基于ucos-ii嵌入式操作系統(tǒng)和BF533實(shí)現(xiàn)視覺監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用方案

作者：王磊，王耀南，陳斯斯，崔波亮

嵌入式系統(tǒng)常用在一些特定專用設(shè)備上，通常這些設(shè)備的硬件資源（如處理器、存儲(chǔ)器等）非常有限，并且對成本很敏感，實(shí)時(shí)響應(yīng)要求很高，特別是在面向視頻應(yīng)用的系統(tǒng)中。嵌入式操作系統(tǒng)具有體積小、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。嵌入式操作系統(tǒng)ucos-ii就是基于任務(wù)優(yōu)先級搶占的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用的主芯片是ADI公司Blackfin系列DSP中的BF533，這是一款專門面向視頻應(yīng)用的DSP，擁有豐富的外設(shè)接口和較好的系統(tǒng)擴(kuò)展性。本系統(tǒng)利用BF533的PPI接口采集數(shù)字圖像，利用芯片的EBIU總線，擴(kuò)展SDRAM和網(wǎng)絡(luò)芯片。BF533工作在600MHz頻率，單個(gè)芯片即可完成對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ?。基于BF533的嵌入式系統(tǒng)的外圍電路主要可分為三個(gè)部分：圖像采集部分，網(wǎng)絡(luò)傳輸部分，存儲(chǔ)器部分。系統(tǒng)硬件框圖如圖1：

圖像采集電路部分采用了TI公司的TVP5150A型視頻解碼芯片，它將NTSC/PAL/SECAM制式的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成8bits的ITU-656格式，并按照YCbCr格式以4:2：2的比例轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，支持兩路模擬輸入，解碼芯片通過I2C串行接口編程。

網(wǎng)絡(luò)傳輸部分采用LAN91C111芯片。這是SMSC公司為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)推出的第三代快速以太網(wǎng)控制器。本系統(tǒng)中，LAN91C111被當(dāng)作了是異步存儲(chǔ)空間，利用AMS3把它映射在BF533的0x20300000地址空間。這樣就可以通過DMA操作實(shí)現(xiàn)對LAN91C111內(nèi)部存儲(chǔ)空間讀寫操作，提高了傳輸效率并使復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程簡單化。

存儲(chǔ)器部分BF533的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是統(tǒng)一的4GB尋址空間。同步存儲(chǔ)器、異步存儲(chǔ)器、外設(shè)存儲(chǔ)空間和片內(nèi)存儲(chǔ)器全部統(tǒng)一映射在4GB的空間。BF533的EBIU接口中有專門的SDRAM控制單元SDC，可以和SDRAM無縫連接。BF533支持的SDRAM地址是從0x00000000到0x08000000的空間，最大128MB。本系統(tǒng)中使用MICRON公司的MT48LC系列SDRAM，存儲(chǔ)空間32MB，用于存儲(chǔ)圖像處理中的中間結(jié)果。另外，BF533支持四塊連續(xù)的異步存儲(chǔ)空間，每塊空間大小為1MB，地址從0x20000000到0x20400000，由相應(yīng)的AMS0-AMS3引腳選擇使能。本系統(tǒng)使用的是ST公司的M29W系列FLASH，大小1MB。由AMS0片選使能，映射在BF533的第一塊異步存儲(chǔ)空間。

2 ucos-ii的移植

ucos-ii是一種具有可剝奪實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，而且是免費(fèi)公開源代碼、結(jié)構(gòu)小巧。其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、時(shí)間管理、任務(wù)間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。最小內(nèi)核可編譯至2KB，適合小型控制系統(tǒng)。與CPU硬件相關(guān)的部分用匯編語言編寫，其他絕大部分代碼采用C語言編寫。ucos-ii在硬件平臺(tái)上的移植主要分為兩大步驟：ucos-ii中與處理器相關(guān)的程序的修改、應(yīng)用程序的添加。

2.1 ucos-ii與嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)

所有的嵌入式操作系統(tǒng)都是與CPU密切相關(guān)的，做移植前需要熟悉被移植CPU平臺(tái)的硬件架構(gòu)和ucos-ii的運(yùn)行原理，圖2是ucos-ii與本嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)。

2.2 基于BF533的ucos-ii的移植

移植ucos-ii需要理解處理器及C編譯器的技術(shù)細(xì)節(jié)。處理器和編譯器滿足了ucos-ii的要求，并且已經(jīng)有了必要工具。移植工作通常包括以下幾個(gè)內(nèi)容：

A用#define設(shè)置一個(gè)常量的值（OS_CPU.H）;

B聲明10個(gè)數(shù)據(jù)類型（OS_CPU.H）;

C用#define聲明三個(gè)宏（OS_CPU.H）;

D用C語言編寫六個(gè)簡單的函數(shù)（OS_CPU_C.C）;

