基于嵌入式Linux的PMP系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
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便攜式多媒體播放器(PMP)，也就是通常人們所說的MP4，已成為繼MP3以后消費類產(chǎn)品的一個新熱點。PMP的主要優(yōu)點是：攜帶方便，能夠直接播放高品質(zhì)音/視頻文件；也可以瀏覽圖片，以及作為移動硬盤、數(shù)字銀行使用；此外，還有FM、游戲等功能。PMP播放器不僅需要對機體大小有所限制，更重要的是需要一種壓縮效率更高、畫面質(zhì)量更高的視頻壓縮技術(shù)，以及相關(guān)編解碼芯片。本文介紹了此PMP系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計，重點在軟件設(shè)計，此PMP系統(tǒng)方案現(xiàn)在已經(jīng)進入量產(chǎn)階段。
PMP系統(tǒng)的硬件設(shè)計
現(xiàn)階段PMP內(nèi)部核心架構(gòu)，大多都是采用CPU搭配DSP的方式。其中，DSP負(fù)責(zé)編/解碼工作；CPU則是針對文件管理、存取，以及使用接口、周邊組件的控制等進行處理。另外，還需考慮整合硬盤、存儲卡及LCD顯示屏等組件，以及與外部USB接口、操控按鈕間的搭配等問題。為符合上述要求，PMP的設(shè)計需要內(nèi)建視頻編/解碼芯片，作為模擬與數(shù)字兩種信號間轉(zhuǎn)換之用。另外，設(shè)計還需要考慮：用來連接視頻譯碼器與DSP的總線；LCD顯示屏的驅(qū)動電路；IDE接口與硬盤控制芯片間的溝通等。
圖1 DM320的結(jié)構(gòu)圖
本系統(tǒng)整體方案是建立在TI DM320基礎(chǔ)之上的。DM320 是一款支持視頻編/解碼的帶有雙CPU核的處理器。針對多媒體器件做專門的處理, 它可以直接支持視頻輸入/輸出, 可以方便的擴展音頻的輸入/輸出, 支持USB ,SDRAM,FLASH，CF/SD/MMC/MS/MS Pro 接口。DM320的結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。
TI DM320將C5409與ARM926整合，即將CPU與DSP同時集成在DM320核心內(nèi)。芯片采用32MB或64MB容量的SDRAM，以及4MB的閃存，用作加載與存放操作系統(tǒng)。DM320本身已內(nèi)建LCD控制器、USB2.0 OTG接口控制器，同時讓CCIR-656格式信號經(jīng)由總線在視頻譯碼芯片與DM320間傳送。由于NTSC/PAL編碼器也被整合在其中，因此也可直接進行復(fù)合視頻輸出。
圖2 DM320硬件系統(tǒng)的整體框架圖
另一方面，DM320還可支持CCD/CMOS感光組件的連接，使得未來PMP要導(dǎo)入DSC、DV等更為容易。對于存儲卡的兼容性部分，除現(xiàn)階段主流的 CF、SD及MMC外，還包括Memory Stick。此外，此芯片還提供2組RS232串行端口、1組JTAG接口，能支持更多的外圍設(shè)備。DM320硬件系統(tǒng)的整體框架圖，如圖2所示。
PMP系統(tǒng)的軟件設(shè)計
因為要兼顧到高質(zhì)量的音視頻效果、多種外設(shè)和有限的系統(tǒng)資源，PMP軟件系統(tǒng)的設(shè)計變得相對復(fù)雜。系統(tǒng)設(shè)計將軟件分為三層結(jié)構(gòu)，如圖3所示。
圖3 PMP軟件設(shè)計框圖
該系統(tǒng)的最底層是操作系統(tǒng)層，其中包括bootloader引導(dǎo)程序，主要完成系統(tǒng)從FLASH的啟動，LOGO的顯示，以及OS的引導(dǎo)。嵌入式 Linux主要包括適合在TI DM320上運行的Linux操作系統(tǒng)，以及各種外圍設(shè)備的驅(qū)動程序。第2層為CODEC和MMI核層，MMI核包括第3層主GUI和各種應(yīng)用程序所依賴的各種框架結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如窗口管理，定時器管理等。CODEC部分包括音頻的編解碼程序(主要由ARM實現(xiàn))和圖像的編解碼程序(主要由DSP實現(xiàn))。最上層為主GUI和各種應(yīng)用程序。應(yīng)用程序包括：FileManager(用來瀏覽存儲器中的文件)，VideoPlayer(播放視頻文件)， AudioPlayer(播放音頻文件)，ImageViewer(瀏覽圖片)，F(xiàn)M(收音機)，Games(游戲)，Resumes(重新播放音/視頻文件)。
嵌入式Linux操作系統(tǒng)
本系統(tǒng)采用的Linux內(nèi)核是對從Internet上下載比較穩(wěn)定的Arm-Linux內(nèi)核進行相應(yīng)的修改,并編寫相關(guān)外圍設(shè)備的驅(qū)動程序,使之成為一個適合TI DM320開發(fā)的操作系統(tǒng)環(huán)境。之所以稱為嵌入式，是因為其操作系統(tǒng)運行的環(huán)境并不是普通的PC，而且嵌入在非PC構(gòu)架的電子設(shè)備中。
關(guān)于內(nèi)核修改Kconfig文件
