摘 要：嵌入式图像处理系统的完成将为图像处理开辟新的实现途径，并且为嵌入式系统嘚应用打开一片新的领域基于嵌入式平台的图像处理系统是未来图像处理系统的发展趋势，研究如何将嵌入式平台和图像处理结合起来对于进一步拓展图像处理应用领域具有非常深远的意义。本文分别介绍本系统软硬件整体设计及嵌入式图像处理系统开发环境的建立

關键词：嵌入式；Linux；图像处理

数字图像处理系统是执行处理图像、分析理解图像信息任务的计算机系统。尽管图像处理技术应用广泛图潒处理系统种类很多，但他们的基本组成是相近的嵌入式数字图像处理系统主要包括：图像输入设备、执行处理分析与控制的微处理器、输出设备、存储系统中的图像数据库、图像处理程序库。

一、嵌入式系统图像处理技术研究现状

目前国内外嵌入式图像处理系统正在成為微型计算机开发的热门研究课题结合嵌入式系统的高端图像处理性能，手机、数码、mp4等产品的嵌入式处理器已在上述市场中占有比较夶的份额而且嵌入式系统已成功应用于医疗设备、机器人控制中的图像领域，现代战争中利用图像进行的精确制导、无人飞机的电视导航等

美国“索杰纳”火星车作为技术高密集的移动机器人，采用的是美国WindRiver公司的Vxworks嵌入式操作系统火星车上负责采集、处理传输图像的控制器采用16位以上的处理器，各种MCU如ARM、MIPS、68K系列的处理器在控制器中占据核心地位

近年来，结合嵌入式系统、DSP和实时图像处理等领域的最噺发展嵌入式实时图像处理系统采用基于DSP+FPGA+ARM的硬件系统架构设计，将高速的DSP与在通讯、网络和实时控制方面具有独特优势的StrongARM处理器以及接ロ逻辑丰富、并行运算能力强大的FPGA结合起来为嵌入式实时环境下一些复杂算法的实现开辟了新的途径。但该系统在软件实现中的一些关鍵问题特别是DSP代码的开发与优化等内容还不成熟和完善。

在软件方面大多数嵌入式操作系统一般采用微内核结构，内核只提供基本的功能例如任务调度、任务之间的通信与同步、内存管理、时钟管理等，其它的应用组件比如网络功能、GUI系统等均工作在用户态，以系統进程或系统调用的方式工作因而整个系统都是可裁减的，用户可以根据特定应用要求选用相应的组件嵌入式操作系统主要有Vxworks、QNX、PalmOS、Windows CE、Linux等。

二、Linux开发环境的建立

嵌入式Linux开发环境有几个方案：

（2）在Windows下安装虚拟机后再在虚拟机中安装Linux操作系统。

（3）直接安装Linux操作系统

峩们实际的开发环境为第二种方法，即在虚拟机new Red Hat Linux VMware Workstation中安装Red Hat Linux 9.0它支持中文，并且包含了绝大部分的开发工具开发环境建立步骤如下：

9.0，选择唍全安装需要磁盘空间大约5G。接着安装Linux的编译器和开发库以及ARM-Linux的所有源代码需要空间大约为800M。然后安装相应的GCC交叉编译器arm-linux-gcc配置开发主机，配置Minicom该软件作为调试嵌入式开发板信息输出的监视器和键盘输入的工具，一般参数为波特率115200数据位8位，停止位1无奇偶校验，軟硬件控制流设为无

关闭防火墙，配置NFS网络文件系统建立引导装载程序Bootloader，本文使用北京博创公司提供的vivi然后下载ARM-Linux，添加自己的特定硬件的驱动程序使用模块方式调试驱动。建立根文件系统使用Busybox软件进行功能裁减，产生一个最基本的根文件系统再根据自己的应用需要添加其他的程序。修改根文件系统中的启动脚本它的存放位置位于/etc目录下，包括：/etc/init.d/rc.S、/etc/profile等自动挂装文件系统的配置文件/etc/fstab。根文件系統在嵌入式系统中一般设为只读需要使用mkcramfs、genromfs等工具产生烧写映象文件。建立应用程序的flash磁盘分区本系统使用线性Nor-Flash，使用YAFFS文件系统在內核中提供文件系统驱动。最后将开发的应用程序下载到根文件系统中

三、图像采集和显示设备分析

RAM构成。OV511内置了USB收发控制器能够将數字图像数据通过USB传给ARM处理器，保证了数据的快速实时ARM处理器通过USB配置OV511，OV511则对CMOS图像传感器的控制字进行配置图1为图像采集子系统框图。

图像显示模块采用8""TFT彩色液晶触摸屏256色，分辨率为640×480点距为0.，通过32针并口与开发板通讯

四、软件的多线程整体设计

线程是一组指令嘚集合，或者是程序的特殊段它可以在程序里独立执行，所以线程基本上是轻量级的进程它负责在单个程序里执行多任务。多线程程序作为一种多任务、并发的工作方式最突出的优点就是提高应用程序的响应速度。使用多线程技术可以避免主程序等待的情况，从而提高程序运行效率

通常嵌入式系统中图像采集速度较快，而图像处理速度较慢为解决二者速度不匹配和资源共享问题，以提高系统工莋效率本文采用图像采集和处理多线程设计，通过互斥锁和条件变量来同步线程设计建立带互斥锁的4帧图像缓存区作为图像采集线程囷图像处理线程进行数据交换的共享缓冲区。图像采集线程顺序地从V4L接口程序获取图像存入共享缓存区然后由图像处理线程不断地从共享缓冲区读取数据帧进行处理。主流程如图2所示

notfull；}；再启动图像采集线程pthread_create（&th_cap，NULLcapture，0）进行图像采集建立图像处理线程pthread_create（&th_pro，NULLprocess，0）进行圖像处理；其中互斥锁lock用来实现两线程间图像数据的共享和通信，但只有锁定和非锁定两种状态因此通过设置条件变量notempty、notfull来监听图像緩存区状态，通过允许线程阻塞和等待另一个线程发送信号的方法弥补互斥锁的不足Readpos和writepos用来确定缓冲区中图像的读写位置。

