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1、浙江大学硕士学位论文基于DSP的嵌入式网络视频监控系统的研究及硬件设计姓名：郑庆宁申请学位级别：硕士专业：信息与通信工程指导教师：金向东20070501浙江大学硕士学位论文摘要嵌入式网络视频监控系统作为新一代的视频监控设备，集先进的视频压缩处理和以太网通信于一体。通过I n t e r n e t，远程用户可以在任意时间、任意地点访问监控系统，进行实时视音频监控，接收报警信息，同时还可以对摄像机进行控制操作，对图像的质量进行调节。系统以嵌入式系统技术为基础，具有高度的稳定性和可靠性，在道路交通、银行、电信、智能家居等众多领域具有广泛的应用前景。本文在深入进行功能需求分析的基础上，采用T J 公
2、司的高性能多媒体处理器T M S 3 2 0 D M 6 4 x 为核心进行系统设计。该处理器具有强大的处理能力和丰富的外围接口，是嵌入式网络视频监控系统的理想解决方案。本文首先介绍了视频监控系统的发展历史，分析了嵌入式网络视频监控系统的特点和关键技术；在仔细研究了嵌入式系统相关技术的基础上，分析比较了系统的解决方案并提出了本系统的设计方案；然后，对系统的主要功能模块，包括视频接口、音频接口、咀太网通信、存储器扩展、R S 4 8 5 通信与报警输入、1 2 c 总线控制、启动与供电等，进行了详细的分析和设计；在完成了系统原理图设计后，针对高速系统设计中的信号完整性问题进行了深入的研究，采用H
3、 y p e r L y n x 工具和I B I S 模型对本系统的关键部分进行了分析和仿真，并结合仿真进行了P C B 的设计，从而构建了可靠的系统硬件平台；最后，对系统的软件开发环境和代码开发流程进行了介绍，并简要分析了软件功能模块的设计。关键词：网络视频监控；D S P；多媒体处理器；嵌入式系统；P C B；信号完整性浙江大学硕士学位论文A B S T R A C TI n c l u d i n ga d v a n c e dv i d e oc o m p r e s s i o na n dI n t e r n e ti n t e r f a c e，e m b e d d
4、 e dn e t w o r kv i d e om o n i t o r i n gs y s t e mi st h en o w o s tm o n i t o r i n gd e v i c e V i aI n t e r n e t,r e m o t eu s e l rc a nv i s i tt h es y s t e mt og e tr e a l-t i m ev i d e oa n da u d i oi n f o r m a t i o n，r e c e i v ee m e r g e n c yi n f o r m a t i o n,c o
5、 n t r o lt h ev i d i e o na n da l s oa d j l|s tt h eq u a l 姆o f v i d e oa ta n yt i m ea n yp l a c e T h es y s t e mp o s s e s s e st h eq u a l i t yo f h i g hs t a b i l i t ya n dd e p e n d a b i l i t y,i si l o wu s e di nm a n ym l r e a ss u c ha st r a f f i c b a n k,t e l e e o
6、m,s m a r th o m e,e t c B a s e do l lt h ed e e pa n a l y s i so fs y s t e m sf u n c t i o n，w os e l e c t e dh i g h-p o w e r e dm u l t i m e d i ac h i p聊S 3 2 0 D M 6 4 x 勰t h ep r o c e s s o ro f t h es y s t e m T h i sp r o c e s s o rh a sp o w e r f u lp r o c e s s i n ga b i l i t
