基于嵌入式linux的全彩LED顯示屏脫機控制系統(tǒng)設計方案

1 引言

高分辨率LED顯示屏的應用日益廣泛，而目前國內LED顯示屏的播放控制系統(tǒng)主要采用聯(lián)機方式來實現(xiàn)，即PC機+視頻發(fā)送板，通過千兆以太網或者光纖，將視頻實時發(fā)送到LED顯示屏端的視頻接收板上完成顯示。這種方式具有良好的人機操作界面和優(yōu)秀的視頻顯示質量，對于近距離LED顯示屏聯(lián)機播放是一種重要的顯示手段。而對于超長距離、戶外LED顯示屏而言，聯(lián)機播放顯然需要付出很高的代價才能實現(xiàn)，有些場合甚至無法實現(xiàn)。而脫機方式在這些場合則顯示出其獨特的優(yōu)勢。脫機方式的特點在于無人值守，專用性強，占用資源少，經濟便攜。同時可以通過一定的控制途徑如Internet、GSM網絡等可對播放過程及內容進行實時的干預和修改。目前國內的脫機控制系統(tǒng)多由嵌入式系統(tǒng)如單片機、SOC、DSP、RISC處理器等實現(xiàn)。大多數脫機控制卡只能顯示較小的分辨率，支持偽彩或者單色，不能播放高質量的視頻。本設計旨在實現(xiàn)具有高分辨率、高質量視頻播放、流媒體播放、多區(qū)域顯示等功能的小型專用LED脫機播放系統(tǒng)。 本文將從系統(tǒng)的硬件結構和原理、軟件各模塊設計與實現(xiàn)、性能測試及結論三個方面進行說明。

2 脫機播放系統(tǒng)的硬件結構和工作原理

目前國內LED屏脫機控制系統(tǒng)多采用高性能RISC處理器作為核心，典型的以ARM9為核心的SoC芯片工作頻率大多在200~600MHz之間。然而顯示方面的性能依然比較低下，大多數芯片，典型的如S3C24X0,通過內部集成LCD控制器來實現(xiàn)顯示功能，一般只支持到640X480的顯示分辨率，16bit顏色深度。處理器芯片內置的LCD控制器是在系統(tǒng)內存中設置一小部分作為幀存(Frame Buffer)，LCD控制器使用一個專用的高速DMA通道不斷地讀取幀存中的象素數據到FIFO memory中，最后生成視頻時序輸出到外部LCD接口，因此視頻顯示直接占用系統(tǒng)總線帶寬。支持更高的分辨率和色彩深度意味著占用更多的系統(tǒng)帶寬，比如1024×768分辨下，24位深度，60Hz場頻的顯示輸出，顯示占用的系統(tǒng)帶寬在1.1Gbps以上。小型嵌入式系統(tǒng)有限的總線帶寬顯然不可能很好地支持高分辨率真彩顯示。

另一方面，對于一般的 2D圖形操作如象素復制、縮放、色空間轉換等需要軟件實現(xiàn)，處理器對Frame Buffer的頻繁操作帶來的系統(tǒng)性能下降十分突出，極大的影響了CPU在視頻解碼方面的效率。

鑒于上述分析，使用普通的面向手持設備的嵌入式體系結構無法滿足全彩大型LED屏幕的顯示要求，本文選擇了工業(yè)級ARM芯片S3C2440+SM501顯示加速協(xié)處理器的解決方案，從根本上解決了上述分析兩個影響顯示性能的關鍵問題。

S3C2440是以ARM920T為核心，基本工作頻率400MHz,最高可達533MHz的一款工業(yè)級SoC.其內部集成了RART,USB,I2 C,LCD,NAND,MMC/SD controller等多種常見IO設備控制器。

SM501是一款便攜式多媒體協(xié)處理器芯片，專門為嵌入式工業(yè)提供顯示功能，具有視頻和2D加速能力。它支持多種輸入/輸出接口，包括模擬RGB、數字LCD接口、8位并行接口、USB、UART、IrDA、Zoom Video、AC97或I2S、SSP、PWM和I2 C.SM501的2D引擎包括一個前端色彩空間轉換器，支持4∶1和1∶8的比例。LCD視頻流水線支持一個YUV色彩空間轉換。通過將優(yōu)化的128位的2D圖形引擎和一個與本地幀存儲器連接的高帶寬鏈接相結合，SM501提供面向工業(yè)的2D圖形加速功能。2D圖形引擎包含一個命令翻譯器(一個增強型的DMA引擎)，對于工作在150 MHz的32位數據寬度的SDRAM,SM501的DMA引擎讀取2D操作數的帶寬可達600 MB/s.SM501支持的最大顯示分辨率為1280×1 024,可以輕松支持普通PC顯示分辨率1024×768.