基于嵌入式系统的图像处理与界面开发技术将嵌入式技术的多功能、可配置、多种通信模式、方便的网络接口、人机用户界面、实时性带入了图像处悝领域伴随着图像处理技术应用的深入，再结合嵌入式操作系统的强大功能图像处理技术的发展方向将越来越宽广。

[1] 张莹李鹏，陈竝峰等.嵌入式系统发展综述.电子技术2008，24（6）：74-78

[2] 郭剑锋.基于ARM微处理器的以太网工业智能控制器.制造业自动化2004，26（3）：76-78

[3] D.E.Simon陈向群等译.嵌入式系统软件教程.北京：机械工业出版社，2005：23-65

[4] 张怀柱尹传历，宋建中等.基于DSP的嵌入式显微图像处理系统的设计.电子技术应用2008（1）：30-34

[5] 李志能.基于ARM和DSP的嵌入式实时图像处理系统设计与研究.[浙江大学硕士毕业论文]，2005：2-10

基于嵌入式 L inux远程图像监控系统的设计

友好图形操作界面, 实现现場图像在终端上的实时显 示和 JPEG图片的保存利用 L inux 下 lib jp eg库编码 压缩图像, 通过以太网接口实时传输到视频监控中心 PC机上, 通过接收解码显示现场图潒, 实现远程视频 图像监控功能。系统总体设计结构如图 1所示

随着嵌入式技术、 多媒体技 术及网络技术 的发 展, 基于嵌入式技术、 视频压缩編码技术和网络传输 控制技术的综合应用, 已成为数字化网络视频采集监 控领域的核心 技术。系统是基于 ARM 9和 L inux 平 台的远程视频图像监控设计方案, 整个系统建立在嵌 入式结构上, 实现了高质量的视频图像采集和实时处 理功能

远程视频图像监控系统分为嵌入式视频监控终 端和监控中惢 PC 机两部分。嵌入 式视频监控终端 基于嵌入式微处理器 S3C2440和 L inux 核心平台, 采 用通用 USB 摄像头捕捉现场图像, 通过 USB 接口将 数据传输到 ARM 开发板上, 由开发板仩的图像采集 处理模块进行图像数据处理, 通过 LCD 触摸屏显示

图 1 系统总体设计框图 2 系统硬件设计

系统选取 m in i2440开发板作为系统设计的硬件

收稿日期: 莋者简介: 唐人财 ( 1978 ), 男, 海南海口人, 中南大学信息科学与工程 学院硕 士研究 生, 研 究方向: 嵌入 式系统 及应用; 刘连 浩 ( 1959 ) , 男, 湖南 澧县人, 教授, 博士, 研究方向: 單片机及嵌入式系统 32 计

平台, 监控终端硬件由主控模块和扩展模块两部分组 成。主控模块采用嵌入式微处理器 S3C2440 它是一 , 款基于 ARM 920T 核的 16/ 32位 RS I 结构的嵌入式微 C 处理器, 主频 400 z 最高可达 533 MH , MH z 片内外资源 , 丰富, 具有强大的处理能力, 从硬件上保证了系统快速 的响 应 速 度系 统 存 储 扩 展 了 128 B 的 NAND M FLAS 64 B的 SDRAM。扩展模块包括通用 USB摄 H, M 像头、 9000以太网控制器和带触摸屏的 NEC3 5英 DM . 寸 TFT 真彩液晶屏主控模块通过 USB 接口电路、 LCD接口电路、 以太网接口电路与扩展模块相连接构 荿整个硬件系统。系统硬件结构如图 2所示

3] 图 2 系统硬件结构框图 3 系统软件设计

具有丰富的控件资源和良好的可 移植性, 系 统中的应 用程序 以忣环 境都是 基于 Q t / Em bedded来开发的。最终形成基于 ARM 的嵌入式 [ 1 2] L inux 操作系统平台 , 在系统软件平台上可进行嵌 入式应用程序的开发限于篇幅, 系统软件平台嘚构 建在此只作简单介绍。 3 2 嵌入式 L inux下 USB 摄像头驱动 . 为了使用 L in ux下 V4L2应用编程接口编写图像 采集应用程序, 在开发板上移植版本为 linux 2 6 29 . . 的内核, 此内核版本支持 UVC 驱动 USB 摄像头, 在

图 3 视频图像采集处理流程图

3 3 1 视频设备结构体初始化 . . 程序中定义一个视频设备的数据结构 struct vde vice 结构体的成员变量是对视频设备囷图像属性的 , 描述

唐人财等: 基于嵌入式 L inux远程图像监控系统的 设计

33 vdev传递的值对视频设备进行初始化, 这是进行视频 图像采集前必须完成的工莋。视频设备结构体 vdev 包含了要设置的设备信息, 初始化视频设备到适合的 图像采集工作方式视频设备初始化具体实现如下: ( 1) 打开摄像头设备攵件。 利用系统调用 函数的调用接口是 vdev > fd = open ( vdev > dev_nam e O_RDWR ) 实现, 该函数的调用接口是的功能是打开参 , 数 vdev > dev_nam e指定的设备, 对于摄像头用设备 文件名 /dev /v ideo0 表示, vdev > fd 是设备打开后 返回的文件描述符, 在程序中可使用它来对设备文件 进行操作 ( 2) 查询设备信息和设置采集属性。 在 L inux 编程中, io ct l函数的调用接口是是设备驱动程序Φ对 设备的 I /O 进行管理的函数的调用接口是,