7、 ya n da b u n d a n tp e r i p h e r a l s,t h u si st h ep e r f e c ts o l v i n gs c h e m eo fe m b e d d e dn e t w o r kv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m T h ea u t h o r|i r s t l yi n t r o d u e 娥lt h eh i s t o r yo ft h ev i d e om o n i t o r i n gs y s t e m，a n a l y z e dt h ec
8、 h a r a c t e r i s t i ca n dk e yt e c h n o l o g i e so f t h es y s 【e m B a s e do nt h er e s e a r c ho fe m b e d d e ds y s t e m，t h ea u t h o r m a d e a c o m p a r i s o n o f s e v e r a ls c h e m e s a n d p u t f o r w a r d t h es o l v i n gs e h e r n e f o r t h es y s t e m。
9、T h e n，a n a l y z e da n dd e s i g n e dt h em a i nf u n c t i o n a lm o d u l e so f t h es y s t e mi nd e t a i l s，i n c l u d i n gv i d e oi n t e r f a c e，a u d i oi n t e f f a c e,I n t e m e ti n t e r f a c e,m e m o r ye x t e n s i o n,R S 4 8 5c o m m u n i c a t i o na n de m e
10、r g e n c yi n f o r m a t i o ni n p u t,l。Cb u sc o n t r 0 1 b o o ta n dp o w e rs u p p l y,e r e A f t e rf i n i s h i n gs c h e m a t i cc i r c u i t,t h ea u t h o rm a d ead e e pr e s e a r c ho ft h es i g n a li n t e g r i t yi nt h ed e s i g no fh i g h-s p e e ds y s t e ma n da d
11、 o p t e dH y p e r L y n xa n dI B I Sm o d e lt oa n a l y z ea n ds i m u l a t et h ek e yp a r t so f t h es y s t e m T h e n，f i n i s h e dt h eP C Bd e s i g no f t h es y s t e mb a s e do nt h es i m u l a t i o nt h u sc o n s t r u c t e dad e p e n d a b l es y s t e mh a r d w a r ep
12、l a t f o r m A tl a s t,t h ea u t h o ri n t r o d u c e dt h es o t t w a r ed e v e l o p i n ge n v i r o n m e n ta n df l o w，a n dd e s i g n e dt h ef u n c t i o n a lm o d u l e so f t h es y s t e m K e yw o r d s：n e t w o r kv i d e om o n i t o r i n g；D S P；m u l t i m e d i ap r o c
