一種打印控制系統(tǒng)的設(shè)計

1. 引言

當(dāng)前，大多數(shù)打印機都是由桌面機及相應(yīng)軟件來驅(qū)動的，打印機（printer） 是計算機的輸出設(shè)備之一，用于將計算機處理結(jié)果打印在相關(guān)介質(zhì)上。衡量打印機好壞的指標(biāo)有三項：打印分辨率，打印速度和噪聲。將計算機的運算結(jié)果或中間結(jié)果以人所能識別的數(shù)字 、字母、符號和圖形等，依照規(guī)定的格式印在紙上的設(shè)備。打印機正向輕、薄、短、小、低功耗、高速度和智能化方向發(fā)展。打印機[1]的種類很多，按打印元件對紙是否有擊打動作，分擊打式打印機與非擊打式打印機。按打印字符結(jié)構(gòu)，分全形字打印機和點陣字符打印機。按一行字在紙上形成的方式，分串式打印機與行式打印機。按所采用的技術(shù)，分柱形、球形、噴墨式、熱敏式、激光式、靜電式、磁式、發(fā)光二極管式等打印機。

2.打印控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示：

各主要模塊基本組成描述如下：

（1） 微處理器MPU：本系統(tǒng)采用的嵌入式微處理器是Samsung公司S3C2410。這塊處理器是一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器，采用五級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，提供1.1MIPS/MHz的性能，主要面向手持設(shè)備以及高性價比，低功耗的應(yīng)用。微機中的中央處理器（CPU）稱為微處理器（MPU），是構(gòu)成微機的核心部件，也可以說是微機的心臟。它起到控制整個微型計算機工作的作用，產(chǎn)生控制信號對相應(yīng)的部件進(jìn)行控制，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。在微機中，CPU被集成在一片超大規(guī)模集成電路芯片上，稱為微處理器（MPU），微處理器插在主板的cpu插槽中。通常所說的16位機、32位機是指該計算機中微處理器內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的寬度，也就是CPU可同時操作的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。目前常用的CPU都是32位的，即一次可傳送32位二進(jìn)制數(shù)。

（2）Flash存儲器： 采用Samsung公司K9F1208U0M Nand flash存儲器，存儲容量為64MB,用于存放嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，剩余空間用于暫存文件和用戶自由存儲使用。

（3）SDRAM存儲器： 采用HY57V561620CT,大小為32MB.

（4）USB集線器芯片： 采用ALCOR MICRO公司AU9254A21型號的USB集線器芯片，可將系統(tǒng)擴(kuò)展為4個USB外部接口，用于連接打印機，U盤，鼠標(biāo)，鍵盤等外部設(shè)備。

（5）觸摸屏：采用Sharp公司的3.5寸LCD液晶屏， 320×240的分辨率，自帶觸摸功能。

3. 打印控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 linux操作系統(tǒng)簡介

Linux是一類Unix計算機操作系統(tǒng)的統(tǒng)稱。Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核的名字也是“Linux”。Linux操作系統(tǒng)也是自由軟件和開放源代碼發(fā)展中最著名的例子。它誕生于1991 年的10 月5 日（這是第一次正式向外公布的時間）。以后借助于Internet 網(wǎng)絡(luò)，并經(jīng)過全世界各地計算機愛好者的共同努力下，現(xiàn)已成為今天世界上使用最多的一種UNIX 類操作系統(tǒng)，并且使用人數(shù)還在迅猛增長。嚴(yán)格來講，Linux這個詞本身只表示Linux內(nèi)核，但在實際上人們已經(jīng)習(xí)慣了用Linux來形容整個基于Linux內(nèi)核，并且使用GNU 工程各種工具和數(shù)據(jù)庫的操作系統(tǒng)。Linux 操作系統(tǒng)的誕生、發(fā)展和成長過程始終依賴著以下五個重要支柱：UNIX 操作系統(tǒng)、MINIX 操作系統(tǒng)、GNU 計劃、POSIX 標(biāo)準(zhǔn)和Internet 網(wǎng)絡(luò)。

目前國際上有兩百多種嵌入式操作系統(tǒng)，比較有影響力的幾種是：VxWorks, uC/OS, Windows CE, Linux, QNX, Palm OS.這其中，Linux以其諸多的優(yōu)點，發(fā)展最快，應(yīng)用最廣。