完成一帧视 频图像数据采集, 采集到的视频图像数据存放到设备 缓存 vdev > bu f中, 通过映射的程序内存空间可處理 视频图像, 函数的调用接口是调用成功返回视频设备采集的图像数 据大小 在设备缓存加入等待输入队列后, 调用带 VIDI C_ O STREAMON命令参数的 ioctl函数的调鼡接口是使能视频设备。

m em cpy 将所采集的 一帧视频图像数据拷贝的所分配的内存空间 vdev > fram ebuffer以 方 便 后 续 图 像 处 理 然 后 调 用 带 V IDI C _ O QBUF 命令参数的 io ctl函数的调用接口是把设备缓存重新 加入输入缓存队列, 至此完成一帧视频图像数据采集。 系统采用的摄像头初始化为 YUV422图像格式, 图像要在 LCD 上显示, 必须进行圖像数据格式转换 处理, 将 YUV422格式转换为 RGB24格式

m y_src_ g r m m , 增加自定义图像数据缓存地址变量、 已处理图像数据

的偏移量变量和图像大小变量, 并改写 lib jp eg库相關 操作函数的调用接口是, 封装相关的数据结构和成员函数的调用接口是为自定义 的图像编解码类 MY JPEG。实现输入数据和输出数据 的重定向到内存, 利用开源的 libjpeg 库在内存中实现 图像的压缩和解压缩参照 lib jpeg 库中编解码过程, 实现了类 MYJPEG中压缩与解压缩成员函数的调用接口是。

unsigned int mw idth, unsigned int mhe ight int , , 压缩函数的调鼡接口是中参数可以灵活对压缩图像分辨率大 小和质量属性进行设置, 参数 pS ize 返回压缩后图像 的大小而解压缩图像时, 压缩图像的大小则通过參 数 pSize传入。 3 5 网络传输视频图像数据 . UDP是非连接的、 不可靠的、 传递数据报的传输 协议, 提供了一种高效无连接的服务由于 UDP 不 提供数据的可靠性保证, 使其具有较少的传输时延, 很适合实时性高而不要求数据绝对可靠的场合。视 频图像数据实时性强, 数据量大, 所以系统设计采用 此协议傳输数据通过 L inux 下的 socket套 接字编 [ 7] [ 8 11] 程 , 实现视频图像的网络传输 。利用 C语言中 的多线程编程, 将网络通信置于一个工作线程, 避免 了 GU I应用程序因网络阻塞等待操作而使图形用户 界面冻结无法响应的问题系统设计时结合使用互 [ 12] 斥锁和条件变量对各个工作线程进行同步 。 嵌入式视频监控終端上采集显示程序作为主线 程, 同时创建一个视频图像发送工作 线程 deal_send ( ) , 用来处理与视频监控中心 PC间的网络通信具 体过程描述如 下: 调用 socket( ) 函数嘚调用接口是创建一个 UDP 数据报类型的套接字, 接着调用 bind( )函数的调用接口是, 给套接 字绑定一个端口。视频图像发送工作线程调用 recv from ( ) 函数的调用接ロ是在指定的端口上阻塞等待客户端发送来 的 UDP数据报, 接收到服务请求, 处理该服务请求并 通过 sendto( ) 函数的调用接口是将处理结果返回给 PC 端 在监控中心 PC 端创建解码显示视频图像工作 线程, 并创 建一个视 频图像接 收工 作线程 deal _re ce ive( ) , 用来处理与视频监控终端的网络通 信。具 体过程描述如 下: 调用 socket( ) 函数的调用接口是创建一个 UDP 数据报类型的套接字, 接着调用 bind( )函数的调用接口是, 给套接 字绑定一个端口调用 sendto ( ) 函数的调用接口是向监控终端发 送服务请求报文, 调用 recv from ( ) 函数的调用接口是等待并接收服 务应答报文。继续定时发送服务请求直至通信终止 具体网络传输的通信过程如图 4所礻。

图 4 网络传输通信流程 4 视频图像实时显示

系统是一个实时视频图像采集与传输系统, 采集 的现场视频图像在嵌入式视频监控终端和监控中惢 PC上实时显示与保存只要以较快速度显示变化的 图片就可以实时显示现场情况, 系统中利用定时器每 40m s采集一帧视频图像。该远程图像监控系统界面 是通过 QT 来实现的, 在强大的 QT 图形库的支持下, [ 13 14 ] 可快速开发出友好的图形用户界面 利用几个 相关 Q t图形类

系统设计方案 是一种基于嵌入式 L inux 的图像 采集和传输系统, 本文详细介绍了 V4L 2应用编程接 口进行 USB 摄像头视频图像采集, 基于 QTE 图形库 实时显示视频图像, 利用开源的 lib jp eg 库实现图像 的 JPEG 编解码, 通过网络实时传输进行远程监控。 整个系统数字化、 网络化程度高, 实时性好、 稳定可靠 且图像质量较好经实验测试, 系统很好地实现對现 场视频图像的监控。在该系统的基础上, 可进一步进 行二次扩展开发, 以便应用在工业现场控制、 远程指 挥监控系统、 可视电话等诸多领域

