基于TMS320DM365的網(wǎng)絡攝像機底層軟件應用

摘要：以同上海冠林公司合作開發(fā)IP網(wǎng)絡攝像機項目為背景，基于自己開發(fā)的TMS320DM365為處理核心的網(wǎng)絡攝像機，文中描述了基于Liunx的嵌入式系統(tǒng)中，底層軟件的結(jié)構(gòu)、設計和應用。所謂底層軟件主要包括了Liunx內(nèi)核、底層驅(qū)動和啟動文件，這些平臺軟件是整個網(wǎng)絡攝像機應用程序開發(fā)的前提和基礎。
關(guān)鍵詞：TMS320DM365；底層軟件；軟件結(jié)構(gòu)

近幾年，隨著計算機技術(shù)和電了技術(shù)的飛躍式發(fā)展，通過不斷的系統(tǒng)功能集成和優(yōu)化，網(wǎng)絡覆蓋面積和傳輸穩(wěn)定性日益增加，將傳統(tǒng)模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的模擬信號部分已舍棄，完成了全數(shù)字化的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并加入了AD轉(zhuǎn)換功能，使整個視頻數(shù)據(jù)能在網(wǎng)絡上進行傳輸，滿足了各類行業(yè)部門及家庭對網(wǎng)絡可視化業(yè)務的需求。這種全數(shù)字化的視頻監(jiān)控系統(tǒng)存系統(tǒng)設備規(guī)模和系統(tǒng)功能性上，較之前的模數(shù)混合型系統(tǒng)，有了巨大的變化和升級。一般網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)只需要攝像機、路由器和計算機就能搭建，拓撲結(jié)構(gòu)簡單。利用計算機的強大的處理能力，改善了監(jiān)控系統(tǒng)的控制效率、提高了監(jiān)控系統(tǒng)的智能化和采集圖像的質(zhì)量。基于網(wǎng)絡技術(shù)搭建的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)清晰、布線簡單、系統(tǒng)擴展性強，并且一臺主控計算機再也不會像DVR一佯對于搭載的攝像機設備有數(shù)量限制，同時這種拓撲結(jié)構(gòu)也降低了大型監(jiān)控系統(tǒng)的管理難度和維護維修成本。對于系統(tǒng)應用層而的開發(fā)能在計算機這種統(tǒng)一的設計平臺上進行，大大簡化了對于特殊監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)難度。
本設計決定選用行業(yè)內(nèi)較為成熟的TI公司DaVinci設計框架。該設計方案集成了ARM和DSP兩個部分，這種設計結(jié)構(gòu)將系統(tǒng)中的圖像處理模塊和攝像機控制模塊結(jié)合起來。
文中將描述基于TMS320DM365網(wǎng)絡攝像機的底層程序，包括了系統(tǒng)的內(nèi)核、驅(qū)動、啟動程序等，攝像機系統(tǒng)基于DaVinci框架。整個硬件基礎可以參考之前發(fā)表的文章《基于TMS320DM365的網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)》。

1 DaVinci框架下的網(wǎng)絡攝像機結(jié)構(gòu)
1．1 DaVinci框架簡介
DaVinci(達芬奇)框架是一套由TI公司提出的集成了DSP處理器、軟件、工具的綜合型解決方案系列，非常適合用于開發(fā)各類數(shù)字視頻終端設備，包括了數(shù)字音頻、視頻、成像、視覺應用等。該技術(shù)的目的是讓開發(fā)廠商能夠更輕松、更快速地開發(fā)各種低成本的創(chuàng)新型數(shù)字視頻產(chǎn)品。Davinci技術(shù)系列組件，其中不僅包括了相應的處理器、軟件、工具，還提供一系列的解決方案和技術(shù)支持等。由于基于DaVinci框架下設計出的產(chǎn)品之間兼容性和共通性很高，所以很多大型的公司也樂于使用TI的DaVinci解決方案，以增加自身產(chǎn)品在周邊行業(yè)內(nèi)的兼容性。并且DaVinci框架擁有一套全方位的軟件支持，提供了下至一般的操作系統(tǒng)驅(qū)動，上至應用程序接口API，甚至DSP的編碼程序也是作為一個固有程序包，集成在BIOS和Code Server中。
1．2 DaVinci硬件基礎
作為底層驅(qū)動軟件的基礎，這里需要詳細對DaVinci框架的硬件結(jié)構(gòu)進行描述。DaVinci數(shù)字視頻處理芯片是整個DaVinci技術(shù)框架的的核心，其最大特點為整個處理芯片集成了ARM和DSP兩種核心，實現(xiàn)了兩種核心的并行工作和通信機制。TMS320DM365作為DaVinci技術(shù)框架下的一款新型芯片，也和之前系列芯片擁有相同的系統(tǒng)，一個通用的DaVinci系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

