基于ARM Linux QT掌上多媒體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

0 引言

隨著人們生活水平的提高，消費(fèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化，消費(fèi)者用于娛樂(lè)方面的支出在總支出中所占的比例正在不斷擴(kuò)大。掌上多媒體系統(tǒng)可以滿(mǎn)足人們對(duì)于試聽(tīng)以及便攜的需求，另外還可以實(shí)現(xiàn)一些其他功能，如圖片瀏覽、網(wǎng)絡(luò)下載、以及影音錄制等。目前市場(chǎng)上的掌上多媒體系統(tǒng)多是Windows CE、Symbian、Palm OS等商用操作系統(tǒng)，其開(kāi)放的程序不夠高，而且價(jià)格偏高，不適于第三方應(yīng)用軟件的移植。ARM體系作為專(zhuān)用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通用處理器內(nèi)核，具備高性能、低功耗、易擴(kuò)展的特點(diǎn)。本系統(tǒng)基于ARM9、嵌入式Linux操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)更為開(kāi)放的嵌入式平臺(tái)，來(lái)實(shí)現(xiàn)掌上多媒體系統(tǒng)的諸多功能。

1 多功能掌上媒體播放器系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

多功能掌上媒體播放器系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。LCD采用的是Sharp的TFT屏，3．52in，分辨率240×320；音頻控制器是IIS接口的音頻控制器，解碼芯片是UDA1314TS；另外擴(kuò)展了用于視頻錄制的Philips的視頻解碼芯片SAA7113和ADI的JPEG壓縮芯片。視頻錄制的框圖如圖2所示。

2 多功能掌上媒體播放器系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的難點(diǎn)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的總體框架如圖3所示。

2．1 嵌入式Linux操作系統(tǒng)

Linux最初由Linux Torvalds編寫(xiě)，后來(lái)在網(wǎng)絡(luò)上被眾多的Linux愛(ài)好者加以修改和維護(hù)，具有內(nèi)核高效穩(wěn)定、開(kāi)源、可移植性強(qiáng)、內(nèi)核可定制可裁剪、多線(xiàn)程多任務(wù)等特點(diǎn)，因此選擇其作為本媒體播放器系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。

首先定制裁剪并移植了Linux2．6的內(nèi)核，然后為使各硬件能正常工作編寫(xiě)了鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)、LCD驅(qū)動(dòng)、觸摸屏驅(qū)動(dòng)、音頻驅(qū)動(dòng)、USB驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)。多功能掌上多媒體系統(tǒng)的正常工作首先是進(jìn)入ARM－Linux操作系統(tǒng)，然后加載各個(gè)硬件的驅(qū)動(dòng)程序并初始化各外圍設(shè)備，接著就進(jìn)入基于QT／Embedded庫(kù)的Qtopia桌面系統(tǒng)編寫(xiě)的GUI圖形界面程序的播放器，最后選擇要進(jìn)行的操作。

對(duì)于Linux內(nèi)核的移植首先要移植bootloader，系統(tǒng)采用的是VIVI，其功能包括：分區(qū)管理、參數(shù)管理、啟動(dòng)Linux操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)管理、支持網(wǎng)絡(luò)、通過(guò)串口下載程序到Flash或者RAM等。建立嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境，使得能夠交叉編譯源代碼，對(duì)VIVI的源代碼進(jìn)行交叉編譯，生成能在ARM Linux上運(yùn)行的bin文件，通過(guò)開(kāi)發(fā)板的JTAG口將其燒寫(xiě)到開(kāi)發(fā)板的Flash中。

對(duì)內(nèi)核的移植首先要對(duì)內(nèi)核進(jìn)行修改MAKEFILE文件指定編譯器以及目標(biāo)平臺(tái)，然后配置內(nèi)核，交叉編譯生成內(nèi)核鏡像，通過(guò)UART口(串口)下載到開(kāi)發(fā)板上。移植相應(yīng)的文件系統(tǒng)。文件系統(tǒng)中的文件是數(shù)據(jù)的集合，不僅包含著文件中的數(shù)據(jù)，而且還有文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，所有Linux用戶(hù)和程序看到的文件、目錄、軟連接及文件保護(hù)信息等都存儲(chǔ)在其中。在設(shè)計(jì)過(guò)程中把文件系統(tǒng)設(shè)置為可讀寫(xiě)，這樣操作性強(qiáng)一些，在投入到生產(chǎn)中的時(shí)候應(yīng)該把文件系統(tǒng)設(shè)置為只讀的，這樣整個(gè)掌上多功能媒體播放器的操作系統(tǒng)就加載好了。

