智能家居安防系統(tǒng)的研究與設計畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 于跨平臺編譯器編譯出來的可執(zhí)行程序通常只能在特定CPU所屬平臺上運行。所以一般來說每種CPU都對應有不同的跨平臺編譯器。本系統(tǒng)采用基于XScale的PXA270，可以使用常用的ARMLINUXGCC交叉編譯器。要成功構建完整的交叉編譯環(huán)境需要在宿主機上創(chuàng)建一系列的工具包括C/C++編譯器、匯編器、鏈接器、嵌入式系統(tǒng)的標準C庫和GDB代碼級調試器。成功建立好開發(fā)環(huán)境后便可以運用這些工具進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。第三節(jié) 嵌入式Linux操作系統(tǒng)移植一、 BootLorder移植BootLoader是系統(tǒng)加電后運行的第一段代碼。一般只是在啟動時運行很短的時間，然而對一個嵌入式系統(tǒng)來說，這一部分卻是整個系統(tǒng)的一個無比重要的組成部分，不可缺少。在一般嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)復位或者加電后通常從地址0x00000000處開始執(zhí)行，而這個地址一般正是存放的BootLoader啟動代碼。通過這段程序，可以初始化硬件設備、建立內存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，以便為最終加載操作系統(tǒng)內核準備好正確的環(huán)境。BootLoader一般情況下需要包含以下幾個必備的功能 :(l)初始化處理器。這個動作都是用匯編語言完成的，稱為重置碼(resetcode)或者稱為bootcode，而且對于每個CPU都不一樣的，當電源接通后就會執(zhí)行這個動作，通常只有兩三個匯編指令，目的是將CPU的控制權轉給硬件初始化的程序。(2)初始化一些必要的硬件。這個動作也大都由匯編語言來完成，主要是初始化CPU、SDRAM等，其他的硬件，例如串口，可以由c語言等比較高級的程序語言來完成后續(xù)動作。(3)設置處理器的寄存器以及內存，關掉所有的輸入管腳(包括中斷管腳)，以防止突然有信號進入妨礙接下來的硬件初始化動作。然后初始化串口，以便后續(xù)運行的程序能夠同HOST端進行通信，便于調試。(4)從特定的位置把操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)調入內存，并設置一些操作系統(tǒng)所必需的參數(shù)，然后把CPU控制權交給操作系統(tǒng)。有的BootLoader會先從串口或者網(wǎng)絡等其他途徑得到內核的映像文件，然后把這些文件寫入目標系統(tǒng)的FLASH或者其它存儲介質，最后再把內核載入RAM執(zhí)行，交出控制權。一般BootLoader都包含兩種不同的操作模式:“啟動加載”模式和“下載”模式，這種區(qū)別僅對于開發(fā)人員才有意義。從最終用戶的角度看，BootLoader的作用就是用來加載操作系統(tǒng)，而并不存在所謂的啟動加載模式與下載模式的區(qū)別。(l)啟動加載(Bootloading)模式:這種模式也稱為“自主”(Autonomous)模式，即BootLoader從目標機上的某個固態(tài)存儲設備上將操作系統(tǒng)加載到RAM中運行，整個過程并沒有用戶的介入。這種模式是BootLoader的正常工作模式，因此在嵌入式產(chǎn)品發(fā)布的時候，BootLoader顯然必須工作在這種模式下。(2)下載(Downloading)模式:在這種模式下，目標機上的BootLoader將通過串口連接或者網(wǎng)絡連接等通信手段從主機(HOST)下載文件，比如下載內核映像和根文件系統(tǒng)映像等。從主機下載的文件通常首先被BootL0ader保存到目標機的RAM中，然后再被BootLoader寫到目標機上的FLASH類固態(tài)存儲設備中。BootLoader的這種模式通常在第一次安裝內核與根文件系統(tǒng)時被使用，此外，以后的系統(tǒng)更新也會使用BootLoader的這種工作模式。工作于這種模式下的BootLoader通常都會向它的終端用戶提供一個簡單的命令行接口。BootLoader的實現(xiàn)依賴于CPU的體系結構，一般來說啟動過程分為兩個階段。第一階段依賴于CPU體系結構的代碼，比如設備初始化代碼等，通常都放在第一階段中，而且通常都用匯編語言來實現(xiàn)，運行效率比較高。這個階段完成的任務一般如下:( l) 硬件設備初始化(屏蔽所有的中斷、關閉處理器內部的指令/數(shù)據(jù)cache)。(2) 。(3) 復制BootLoader的第二階段代碼到RAM空間中。(4) 設置好堆棧并跳轉到第二階段的C程序入口點。第二階段則通常用C語言來實現(xiàn)，這樣可以實現(xiàn)復雜的功能，而且代碼會具有更好的可讀性和可移植性。這個階段主要任務有:( l)初始化本階段要使用的硬件設備。(2)檢測系統(tǒng)內存映射。