嵌入式系统的架构的分类

・数字技术・　基于ＡＲＭ＋ＤＳＰ架构的嵌入式数字硬盘录像机主机系统设计　

陈忠泽　（南华大学电气工程学院　邓贤君　湖南衡阳　４２１００１）　【摘　要］通过对目前数字视频监控用的数字硬盘录像机的现状和发展趋势分析，结合当前图像处理、网络　嵌入式技术的发展，　本文提出并详细论述了基于ＡＲＭ＋ＤＳＰ架构的嵌入式数字硬盘录像机的设计方案。　［关键词】数字硬盘录像机　视频监控　ＡＲＭ　ＤＳＰ　［中图分类号］ＴＮ９２　【文献标识码】Ａ　１引言　数字硬盘录像机（ＤＶＲ：Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｉｄｅｏ　ＲｅＣＯｒｄｅｒ）是视频监控系统中重要的设　备，用于替代早期的长延时录像机或者磁　带录像机【】　ｌ。现有的数字硬盘录像机分为　基于ＰＣ的硬盘录像机和嵌入式硬盘录像　机，基于ＰＣ机类型的ＤＶＲ，一般将工控　机作为主机应用平台，加装一片或多片视　频采集或视频采集压缩卡，编制专门软件　进行影像压缩并执行影像编辑功能，成为　一套完整系统。嵌入式硬盘录像机使用嵌　入式ＣＰＵ及嵌入式操作系统，图像压缩及　解压回放大多是通过专用芯片来完成的，　嵌入式操作系统完成对整机的控制与管　理。目前，市场对嵌入式数字硬盘录像机　的需求非常旺盛，基于这种应用背景，本　文提出了基于ＡＲＭ＋ＤＳＰ架构的嵌入式硬　盘录像机的设计思路和实现方案。　２网络数字录像机主机系统总体方案　要求系统实时处理１　６路复合视频　（ＰＡＬ／ＮＴＳＣ）和１６路音频输入，　处理包　【文章编号】１００７－９４１６（２０１０）０６－００３６－０２　括音／视频的实时编解码和存储等，　经过　适当处理后的音／视频用以实现本地／远　程监控以及录像等。根据系统要求的技术　指标，本文设计的１６路嵌入式ＤＶＲ主机　系统硬件部分采用了主从式的　“ＡＲＭ＋ＤＳＰ”双核架构模式。主ＣＰＵ选用　三星半导体的ＡＲＭ处理器Ｓ３Ｃ２５ｌ０Ａ［４　Ｊ，　从ＣＰＵ选用美国德州仪器（ＴＩ）的多媒体　处理芯片ＴＭＳ３２０ＤＭ６４８ｔ　。主从ＣＰＵ之间　通过ＰＣＩ总线进行通讯。整个系统的工作　流程设计如下：　（１）系统上电或复位后，主ＣＰＵ　Ｓ３Ｃ２５１０Ａ　从Ｆｌａｓｈ加载程序，完成对芯片的初始化和　外围硬件的配置；　（２）从ＣＰＵ通过Ｉ２Ｃ口对系统中的视频　解码芯片进行控制，将从摄像头采集到的　模拟视频信号转换为数字视频信号，送入　ＤＭ６４８的视频通道（ＶＰ端口　同步采集到　的模拟音频信号经过音频编解码器模／数　转换后，送入ＤＭ６４８的音频通道（ＭｃＡＳＰ　端口）；　（３）ＤＭ６４８将接收到的数字视频信号和　数字音频信号数据分别进行压缩，　再把压　缩视频流和压缩音频流进行同步复合，　产　生Ｈ．２６４视频复合流，再通过ＰＣＩ总线上　传给主ＣＰＵ，主ＣＰＵ将从ＰＣＩ接口收到的　数据以文件的格式存储到本地硬盘，供日　后调用；同步将复合数据流传送给图像预　览芯片进行显示。　３主机系统的各主要功能模块设计　整个数字硬盘录像主机（如图ｌ所示）　根据功能可以划分以下几大核心模块：①　主控制模块；②视音频采集、压缩模块；　③视音频预览、回放模块；④其它模块（电　源、存储器扩展、网络传输、逻辑控制等）。　这里主要介绍主控制模块和视频处理模块　的设计。　３．１主控制模块　本模块主要实现系统的控制，对整个　系统任务的运行进行分配与调度。　Ｓ３Ｃ２５ｌ０Ａ本身内置ＰＣＩ控制器，５个ＰＣＩ　接口可分别和２个音／视频压缩模块，１个　在其后放置ＲＣ滤波器。放大器和电阻在　带宽范围内都有噪声，因此，带宽越大，输　出噪声越大，倍噪比（ＳＮＲ）越低。图３所　示的是在具有相同配置的电路中使用具有　不同带宽的放大器时，放大器带宽与噪声　之间的关系。为限制附加的噪声，带宽应　该尽可能的窄。　在传感器之后使用ＲＣ滤波器来限制　带宽。如图４所示，放大器带宽为　３００ＭＨｚ，输入噪声电压频谱密度为ｌＯｎＶ／　√　和ＡＤＣ具有ｌ７ｏ“Ｖ　ｒｍｓ的噪声。在　运算放大器之后增加Ｒ　Ｃ滤波器后　（Ｒ＝５０Ｑ，Ｃ＝１ＯＯｐｆ），将产生５０ＭＨｚ的有　效带宽，能把噪声降低到７０　Ｖ　ｒｉｌｌＳ。　ＢＷ（噪声带宽）＝　１．５７　—　一：１．５７　————　———　２　ＲＣ　２　５Ｏ　ｌＯＯ　ｌＯ　＝５０ＭＨｚ，有效输入噪声＝１０ｎＶ／√　×　瓦＝７０ｕＶ。可知，使用正确的　

