 個人電腦 表 22 主要的嵌入式微處理器特性比較 ARM 微處理器的優(yōu)點 面對如此眾多的處理器，考慮到本設(shè)計終端對低功耗，低成本，低體積方面的嚴格要求，因此最終決定選擇 ARM 處理器作為本終端的中央 CPU，下面簡單介紹一下 ARM 微處理器相比其他很多的處理器無可比擬的巨大有點。 (1)高性能、低功耗、低價格 在嵌入式終端產(chǎn)品的開發(fā)過程中，對于低功耗 的理念必須一直貫徹在沒一個環(huán)節(jié)上。 ARM 公司提供的芯片解決方案在保證性能的情況下能夠?qū)⒐慕档阶畹停谛阅芄谋确矫孢h遠領(lǐng)先于其他的芯片。同時 ARM 芯片的價格也是非常的低，甚至有的也就十幾元，這在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域無疑能夠極大地降低成本，因此成就了很多的低中端用戶。 (2)豐富的可選擇芯片 ARM 公司并不生產(chǎn)自己的芯片，只是開發(fā)有知識產(chǎn)權(quán)的內(nèi)核，并且與全球幾乎所有的半導體廠家都有業(yè)務(wù)往來，許許多多的半導體公司比如說 ST、TI、 NXP、 Samsung、 OKI、 Sharp、 Crystal 等廠家都基于 ARM 內(nèi)核開發(fā)出了自己的具有專業(yè)特色的芯片，在業(yè)界形成了具有不同品牌但是內(nèi)核相同的 ARM 芯 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設(shè)計與實現(xiàn) 15 片。因為不同的 ARM 芯片都有自己專一的特定特色，或是針對具體應(yīng)用，或是針對降低功耗，或是針對某一性能，用戶可以根據(jù)自己的實際需求，選出性價比最高的 ARM 芯片來設(shè)計自己的產(chǎn)品。 (3)廣泛的第三方支持 ARM 公司從成立之初就非常注重第三方的合作，在二十多年的發(fā)展中，已經(jīng)獲得了 全球約有 50 家以上的實時操作系統(tǒng)（ RTOS）軟件廠商和 30 家以上的EDA 工具制造商的支持，他們設(shè)計的產(chǎn)品如編譯器，調(diào)試環(huán)境，嵌入式操作系統(tǒng)等都對 ARM 提供了完整的技術(shù)支持。采用基于 ARM 內(nèi)核的處理器開發(fā)自己的產(chǎn)品，不但能夠運用成熟的軟硬件支持來縮短開發(fā)周期，并且在業(yè)內(nèi)有許許多多的專業(yè)人士供我們溝通交流，來進一步提高我們的水平。 (4)完整的產(chǎn)品線和發(fā)展規(guī)劃 ARM 公司設(shè)計的內(nèi)核能夠根據(jù)不同應(yīng)用需求對處理器性能的不同要求，設(shè)計了一個從 ARM ARM9 到 ARM ARM11，以及新定義的 Cortex M/R/A系列完整的產(chǎn)品線。用戶在選擇 ARM 處理器時，可以針對應(yīng)用需求，從大量的ARM 芯片中選用滿足自己設(shè)計性能、功能要求的產(chǎn)品，以獲得較好的性價比 。 綜合考慮成本，功耗以及需要的第三方技術(shù)支持等多方面的考慮，中央微處理器采用基于 ARM9 內(nèi)核的芯片。同時由于本系統(tǒng)是專門針對視頻監(jiān)控而設(shè)計，視頻圖像處理需要很大的計算量，因此對處理器的計算性能提出了更高的要求，用單純的 ARM 處理器進行視頻數(shù)據(jù)的處理顯然不能滿足本方案的設(shè)計要求。 本終端中央架構(gòu) 為了節(jié)約開發(fā)時間和最大可能的保障系統(tǒng)對于速度和穩(wěn)定性的要求，本文采用專用的視頻處理芯片來完成視頻數(shù)據(jù)的壓縮和原始數(shù)據(jù)的行為分析?？紤]到監(jiān)控終端對于視頻高清和智能化的要求，系統(tǒng)采用富瀚公司推出的專 門針對高清智能監(jiān)控的專用 壓縮芯片 FH8735。 相比主流的 DSP 方案和 ASIC 方案，運用專用壓縮芯片有以下的優(yōu)點： （ 1）性價比高 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設(shè)計與實現(xiàn) 16 FH8735 單芯片即可完成 8 路 D1,16 路 CIF 全實時和 16 路 D1 等功能，相比其他的 DSP 和 ASIC 方案，具有明顯的性價比優(yōu)勢。 （ 2）方案開發(fā)周期短 該方案的軟硬件設(shè)計簡單，軟件方面由于復雜的視音頻編碼完全由硬件完成，并已經(jīng)有穩(wěn)定的驅(qū)動和 SDK，我們在開發(fā)時候只要基于驅(qū)動和 SDK 就能夠完成定制化的應(yīng)用程序。因此能夠縮短開發(fā)周期，可以使我們開發(fā)出的產(chǎn)品快 速推向市場。 綜上所述，本文采用 ARM 中央控制器加專用視頻壓縮芯片雙處理器方案進行嵌入式終端的設(shè)計。 操作系統(tǒng)的選擇 (1) VxWorks VxWorks 操作系統(tǒng)是美國 WindRiver 公司于 1983 年設(shè)計開發(fā)的一種實時操作系統(tǒng)。 VxWorks 擁有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及良好的用戶開發(fā)環(huán)境，在實時操作系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通信、軍事演習、導彈制導、飛機導航等。 在美 國的 F1 FA18 戰(zhàn)斗機， B2 隱形轟炸機和愛國者導彈上，甚至連 1997年 4 月在火星表面登陸的火星探測器上也使用了 VxWorks。