【文章內(nèi)容簡介】 ows8 支持 ARM 結(jié)構(gòu)就是一個很好的證明 [7]。 選用 Linux 平臺原因 （ 1） 從成本上來看。由于 Linux 是開源的操作系統(tǒng)，對于開發(fā)者很容易得到其資源，而不用花費任何代價。另一個方面，有遍布全球的 Linux 開發(fā)團隊和愛好者，對技術(shù)提供開發(fā)和支持，使得在 Linux 下開發(fā)軟件變得十分容易，從而縮短了開發(fā)周期、提高的效率。 （ 2） 基于 ARM 核心的嵌入式系統(tǒng)以其自身豐富的資源，低功耗、低價格，支持從多廠商的緣故在嵌入式開發(fā)中得到了越來越多的應(yīng)用?，F(xiàn)在的智能家居系統(tǒng)設(shè)計絕大部分也是基于 ARM 核心的，而 Linux 嵌入式操作系統(tǒng)由于源碼開放，使用多平臺等特點， ARM 與 Linux 的結(jié)合成了最佳的選擇。 （ 3） Linux 操作系統(tǒng)的應(yīng)用主要分為嵌入式 Linux 和 ucLinux 兩種類型。其共同之處在于源碼開放、內(nèi)核可裁剪、網(wǎng)絡(luò)功能強大、支持多平臺、資源豐富，唯一不同的是，后者去掉了 MMU 單元，適合各種沒有 MMU的微控制器，嵌入式 Linux 則保留了這功能，使得系統(tǒng)更加的穩(wěn)定，因此選擇性能更為優(yōu)越。 嵌入式系統(tǒng)移植 有了硬件電路后，我們需要將我的系統(tǒng)移植到硬件電路上，這樣系統(tǒng)才能正常工作，它主要包括 Bootloader、內(nèi)核、文件系統(tǒng)等。 Bootloader 啟動 Bootloader 是系統(tǒng)內(nèi)核啟動前得一小段引導(dǎo)程序，作用是初始化系統(tǒng)硬件，建立內(nèi)存空間的映射圖，為系統(tǒng)建立合適的啟動環(huán)境。其主要任務(wù)就是將內(nèi)核映像從存儲器上讀到 RAM 中，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的入口點運行。 一般來說， Bootloader 包含兩種不通的操作模式： 啟動加載模式：在啟動加載模式下， Bootloader 從存儲介質(zhì)中將操作系統(tǒng)加載到RAM 中運行，這是 Bootloader 的正常運行模式，這個過程中沒有用戶的介入 。 下載模式：在下載模式下，嵌入式系統(tǒng)中的 Bootloader 將通過串口連接或網(wǎng)絡(luò)連接等通信手段從主機上下載內(nèi)核印象 和根文件系統(tǒng)印象等。從主機下載的文件通常 首先被 Bootloader 保存到嵌入式平臺的 RAM 中，然后再被寫入 flash 等固態(tài)存儲設(shè)備中。下載模式通常在第一次安裝內(nèi)核與文件系統(tǒng)時使用，系統(tǒng)更新也會使用該工作模式。 移植：做好適合自己平臺的 Bootloader 后，我們需要將其移植到開發(fā)板上，一般Bootloader 移植使用 DNW工具下載到 flash 或者其他存儲介質(zhì)中，然后再通過該介質(zhì)啟動 Bootloader。 Linux 內(nèi)核移植 Linux 操作系統(tǒng)一般主要由進程調(diào)度、內(nèi)存管理、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口、進程間通信等幾個部分組成。 在嵌入式 Linux 中，由于不是所有的功能都能使用，因此我們在 Linux 環(huán)境下使用 make menuconfig 命令對其功能進行裁剪和修改，并加入相應(yīng)的 flash 分區(qū)信息，其主要針對以下幾個方面進行修改： （ 1） 去除本硬件平臺不需要的外設(shè)驅(qū)動及其管理部分，簡化控制臺的代碼。 注意： 之前的 Linux 內(nèi)核沒有對 USB 的攝像頭驅(qū)動支持，需要加其內(nèi)核補丁一塊編譯才能使用。 （ 2） 盡量減少對文件系統(tǒng)的支持，如果不需要文件系統(tǒng)則可以去掉內(nèi)核中的文件系統(tǒng)部分，包括內(nèi)核線程，但需要保留頂部的虛擬文件系統(tǒng)層，因為底層驅(qū)動需要VFS 的支持。 （ 3） 根據(jù)需要修改進程調(diào)度策略，可以通過“優(yōu)先級繼承”、“優(yōu)先級封頂”等算法來解決優(yōu)先級倒轉(zhuǎn)的問題。 當配置生效后，將會編譯生成 ZImage 鏡像文件，最后可利用 DNW 工具，將該鏡像文件燒寫進 flash 即可 [8]。 11 JFFS2 文件系統(tǒng)移植 在系統(tǒng)啟動之后，操作系統(tǒng)要完成的最后一步是掛在根文件系統(tǒng)。嵌入式文件系統(tǒng)的任務(wù)是對邏輯文件進行管理，包括提供對邏輯文件的操作接口，方便用戶操作文件和目錄。嵌入式系統(tǒng)一般使用 flash 作為自己的存儲介質(zhì)，相比硬盤有以下特點：不具有揮發(fā)性、可隨機讀寫、可擦寫、集成度高等。 在本次的研究中需要文件系統(tǒng)的支持，需要將文件系統(tǒng)燒寫進 flash 里以便使用。此次使用的文件系統(tǒng)的格式是 JFFS2 格式的文件系統(tǒng)。 JFFS2 文件系統(tǒng)是為嵌入式設(shè)備而專門設(shè)計的移植日志文件系統(tǒng)，它屬于 Log—Structured 日志文件系統(tǒng)，它把 整個flash 設(shè)備當做可循環(huán)的日志文件來組織，每次修改都在這個文件的邏輯上的尾部進行。 JFFS2 文件系統(tǒng) 支持新的存儲方式，支持損耗平衡，具有斷電保護功能，因而相對 EXET2 文件系統(tǒng)而言，更適合于把 flash 作為存儲設(shè)備的嵌入式文件系統(tǒng)。 在設(shè)計 JFFS2 文件系統(tǒng)時要注意和硬件平臺的設(shè)計有邏輯相關(guān)性，即要根據(jù)硬件設(shè)計來確定和分配分區(qū)等信息。設(shè)計好后利用 DNW 工具將其燒寫到 flash 里面即可，至此，一個完整的嵌入式 Linux 系統(tǒng)搭建完成。 搭建交叉編譯環(huán)境 交叉編譯是指： 在一種計算機環(huán)境中運行的 編譯程序，能編譯出在另外一種環(huán)境下運行的代碼，我們就稱這種編譯器支持交叉編譯。這個編譯過程就叫交叉編譯 。 由于應(yīng)用程序運行的硬件的環(huán)境不同，在宿主機（即 PC）環(huán)境下編譯的程序移植到目標板上不能運行。所以我們需要搭建交叉編譯環(huán)境，然后使用該編譯環(huán)境編譯我們編寫的應(yīng)用程序，然后移植到目標板上。簡單的說交叉編譯器的作用就是讓我們在宿主機上編譯的程序能在目標板上運行。 首先，從 上 下載交叉編譯器 ，選擇比較穩(wěn)定和適合自己平臺的版本。 然后解壓到宿主機（ Linux 操作系統(tǒng)）某安裝目錄。如 tar jxvf ./ 最后， vi /etc/。在用戶環(huán)境 .bashrc 中添加該編譯器所在的路徑，在該文件的末尾添加如下語句即可， PATH 后面是交叉編譯器的絕對路徑。 Export PATH=$PATH:/home/Linux/crosstool/Linuxgnu/bin:。 在使用的時候使用該編譯器編譯，然后就能往目標板上移植編譯好的程序了。 搭建 NFS 網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng) 在做嵌入式開發(fā)的時候往往需要在搭建好的系統(tǒng)上做測試，所以往嵌入式系統(tǒng)里移植開發(fā)好的應(yīng)用程序需要一個晚上的平臺才能完成，而一般的 DNW 工具則不好控制其存儲的位置等。而由于文件系統(tǒng)已經(jīng)搭建好，我們可以使 用 NFS（網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)）來向嵌入式系統(tǒng)里拷貝需要調(diào)試的應(yīng)用程序。 NFS 全稱是 work file system，是通過 TCP/IP 協(xié)議而設(shè)計宿主機與目標系統(tǒng)的通訊工具。