13、 e s s,P C B；s i g f l a Ii n t e g r i t y浙江大学硕士学位论文1 1 引言第一章绪论人类接收的信息中，7 0 来自视觉。视频监控系统作为作为人们所一直关注的技术热点之一，集通信技术、计算机技术和视频技术于一体，以直观、生动和形象的特点而广泛应用于很多场合，为维持社会安全和稳定起到了重要作用。在道路交通领域，视频监控系统为交通管理人员提供道路通行的情况，提供车流状况、事故等信息，为管理人员进行调度和事故处理提供信息保障，在提高交通管理效率的同时，对交通事故进行及时有效控制，从而保证了道路行车的畅通和安全“在银行、电信场所，处于现代化管理和安全的需求，在
14、无人值守的场所，需要视频监控系统进行监控。在人流众多复杂的公共场所，如车站等地方，使用视频监控系统对人流来往进行监控，能够有效的保证群众的生命和财产安全。在智能家居领域，视频监控系统也具有广泛的应用价值。通过视频监控系统，远程用户可以在任意时间、任意地点对家庭内部的情况进行实时视频监控，了解家中信息，从而大大提升了家居生活的安全性和智能性。在电力系统领域，对于变电所无人值班自动化管理的改造过程中，传统的“遥控、遥调、遥测、遥信”功能已经无法满足现代化变电所的发展需要。通过增加视频监控系统，管理人员可以及时了解变电所的设备运行情况，为电力系统的安全运行提供保障。在教育领域，视频监控系统为远程教育
15、提供了广阔的发展空间，使得课堂教育能够跨越距离的限制，使天南海北的人接收最新的教育。另外，在公安部门、海关，工矿企业等部门和领域，视频监控系统都存在重要的应用价值。下面介绍一下视频监控系统的发展历史以及各个阶段的特点。1 2 视频监控系统的发展历史视频监控的关键技术之一是视频处理技术，所以，根据视频处理技术水平发展的不同阶段，可以将视频监控系统划分为下面三个阶段“”。1 模拟视频监控系统从有摄像机和电视机出现的时候起，视频监控系统就已经诞生了，主要由摄像机、视频电缆、控制电缆、视频切换矩阵、监视器和录像机等组成摄像机拍摄的模拟视频信号直接送入视频电缆，通过模拟方式进行传输。每一个观测点的视频信
16、息通过电缆直接传输浙江大学硕士学位论文到控制室，管理人员采用多路切换器手动切换不同观测点的视频监控画面，从而进行观测和监控，被广泛应用在生产管理、保安等场合在摄像机镜头的控制方面，主要采用模拟电路和中、小规模集成电路对镜头进行控制和调节，功能简单、可靠性和抗干扰性都比较差。在这个阶段，由于信源采用模拟视频信号，传输采用电缆进行，信号的质量比较差，传输距离也比较有限，系统主要存在以下几个方面的缺陷：(1)采用标准电视制式的模拟视频信号，图像质量较差，分辨率较低，抗干扰性能较差；(2)使用同轴电缆进行视频信号的传输，传输距离受限，一般局限在工厂或某一大楼内，并且对于已经建好的系统，新的设备很难添加
17、到原系统中，扩展性较差；(3)没有良好的用户操作界面，需要专业人员才能操作，管理和维护都比较复杂，同时，每一个监控中心都需要一套设备，成本较高；(4)采用录像带、磁带等方式存储视频信息，存储设备的成本比较高，容量也比较有限，并且只能顺序检索，使得信息的查询非常得繁琐；(5)在模拟视频监控系统中，各部分独立运作，相互之间很难互通，无法形成有线的报警联动。从上面描述的几点来看，模拟视频监控系统已经无法满足要求越来越高的监控领域的需求，迫切需要采用新的视频监控手段。2 基于P C 的数字视频监控系统上个世纪9 0 年代以来，随着计算机多媒体技术、视频压缩编解码技术和网络通信技术的迅猛发展，出现了基于
18、P C 的数字视频监控系统，部分取代了以视频矩阵图像分割器、录像机为核心，辅以其他传送器的模拟视频监控模式。基于P C 的数字视频监控系统采集摄像头输出的模拟视频信号后，转化为数字信号，然后利用专用的压缩卡对视频图像进行压缩处理，通过网络传输给监控端的P C 机类似的，接收端的P C 机利用专用的解压卡对视频数据进行解压缩后，从而实现视频的回放与传统的模拟视频监控系统相比，系统结构大大简化，并且由于采用了数字化的视频流和计算机网络技术，监控不再受距离的限制。图像的质量比较好，抗干扰能力强。采用大容量磁盘阵列或光盘存储器，可以节省大量的磁带介质，存储成本大大降低，同时也有利于监控信息的检索和查询
19、。采用标准的W i n d o w s 界面，操作方便因此，基于P c 的数字视频监控系统白一出现，便得到了广泛的应用。虽然与模拟视频监控系统相比，基于P C 的数字视频监控系统在技术上有了相当大的提升，但是仍存在着很多的问题和不足之处：2浙江大学硕士学位论文(1)系统需要使用专用的视频压缩解压缩卡对视频信号进行压缩和解压缩处理，造成监控系统体积较大，功耗较高。同时，由于专用的视频压缩和解压缩卡只能支持某一种压缩编码格式，编码算法无法更新和升级。(2)系统基于P C 架构，实时性不高，稳定性比较差。在复杂的工作环境下，由于各种因素的作用，系统的稳定性和可靠性可能会受到严重的影响，可能无法正常运