E編寫四個(gè)匯編語言函數(shù)（OS_CPU_A.ASM）;

針對不同的CPU平臺(tái)，移植ucos-ii的過程也會(huì)有稍許不同。在本系統(tǒng)中，移植過程大致分為兩大部分：1）修改部分文件使ucos-ii與DSP能夠?qū)崿F(xiàn)良好的接口（主要指ucos-ii對DSP硬件架構(gòu)的支持）;2）添加針對嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)的初始化及驅(qū)動(dòng)代碼。

2.2.1 針對BF533的ucos-ii的代碼修改

由于BF533是基于MSA（微信號(hào)架構(gòu)）的16位定點(diǎn)DSP，為了能與ucos-ii數(shù)據(jù)處理單位統(tǒng)一，需要在OS_CPU.H文件中設(shè)置BF533的數(shù)據(jù)單元長度。部分宏定義代碼如下：

typedefboolBOOLEAN;

typedefsignedcharINT8S;

typedefsignedshortintINT16S;

typedefsignedintINT32S;

另外在OS_CPU.H文件中還需設(shè)置幾個(gè)堆棧的參數(shù)如堆棧的增長方向、堆棧的操作單位等。BF533支持的是自頂向下的堆棧增長方式，即堆?？臻g從高地址向低地址增長。單次堆棧操作單位是INT32U。最后在OS_CPU.H還要對三個(gè)函數(shù)進(jìn)行宏定義：屏蔽所有中斷，恢復(fù)所有中斷，進(jìn)行任務(wù)切換。這三個(gè)函數(shù)在ucos-ii中十分重要，前兩個(gè)是為了保證一些重要函數(shù)或任務(wù)運(yùn)行中的數(shù)據(jù)不會(huì)被改變（即通常所說的代碼臨界段），第三個(gè)是用于ucos-ii的任務(wù)切換，在ucos-ii中要求任務(wù)的切換就好象是剛發(fā)生過一次中斷一樣。在本系統(tǒng)中首先假設(shè)申請切換的任務(wù)已經(jīng)把相關(guān)的寄存器變量等參數(shù)保存，并將堆棧指針指向了優(yōu)先級高的任務(wù)。這樣任務(wù)切換函數(shù)就只需要完成中斷返回操作。

開發(fā)軟件采用VisualDSP++，它的編譯器支持在C語言中嵌入?yún)R編，因此我們把這個(gè)宏定義直接寫成了一條軟件中斷指令：raise14。這樣一旦系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)切換，實(shí)際上引起了一個(gè)中斷操作，在OS_CPU_A.ASM文件中我們在此中斷操作中完成任務(wù)切換前的保存寄存器等工作，最后是一條中斷返回指令：RTS。這樣優(yōu)先級更高的任務(wù)運(yùn)行時(shí)就會(huì)好像剛從中斷返回一樣。

在文件OS_CPU_A.ASM中還需要編寫幾個(gè)匯編函數(shù)來實(shí)現(xiàn)ucos-ii的時(shí)鐘節(jié)拍、正常任務(wù)切換、中斷級任務(wù)切換、初始化任務(wù)堆棧等功能。

在ucos-ii中，我們可以把時(shí)鐘節(jié)拍TICKS比做是它的心臟節(jié)拍。TICKS為系統(tǒng)提供了一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)并為各個(gè)任務(wù)提供了時(shí)間等待等服務(wù)。本系統(tǒng)使用BF533的核心定時(shí)器來完成系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍的功能。系統(tǒng)TICKS設(shè)定的是100mS。以下是部分初始化核心定時(shí)器的匯編代碼：

_CoreTimerInit：

p1.H=（TCNTL》》16）;//設(shè)置時(shí)間控制寄存器

p1.L=（TCNTL&0xFFFF）;

r3=1;

［p1］=r3;

p1.H=（TCOUNT》》16）;//裝載計(jì)數(shù)值

p1.L=（TCOUNT&0xFFFF）;

［p1］=r1;

p1.H=（TCNTL》》16）;//開啟定時(shí)器

p1.L=（TCNTL&0xFFFF）;

r1=0x07;

［p1］=r1;

_CoreTimerInit.end：

除增加上述功能函數(shù)外，在ucos-ii啟動(dòng)代碼的程序中加入BF533的一些必須的初始化程序如CPU頻率的設(shè)定等，ucos-ii就可以在本系統(tǒng)上運(yùn)行起來。

