南京林業大學 本科畢業設計（論文） 題 目： 基于 發板的網絡攝像機的實現 院 (系 ) 信息與科學技術學院 專 業 計算機科學與技術 學 生 殷 雯 學 號 08081227 指導教師 何煦嵐 二 0 一 二 年 五 月 十 號 I 摘要 近幾年 來 ，嵌入式系統產品日臻完善，并在全世界各行業得到廣泛應用。嵌入式系統產品的研制和應用已經成為我國信息化帶 動工業化、工業化促進信息化發展的新的國民經濟增長點。 另外隨著 消費家電的智能化，嵌入式更顯重要 。本課題的目的就是針對其硬件環境，搭建起一個高效、穩定的嵌入式系統平臺 ，并利用這個平臺進行圖像采集的操作 。嵌入式 有 統免費、開源的特性， 大家能夠互相交流學習，因此在學習實驗中為首選系統 。 本次課題是基于嵌入式 統，由 像頭采集并且能夠在網頁中顯示 ，采用的 核是 本的，采用的開發板是 關鍵詞： 嵌入式系統； 網絡攝像頭 n is in of s to to of In as of is an of a of we to to so as in is on by SB be in a is 3 目 錄 摘要 . I . 一章 緒論 . - 1 - 嵌入式系統概述 . - 1 - 入式系統的簡介 . - 1 - 嵌入式系統的組成 . - 1 - 關于嵌入式系統的開發 . - 3 - 嵌入式操作系統概述 . - 5 - 嵌入式操作系統的定義 . - 5 - 嵌入式 作系統 . - 5 - 系結構和硬件開發平臺 . - 6 - 系結構的技術特點 . - 6 - 3理器簡介 . - 6 - 發板簡介 . - 7 - 本課題的研究目的和意義 . - 7 - 本課題的研究內容和主要工作 . - 8 - 第二章 交叉編譯環境的建立 . - 9 - 主機端的軟硬件描述 . - 9 - 主機端的硬件配置 . - 9 - 主機端的軟件配置 . - 9 - 具體布局和相關設置 . - 10 - 具體布局 . - 10 - 相關設置 . - 10 - 交叉編譯工具 . - 13 - 交叉編譯工具的安裝與配置 . - 13 - 測試安裝 . - 13 - 本章小結 . - 14 - 第三章 在 制臺下使用 示 像在 . - 15 - 述 . - 15 - 編程使用 . - 15 - 數庫介紹 . - 17 - 壓過程 . - 17 - 本章小結 . - 18 - 第四章 范 . - 19 - 介 . - 19 - 像頭驅動配置 . - 19 - 置界面的使用方法 . - 19 - 動配置 . - 20 - 動配置 . - 20 - 交叉編譯與移植 . - 21 - 計 . - 22 - 數據結構定義 . - 22 - 主要流程 . - 23 - 核心代碼 . - 23 - 本章小結 . - 26 - 第五章 主要實現步驟 . - 27 - 核配置 . - 27 - 準備工作 . - 28 - 移植 . - 29 - 編譯 . - 29 - 編譯 . - 30 - 測試網絡攝像機 . - 30 - 結論 . - 31 - 致謝 . - 32 - 參考文獻 . - 33 - 附錄 . - 34 - 南京林業大學畢業論文（設計） 第一章 緒論 - 1 - 第一章 緒論 嵌入式系統概述 入式系統的簡介 嵌入式系統是“控制、監視或者輔助裝置、機器和設備運行的裝置”從中可以看出嵌入式系統是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置。目前國內一個普遍被認同的定義是：以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式系統一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及特定的應用程序構成。