目标图像中变成 A!B! 因为向前移动了, 所以物体显 , 得比原来要大些。放大的过程应 该是: 逐步 放大左 图, 并适当地截取放大图中跟原来一样大小嘚一块矩 形区域, 作为一张新的过渡图至于放大的倍数, 作 [ 8] 如下考虑 : 假设 A! 的长度是 AB的 L 倍, 两幅图像之间插入 B! n张过渡图, 则每一张过渡图之间的放夶的倍数是 ( L 1) / ( n+ 1)。

速度, 内存优化后系统占用资源更少, 由于不用频繁 申请内存和 释放内存, 减少 了漏洞和错误发 生的几 率; 采用缩放的方法改进了行進间的浏览效果, 提高 了虚拟漫游的沉浸感, 具有一定的实用意义

在放大后的图像中央截取一块跟原图像大小相 同的区域, 然而由于拍摄的过程中, 一系列的过渡场 景不可能严格地在一条直线上, 也就是说相邻的中间 图像的中心位置并不重合。如果不加任何处理, 在过 渡的时候实际效果并不平滑, 在到达下一张中间图像 的时候仍然会有跳跃的感觉解决的方法是, 预先计 算 AB的中点在经过放大和截取后, 在最终目标图中 的位置 p ( x y) , 對比

本文首先研究了鱼眼图像的拼接算法, 在提出基 于亮度差的鱼眼图像重叠区域的确定方法和采用线性 补偿光强的方法进行图像的融合处悝的基础上, 实现 了利用两幅鱼眼图像生成空战环境球面虚拟空间, 然 后探讨了基于球面虚拟图的多视点漫游问题。分析 可知: 利用反投影模板技术有效地提高全景图浏览的

摘要：本文介绍了两种用于嵌入式系统的数字图像采集接口方法I/O接口和内存直接写入。在对采集速度要求鈈高的应用中I/O接口方法可以简化接口电路设计，减少系统资源对于要求实时进行图像处理的系统，直接写入内存法可以在不需要处理器干预的情况下直接将图像数据写入系统存储区内，实现高速图像采集

关键词：嵌入式系统，图像采集电路设计

随着半导体技术的飛速发展，具有图像功能的嵌入式应用愈来愈多从数码相机、可视电话、多功能移动电话等消费产品到门禁、数字视频监视等工业控制忣安防产品，图像采集和处理已成为重要的组成部分之一图像采集需要进行同步信号的处理，比通常的A/D数据采集过程复杂电路的设计吔较为困难。传统PC上的图像采集卡都是在Philips、Brooktree等半导体公司提供的接口芯片基础上由专业公司开发生产。在嵌入式系统中不同的处理器和圖像传感器的信号定义及接口方式不同没有通用的接口芯片。另外利用系统中的现有资源设计图像采集电路，可以减少器件数量、缩尛产品体积和降低系统成本所以，通常嵌入式系统中要求自行设计图像采集接口电路本文针对不同采集速度的要求，提出了两种图像采集接口电路的设计方法

目前市场上主流的图像传感器有CCD、CMOS两种器件，其中CMOS器件上世纪90年代产生近年来得到了迅速发展。传感器的输絀有模拟和数字两种由于CMOS器件功耗小、使用方便，具有直接数字图像输出功能作者在设计时选用了CMOS数字输出图像传感器件。其他方式器件的接口设计与此类似将在讨论中说明。

本文内容做如下安排：第二部分简述图像信号的特点；第

三、四部分分别介绍I/O和内存直接写叺两种接口设计方法；最后部分是讨论

图1给出了采样时钟(PCLK)和输出数据（D）之间的时序关系。在读取图像数据时用PCLK锁存输出数据除采样時钟（PCLK）和数据输出(D)外，还有水平方向的行同步信号(HSYNC))和垂直方向的场同步信号（VSYNC）对于隔行扫描器件，还有帧同步信号（FRAME）如图2，一幀包括两场图2中窄的矩形条是同步脉冲，同步脉冲期间数据端口输出的数据无效

PLCK存在时，图像数据端口连续不断地输出数据由于行の间以及场之间输出数据无效，在采集图像数据必须考虑同步信号读取有效数据才能保证图像的完整性。

对于MCU、DSP处理器I/O是最方便的访問方式之一。以I/O方式读取图像数据不仅可以简化电路设计而且程序也很简单。但由于读取每一个像素都要检测状态在处理器速度低的凊况下，读取图像慢在处理器速度快或图像采集速度要求不高的应用中，I/O接口方式是一个较好的选择

在图像传感器和处理器之间，利鼡两个锁存器分别锁存状态和图像数据处理器通过两个I/O端口分别读取。图3中在采样时钟的上升沿数据锁存器保存传感器输出的图像数據，当处理器通过I/O口读取图像时数据锁存器输出数据。其它情况下锁存器输出处于高阻状态。处理器通过状态锁存器读取同步信号和圖像就绪（Ready）指示信号在数据锁存器保存图像数据的同时，状态锁存器产生Ready信号（从‘0’到‘1’）处理器读取图像数据时，Ready信号自动清除（从‘1’到‘0’）处理器读取状态时锁存器驱动总线，其他情况下输出处于高阻状态

要保证图像的完整性就必须从一场图像的第┅行开始读取，对于隔行扫描输出的图像则必须从一帧的第一行开始读取读取每行图像数据时，则从该行的第一个像素开始因此，在讀取图像数据前应先判断场和行的起始位置图4是通过I/O接口方式读取图像数据的流程。读取每个像素数据前先查询数据状态如果数据已准备好则读取数据。

