嵌入式數(shù)字視頻播放系統(tǒng)軟件平臺(tái)的構(gòu)建

摘要：本文介紹了在PowerPC405上利用嵌入式Linux來(lái)構(gòu)建數(shù)字視頻播放系統(tǒng)軟件平臺(tái)的過(guò)程，探討了嵌入式Linux系統(tǒng)里交叉編譯器、bootloader、Linux內(nèi)核、根文件系統(tǒng)等幾個(gè)主要部分的構(gòu)建過(guò)程。

關(guān)鍵詞：PowerPC405；嵌入式Linux；數(shù)字視頻播放機(jī)；U－BOOT

引言：

數(shù)字視頻播放設(shè)備在近幾年的發(fā)展十分迅速，種類繁多。傳統(tǒng)的視頻播放設(shè)備（如DVD播放機(jī)）的軟件系統(tǒng)一般都是一簡(jiǎn)單的控制環(huán)系統(tǒng)，沒(méi)有操作系統(tǒng)，功能擴(kuò)展和升級(jí)受到限制。本課題研究的便攜式數(shù)字視頻播放設(shè)備構(gòu)建于嵌入式32位PowerPC405 CPU之上，運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，以大容量的硬盤(pán)作為存儲(chǔ)介質(zhì)，具有網(wǎng)絡(luò)功能。PowerPC405是IBM公司推出的一款專門(mén)針對(duì)嵌入式應(yīng)用的RISC處理器，應(yīng)用十分廣泛。嵌入式Linux^[1]作為一種開(kāi)源的操作系統(tǒng)軟件，具有免費(fèi)、支持眾多CPU、可裁減、支持網(wǎng)絡(luò)、豐富的軟件資源等特點(diǎn)。利用嵌入式Linux來(lái)構(gòu)建數(shù)字視頻播放系統(tǒng)的軟件平臺(tái)使得該播放機(jī)成本低，易于升級(jí)和管理，支持多種接口如USB，從而使得視頻節(jié)目交換方便等優(yōu)勢(shì)，代表了該種設(shè)備未來(lái)發(fā)展的一個(gè)方向。本文主要探討了構(gòu)建應(yīng)用于數(shù)字視頻播放機(jī)的嵌入式Linux系統(tǒng)的bootloader、Linux內(nèi)核移植的主要過(guò)程和可能碰到的問(wèn)題，給出了相應(yīng)的解決方案。

1 數(shù)字視頻播放系統(tǒng)框圖

（圖1-1 碼流播放系統(tǒng)硬件框圖）

圖1-1為本播放機(jī)的系統(tǒng)框圖，其核心控制系統(tǒng)為基于PowerPC405的嵌入式Linux，通過(guò)其上的應(yīng)用程序來(lái)把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)里的節(jié)目經(jīng)過(guò)一定處理后搬移到碼流控制系統(tǒng)里的FPGA里，由FPGA完成解密后送給解碼系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)解碼系統(tǒng)解壓縮后輸出RGB信號(hào)給顯示設(shè)備來(lái)顯示。其中我們要關(guān)注的就是核心控制系統(tǒng)里嵌入式Linux系統(tǒng)的搭建。

播放機(jī)的嵌入式Linux系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖1-2，硬件上電后，CPU的程序指針首先指向一個(gè)特定的存儲(chǔ)器地址，該地址處一般存放著bootloader，bootloader在初始化完CPU以及內(nèi)存等設(shè)備后，把Linux內(nèi)核從一般ROM設(shè)備里搬移解壓到內(nèi)存里，然后程序指針跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核在內(nèi)存里的開(kāi)始位置處，由Linux內(nèi)核來(lái)繼續(xù)完成剩下的系統(tǒng)引導(dǎo)工作。內(nèi)核在重新初始化完系統(tǒng)后，就加載根文件系統(tǒng)，運(yùn)行用戶應(yīng)用程序。整個(gè)嵌入式Linux系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)建過(guò)程可以參照系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程，主要要做的工作有構(gòu)建bootloader、Linux內(nèi)核、根文件系統(tǒng)這幾個(gè)部分。