DSP即數(shù)字信號處理器，其主要特點就是能夠進行大量的乘加運算，擁有高速計算能力，并且DSP的數(shù)據(jù)和程序分離存儲，這樣充分利用了所有線寬，進一步加速了DSP的處理速度，在數(shù)字攝像機中DSP專門用于計算量龐大的圖像處理算法。DSP其功能包括了VPSS(Video Process ing Subsystem)和VICP(Video Image Collaborative Processer)兩個部分。視頻處理系統(tǒng)VPSS是DM365的視頻信號采集模塊，與其他攝像機控制芯片相比，最顯著的特點是DM365帶有一個ISIF模塊，可以直接獲取CCD和CMOS的輸出圖像。相較于一般圖像處理芯片需要先一步進行A ／D處理，DM365能更加快速地獲取圖像信號。視頻／影像協(xié)處理器(VICP)作為DM365芯片中DSP部分的主體，主要功能是視頻圖像的壓縮算法，一般使用的H．264壓縮方式，其中還包括了運動補償、對象識別等算法，這些圖像處理算法占整個系統(tǒng)運算量的600％～80％。
ARM處理器盡管沒有DSP那么快速的圖像處理速度，但是ARM較大的程序存儲量和迅速的任務切換能力，使得它適合復雜的、多線程的任務調(diào)控，支持實時的操作系統(tǒng)。ARM子系統(tǒng)管理和協(xié)調(diào)芯片內(nèi)其他功能模塊的工作，采用流水線的工作方式執(zhí)行系統(tǒng)控制任務，例如系統(tǒng)的初始化、參數(shù)配置、電源管理和用戶功能等。

兩者之間的通訊方式如圖2所示，芯片中ARM可以訪問DSP的片內(nèi)存儲器，包括L2RAM和L1 P／D，DSP也可以訪問ARM的片內(nèi)存儲器，并且ARM和DSP共享DDR2和AEMIF，其中AEMIF是指異步的外接存儲器接口(Asynchronous External MemoryInterface)。因此通常情況下ARM只需要將處理數(shù)據(jù)的地址指針傳遞給DSP，而不需要大量的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)中的DSP和ARM通過2個內(nèi)核相互中斷實現(xiàn)通信，ARM使用DSP的4個通用中斷和1個不可屏蔽中斷來控制DSP；而DSP通過兩個中斷來中斷ARM。DSP的電源、時鐘、復位都是由ARM進行控制。

2 網(wǎng)絡攝像機的軟件結(jié)構(gòu)
由于DaVinci系統(tǒng)雙處理核心的硬件結(jié)構(gòu)，整個DaVinci的軟件框架也類似于硬件框架分為ARM核心的軟件和DSP部分的軟件。整個軟件框架圖如圖3所示，ARM內(nèi)核中的軟件主要為操作系統(tǒng)、驅(qū)動和應用層面的軟件，DSP內(nèi)核里運行音視頻編解碼算法處理，ARM通過TI的Codec Eng ine機制調(diào)用DSP完成編解碼。

