基于嵌入式ARM-Linux的电子相册设计方案

1 基于嵌入式 电子相册设计方案 子相册市场成长的必然性 （ 1）市场需求的必然性 在上世纪末本世纪初 ， 电子相册呈现迅速发展的势头 ， 普及型数码相机的分辨率由 200万象素增长到现在的 8001500万象素 ， 价格也由 300美元左右下降到现在的 120美元左右。随着数码相机的日益普及 ， 作为一种以数字照片的保存、回放和浏览为核心功能的产品 电子相册自然迎合了消费者的需求。 （ 2） 核心器件性能和价格的合理化推动市场的发展 电子相册有三大核心器件 ： 处理器 ， 半导体存储器和 着 电子相册所需要的 集成了 单位容量的价格在过去的六年中约下跌 40至 50倍。 子相册未来产品的发展 码相框 数码相框将是以数字照片的重显为主要功能的产品 ， 其功能更接近于传统意义上的相框。由于受到人机界面的限制 ， 为更方便地重显和浏览以及确定重显的规则 ， 这类产品不强调有大容量的内存以及丰富的卡接口。主要特征是 ： （ 1） 口 以便更新和同步数据 ； （ 2） 在某 些情况下 （ 如从 步数据时 ）， 允许修改数字照片的格式 ， 使其有最佳的重显效果 ； （ 3） 仅依靠内置的半导体存储器存放需要重显的数字照片 ； （ 4） 文件 （ 照片 ） 查询和播放规则设定非常简洁易用 ； （ 5） 产品大致分为桌面和壁挂两种。 子相册 电子相册是以数字照片的存储和浏览为主要功能的产品 由于需要满足跟 这类产品的主要特征是 ： （ 1） 有大容量的内置数据存储器 ； （ 2） 各种卡接口 ， 并支持内部存贮器与各种数据存贮器之间的同步以及相互拷贝 ； 2 （ 3） 强大的文 件管理功能 ： 浏览 ， 搜寻 ， 命名 （ 重命名 ）， 复制 ， 删除 ， 备份等 ； （ 4） 带或不带内建显示单元 ， 有能支持其它高分辨率显示设备的接口 （ 如色差 ， 与其他产品的功能结合的产品形态以及大头贴等产品 ， 用于不在本文所包含的范围内。 前市场上流行三种系统设计架构 芯片解决方案 以单芯片的解决方案 ， 以 芯片设计为代表 ， 该方案的优点： （ 1）结构简单，成本低，芯片功能强大； （ 2）多媒体的编解码速度快。 该 方案的缺点： （ 1）可扩展的余地不足； （ 2）对读卡部分，某些方案使用硬件实现，不能支持新类型的卡； （ 3）应客户要求的二次开发比较不方便。 硬件为基础，用软件算法实现功能 这种方案，是以 由 卡部分，文件系统部分由 围设备大的驱动由 这种方案的优点： 功能扩展升级性强，软件实现读卡部分，新的类型卡，外围设备可以通过升级方式实现。 这种方案的缺点： （ 1）整体成本比较 大； （ 2）客户二次开发难度大。 （ 3）显示输出由 类输出大部分是数字的输出，模拟输出支持比较弱。 心方案 以 架构系统。此方案以 3度在 200入 现多媒体的编解码。 该方案的优点： （ 1）系统芯片功能强大，实现的功能多，对于新的多媒体 格式支持好，只需要安装更新的软件； （ 2）硬件电路简单； （ 3）二次开发容易实现。 该方案的缺点： （ 1）成本较大，该类强大的 （ 2）比较耗电，使用软件解码功耗与频率相关性很大。 2 硬件设计方案 本设计选用的是第三种方案：以 基于 成本、高性能等特点， 简指令集计算机）架构和流水线结构，使用了大量的寄存器，具有极高的工作效率。其中， 特点：固定长度的指令格式，指令归整、简单，基本寻址方式只有 23种，使用单周期指令，便于流水线操作。 种是 32位的 字对准保存；另一种是 16位的 字对准保存。 种工作状态： 常的程序执行状态 于高速数据传输或通道处理 于通用的中断处理 作系统使用的保护模式 于虚拟存储及存储 保护 出现未定义指令终止时进入该模式 行具有特权的操作系统任务 在 异常：当正常的程序执行流程发生暂时的停止时就叫做异常，例如处理一个外部的中断请求。在处理异常之前，当前的处理器状态必须被保留，当异常处理完后，异常发生前的程序可以继续执行。处理器允许多个异常同时发生，它们将会按固定的优先级进行处理。 4 复位：复位电平有效时，产生复位异常； 未定义指令：遇到不能处理的指令时，产生未定义指令异常； 软件中断：执行 于用户模式 下的程序调用特权操作指 令； 指令预取中止：处理器预取指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问，产生指令预取中止异常； 数据中止：处理器数据访问指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令 访问时，产生数据中止异常； 中断服务请求：外部中断请求有效，且 位为 0时，产生 快速中断请求：快速中断请求引脚有效，且 位为 0时，产生 用此硬件方案的优势 如上所述： （ 1）系统芯片功能强大，实现的功能多，对于新的多媒体格式支持性好，只需要安装更新的软件； （ 2）硬 件电路简单，可采用标准电路，不需耗费过多的资源（人力，资金 等）； （ 3）可以在硬件上增加模块，留作二次开发使用，极为方便； （ 4） 术积累齐全； （ 5） 用 作系统的优势 前存在着许多不同的它们都使用了 手机、平板电脑、路由器和视频游戏控制台，到台式计算机、大型机和超级计算机。 