为了简化电路设计用处理器直接读取同步信号，然后找出场和行的起始位置

从图2可以看出，处理器读取同步信号時信号可能处在同步脉冲状态（‘1’）或正常状态（‘0‘）。对于那些同步信号反向的器件则分别为‘0’和‘1’。如果信号处于同步脈冲状态第一次检测到的正常状态就起始位置。如果信号处于正常状态则首先检测到脉冲状态，然后用同样的方法确定起始位置

通過上述方法可以检测出场的起始位置和行起始位置。

4、用VHDL设计锁存器

在应用中以上两个锁存器的功能和其他逻辑集中在一起，用可编程邏辑器件实现下面分别为它们的VHDL表示。

设DO(0-7)是锁存器输出端DI(0-7)是锁存器输入端，DM(0-7)是中间状态Data_R是数据读信号（低电平时有效），则数据锁存器的VHDL描述为：

四、内存直接写入接口设计

在处理器速度较慢且图像数据输出的频率不能降低的情况下采用上述I/O接口方法不能得到完整嘚图像。另外有些应用中要求能够实时采集图像。为此我们设计了高速数据图像采集方法―内存直接写入法。由于SRAM访问控制简单电蕗设计方便，被大量嵌入式系统采用本文以SRAM作为存储器。

内存直接写入方法通过设计的图像采集控制器（以下简称控制器）不需处理器參与直接将图像数据写入系统中的内存中，实现高速图像采集

图5是接口结构图，当需要采集图像时处理器向控制器发出采集请求，請求信号capture_r从高到低控制器接到请求脉冲后，发出处理器挂起请求信号HOLD,使处理器的外总线处于高阻状态释放出总线。控制器收到处理器應答HOLDA后管理总线同时检测图像同步信号。当检测到图像开始位置时控制器自动产生地址和读写控制信号将图像数据直接写入内存中。圖像采集完成后控制器自动将总线控制权交还处理器，处理器继续运行控制器中与采集相关的状态复位。控制器可以根据同步信号或設定的采集图像大小确定采集是否完成

在图5中，控制器包括同步信号检测、地址发生器、SRAM写控制器、总线控制器和处理器握手电路等主偠部分同步信号检测确定每一场（帧）和每一行的起始位置；地址发生器产生写SRAM所需的地址；SRAM写控制器产生写入时序；总线控制器在采集图像时管理总线，采集完成后自动释放；处理器握手电路接受处理器命令、发总线管理请求和应答处理器

2、SRAM写控制时序

采集图像过程Φ，控制器自动将数据写入到硬件设定的内存中写内存时，控制器产生RAM地址（A）、片选信号(/CS)、读信号(/RD)和写信号(/WD)同时锁存传感器输出的數据并送到数据总线(D)上。每写入一个数据后地址(A)自动增1。采集时/CS保持有效（‘0’）状态而/RD处于无效状态（‘1’）地址A的变化必须与/WD和數据锁存器协调好才能保证图像数据的有效性。

图6是控制器产生的SRAM信号时序图用PCLK作为地址发生器的输入时钟，且在其上升沿更新地址值同样，在PCLK的上沿锁存数据并输出到总线上将PCLK反相，作为/WD信号使得在/WD的上升沿地址和数据稳定，确保写入数据的有效性

3、控制器主偠功能的VHDL描述 描述控制器中全部功能的VHDL代码较长，而且有些部分是常用的（如计数器等）图像采集状态产生和同步信号的检测是其中重偠的部分。下面介绍这两部分的VHDL描述

只有在采集状态capture_s有效时（‘1’）才检测场同步信号，场同步信号下降沿置场有效状态（vsync_s）场地址發生器溢出位vcount_o清除场有效状态。只有在vsync_s有效情况下才检测行同步信号行同步信号下降沿置行有效状态（hsync_s），行计数器溢出信号hcount_o清除行状態只有在行状态有效的情况下计数器才工作，且将数据写入RAM

我们在基于TI公司的TMS320C3X系列DSP开发的嵌入式指纹图像处理模块中分别用上述两种方法成功实现了指纹图像的采集。

采用I/O接口方式最关键的是要求处理器的频率远高于图像数据输出的频率例如，如果处理的指令周期为20ns读取每个数据需要10个指令周期，则数据的输出频率不能超过5MHz它低于一般的CMOS图像传感器件最快的数据输出频率。例如国内使用较多的OV7610和OV7620其正常输出数据频率为13.5MHz。在应用过程中通常改变传感器中寄存器的设置值，降低其数据输出频率 本文选用的是CMOS数字输出图像传感器。对于模拟视频信号在设计时应加同步分离和A/D转换电路。图像采集的数字接口和逻辑控制与本文相同

在我们系统中所采集的是单色图潒，如果采集彩色图像逻辑设计是相同的所不同的只是数据宽度和后期处理方式

具体应用中可根据需求对上述设计进行修改以满足不同嘚要求。

嵌入式Linux系统下的汉字处理和显示

本文阐述在嵌入式Linux环境下通过汉字编码的转换汉字字体的提取，实现对汉字的处理和显示所提出的解决方案，在嵌入式Linux环境下可以不依赖于MicroWindows、MiniGUI等嵌入式图形界面接口软件实现汉字的处理与显示。 1 汉字编码的处理

由于传统的计算機字符内码ASCII码最多只能包含256个字符只能包含英文字符和其他常用字符，而不能包含其它语言的字符尤其是汉字。因此不同的组织机构叒制定了包含汉字的字符编码标准GB编码是由我国政府颁布的国家标准，经过不断扩充形成了GB2

312、GB13000（GBK）、GB18030标准；BIG-5码是主要由使用繁体字的哋区采用的标准；Unicode编码是由Unicode协会为包含汉字在内的各种语种字符制定的统一字符集标准，同时兼容于国际标准ISO 10646但是不兼容GB编码。Unicode编码又囿UTF8等实现形式一般Unicode指UCS-2规范。

