基于arm的嵌入式圖像監控系統研究-資料下載頁

　　

【正文】 戶的測試及維護； g．JTAG接口可對芯片內部的所有部件進行訪問，通過該接口可對系統進 行調試、編程等； h．系統總線擴展引出了數據總線、地址總線和必須的控制總線，便于以后根據系統需求，擴展外圍電路。 i．電源模塊為整個系統的運行提供了穩定的電源供應。 為了讓更多的時間和精力投入于整個系統核心部分的研究，即軟件層面的設計，所以對整個硬件系統的實現盡量依靠開發平臺，只對特殊的硬件模塊作設計，如攝像頭接口電路、GPRS通訊模塊等。 西安工業大學碩士學位論文 12 系統軟件模塊框圖 該系統的所有軟件都是基于嵌入式實時操作系統181。C/OSII 設計的。其系統軟件結構如圖 所示。 通信機制通信機制UART0中斷處理 uc/OSII內核 網絡中斷處理采圖像任務 GPRS發送任務系統初始化任務Web Server任務運動檢測任務 LED顯示等任務 圖 系統軟件結構圖 該系統軟件的總體結構可分為181。C/OS 內核、中間件（外圍部件驅動）、各級任務等三層。由181。C/OS 內核統一管理 ARM 處理器的 CPU 使用權、各級任務間的調度和通信等；各個外圍部件的驅動以中間件的形式加入到系統軟件中，由任務調用；各個任務是可并行、相對獨立的功能單元，協調工作完成系統功能。 ARM處理器、uc/OS初始化外設、IP協議棧初始化采BMP、JPEG圖像圖像封裝、云臺控制、LED顯示等運動目標檢測、入侵報警等Web server、無線收發等 系統工作階段示意圖 整個系統的協調工作可由圖 的系統工作階段示意圖來描述。系統一上電處于狀態 0，執行 Timer1_Init() 初始化定時器和 OSInit()初始化181。C/OS；初始化完畢進入狀態 1，執行外設初始化，如 UART、CMOS 圖像傳感器、TCP/IP 協議棧等初始化程序，并創建各級任務和相應的消息郵箱、信號量等；之后進入狀態 2，采取 BMP 和 JPEG 圖像，并相應的解析；之后可進入狀態 3 或狀態 4，這兩個狀態中的各個任務從宏觀上看是并行執行的，狀態 3 完成圖像封裝、云臺控制、LED 顯示等，狀態 4 完成基于圖像的運動目標檢測、入侵報警等；之后進入狀態 5，將狀態 3 和狀態 4 的處理結果通過 Web Server或無線方式發送至遠程用戶。完成后再進入狀態 2，采集新的現場圖像，開始新一輪的工作，以此周而復始的在現場前端進行采集、控制、運算并將處理結果實時地發送至遠程用戶。 西安工業大學碩士學位論文 15（4）裝載/存儲指令集 此指令集用于把內存中的某個字（2 字節）或多個裝入到一個或多個寄存器中，或者反之，將這些寄存器的值存儲到內存某個位置中。 （5）處理器指令集 用于對 ARM 體系的擴展中[20]。 LPC2210 硬件資源與結構 LPC2210[17]是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的 16/32 位 ARM7TDMIS CPU的微控制器。對代碼規模有嚴格控制的應用可使用 16 位 Thumb 模式將代碼規模降低超過 30%，而性能的損失卻很小。 由于 LPC2210 的 144 腳封裝、極低的功耗、多個 32 位定時器、8 路 10 位 ADC、PWM 輸出以及多達 9 個外部中斷，使它們特別適用于工業控制、醫療系統、訪問控制和 POS 機。 通過配置總線，LPC2210 最多可提供 76 個 GPIO。由于內置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網關、協議轉換器、嵌入式軟 modern 以及其它各種類型的應用。 LPC2210 的功能框圖如圖 所示。 西安工業大學碩士學位論文 16 圖 LPC2210 方框圖 LPC2210的特性： ● 16/32位144腳ARM7TDMIS微控制器。 ● 16K字節片內靜態RAM。 ● 串行boot裝載程序通過UART0來實現在系統下載和編程。 ● 通過外部存儲器接口可將存儲器配置成4組，每組的容量高達16Mb，數據寬度為8/16/32位。 3 嵌入式核心平臺建立 133 嵌入式核心平臺建立 LPC2210 資源規劃 LPC2210是由Philips公司開發的，是一個基于16/32位ARM7TDMIS CPU的微控制器。