整個硬件系統(tǒng)原理如圖1示。S3C2440與SM501在slave 模式下通過系統(tǒng)總線連接，SM501連接8MB的本地幀存，S3C2440可以通過系統(tǒng)總線直接訪問SM501的本地幀存。系統(tǒng)掛接DM9000A 10/100M網絡芯片，上位機脫機控制軟件通過Internet網絡連接到脫機系統(tǒng)進行實時控制。脫機系統(tǒng)通過網絡實現(xiàn)流媒體功能。

對于SM501輸出的數字視頻，采用FPGA進行采集和分發(fā)。SM501與FPGA之間通過LCD數字接口連接，包含24 bit并行象素點RGB數據、象素時鐘pclk,行場同步及DE信號。FPGA采集LCD接口輸出的象素數據并實時轉發(fā)到象素位置對應的掃描板，一幀圖象傳輸完畢后，所有掃描板將同時更新顯示新圖像幀。每個掃描板控制的分辨率為256 × 256,脫機系統(tǒng)最大可以控制1024 × 768分辨率。FPGA內部邏輯詳細設計不作為本文討論的主要內容。

圖1 脫機播放系統(tǒng)硬件組成框圖

3 軟件系統(tǒng)

LED脫機播放軟件設計的基本要求包括：系統(tǒng)必須能夠勝任7× 24小時連續(xù)穩(wěn)定運行，因此播放軟件必須具備健壯性。雖然S3C2440處理速度相對已經較快，但是解碼對CPU時間的占用仍然是一個很突出的問題，因此播放軟件必須具備高效性，尤其是盡最大可能發(fā)揮出SM501提供的2D加速顯示能力。另外由于SoC更新速度很快，硬件平臺必然會有更好選擇，因此軟件在保證高效率的前提下必須提高其可移植性。最后是建立開放式的軟件架構，使之具備可擴展、可升級性，以便于逐步開發(fā)新的功能。

本文從以下兩個方面對軟件部分的設計進行介紹：

1)建立嵌入式Linux系統(tǒng)平臺

2)LED顯示屏脫機專用播放軟件設計與實現(xiàn)

文章將簡要介紹基于S3C2440平臺的嵌入式Linux系統(tǒng)平臺的搭建，然后著重介紹播放軟件在開放性、可移植性、高效性方面所采用的設計方法。

4.1 建立嵌入式Linux系統(tǒng)平臺

Linux內核具有體積小，效率高，成熟穩(wěn)定，源代碼開放，資源豐富，內核直接提供豐富的網絡協(xié)議，支持多種文件系統(tǒng)等諸多優(yōu)點。本課題移植了Linux2.6.18內核，該版本內核具有穩(wěn)定性好、開發(fā)工具支持度好的優(yōu)點。這部分工作主要包括：

1)針對硬件平臺移植u-boot.

2)剪裁并交叉編譯Linux內核。移植USB存儲盤、DM9000A網絡芯片、SM501顯卡的驅動到內核

3)交叉編譯busybox,生成ext2格式的Initrd文件系統(tǒng)鏡像

4)通過u-boot將內核和Initrd鏡像燒寫到Nand Flash上，設置內核啟動參數和u-boot啟動命令來啟動內核

經過上述工作，建立了一個小型化的嵌入式Linux平臺。限于篇幅，本文對嵌入式Linux平臺的建立細節(jié)問題不深入介紹。

4.2 LED顯示屏脫機專用播放軟件設計與實現(xiàn)

LED顯示屏脫機播放軟件的主要設計目標是支持視頻播放、圖片顯示、多區(qū)域顯示、流媒體播放、遠程控制。由于整個軟件項目比較龐大，本文將只選擇幾個關鍵模塊進行詳細說明，并側重介紹軟件方面如何利用SM501來實現(xiàn)高性能顯示及視頻播放。對流媒體播放和遠程控制部分不做介紹。