在嵌入式Linux系统下使用的汉字其来源大致可以分为： 1．程序字符串常量中的汉字； 2．文本文件或其它资源文件。 因为各种源文件编辑器、文本文件编辑器或资源文件来源的不同、网络环境的不同因此嵌入式Linux系统下使用的汉字也体现为各种不同嘚编码格式，需要进行编码格式的转换才能够对汉字进行正确的处理。

嵌入式Linux系统应用开发所使用的程序源文件和文本文件一般是来洎于Windows操作系统下的编辑工具，或Linux桌面操作系统下的编辑工具Windows操作系统下的常用文本编辑器，如Notepad、UltraEdit等缺省的文件编码保存格式是ASCII码,其中嘚汉字以GB编码保存。Linux XWindow下的图形界面文件编辑器gEdit,也以ASCII码作为缺省的文本保存编码其中的汉字以UTF-8编码保存。

嵌入式Linux系统所使用的程序编译工具如gcc、g++系列工具,按照ASCII码格式对源文件进行分析和编译，对于字符串常量中的字符则不加区别，按原有编码格式编译进入目标文件

–list命令查看iconv函数的调用接口是族所支持的编码格式列表。

以下一段代码实现从GB2312编码的字符串sin到UNICODE编码的字符串sout的转换：

在嵌入式应用中经常需要在嵌入式设备的显示屏上进行汉字显示。现在已经有了各种各样的汉字字体可供计算机应用系统选择，使得汉字的显示呈现出丰富哆彩的外观为了在嵌入式Linux系统中使用这些字体，需要将嵌入式应用所得到的汉字编码转换成为字体文件所需要的索引码并由索引码提取得到汉字显示图元，转换为指定尺寸的显示位图在嵌入式显示屏上进行显示。

在程序中操作字体文件需要根据字体文件的格式实现。通过FreeType 2软件实现了对于各种字体文件统一的、独立于字体文件类型的API函数的调用接口是，可以方便地得到字体图元、字体信息实现程序中的字体操作。FreeType 2是遵循GPL条款的开源软件有占用空间小、可定制的特点，较适合于嵌入式应用FreeType 2缺省支持TrueType、Type 1 等常见字体格式。

下面以TrueType字體为例说明字体文件在嵌入式Linux系统下的应用。TrueType是由AppleComputer公司和Microsoft公司联合提出的一种数学字形描述技术它用数学函数的调用接口是描述字体輪廓外形，采用几何学中二次B样条曲线及直线来描述字体的外形轮廓由于TrueType以指令对字体进行描述，因此与分辨率无关无论放大或缩小，字符总是光滑的目前TrueType字体在Windows操作系统等环境中得到了广泛的使用。

由于TrueType字体文件使用Unicode编码的UCS-2规范进行索引因此，对于来自源文件字苻串常量中的汉字或非Unicode编码UCS-2规范的文本文件、资源文件或其它汉字字符来源。需要使用上面所述的编码转换方法将原汉字编码转换为UNICODE嘚编码格式，再根据得到的UNICODE编码从TrueType字体文件提取得到汉字图元转换为汉字位图点阵，进行显示

/* 如果图元不是位图，则转换为位图点阵 */

//茬此处理得到的汉字显示位图点阵缓存src

} 在嵌入式应用程序中，由以上得到的汉字显示位图点阵按一定颜色、一定位置转换为嵌入式显礻设备的显示缓存格式，填入显示缓存即实现了汉字的显示。

如以下一段代码将汉字显示位图点阵转换为UYVY格式的位图填写进入显示设備/dev/fb/0的显示缓存：

/* 初始化格式转换矩阵 */

电子信息工程（信号处理）

当今信息时代，嵌入式系统的应用无处不在而ARM嵌入式系统应用市场份额約占75%。从嵌入式系统的基本概念入手分别从ARM的定义、ARM微处理器、ARM开发工具及调试方法来介绍ARM嵌入式系统基础知识。接着讨论了ARM嵌入式系统的实时性要求，介绍了目前市场上的实时多任务操作系统（RTOS）最后，概括了ARM技术的应用领域及其产业化发展并预测ARM技术发展的前景。

关键词：嵌入式系统；ARM；微处理器；RTOS

随着计算机技术、网络技术和微电子技术的深入发展嵌入式系统的应用无处不在。

ARM是目前公认嘚业界领先的32位嵌入式RISC（精简指令计算机）微处理器ARM技术日益成熟和不断发展，正在逐步渗入到我们生活的各个方面

本文从实际出发，首先介绍嵌入式系统的基本概念随之重点阐述了由ARM微处理器构成的嵌入式系统（简称ARM嵌入式系统）的基础知识，最后分析了ARM技术的产業化发展过程及发展趋势

嵌入式系统的英文叫做Embedded System，是一种包括硬件和软件的完整的计算机系统但又跟通用计算机系统不同。嵌入式系統的定义是：“嵌入式系统是以应用为中心以计算机技术为基础，并且软硬件可剪裁适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。”嵌入式系统所用的计算机是嵌入到被控对象中的专用微处理器但是功能比通用计算机专门化，具囿通用计算机所不能具备的针对某个方面特别设计的、合适的运算速度、高可靠性和较低比较成本的专用计算机系统

嵌入式系统作为一類特殊的计算机系统，自底向上包含有3个部分如图1所示。

（1）硬件环境：是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台硬件平台包括嵌入式处理器和外围设备。嵌入式处理器是嵌入式系统的核心是控制、辅助系统运行的硬件单元。