下面首先介紹ARM微處理器，然后介紹LPC2210的資源與結構。 ARM 微處理器體系簡介 在掌上型電子產品的硬件平臺中，最重要的部件主要是微處理器（MPU：Micro Process Unit）。微處理器是一個小型的CPU，其上集成了相應的寄存器和程序指令集，用戶可以通過MPU來完成嵌入式系統中的程序執行和運算功能。目前，在移動終端領域，獲得廣泛應用的主要是ARM公司所推出的ARM7系列微處理器。 ARM7微處理器系列是英國ARM公司所推出的16/32位嵌入式RISC（精簡指令集）微處理器解決方案。這是一套具有高性能、低費用、高效率的RISC處理器，并且經過特殊優化以適應于嵌入式系統的開發環境。由于ARM 7系列處理器的優良性能，國外大多數移動終端芯片生產商的硬件平臺解決方案都是基于ARM7微處理器系列的體系結構所設計的[16]。本文的硬件平臺中所用的就是ARM7微處理器系列中的ARM7TDMIS開放平臺處理內核。 ARM7TDMIS是通用的32位微處理器，它具有高性能和低功耗的特性。ARM結構是基于精簡指令集計算機（RISC）原理而設計的。指令集和相關的譯碼機制比復雜指令集計算機要簡單得多。這樣使用一個小的、廉價的處理器核就可實現很高的指令吞吐量和實時的中斷響應。 由于使用了流水線技術，處理和存儲系統的所有部分都可連續工作。通常在執行一條指令的同時對下一條指令進行譯碼，并將第三條指令從存儲器中取出。 ARM7TDMIS處理器使用了一個被稱為THUMB的獨特結構化策略，它非常適用于那些對存儲器有限制或者需要較高代碼密度的大批量產品的應用。 在THUMB后面一個關鍵的概念是“超精簡指令集”。基本上ARM7TDMIS處理器具有兩個指令集：標準32位ARM指令集和16位THUMB指令集。 THUMB指令集的16位指令長度使其可以達到標準ARM代碼兩倍的密度，卻仍然保持ARM的大多數性能上的優勢，這些優勢是使用16位寄存器的16位處理器所不具備的。因為THUMB代碼和ARM代碼一樣，在相同的32位寄存器上進行操作。THUMB代碼僅為ARM代碼規模的65%，但其性能卻相當于連接到16位存儲器系統的相同ARM處理器性能的160%[17]。 同時，ARM 7微處理器采用的是獨立的內存裝載/存儲指令體系，即指令體系中只有相應的裝載/存儲指令可以訪問系統中的內存，而數據處理指令只能訪問寄存器。 以下從處理器模式定義、寄存器定義和指令集定義等三方面來具體介紹ARM 7微處西安工業大學碩士學位論文 17 ● EmbeddedICERT 接口使能斷點和觀察點。當前臺任務使用片內RealMonitor 軟件調試時，中斷服務程序可繼續執行。 ● 嵌入式跟蹤宏單元（ETM）支持對執行代碼進行無干擾的高速實時跟蹤。 ● 8路10位A/D轉換器。 ● 2個32位定時器（帶4路捕獲和4路比較通道）、PWM單元（6路輸出）、實時時鐘和看門狗。 ● 多個串行接口，包括2個16C550工業標準UART、高速I2C接口（400 kbit/s）和2個SPI接口。 ● 向量中斷控制器。可配置優先級和向量地址。 ● 多達76個通用I/O口（可承受5V電壓），12個獨立外部中斷引腳（EIN和CAP功能）。 ● 通過片內PLL可實現最大為60MHz的 CPU操作頻率。 ● 片內晶振頻率范圍：1~30 MHz。 ● 2個低功耗模式：空閑和掉電。 ● 通過外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒。 ● 可通過個別使能/禁止外部功能來優化功耗。 ● 雙電源 — CPU操作電壓范圍：~ V( V177。 %) — I/O操作電壓范圍：~ V( V177。 10%) 嵌入式實時操作系統181。C/OSII 181。C/OS 內核介紹[21][22][23][24] a．實時操作系統的概念、組成及特點 （1）概念 實時操作系統（RTOS）是具有實時性，能支持實時控制系統工作的操作系統。其首要任務是調度一切可利用的資源完成實時控制任務，其次才著眼于提高計算機系統的使用效率；其重要的特點是能滿足對時間的限制和要求。 從表現上講，實時操作系統是實時嵌入式系統在啟動之后運行的一段背景程序。應用程序是運行在這個基礎之上的多個任務。實時操作系統根據各個任務的要求，進行資源（包括存儲器、外設等）管理、消息管理、任務調度和異常處理等工作。