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嵌入式系统开发已经进入32位时代，在当前数字信息技术和网络技术高速发展的后PC时代，嵌入式系统已经广泛地渗透到科学研究、工程设计、军事技术等各个方面。
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嵌入式系统通常由硬件和软件两个大部分组成。其硬件部分的核心部件就是各类嵌入式微处理器，并配置存储器、I／O设备、通信模块等必要的外设。目前市场上主流销售的32位嵌入式处理器有Motorola、MIPS、ARM等系列，其中ARM以其体积小、成本低、功耗低、性能高等特点成为嵌入式系统设计的首选。
软件部分一般由嵌入式操作系统和应用软件组成。嵌入式操作系统是一种支持嵌入式应用的操作系统软件，它负责全部软硬件资源的分配和调度、控制协调等活动。从20世纪80年代末开始，陆续出现了很多典型的嵌入式操作系统，如Linux、μC／OS、WindowsCE等，其中使用最广泛、最受欢迎的是Linux，这是由于其源代码公开、可移植性好等优点。 1嵌入式视频处理平台和Linux系统移植 本文开发的嵌入式视频处理平台在达芬奇(Da-Vinci)数字媒体技术平台TMS320DM6446上进行的。此平台是以嵌入式处理器ARM为中心，由存储器、I／O设备、通信模块以及电源等必要的辅助接口组成。它的工作流程如图1所示。摄像头将视频信号传输进来后，再通过视频采集卡转换成数字信号然后送人TMS320DM6446，经过处理后通过视频输出接口在LCD(液晶显示器)上显示，在此过程中可以由USB口上所接的操纵杆进行控制，以及与存储设备进行存取操作。 此嵌入式视频处理平台主要应用于视频和图像的处理，如进行视频跟踪、图像的编解码等。 本文详细阐述如何在TMS320DM6446平台上进行Linux系统移植，形成了一个完整的Linux移植体系，为后续在此平台上的开发搭建了一个良好的平台，其移植流程如图2所示。 |
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2交叉编译环境的建立
开发一个嵌入式Linux系统，首先要建立良好的交叉编译环境。所谓交叉编译环境，是由编译器、连接器和解释器组成的综合开发环境。交叉编译是嵌入式系统开发过程中的一项重要技术，它的主要特征是某机器中执行的程序代码不是在本机编译生成，而是由另一台机器编译生成。一般把前者称为目标机(tar-get)，后者称为宿主机(host)。在宿主机上编译好适合目标机运行的代码后，通过宿主机到目标机的调试通道将代码下载到目标机，然后由运行于宿主机的调试软件控制代码在目标机上运行调试，其交叉编译开发模型如图3所示。 建立ARM的交叉编译环境主要用到的开发工具有：binutils、gcc、glibc。其中binutils是二进制文件的处理工具，它主要包含了一些辅助开发工具，例如obj-dump显示反汇编码、nm列出符号表、readelf显示elf文件信息及段信息等。这些工具在嵌入式开发初期，尤其是移植调试操作系统时非常有用；gcc是用来编译内核代码的工具，可以编译汇编语言和C语言的程序，生成ARM的代码；glibc是一个提供系统调用和基本函数的C语言库，所有动态链接的程序都要用到它。将这些开发工具包下载到宿主机上进行编译、安装，即可创建ARM的交叉编译环境。 3BootLoader的设计 BootLoader即引导加载程序，是在操作系统内核运行之前运行的一段程序。它建立起操作系统运行的环境，包括初始化硬件、建立存储空间映射和传递给操作系统一些基本的配置参数等。因此，Bootloader是非常重要的组成部分，它独立于操作系统，必须由用户自己设计，而且其实现高度依赖于硬件。在系统存储的空间分配结构中BootLoader、内核启动参数、内核映像和根文件系统映像的关系如图4所示。 BootLoader的作用是正确地调用内核来执行。系统开机后，执行的第1条指令是从Flash的0x00地址开始的，BootLoader程序就是放在此。由于它是直接操作硬件且依据硬件环境不同而代码不同，所以适合用汇编语言写，以达到短小精悍执行效率高的目的；内核从Flash复制到SDRAM时，采用C语言实现，能实现较复杂的功能，因此BootLoader的设计分为两个阶段。