嵌入式系統也由于他的系統內核小、專用性強、系統精簡、高實時性的系統軟件等優點受到大家的青睞。其特點有以下六點： 是、資金的密集型 件為主 因此嵌入式系統在交通管理、信息家電、智能玩具、機器人、軍事電子、通信設備、網絡設備、移動計算、醫療儀器、電子商務、環境監測、汽車電子、智能儀器、工控設備等領域都有廣泛的應用，也被制作成了網絡設備，例如交換機、路由器，手機、 消費類電子產品，在打印機、傳真機等辦公設備也 有相關應用，嵌入式設備在工業控制方面也有很大的應用。 嵌入式系統的組成 一個嵌入式系統裝置一般都由 嵌入式計算機系統 和執行裝置組成，如圖 1示，嵌入式計算機系統是整個嵌入式系統的核心，由硬件層、中間層、系統軟件層和應用軟件層組成。執行裝置也稱為被控 對象 ，它可以接受嵌入式計算機系統發出 的控制 命令 ，執行所規定的操作或任務。 南京林業大學畢業論文（設計） 第一章 緒論 - 2 - 圖 1嵌入式系統的組成 其基本結構如圖 1 圖 1嵌入式系統的基本結構 應用層：系統應用程序、用戶應用程序 驅動層：板級支持包 /驅動程序 /硬件適配層 操作系統層： 系統軟件 系統 硬件 入式處理器 外部設備接口控制器 系統電源 南京林業大學畢業論文（設計） 第一章 緒論 - 3 - 關于嵌入式系統的開發 嵌入式軟件的開發流程與通用軟件的開發流程大同小異，但開發過程具有嵌入式開發的特點。其開發流程如圖 1 圖 1嵌入式開發流程 嵌入式開發的特點是需要交叉開發環境， 即實現編譯、鏈接和調試應用程序代碼的環境，他主要分散在有通信鏈接的宿主機與目標機環境之中。宿主機即是指一般的 ，與目標機通信采取串口或者網絡連接方式。目標機則是嵌入式應用環境的實際運行環境，在這既鎖使用的開發板。 嵌入式軟件的開發過程與一般軟件的開發過程相差不多，但也穿插了一些嵌入式開發的特點，主要流程為：需求分析階段、設計階段、生成代碼階段以及固化階段。 該階段主要任務有堆問題的識別和分析、制定規格說明文檔、需求評審。在對問題的識別和分析中，主要是對問題進行抽象識別，各個歸總歸類， 可以將問題分解成功能需求、性能需求、環境需求、可靠性需求、安全需求、界面需求、軟件成本和開發進度需求等。而制訂規格說明文檔則是在對問題識別分析后，寫下的說明文檔。需求評審則是對需求分析進行復查，在正確性、無歧義性、安全性、可驗證性、一致性等方面進行審查確認。 系統的設計階段則是可以分解為系統設計、任務設計以及任務的詳細設計。而嵌入式南京林業大學畢業論文（設計） 第一章 緒論 - 4 - 系統中的任務具有并發性這個特性，所以在開發的時候需要在結構化分析設計的時候，給出劃分任務的途徑，且要定義任務間接口的機制。其中主要先進行數據流分析然后進行任務劃分， 最后可以定義人物間的接口。 在此階段需要完成代碼編程、交叉編譯和鏈接、交叉調試和測試的任務。主要流程如圖 1 圖 1生成代碼階段流程 在代碼編程階段，一般采用的方法是先在通用 編程，然后通過交叉編譯鏈接，將程序做成目標平臺上可以運行的二進制代碼格式。最后將程序下載到目標平臺上的特定位置，在目標板上啟動運行這段二進制代碼。 在嵌入式軟件開發編碼完成后，要進行編譯和鏈接以生成可執行代碼，嵌入式集成開發環境都支持交叉編譯、 鏈接，如 司的 及 件等。交叉編譯鏈接生成兩種類型的可執行文件：調試用的可執行文件和固化的可執行文件。 交叉調試也就是遠程調試，具有以下三個特點： 1. 調試器和被調試的程序運行在不同的機器上。調試器運行在 工作站上，而被調試程序運行在各式的專用目標機上； 2. 調試器通過某種通信方式與目標機建立聯系，如串口、并口、網絡、 者專用的通信方式； 種代理能與調試器一起配合完成對目標機上運行程序的調試。