基于RAM处理器的网络数据传输技术的研究分析报告.docx

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基于RAM处理器的网络数据传输技术的研究分析报告

基于RAM处理器的网络数据传输技术的研究分析报告

摘要

基于ARM处理器的网络数据传输技术结合了嵌入式设备工作稳定，实时性好，集成度高，环境适应能力强，成本低等优点与网络覆盖广泛及接口具有良好通用性的优点，在各种数据传输现场中具有越来越广泛的应用前景。

本文是基于RAM处理器的网络数据传输技术的研究，网络数据以图像数据的传输为例，并且研究对象采用了通过网络传输图像数据的应用系统，所以本文提出在单芯片上实现全局控制+轻量级RTOS内核+精简TCP/IP协议栈的系统架构方式，设计一个基于S3C2440开发板的网络图像数据实时传输的嵌入式系统。

关键词：

网络数据传输嵌入式LinuxTCP/IP协议

第一章绪论

1.课题的背景及其意义

数据信号获取以及转移可以采用直接存储在采集现场本地，收集一段时间的数据后由工作人员到采集现场将数据取回，或者通过某种途径实时传输到后端，前者对实时性要求比较高的场合以及某些较为危险的工业现场缺乏实用价值，后者能实时将采集的数据信号传输到控制端，较为及时地反映出采集现场的实际情况，无疑具有更多的灵活性与实用价值，同时由于Internet的广泛的覆盖以及接口的通用性，传输的方式通过网络来进行，将会使成本降低并且让系统规划的难度减小的优势。

采用通过网络实时传输数据的方式可以采用传统的PC+数据采集卡的方式或者基于具备网络功能的嵌入式设备的方式，前者虽然具备实现简单，功能多样化的优点，但也存在体积庞大，稳定性低，在恶劣环境中难以工作，成本较高，功能不可裁减等劣势，相比较而言，嵌入式设备具备工作稳定，易于携带和安装，操作灵活的特点，同时还具有实时性好，集成度高，环境适应能力强，系统成本低，同时也易于根据实际需要进行功能的添加与裁减等优点，在各种数据信号获取的各种应用场合，将得到越来越广泛的应用，是今后的一个发展趋势。

在网络中传输图像数据，由于网络的传输速率有限，为了实现图像数据的稳定传输，必须对图像进行压缩，无损压缩的压缩比比较低，对降低码率的贡献有限，所以在对图像质量没有精确要求的情况下通常采用有损压缩算法。

由于嵌入式系统具有计算能力有限的特性，而这是设计面向一般PC或者工作站的图像压缩算法所不需要考虑的，其压缩算法有其固有的特点，需要单独对其进行研究。

目前针对嵌入式系统进行图像压缩的工作，主要集中在对动态图像实时压缩算法实现的研究和基于专用图像压缩芯片构架实用系统上，对于对成本敏感，每秒需要传输的图像的帧数只要求在若干帧以内的场合下适用的压缩算法的研究还鲜有所闻，随着工业以太网技术和Internet的迅速发展，越来越多图像获取设备将接入网络，这种较为低端的网络图像传输设备的应用将越来越广泛，对于其上的图像压缩算法的进行一定的探讨，实现一个同时具备网络功能和图像压缩功能的嵌入式设备，对该领域进行一次有益的探索与尝试，是一项很有意义的工作。

2.本文所做工作

本文第二章介绍了相关的背景知识，包括嵌入式系统，图像的网络传输，以及两者相结合的讨论。

第三章从系统架构的角度对实现的系统进行描述，介绍了系统总体方案，芯片选型的考虑和系统集成的具体工作。

第四章重点介绍了TCP/IP协议以及相关协议，为下一章的的网络传输TCP/IP协议的设计做好理论铺垫。

第五章全面地介绍了系统的软件设计工作，包括操作系统的移植过程，嵌入式TCP/IP协议的设计，以及在应用层实现网络图像数据传输。

第六章对全文进行简明的总结，并对该领域的研究进行展望。

第二章嵌入式系统及图像的网络传输

2.1嵌入式系统概述

2.1.1嵌入式系统的定义

根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置（devicesusedtocontrol，monitor，orassisttheoperationofequipment，maehineryorplants）。

嵌入式系统定义：

是现代科学的多学科互相融合的以应用技术产品为核心，以计算机技术为基础，以通信技术为载体，以消费类产品为对象，引入各类传感器，进入Internet网络连接，适应应用环境的产品。

2.1.2嵌入式系统的特点

（1）嵌入式系统通常是面向特定应用的。

嵌入式系统的专用性很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般需要针对硬件进行系统的移植，同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。

（2）系统精简。

嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。

（3）高实时性嵌入式操作系统。

这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态存储，以提高速度。

软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。

（4）为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。

（5）嵌入式软件开发走向标准化。

为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS（RealTimeOperatingSystem）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。

（6）嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。

开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。

2.1.3嵌入式系统的组成

嵌入式系统包括硬件和软件两部分。

图2.1嵌入式系统的组成框图

1．专用硬件包括嵌入式处理器、存储器和I/O端口及外围设备等。

其核心是嵌入式处理器。

嵌入式处理器一般具备以下4个特点：

①对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度；

②具有功能很强的存储区保护功能。

这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断；

③可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器为准；

④嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备，靠电池供电的嵌入式系统更是如此。

2．应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，包括操作系统软件和应用程序。

有时设计人员把这两种软件组合在一起。

应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。

嵌入式系统软件的特征如下：

①软件要求固态化存储。

为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般固化在存储器芯片或单片机本身中，而不存贮于磁盘等载体中；