2．2 驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)共涉及到鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)、觸摸屏驅(qū)動(dòng)、LCD驅(qū)動(dòng)、音頻驅(qū)動(dòng)和USB驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)。因?yàn)槎嗝襟w功能是本系統(tǒng)的重點(diǎn)，所以播放器部分很重要，這里主要介紹音頻驅(qū)動(dòng)的編寫(xiě)。

目前Linux下常用的音頻驅(qū)動(dòng)程序主要有兩種類(lèi)型：OSS(Open Sound System) 和ALSA。最早出現(xiàn)的Linux上的編程接口是OSS，它由一套完整的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序模塊組成，可為大多數(shù)音頻芯片驅(qū)動(dòng)提供統(tǒng)一的編程接口。在嵌入式系統(tǒng)中，對(duì)于特定的處理器(如本系統(tǒng)采用的S3C2410)，可以按照OSS接口標(biāo)準(zhǔn)來(lái)編寫(xiě)音頻驅(qū)動(dòng)程序，以滿(mǎn)足Linux上的應(yīng)用程序。OSS接口已經(jīng)足夠簡(jiǎn)單，需要完成的主要的工作就是對(duì)音頻設(shè)備(本系統(tǒng)采用的是Philips的UDA1314TS)的read，write和ioctl等操作。

系統(tǒng)音頻驅(qū)動(dòng)主要是對(duì)UDA1314TS進(jìn)行驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)，包括對(duì)UDA1314TS的L3接口的控制。首先初始化I／O和UDA1 314芯片，然后申請(qǐng)兩個(gè)DMA(Direct Memory Access)通道用于音頻傳輸(音頻數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都通過(guò)一個(gè)先入先出的隊(duì)列FIFO，但是只靠FIFO要保證音頻的連續(xù)播放是很困難的，所以申請(qǐng)DMA通道來(lái)解決此問(wèn)題)。OSS標(biāo)準(zhǔn)中由兩個(gè)最基本的音頻設(shè)備：混音器(Mixer)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)又稱(chēng)編解碼器，其中混音器主要用來(lái)控制輸入輸出音量的大小，只有open和release以及幾個(gè)接管OSS標(biāo)準(zhǔn)的iotcl。而DSF設(shè)備驅(qū)動(dòng)的方法比較復(fù)雜，主要包括open、release、read、write、poll、ioctl。其中主要在write和read方法中實(shí)現(xiàn)音頻的播放和錄音。以播放音頻來(lái)說(shuō)明DSP驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)，對(duì)應(yīng)了驅(qū)動(dòng)程序中的open和write方法，它們利用DMA實(shí)現(xiàn)了音頻的播放。在open中，首先判斷設(shè)備打開(kāi)的方法：讀取、寫(xiě)入和讀／寫(xiě)，分別對(duì)應(yīng)音頻的錄音、播放以及錄音同時(shí)回放，然后申請(qǐng)兩個(gè)與音頻DMA緩沖區(qū)相關(guān)的，在初始化DMA時(shí)要用到，最后程序可以根據(jù)設(shè)備打開(kāi)模式的初始化S3C2410的工作模式，并清空所需的DMA緩沖區(qū)(在write方法被調(diào)用時(shí)創(chuàng)建)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，把它留給緩沖區(qū)創(chuàng)建。在這里，因?yàn)槭褂昧藘蓚€(gè)DMA音頻數(shù)據(jù)傳輸，DMA緩沖的建立發(fā)生在第一次調(diào)用wri te將音頻數(shù)據(jù)傳送到設(shè)備，而OSS驅(qū)動(dòng)的調(diào)用者通常要在打開(kāi)音頻設(shè)備時(shí)就期望獲得DMA緩沖的信息，然而因?yàn)榫彌_尚未建立，會(huì)使得緩沖大小為0這個(gè)結(jié)果，解決辦法時(shí)在兩個(gè)與音頻DMA緩沖區(qū)相關(guān)的程序部分一定不能少了以下代碼：

if(!output_stream．bufferaudio_setup_buf(＆out stream))
return-ENOMEM；

在Write方法中首先判斷設(shè)備文件打開(kāi)的方式，具有write特性打開(kāi)的設(shè)備才可以寫(xiě)入，然后判斷是否沒(méi)有建立DMA緩沖區(qū)，若沒(méi)有，則通過(guò)audio_setup_buf()來(lái)創(chuàng)建，定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體(audio_stream_t)的指針如下：

2．3 GUl程序的設(shè)計(jì)與播放器的實(shí)現(xiàn)