（圖1-2 軟件系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖）

2 嵌入式Linux系統(tǒng)平臺(tái)搭建的準(zhǔn)備

要搭建嵌入式Linux系統(tǒng)平臺(tái)，首先要準(zhǔn)備好跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)工具鏈。它運(yùn)行于本地主機(jī)上，編譯鏈接生成的二進(jìn)制可執(zhí)行程序能夠運(yùn)行于開(kāi)發(fā)板的CPU及操作系統(tǒng)上。構(gòu)建這樣一個(gè)主要包括編譯器gcc，鏈接器ld，C庫(kù)glibc等的工具鏈的方法有很多種，可以去相關(guān)網(wǎng)站下載源代碼手工編譯，而最便捷的方法則為利用完善的已編譯好開(kāi)發(fā)包，如德國(guó)denx公司的ELDK開(kāi)發(fā)包，使用方法參見(jiàn)^[2]。

3 bootloader與Kernel的選擇

準(zhǔn)備好了開(kāi)發(fā)工具鏈之后，就可以開(kāi)始嵌入式Linux系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，首先是bootloader的選擇。

3.1 bootloader的選擇

一般的PC機(jī)啟動(dòng)后先是進(jìn)入BIOS，通過(guò)BIOS進(jìn)行一定的系統(tǒng)初始化后，再引導(dǎo)操作系統(tǒng)如Windows或Linux等，而一般嵌入式系統(tǒng)里沒(méi)有BIOS，但也需要實(shí)現(xiàn)類似功能的模塊，這就是bootloader（引導(dǎo)裝載器），其主要的功能是初始化CPU、內(nèi)存等硬件設(shè)備，以及導(dǎo)入操作系統(tǒng)。Bootloader種類很多，如blob、lilo、grub、U－BOOT等。目前在嵌入式領(lǐng)域用得最廣泛的是denx公司的免費(fèi)開(kāi)源軟件U－BOOT，它支持PowerPC、ARM、MIPS、x86等多種CPU，超過(guò)100種開(kāi)發(fā)板，源碼結(jié)構(gòu)清晰，移植容易，開(kāi)發(fā)文檔豐富，用戶在使用中可能碰到的問(wèn)題一般都能夠很快被解決。因此，我們選用U－BOOT做為開(kāi)發(fā)板的bootloader。

根據(jù)不同的開(kāi)發(fā)板，flash的大小以及型號(hào)不同，內(nèi)存的大小不一樣，啟動(dòng)方式的不同等使得利用U－BOOT時(shí)需要做一些相應(yīng)的修改，以適應(yīng)用戶自己的開(kāi)發(fā)板，具體移植方法及常見(jiàn)問(wèn)題可參見(jiàn)^[3]。

3.2 Linux內(nèi)核的移植               

bootloader初始化完系統(tǒng)硬件后，把Linux內(nèi)核從外部存儲(chǔ)介質(zhì)中導(dǎo)入內(nèi)存里，然后，就將控制權(quán)交給Linux內(nèi)核，由內(nèi)核來(lái)繼續(xù)完成系統(tǒng)的引導(dǎo)工作。

如果內(nèi)核里沒(méi)有支持用戶所使用的開(kāi)發(fā)板，那么用戶就需要自己手工修改Linux的內(nèi)核，做一些相關(guān)的移植工作，要關(guān)注的是對(duì)開(kāi)發(fā)板的硬件外設(shè)部分的處理，包括內(nèi)核對(duì)板子硬件基本信息的處理，板上硬件設(shè)備的初始化、中斷的分配等。

