一種打印控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1. 引言

當(dāng)前，大多數(shù)打印機(jī)都是由桌面機(jī)及相應(yīng)軟件來(lái)驅(qū)動(dòng)的，打印機(jī)（printer） 是計(jì)算機(jī)的輸出設(shè)備之一，用于將計(jì)算機(jī)處理結(jié)果打印在相關(guān)介質(zhì)上。衡量打印機(jī)好壞的指標(biāo)有三項(xiàng)：打印分辨率，打印速度和噪聲。將計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果或中間結(jié)果以人所能識(shí)別的數(shù)字 、字母、符號(hào)和圖形等，依照規(guī)定的格式印在紙上的設(shè)備。打印機(jī)正向輕、薄、短、小、低功耗、高速度和智能化方向發(fā)展。打印機(jī)[1]的種類很多，按打印元件對(duì)紙是否有擊打動(dòng)作，分擊打式打印機(jī)與非擊打式打印機(jī)。按打印字符結(jié)構(gòu)，分全形字打印機(jī)和點(diǎn)陣字符打印機(jī)。按一行字在紙上形成的方式，分串式打印機(jī)與行式打印機(jī)。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(jī)。

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(jí)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(jià)比，低功耗的應(yīng)用。微機(jī)中的中央處理器（CPU）稱為微處理器（MPU），是構(gòu)成微機(jī)的核心部件，也可以說(shuō)是微機(jī)的心臟。它起到控制整個(gè)微型計(jì)算機(jī)工作的作用，產(chǎn)生控制信號(hào)對(duì)相應(yīng)的部件進(jìn)行控制，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。在微機(jī)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(shuō)的16位機(jī)、32位機(jī)是指該計(jì)算機(jī)中微處理器內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的寬度，也就是CPU可同時(shí)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(chǔ)器： 采用Samsung公司K9F1208U0M Nand flash存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)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(chǔ)使用。

（3）SDRAM存儲(chǔ)器： 采用HY57V561620CT,大小為32MB.

（4）USB集線器芯片： 采用ALCOR MICRO公司AU9254A21型號(hào)的USB集線器芯片，可將系統(tǒng)擴(kuò)展為4個(gè)USB外部接口，用于連接打印機(jī)，U盤(pán)，鼠標(biāo)，鍵盤(pán)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(jì)

3.1 linux操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介

Linux是一類Unix計(jì)算機(jī)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(kāi)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(shí)間）。以后借助于Internet 網(wǎng)絡(luò)，并經(jīng)過(guò)全世界各地計(jì)算機(jī)愛(ài)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(zhǎng)。嚴(yán)格來(lái)講，Linux這個(gè)詞本身只表示Linux內(nèi)核，但在實(shí)際上人們已經(jīng)習(xí)慣了用Linux來(lái)形容整個(gè)基于Linux內(nèi)核，并且使用GNU 工程各種工具和數(shù)據(jù)庫(kù)的操作系統(tǒng)。Linux 操作系統(tǒng)的誕生、發(fā)展和成長(zhǎng)過(guò)程始終依賴著以下五個(gè)重要支柱：UNIX 操作系統(tǒng)、MINIX 操作系統(tǒng)、GNU 計(jì)劃、POSIX 標(biāo)準(zhǔn)和Internet 網(wǎng)絡(luò)。

目前國(guó)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(diǎn)，發(fā)展最快，應(yīng)用最廣。

Linux操作系統(tǒng)有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）免費(fèi)使用，節(jié)省了大量的開(kāi)發(fā)費(fèi)用。

（2）開(kāi)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(kāi)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(fèi)資源。

（3）可移植性，能夠應(yīng)用于多種硬件平臺(tái)。原形可以在標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)，然后移植到具體硬件上，加快了開(kāi)發(fā)過(guò)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(guò)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(jī)的命令方式，可以將其分成文本打印機(jī)、PostScript打印機(jī)和其它種類。所謂文本打印機(jī)，就是那些比較古老的針式打印機(jī)，我們不需要驅(qū)動(dòng)程序，就可以直接用cat命令驅(qū)動(dòng)打印機(jī)打印文字，但只能打印英文，這種打印機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)很少使用了。PostScript（簡(jiǎn)稱PS）是一種繪圖能力很強(qiáng)的解釋性腳本語(yǔ)言，1985年由Adobe公司制定。由于它占用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源少，處理過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化而且與設(shè)備無(wú)關(guān)，所以被廣泛的應(yīng)用于打印系統(tǒng)?，F(xiàn)在，能夠直接支持PostScript的打印機(jī)，通常都是非常高級(jí)的辦公打印機(jī)，對(duì)于這種打印機(jī)來(lái)說(shuō)，PS語(yǔ)言是它們和計(jì)算機(jī)之間溝通的最簡(jiǎn)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(jī)打印。

接下來(lái)，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(gè)主要問(wèn)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(dú)立的小程序，將它們搭配使用，可以對(duì)圖像進(jìn)行諸如縮放，旋轉(zhuǎn)等各種處理。