在DSP部分，軟件由最底層的DSP／BIOSTM內(nèi)核，內(nèi)核上層是Codec engine，用于和ARM端的Linux通信，最頂層是圖像處理箅法。針對圖像處理算法，DaVinci框架提供了數(shù)字信號處理算法接口標準(XDAIS)和針對流媒體的XDM。所有符合XDAIS和XDM標準的圖像處理算法包都可以被用于DaVinci的DSP中。并且在XDAIS和XDM中也包括了一套流程完整的基礎的圖像處理算法，用戶可以按照其標準進行修改，或者自行重新開發(fā)。再加上由第三方開發(fā)的符合XDM標準的軟件包，地豐富了整個DSP圖像處理軟件部分的資源。

ARM部分的軟件系統(tǒng)使用基于Linux的嵌入式軟件系統(tǒng)，軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。整個系統(tǒng)基于Linux的實時操作系統(tǒng)，在Linux上需要加入文件系統(tǒng)、圖形用戶接口和任務管理，最頂層是應用層面的軟件，在應用軟件中DaVinci系統(tǒng)只提供常用的API。
Linux實時操作系統(tǒng)中，應用程序、引導加載程序(Boot Loader)、驅(qū)動程序(Driver)和操作系統(tǒng)(Operating System)的內(nèi)核鏡像都是相互獨立的，可以單獨編譯修改。只要符合各個部分特有的接口和程序存放位置，就能被整個系統(tǒng)識別并且調(diào)用。引導程序是UBL和u-boot，用于初始化硬件系統(tǒng)，引導Linux操作系統(tǒng)的加載，完成內(nèi)核文件加載后，將控制權(quán)交給操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的內(nèi)核鏡像uImage，是一個基礎的操作系統(tǒng)平臺，調(diào)用驅(qū)動程序和應用程序，實現(xiàn)多線程機制，完成了系統(tǒng)調(diào)用等工作。驅(qū)動程序和應用程序是事先存儲在操作系統(tǒng)特定文件夾內(nèi)的，被操作系統(tǒng)Linux按順序調(diào)用，開發(fā)者可以根據(jù)自己的需要自行修改。Linux內(nèi)的文件系統(tǒng)主要提供內(nèi)核中所有文件的存儲、檢索和更新等功能，同樣包括了驅(qū)動程序和應用程序的文件操作。一般不提供保護和加密等安全機制。文件系統(tǒng)通過調(diào)用和命令方式提供文件的各種操作，主要包括設置、修改對文件和目錄的用戶權(quán)限；提供針對目錄的創(chuàng)建、修改和刪除等功能；提供針對文件的創(chuàng)建、打開、讀寫、關(guān)閉和撤銷等功能。
對于應用層面的開發(fā)而言，并不需要考慮DSP部分的圖像處理實現(xiàn)算法，直接將DSP部分作為一個黑箱進行處理，通過圖像服務接口，從ARM部分通過語句進行調(diào)用。圖像服務的接口提供了用戶調(diào)用DSP中的圖像處理程序的接口，整個服務接口使用Codec中間框架系統(tǒng)。Linux端的程序通過Codec引擎訪問DSP處理器中的Codec Server。整個Codec框架包括了多種API和SPI，從軟件角度可以看做是一個介于應用程序和DSP中圖像處理算法之間的接口，如圖5所示。這樣ARM端的應用程序開發(fā)者，可以不用去考慮DSP中復雜的音視頻算法。

這種ARM和DSP分開的軟件結(jié)構(gòu)，使得整個Davinci框架下的系統(tǒng)的軟件開發(fā)被分成了四個部分：圖像算法開發(fā)、Codec Server集成開發(fā)、CodecEngine集成開發(fā)和應用程序開發(fā)?；A的圖像算法可以通過TI提供的CCS開發(fā)工具，圖像的編碼算法被存儲為．lib的庫文件。而Codec Server的開發(fā)是調(diào)用一系列的．lib算法庫，實現(xiàn)各種庫文件的對ARM部分的接口。Ciodec Engine是開發(fā)調(diào)用Codec Server的Stuh和Skelet on，完善整個圖像處理功能的調(diào)用，而面向廠商或是使用者的應用程序的開發(fā)，只需要針對不同應用情況編譯基于Linux的應用程序，其中圖像處理算法等內(nèi)容，作為黑箱供這些使用者調(diào)用。

