ARM9平台远程视频监控系统的设计与实现.pdf
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1、北京邮电大学硕士学位论文基于嵌入式ARM9平台远程视频监控系统的设计与实现姓名:陈育林申请学位级别:硕士专业:检测技术与自动化装置指导教师:张秦艳20070315基于嵌入式A R M 9 平台远程视频监控系统的设计与实现摘要随着网络通信技术与多媒体技术的发展,嵌入式视频监控技术逐渐步入一个全新数字化网络阶段,广泛运用于电信、银行、交通、电力、智能楼宇等诸多领域。嵌入式视频监控技术以嵌入式“n u x 开发、视频编解码、网络传输技术为核心,对稳定性、实时性和兼容性有很高的要求,这也代表了现代嵌入式视频技术的发展方向。本论文对于嵌入式监控系统核心部分:视频采集编码、网络传输服务器的设计与实现作全面
2、分析,设计并实现一种兼容Z C 3 X x 与0、,5 1 1 系列芯片摄像头的多线程并发网络机制的视频监控系统设备。论文首先在第二章介绍系统开发的软硬件平台,硬件平台采用三星公司S 3 c 2 4 1 0 的开发板,软件移植了嵌入式L i n u x 内核,着重介绍了驱动模块编程的架构。论文第三章详细介绍了Z c 3 x x 系列摄像头视频驱动的设计与实现,并在此驱动支持下如何采集视频的全过程,z c 3 x x 系列芯片摄像头内置D s P 编码单元,在视频采集上获得较好的编码效率与视频效果。第四、五章介绍网络协议的应用与编程实现,并设计实现了多线程并发机制的嵌入式网络视频服务器,优化了服
3、务器客户端架构,多线程协调运行,提高了系统资源利用率以及系统稳定性和实时性。关键字:嵌入式视频监控L i n l l)【多线程D E S I G NA N DI M P L E M E N T A T I o No FN E T W O R KV I D E oM o N I T o 砒N GS Y S T E MB A S E Do NA I U 垤S 3 C 2 4 1 0E M B E D D E DP L A T F o R MA B S T R A C TW i t ht h ed e v e l 叩m e n to ft e c h n o l o g yo fn e 栅o r k
4、c o m 咖n i c a t i o na n dM u l t i m e d i a,E m b e d d e dV i d e om o n i t o r i n gs y s t e ms t e p si n t ot h en e wp e r i o do fc o m p l e t e l yd i g i t a ln e t w o r k 叩p l i c a t i o n,w h i c he x a c t l ym e a n sad e v e l o p i n gd i r e c t i o nt ot h ef i e l d ss u c h
5、a st e l e c o n l m u n i c a t i o n,b a n k,t r a f!f i cu t i l i z a t i o n,e l e c t r o n i cp o w e ra n di n t e l l i g e n tb u i l d i n g W i t ht h ec o r et e c h n o l o g yo fL i n u xa p p l i c a t i o n,v i d e oc o d i n ga n dn e 呐o r k 仃a n s m i t t i n g,e m b e d d e dv i
6、d e om o n i t o rs y s t e mr e q u i r e sh i g hq u a l i t yo fs t a b i l i t y,c o m p a t i b i l i t ya n dr e a l-t i m ec a p a b i l i t y,w h i c ha l s or e p r e s e n t si t sm a i n l yd e V e l o p i n gd i r e c t i o n 1 m i st h e s i si n t m d u c e sad e s i g no fv i d e oe n
7、 c o d i n ga n dn e t w o r kt r a n s m i t t i n gm e c h a n i s m,w h i c ha l s oe m p h a s i z e so np r o g r a mi m p l e m e n t a t i o no fZ C 3 x xV i d e od r i V e ra n dm u l t i-t h r e a dc o n c u r r e n tm e c h a n i s m A tf!i r S t,e m b e d d e ds o f t w a r ea n dh a r d
8、w a r ee n v i r o n m e n t sa r cg i v e ni ns e c o n dc h 印t er-E m b e d d e dI j n u xk e r n e lt r a n s p l a n ti sa l s oi n t r o d u o e dA n dd r i v e rm o d u l ep r o g r a mi se m p h a s i z e d T h et h i r dc h a p t e rg i V e sd e t a i la n a l y s i so nZ C 3 x xV i d e od r