用汇编语言实现的放在第1阶段，主要完成硬件初始化，设置SDRAM，然后把Boot-Loader从Flash复制到SDRAM的起始地址，即2M处，最后内存重映射，Flash地址从0x00-0xlff映射成0x1000000-0x11fff，SDRAM地址0x200000-0xllfff映射成0x00-0xfff，至此控制权交给了用C语言实现的loaderkernel()函数，就进入了第2阶段。第2阶段是用C语言实现的，它主要完成内核从Flash到SDRAM的复制，然后控制权交给Kernel，流程如图5所示。这样设计代码会具有很好的可读性和可移植性。 本系统BootLoader的第1阶段设计包括： a)关闭看门狗程序，屏蔽所有中断； b)设置处理器时钟和工作频率，TMS320-DM6446中ARM9的工作频率为300 MHz； c)初始化外部寄存器； d)初始化堆栈指针； e)复制BootLoader的第2阶段到RAM空间中，使用一条跳转语句跳转到第2阶段的C程序如入口处。 第2阶段用C语言编写，具体步骤如下： a)设置通用I／O口参数； b)初始化内存映射和内存管理单元； c)初始化mtd设备； d)复制Flash中的Kernel映像和根文件系统映像到RAM空间中； e)跳转到内核的第1条指令处，跳转时需要满足这些条件：R0=0，R1=机器类型ID，R2=启动参数，同时禁止中断(IRQ和FIQ)，CPU设置为保护模式，关闭MMU和数据Cache。 这样，本系统的BootLoader就设计完成了，下面就可以进行Linux内核移植。 |
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4 Linux内核移植
Linux内核主要由5个子系统构成： a)进程调度(Process Scheduler)：负责控制进程对CPU的使用。 b)内存管理(Memory Manager)：标准Linux的内存管理支持虚拟内存，进程代码、数据和堆栈的总量可以超过实际内存的大小。 c)虚拟文件系统(Virtual File System)：隐藏了不同硬件的具体细节，为所有设备提供统一的接口。 d)网络接口(Network Interface)：负责支持标准的网络通信协议和各种网络硬件设备。 e)进程间通信(Inter-Process Communica-tion)：支持进程间各种通信机制。 根据嵌入式系统的特点，要使嵌入式Linux系统具备一定的功能且保持小型化，应包括启动加载程序、内核、初始化进程，以及硬件驱动程序、文件系统、必要的应用程序等。 不管是哪一款嵌入式处理器，完成移植工作就要修改所有与体系结构有关的代码，主要指内核人口、处理器初始化、I／O口映射等。具体操作如下： (1)修改配置文件 a)打开根目录下的Makefile文件，指定目标平台ARCH=arm；指定交叉编译器CROSS_COMPILE=arm-linux-gcc； b)打开／arch／arm目录下的Makefile文件，添加内核起始运行地址，即image.ram应下载的位置，该位置一般在RAM区起始地址偏移0x8000处； c)打开／arch／arm／boot目录下的Makefile文件，指定Bootloader的压缩内核解压后数据的输出地址。 (2)编译Linux内核 在完成上述工作后，开始编译Linux内核，生成目标代码。在内核源代码目录下依次键入以下命令： a)make clean：清除以前构造内核时生成的所有目标文件、模块和临时文件； b)make dep：搜索Linux输出与源代码之间的依赖关系，并以此生成依赖文件； c)make menuconfig：调用菜单式的配置内核界面，内核配置的选项非常多，根据自己系统的具体情况选择合理的配置，在内核配置时选上相应型号的硬件； d)make zImage：编译内核，生成压缩的Linux内核目标代码zImage文件； e)make modules：编译块模块驱动程序，凡是在menuconfig中被选为的都会在这条命令运行时被编译。 至此，已编译好能在本系统上运行的Linux内核。 (3)创建JFFS2文件系统 文件系统是Linux系统的重要组成部分。本系统使用mkfs.jffs2工具创建JFFS2文件系统。首先建立／bin、／***in等目录，然后复制命令工具到／bin文件夹，复制系统控制程序到／***in目录下，复制应用程序运行时所需的库到／lib，库文件可从PC机的交叉编译工具安装目录下复制。最后键人命令：mkfs.jffs2-o jffs2root.jffs2，生成JFFS2根文件系统。 上述工作完成后，将BootLoader、Linux内核、文件系统烧写到TMS320DM6446的Flash中，这样就能运行Linux系统了。 