3 網(wǎng)絡攝像機底層軟件
3．1 Linux系統(tǒng)內(nèi)核
Linux系統(tǒng)內(nèi)核使用的linux-2．6．32，相較于之前的版本增添了虛擬化內(nèi)存、改進了文件系統(tǒng)、支持低傳輸延遲時間模式、內(nèi)存控制器支持softlimits、支持S+Core架構(gòu)、支持Intel Moorestown及其新的固件接口、支持運行時電源管理、以及新的驅(qū)動。常用的LINUX操作系RADHAT Enterprise 6，ubuntu-10．04．debian 6．穩(wěn)定版本，這些都是使用linux-2．6．32內(nèi)核。Linux-2．632作為ARM部分所使用的基層操作系統(tǒng)，在TI上也有提供，不過所提供的是一個非常寬泛的、適用于多種DaVinci框架內(nèi)核產(chǎn)品的一個完整內(nèi)核，無論是功能還是驅(qū)動都非常完善，但是缺點是啟動時間長、容量大，所以我們必須存原有的TI系統(tǒng)內(nèi)核的基礎上進行一定的修改。整個修改基于Linux操作系統(tǒng)運行。
第一步是系統(tǒng)內(nèi)核的精簡開始。整個精簡過程主要是在內(nèi)核文件中刪除自己不需要使用東西，如平臺信息、芯片信息和驅(qū)動等，并且在Kconfig和Makefile里面將刪除信息屏蔽。首先完成在內(nèi)核系統(tǒng)中平臺信息和芯片信息的文件刪減，然后通過Makefile文件重新修改編譯方法，經(jīng)過重新編譯以后，內(nèi)核的精簡已經(jīng)完成，在Linux環(huán)境中使用tar jcf或tar zcf壓縮的Linux內(nèi)核，整個內(nèi)核的大小下降到了51M，相當于原來尺寸的二分之一。當然可以化簡的還可以包括了include和driver里面的一些不需要使用的驅(qū)動，但是由于大小并不是很大，所以這里也就沒有去除。
第二步開始內(nèi)核系統(tǒng)的配置。因為之前已經(jīng)修改了內(nèi)核系統(tǒng)文件的內(nèi)容，選項即使都已經(jīng)按照默認的方式配置完畢，但是存細部還需要一定的修改，使用make linux_config進入內(nèi)核配置界面。首先需要修改的是“General setup”內(nèi)的晶振，將原本27000000所表示27MHz時鐘參數(shù)，改為硬件使用的24MHz時鐘。然后在“Device Drivers”中配置NAND flash的大小、分塊信息；USB的驅(qū)動設置一般設定為主機用于，識別U盤等其他USB設備；在選擇視頻傳輸?shù)姆绞降臅r候，需要選擇以太網(wǎng)絡的“10M or 100M Ethernet MAC support”傳輸方式：并且開啟I2C和串口功能等。
第三步檢測核對程序內(nèi)核，確保底層功能程序與硬件設備的匹配。最重要的machdavinci＼dm365．c，內(nèi)部都是管腳定義包括了I／O口的
復用。sound＼soc＼codecs有tlv320aicxx．c等音頻芯片驅(qū)動：soc＼davinci里有PCM、I2S等驅(qū)動。完成所有檢測核對之后，用make指令編輯linux內(nèi)核，生產(chǎn)一個bin文件，燒錄到DM365處理器中，即可運行系統(tǒng)內(nèi)核。
3．2 啟動程序
Bootloader是嵌入式系統(tǒng)啟動之后加載的第一段程序，也就是俗稱的啟動程序，這段代碼一般用于初始化處理芯片，映射內(nèi)存空間，完成系統(tǒng)基本硬件設置，為之后的操作系統(tǒng)內(nèi)核提供運行環(huán)境及。所以這段程序的長度和運行時間都非常短，但對于整個系統(tǒng)來說是非常重要的。文中使用u-boot作為Bootloader程序，作為一種通用程序，它支持多種體系結(jié)構(gòu)的處理器。其功能涵蓋了flash燒寫、操作系統(tǒng)內(nèi)核啟動等功能。整個u-boot的軟件流程如圖6所示。