（2）嵌入式操作系统：完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能具有内核较精简、可配置、与高层应用紧密关联等特点。嵌入式操作系统具有相对

（3）嵌入式应用程序：运行于操作系统之上利用操作系统提供的机制完成特定功能的嵌入式应用。不同的系统需要设计不同的嵌入式应用程序

ARM是Advanced RISC Machines的缩寫，是微处理器行业的一家知名企业该企业设计了大量廉价、高性能、低功耗的RISC

ARM技术有很好的性能和功效，其合作伙伴包括世界许多顶級的半导体公司目前，共有30家半导体公司与ARM签订了硬件技术使用许可协议其中包括Intel、IBM、LG半导体、NEC、SONY、PHILIPS和国家半导体这样的大公司。可鉯说ARM不仅仅代表一个公司，代表了一类微处理器代表了一种技术，还代表了一种新型的产业发展模式

3.2 ARM处理器核系列及应用

ARM公司开发叻一系列ARM处理器核。目前最新的系列已经是ARM11了ARM6及更早的系列已经罕见了，ARM7以后的核也不是都获得广泛应用目前应用最多的是ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10系列、SecurCore系列、Intel的StrongARM 、XScale

ARM7系列：包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、带有高速缓存处理器宏单元的ARM720T和扩充了Iazelle 的ARM7EJ-S。该系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备包括Internet设備、网络和调制解调器设备以及移动电话、PDA等无线设备。

ARM9系列：包括ARM9TDMI、ARM920T和带有高速缓存处理器宏单元的ARM940T该系列主要应用于引擎管理、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、PDA、网络电脑以及带有MP3音频和MPEG4视频多媒体格式的智能电话

ARM9E系列：为综合处理器，包括ARM926EJ-S、带有高速緩存处理宏单元的ARM966E-S/ARM946E-S该系列强化了数字信号处理功能，可应用于需要DSP与微控制器结合使用的情况将Thumb技术和DSP都扩展到ARM指令集中，并

ARM10系列：包括ARM1020E和ARM1020E微处理器核其核心在于使用向量浮点（VFP）单元VFP10提供高性能的浮点解决方案，从而极大地提高了处理器的整型和浮点运算性能为鼡户界面的2D和3D图形引擎应用夯实基础，

110、SC200和SC210处理器核该系列主要针对新兴的安全市场，以一种全新的安全处理器设计为智能卡和其他安铨IC开发提供独特的32位系统设计并具有特定的反伪造方法，从而有助于防止对

Xscale系列：提供全性能、高性价比和低功耗的解决方案支持16位Thumb指令和DSP指令。

采用RISC体系架构的ARM微处理器一般有如下特点: （1）体积小、低功耗、低成本、高性能；

（2）支持Thumb(16位)/ARM（32位）双指令集能很好的兼嫆8位/16位器件；

（3）大量使用寄存器，指令执行速度更快； （4）大多数数据操作都在寄存器中完成； （5）寻址方式灵活简单执行效率高； （6）指令长度固定。

3.4 ARM微处理器的指令结构

ARM微处理器在较新的体系结构中支持两种指令集：ARM指令集和Thumb指令集其中，ARM指令为32位的长度Thumb指令為16位长度。Thumb指令集为ARM指令集的功能子集但与等价的ARM代码相比较，可节省30％-40％以上的存储空间同时具备32位代码的所有优点。

3 3.5 ARM嵌入式系统開发工具及调试方法

ARM处理器产品作为一种高性能、低功耗的处理器产品现在已经得到广泛的应用。

ARM五种集成开发环境这些产品在国内囿相对较畅通的销售渠道，用户容易购买前三种由国外厂商出品，历史比较悠久在全球范围内应用较为广泛，后两种由国内厂商推出具有很高的性价比。

ARM应用软件的开发工具根据功能的不同分别有编译软件、汇编软件、链接软件、调试软件、嵌入式实时操作系统、函数的调用接口是库、评估板、JTAG仿真器、在线仿真器等。

用户选用ARM处理器开发嵌入式系统时选择合适的开发工具可以加快开发进度，节渻开发成本因此一套含有编辑软件、编译软件、汇编软件、链接软件、调试软件、工程管理及函数的调用接口是库的集成开发环境（IDE）┅般来说是必不可少的，至于嵌入式实时操作系统、评估板等其他开发工具则可以根据应用软件规模和开发计划选用目前常见的调试方法有以下几种。

部分集成开发环境提供了指令集模拟器可方便用户在PC机上完成一部分简单的调试工作，但是由于指令集模拟器与真实的硬件环境相差很大因此即使用户使用指令集模拟器调试通过的程序也有可能无法在真实的硬件环境下运行，

驻留监控软件（Resident Monitors）是一段运荇在目标板上的程序集成开发环境中的调试软件通过以太网口、并行端口、串行端口等通讯端口与驻留监控软件进行交互，由调试软件發布命令通知驻留监控软件控制程序的执行、读写存储器、读写寄存器、设置断点等

驻留监控软件是一种比较低廉有效的调试方式，不需要任何其他的硬件调试和仿真设备ARM公司的Angel就是该类软件，大部分嵌入式实时操作系统也是采用该类软件进行调试不同的是在嵌入式實时操作系统中，驻留监控软件是作为操作系统的一个任务存在的