20、行。同时，P C机需要专人进行管理，在空间或者环境不适宜的监控地点，这种方式不太理想。正是基于P C 的数字视频监控系统的不足催生了嵌入式网络视频监控系统的诞生。3 嵌入式网络视频监控系统从上面的叙述可知，基于P C 架构的系统由于受计算机中其他硬件和软件的影响，在实时性、稳定性和可靠性等方面存在着不足。特别是在很多情况下，需要在一个监控现场安装多个摄像头，并且需要在监控端同时对多个现场进行实时视频监控，此时，就需要大量的视频压缩和解压缩卡，使得整个监控系统的结构更加复杂，系统的可靠性和稳定性也随之更差。随着视频监控系统在社会生活各个领域的应用，对监控系统的可靠性和稳定性的要求也越来越高，基于
21、P C 架构的视频监控系统由于在稳定性、可靠性和体积等方面的不足。已经无法满足不断提升的需求。在这种情况下，基于嵌入式系统技术的网络视频监控系统便随之产生。嵌入式网络视频监控系统以嵌入式系统为核心，主要原理是：在监控现场采集的视音频监控信息送入嵌入式监控系统内，进行压缩处理和网络转换处理，在将信息转换成基于T C P I P 协议的网络数据包后，通过系统的以太网接口发送到I n t c H l l e t 网络上由于I n t e m e t网络的开放性，用户可以在任意时间、任意地点通过网络访问监控系统，从而进行实时视频监控。使用普通的浏览器或者客户端软件即可进行，同时还可以对摄像机进行控制，
22、对图像的质量进行调节。系统的应用示意图见图1 1 所示。图1 1 嵌入式网络视频监控系统应用示意图嵌入式网络视频监控系统以嵌入式系统为核心，由于嵌入式系统为专用系统，系统小，指令精简，系统数据置于R O M F L A S H 中，调用速度快，稳定性好，不会被改变，在实时性和可靠性上明显要优于P C 机。系统采用嵌入式专用芯片和实时嵌入式系统，集视浙江大学硬士学位论文频压缩和网络接入一体，体积小，可靠性高。系统直接接入I n t e m e t 网络，无需专人值守，管理和维护方便。在远程监控端，只需一台安装了普通浏览器或者客户端软件的P C 机即可。不用安装其他的设备，系统的成本大大降低，同时
23、操作和维护也比较简单。与基于P C的数字视频监控系统相比，嵌入式网络视频监控系统具有以下优势：(1)以嵌入式系统为架构，实时性较强，系统的稳定性和可靠性明显增强，可以适应环境比较恶劣的工作环境，这一点是基于P C 架构的系统所无法具备的(2)视频监控数据通过I n t e m c t 网络进行传输，不存在信号的衰减和干扰问题同时，所有设备以l P 地址作为标识，要增加设备通过扩充l P 地址即可，无需改动网络，从而具有几乎无限的扩展能力。(3)系统将视频压缩处理和I n t d n e t 接入集成到一个体积4 5 4 的设备内，直接联入网络即可，安装和维护非常方便，非常适合于无人值守的场所。
24、监控端无需特殊的监视设备，只需安装了普通浏览器或客户端软件的P C 机即可，操作和维护均很简单鉴于以上的优点，嵌入式网络视频监控系统必将具有非常广阔的应用前景。1 3 嵌入式网络视频监控系统关键技术嵌入式网络视频监控系统作为一个典型的嵌入式系统，集视频信号采集、视频压缩处理和网络接入于一体，整个系统体积小，实时性和可靠性高，环境适应能力强。该系统是通信技术、电子技术、计算机技术和视频处理技术相互结合并迅速发展的产品。为了构建一个稳定、可靠的嵌入式视频监控平台，必须解决构成系统的硬件和软件两方面的技术问题。首先，从嵌入式系统的设计原则和方法出发，仔细考虑系统的工作环境、功能需求、速度、功耗、体积
25、大小、灵活性、可扩展性和可升级性等因素。由于系统需要对视频信息进行压缩处理，对数字信号速度和实时性能要求较高，在处理器的选择上必须考虑到芯片的速度和数据处理能力由于用户需要通过网络对监控端的摄像机进行云台的控制等操作，所以处理器必须具有一定的控制能力。当然，是否支持网络的接入功能也是非常关键的因素之一在确定了系统的处理器芯片后，外围芯片的选择也是我们系统所要考虑的。监控系统工作的环境对系统的体积、功耗、重量、耐高温和低温能力提出了要求，我们在选择外围器件的时候，对器件的这些性能必须仔细的考虑和权衡，外围器件的性能的高低也直接影响到整个监控系统硬件平台的表现。其次，随着电路工作频率的提升，高速电