2.2.2 嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)在ucos-ii中的系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序添加

ucos-ii移植完成后，嵌入式系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的功能還需要添加一些外圍電路的驅(qū)動(dòng)程序如：網(wǎng)卡芯片LAN91C111的初始化程序，視頻A/D芯片的初始化程序等。由于Blackfin系列DSP支持存儲(chǔ)空間的DMA操作，為了充分發(fā)揮BF533的硬件優(yōu)勢，本系統(tǒng)專門建立一個(gè)文件DMA_TRANS.C實(shí)現(xiàn)多個(gè)存儲(chǔ)空間的DMA操作的初始化配置，以方便各個(gè)任務(wù)實(shí)現(xiàn)其功能調(diào)用。以下就是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)卡芯片DMA存儲(chǔ)操作的部分配置文件：

voidinit_dma（LAN91C111_DATA＊d）

｛dev=d;//為LAN91C11設(shè)置一個(gè)全局靜態(tài)變量，實(shí)現(xiàn)對它的數(shù)據(jù)訪問

SET_SHORT（（dev-》DstStreamBaseAddr+OFFSET_CONFIG），（unsignedshort）0x0）;

//對目標(biāo)地址的配置清零

SET_SHORT（（dev-》SrcStreamBaseAddr+OFFSET_CONFIG），（unsignedshort）0x0）;

//對源地址的配置清零

dma_mask_en（1）;//將SIC控制寄存器的相應(yīng)DMA傳輸位置1。｝

2.3 基于ucos-ii和監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)程序添加

在ucos-ii中系統(tǒng)的各個(gè)應(yīng)用程序被當(dāng)成是任務(wù)，每個(gè)任務(wù)被分配一個(gè)優(yōu)先級，ucos-ii支持的最大任務(wù)數(shù)可在OS_CFG.H文件中指定。ucos-ii可以管理多達(dá)64個(gè)任務(wù)，并從中保留了四個(gè)最高優(yōu)先級和四個(gè)最低優(yōu)先級的任務(wù)供自己使用，所以用戶可以使用的只有56個(gè)任務(wù)。因?yàn)閡cos-ii不支持相同優(yōu)先級的任務(wù)，所以每建立一個(gè)任務(wù)就需要為任務(wù)分配一個(gè)優(yōu)先級并建立一個(gè)獨(dú)立的堆?？臻g。

本智能監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤監(jiān)控和將原始數(shù)字圖象轉(zhuǎn)化為BMP格式并向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送現(xiàn)場圖片的功能。在ucos-ii中分配了兩個(gè)任務(wù)優(yōu)先級0和1給對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤和網(wǎng)絡(luò)傳輸。之所以使網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娜蝿?wù)優(yōu)先級低于對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤的任務(wù)，是因?yàn)榭紤]到網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等因素會(huì)造成對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤的實(shí)時(shí)性效果比較差，對圖像做二值化和差分等運(yùn)算的時(shí)間不大于150mS以及攝像機(jī)云臺(tái)運(yùn)動(dòng)一次的時(shí)間大概是500mS。本系統(tǒng)在對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤任務(wù)中采取的策略是：每當(dāng)任務(wù)完成一次跟蹤，就使自己進(jìn)入掛起狀態(tài)，直到每秒定時(shí)到后，在時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)程序中喚醒該任務(wù)使之處于就緒狀態(tài)。任務(wù)的狀態(tài)圖如圖3：

3 結(jié)論

在ucos-ii的移植和系統(tǒng)應(yīng)用程序的開發(fā)過程中，針對不同的CPU有不同的開發(fā)細(xì)節(jié)，在嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

A移植過程中，對ucos-ii的堆棧的理解很重要，它的任務(wù)切換的實(shí)質(zhì)就是利用堆棧的改變和軟件中斷來實(shí)現(xiàn)任務(wù)的跳轉(zhuǎn)。并且在系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序中也要注意到這一點(diǎn)，采取適當(dāng)?shù)亩褩２僮饕允怪疂M足任務(wù)切換的條件。

B在ucos-ii上增加應(yīng)用任務(wù)之前，最好是編寫幾個(gè)如串口發(fā)送之類的簡單任務(wù)來測試移植ucos-ii后系統(tǒng)的可靠性，然后在此基礎(chǔ)上逐漸添加一些復(fù)雜的任務(wù)。

C要分析好ucos-ii各個(gè)任務(wù)的功能與時(shí)間要求，特別是在以時(shí)間為任務(wù)運(yùn)行條件的情況下，可以在時(shí)鐘中斷服務(wù)中創(chuàng)建任務(wù)。如果系統(tǒng)是應(yīng)用在對時(shí)間不敏感的場合，可以使用ucos-ii自帶的郵箱功能，用一個(gè)運(yùn)行中的任務(wù)在滿足一定條件下來喚醒另一個(gè)任務(wù)。

將ucos-ii應(yīng)用在嵌入式智能視覺監(jiān)控系統(tǒng)中后，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，該系統(tǒng)能良好完成預(yù)期的所有功能，對非高速的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤效果良好，局域網(wǎng)的PC主機(jī)能收到較清晰的HalfD1分辨率、256灰度等級的現(xiàn)場BMP圖片。

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