Kconfig文件是用來對你所要加載內(nèi)核內(nèi)容進行配置的文件。比如，當(dāng)在控制臺上敲入make menuconfig，就會看到內(nèi)核配置的窗口，可對其中的內(nèi)容進行選擇。選擇[*]表示把此內(nèi)容編入內(nèi)核，選擇[M]表示把此內(nèi)容當(dāng)成模塊編譯。
Linux支持動態(tài)加載內(nèi)核模塊的功能，甚至可以在運行操作系統(tǒng)一段時間后再加載內(nèi)核模塊。由于DM320框架并未列入內(nèi)核中，所以我們需要把DM320 框架加入內(nèi)核。首先，就要在內(nèi)核目錄下./arch/arm/Kconfig加入DM320的配置選項，這樣才能在執(zhí)行make menuconfig配置內(nèi)核時看到DM320框架。修改的部分內(nèi)容如下所示：
同時，去掉其他CPU框架。如：
最后，就是要把內(nèi)核配置選項中對DM320開發(fā)有用的項選進來。比如：
因為要把CODEC編入內(nèi)核，所以我們還要加入支持CODEC的配置選項：
source "codecs/modules/Kconfig"
同時，如果我們要加入一個新外圍設(shè)備，也需要在Kconfig文件中加入對應(yīng)的內(nèi)容。比如說，要加入一個三星的4英寸TFT LCD的驅(qū)動，我們可以修改./drivers/char/Kconfig文件，并加入以下內(nèi)容：
其中，config DM320_SAMSUNG_4_LCD表示增加一個新的配置入口。一旦這個配置選項被選中就會在. /include/Linux/autoconf.h:有:#define CONFIG_DM320_SAMSUNG_4_LCD 1的定義。
這樣的話,我們在整個內(nèi)核源碼樹中都可以使用CONFIG_DM320_SAMSUNG_4_LCD來進行特定的選擇。
在tristate "DM320 SAMSUNG 4.0 inch 16:9 TFT LCD"中，引號里的內(nèi)容為出現(xiàn)在配置選項中的提示文字。tristate表示三態(tài),意思是除了可以選擇[*]、[ ]外,還可以選擇[M],表示把當(dāng)前內(nèi)容當(dāng)成模塊編譯。 depends on ARCH_DM320_20 && BOARD_400H表示如果前面配置平臺框架時選擇了ARCH_DM320_20,并在選擇型號時選擇了BOARD_400H,我們就可以看到這個對于三星4英寸TFT LCD的配置選項。
default y表示默認(rèn)把此驅(qū)動編入內(nèi)核。help的內(nèi)容為當(dāng)我們對內(nèi)核進行配置時,選幫助所看到的內(nèi)容。
Makefile文件：簡單地說，Makefile是用來進行項目配置和管理的。我們要把Linux編譯、鏈接最后生成可執(zhí)行的內(nèi)核映像,Makefile文件是必不可少的。
在該PMP設(shè)計開發(fā)中,只需要把外設(shè)驅(qū)動模塊加入相應(yīng)的內(nèi)核源碼樹就可以完成對Makefile文件的修改。以加入三星4英寸TFT LCD驅(qū)動為例，只需要在./drivers/char/Makefile加入如下內(nèi)容即可：obj-$(CONFIG_DM320_ SAMSUNG_4_LCD) += dm320_lcd_samsung4.o
PMP系統(tǒng)設(shè)計中兩個必須的驅(qū)動以及要注意的問題
LCD驅(qū)動程序
在一個PMP設(shè)備中，LCD顯示屏是必備的。在LCD驅(qū)動程序的設(shè)計過程中，主要是要選好時鐘源、分頻系數(shù)以及時鐘極性。比如在DM320中，時鐘控制器有以下幾個外部輸入：PCLK、SYSCLK、MXI、M48XI，其中除了M48XI外其余均選擇27M外部晶振。LCD的時鐘頻率DCLK在本系統(tǒng)中是由VENC(Video Encoder Clock)確定,而VENC又可以通過系統(tǒng)的PLL分頻而確定，所以說首先要選好時鐘源和恰當(dāng)?shù)姆诸l系數(shù)，然后通過設(shè)置VENC的寄存器就可以設(shè)置時鐘的極性。
FrameBuffer驅(qū)動
FrameBuffer是把顯存抽象成一個設(shè)備，通過對這個設(shè)備的讀寫就等同于直接對顯存進行操作。這種操作是抽象的、統(tǒng)一的。用戶不必關(guān)心顯存的物理位置、換頁機制等具體細(xì)節(jié)，這些都是由FrameBuffer設(shè)備驅(qū)動程序來完成的。 FrameBuffer對應(yīng)的源文件在Linux/drivers/video/目錄下。全部的抽象設(shè)備文件作為fbcon.c與各種顯卡驅(qū)動程序相關(guān)的源文件放在該目錄下，如筆者所進行的針對DM320的FrameBuffer源文件dm320fb.c。在源文件我們要設(shè)置相應(yīng)屏幕的長、寬以及每一個像素點的位數(shù)等等，還有一些與DM320 OSD(On-Screen Display)相關(guān)的寄存器的設(shè)置。因為涉及內(nèi)容較多，在此不再贅述。
結(jié)語
本PMP方案設(shè)計的產(chǎn)品已經(jīng)進入量產(chǎn)階段，經(jīng)過大量的用戶測試，證實了整個設(shè)計是切實可行的。同時，其設(shè)計思路對于其他類似產(chǎn)品如車載GPS，都有一定的參考價值。
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