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

作者: 時間:2009-11-26 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

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)可以滿足人們對于試聽以及便攜的需求,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),其開放的程序不夠高,而且價格偏高,不適于第三方應(yīng)用軟件的移植。ARM體系作為專用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的通用處理器內(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、嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一個更為開放的嵌入式平臺,來實(shí)現(xiàn)掌上多媒體系統(tǒng)的諸多功能。

1 多功能掌上媒體系統(tǒng)的硬件設(shè)計

多功能掌上媒體系統(tǒng)的硬件設(shè)計如圖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 多功能掌上媒體系統(tǒng)的軟件設(shè)計

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

2.1 嵌入式操作系統(tǒng)

最初由Linux Torvalds編寫,后來在網(wǎng)絡(luò)上被眾多的Linux愛好者加以修改和維護(hù),具有內(nèi)核高效穩(wěn)定、開源、可移植性強(qiáng)、內(nèi)核可定制可裁剪、多線程多任務(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了鍵盤驅(qū)動、LCD驅(qū)動、觸摸屏驅(qū)動、音頻驅(qū)動、USB驅(qū)動等驅(qū)動。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),然后加載各個硬件的驅(qū)動程序并初始化各外圍設(shè)備,接著就進(jìn)入基于QT/Embedded庫的Qtopia桌面系統(tǒng)編寫的圖形界面程序的播放器,最后選擇要進(jìn)行的操作。

對于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Linux操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)管理、支持網(wǎng)絡(luò)、通過串口下載程序到Flash或者RAM等。建立嵌入式開發(fā)環(huán)境,使得能夠交叉編譯源代碼,對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,通過開發(fā)板的JTAG口將其燒寫到開發(fā)板的Flash中。

對內(nèi)核的移植首先要對內(nèi)核進(jìn)行修改MAKEFILE文件指定編譯器以及目標(biāo)平臺,然后配置內(nèi)核,交叉編譯生成內(nèi)核鏡像,通過UART口(串口)下載到開發(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)信息等都存儲在其中。在設(shè)計過程中把文件系統(tǒng)設(shè)置為可讀寫,這樣操作性強(qiáng)一些,在投入到生產(chǎn)中的時候應(yīng)該把文件系統(tǒng)設(shè)置為只讀的,這樣整個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)動程序的設(shè)計

本系統(tǒng)共涉及到鍵盤驅(qū)動、觸摸屏驅(qū)動、LCD驅(qū)動、音頻驅(qū)動和USB驅(qū)動等驅(qū)動。因為多媒體功能是本系統(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)動的編寫。

目前Linux下常用的音頻驅(qū)動程序主要有兩種類型: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)動程序模塊組成,可為大多數(shù)音頻芯片驅(qū)動提供統(tǒng)一的編程接口。在嵌入式系統(tǒng)中,對于特定的處理器(如本系統(tǒng)采用的S3C2410),可以按照OSS接口標(biāo)準(zhǔn)來編寫音頻驅(qū)動程序,以滿足Linux上的應(yīng)用程序。OSS接口已經(jīng)足夠簡單,需要完成的主要的工作就是對音頻設(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)動主要是對UDA1314TS進(jìn)行驅(qū)動編寫,包括對UDA1314TS的L3接口的控制。首先初始化I/O和UDA1 314芯片,然后申請兩個DMA(Direct Memory Access)通道用于音頻傳輸(音頻數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都通過一個先入先出的隊列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DMA通道來解決此問題)。OSS標(biāo)準(zhǔn)中由兩個最基本的音頻設(shè)備:混音器(Mixer)和數(shù)字信號處理器(DSP)又稱編解碼器,其中混音器主要用來控制輸入輸出音量的大小,只有open和release以及幾個接管OSS標(biāo)準(zhǔn)的iotcl。而DSF設(shè)備驅(qū)動的方法比較復(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。以播放音頻來說明DSP驅(qū)動程序的編寫,對應(yīng)了驅(qū)動程序中的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)備打開的方法:讀取、寫入和讀/寫,分別對應(yīng)音頻的錄音、播放以及錄音同時回放,然后申請兩個與音頻DMA緩沖區(qū)相關(guān)的,在初始化DMA時要用到,最后程序可以根據(jù)設(shè)備打開模式的初始化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,因為使用了兩個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)動的調(diào)用者通常要在打開音頻設(shè)備時就期望獲得DMA緩沖的信息,然而因為緩沖尚未建立,會使得緩沖大小為0這個結(jié)果,解決辦法時在兩個與音頻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)備文件打開的方式,具有write特性打開的設(shè)備才可以寫入,然后判斷是否沒有建立DMA緩沖區(qū),若沒有,則通過audio_setup_buf()來創(chuàng)建,定義一個結(jié)構(gòu)體(audio_stream_t)的指針如下:

