一種嵌入式遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)終端的系統(tǒng)軟件設計

周 鵬

(撫順職業(yè)技術學院機械與電子工程系，遼寧 撫順 113122)

0 引言

在進行嵌入式系統(tǒng)設計的過程中，系統(tǒng)軟件[1]是構(gòu)成各種應用功能的重要環(huán)節(jié)，若嵌入式系統(tǒng)沒有操作系統(tǒng)的植入，將無法實現(xiàn)更強大的功能。所以，當視頻監(jiān)控系統(tǒng)的功能變得復雜時，則需要各種軟件的配合及任務處理，如果依靠采用高性能的處理器來提升性能，依然無法實現(xiàn)多任務的協(xié)調(diào)，因此必須將嵌入式操作系統(tǒng)移植到處理器中。有了嵌入式操作系統(tǒng)的幫助，后期的硬件驅(qū)動開發(fā)、應用軟件設計會變得十分輕松和便捷。視頻監(jiān)控系統(tǒng)終端是一個需要完成多項任務的嵌入式系統(tǒng)，它需要系統(tǒng)軟件來提供支撐，完成各種監(jiān)控任務和信息的處理。因此本文主要討論系統(tǒng)啟動代碼的設計、嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核的實時性改造及其性能的測試。

1 系統(tǒng)啟動代碼的設計

系統(tǒng)啟動代碼(boot loader)是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一個重要環(huán)節(jié)，它把操作系統(tǒng)和硬件平臺銜接起來，對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的后繼軟件開發(fā)十分重要。系統(tǒng)啟動代碼是在操作系統(tǒng)內(nèi)核之前運行的一段啟動程序[2]，利用這部分程序，可以檢測啟動外圍設備、構(gòu)建存儲空間的對應關系，實現(xiàn)設備的軟硬件協(xié)同配合，讓整個系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)，為后續(xù)啟用操作系統(tǒng)做好準備。系統(tǒng)啟動代碼的設計需要花費大量的精力，它是整個系統(tǒng)啟動的首要條件。

系統(tǒng)啟動代碼的設計種類很多，這是由嵌入式系統(tǒng)所采用的微處理器結(jié)構(gòu)決定的，且它與外設關聯(lián)緊密，即使是基于同一種處理器構(gòu)建的不同開發(fā)板，由于使用的擴展接口、功能設備不同，往往也需要重新進行啟動代碼的設計與移植操作。我們無法建立一個能為所有嵌入式系統(tǒng)服務的啟動代碼，所以本文主要設計一個用于遠程視頻監(jiān)控終端的，即以S3C2440微處理器為核心的系統(tǒng)啟動代碼。

1.1 U-Boot的移植操作

本文采用U-Boot-1.3.3的版本進行啟動代碼設計，所需工作就是在U-Boot-1.3.3中添加監(jiān)控設備使用的硬件資源配置文件、操作選項，隨后進行編譯處理[3]。在準備進行移植操作之前，需要了解當前版本的U-Boot是否支持設計所用的硬件設備，如所使用的處理器體系結(jié)構(gòu)是否一致，各種I/O端口、通信借口是否相同，然后再修改U-Boot-1.3.3相關代碼。本文將使用smdk2410源代碼為示例進行代碼修改，使其能夠驅(qū)動遠程視頻監(jiān)控終端使用的硬件設備。

1.2 目標文件的生成

當對源代碼修改完畢后，進入U-Boot目錄下依次運行以下命令：

make clobber

make clean

make smdk2440_config

make

之后會生成5個文件：U-Boot；U-Boot.bin；U-Boot.srec；U-Boot.map；System.map，通過JTAG將二進制文件U-Boot.bin燒入Flash中即可。

2 嵌入式Linux內(nèi)核的實時性改進

Linux操作系統(tǒng)的是一種開源操作系統(tǒng)，在使用時可以對其根據(jù)實際的需求進行裁剪和修改，使其成為符合自己設計所需的嵌入式操作系統(tǒng)。但由于該系統(tǒng)是一種面向多任務服務的操作系統(tǒng)，因此它的實時性較差，為了讓它能夠應用在遠程監(jiān)控終端上，就必須對其進行實時性改造[4]。下面本文針對Linux 2.6.26內(nèi)核對其進行實時性改進。

