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 楼主 | 2018-1-13 16:31 | 显示全部楼层 ||阅读模式
基于ARM Linux QT掌上多媒体系统的设计和实现

0 引言
    随着人们生活水平的提高,消费结构发生了巨大变化,消费者用于娱乐方面的支出在总支出中所占的比例正在不断扩大。掌上多媒体系统可以满足人们对于试听以及便携的需求,另外还可以实现一些其他功能,如图片浏览、网络下载、以及影音录制等。目前市场上的掌上多媒体系统多是Windows CE、Symbian、Palm OS等商用操作系统,其开放的程序不够高,而且价格偏高,不适于第三方应用软件的移植。ARM体系作为专用嵌入式系统设计的通用处理器内核,具备高性能、低功耗、易扩展的特点。本系统基于ARM9、嵌入式Linux操作系统设计并实现了一个更为开放的嵌入式平台,来实现掌上多媒体系统的诸多功能。
1 多功能掌上媒体播放器系统的硬件设计
    多功能掌上媒体播放器系统的硬件设计如图1所示。LCD采用的是Sharp的TFT屏,3.52in,分辨率240×320;音频控制器是IIS接口的音频控制器,解码芯片是UDA1314TS;另外扩展了用于视频录制的Philips的视频解码芯片SAA7113和ADI的JPEG压缩芯片。视频录制的框图如图2所示。

2 多功能掌上媒体播放器系统的软件设计
    系统设计和软件设计是本系统的难点。系统软件设计的总体框架如图3所示。
2.1 嵌入式Linux操作系统
    Linux最初由Linux Torvalds编写,后来在网络上被众多的Linux爱好者加以修改和维护,具有内核高效稳定、开源、可移植性强、内核可定制可裁剪、多线程多任务等特点,因此选择其作为本媒体播放器系统的操作系统。
    首先定制裁剪并移植了Linux2.6的内核,然后为使各硬件能正常工作编写了键盘驱动、LCD驱动、触摸屏驱动、音频驱动、USB驱动等驱动。多功能掌上多媒体系统的正常工作首先是进入ARM-Linux操作系统,然后加载各个硬件的驱动程序并初始化各外围设备,接着就进入基于QT/Embedded库的Qtopia桌面系统编写的GUI图形界面程序的播放器,最后选择要进行的操作。
    对于Linux内核的移植首先要移植bootloader,系统采用的是VIVI,其功能包括:分区管理、参数管理、启动Linux操作系统、文件系统管理、支持网络、通过串口下载程序到Flash或者RAM等。建立嵌入式开发环境,使得能够交叉编译源代码,对VIVI的源代码进行交叉编译,生成能在ARM Linux上运行的bin文件,通过开发板的JTAG口将其烧写到开发板的Flash中。
    对内核的移植首先要对内核进行修改MAKEFILE文件指定编译器以及目标平台,然后配置内核,交叉编译生成内核镜像,通过UART口(串口)下载到开发板上。移植相应的文件系统。文件系统中的文件是数据的集合,不仅包含着文件中的数据,而且还有文件系统的结构,所有Linux用户和程序看到的文件、目录、软连接及文件保护信息等都存储在其中。在设计过程中把文件系统设置为可读写,这样操作性强一些,在投入到生产中的时候应该把文件系统设置为只读的,这样整个掌上多功能媒体播放器的操作系统就加载好了。
2.2 驱动程序的设计
    本系统共涉及到键盘驱动、触摸屏驱动、LCD驱动、音频驱动和USB驱动等驱动。因为多媒体功能是本系统的重点,所以播放器部分很重要,这里主要介绍音频驱动的编写。
    目前Linux下常用的音频驱动程序主要有两种类型:OSS(Open Sound System) 和ALSA。最早出现的Linux上的编程接口是OSS,它由一套完整的内核驱动程序模块组成,可为大多数音频芯片驱动提供统一的编程接口。在嵌入式系统中,对于特定的处理器(如本系统采用的S3C2410),可以按照OSS接口标准来编写音频驱动程序,以满足Linux上的应用程序。OSS接口已经足够简单,需要完成的主要的工作就是对音频设备(本系统采用的是Philips的UDA1314TS)的read,write和ioctl等操作。
    系统音频驱动主要是对UDA1314TS进行驱动编写,包括对UDA1314TS的L3接口的控制。首先初始化I/O和UDA1 314芯片,然后申请两个DMA(Direct Memory Access)通道用于音频传输(音频数据的发送和接收都通过一个先入先出的队列FIFO,但是只靠FIFO要保证音频的连续播放是很困难的,所以申请DMA通道来解决此问题)。OSS标准中由两个最基本的音频设备:混音器(Mixer)和数字信号处理器(DSP)又称编解码器,其中混音器主要用来控制输入输出音量的大小,只有open和release以及几个接管OSS标准的iotcl。而DSF设备驱动的方法比较复杂,主要包括open、release、read、write、poll、ioctl。其中主要在write和read方法中实现音频的播放和录音。以播放音频来说明DSP驱动程序的编写,对应了驱动程序中的open和write方法,它们利用DMA实现了音频的播放。在open中,首先判断设备打开的方法:读取、写入和读/写,分别对应音频的录音、播放以及录音同时回放,然后申请两个与音频DMA缓冲区相关的,在初始化DMA时要用到,最后程序可以根据设备打开模式的初始化S3C2410的工作模式,并清空所需的DMA缓冲区(在write方法被调用时创建)的数据结构,把它留给缓冲区创建。在这里,因为使用了两个DMA音频数据传输,DMA缓冲的建立发生在第一次调用wri te将音频数据传送到设备,而OSS驱动的调用者通常要在打开音频设备时就期望获得DMA缓冲的信息,然而因为缓冲尚未建立,会使得缓冲大小为0这个结果,解决办法时在两个与音频DMA缓冲区相关的程序部分一定不能少了以下代码:
    if(!output_stream.buffer&&audio_setup_buf(&out stream))
    return-ENOMEM;
    在Write方法中首先判断设备文件打开的方式,具有write特性打开的设备才可以写入,然后判断是否没有建立DMA缓冲区,若没有,则通过audio_setup_buf()来创建,定义一个结构体(audio_stream_t)的指针如下:

2.3 GUl程序的设计与播放器的实现
2.3.1 GUI程序的设计和实现
    播放器的图形界面在Qtopia视窗环境下运行,采用Qt/Embedded2.3.7作为底层图形库,用于生成用户界面。QT是一个跨平台的c++图形用户界面库,Qt/Embedded是面向嵌入式系统的版本,其最大的特点就是使信号和槽用于对象间的通信,Qt的窗口部件有多个预定义的信号,槽是一个可以被调用处理特定信号的函数。Qt的窗口部件有多个预定义的槽,当一个特定事件发生的时候,一个信号被发射,对应感兴趣的槽就会调用对应的相应函数。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。主界面窗口有一个显示屏和一些控制按钮,包括播放、暂停、快进、快退、下一首、上一首、音量调整以及播放进度条和播放时间显示。文件操作窗口可以使用户选择要播放的文件。播放列表用来播放最近播放的五个多媒体文件。
2.3.2 播放器的实现
    Linux下的播放器Mplayer是Linux上最优秀的多媒体播放器,它能够使用众多的编解码器,支持多种输出设备。可以播放市面上几乎所有的音视频格式。本系统选择其作为播放器,对其进行优化和移植。进行的优化主要有:
    (1)Mplayer在系统上运行的时候颜色会有偏差,因此编程校正Mplayer的色彩;
    (2)Mplayer正常模式不能在FramBuffer的中间显示,带-fs的全屏参数播放后,只能将播放位置移到中间,并不放大,修改播放显示位置,让它和Nplayer图形界面的调用相符合;
    (3)编程实现播放时对键盘事件正常化;
    (4)Mplayer采用的自带的mp3lib浮点音频解码库的解码效率很低,在播放音频时会很卡,通过采用使用定点运算的libmad音频解码库替代原来的mp3lib库进行音频解码;
    (5)使用Mplayer的-input选项,通过FIFO从GUI向后端程序传递控制信息。通过优化后,对Mplayer交叉编译,移植到系统上可以流畅地播放mp3等音频文件以及mpeg-1、mpeg-2、avi等视频格式。
2.4 影音录制
    影音录制的系统框架见图2。通过扩展用于视频录制的Philips的视频解码芯片SAA7113和ADI的JPEG压缩芯片来实现。首先输入的模拟视频信号经过SAA7113转换为数字信号,然后传输给ADI的JPEG压缩芯片JPEG2000,压缩为JPEG图像信号,并通过扩展的总线接口传输到系统上。音频信号则直接通过音频输入接口送到音频解码芯片,并转化为数字信号进行编码。编写应用程序使传到的音视频数字信号一起转化为Motion JPEG编码的AVI格式的多媒体文件,并存入扩展的存储设备(微硬盘或者MMC/SD卡),这样就可以被Mplayer播放。