的操作系统，世界上运算最快的 10台超级计算机运行的都是 格来讲， 实际上人们已经习惯了用 且使用 程各种工具和数据库的操作系统。 其是在 大的使用群体、开放的体系和丰富资源使得 5 目前，很多网络技术、服务器、网络设备都是基于 且在不少时尚的 手机、 体播放器等消费类电子产品中已经广泛使用 在 多学生已经自发地通过书籍、互联网等资源学习 综上所述，提高技术水平就是以市场流行需求为导向进行研发，特别是像嵌入式种工程类的技术。在条件允许的情况下，我们甚至应该时刻与国际接轨，掌握当前最领先的技术。 件的设计方案 根据前面所提出的系统方案，本课题所研究的系统应该包括以下功能：支持 持常用格式图片的浏览（ 支持彩色 形化界面显示。 3介 司推出的 16/32位 3手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。 功耗、高性能小型微控制器的解决方案。采用 272脚 含一个 了降低系统成本 ,供了以下丰富的片内外围。 储管理单 元， 中 速缓存由独立的166的资源如下： 内核工作电压为 存工作电压兼容 围 I/成 166 支持 高支持 456 4通道 3通道 2通道 6 2通道 个复用的 4通道 宽调制）定时器和 1个看门狗定时器 8通道 10位 实时时钟 130个 4通道外部中断源接口 片上 总的方案图如图 图 件系统框图 储接口电路 步动态随机存储器，同步是指 部的命令的发送与数据的传输都以它为基准；动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失；随机是指数据不是线性依次存储，而是自由指定地址进行数据读写。 别是：第一代 第二代 第 三 代 第 四 代 显 卡 上 的 经 发 展 到 第 一 代 用单端（ 钟信号 ,第二代、第三代与第四代由于工作频率比较快，所以采用可降低干扰的差分时钟信号作为同步时钟。 能保留住数据，因此它是 么要隔多长时间重复一次刷新，目前公认的标准是，存储体中电容的数据有效保存期上限是 64秒， 1/1000秒），也就是说每一行刷新的循环周期是 64样刷新速度就是：行数量示 片 路 钟电路 口 电源 7 /64们在看内存规格时，经常会看到 4096 4192 4里的 4096与 8192就代表这个芯片中每个 新命令一次对一行有效，发送间隔也是随总行数而变化， 秒， 1/1000毫秒）， 8192行时就为 192 64 本设计采用 32的单片内存规格为 256M*16 容量为 326位 用 36位相连。操作地址的最小值变为 0以将 0了能够正确访问 低位字节数据，又将 代表着 因 为两片 4也就是说要 26根地址线来实现寻址 ,所以将 3理图如图 图 储电路 内部采用非线性宏单元模式，为固态大容量内存的实现提供了廉价有效的解决方案。 写速度快等优点，适用于大量数据的存储，因而在业界得到了越来越广泛的应 用，如嵌入式产品中包括数码相机、 积小巧的9881 2 3 4 5 6 7 8it l eN u m b e r Re v is i iz a t e : 2 2- J 2 01 2 S he e t o f F il e : D : P ro gr a m F il e s D e s i E x pl or e r 9 9 S E E xa m p l e s hx b. d ra w n D 3 3n E 0V D 1V D 2V D 3V D 4V D 5V D 6V D 7V D 8V D 9 A T A 0L D A T A 1L D A T A 2L D A T A 3L D A T A 4L D A T A 5L D A T A 6L D A T A 7L D A T A 8L D A T A 9L D A T A 1 0L D A T A 1 1L D A T A 1 2L D A T A 1 3L D A T A 1 4L D A T A 1 5 06A 1 15A 1 24A 1 33A 1 42A 1 51A 1 648A 1 717A 1 816A 1 99D Q 029D Q 131D Q 233V D D 037D Q 335V S S 027V S S 146n 438D Q 540D Q 642D Q 744n W Y / B E S E 830D Q 932D Q 1034D Q 1136D Q 1239D Q 1341D Q 1443D Q 15 / A Y T 010W P #14 29 L V 16 0 022A 1 13521n W R A C C A Q Q K L D 227V D D 114D Q 02D Q 14D Q 25D Q 37D Q 48D Q 510D Q 611D Q 713D Q 842D Q 944D Q 