5设备驱动程序开发 5.1 Linux设备驱动程序开发步骤 Linux系统设备分为字符设备、块设备和网络设备3种。其设备驱动的开发主要包括： a)在驱动程序源文件中定义file_opera-tions结构，并编写出设备需要的各个操作函数，对于设备不需要的操作函数用NULL初始化，这些操作函数将被注册到内核中。 b)定义一个初始化函数，在Linux初始化时会调用此函数。此函数包含：初始化驱动程序要用到的硬件寄存器；初始化与设备相关的参数；注册设备；注册设备使用的中断和函数；其他一些初始化工作。 c)对于驱动程序的使用，可以进行静态编译，也可以进行动态编译。静态编译是指将设备驱动程序添加到内核中，动态编译是指将设备驱动程序编译成驱动模块。 本嵌入式系统主要用于视频处理，涉及到的外设主要是显示设备和输入设备。这里采用的显示设备是LCD，而输入设备是通过USB接口与系统相连的。 5.2 LCD显示驱动程序开发 LCD的设备驱动程序属于字符设备的驱动，应按照字符设备的规则编写。在Linux下进行LCD显示用Framebuffer技术，这是提取图形的设备，是用户进入图形界面很好的接口。Linux内核根据硬件描述抽象出Framebuffer设备，供用户态的进程直接进行写屏。可以将Framebuffer看成是显示内存的一个映像，将其映射到进程地址空间之后，就可以直接进行读写操作，写操作立即反应在屏幕上。Framebuffer的设备文件一般存放在／dev这个目录下，对此设备文件进行操作即可实现图像的显示。 LCD显示驱动程序主要包括： a)LCD驱动的文件结构：包括打开设备文件、设备文件其它操作、关闭设备文件等； b)LCD的打开：LCD设备以读写的方式打开； c)LCD设备的硬件初始化：包括注册LCD设备、卸载LCD设备等； d)LCD相关结构的设置：以获取显存起始地址、分别率、色深等； e)映射内存区的操作：包括初始化显存清零等，将摄像头采集到的图像数据读至显存处，以显示图像； f)LCD控制输出：包括得到命令、画水平线、画垂直线、画圆等； g)LCD的关闭。 将上面的内容用程序实现，进行动态编译。通过后，将LCD驱动模块进行移植加载，一个完整的LCD驱动就开发完毕了。 5.3 USB驱动程序开发 与LCD设备不同，USB既不属于字符设备，也不属于块设备，而是一个新的设备类别，设计框架和流程如下：首先，提供一个“.o”的驱动模块文件，且在一开始就加载运行。USB驱动就会根据其类型向系统注册。注册成功后，系统会反馈一个主设备号，这个主设备号就是其唯一标识。USB驱动就是根据主设备号创建一个放置在／dev目录下的设备文件。要访问此硬件，可用open、read和write等命令访问相应的设备文件，驱动就会接收到相应的read或write函数，根据模块中相对应的函数进行操作。驱动流程见图6。 USB驱动的具体设计过程如下： a)USB驱动的注册。USB驱动程序在注册时会发送一个命令给函数register_chrdev，通常在驱动程序的初始化函数中。当USB设备插入时，为了使linux-hotplug(Linux中USB等设备热插拔支持)系统自动装载驱动程序，需创建MODULE_DEVICE_TABLE，在此过程中需将USB的主设备号传递给相应的函数。 b)USB设备的打开。打开设备是通过调用file_operations结构中的函数open()来完成的。其主要完成的任务是：检查设备相关错误，如果是第一次打开，则初始化硬件设备；识别次设备号；使用计数增1。 c)USB设备的释放。释放设备是通过调用file_operations结构中的函数release()来完成的。它的作用正好与open()相反，通常要完成这样的工作：使用计数减1，如果使用计算为0，则关闭设备。 d)USB设备的控制信息与数据读写。USB设备驱动程序可以通过文件操作结构中的函数向应用程序提供对硬件进行控制的接口，同时读写操作也要通过此函数来完成。 e)USB驱动的注销。当从系统卸载驱动程序时，需要注销USB设备，这样必须编写一个注销函数unregister_chrdev。 6结束语 本文基于TMS320DM6446平台实现了Linux移植，包括创建交叉编译环境、BootLoader的设计、Linux内核移植以及LCD、USB设备驱动程序开发，为实时视频处理应用开发创建了一个良好的嵌入式平台，在此平台上可进一步进行应用程序、GUI及视频处理算法开发与测试。 |
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