(3)將內核映像和根文件系統(tǒng)從FLASH讀到RAM中。(4)為內核設置啟動參數(shù)。(5)調用內核文件運行。本設計中的Bootloader采用Blob，Blob是Boot Loader Object的縮寫，是一款功能強大的Bootloader。Blob最初是由JanDerk Bakker和Erik Mouw兩人為一塊名為LART（Linux Advanced Radio Terminal）的開發(fā)板寫的，該板使用的處理器是StrongARM SA1100，現(xiàn)在Blob已經(jīng)被成功移植到許多基于ARM的CPU上了。本設計中的Intel Xcale就是采用Blob作為Bootloader。二、 Linux 內核移植選用嵌入式Linux作為目標機操作系統(tǒng)，一方面由于Linux是一款免費的操作系統(tǒng)，能很好的降低成本，同時Linux的開發(fā)應用現(xiàn)在已經(jīng)成為熱門，有大量的資源可用于學習與重復應用，并且Linux系統(tǒng)具有良好的可移植性和可裁剪性，能自動支持多任務管理。一般常用的GUI如QT/E，MiniGUI等都支持Linux。Linux的開發(fā)工具也都可以很方便的免費獲得。系統(tǒng)采用的嵌入式Linux內核為隨實驗平臺光盤中的Linux內核，它是針對這套實驗平臺所配置的Linux內核，[9]。在實驗過程中，只需要在這個內核的基礎上進行添加和刪減所需要和不需要的功能，編譯后就可以使用了。在編譯內核之前，需要對內核進行必要的配置，通過虛擬機進入/pxa270_linux/linux/目錄后在終端執(zhí)行make menuconfig[10]命令，就可以可視化的配置內核需要的功能和要求，本次試驗，主要是針對視頻方面，選擇了對V4L的靜態(tài)加載、對spca5xx攝像頭驅動的動態(tài)加載，這樣就結束了對內核的配置。編譯內核需要創(chuàng)建內核依賴關系、創(chuàng)建內核鏡像文件和創(chuàng)建內核模塊。首先執(zhí)行makedep命令，讀取配置過程生成的配置文件，來創(chuàng)建對應于配置的依賴關系樹，從而決定哪些需要編譯而哪些不需要。接著需要makeclean刪除前面步驟留下的文件，以避免出現(xiàn)一些錯誤。然后便可以生成所需要的內核文件了，用make zlmage來實現(xiàn)得到可移植的內核。內核文件通過并口下載線燒寫入開發(fā)板中,便可以通過BootLoader加載運行。三、 嵌入式文件系統(tǒng)嵌入式Linux操作系統(tǒng)一般采用FLASH作為存儲介質。FLASH具有獨特的物理特性，所以必須使用專門的嵌入式文件系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)對文件的操作是通過層次結構實現(xiàn)的。對于用戶程序來說，文件是有結構的文件，用戶程序通過對文件IO函數(shù)操作文件。嵌入式文件系統(tǒng)是嵌入式操作系統(tǒng)的一部分，它的任務是對邏輯文件進行管理，其工作包括提供對邏輯文件的操作(復制、刪除、修改等)接口，方便用戶操作文件和目錄。在文件系統(tǒng)內部，根據(jù)存儲設備的特點，使用不同的文件組織模式來實現(xiàn)文件的邏輯結構。此外，文件系統(tǒng)要對管理文件的安全性負責。文件系統(tǒng)不能直接控制物理設備，它是通過FLASH驅動實現(xiàn)控制的[11]。目前FLASH支持的文件系統(tǒng)技術主要有JFFS2，YAFFS2，TrueFFS，F(xiàn)TL/NTFL，RAMFS，CRAMFS和ROMFS等等。本系統(tǒng)采用的是JFFS2文件系統(tǒng)。JFFS2文件系統(tǒng)是專門為NAND閃存設計的嵌入式文件系統(tǒng)，根據(jù)NAND閃存以頁面為單位存取的特點，將文件組織成固定大小的數(shù)據(jù)段。利用NAND閃存提供的每個頁面16B的備用空間來存放ECC(ErrorCorrectionCode)和文件系統(tǒng)的組織信息、不僅能夠實現(xiàn)錯誤檢測和壞塊處理，也能夠提高文件系統(tǒng)的加載速度。JFFS2采用一種多策略混合的垃圾回收算法，結合了貪心策略的高效性和隨機選擇的平均性，達到了兼顧損耗平均和系統(tǒng)開銷的目的。它是日志結構的文件系統(tǒng)，提供了損耗平衡和掉電保護，可以有效地避免意外掉電對文件系統(tǒng)一致性和完整性的影響。JFFS2文件系統(tǒng)是按層次結構設計的，分為文件系統(tǒng)管理層接口、JFFS2內部實現(xiàn)層和NAND接口層，這樣就簡化了其與系統(tǒng)的接口設計，可以方便地集成到系統(tǒng)中去。與YAFFS相比，它增加了一些功能，因此功能更強。四、 Linux下的程序調試調試是程序開發(fā)過程中必不可少的一個重要環(huán)節(jié)，通用PC機的程序調試與嵌入式操作系統(tǒng)的調試環(huán)境上有著明顯的區(qū)別，前者調試器和被調試的程序往往是運行在同一臺機器上，是相同操作系統(tǒng)下的兩個不同的進程，調試器通過操作系統(tǒng)專用調用接口控制被調試進程，后者通常為遠程調試，調試器一般運行于桌面操作系統(tǒng)上，而被調試的程序則運行在嵌入式系統(tǒng)之上，因此需要協(xié)調這兩個程序之間的通信。