1045D Q 1147D Q 1248D Q 1350D Q 1451D Q 1553V D D Q 03V S S 254V S S 141V S S 028V S S Q 352V S S Q 246V S S Q 112V S S Q 0620V D D 01V D D Q 349V D D Q 243V D D Q 19A 1 236 41 6S 40 3 01 01 0 D 3 3L N G C S 0L N O W E S E D D D D D D D D D D D D D D D D D D L A D D L A D D L A D D L A D D L E 0L E 1L S C K C L K 0 D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D L A D D L A D D L A D D L A D D L A D D L A D D L A D D L A D D L A D D L A D D L A D D L A D D L A D D L A D D D 3 3 R W C D R 0/ G P A 0A D D R 1D 1 4A D D R 2A 1 4A D D R 3A D D R 4A D D R 5D 1 3A D D R 6A 1 3A D D R 7A D D R 8A D D R 9G 1 2A D D R 10D 1 2A D D R 11E 12A D D R 12A D D R 13A 1 1A D D R 14A D D R 15G 1 1A D D R 16 / G P A 1A 1 0A D D R 17 / G P A 2A D D R 18 / G P A 3E 10A D D R 19 / G P A 4D 1 0A D D R 20 / G P A 5F 10A D D R 21 / G P A 6 D R 22 / G P A 7 D R 23 / G P A 8 D R 24 / G P A 9 D R 25 / G P A 10 D R 26 / G P A 11 T A 0 T A 1 T A 2 T A 3 T A 4 T A 5 T A 6 T A 7 T A 8 T A 9 T A 10 T A 11 T A 12 T A 13 T A 14 T A 15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 911417813141173571015V D D M 4V D D M D M 1V D D M 5V D D M D M D M D O P (3 . 3 ) D O P (3 . 3 ) D O P (3 . 3 )N 1 6V D D O P (3 . 3 )n A L E /G P A 18G 1 4n F C E / G P A 2 2G 1 7n F C E / G P A 2 0G 1 6n F C E / G P A 1 9G 1 5 /G P A 17H 1 2 C 24 102 0u 1 0k 8 年首先开发出 底改变了原先由 接着， 1989年，东芝公司发表了 调降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。但是经过了十多年之后，仍然有相当多的硬件工程师分不清 多业内人士也搞不清楚 为大 多数情况下闪存只是用来存储少量的代码，这时 于生产过程更为简单，就相应地降低了价格。 12字节的块，这一点有点像硬盘管理此类操作，很自然地，基于 16 128M 这也说明 储介质中， 当前 虑到成本问题，本设计采用了 64 0上连，实现数据的读写。 ，可以检查 9别可以控制 令锁存使能、片选使能、读使能和写使能。 原理图如图 1 2 3 4 5 6 7 8it l eN u m b e r Re v is i iz a t e : 1 0- M a 01 2 S he e t o f F il e : D : P ro gr a m F il e s D e s i E x pl or e r 9 9 S E E xa m p l e s hx b. d ra w n 16A L O 029I/ O 130I/ O 231I/ O 332V S O 441I/ O 542I/ O 643I/ O 744V C F 28 08L D A T A 0L D A T A 1L D A T A 2L D A T A 3L D A T A 4L D A T A 5L D A T A 6L D A T A 7V D D 3 3A L W R E 9 图 储电路 源模块 字电源； 电压在系统掉电后仍需要维持。 在该系统中，需要使用 简化系统电源电路的设计，要求整个电路系统的输入为高质量的 5 然后采用两个 采用 再加 4个 复位电路是用一个 74是用于按钮去抖动和波形整形 ;于低电平复位的器件。 