2．3．1 GUI程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

播放器的圖形界面在Qtopia視窗環(huán)境下運(yùn)行，采用Qt／Embedded2．3．7作為底層圖形庫(kù)，用于生成用戶(hù)界面。QT是一個(gè)跨平臺(tái)的c++圖形用戶(hù)界面庫(kù)，Qt／Embedded是面向嵌入式系統(tǒng)的版本，其最大的特點(diǎn)就是使信號(hào)和槽用于對(duì)象間的通信，Qt的窗口部件有多個(gè)預(yù)定義的信號(hào)，槽是一個(gè)可以被調(diào)用處理特定信號(hào)的函數(shù)。Qt的窗口部件有多個(gè)預(yù)定義的槽，當(dāng)一個(gè)特定事件發(fā)生的時(shí)候，一個(gè)信號(hào)被發(fā)射，對(duì)應(yīng)感興趣的槽就會(huì)調(diào)用對(duì)應(yīng)的相應(yīng)函數(shù)。播放器界面主要包括主界面窗口、文件操作窗口、播放列表窗口。主界面窗口有一個(gè)顯示屏和一些控制按鈕，包括播放、暫停、快進(jìn)、快退、下一首、上一首、音量調(diào)整以及播放進(jìn)度條和播放時(shí)間顯示。文件操作窗口可以使用戶(hù)選擇要播放的文件。播放列表用來(lái)播放最近播放的五個(gè)多媒體文件。

2．3．2 播放器的實(shí)現(xiàn)

Linux下的播放器Mplayer是Linux上最優(yōu)秀的多媒體播放器，它能夠使用眾多的編解碼器，支持多種輸出設(shè)備?？梢圆シ攀忻嫔蠋缀跛械囊粢曨l格式。本系統(tǒng)選擇其作為播放器，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和移植。進(jìn)行的優(yōu)化主要有：

(1)Mplayer在系統(tǒng)上運(yùn)行的時(shí)候顏色會(huì)有偏差，因此編程校正Mplayer的色彩；

(2)Mplayer正常模式不能在FramBuffer的中間顯示，帶-fs的全屏參數(shù)播放后，只能將播放位置移到中間，并不放大，修改播放顯示位置，讓它和Nplayer圖形界面的調(diào)用相符合；

(3)編程實(shí)現(xiàn)播放時(shí)對(duì)鍵盤(pán)事件正?；?/P>

(4)Mplayer采用的自帶的mp3lib浮點(diǎn)音頻解碼庫(kù)的解碼效率很低，在播放音頻時(shí)會(huì)很卡，通過(guò)采用使用定點(diǎn)運(yùn)算的libmad音頻解碼庫(kù)替代原來(lái)的mp3lib庫(kù)進(jìn)行音頻解碼；

(5)使用Mplayer的-input選項(xiàng)，通過(guò)FIFO從GUI向后端程序傳遞控制信息。通過(guò)優(yōu)化后，對(duì)Mplayer交叉編譯，移植到系統(tǒng)上可以流暢地播放mp3等音頻文件以及mpeg-1、mpeg-2、avi等視頻格式。

2．4 影音錄制

影音錄制的系統(tǒng)框架見(jiàn)圖2。通過(guò)擴(kuò)展用于視頻錄制的Philips的視頻解碼芯片SAA7113和ADI的JPEG壓縮芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先輸入的模擬視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)SAA7113轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后傳輸給ADI的JPEG壓縮芯片JPEG2000，壓縮為JPEG圖像信號(hào)，并通過(guò)擴(kuò)展的總線(xiàn)接口傳輸?shù)较到y(tǒng)上。音頻信號(hào)則直接通過(guò)音頻輸入接口送到音頻解碼芯片，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼。編寫(xiě)應(yīng)用程序使傳到的音視頻數(shù)字信號(hào)一起轉(zhuǎn)化為Motion JPEG編碼的AVI格式的多媒體文件，并存入擴(kuò)展的存儲(chǔ)設(shè)備(微硬盤(pán)或者M(jìn)MC／SD卡)，這樣就可以被Mplayer播放。

3 性能優(yōu)化

盡管ARM9處理器主頻可以高達(dá)200MHz以上，但是為了降低功耗，本系統(tǒng)在保證滿(mǎn)足實(shí)時(shí)播放的前提下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。所以，在一個(gè)資源受限的處理器上要實(shí)現(xiàn)多媒體文件的實(shí)時(shí)播放，性能優(yōu)化成為關(guān)鍵。本系統(tǒng)主要通過(guò)解碼程序優(yōu)化，打開(kāi)Cache等措施來(lái)提高系統(tǒng)性能。