4.2.1 多區(qū)域顯示功能模塊的設計

隨著LED顯示屏幕分辨率的不斷增加，同一個顯示屏對信息容量的需求也相應的增長，在面向廣告的LED屏中這種需求尤其突出。典型的LED多區(qū)域顯示情形是一個視頻區(qū)域，多個圖片區(qū)域，一個滾動字幕區(qū)域。脫機播放系統(tǒng)主要面向戶外廣告屏，因此，必須重點考慮多區(qū)域顯示功能。

為了更好的支持LED屏幕多區(qū)域顯示，必須從傳統(tǒng)的全屏顯示概念中脫離出來，建立基于區(qū)域(zone)顯示的概念，即顯示內容總是在某個顯示區(qū)域上完成顯示，單屏顯示只是多區(qū)域顯示的一個特例。在結構上區(qū)域按層次劃分，區(qū)域可以劃分為多個子區(qū)域。同級子區(qū)域的位置不能重疊。這樣，在理論上，可以支持任意的以矩形為單位的分區(qū)域顯示形式。多個區(qū)域并行顯示，通過多線程方式實現(xiàn)。

每個區(qū)域都包含一個播放列表(playlist)。每個播放列表由一系列顯示項目(playitem)組成。 顯示項目的概念是指在某個顯示區(qū)域上進行一次完整的顯示過程。如一段視頻播放，一幅圖片定時顯示，文字的運動顯示等。程序采用了面向對象的設計思想，將不同類型的顯示項目的共性抽象出來，以方便不斷擴展的新的顯示項目和客戶定制的顯示內容。

所有的顯示項目，無論其內容如何，都可以抽象為一個隨時間變化的狀態(tài)機。每個顯示項目在時間的推移下在其所屬的區(qū)域中完成自身的顯示，也就是完成一個從初始化到結束的狀態(tài)轉換過程。因此，playitem是一個抽象基類。每種類型的顯示項目只需重新實現(xiàn)playitem提供的公共調用接口即可。

每個區(qū)域具有一個播放線程，該線程不斷地從playlist中取出一個顯示項目，執(zhí)行其狀態(tài)轉換接口完成顯示過程。這種設計允許不同類型的顯示項目混合排列在同一個顯示列表下，極大的增加了播放過程安排的靈活性。

多區(qū)域顯示設計模型如圖2示。

圖2 多區(qū)域顯示模型

4.2.2基于SM501的2D加速顯示接口設計

顯示層的設計旨在提供一套可移植的、使用方便的2D顯示接口，包括基于區(qū)域內部坐標的應用顯示層接口和基于屏幕坐標而與硬件無關的底層顯示接口。應用顯示層給顯示項目playitem提供簡單的基于區(qū)域坐標的顯示接口?；谄聊蛔鴺说牡讓语@示直接工作在SM501硬件之上，最大化利用了SM501硬件加速能力，同時還提供了可移植的接口。在移植到其他的2D硬件上只需要重新實現(xiàn)底層顯示接口即可。

由于硬件設計上SM501處于slave mode與S3C2440連接，SM501不能訪問系統(tǒng)內存，所有要進行加速操作的顯示內容必須存放在SM501的獨立顯存上，這樣不方便移植DirectFB作為底層顯示接口。因此本文按照通用的2D顯示接口，獨立實現(xiàn)了一套基于屏幕坐標的通用底層2D顯示接口。

在實現(xiàn)上通過mmap把SM501的控制寄存器和獨立顯存全部從內核空間映射到用戶空間，這樣在程序中可以直接訪問SM501的寄存器和管理本地顯存，避免了在顯示時應用程序與內核之間的數據交換，顯示加速作用得以充分發(fā)揮?；趯M501的直接訪問，底層顯示層實現(xiàn)了一套基本接口，包括顯存分配與釋放和基本2D加速操作如畫線(line)、矩形填充(fill_rect)，位圖復制(bitblt)、縮放(bitblt_stretch)、色空間轉換(CSC)等。其中對視頻播放性能影響最大的是縮放和色空間轉換。