我們需要在宿主機上安裝 NFS 服務(wù)器，這樣才能在目標板上通過掛在命令，將設(shè)計的應(yīng)用程序移植到目標板上運行，其大致過程如下 ： （ 1） 通過 Linux 命令在宿主機上安裝服務(wù)器。 sudo aptget install portmap nfskernelserver. （ 2） 修改系統(tǒng)配置。修改 /etc/default/portmap 如下修改： OPTIONS=i （ 3） 編輯 /etc/exports，在其中增加要共享的目錄 .實例如下： /home/bruce/board *( rw,sync,no_root_squash,no_subtree_check)其中 *表示任何網(wǎng)段都可以訪問，也可以設(shè)置某個網(wǎng)段的訪問權(quán)限，如 （ 4） 重啟服務(wù)器， sudo /etc/restart （ 5） 用 showmount –e 命令測試是否已經(jīng)搭建成功。若能顯示共享目錄則設(shè)置成功，這時將目標板和宿主機用網(wǎng)線連在一起用 mount命令掛在指定訪問的目錄，就能訪問宿主機，從而能 實現(xiàn) 應(yīng)用程序的測試和移植。 （ 6） NFS的使用：將宿主機與目標板用網(wǎng)線連接好，設(shè)置好 IP，然后通過 mount命令掛在宿主機允許目錄，這樣目標板就可訪問主機上編譯好的程序。 如， mount –o nolock :/home/bruce/board /nfs 13 其中 o和 nolock參數(shù)設(shè)置為非等待掛載，立刻返回結(jié)果。第 4個參數(shù)是宿主機的 ip和需要掛載的目錄， 最后一個參數(shù)是掛載到目標板上的目錄。 通過搭建 NFS 網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，我們可以很輕易的將編譯好的可執(zhí)行文件下載到開發(fā)板上運行。在實際的嵌入式開發(fā)中，大多都是通過 NFS 網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)來移植應(yīng)用程序的，這樣會減少很多 工作量。 4 視頻監(jiān)控程序的實現(xiàn) 實時的視頻監(jiān)控是智能家居系統(tǒng)的一個重要組成部分，在智能家居的安防中扮演了重要角色，通過實時的視頻監(jiān)控就可以即時的了解家居環(huán)境的安防情況。如果在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中加入監(jiān)控對比處理，還可以實現(xiàn)智能報警、智能上鎖、家居一體化等功能。下面就關(guān)于視頻監(jiān)控的設(shè)計做如下介紹。軟件設(shè)計流程圖如 所示 ： 圖 視頻采集流程圖 圖像采集設(shè)備 —— USB攝像頭 系統(tǒng)要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的功能，首先要對現(xiàn)場進行圖像采集。本系統(tǒng)采用中芯微公司生產(chǎn)的基于 zc301 芯片的 USB 攝像頭作為視頻前端，用以獲得家居環(huán)境中的畫面信息， 由于 Linux 的 版本內(nèi)核已經(jīng)對該攝像頭有驅(qū)動支持，我們只需要在開 始 打開視頻設(shè)備 讀取設(shè)備信息并初始化 選擇 采集方式 采集視頻數(shù)據(jù) MPEG4 編碼 結(jié)束采集 關(guān)閉視頻設(shè)備 結(jié)束 發(fā)送數(shù)據(jù) 15 編譯內(nèi)核的時候?qū)⒃擈?qū)動加入內(nèi)核中編譯即可。由于該視頻前端采集視頻數(shù)據(jù)的同時，也采用了硬件壓縮的方式對采集的視頻信息進行了壓縮，輸出的視頻格式即為壓縮后的 JPEG 格式視頻，因此我們可以不對其壓縮處理而直接發(fā)送到客戶端進行圖像顯示。視頻前端如圖 所示。 