9、 i V e rp r o g r a ma n dV i d e oc a p t u r ea p p l i c a t i o np r o g r a m n el a t e rc h 叩t e r si n t r o d u c en e 研o r kt r a n s m i t t i n gp r o g r a m I te s t a b l i s h e sam u l t i t h r e a dc o n c u r r e n tv i d e om o n i t o rs e r v e r w b i c hc o u l do p t i l n
10、i z eS e e f a i e n ts t m c t u r ea n dg t l a r a n t e e ss y s t e ms t a b i l i t y,r e a l t i m ec 叩a b i l i t ya n dh i g he f f i c i e n c yo fs y s t e mr e s 叫r c ea l l o c a t i o nK E Y W o R D:e m b e d d e dv i d e om o n i t o rL i n u xm u l t i t h r e a d s独创性(或创新性)声明本人声明所呈交
11、的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。申请学位论交与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任。本人签名:触互辛兰日期:密:堕:i 翌1。关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定,即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件
12、和磁盘,允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后遵守此规定)保密论文注释:本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释:本学位鎏寥刁三属于保密范围,本人签名:罄:熏:坐导师签名:l 垒盘i 坠适用本授权书。日期:卓:芝i:纽:日期:Z:!:!三北京邮电大学硕士毕业论文第1 章绪论1 1 嵌入式系统简介1 1 1A R M 微处理器核嵌入式系统(B m b c d d e ds y s t e m)无疑是当今最热门的概念之一,在大多数网站或专业书籍中,对嵌入式系统的定义为:以应用
13、为中心,计算机技术为基础,软硬件可裁剪并适用于应用系统对功能,可靠性,成本,体积,功耗有严格要求的专用计算机系统,该系统一般由嵌入式微处理器,外围硬件设备,嵌入式软件操作系统以及用户的应用程序4 大部分组成,用于实现对其他外部设备控制以及网络的数据交换等功能。针对于某种特定的应用需求,嵌入式系统嵌入到对象软硬件体系中。“嵌入性”,“专用性”和。计算机系统”是嵌入式系统的三个基本概念,对象系统则是嵌入式系统所嵌入的宿主系统。嵌入式系统与普通的P C 系统相比有以下特点:1)嵌入式系统功耗低,体积小,专用性强。嵌入式c P u 工作在为特定用户群设计的系统中,能够把P c 中许多板卡完成的任务集成
14、到芯片内部,有利于嵌入式系统设计的小型化。2)嵌入式系统中的软件一般固化在存储芯片或单片机本身中,以提高实行速度与系统可靠性。硬软件都必须高效设计,系统要精简,对软件代码质量要求很高。操作系统一般和软件集成在一起。3)嵌入式系统开发需要专门的开发工具和开发环境。1 1 2 典型的嵌入式操作系统目前国际上有两百多种嵌入式操作系统,这些操作系统可以分为实时操作系统和非实时操作系统。对于时间要求非常紧的系统,可称之为实时操作系统。个人电脑中常用的w 如d o w 系列的操作系统不算是实时操作系统,因为实时系统的一个重要的特点就是对时间要求非常严格。如果实时系统没有在某一时间段响应某件事情,系统就会出
15、错。实时”和。非实时”这两个术语联系非常紧密,以至于很多人提出这样的问题:嵌入式系统到底是不是实时系统。应该说,它们是同义的,但不完全相同的。可以认为,至少嵌入式系统是软实时系统,所有的嵌入式系统都是实时系统,但并不是所有的实时系统都是嵌入式系统,原因就在于软实时和硬实时的区别。硬实时系统是一个刚性的,不可改变的时间限制,它不允许任何超出范围的错误。超出范围的错误会带来损害甚至导致系统失败,或者导致系统不能实现它预期的目标。软实时系统的时限是一个柔性灵活的,它可以容忍偶然的超时错误。失败的后果并不严重,仅仅轻微降低系统的吞吐量。从2 0 世纪8 0 年代开始,市场上出现各种各样的商用嵌入式操作
16、系统,这些操作系统大部分都是为专有系统开发的,从而逐步演化形成现在市场上各种形式的嵌入式操作系统百家争鸣的局面。这些操作系统有v x w b r l【s,I j n 呱,w i n d o wc E,p s O s 和S y m b i 姐c。北京邮电大学硕士毕业论文在所用的操作系统中,L i 姗x 无疑是发展得最快,应用最广泛的。【j n 麟本身的种种特制使其成为嵌入式错作系统的首选。在进入市场的前两年,嵌入式L i n u x 的设计通过广泛的应用而获得巨大的成功。随着嵌入式L i n u x 技术的成熟,定制需要的内核尺寸非常方便,同时支持更多的硬件平台,并从早期的试验阶段迈进到嵌入式市
17、场的主流。根据I D C 的报告,U 肌x 已经成为全球第二大操作系统,预计在服务器市场上,u n 帔在未来的几年内将以每年2 5 的速度增长,中国的u n u x 市场更是能保证近4 0 的增长速度。U 姗x 发展如此之快的原因主要在于产品的成本。在激烈竞争的市场中,只拥有先进的技术远远不够,如何减少产品成本的投入也是需要重点考虑的问题。免费开源的U n u x 无疑为厂商节约了一大笔开支。嵌入式u n u x 协会(E L c)在2 0 0 2 年底发布了E L C 产品规范版本1 O(E L C P S),它给以后的应用与二次开发带来许多好处。首先,嵌入式U n u x 的发布可以很清楚