（2） GhostScript程序：

對(duì)于支持PostScript的打印機(jī)而言，要在Linux下使用是比較容易的，但對(duì)于那些不支持PostScript的打印機(jī)而言，就必須要把PostScript格式轉(zhuǎn)換成打印機(jī)能夠識(shí)別的命令格式，而GhostScript就是用來(lái)完成這個(gè)工作的。Ghostscript是PostScript打印機(jī)模擬程序，通過(guò)軟件模擬PostScript打印機(jī)，它的具體工作是將PostScript頁(yè)面描述語(yǔ)言，轉(zhuǎn)譯成各種打印機(jī)專用的低階打印指令，并發(fā)送給打印機(jī)執(zhí)行。因此，Ghostscript需要知道各種打印機(jī)的指令語(yǔ)言，這就是的打印機(jī)驅(qū)動(dòng)程序。

（3）打印機(jī)驅(qū)動(dòng)程序：

打印機(jī)驅(qū)動(dòng)程序是應(yīng)用軟件與打印機(jī)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(jī)不同的格式發(fā)送給打印機(jī)，因此不同的打印機(jī)都有自己特有的打印驅(qū)動(dòng)程序。另外，隨驅(qū)動(dòng)程序一起發(fā)布的還有PPD文檔，PPD（PostScript Printer Description）是用來(lái)描述打印機(jī)功能的文件，里面包含了字體，打印頁(yè)面等的一些描述。

（4）打印管理程序：

作為一個(gè)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(jì)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(shí)候不會(huì)產(chǎn)生沖突，就需要一個(gè)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(shí)下非常流行的CUPS,它們功能各異，但有一點(diǎn)不變的就是都是用來(lái)協(xié)調(diào)打印任務(wù)的。CUPS的工作方式如下：通過(guò)命令行接收要打印的文件；通過(guò)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(guò)PPD文件來(lái)判斷GhostScript應(yīng)使用何種驅(qū)動(dòng)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(wèn)題長(zhǎng)時(shí)間不統(tǒng)一，誕生了各種打印管理程序，而要學(xué)會(huì)為每一個(gè)打印管理程序安裝驅(qū)動(dòng)程序，是一件非常復(fù)雜的事情；如果用戶需要更換打印機(jī)，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(guò)一種方式管理所有的打印機(jī)，把PPD文檔和打印管理程序的配置屏蔽掉，給用戶一個(gè)友好的統(tǒng)一的界面。

在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，因?yàn)槠湎到y(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(wèn)題。一臺(tái)不支持PostScript格式的打印機(jī)工作時(shí)會(huì)占用大量的CPU處理時(shí)間和內(nèi)存空間，只是在PC上工作時(shí)，由于CPU處理速度快，內(nèi)存空間大，所以用戶感覺(jué)不到罷了?；谝陨峡紤]，本文所設(shè)計(jì)的嵌入式打印系統(tǒng)，在保留上述打印機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的情況下，以簡(jiǎn)單的shell腳本程序代替CUPS等龐大的打印管理程序，以自行開(kāi)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)，同時(shí)使用這一系列的通用驅(qū)動(dòng)程序hpijs（含多種打印機(jī)型號(hào)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(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題：

（1）交叉編譯：

IEEE（國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義：“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”。嵌入式項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)中，有一個(gè)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(guò)這個(gè)工具鏈的編譯，鏈接后才能生成可以在嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行的代碼。在過(guò)去，編譯一套工具鏈要花費(fèi)開(kāi)發(fā)人員不少的時(shí)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(méi)有使用CUPS打印管理程序，是因?yàn)樗鼤?huì)耗費(fèi)大量的系統(tǒng)資源，這對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)無(wú)疑是致命的。但節(jié)約資源的同時(shí)，我們也要花費(fèi)時(shí)間去設(shè)計(jì)一個(gè)適和于目標(biāo)系統(tǒng)的程序，來(lái)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(jì)

Foomatic應(yīng)用程序本身并不大，但它是一個(gè)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(duì)系統(tǒng)會(huì)有十幾兆的開(kāi)銷。因此，我們選擇用Qt/Embedded工具包開(kāi)發(fā)了一套簡(jiǎn)單的用戶界面。其主要功能是讓用戶可以看到存儲(chǔ)設(shè)備（flash存儲(chǔ)器或外接usb存儲(chǔ)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(lái)，供用戶做簡(jiǎn)單編輯后再打印；另外，可以讓用戶看到驅(qū)動(dòng)程序所支持的幾十種打印機(jī)型號(hào)，用戶更換打印機(jī)后，只要更改相應(yīng)的型號(hào)，程序就會(huì)自動(dòng)調(diào)整打印命令，方便了用戶的管理和使用。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式Linux的打印控制設(shè)備，在一般打印機(jī)上實(shí)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(dòng)程序，我們可以將其應(yīng)用于所有打印機(jī)，這樣既獲得了優(yōu)越的性能又節(jié)省了開(kāi)支，具有較高的實(shí)用價(jià)值。