26、路中的信号时序问题、信号完整性问题以及电路板的P C B 设计问题都已经成为嵌入式网络视频监控系统硬件设计中所不能回避的问题。系统中，处理器芯片的工作频率达到几百兆赫兹，信号的上升沿下降沿变得非常陡峭，一般电路分析中所采用的理想化的集总参数分析方法已经不再适用，必须对反射、串4浙江大学硕士学位论文扰、同步开关噪声(S S N)等高速系统设计中的信号完整性问题进行深入分析。在高速设计中，器件布局和高质量的P C B 布线都已经成为关系到系统性能的重要因素。在进行理论分析的基础上，结合软件仿真工具对电路板的关键部分，如处理器与外部存储器的高速数据交换部分，进行性能的仿真与分析，从而对元器件的布局和
27、电路板走线进行调整和优化，提高系统的性能。嵌入式网络视频监控系统由硬件和软件两个部分组成，系统的性能与硬件和软件的性能这两者紧密相关。在构建了稳定、可靠的嵌入式硬件平台之后，必须考虑到系统软件的实时性、稳定性和可移植性等问题在功能简单、实时性和可靠性要求不高的系统中，不用采用嵌入式操作系统，设计人员编写所有程序，完全控制硬件，通过循环的方式完成系统的功能，不存在操作系统的概念这种嵌入式软件的设计方法对于功能比较简单、实时性要求不高的应用场合，完全可以满足需求。然而，对于功能复杂的系统应用，特别是在对系统的实时性和可靠性要求非常高的场合，这种传统的软件设计方法已经无法满足设计需求，必须使用嵌入式
28、操作系统，将系统的应用程序建立在操作系统的基础上，按照操作系统的调度来执行。与传统的程序设计方法相比，这种基于操作系统的程序设计可以简化多任务之间的通信，使系统的实时性和可靠性得到保证，同时也有利于程序的编写和移植。在这个系统中，软件主要完成视频压缩编码和网络接入功能。首先，从摄像机采集的视频信息必须经过压缩处理，否则，将未经压缩的视频信号直接传输，是不现实的，也是没有必要的。例如，对于2 5 帧秒的P A L 制式电视信号，假定分辨率为3 5 2 x 2 8 8 象素，每个象素占2 4 b i t，那么每秒钟的数据大小为3 5 2 x 2 8 8 x 2 5 2 4=6 1 3 4 4 K，
29、这样大的数据量直接传输是太现实的，存储也是非常的困难，所以必须对视频信息进行压缩处理。根据系统监控图像质量的要求，选择相应的视频压缩编码算法，如J P E G，J P E G 2 0 0 0，M P E G I，M P E G 2，M P E G 4，H 2 6 3，H 2 6 4 等。当然也要考虑到算法实现的复杂度。在系统的网络接入功能的实现过程中，由于数据的流量比较大，对实时性的要求也比较高，网络传输的稳定性和可靠性是系统所必须要考虑的用户在远程通过网络进行视频监控的同时，也可以对远端设备进行操作和控制，如对摄像机进行控制，包括云台的左右转动、上下转动，镜头的光圈和变焦的调节，以及对某些应
30、用场合下系统所连接的报警监测装置的控制等，这也是系统所要完成的功能的一部分。5浙江大学硕士学位论文1 4 论文组织结构本文在介绍了视频监控系统的发展历史和对嵌入式网络视频监控系统所设计到的关键技术进步探讨的基础上，完成了基于嵌入式技术的网络视频监控系统的硬件平台的详细设计，并对信号完整性问题和高速P C B 设计进行了深入分析和研究。文章共分为五个章节。第一章(本章)是绪论部分，在介绍了视频监控系统的作用和广泛应用需求的基础上，讲述了视频监控系统的发展历史，并对嵌入式网络视频监控系统中设计中的关键技术进行了初步探讨和分析，为系统的详细设计和实现打下了基础。嵌入式网络视频监控系统是基于嵌入式系统
31、技术进行构建的，所以对嵌入式系统的研究是必需的。第二章分析了嵌入式系统的硬件设计和软件设计，研究了操作系统和嵌入式操作系统的相关知识，并简要介绍了常见的嵌入式处理器和一些典型的嵌入式操作系统，最后对嵌入式系统的可靠性设计进行了研究。第三章首先对系统的功能需求和设计方案进行了研究，在系统总体设计框架的基础上，详细分析和设计了各个模块的具体电路设计，如视频、音频、网络通信、R S 4 8 5 通信、供电等，从而完成了系统硬件平台的设计工作。第四章对高速电路中的信号完整性问题进行了研究。在深入研究信号完整性理论和I B I S 模型的基础上，采用H y p e r L y n x 高速P C B 仿
32、真工具对系统中的关键部分进行分析和仿真，并结合仿真结果进行P C B 设计，从而确保系统硬件的可靠性。第五章首先对软件开发环境和代码的开发流程进行了研究，然后采用模块化思想对软件功能模块进行了划分和设计，重点对视频压缩和网络通信模块进行了分析。第六章是全文的总结与展望6浙江大学硕士学位论文第二章嵌入式系统技术研究2 1 嵌入式系统的定义随着社会生活的信息化和网络化，采用嵌入式系统技术的产品已经渗透到日常生活的每一个角落，任何一个人都可能在使用着与嵌入式系统的相关产品从手机、M P 3、P D A、数码相机、手表、电子游戏机、电视机、电冰箱、电动车等民用产品，到数字机床，工业机器人等工业领域的产