開(kāi)發(fā)板級(jí)別的Linux內(nèi)核移植最方便的方法是利用內(nèi)核里已有的且與用戶使用的硬件平臺(tái)最接近的開(kāi)發(fā)板為模板，在此基礎(chǔ)上再做修改。我們使用的開(kāi)發(fā)板與IBM walnut開(kāi)發(fā)板類似，主要的外設(shè)包括硬盤(pán)、USB設(shè)備等都是利用PCI總線接口轉(zhuǎn)接（PCI轉(zhuǎn)IDE，PCI轉(zhuǎn)USB），所以內(nèi)核的移植工作主要有兩部分， 一為bootloader和內(nèi)核之間板子硬件信息的傳遞，二為PCI外設(shè)的初始化。

3.2.1 U-BOOT與Linux內(nèi)核的配合

U－BOOT在初始化完硬件設(shè)備后，把內(nèi)核裝入內(nèi)存，然后程序指針跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核所在位置處的同時(shí)，會(huì)傳遞一些參數(shù)給內(nèi)核來(lái)使用，其中就包括有board_info數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，內(nèi)容包括板子的CPU主頻、SDRAM和flash大小、ip地址、MAC地址等，Linux會(huì)利用這些參數(shù)來(lái)初始化系統(tǒng)。但Linux內(nèi)核與U－BOOT的開(kāi)發(fā)并不是同一個(gè)組織，要修改Linux內(nèi)核的相關(guān)部分來(lái)匹配U－BOOT傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，對(duì)于我們所使用的PowerPC，U－BOOT是利用五個(gè)通用寄存器（r3，r4，r5，r6，r7）來(lái)傳遞參數(shù)，我們需要修改通過(guò)r3寄存器傳遞過(guò)來(lái)的board_info數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（定義在Linux內(nèi)核里arch/ppc/platforms/cs2000.h），使之與U-BOOT源代碼里u-boot-1.1.1/include/asm-ppc/u-boot.h里定義的bd_info數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)容一致，這樣內(nèi)核才不會(huì)對(duì)U-BOOT傳遞過(guò)來(lái)的board_info數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行錯(cuò)誤解讀。

3.2.2 PCI外設(shè)初始化部分的修改

Linux內(nèi)核初始化PCI部分的主要過(guò)程為：掃描整個(gè)PCI總線，找到連接在總線上的所有設(shè)備，根據(jù)各PCI設(shè)備配置空間寄存器的信息，給各PCI設(shè)備統(tǒng)籌分配I/O空間，memory空間，以及IRQ中斷號(hào)。對(duì)于x86平臺(tái)，這部分工作其實(shí)已經(jīng)在BIOS部分做過(guò)，Linux內(nèi)核只需調(diào)用BIOS生成的配置即可，但對(duì)于我們嵌入式Linux系統(tǒng)，沒(méi)有BIOS，這部分工作Linux內(nèi)核要自己做。而對(duì)于各個(gè)不同的開(kāi)發(fā)板，需要補(bǔ)充到標(biāo)準(zhǔn)的PCI初始化代碼里的內(nèi)容有兩部分，一為PCI設(shè)備配置空間寄存器的訪問(wèn)方式，另一為PCI中斷的配置。

根據(jù)PCI的協(xié)議規(guī)范，訪問(wèn)某PCI設(shè)備配置空間的方法為先使能該設(shè)備的IDSEL管腳，才可以讀寫(xiě)該設(shè)備的配置寄存器組。但PCI規(guī)范并沒(méi)有定義IDSEL管腳的連接方法，所以根據(jù)各開(kāi)發(fā)板PCI從設(shè)備的IDSEL管腳硬件連線方法的不同，訪問(wèn)PCI設(shè)備配置空間的方法也不同。

switch  (dev_function)

{

       case PCI_DEV1: set_gpio1_high(); //置相應(yīng)的GPIO為高

       case PCI_DEV2: set_gpio2_high();

       default:break;