1 嵌入式系统基础复习题

第1章 嵌入式系统概论

1、 什么是嵌入式系统？

嵌入到对象体系中的专用计算机应用系统。

2、 嵌入式系统的3个基本特点？

嵌入性、专用性、计算机

3、 什么是嵌入式处理器，嵌入式处理器可以分为几大类？

嵌入式处理器是为了完成特殊的应用而设计的特殊目的的处理器。

分为嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP处理器、嵌入式片上系统（SOC）。

4、 什么是嵌入式操作系统和？有何特点？列出常见的几种嵌入式操作系统及特点。

5、试比较说明JATG工具和ISP工具的异同点？

6、从硬件系统来看，嵌入式系统由哪几部分组成？画出简图。

第2章 ARM7体系结构

1、什么是RISC指令系统？什么是CISC指令系统？

RISC是精简指令集计算机的缩写。CISC是复杂指令集计算机的缩写。

2、ARM与ARM公司有什么区别？举出2个以上的ARM公司当前应用比较多的ARM处理器核？

ARM7系列、ARM9系列、ARM10系列、ARM11系列、intel的Xscale系列和MPCore系列。

3、 ARM7TDMI中的T、D、S、I分别表示什么含义？

T：支持高密度16位的Thumb指令集

D：支持片上调试

S：ARM7TDMI 的可综合（synthesizable）版本（软核）

I：支持EmbededICE观察硬件

M：支持64位乘法

4、 ARM7TDMI处理器采用什么样的体系结构，其可寻址地址空间多大？

ARM处理器使用冯.诺依曼结构

使用单个平面的232个8位字节地址空间。地址空间可以看作是包含230个32位字，或231个16位半字。

5、 ARM7TDMI与ARM9处理器采用几级流水线处理，使用何种存储器编址方式？

ARM7TDMI处理器采用三级流水线。

ARM处理器将存储器看做是一个从0开始的线性递增的字节集合。

6、 ARM处理器有几种模式和ARM处理器状态有什么区别？各种工作模式下分别有什么特点?