Linux操作系統(tǒng)有如下幾個特點：

（1）免費使用，節(jié)省了大量的開發(fā)費用。

（2）開放源代碼，可以根據(jù)需要隨意定制內(nèi)核。也正是由于其開源性，使得Linux成為自由軟件世界的一面旗幟，也使得我們能夠從廣袤的網(wǎng)絡(luò)世界中獲取大量的免費資源。

（3）可移植性，能夠應(yīng)用于多種硬件平臺。原形可以在標(biāo)準(zhǔn)平臺上開發(fā)，然后移植到具體硬件上，加快了開發(fā)過程。

（4）高度的模塊化使添加部件非常容易。

本文所述系統(tǒng)采用經(jīng)過裁減（依據(jù)外圍硬件和所需服務(wù)）的linux操作系統(tǒng)。

3.2 linux操作系統(tǒng)下的打印控制系統(tǒng)

根據(jù)打印機的命令方式，可以將其分成文本打印機、PostScript打印機和其它種類。所謂文本打印機，就是那些比較古老的針式打印機，我們不需要驅(qū)動程序，就可以直接用cat命令驅(qū)動打印機打印文字，但只能打印英文，這種打印機現(xiàn)在已經(jīng)很少使用了。PostScript（簡稱PS）是一種繪圖能力很強的解釋性腳本語言，1985年由Adobe公司制定。由于它占用計算機系統(tǒng)資源少，處理過程標(biāo)準(zhǔn)化而且與設(shè)備無關(guān)，所以被廣泛的應(yīng)用于打印系統(tǒng)。現(xiàn)在，能夠直接支持PostScript的打印機，通常都是非常高級的辦公打印機，對于這種打印機來說，PS語言是它們和計算機之間溝通的最簡便的方式，應(yīng)用程序可以將生成的PS文檔直接發(fā)給打印機打印。

接下來，我們根據(jù)圖2所示框圖，介紹一下打印控制系統(tǒng)中的幾個主要問題：

（1）格式轉(zhuǎn)化程序Netpbm:

一組轉(zhuǎn)換圖形格式的程序集，可以將png和jpg等格式的圖像經(jīng)中間格式PNM,最終轉(zhuǎn)換成通用的PostScript格式。其中包括了pngtopnm,pnmtops等一系列獨立的小程序，將它們搭配使用，可以對圖像進(jìn)行諸如縮放，旋轉(zhuǎn)等各種處理。

（2） GhostScript程序：

對于支持PostScript的打印機而言，要在Linux下使用是比較容易的，但對于那些不支持PostScript的打印機而言，就必須要把PostScript格式轉(zhuǎn)換成打印機能夠識別的命令格式，而GhostScript就是用來完成這個工作的。Ghostscript是PostScript打印機模擬程序，通過軟件模擬PostScript打印機，它的具體工作是將PostScript頁面描述語言，轉(zhuǎn)譯成各種打印機專用的低階打印指令，并發(fā)送給打印機執(zhí)行。因此，Ghostscript需要知道各種打印機的指令語言，這就是的打印機驅(qū)動程序。

（3）打印機驅(qū)動程序：

打印機驅(qū)動程序是應(yīng)用軟件與打印機之間交流的橋梁，它可以將轉(zhuǎn)化好的打印文件，按照各種打印機不同的格式發(fā)送給打印機，因此不同的打印機都有自己特有的打印驅(qū)動程序。另外，隨驅(qū)動程序一起發(fā)布的還有PPD文檔，PPD（PostScript Printer Description）是用來描述打印機功能的文件，里面包含了字體，打印頁面等的一些描述。

（4）打印管理程序：

作為一個多用戶多任務(wù)的操作系統(tǒng)，Linux上的所有程序都是基于多任務(wù)、多用戶而設(shè)計的，打印也不例外。為了讓不同的用戶、不同的任務(wù)在打印的時候不會產(chǎn)生沖突，就需要一個打印管理程序，我們通常稱其為spooler。這類管理程序很多，從傳統(tǒng)的LPD，到時下非常流行的CUPS,它們功能各異，但有一點不變的就是都是用來協(xié)調(diào)打印任務(wù)的。CUPS的工作方式如下：通過命令行接收要打印的文件；通過文件的類型判斷是否需要將其轉(zhuǎn)換為PostScript，如果需要，則調(diào)用相應(yīng)的應(yīng)用程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換；通過PPD文件來判斷GhostScript應(yīng)使用何種驅(qū)動處理此PostScript文件；把GhostScript處理的結(jié)果輸出到打印設(shè)備上。