它是目前嵌入式系統(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， i960，Sun Sparc， Motorola MC68xxx， MIPS RX000， Power PC， ARM ， StrongARM等。大多數(shù)的 VxWorksAPI 是專有的。 (2) QNX QNX 是一個實時的、可擴充的操作系統(tǒng)；它部分遵循 POSIX 相關(guān)標準，如 實時擴展；它提供了一個很小的微內(nèi)核以及一些可選的配合進程。 其內(nèi)核僅提供 4 種服務(wù)：進程調(diào)度、進程間通信、底層網(wǎng)絡(luò)通信和中斷處理， 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設(shè)計與實現(xiàn) 17 其進程在獨立的地址空間中運行。所有其他操作系統(tǒng)服務(wù)都實現(xiàn)為協(xié)作的用戶進程，因此 QNX 內(nèi)核非常小巧 (QNX4． x 大約為 12KB)，而且運行速度極快。這個靈活的結(jié)構(gòu)可以使用戶根據(jù)實際的需求，將系統(tǒng)配置成微小的嵌入式操作系統(tǒng)或包括幾百個處理器的超級虛擬機操作系統(tǒng)。 POSIX 表示可移植操作系統(tǒng)接口 (Portable Operating SystemInterface,縮寫 為POSI X 是為了讀音更像 UNIX) 電氣和電子工程師協(xié)會 (IEEE）最初開發(fā) POSIX 標準 ,是為了提高 UNIX 環(huán)境下應(yīng)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 標準 ,尤其是 IEEE (1995 年修訂 )或, 提供了源代碼級別的 C 語言應(yīng)用編程接口（ API）給操作系統(tǒng)的服務(wù)程序 ,例如讀寫文件 . 已經(jīng)被國際標準化組織 (ISO)所接受 ,被命名為 ISO/IEC 99451:1990 標準。 POSIX 現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為一個非常龐大的標準族，某些部分正處在開發(fā)過程中。 POSIX 與 IEEE 1003 和 20xx 家族的標準是可互換的 。 (3) Palm OS 3Com 公司的 Palm OS 在掌上電腦和 PDA 市場上占有很大的市場份額。它有開放的操作系統(tǒng)應(yīng)用程序接口 (API)，開發(fā)商可以根據(jù)需要自行開發(fā)所需的應(yīng)用程序。 目前共有 3500 多個應(yīng)用程序可以運行在 Palm Pilot 上。其中大部分應(yīng)用程序均為其他廠商和個人所開發(fā)，使 Palm Pilot 的功能得以不斷增多。這些軟件包括計算器、各種游戲、 電子寵物、地理信息等。在開發(fā)環(huán)境方面，可以在Windows 95/98/NT 以及 Macintosh 下安裝 Palm Pilot Desktop。 Palm Pilot 可以與流行的 PC 平臺上的應(yīng)用程序 (如 Word， Excel等 )進行數(shù)據(jù)交換。 (4) Windows CE Microsoft Windows CE 是從整體上為有限資源的平臺設(shè)計的多線程、完整優(yōu)先權(quán)、多任務(wù)的操作系統(tǒng)。它的模塊化設(shè)計允許它對從掌上電腦到專用的工業(yè)控制器的用戶電子設(shè)備 進行定制。操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核至少需要 200KB 的 ROM。 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設(shè)計與實現(xiàn) 18 (5) LynxOS Lynx Realtime Systems 的 LynxOS 是一個分布式、嵌入式、可規(guī)模擴展的實時操作系統(tǒng) ,它遵循 ， 和 標準。 LynxOS 支持線程概念，提供 256 個全局用戶線程優(yōu)先級；提供一些傳統(tǒng)的、非實時系統(tǒng)的服務(wù)特征，包括基于調(diào)用需求的虛擬內(nèi)存， 一個基于 Motif的用戶圖形界面，與工業(yè)標準兼容的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及應(yīng)用開發(fā)工具。 Motif 是開放軟件基金（ OSF） 于 1989 年推出的一個圖形用戶界面系統(tǒng)。 由于它融合了多種圖形用戶界面產(chǎn)品中的優(yōu)點，因此得到了 OSF 的所有成員及廣大第三方廠商的廣泛支持。 目前 Motif 已作為軟件產(chǎn)品在 OS/2 、 Unix、 Sys V、 OSF/1 、 VMS 、Macintosh OS、 Ultrix 等 48 中操作系統(tǒng)平臺上實現(xiàn)，并可在 PC、工作站、小型機和大型機等各種計算機系統(tǒng)上運行。 Motif 由工具箱（ Motif Toolkit）、用戶界面語言（ UIL）、窗口管理程序（ MWM）、 風格指南文檔（ Style Guide）等四部 分組成： Motif Toolkit 是一個具體的 X Toolkit 產(chǎn)品，它包括 Xt Intrinsics、 Motif 對象元類集合和操縱這個對象元類集合的簡便函數(shù)等三個部分。 利用 Motif 開發(fā)的應(yīng)用程序通?？煞譃閮蓚€部分：一部分是有關(guān)應(yīng)用程序界面的代碼；另一部分是關(guān)于應(yīng)用程序具體功能的代碼。一般來說，應(yīng)用程序中這兩個部分是不會相互干擾的。比如說菜單項位置的變動、標圖的更換就都不會影響