33、品，都可以见到嵌入式系统的身影。在对计算机的分类问题上，传统上按照计算机的体系结构、运算速度，应用领域等来划分，可以分为大型计算机、中型机、小型机和微型计算机。然而，随着技术的迅速发展，用于工业，民用的专用的计算机大量涌现，嵌入式系统由此得名。事实上，从数量上讲，嵌入式系统在要远远多于通用的计算机。举日常办公所用的P C机来说，它的输入输出设备都是嵌入式系统一台通用计算机的外部设备中就包含了5 个到l O 个嵌入式系统的产品，像键盘、鼠标、软驱、硬盘：显示卡、显示器、调制解调器、网卡、声卡、打印机、扫描仪等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天
34、、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式系统的应用领域。嵌入式系统是先进的电子技术，计算机技术、半导体技术与各个行业的具体情况相结合后的产物，是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识体系。1 9 9 7 年来自美国嵌入式系统大会的报告指出：未来5 年仅基于嵌入式系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年1 5 0 0 亿美元的新市场。美国著名未来学家尼葛洛庞帝9 9 年1 月访问中国的时候曾经预言，4 年到5 年后嵌入式智能(电脑)I 具将是P C 和因特网之后最伟大的发明”。那么究竟什么是嵌入式系统?其实，由于嵌入式系统已经应用到日常生活的各个方面，很难给嵌入式系统下一个明确的定义
35、。目前国内普遍认同的一个定义为：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪。适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗要求严格的专用计算机系统。嵌入式系统是硬件和软件的有机结合体，并以硬件的形式表现出来”1 嵌入式系统由硬件和软件两个部分组成，硬件系统是整个系统的基础，构成软件运行的基本环境，部分包括微处理器、存储器和外设器件；软件系统是嵌入式系统的灵魂，也是嵌入式系统特点的体现。软件部分包括操作系统以及建筑于操作系统之上的应用程序。典型的嵌入式系统的组成示意图见图2 1 7浙江大学硕士学位论文Il嵌入式软件I 嵌入式硬件习围困图2 1 典型的嵌入式系统组成对于上述嵌入式系
36、统的定义，可以从这几个方面来理解：(1)嵌入式系统面向应用、面向产品的，必须与具体的应用场景相结合才会具有生命力和优势。与遥用计算机系统不同的是，嵌入式系统是与具体的应用需求有关的，其硬件和软件具有极强的应用相关性，必须根据实际的功能需要进行设计和裁剪。同时，由于嵌入式系统的应用环境一般比较复杂，受到成本、体积、功耗、可靠性等因素的影响，系统的硬件和软件必须根据系统需求进行专门设计，使整个系统高效率地运行。(2)嵌入式系统是专用计算机系统，是与具体应用相结合的，所以系统为了满足功能、可靠性、体积、成本、功耗的需求，必须对硬件和软件进行裁剪。所以，对于不同功能需求的系统，如果能够建立起相对通用的
37、软硬件平台，然后在这个通用平台上设计开发适合各种功能需要的系统，则是一个比较好的发展模式(3)嵌入式系统是一个技术密集、资金密集，高度分散，不断创新的知识集成系统，是将先进的电子技术、计算机技术和半导体技术与各个行业的具体应用相结合的结果。2 2 嵌入式系统的特点2 2 1 嵌入式系统的产品特征首先，嵌入式系统是面向产品、面向应用的，系统必须以实际的功能需求为基础，不可以脱离应用而自行发展，否则便会失去市场。其次，嵌入式系统是针对具体应用的专用系统，对成本、体积、功耗等具有敏感性，系统的硬件和软件必须高效率的设计。一款优秀的嵌入式系统是一个能够完成功能要求的最小系统。只有这样，产品才会具有竞争