整個u-boot的啟動過程可以分為三個階段。首先在flash中啟動代碼，設置異常的入口地址和異常處理函數(shù)、配置系統(tǒng)主頻、I／O寄存器初始化、初始化存儲空間，然后將之后的程序加載到RAM中，起始地址設定，并在RAM中運行，設置硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型、啟動參數(shù)地址、打開芯片外圍設備的使能端、設置內(nèi)核參數(shù)、復制鏡像文件和設置入口函數(shù)。最后運行嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核鏡像。
將u-boot系列文件導入攝像機后開啟電源，通過RS232串口，可以讀取系統(tǒng)的啟動信息。整個啟動過程可以分為三個不同階段。第一階段首先u-boot驅(qū)動先確定啟動的ubl版本和啟動方式，檢測Flash和總線狀態(tài)，一般傳統(tǒng)的啟動方式為NANDFlash啟動。第二階段確認RAM等基本傳輸硬件狀態(tài)，檢測時鐘信號，接下來開始將Flash中的u-boot啟動程序轉(zhuǎn)入RAM中。最后一階段檢測所有的硬件信息，并將這些信息傳給Linux內(nèi)核，然后運行Linux內(nèi)核，當硬件信息有錯誤時，會跳出錯誤報告。所檢測的硬件信息主要有：CPU內(nèi)核和狀態(tài)、PLL狀態(tài)、RAM存儲器、TCP網(wǎng)絡協(xié)議、I／O口等。這一步驟結(jié)束后，系統(tǒng)地控制權(quán)將完全轉(zhuǎn)交給Linux。啟動一系列內(nèi)核文件后，會出現(xiàn)Linux的用戶登錄界面。
完成所有硬件檢測和驅(qū)動安裝以后，高清網(wǎng)絡攝像機的所有硬件都開始工作，并且擁有最基本的功能，能夠傳輸模擬視頻信號，并且可以登錄網(wǎng)絡，自動獲得IP地址。但是通過游覽器進行圖像的獲取，需要進一步燒錄應用程序。同時，還可以通過串口實時地設置攝像機內(nèi)Linux內(nèi)核的設置。
3．3 驅(qū)動程序移植
驅(qū)動程序是硬件運行功能實現(xiàn)的基礎。由于所設計的DM365網(wǎng)絡攝像機配有USB等多功能通用硬件接口，所以即使是成品之后，處于擴展的原因，新硬件的添加也會非常頻繁，這里就必須讓設備驅(qū)動也更新。這里我們想使用一個最簡便的GPIO驅(qū)動程序來作為一個驅(qū)動程序移植的范例。
驅(qū)動移植的一個整體流程，是將針對某一硬件功能的驅(qū)動軟件加入Linux嵌入式調(diào)用的特殊語句，并且存放在內(nèi)核操作系統(tǒng)特定的存放位置，修改內(nèi)核配置文件，使這個驅(qū)動能被調(diào)用。完成這些修改之后，就能在應用程序?qū)用媸褂眠@個硬件設備了。
首先是對CPIO驅(qū)動源碼的修改和放置，GPIO是嵌入式系統(tǒng)最簡單、最常用的資源了，比如點亮LED，控制蜂嗚器，輸出高低電平，檢測按鍵，等等。GPIO分輸入和輸出，在linux-2．6．32內(nèi)核中，本來就有有關(guān)GPIO的最底層的寄存器驅(qū)動，所以不用另外新建驅(qū)動程序，其位置是在＼arch＼arm＼mach-dayrinci目錄下的gpio．c，這個是寄存器級的驅(qū)動，與一般單片機MCU一樣，GPIO的設置都是通過特殊寄存器的數(shù)值決定的。據(jù)DM365的芯片DATASHEET，DM365的CPIO分為3組BANK，BANK01組包括GPIO0～GPIO31，BANK23組包括GPIO32～GPIO63，BANK45組包括GPIO64～GPIO70，由于硬件資源的原因，DM365并不是GPIO管腳就是純粹的GPIO腳，GPIO管腳和其他一些標準接口復用相同的引腳，比如SPI和GPIO復用，I2C和CPIO復用等，到底是使用CPIO還是其他接口，在初始化的時候，都需要對PINMUX0和PINMUX1兩個寄存器進行設置，而這兩個寄存器的設置則在＼arch＼arm＼mach-davrinci目錄下mux_cfg.c和對應的mux．