2.3 GUl程序的設(shè)計與播放器的實(shí)現(xiàn)

2.3.1 程序的設(shè)計和實(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,用于生成用戶界面。QT是一個跨平臺的c++圖形用戶界面庫,Qt/Embedded是面向嵌入式系統(tǒng)的版本,其最大的特點(diǎn)就是使信號和槽用于對象間的通信,Qt的窗口部件有多個預(yù)定義的信號,槽是一個可以被調(diào)用處理特定信號的函數(shù)。Qt的窗口部件有多個預(yù)定義的槽,當(dāng)一個特定事件發(fā)生的時候,一個信號被發(fā)射,對應(yīng)感興趣的槽就會調(diào)用對應(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)度條和播放時間顯示。文件操作窗口可以使用戶選擇要播放的文件。播放列表用來播放最近播放的五個多媒體文件。

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)行的時候顏色會有偏差,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)播放時對鍵盤事件正?;?;

(4)Mplayer采用的自帶的mp3lib浮點(diǎn)音頻解碼庫的解碼效率很低,在播放音頻時會很卡,通過采用使用定點(diǎn)運(yùn)算的libmad音頻解碼庫替代原來的mp3lib庫進(jìn)行音頻解碼;

(5)使用Mplayer的-input選項,通過FIFO從向后端程序傳遞控制信息。通過優(yōu)化后,對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)框架見圖2。通過擴(kuò)展用于視頻錄制的Philips的視頻解碼芯片SAA7113和ADI的JPEG壓縮芯片來實(shí)現(xiàn)。首先輸入的模擬視頻信號經(jīng)過SAA7113轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,然后傳輸給ADI的JPEG壓縮芯片JPEG2000,壓縮為JPEG圖像信號,并通過擴(kuò)展的總線接口傳輸?shù)较到y(tǒng)上。音頻信號則直接通過音頻輸入接口送到音頻解碼芯片,并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進(jìn)行編碼。編寫應(yīng)用程序使傳到的音視頻數(shù)字信號一起轉(zhuǎn)化為Motion JPEG編碼的AVI格式的多媒體文件,并存入擴(kuò)展的存儲設(shè)備(微硬盤或者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)在保證滿足實(shí)時播放的前提下,對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。所以,在一個資源受限的處理器上要實(shí)現(xiàn)多媒體文件的實(shí)時播放,性能優(yōu)化成為關(guān)鍵。本系統(tǒng)主要通過解碼程序優(yōu)化,打開Cache等措施來提高系統(tǒng)性能。

3.1 對解碼程序的優(yōu)化

由于解碼過程絕大部分是計算,以MP3音頻文件為例,其解碼過程主要是高精度乘法和矢量運(yùn)算,其中80%的時間用于數(shù)值計算,因此對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。在沒有硬件浮點(diǎn)單元的上,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)通過查表方式代替很多運(yùn)算式獲取計算結(jié)果,對調(diào)用頻繁的小函數(shù)采用inline修飾;

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

3.2 打開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盤讀進(jìn)來解碼的數(shù)據(jù)使用完畢后就再也不會使用了,解碼產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也是一樣,使用一次就會被丟棄,因此數(shù)據(jù)訪問的時間局限性基本是不存在的。但是,系統(tǒng)在訪問數(shù)據(jù)時存在很強(qiáng)的"空間局限性",所以打開數(shù)據(jù)Cache后可以提高性能,因為:

(1)Cache和IDRAM之間通過Burst方式傳遞數(shù)據(jù),提高了總線帶寬,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)時就會命中。

(3)通過WriteBuffer或WriteBack方式讀內(nèi)存時,沒有寫DRAM的延遲。

但是這樣也會帶來數(shù)據(jù)不一致的問題,主要是DMA造成數(shù)據(jù)的不一致,因為SD卡或USB的傳輸是通過DMA進(jìn)行的,其傳輸過程無需干預(yù),DMA操作直接訪問內(nèi)存,但不會跟新Cache和寫緩存相應(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)行錯誤。

(2)SD卡或USB輸入模塊通過DMA像主存?zhèn)鬏斘募?shù)據(jù)時,寫數(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)是存儲空間比較大而且是順序訪問的,可將其設(shè)置為cachable。

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

4 結(jié)束語

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)展存儲設(shè)備被Mplayer播放的設(shè)計要求。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有更廣闊的應(yīng)用前景。

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