這種代理可以是某種能支 持調試的硬件，也可以是某種軟件； 過在宿主機上運行目標機的仿真軟件，仿真一臺目標機，使整個調試工作只在一臺計算機上進行。 嵌入式系統的應用軟件是針對特定的實際專業領域的，基于相應的嵌入式硬件平臺，并能完成用戶預期任務的計算機軟件。嵌入式軟件的特點如下： (1)軟件要求固態化存儲。 (2)軟件代碼要求高質量、高可靠性。 (3)系統軟件的高實時性是基本要求。 (4)多任務實時操作系統成為嵌入式應用軟件的必需。 交叉調 試 重定位和下載 代碼編寫 交叉編譯 交叉鏈接 交叉調試 C/匯編源程序 件 系統映像文件 目標機 交叉庫函數 南京林業大學畢業論文（設計） 第一章 緒論 - 5 - 嵌入式應用軟件高度依賴目標應用的軟硬件環境，軟件的部分任務 功能函數由匯編語言完成，具有高度的不可移植性。 為了保證實時性能，使用效率高和速度快的匯編語言是不可避免的。但是為了盡可能提高嵌入式應用軟件的可移植性，我們還是可以通過以下方法進行改善： (1)盡量用高級語言開發，少用匯編語言 (2)局域化不可移植部分 (3)提高軟件的可重用性。 嵌入式操作系統概述 嵌入式操作系統的定義 嵌入式操作系統是一種支持嵌入式系統應用的操作系統軟件。嵌人式操作系統在系統實時高效性、硬件的相關依賴性、軟件固態化以及應用的專用性等方面具有較為 突出的特點。 從嵌入式的組成上可以看出，它是嵌入式系統極其重要的組成部分。其中包括括與硬件相關的底層驅動軟件、系統內核、設備驅動接口、通信協議、圖形界面等。它是嵌入式系統軟硬件的重要粘合劑。 目前流行的嵌入式操作系統可以分為兩類：一類是從運行在個人電腦上的操作系統移植到嵌入式系統中，形成的嵌入式操作系統，如微軟公司的 E、 司的 入式 。這一類系統由于在個人電腦或服務器領域經受過長期運行和考驗，技術日益成熟。用戶也已經接受和習慣其操作方式和開發方式，同時又積 累了豐富的開發工具和產品經驗以及軟件資源。另一類是實時操作系統，如 司的統軟件公司的 ，這一類產品由于是專門針對于嵌入式系統設計的，所以對實時性和高可靠性等進行了精心設計，并提供了各自有特色的獨立、完備的系統開發和測試工具，其在軍事和工業控制等對實時性要求較高的領域應用較多。本課題進行的是 移植，下面介紹一下嵌入式 嵌入式 作系統 嵌入式 指對標 準 過小型化裁剪處理之后，能夠固化在容量只有幾 者幾 節的存儲器芯片或者單片機中，是適合于特定嵌入式應用場合的專用 作系統。目前市場上有很多公司進行對 嵌入式改造，其中包括 紅旗嵌入式 等。 嵌入式 繼承了 無限的開放源代碼資源，又具有嵌入式操作系統的特性。 同 樣，具有低成本、多種硬件平臺支持、優異的性能和良好的網絡支持等優點。另外， 為了更好地適應嵌入式領域的開發，嵌入式 在 礎上做了部分改進：改善的內核結構，提高的系統實時性。 因為嵌入式 諸多優點，使得開發變得相當簡單和可靠，不僅節約了成本，而且極大的提高了效率。 南京林業大學畢業論文（設計） 第一章 緒論 - 6 - 系結構和硬件開發平臺 縮寫 ,既可以認為是一個公司的名字，也可以認為是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術的名字。 1985 年 4 月 26 日，第一個 算機有限公司誕生，由美國加州 術公司制造。20 世紀 80 年代后期， 快開發成 臺式機產品，形成英國的計算機教育基礎。 1990年成立了 來簡稱為 。20 世紀 90 年代， 2 位嵌入式 理器擴展到世界范圍，占據了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系統應用領域的領先地位。 司既不生產芯片也不銷售芯片，它只出售芯片技術授權。 