详解嵌入式系统的发展特点及架构

随着电子产品的发展，嵌入式系统已经广泛地应用我们的生活的各个领域，例如：计算机、汽车、航天飞机等等。 提到嵌入式系统首先联想到单片机，是的，MCU是最基础和常用的嵌入式系统。嵌入式系统与模拟电路或其他功能电路组成的SoC（System on Chip,片上系统）或SiP（System in Package，系统级封装）在手机、机顶盒等功能复杂的产品中的应用也越来越多。

嵌入式系统发展呈现如下特点： ·由8位处理向32位过渡 ·由单核向多核过渡 ·向网络化功能发展 ·MCU、FPGA、ARM、DSP等齐头并进 ·嵌入式操作系统呈多元化趋势 所有的嵌入式处理器都是基于一定的架构的，即IP核（Intellectual Property，知识产权），生产处理器的厂家很多，但拥有IP核的屈指可数。有自己的IP核，光靠卖IP核即可坐拥城池。 嵌入式系统的架构有专有架构和标准架构之分，在MCU（微控制器）产品上，像瑞萨（Renesas）、飞思卡尔（Freescale）、NEC都拥有自己得专有IP核，而其他嵌入式处理器都是基于标准架构。

标准的嵌入式系统架构有两大体系，目前占主要地位的是所谓RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）处理器。RISC体系的阵营非常广泛，从ARM、MIPS、PowerPC、ARC、Tensilica等等，都是属于RISC处理器的范畴。不过这些处理器虽然同样是属于RISC体系，但是在指令集设计与处理单元的结构上都各有不同，因此彼此完全不能兼容，在特定平台上所开发的软件无法直接为另一硬件平台所用，而必须经过重新编译。

其次是CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）处理器体系，我们所熟知的Intel的X86处理器就属于CISC体系，CISC体系其实是非常低效率的体系，其指令集结构上背负了太多包袱，贪大求全，导致芯片结构的复杂度被极大的提升。过去被应用在嵌入式系统的X86处理器，多为旧世代的产品，比如说，工业计算机中仍可常见数年前早已退出个人计算机市场的Pentium3处理器。由于此世代的产品效能与功耗比可以说是过去X86体系的甜蜜点，加上已经被市场长久验证，稳定性高，故常被应用于效能需求不高，但稳定性要求高的应用中，如工控设备等产品。

网络与信息工程2019.12

771 针对CPS基本架构的研究

CPS系统需要符合三大特征和十大属性，三大特征分别

为系统性、安全性和稳定性，十大属性分别是异构性、并发性、

自治性、隐私性、分布性、层次化、同步与通信、异常行为、时序

行为以及重配置和动态重组，才能具备良好的弹性机制。针对

CPS系统的构架，我们可以从微观和宏观两个方面进行探讨。

从微观上来看，基于嵌入式系统的CPS微控制单元构成

了CPS系统，即CPSM，CPSM就是在CPS系统中同时具有感知

和执行的最小控制单元，CPSM能够将计算进程与物理进程

紧密联系，比如物理世界能够感知网络虚拟世界，而虚拟世

界可反过来控制物理世界。CPS还能利用计算机的离散特性

和逻辑运算能力，控制和监督具有连续动态变化特征的物理

系统[1]。传感器和执行器两者之间的信息传递和数据的处理

是通过嵌入式系统的微处理器来实现的，它们构成了一个输

入和输出的网络控制系统。

从宏观上来看，是各种设备与硬件的组成，主要是指具

有感知和决策以及控制能力的嵌入式设备。CPS的系统结构

由物理层、网络层以及应用层构成。物理层是由很多相互联

系的感知设备和执行设备构成，或者是同时具有这两种功能

的设备构成，物理层的作用是对设备的实时运行状态进行感知和监控，然后通过网络层把感知到的信息输送到应用层。

网络层的作用是为应用层提供信息，把CPS中的信息源源不

断输送给物理层，用以保证用户能够及时的获取信息，并且

将用户的需求指令反馈给物理层。应用层的作用是向用户反

映数据分析之后的设备的运行状态[2]。

2 CPS技术可解决的问题

在当今的工业领域，智能制造因其本身具有提高生产效

率和降低企业生产成本等优点，已经普遍存在，但是随着嵌

入式系统和自动控制技术以及传感器技术的快速发展，工业

制造业依然存在着急需解决的问题，而CPS系统技术的开发

研究和实际应用，可以有效地解决很多现存问题。

第一，CPS可以解决数据采集问题。当前，由于工业生产