3 性能优化
    尽管ARM9处理器主频可以高达200MHz以上,但是为了降低功耗,本系统在保证满足实时播放的前提下,对系统进行优化。所以,在一个资源受限的处理器上要实现多媒体文件的实时播放,性能优化成为关键。本系统主要通过解码程序优化,打开Cache等措施来提高系统性能。
3.1 对解码程序的优化
    由于解码过程绝大部分是计算,以MP3音频文件为例,其解码过程主要是高精度乘法和矢量运算,其中80%的CPU时间用于数值计算,因此对于解码部分主要采用了以下方法进行优化:
    (1)整数运算。在没有硬件浮点单元的CPU上,浮点运算是仿真方式,因此解码代码中应直接采用整数运算方式编码,而避免浮点运算;
    (2)通过查表方式代替很多运算式获取计算结果,对调用频繁的小函数采用inline修饰;
    (3)关键代码采用汇编语言编程,以获得更高效的目标代码,来提高系统的运行性能。
3.2 打开Cache
    ARM9处理器带有独立的16 kB数据Cache和16 kB的指令Cache。本系统中,打开指令Cache肯定能在一定程度上提高性能。至于数据Cache,由于从SD卡或者U盘读进来解码的数据使用完毕后就再也不会使用了,解码产生的数据也是一样,使用一次就会被丢弃,因此数据访问的时间局限性基本是不存在的。但是,系统在访问数据时存在很强的"空间局限性",所以打开数据Cache后可以提高性能,因为:
    (1)Cache和IDRAM之间通过Burst方式传递数据,提高了总线带宽,从而降低读数据的延迟。
    (2)Cache一次读128bit或256bit,当读已在Cache中的数据时就会命中。
    (3)通过WriteBuffer或WriteBack方式读内存时,没有写DRAM的延迟。
    但是这样也会带来数据不一致的问题,主要是DMA造成数据的不一致,因为SD卡或USB的传输是通过DMA进行的,其传输过程无需CPU干预,DMA操作直接访问内存,但不会跟新Cache和写缓存相应的内容,这样就造成了数据的不一致,可用以下方法解决:
    (1)将SD卡或USB和CPU共享的控制数据空间设置为uncachable,否则无法保证CPU读到的Cache中的数据是最新数据,从而可能造成系统运行错误。
    (2)SD卡或USB输入模块通过DMA像主存传输文件数据时,写数据的缓冲区是由文件系统提供的。该缓冲区的特点是存储空间比较大而且是顺序访问的,可将其设置为cachable。
    经过上述方法的优化以后,系统性能得到了大幅度的提高。经过测试表明,优化后解码所需的时间为优化前的15%左右,均小于正常播放所需的时间,完全满足实时播放的要求。
4 结束语
    本系统以ARM9处理器为核心建立嵌入式多媒体系统,并在其上移植Mplayer播放器,扩展其功能,使mpeg-1、mpeg-2、avi等视频格式以及MP3、WMA等音频格式都能在其上流畅地播放,并实现了影音录制功能。在测试中各模块工作正常,达到了能全屏播放视频,流畅播放音频,能够将摄像头拍到的视频传送到Mplayer进行播放,能读取外接U盘或者SD卡中的多媒体文件进行播放,能从网络下载多媒体文件到扩展存储设备被Mplayer播放的设计要求。随着多媒体技术的广泛应用,掌上多功能媒体播放器会有更广阔的应用前景。


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| 2018-1-17 21:32 | 显示全部楼层
LCD采用的是Sharp的TFT屏,3.52in,分辨率240×320;音频控制器是IIS接口的音频控制器,解码芯片是UDA1314TS
| 2018-1-17 21:32 | 显示全部楼层
这两款旗舰的下去找找的,我这用的着
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