系結構的技術特點 理器本身是 32 位設計，但也配備 16 位指令集。一般來講存儲器比等價 32 位代碼節省達 35，然而保留了 32 位系統的所有優勢。 術使 速得到比基于軟件的 擬機 (得多的性能，和同等的非 速核相比功耗降低80。 能上增加 令集提供增強的 16 位和 32 位算術運算能力，提高了性能和靈活性。 提供兩個前沿特性來輔助帶深嵌入處理器的高集成 件的調試，它們是嵌入式 輯和嵌入式跟蹤宏核 (列。 采用 架的 理器一般具有如下特點： （ 1）體積小、低功耗、低成本、高性能 （ 2）支持 16 位） /32 位）雙指令集，能很好地兼容 8 位 /16 位器件。 （ 3）大量使用寄存器，指令執行速度更快。 （ 4） 列處理器采用 5 級流水線，還帶有 能。 （ 5） 列處理器支持指令 數據 有更高的數據 處理能力。 3理器簡介 三星公司推出的 16/32 位 處理器 為手持設備和一般類型應用供了低價格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。 為了降低整體系統成本， 供了一下豐富的內部設備： 用了 內核， 準宏單元和存儲器單元。其低功耗，簡單，優雅，且全靜態設計特別適合于對成本和功率敏感型的應用。它采用了新的總線架構 杰出的特點是其核 心處理器 (是一個由 限公司設計的 16/32 位 理器。 現了 速緩沖體系結構構。這一結構具有獨立的 16令 16據 個都是由具有 8 字長的行組成。通過提供一套完整的通用系統外設，少整體系統成本和無需配置額外的組件。 另外 成的以下片上功能： 核供電 , 儲器供電， 部 I/O 供電具備 16 計） 第一章 緒論 - 7 - 和 16處理器； 外部存儲控制器 (制和片選邏輯 )； 制器（最大支持 4K 色 256K 色 供 1 通道 用 4 通道 有外部請求引腳； 3 通道 64 字節 64 字節 2 通道 1 通道 口（多主支持）； 1 通道 頻編解碼器接口； 97 解碼器接口； 兼容 接口協議 和 協議 容版； 2 端口 機 /1 端口 備（ ）； 4 通道 時器和 1 通道內部定時器 / 看門狗定時器； 8 通道 10 比特 觸摸屏接口； 具有日歷功能的 相機接口（最大 4096 4096 像素的投入支持。 2048 2048 像素的投入，支持縮放）； 130 個通用 I/O 口和 24 通道外部中斷源； 具有普通，慢速，空閑和掉電模式； 具有 上時鐘發生器； 為手持設備和通用嵌入式應用提供片上集成系統解決方案； 16/32 位 系結構和 核強大的指令集； 加強的 系結構 于支持 2 和 指令高速存儲緩沖器（ 數據高速存儲緩沖器（ 寫緩沖器和物理地址 少主存帶寬和響應性帶來的影響； 采用 核支持 試體系結構； 內部高級微控制總線（ 系結構 ( 發板簡介 本課題使用廣州天嵌計算機科技有限公司的 發套件 發板，該開發板基于 3理器，采用了核心板加底板的設計方式，提供了完備的軟硬件平臺。 核心板的基本配置如下： 理器 :頻 400高 533 存 :板載 642據總線 ,鐘頻率高達 100 儲器 :板載 64電非易失（板載 2 底板與課題相關配置： 載五線異步串行口（ 可外接串口擴展板引出另兩個串口（ 網絡接口：板載 100M 卡，帶聯接和傳輸指示燈； 口，支持 軟件的單步調試功能。 本課題的研究目的和意義 南京林業大學畢業論文（設計） 第一章 緒論 - 8 - 近幾年，嵌入式系統產品日臻完善，并在全世界各行業得到廣泛應用。嵌入式系統產品的研制和應用已經成為我國 信息化帶動工業化、工業化促進信息化發展的新的國民經濟增長點。另外隨著消費家電的智能化，嵌入式更顯重要。