Linux下的調試工具非常的少，gdb是Linux下最著名的調試工具，它是GNUC自帶的調試工具，它可以使開發(fā)人員了解程序運行的詳細細節(jié)，從而消除程序的錯誤，達到調試的目的，gdb還具有遠程調試功能，可以滿足嵌入式系統(tǒng)調試的要求，在調試過程中PC機也稱為宿主機和嵌入式系統(tǒng)通過串口協(xié)議或者TCP/IP協(xié)議連接起來，遠程主機上運行被gdb規(guī)范斷點改造過的內核，當條件成立時，斷點被激活，然后等待本地宿主機的連接命令，一旦連接成功，宿主機就可以向遠程嵌入式系統(tǒng)發(fā)送調試命令了。在調試過程中gdb通過調試stub來完成通信功能，調試stub是嵌入式操作系統(tǒng)中的一小段代碼，它提供了運行gdb的宿主機和嵌入式系統(tǒng)進程之間交互的一個媒介。除了使用調試器外還可以直接在程序中使用printf()或printk打印函數(shù)，這種方法功能比較弱，效率低下，但在內核模塊調試時這是唯一的方法。第四章 視頻采集功能的設計視頻采集程序是基于V4L開發(fā)的，包括攝像頭的初始化、打開/關閉、參數(shù)設置和數(shù)據(jù)讀取等操作。 視頻采集程序流程圖第一節(jié) 基于V4L的編程一、 攝像頭相關數(shù)據(jù)結構攝像頭的組成部分是傳感器、DSP、鏡頭、外殼、USB連線、電路板和周邊電路構成，其中最重要的是傳感器和DSP（數(shù)字信號處理器）。本系統(tǒng)選用的攝像頭采用了CMOS傳感器和中星微301處理器。V4L[15]提供了一系列的接口應用程序，可以利用這些程序實現(xiàn)對攝像頭的調用，其中有read、open、ioctl等。V4l同時將這些函數(shù)和參數(shù)封裝成一個數(shù)據(jù)結構vdIn。struct vdIn{ int fd。 char *videodevice 。 struct video_mmap vmmap。 struct video_capability videocap。 int mmapsize。 struct video_mbuf videombuf。 struct video_picture videopict。 struct video_window videowin。 struct video_channel videochan。 struct video_param videoparam。 int cameratype 。 char *cameraname。 char bridge[9]。 int sizenative。 int sizeothers。 int palette。 int norme。 int channel。 int grabMethod。 unsigned char *pFramebuffer。 unsigned char *ptframe [4]。 int framelock [4]。 pthread_mutex_t grabmutex。 int framesizeIn。 volatile int frame_cour。 int bppIn。 int hdrwidth。 int hdrheight。 int formatIn。 int signalquit。 }。int fd ：打開攝像頭時，open函數(shù)返回的文件描述符，其他函數(shù)使用這個描述符對攝像頭進行操作。struct video_mmap vmmap: 用于內存映射的結構體。struct video_capability videocap ：描述攝像頭基本信息，如設備名稱、支持的最大分辨率、信號源信息、信道數(shù)等。struct video_mbuf videombuf ：在進行內存映射時讀取幀的信息，實際上是輸入到攝像頭存儲緩存中的幀信息。struct video_picture videopict ：攝像頭采集圖像的屬性，如亮度、色調、對比度、色度、深度等。struct video_window videowin ：表示采集窗口參數(shù)，如分辨率等。struct video_channal videochan ：關于信號源的屬性。二、 攝像頭基本功能實現(xiàn)(1)初始化攝像頭參數(shù)在對攝像頭進行操作之前，要對攝像頭進行初始化，即對vdIn這個結構進行初始化。使用init_videoIn 函數(shù)。int init_videoIn (struct vdIn *vd, char *device, int width, int height, int format, int grabmethod){ int err = 1。 int i。 if (vd == NULL || device == NULL) return 1。 if (width == 0 || height == 0) return 1。 if (grab method 0 || grabmethod 1) grabmethod = 1。 //read by default。 // check fo