圖 基于 zc301 芯片的攝像頭 攝像頭通過開發(fā)板上的 USB 接口 與系統(tǒng)相連接，系統(tǒng)通過驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)對視頻前端的訪問。系統(tǒng)獲得采集的現(xiàn)場圖片信息后，經(jīng)過以 DM9000 為芯片的網(wǎng)口向客戶端傳送視頻圖像。 基于 V4L2的編程 Video4Linux2(簡 V4L2)是 Linux 中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動，它為針對視頻設(shè)備的應(yīng)用程序編 程提供一系列接口函數(shù)，這些視頻設(shè)備包括現(xiàn)今市場上流行的 TV 卡、視頻捕捉卡、 FM 廣播、文字電視廣播解碼和 USB 攝像頭等。對于 USB 口攝像頭，它為應(yīng)用程序提供了一系列的接口函數(shù)，通過這些函數(shù)，可以執(zhí)行打開、讀寫、設(shè)置、關(guān)閉等基本的操作，其驅(qū)動程序中需要提供基本的 I/O 操作接口函數(shù) open、 read、 write、close 的實現(xiàn) [9]。 USB 攝像頭驅(qū)動成功后，需要編譯視頻采集程序，這就需要了解 Linux 內(nèi)核中關(guān)于 視頻設(shè)備的部分代碼，特別是一些常用的結(jié)構(gòu)體。一般我們在使用這些接口的時候都會自己做一些封裝和出錯處理。 V4L2 中重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) Video For Linux 支持各種音視頻的捕捉設(shè)備，因此下面介紹一下本文中將會使用的主要集中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 （ 1） struct v4l2_capability 包含設(shè)備的基本信息，如設(shè)備名稱、支持的最大最小分辨率、信號源信息、信道數(shù)等信息。我們可以通過使用接口 ioctl 發(fā)送VIDIOC_QUERYCAP 命令來獲得該設(shè)備的基本信息。 name[32] //包含設(shè)備名稱 maxwidth //設(shè)備所支持的最寬度 maxheight minwith //支持的最小寬度 minheight Channels //支持信號源的個數(shù) Type //是否能捕捉，彩色還是黑白，是否能裁剪等 （ 2） struct v4l2_format 設(shè)置視頻的制式和幀格式，制式包括 PAL、 NTSC，幀格式包括寬度和高度等信?？梢酝ㄟ^使用接口 ioctl 發(fā)送V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE 命令來設(shè)置。 //設(shè)置命令格式為視頻采集設(shè)置 //設(shè)置寬度 //設(shè)置采集數(shù)據(jù)格式 （ 3） struct v4l2_requestbuffers 包含向系統(tǒng)申請的緩沖區(qū)的信息，包括緩沖區(qū)的長度、地址等信息?？梢酝?過使用接口 ioctl 發(fā)送 V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE命令來設(shè)置。 Count //申請的緩沖區(qū)數(shù)量 Type //控制命令的類型 Memory //申請的內(nèi)存的使用方式，有 mmap 和 USERPTR 兩種類型。 （ 4） struct v4l2_buffer 包含采集到得視頻數(shù)據(jù)的存放地址、地址偏移量等信息?？梢酝ㄟ^使用接口 ioctl 發(fā)送 VIDIOC_QBUF 命令來獲得。 17 Index //緩沖區(qū)的序號 Type //緩沖區(qū)類型 Memory //IO 方式，由程序是設(shè)置 V4L2圖像采集過程 在使用設(shè)備之前需要對設(shè)備進行初始化，若驅(qū)動中有對 iocl 的支持，則用戶可以使用 ioctl。 Io