3．1 對(duì)解碼程序的優(yōu)化

由于解碼過(guò)程絕大部分是計(jì)算，以MP3音頻文件為例，其解碼過(guò)程主要是高精度乘法和矢量運(yùn)算，其中80％的CPU時(shí)間用于數(shù)值計(jì)算，因此對(duì)于解碼部分主要采用了以下方法進(jìn)行優(yōu)化：

(1)整數(shù)運(yùn)算。在沒(méi)有硬件浮點(diǎn)單元的CPU上，浮點(diǎn)運(yùn)算是仿真方式，因此解碼代碼中應(yīng)直接采用整數(shù)運(yùn)算方式編碼，而避免浮點(diǎn)運(yùn)算；

(2)通過(guò)查表方式代替很多運(yùn)算式獲取計(jì)算結(jié)果，對(duì)調(diào)用頻繁的小函數(shù)采用inline修飾；

(3)關(guān)鍵代碼采用匯編語(yǔ)言編程，以獲得更高效的目標(biāo)代碼，來(lái)提高系統(tǒng)的運(yùn)行性能。

3．2 打開(kāi)Cache

ARM9處理器帶有獨(dú)立的16 kB數(shù)據(jù)Cache和16 kB的指令Cache。本系統(tǒng)中，打開(kāi)指令Cache肯定能在一定程度上提高性能。至于數(shù)據(jù)Cache，由于從SD卡或者U盤(pán)讀進(jìn)來(lái)解碼的數(shù)據(jù)使用完畢后就再也不會(huì)使用了，解碼產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也是一樣，使用一次就會(huì)被丟棄，因此數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)的時(shí)間局限性基本是不存在的。但是，系統(tǒng)在訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)存在很強(qiáng)的"空間局限性"，所以打開(kāi)數(shù)據(jù)Cache后可以提高性能，因?yàn)椋?/P>

(1)Cache和IDRAM之間通過(guò)Burst方式傳遞數(shù)據(jù)，提高了總線(xiàn)帶寬，從而降低讀數(shù)據(jù)的延遲。

(2)Cache一次讀128bit或256bit，當(dāng)讀已在Cache中的數(shù)據(jù)時(shí)就會(huì)命中。

(3)通過(guò)WriteBuffer或WriteBack方式讀內(nèi)存時(shí)，沒(méi)有寫(xiě)DRAM的延遲。

但是這樣也會(huì)帶來(lái)數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題，主要是DMA造成數(shù)據(jù)的不一致，因?yàn)镾D卡或USB的傳輸是通過(guò)DMA進(jìn)行的，其傳輸過(guò)程無(wú)需CPU干預(yù)，DMA操作直接訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存，但不會(huì)跟新Cache和寫(xiě)緩存相應(yīng)的內(nèi)容，這樣就造成了數(shù)據(jù)的不一致，可用以下方法解決：

(1)將SD卡或USB和CPU共享的控制數(shù)據(jù)空間設(shè)置為uncachable，否則無(wú)法保證CPU讀到的Cache中的數(shù)據(jù)是最新數(shù)據(jù)，從而可能造成系統(tǒng)運(yùn)行錯(cuò)誤。

(2)SD卡或USB輸入模塊通過(guò)DMA像主存?zhèn)鬏斘募?shù)據(jù)時(shí)，寫(xiě)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)是由文件系統(tǒng)提供的。該緩沖區(qū)的特點(diǎn)是存儲(chǔ)空間比較大而且是順序訪(fǎng)問(wèn)的，可將其設(shè)置為cachable。

經(jīng)過(guò)上述方法的優(yōu)化以后，系統(tǒng)性能得到了大幅度的提高。經(jīng)過(guò)測(cè)試表明，優(yōu)化后解碼所需的時(shí)間為優(yōu)化前的15％左右，均小于正常播放所需的時(shí)間，完全滿(mǎn)足實(shí)時(shí)播放的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)以ARM9處理器為核心建立嵌入式多媒體系統(tǒng)，并在其上移植Mplayer播放器，擴(kuò)展其功能，使mpeg-1、mpeg-2、avi等視頻格式以及MP3、WMA等音頻格式都能在其上流暢地播放，并實(shí)現(xiàn)了影音錄制功能。在測(cè)試中各模塊工作正常，達(dá)到了能全屏播放視頻，流暢播放音頻，能夠?qū)z像頭拍到的視頻傳送到Mplayer進(jìn)行播放，能讀取外接U盤(pán)或者SD卡中的多媒體文件進(jìn)行播放，能從網(wǎng)絡(luò)下載多媒體文件到擴(kuò)展存儲(chǔ)設(shè)備被Mplayer播放的設(shè)計(jì)要求。隨著多媒體技術(shù)的廣泛應(yīng)用，掌上多功能媒體播放器會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。