18、的显示自身的功能特性;其次,第三方类库的中间程序在很少或者没有额外接口的条件下就可以运行不同的嵌入式u n l l】【配置;再次,软件开发人员可以将程序段写入一个现成的A P I 中,并相信这一代码可以为其它的嵌入式L i n u x 环境提供接口。另外一种嵌入式【j n u x 就是u a i n u x,它去掉了u n u x 中的内存管理单元,主要用于没有内存管理单元的处理器(如三星公司的s 3 c“B 0 x 处理器),该系统直接访问内存,所有程序所访问的地址都是物理地址。本论文所使用的处理器是带内存管理单元的完整的嵌入式u n 峨系统,版本为2 4 1 8。1 2 基于A R M 9
19、 微处理器简介1 2 1A R M 微处理器核A R M 是一类微处理器,同时也是一个公司的名字。A R M 公司与1 9 9 0 年1 1 月在英国剑桥成立,原名A d v a n c e dR I S CM a c h i,它是全球领先的1 6,3 2 位嵌入式R l S C微处理器解决方案供应商,向全球各大领先电子公司提供高性能,低成本和高效率的R I S C 处理器,外设和系统芯片授权。目前,全世界有几十家著名的半导体公司都使用A I t M 公司的授权,其中包括M o t o r o l a,s 锄s u n g,m M,删E L,s 0 N Y,L G 等。A R M 微处理器核技
20、术广泛运用于便携式通信产品,手持运算,多媒体和嵌入式解决方案领域,已成为R I S C 标准。A R M 处理器核是系统的引擎,它从存储器读取A R M或强u m b 指令并执行这些指令。目前基于A R M 核的处理器主要有以下几大类:1)A R M 7 系列。A R M 7 系列包括:A R M 7 2 0 T,A R M 7 E J S,A R M 7 I D M I 和A R M 7 1 D M I-S,见表1 1。最常用到的是A R M 7 1 D M I。T 代表的是支持n u m b 指令集,D 代表支持片上调试,M 代表内嵌硬件乘法器,l 表示支持片上断点和调试点。主要应用于个人
21、音频设备(如M P 3),无线手持设备等。最适合对价位和功耗要求高的消费类北京邮电大学硕士毕业论文产品。C a d 蝣1 劬n yc o u p l e dM c m o r rB U ST h 咖mD S PJ m c(1 t,D a l aM e m o f yM 罐A R M 7 2 叮8 K BM M UA H BY bY b sA R M 7 E J SA H BY 嚣sY e sA R M 7)加A H BY hN OA 砌盯丌D M I SA H BY hN ON o2)A R M 9 系列。A R M 9 系列包括:A R M 9 2 0 T,A R M 9 2 打和A R M
22、 9 4 0 T,见表1 2。这一系列的处理器主要应用于下一代手持设备产品,视频电话,P D A,数字消费产品,机顶盒,家用网关等方面。表1 2 A R M 9 系列处理嚣C c h cg h n y u p l e d劓k m r yB U ST h u m bD S PJ 北c l k(】D 啦a t a)M e m o f yM 辖A R M 9 2 c r I 1 6 l a B,1 6 K BM M UA S BY bN bN oA R M 9 2 丌8 K B 8 K BM M UA S B1 Y 砖N bN oK 忌k 鸭 毽譬F i x e d知唧 S BY 酷N bN b3)
23、A R M 9 E 系列。A R M 9 B 系列包括:A R M 9 2 6 l j S,A R M 9 4 6 B s,A R M 9 6 6 E S和A R M 9 6 8 E S,见表1-3。这一系列处理器可为综合处理器,使用单一的处理器内核提供了微控制器,D s P,J a v a 应用系统的解决方案,因此适用子同时使用D s P 和微控制器的应用。该系列强化了数字信号处理功能,可以应用于需要D s P 与微控制器相结合使用的情况,将T h u m b 技术和D s P 技术都扩展到A R M 指令集中,并具备E m b e d d c d l c E-盯逻辑,更好的适应了实时系统得
24、开发需求。C a d”可g h y u p l e dM e-o r v叫S1 h u m bD S PJ a l k(1 n 刊D a I a)M e m o r yM 罐A R M 9 2 6 E,-S可变Y hM M U2 A H BY 酷Y c sY hA R M 9 4 6 B S可变Y bh 口UA H BY 醯Y c sN bA R M 9 6(i E-SY 酞A H BY bY 矗N bA R M 9 6 8 B SY hD M AA H&L“eY e sY e s4)s 仃0 螂M 黼l e s 仃0 n g A R M 是采用A R M 体系结构高度集成的3 2 位R I
25、s C 微处理器。他融入了h t c l 公司设计和微处理技术,以及A R M 体系结构的电源效率,其体系结构在软件上兼容A R M v 4 体系结构,同时又具有h t c l 公司手持消费类电子设备和移动计算与通信设备生产的嵌入式微处理器。北京邮电大学硕士毕业论文x s c a l e 是基于A R M v 5 T E 体系结构的解决方案,是一款性能全,性价比高,功耗低的处理器,支持1 6 位的n u m b 指令和D s P 指令集,主要应用于数字移动电话,个人数字助理和网络产品等场合。1 2 2 三星S 3 C 2 4 l O 处理器本论文的开发平台使用了基于A R M 9 核心的微处理
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