2.1 Linux 2.6.26內(nèi)核的優(yōu)點與不足

Linux 2.6.26內(nèi)核主要改善了內(nèi)核虛擬機支持，增加了OLPC支持，更新了攝像頭驅(qū)動等。它在很多具體的嵌入式應用中也完成了多項改進，如自身內(nèi)核可搶占特性等，在Linux 2.6.26之前的內(nèi)核版本中，當操作系統(tǒng)執(zhí)行與內(nèi)核有關的事件時，其無法實現(xiàn)中斷，經(jīng)過修改后內(nèi)核的互聯(lián)及響應得到了大大的提升；輸入、輸出端口系統(tǒng)也實現(xiàn)了性能的改善，因此它可以在所有的工作任務中均具有一定的響應特性。在Linux 2.6.26的內(nèi)核中，部分核心程序在執(zhí)行時會自動停止中斷的處理模式，因此可以使進程快速地完成自己的處理任務。它實現(xiàn)了在響應外部設備中斷時不會重復進入內(nèi)核，這段時間外部設備過來的所有中斷信息是不能響應的，這樣就會有中斷響應延遲的存在。

2.2 Linux 2.6.26內(nèi)核的實時性改進

為了解決上述問題，本文采用中斷線程化[5]來進行有效的處理。

1)Linux 2.6.26的內(nèi)核中斷在沒有被改進之前它的應答方式為：首先操作系統(tǒng)形成中斷，處理器在中斷控制器中得到中斷向量，隨后在中斷向量表中查找相應的中斷向量。在沒有進入中斷處理程序之前，CUP需要對其進行權(quán)限的比對，即檢查是否有權(quán)限進入服務程序。

2)Linux 2.6.26使用kthread_create()函數(shù)進行系統(tǒng)內(nèi)核的線程建立，由于該線程運行的位置處于內(nèi)核空間，所以在調(diào)用時無需在用戶與內(nèi)核空間進行轉(zhuǎn)換，這樣其執(zhí)行的效果更好。通過建立中斷線程并形成中斷處理來實現(xiàn)中斷的線程化。利用kthread_create()函數(shù)在操作系統(tǒng)進行初始化運行時建立中斷線程。同時設定中斷的優(yōu)先級，最高實時優(yōu)先級為50，依次類推直到25，因此任何IRQ線程的最低實時優(yōu)先級為25。

3)標準Linux 2.6.26內(nèi)核的中斷響應過程如上所述，可知任何的中斷均是以中斷處理程序進入到common_interrupt函數(shù)中的，通過在common_interrupt函數(shù)中放入相關程序，如SAVE_ALL，call do_IRQ_JUDGE，jmp ret_from_intr來進行改進，使得中斷發(fā)生后首先轉(zhuǎn)入do_IRQ_JUDGE。

這種改進是通過一個中斷服務進程來為所有的中斷服務，這樣就在一定程度上節(jié)省了系統(tǒng)資源。

3 改進后的內(nèi)核實時性能測試

對Linux 2.6.26內(nèi)核進行了實時性改進后，需要對其進行測試來確定其是否符合應用的需要。實時性能測試為測試內(nèi)核的中斷響應時間。

中斷響應時間為設備硬件發(fā)生中斷時到系統(tǒng)執(zhí)行中斷處理程序初始指令所需的時間。實時性測試的過程為：利用在不同時間登錄定時器計數(shù)據(jù)的方式來完成測試。系統(tǒng)檢測到外設中斷后立即登錄定時器內(nèi)數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)調(diào)用中斷處理程序后并執(zhí)行初始化程序開始時再登錄取定時計數(shù)據(jù)，將以上定時器的登錄數(shù)據(jù)進行相減得到的數(shù)值就是中斷相應時間。本文采用Linux Trace Toolkit工具進行測試，它能夠根據(jù)實際系統(tǒng)的設計及相應的時間設定來記錄固定時間的數(shù)據(jù)處理，性能測試良好是檢測嵌入式操作系統(tǒng)實時性能的有力工具。通過測試，得到平均中斷響應時間的測試結(jié)果(見表1)。

表1 三種內(nèi)核平均中斷響應時間測試結(jié)果

通過測試結(jié)果可以看出，將標準Linux 2.6.26內(nèi)核的中斷設置進行修改之后，對比3種不同內(nèi)核的平均中斷相應時間，改進后的系統(tǒng)響應時間明顯提升，達到了預期效果。

4 結(jié)語

本文首先設計了系統(tǒng)的啟動代碼；接著對嵌入式Linux 2.6.26的內(nèi)核進行了實時性改進，并對改進后的內(nèi)核進行了相應的實時性能測試，從結(jié)果中可以看到，系統(tǒng)的實時性有了一定的提高，為后續(xù)應用軟件的設計打下了基礎，更加適合于遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實時應用開發(fā)。