h里，當然如果只是用一些只作為I／O功能的管腳，則不需要對著兩個寄存器進行設置相較于單片機對于I／O口的設置，DM365的GPIO驅(qū)動多了一些嵌入式系統(tǒng)特有的功能語句。比如：需要定義一個設備名稱用于程序內(nèi)部的調(diào)用，#define DEVICE_NAME“dm365_gpios” ／*定義設備驅(qū)動的名字，或設備節(jié)點名稱*／并且定義驅(qū)動文件的API，在Linux系統(tǒng)當中，所有設備都可以當做文件進行操作。
static const struct file_operations
davinci_dm365_gpio_fileops={
．owner=THIS_MODULE，
．open=davinci_dm365_gpio_open，
．ioctl=davinci_dm365_gpio_ioctl，
}；
定義內(nèi)核初始化的函數(shù)功能，這一部分是ARM最基礎的IO口這幾方法，這里就不進行詳細介紹。
完整這些內(nèi)容后，這個GPIO的驅(qū)動程序就可以被Linux系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)用了。之后修改內(nèi)核文件的設置，修改Kconfig文件，加入一段GPIO設置，說明GPIO驅(qū)動功能等。存makefile文件的128行，加入語句：ohi-$(DAVINCI_DM365_GPIOS)+=dm365_gpios．o，輸出之前驅(qū)動軟件的．o ut文件，這樣整個內(nèi)核配置完成。之后這個I／O口的驅(qū)動程序就可以在應用程序中利用語句：fd=open(“／dev／dm365_gpios”，0)；來運行。
這里使用了一個較為簡單常見的GPIO驅(qū)動來舉例，是為了更簡單地描述整個Linux嵌入式系統(tǒng)驅(qū)動軟件的移植過程。對于其他更為專業(yè)的硬件驅(qū)動，如usb設備、無線網(wǎng)絡設備等，一般建議從設備購買商那邊獲取面向Linux的驅(qū)動軟件，然后經(jīng)過部分修改后移植進入Linux內(nèi)核中，最后修改設置文件和makefile文件完成驅(qū)動的調(diào)用功能。

4 結(jié)束語
網(wǎng)絡攝像機，簡化了傳統(tǒng)的以DVR和NVR作為系統(tǒng)的核心的網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)。每個攝像頭都可以作為一個獨立的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，擁有網(wǎng)絡傳輸功能和IP地址。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上能夠更具有邏輯性和層次性，系統(tǒng)組件也更為便利、有很大的擴展能力，方便了跨地域的大型監(jiān)控系統(tǒng)組建和訪問。而這種硬件結(jié)構(gòu)上優(yōu)化的基礎就是一個功能強大、擴展性好的軟件平臺，整個DM365網(wǎng)絡攝像機在軟件方面選用了擁有豐富源代碼和極高穩(wěn)定性的Linux操作系統(tǒng)，并在該基礎上實現(xiàn)了底層軟件和上層應用程序的設計分離，使得整個系統(tǒng)的軟件開發(fā)和使用更為方便和高效。本文詳細描述基于DM365的網(wǎng)絡攝像機的底層軟件應用，包括了整個系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)、驅(qū)動軟件的移植、內(nèi)核系統(tǒng)的優(yōu)化和啟動程序加載等應用性問題。