38、力，才能有立足之地。再次，作为嵌入式系统硬件重要组成部分的微处理器，其速度、处理能力、功耗，成本、可靠性等方面都受到具体应用的束缚和制约，这也是众多芯片厂商竞争的热点对于具体的应用来说，需要对处理器芯片进行添加和裁剪。以便达到理想的性能，同时还会受到用户订货量的制约。8浙江大学硕士学位论文另外，由于工作环境的问题，嵌入式系统对可靠性和稳定性的要求非常高，如希望在恶劣的条件下，系统仍然能够正常工作实时性也是很多嵌入式系统必须具有的性能之一，这就对嵌入式操作系统的实时处理能力提出了要求。最后，嵌入式系统是和具体的应用紧密结合的，其升级也是与具体产品同步进行的。嵌入式产品一旦进入市场，便具有较长的生
39、命周期。嵌入式系统的软件不存储在硬盘等载体中，一般直接固化在只读存储器或者闪存中。2 2 2 嵌入式系统软件的特征嵌入式系统由硬件和软件两个部分组成，作为嵌入式系统灵魂和特点体现的软件，与通用计算机的软件也有很大的不同。首先，嵌入式系统的软件要求高效率、高质量、高可靠性和高安全性虽然随着半导体技术的进步，芯片上存储器的容量在不断增加。价格在不断下降，但是对嵌入式系统而言，存储空间依然非常有限。在设计嵌入式软件时，对程序编写和编译工具的质量要求高，以减少编译后的二进制代码长度，在提高程序执行速度的同时，提升系统的实时性。其次，处于嵌入式系统实时性和多任务处理能力的考虑，必须采用嵌入式操作系统，将
40、应用程序建筑于操作系统之上，用户任务按优先级的高低执行。由于存储器容量的限制，要求操作系统的内核小，精简可靠。最后，嵌入式系统的软件开发需要专门的工具和环境。嵌入式系统本身不具备自主开发的能力，必须有一套开发工具才能进行开发。一般是基于通用计算机的软硬件设备以及示波器、逻辑分析仪等。开发的时候，存在主机和目标机的概念，主机用于程序的开发调试，目标机作为程序的执行机，开发的时候需要主机和目标机交替结合进行。软件最后是固化在系统的只读存储器或闪存中的。2 3 嵌入式系统的历史、现状和发展趋势2 3 1 嵌入式系统的历史和现状嵌入式系统的概念很早就出现了，从上个世纪7 0 年代的单片机到现在种类繁多
41、的嵌入式处理器芯片，嵌入式系统已经走过了3 0 多年的发展历史”1。基于单片机的嵌入式系统，广泛应用在工业控制、汽车电子、通信等领域，虽然功能简单，但已经具备了嵌入式系统的特点当时的单片机只是8 位的芯片，资源比较有限软件主要采用汇编进行编写，可读性和可重用性都比较差。在面对比较复杂的系统应用的9浙江大学硕士学位论文时候，每添加一项功能便需要重新设计硬件和软件同时，在软件的设计方法上，没有基于操作系统，设计人员编写所有程序，效率低下。出现于上个世纪年代的嵌入式操作系统，提高了嵌入式系统软件设计的开发效率，降低了开发成本，同时也大大增强了软件的可读性和可重用性。世界上第一个商用嵌入式实时内核V
42、T R X 3 2 出现于1 9 8 1 年，由R e a d yS y s t e m 推出。该实对内核具有操作系统的众多特征，像任务管理、任务间通信、内存管理、中断支持等功能。此后，一些公司自己的嵌入式操作系统也陆续推出，如W i n d R i v e r(风河)公司的V x W o r k s、Q N X 公司的Q N X等。这些嵌入式操作系统除了具有操作系统的主要功能外，更重要的是，这些系统的设计非常适合嵌入式系统的实时性和可靠性等应用需求，如：内核采用占先式的调度方式，响应时间短；系统的内核小，适合系统存储器有限的特点#内核具有可裁剪性、可移植性和可扩充性。可以将操作系统移植到各种
43、处理器芯片上：操作系统的内核具有极强的可靠性和安全性，在复杂的环境下仍然能够稳定运行嵌入式操作系统的出现改变了传统的软件设计模式，将应用程序建筑在操作系统之上，按照操作系统的调度运行，一方面提高了系统的实时性，另一方面将设计人员从小范围的开发中解放了出来，使得代码的可读性，可重用性、可移植性和可靠性都大大提高。纵观嵌入式系统技术的发展历程，大概可以分成以下3 个阶段：(1)嵌入式系统技术的早期阶段，主要以单片机为核心的可编程控制器和功能简单的专用计算机的形式存在主要应用领域为工业检测、控制和导弹、飞机等武器装备中，执行监测、控制、设备指示等任务。这个时期的嵌入式系统功能比较简单，也没有操作系统
44、的支持，采用传统的程序设计方法，通过汇编语言直接编程，对系统进行操作和控制，来完成特定的功能。系统的功能和结构都比较简单，存储空间比较小，处理效率较低，几乎没有用户接口，这些是这一阶段嵌入式系统的主要特点。(2)第二个阶段以嵌入式处理器和嵌入式操作系统为标志。在硬件上，出现了高性能、高可靠性、低功耗的嵌入式处理器。如A R M、P o w e r P C 等；软件方面，众多公司推出了嵌入式操作系统并得到迅速发展；嵌入式操作系统具有操作系统的功能，同时内核小、效率高、具有高度的实时性、可靠性和可扩展性；嵌入式操作系统的出现改变了传统的软件设计方法，由于具有大量的应用程序接口，使得程序的编写简单，