（5）用戶統(tǒng)一界面Foomatic：

由于打印領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)問題長時間不統(tǒng)一，誕生了各種打印管理程序，而要學(xué)會為每一個打印管理程序安裝驅(qū)動程序，是一件非常復(fù)雜的事情；如果用戶需要更換打印機，也必須更改復(fù)雜的設(shè)置。為了改善這種狀況，就出現(xiàn)了Foomatic應(yīng)用程序，它的作用是通過一種方式管理所有的打印機，把PPD文檔和打印管理程序的配置屏蔽掉，給用戶一個友好的統(tǒng)一的界面。

在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中，因為其系統(tǒng)資源有限，合理分配資源和保證處理速度是我們首先要考慮的問題。一臺不支持PostScript格式的打印機工作時會占用大量的CPU處理時間和內(nèi)存空間，只是在PC上工作時，由于CPU處理速度快，內(nèi)存空間大，所以用戶感覺不到罷了?；谝陨峡紤]，本文所設(shè)計的嵌入式打印系統(tǒng)，在保留上述打印機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的情況下，以簡單的shell腳本程序代替CUPS等龐大的打印管理程序，以自行開發(fā)的圖形用戶界面代替Foomatic應(yīng)用程序。另外，由于惠普公司的打印機驅(qū)動程序具有良好的通用性和可移植性，因此我們選擇HP Deskjet系列噴墨打印機，同時使用這一系列的通用驅(qū)動程序hpijs（含多種打印機型號的PPD文檔），源代碼由惠普公司官方網(wǎng)站提供。

3.3軟件設(shè)計中的關(guān)鍵問題：

（1）交叉編譯：

IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會）對嵌入式系統(tǒng)的定義：“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設(shè)備的裝置”。嵌入式項目的開發(fā)中，有一個重要的環(huán)節(jié)就是構(gòu)建交叉編譯工具鏈。所有的軟件源程序，必須經(jīng)過這個工具鏈的編譯，鏈接后才能生成可以在嵌入式系統(tǒng)上運行的代碼。在過去，編譯一套工具鏈要花費開發(fā)人員不少的時間，但現(xiàn)在在網(wǎng)上很容易就可以下載一套已經(jīng)做好的工具鏈。

（2）打印任務(wù)管理程序：

沒有使用CUPS打印管理程序，是因為它會耗費大量的系統(tǒng)資源，這對于嵌入式系統(tǒng)來說無疑是致命的。但節(jié)約資源的同時，我們也要花費時間去設(shè)計一個適和于目標(biāo)系統(tǒng)的程序，來管理打印任務(wù)。程序流程圖如下所示：

3.4 用戶圖形界面設(shè)計

Foomatic應(yīng)用程序本身并不大，但它是一個Perl腳本程序，所以如果要使用它，我們還得額外移植一套龐大的Perl腳本解釋器，這對系統(tǒng)會有十幾兆的開銷。因此，我們選擇用Qt/Embedded工具包開發(fā)了一套簡單的用戶界面。其主要功能是讓用戶可以看到存儲設(shè)備（flash存儲器或外接usb存儲設(shè)備）上的文件，以便選擇打印，其中jpg和png格式的圖像還可以顯示出來，供用戶做簡單編輯后再打??；另外，可以讓用戶看到驅(qū)動程序所支持的幾十種打印機型號，用戶更換打印機后，只要更改相應(yīng)的型號，程序就會自動調(diào)整打印命令，方便了用戶的管理和使用。

4.結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于嵌入式Linux的打印控制設(shè)備，在一般打印機上實現(xiàn)了脫離PC預(yù)覽，編輯，控制，打印的功能。這一設(shè)備具有很大的靈活性，只要移植相應(yīng)的驅(qū)動程序，我們可以將其應(yīng)用于所有打印機，這樣既獲得了優(yōu)越的性能又節(jié)省了開支，具有較高的實用價值。