②软件代码高质量、高可靠性。

尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加，但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。

为此要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度、提高执行速度；

③系统软件（OS）的高实时性是基本要求。

在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合调度是保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的，这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成。

2.1.4嵌入式Linux

本文选择的嵌入式系统为Linux。

嵌入式Linux支持多种体系结构，有强大的网络功能支持，支持多文件系统，有丰富的外设驱动，此外Linux还具备一整套工具链，使用户容易自行建立嵌入式系统的开发环境、交叉运行环境，并且可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍。

一般开发嵌入式操作系统的程序调试和跟踪都是使用仿真器来实现的，而使用Linux系统做原型的时候，可以绕过这个障碍，直接使用内核调试器来做操作系统的内核调试和查错。

嵌入式应用系统的体系结构可用图2.2分层方式描述：

第五层

嵌入式应用软件

第四层

中间支撑软件层

第三层

硬件无关的操作系统内核层

第二层

硬件抽象层（HAL）

第一层

硬件系统

图2.2嵌入式应用系统的体系结构

分层体系结构层与层之间的依赖关系是上层完全依赖于下层，这种依赖主要是由明确定义的接口来实现的，能很好的满足体系结构的要求。

2.1.5嵌入式系统开发与调试

由于开发平台受到存储容量和功能的限制，嵌入式应用的开发和调试需要借助一套专门的开发工具和软硬件环境来完成。

硬件环境包括：

具有文件传送功能的宿主机，具有编译调试功能的仿真器。

软件包括：

操作系统软件、编译调试软件、文件传输软件等。

嵌入式应用系统设计完成以后，一般不具备在其上进行进一步开发的能力，如果要进行功能的扩充和改进，必须在宿主机上进行重新设计。

嵌入式应用软件开发可以通过两种途径进行：

一种是直接利用汇编和嵌入式高级语言对硬件编程，由于嵌入式程序具有直接在CPU芯片上运行的能力，这种程序只需要在其开发调试仿真器环境下编译运行通过后直接下载ROM即可；第二种是为了利用CPU的强大功能，便于对硬件和软件的管理，引入嵌入式的操作系统和相应的编译环境，由操作系统来管理软硬件资源（存储管理，文件管理，进程管理，中断管理等）。

由于操作系统对高级语言（C语言）的支持和其强大的网络功能，我们可以进行高级语言的编程，屏蔽对低层的直接访问，使得具有复杂功能的应用程序的编写和实现变得更加容易和方便。

2.2基于嵌入式系统的图像的网络传输

在网络中传输图像数据，由于网络的传输速率有限，为了实现图像数据的稳定传输，必须对图像数据进行压缩，无损压缩的压缩比比较低，对降低码率的贡献有限，所以在对图像质量没有精确要求的情况下通常采用有损压缩算法。

由于嵌入式系统具有计算能力有限的特性，需要基于该特点考虑具有适用性和实用性的压缩算法。

目前针对嵌入式系统进行图像压缩的工作，主要集中在以下的两个方面：

（1）动态图像的实时压缩：

要求对视频信号进行实时的压缩，压缩算法基于通用的标准，应用为视频监控系统或者视频会议系统，标准为MPEG-2，MPEG-4，H.264等，一般使用高端数字信号处理器如TI的6200系列或者Philps的Trimedia来实现算法，配合处理能力强的高端控制器如ARM9，XScale，使用嵌入式Linux或者嵌入式WindowsXP作为操作系统，或者是使用高中端处理器配合视频压缩专用芯片来构架系统，这种技术的典型应用是银行系统中的24小时实时监控录像，特点是对实时性要求高，要求压缩后重建的图像质量好，对成本较不敏感。

（2）静态图像的高质量压缩：

要求重建后的图像与原图相差极小，一般使用无损压缩或者根据JPEG2000标准进行低压缩比有损压缩，使用中档数字信号处理器如TI的6711配合中档处理器。

典型应用是医学图像采集与存储系统，特点为对重建的图像质量要求高。

2.3嵌入式网络传输的图像压缩算法

本文所考虑的应用方向是在嵌入式系统上的压缩算法，因此采用基于零树小波编码的算法。

该算法具有以下特点：

（1）算法思想简洁，易于通过程序实现，并且可以通过对原有算法某些步骤的改善与省略实现精简的目的；

（2）零树小波编码是一种嵌入式编码，编码所得的比特流按其重要性排序，可以在任意一点结束编码，允许精确度达到一个目标压缩率和目标比特率，而仍能确切地产生同样的图像。

基于零树小波编码的算法进行图像压缩大体需要经过以下步骤：

（1）选择小波基及其对应的小波滤波器；

（2）输入待压缩图像点值序列；

（3）给出分解层数L和图像数据向量长度k；

（4）对源图像采用分解算法进行小波变换，得到不同层次不同图号的子图；

（5）根据不同层次不同子图的特点，对相应小波系数的各个部