}

另外一項(xiàng)需要修改的PCI初始化代碼是有關(guān)PCI設(shè)備的中斷號(hào)分配。對(duì)于沒(méi)有BIOS的嵌入式Linux，PCI設(shè)備中斷號(hào)分配是由內(nèi)核根據(jù)板子的硬件連線來(lái)決定的。一般嵌入式設(shè)備不需要中斷路徑互連器，直接把插槽的/INT管腳與CPU的IRQ線相連。連接方法有很多種，如把一個(gè)插槽的四個(gè)中斷腳都連到一個(gè)IRQ上，由操作系統(tǒng)來(lái)控制中斷的復(fù)用關(guān)系，也可以一個(gè)PCI中斷管腳只連一個(gè)IRQ線。所以PCI IRQ的分配這部分Linux代碼要根據(jù)各開(kāi)發(fā)板實(shí)際的中斷連接方法來(lái)修改。

在我們的開(kāi)發(fā)板里，每個(gè)PCI的/INT管腳都連接到一單獨(dú)的IRQ線上，根據(jù)這種連接關(guān)系，我們從軟件上可以構(gòu)造出下面這樣一張表：

/* arch/ppc/platforms/our_board_name.c：ppc405_map_irq ()*/

static char pci_irq_table[][4] =

/*      PCI  /INT PIN->INTLINE

 *      A       B      C           D    */

{

              {28,       29,         30,         30}, /* IDSEL 1 - PCI 插槽 1 */

              {31,       31,         31,         31}, /* IDSEL 2 - PCI 插槽2 */

};

上表描述的PCI插槽1的/INT A中斷的號(hào)是28，而這個(gè)28號(hào)中斷的由來(lái)是該槽的/INT A與CPU的28號(hào)中斷的IRQ線相連了。把所有PCI插槽的中斷線與CPU IRQ線的連接關(guān)系填入表中，就可以通過(guò)內(nèi)核里標(biāo)準(zhǔn)的PCI初始化代碼正確分配各PCI設(shè)備的中斷號(hào)了。當(dāng)然，在板子的IRQ初始化部分（arch/ppc/platforms/our_board_name.c：board_setup_irq()）還要正確設(shè)置這些分配了的中斷線的觸發(fā)方式，極性等。

Linux內(nèi)核的移植牽涉到很多硬件的知識(shí)，對(duì)開(kāi)發(fā)板的硬件原理圖有比較清楚的認(rèn)識(shí)可以對(duì)移植工作有事半功倍的效果。

結(jié)束語(yǔ)

有了bootloader，內(nèi)核，再利用Busybox^[4][5]來(lái)構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的根文件系統(tǒng)后，這個(gè)嵌入式Linux系統(tǒng)平臺(tái)就已經(jīng)搭建完畢，用前述過(guò)程所搭建的嵌入式Linux系統(tǒng)平臺(tái)體積小，功能強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)于像數(shù)字視頻播放機(jī)這種需要長(zhǎng)期工作運(yùn)行的設(shè)備而言非常適合，而且升級(jí)性強(qiáng)，對(duì)于未來(lái)的一些應(yīng)用需求，可以通過(guò)開(kāi)發(fā)板上的PCI、USB、Ethernet等接口進(jìn)行擴(kuò)展，可以說(shuō)是為以后設(shè)備的進(jìn)一步功能增強(qiáng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本論文的創(chuàng)新點(diǎn)在于將傳統(tǒng)的視頻播放設(shè)備的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)升級(jí)為嵌入式Linux系統(tǒng)，并對(duì)嵌入式Linux系統(tǒng)的構(gòu)建和移植作了詳細(xì)探討，特別是根據(jù)PCI設(shè)備的新連接方法提出了一種新的初始化算法，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

1陳 福等，基于嵌入式系統(tǒng)的視頻圖像捕獲研究與實(shí)現(xiàn)，《微計(jì)算機(jī)信息》，2005年第                12-2期，P12-13、P70
2 http://www.denx.de
3 http://www.denx.de/twiki/bin/view/DULG/Manual
4 http://www.busybox.net
5 Karim Yaghmour，Building Embedded Linux System.，O’Reilly， 2004