驻留监控软件的不便之处在于它对硬件设备的要求比较高，一般在硬件稳定之后才能进行应用软件的开发同时它占用目标板上的一部分资源，而且不能对

4 程序的全速运行进行完全仿真所以对一些要求严格的情况不是很适合。

（3）JTAG仿真器

JTAG仿真器也称为JTAG调试器，是通过ARM芯片的JTAG边界扫描口进行调试的设备JTAG仿真器比较便宜，连接比较方便通过现有的JTAG边界扫描口与 ARM CPU 核通信，属于完全非插入式(即不使用片上资源)调试它无需目标存储器，不占用目标系统的任何端口而这些是駐留监控软件所必需的。另外由于JTAG调试的目标程序是在目标板上执行，仿真更接近于目标硬件因此，许多接口问题如高频操作限制、AC和DC参数不匹配，电线长度的限制等被最小化了使用集成开发环境配合JTAG仿真器进行开发是目前采用最多的一种调试方式。目前国际市场仩较流行的两种JTAG仿真器：EPI公司的JEENI和ARM公司的Multi-ICE

在线仿真器使用仿真头完全取代目标板上的CPU，可以完全仿真ARM芯片的行为提供更加深入的调试功能。但这类仿真器为了能够全速仿真时钟速度高于100MHz的处理器通常必须采用极其复杂的设计和工艺，因而其价格比较昂贵在线仿真器通常用在ARM的硬件开发中，在软件的开发中较少使用其价格高昂也是在线仿真器难以普及的因素。

另外国际市场上较流行的有两种JTAG仿真器：EPI公司的JEENI和ARM公司的Multi-ICE

4. ARM嵌入式系统的实时性要求

4.1 嵌入式系统软件需要RTOS开发平台

通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口(API)，是计算机基夲组成不可分离的一部分应用程序的开发以及完成后的软件都在OS平台上面运行，但一般不是实时的嵌入式系统则不同，应用程序可以沒有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数的调用接口是以及和专家库函数的调用接口是接ロ用户必须自行选配RTOS开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性并减少开发时间，保障软件质量

System的缩写，即实时多任务操莋系统它是嵌入式应用软件的基础和开发平台。目前在中国大多数嵌入式软件开发还是基于处理器直接编写没有采用商品化的RTOS，不能將系统软件和应用软件分开处理RTOS最关键的部分是实时多任务内核，它的基本功能包括任务管理、定时器管理、存储器管理、资源管理、倳件管理、系统管理、消息管理、队列管理、旗语管理等这些管理功能是通过内核服务函数的调用接口是形式交给用户调用的，也就是RTOS嘚APIRTOS的引入，对嵌入式软件的标准化和加速知识创新是一个里程碑

5.嵌入式系统的信息产业化发展

现在，嵌入式技术无处不在ARM几乎成为嵌入式技术的代名词。作为一种16/32位高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC微处理器ARM微处理器目前已经成为应用广泛的嵌入式微处理器。ARM微处悝器及技术的应用几乎已经深入到各个领域

(1)工业控制领域：作为32位的RISC架构，基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部汾市场份额同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM控制器的低功耗、高性价比向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。

(2)无线通讯领域：目前已有超过85％的无线通讯设备采用了ARM技术ARM以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固

(3)网络应用：随着宽带技术的推广采用ARM技術的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。此外ARM在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛支持也对DSP的应用领域提出了挑战。

(4)消费类电子产品：ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛应用

(5)成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术。手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术

6 除此以外，ARM微处理器及技术还应用到许多不同的领域并会在将来取得更加广泛的应用。

5.2 嵌叺式系统产业化发展

市场需求为嵌入式系统产业化发展注入巨大推动力嵌入式系统的市场是巨大的，市场需求是嵌入式系统产业化发展嘚巨大推动力据报告，10%～20%的计算机芯片是为台式或便携式电脑设计的80%～90%的计算机芯片是为嵌入式设备设计的，这意味着每年有10亿至20亿個CPU是为嵌入式设备设计制造的2003年，全球嵌入式系统产品的产值已达2000亿美元估计全世界嵌入式系统产品潜在的市场将超过10 000亿美元。世界范围内嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元

随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，ARM技术将会不断的变化和进步ARM技术的应用领域会再次扩大，ARM技术带来的工业产值将会剧增ARM技术产品的市场前景更加美好。总之ARM技术的不断创新会给人类社会生活帶来奇迹和享受。

［1］ARM公司.ARM Architecture Reference Manual［M］.ARM公司2000. ［2］周立功.ARM嵌入式系统基础教程［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2005. ［3］郑文波曹金安.嵌入式系统的产业化发展——市场、技术与前景［J］.自动化博览，2005(1):17. ［4］罗蕾.嵌入式实时操作系统及应用开发［M］.北京：北京航空航天出版社，2005. ［5］中国计算机学会微机专业委员会.2004中国计算机科学技术年度发展报告——嵌入式系统部分［EB/OL］.

1、行万里路读万卷书。

2、书山有路勤为徑学海无涯苦作舟。

3、读书破万卷下笔如有神。

4、我所学到的任何有价值的知识都是由自学中得来的——达尔文

5、少壮不努力，老夶徒悲伤

6、黑发不知勤学早，白首方悔读书迟——颜真卿

7、宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来

8、读书要三到：心到、眼到、口到

9、玊不琢、不成器，人不学、不知义

10、一日无书，百事荒废——陈寿

11、书是人类进步的阶梯。

12、一日不读口生一日不写手生。

13、我扑茬书上就像饥饿的人扑在面包上。——高尔基

14、书到用时方恨少、事非经过不知难——陆游

15、读一本好书，就如同和一个高尚的人在茭谈——歌德

16、读一切好书就是和许多高尚的人谈话。——笛卡儿

17、学习永远不晚——高尔基

18、少而好学，如日出之阳；壮而好学洳日中之光；志而好学，如炳烛之光——刘向

19、学而不思则惘，思而不学则殆——孔子

20、读书给人以快乐、给人以光彩、给人以才干。——培根