45、开发和运行的效率也大大提高(3)芯片技术和I n t e m e t 技术的出现标志着嵌入式系统的发展进入了第三阶段。随着微电子技术的迅速发展，嵌入式系统的功能越来越强。I n t e m e t 的出现使得信息的交流跨越空间的界限，将嵌入式系统与I n t e r n e t 相结合，推动嵌入式技术的快速发展。芯片技术与I n t e m e t 技术对嵌入式系统技术产生了巨大的推动作用：由于微电子技术的发展，新的处理器越来越多，在功能增强的同时，芯片的功耗和体积越来越小。嵌入式操作系统的设计更加容易移植，以便支持多种处理器。系统使用驱动1 0浙江大学硕士学位论文程序进行开发对于处理器不断升
46、级的需求，采用一个新的板级支持包(B S P)和驱动程序结构。通用计算机上使用的新技术正在逐步使用到嵌入式系统中来，如移动代理、移动数据库等基于面向对象的分布式技术，如实时C O R B A 等也出现在嵌入式操作系统中。后P C 时代，嵌入式操作系统应用到更多的产品中有些对实时性要求不高的产品，如手持设备等，出现了一些嵌入式操作系统，如W i n C E、P a l mO S 等，非常适合这些应用。伴随着芯片技术与I n t e m e t 的发展，消费类电子产品增长迅速，众多厂商纷纷推出了面向消费类电子的对实时性要求不高的嵌入式操作系统的解决方案同时，在工业控制系统、电信设备等要求高可靠性的
47、领域，对嵌入式操作系统的性能又提出了新的要求。这两种表现相互融合，共同促进着嵌入式技术的发展。由于嵌入式系统的专用性和人们对自由软件的渴望，要求提供源码层次上的支持，满足这一需求的嵌入式L i n u x 得到了迅速崛起和发展的空间。嵌入式L i n u x 具有源码免费开发、内核小、效率高、容易裁减等等特点，能够适应嵌入式系统的开发，从而得到了广泛的支持和应用，已经形成了与W i n d o w sC E 等商用嵌入式操作系统有力竞争的局面。由于I n t e m e t 的开放性分布，源代码开放的趋势已经影响到嵌入式操作系统领域。很多嵌入式操作系统厂家在出售产品的同时，提供了源代码，从而方
48、便了嵌入式系统的开发2 3 2 嵌入式系统的发展趋势信息时代为嵌入式系统的发展创造了巨大的发展空间，在带来美好机遇的同时，也为嵌入式厂商提出了新的挑战，从中可以看出嵌入式系统未来的发展趋势“”：(1)嵌入式系统开发是一项系统工程，要求嵌入式厂商在提供系统硬件和软件的同时，还要提供系统开发环境和相关软件支持包(2)随着应用需求复杂性的提高，对芯片设计厂家提出了新的要求，需要其在芯片上设计更多的功能，以满足不断增长的需求。一方面采用功能更加强大的处理器，添加功能接口，扩展总线类型，增强多媒体处理能力。在软件方面，采用实时多任务编程技术交叉工具开发技术，在简化程序设计的同时，提高开发效率，缩短程序开
49、发周期。(3)嵌入式系统是硬件和软件紧密结合的系统，从降低成本和功耗出发，需要设计者精简系统内核，选择最佳编程模型和算法，优化编译器性能，只保留和系统功能紧密相关的硬件和软件，使用最低的资源实现系统功能。所以，以往嵌入式系统开发中硬件和软件设计相对分离的方法受到一定的制约，对嵌入式系统开发人员，既要具备丰富的硬件知识，又要发展嵌入式软件技术，才能使软硬件结合的嵌入式系统发挥最大的功能。浙江大学硕士学位论文(4)随着嵌入式系统在各个领域，特别是在消费类电子产品的应用，对人机界面的要求越来越高用户要求系统具有怠好的人机界面和灵活的控制方式，这对系统设计人员提出了更高的要求，现在一般的嵌入式产品还有
50、很厂的一段路要走(5)由于I n t e m e t 的广泛应用及其对人们工作、生活产生的巨大影响，嵌入式系统支持网络互联已经是必然的趋势。为了满足这种功能需求，嵌入式系统在硬件上必须提供各种网络通信接口，如T C P I P 协议、C A N 总线协议、U S B、I r D A 等。在软件上，嵌入式处理器内核支持网络模块，实现嵌入式系统的上网。嵌入式系统将进入一个迅速发展的时期，功能更加强大，应用也更加多样化，将会渗透到社会和家庭的每一个角落。2 4 嵌入式系统的组成与通用计算机系统一样，嵌入式系统也是由硬件和软件两个部分组成的，硬件部分是整个系统的基础，是软件运行的基本环境；软件是嵌入式