在實時操作系統支持的系統中，每個任務都具有不同的優先級別，它將根據各個任務的優先級來動態地切換各個任務，以保證對實時性的要求。這種體系結構簡化了編程結構，比過去的循環控制的體系結構有了很大的改進。 從性能上講，實時操作系統與普通的操作系統存在的區別主要體現在“實時”二字上。在實時計算中，系統的正確性不僅僅依賴計算的邏輯結果，而且依賴結果產生的時間。從這個角度上看，可以把實時系統定義成“一個能夠在指定或者確定的時間內完成西安工業大學碩士學位論文 14理器： a．ARM7 微處理器模式定義 ARM 7 微處理器中，共支持以下七種處理器模式： ● 用戶模式(User) ● 快速中斷請求模式(FIQ: Fast Interrupt Request) ● 中斷請求模式(IRQ: Interrupt Request) ● 超級用戶模式(Supervisor) ● 丟棄模式(Abort) ● 未定義模式(Undefined) ● 系統模式(System) 在一般情況下，應用程序都將運行在用戶模式下。其他幾種模式將用于一些處理器異常(Exception)狀況下，或用于測試以及其他的一些目的[18]。 b．ARM7 寄存器定義 ARM 7 微處理器中共定義了 37 個寄存器，每個寄存器的長度均為 32 位。根據不同的用途，可將其劃分為以下幾類： （1）30 個通用寄存器 在任意一種處理器模式下，只有 15 個通用寄存器可以使用，編號分別為 r0，…，r14。其中，r13 作為堆棧指針寄存器(SP：Stack Pointer)。該寄存器將由 ARM 編譯器自動使用。r14 作為鏈接寄存器(LR：Link Register)。當系統中發生一個子程序調用時，ARM 將用 r14 來記錄返回地址。如果返回地址已經保存在堆棧中，則該寄存器也可以用于其它方面。 （2）程序指針（PC：Program Counter） PC 即為 r15，用于記錄程序當前的運行地址。ARM 處理器每執行一條指令，都會把 PC 增加 4 字節。此外，相應的分支指令（如 BL 等）也會改變 PC 的值。 （3）當前處理器狀態寄存器（SPSR：Saved Program Status Resister） SPSR 寄存器主要是在處理器異常發生時，用來保存 CPSR（CurrentProgram Status Resister）。每一種處理器模式下將使用一個 SPSR 來保存 CPSR，而用戶模式和系統模式下不需要 SPSR，因為該模式下不會發生異常[19]。 c．ARM7 指令集定義 所有 ARM 指令集長度均為 32 位，并且將按照字邊界進行存儲。ARM 指令集可以分為以下幾類： （1）分支指令集 分支指令集用于改變程序的執行位置，可用于程序的跳轉或循環中。 （2）數據處理指令集 數據處理指令集將用于一般的數據處理中。該指令只能訪問寄存器，而不能訪問系統中的內存。 （3）狀態寄存器訪問指令集 此指令集用于訪問 CPSR 或 SPSR 寄存器。 西安工業大學碩士學位論文 19不同的需求進行裁減。可以說，181。C/OS是一個具備現代操作系統特點的RTOS，同時它結構清晰、注解詳盡，具有良好的可擴展性和可移植性，被廣泛地應用于各種架構的微處理器上。 。應用程序處于整個系統的頂層，每個任務都可以認為自己獨占了CPU，因此可以設計成為一個無限循環。181。C/OS處理器無關的代碼提供181。C/OS的系統服務，應用程序可以使用這些API函數進行內存管理，進程間通信以及創建、刪除任務等。 uC/OS的應用程序uC/OS處理器無關代碼uC/OS編譯器相關定義 uC/OS中與處理器無關的代 uC/ uC/ uC/OS與應用相關的設置存儲器系統時鐘處理器外圍設備 181。C/OS的軟硬件體系結構圖 c．181。C/OS的任務管理機制 任務調度機制是嵌入式實時內核的一個重要概念，也是其核心技術。由于通常的商業系統用戶無法獲取源代碼，不了解工作機制，也就無法進行修改和擴展，因而限制了嵌入式系統的應用和推廣。181。C/OS是完全免費的，全部代碼都可以從Internet上獲得。了解內核工作細節將有助于用戶將其移植到各種應用系統中。 181。C/OS是可剝奪型實時多任務內核。可剝奪型的實時內核在任何時刻都運行就緒了的最高優先級的任務。也就是說，高優先級的任務一旦就緒，將立刻投入運行。181。C/OS中最多可支持64個任務，分別對應優先級0～63，0為最高優