將免費開源的 統和使用最為廣泛的基于 平臺這一軟一硬組合，具有易于開發，平臺適應性廣，成本低廉，性能穩定，可定制性高等特點。這對于實現一個高效率、低功耗的嵌入式平臺具有現實意義。 本課題的研究內容和主要工作 本課題的目標是移植 作系統。通過參閱大量文獻，學習嵌入式 統和系微處理芯片 相關知識，了解 核的 基本工作原理，搭建交叉編譯平臺，移植 內核，以及制作根文件系統。具體工作內容包括： （ 1） 學習和掌握 作系統的相關知識。 （ 2） 了解 體系結構和 片硬件結構。 （ 3） 建立相應的交叉編譯環境。 （ 4） 修改并移植 。 （ 5） 修改和裁剪 核。 （ 6） 制作根文件系統。 （ 7） 將內核和根文件系統通過 口部署 (燒寫 )到開發板。 下面我們按此依次實現。南京林業大學畢業論文（設計） 第二章 交叉環境的建立 - 9 - 第二章 交叉編譯環境的建立 什么是交叉編譯呢？ 在一種計算機環境中運行的編譯程序，能編譯出在另外一種環境下運行的代碼，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。簡單地說，就是在一個平臺上生成另一個平臺上的可執行代碼。交叉編譯這個概念的出現和流行是和嵌入式系統的廣泛發展是分不開的。 要進行交叉編譯，我們需要在主機平臺上安裝對應的交叉編譯工具鏈（ 也就是建立相應的交叉編譯環境。然后用這個交叉編譯工具鏈編譯我們的源代碼，最終生成可在目標平臺上運行的代碼。對于 見的交叉編譯例子如下 ： 1、在 C 上，利用 發環境），使用 譯器，則可編譯出針對 可執行代碼。 2、在 C 上，利用 譯器，可編譯出針對 臺的可執行代碼。 3、在 C 上，利用 境，運行 譯器，可編譯出針對 可執行代碼。 對于本課題我們采用的是第二種，即在 C（這里是指運行于虛擬機中的 ，利用 譯器，編譯出針對 里具體是 臺的可執行代碼。 主機端的軟硬件描述 主機端的硬件配置 本課題使用一臺 記本，其配置如下： 2330 2 個 網卡： 10/100適應網卡 主機端的軟件配置 筆記本的操作系統為 P 裝的相關軟件有： 虛擬機軟件，其上安裝的操作系統為 行版本 3，裝有 編譯工具以及 叉編譯工具，用于 核編譯和軟件開發。并在其中建立用戶 限 門用于 發； 種免費的遠程登錄工具，使用 錄到虛擬機上的 便操作； 個 境下使用 開源圖形化 戶端。同時支持 的主要功能就是在本地與遠程計算機間安全的復制文件。 方便宿主機與虛擬機傳送文件； 下載模式時，使用 載鏡像的代 理軟件； 南京林業大學畢業論文（設計） 第二章 交叉環境的建立 - 10 - 具體布局和相關設置 具體布局 如圖 2示： 圖 2布局圖 (1) 筆記本電腦 過 串口線與開發板串口相連； (2) 開發板的 過 據線與筆記本電腦的 連； (3) 虛擬機中的 別通過 宿主機進行交互以及文件傳輸。 相關設置 1）串口設置 本課題采用 行串口調試，要想進行串口通信首先進行筆記本電腦的超級終端設置。具體如下： 統中，依次選擇附件 -通訊 -超級終端。 里我起名為 設置端口（這里設置為 ）。 端口進行設置。 南京林業大學畢業論文（設計） 第二章 交叉環境的建立 - 11 - 圖 2端口設置 具，選擇菜單“ “ 按圖 2示進行設置。 圖 2置 說明：“ 主機通過 口發送到開發板的 址，一般設置為 0以根據自己的程序需要而進行設置。使用時，點擊菜 單中的“ “ 當 標題欄出現 15200提示后，表明已經連接好。 2） 虛擬機相關軟件設置 南京林業大學畢業論文（設計） 第二章 交叉環境的建立 - 12 - 為了避免操作中頻繁的在虛擬機與宿主機之間的切換，這里通過 虛擬中的 行交互。 置很簡單如圖 2示： 圖 2設置 說明： P 為遠程主機名或 址，這里設置為虛擬機網卡地址，