电源电路如图 1 2 3 4 5 6 7 8it l eN u m b e r Re v is i iz a t e : 6 -J u 0 12 S he e t o f F il e : D : P ro gr a m F il e s D e s i E x pl or e r 9 9 S E E xa m p l e s hx b. d ra w n C 2 54 7 0 D 3 3 C 2 31 0 D 1 8 J /B Y C 52 07 8B M 5C 2 61 0 31 04127 源电路 路模块 27个外设，如 鼠标 、 调制解调器 和 键盘 等。996年推出后，已成功替代 串口 和 并口 ，并成为当今个人电脑和大量智能设备的必配的接口之一。目前 较普遍的是 的传输速度为 48080 0倍左右，速度的提高对于用户的最大好处就是意味着用户可以使用到更高效的外部设备，而且 10 具有多种速度的周边设备都可以被连接到 且无需担心数据传输时发生瓶颈效应。 缆 ，其中两根是用来传送数据的串行通道，另两根为下游（ 备提供电源，对于高速且需要高带宽的外设， 2于低速外设，似于令牌环网络或 线上设备检测令牌中的地址是否与自身相符，通过接收或发送数据 给主机来响应。 恢复操作来管理 根据 的接口规范：主机接口的正负数据线分别接 15且分别通过 22欧姆的电阻与 备接口的正数据线要接 负数据线接 470欧姆的下拉电阻，正负数据线与 2欧姆的终端电阻。 控制器原理图如图 1 2 3 4 5 6 7 8it l eN u m b e r Re v is i iz a t e : 6 -J u 0 12 S he e t o f F il e : D : P ro gr a m F il e s D e s i E x pl or e r 9 9 S E E xa m p l e s hx b. d ra w n V B U G N B D E V P O D 3 31 01 51 5 G N G D 路模块 构造是在两片平行的玻璃基板当中放置液晶盒，下基板玻璃上设置 薄膜晶体管），上基板玻璃上设置彩色滤光片，通过 而达到控制每个像素点偏振光出射与否而达到显示目的。现在 格也已经下降了很多，并已充分的普及。 C、滤光片和定向膜等配件，与面板的对比度有关，一般而言，对比度能够达到 350： 1就足够了，但在专业领域这样的对比度平还不够。相对 00： 1甚至更高的对比度而言，只有高档液晶显示器才能达到这样如此程度。 身是不 能发光的，需借助要额外的光源才行。最早的液晶显示器只有上下两个灯管，发展到现在，普及型的最低也是四灯，高端的是六灯。四灯管设计分为三 11 种摆放形式：一种是四个边各有一个灯管，但缺点是中间会出现黑影，解决的方法就是由上到下四个灯管平排列的方式，最后一种是 实是两灯变相产生的两根灯管。六灯管设计实际使用的是三根灯管，将三根灯管都弯成 后平行放置，以达到六根灯管的效果。 图 3中内部的寄存器作用如下： 7个可编程寄存器组和 256*16的调色板存储器，用来设定 动从帧存储器传输视频数据到 这个特殊的 频数据可不经过 在将其改变到合适数据格式后，经 3:0将之送到 4/8单扫描或 4双扫描显示模式。 图 3可编程逻辑组成，以支持不同 速率的不同要求。 据流描述如下 : 入要显示的图像数据，而这个帧存储器是 这个传输请求被存储控制器中的总线仲裁器接收到后，从系统存储器到内部 个字。 3制器 3P 12 图 由 于 1 2 3 4 5 6 7 8it l eN u m b e r Re v is i iz a t e : 6 -J u 0 12 S he e t o f F il e : D : P ro gr a m F il e s D e s i E x pl or e r 9 9 S E E xa m p l e s hx b. d ra w n 12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940D 6 40 4 80V D 0V D 1V D 2V D 3V D 4V D 5V D 6V D 7V D 8V D 9V D 10V D 11V D 12V D 13V D 14V D 15V D 16V D 17V D 18V D 19V D 20V D 21V D 22V D 23n E T S Y X X Y L 结 D23 13 本章首先介绍了嵌入式 简要介绍了 绍了 对 源模块、 系统各组成部分功能作了简要说明，对系统主要技术指标、性能及结构特点亦作了简要介绍。 3 统的建立 本设计采用的是嵌入式 入式 指对 固化在存储器或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用 先， 遍布全球的众多 次，率高，内核的更新速度很快， 系统内核最小只有约 134三， S，在价格上极具竞争力。 系统所需要的很多特色，突出的就是 一个跨平台的系统。到目前为止，它可以支持二三十种且性能稳定，裁剪性很好，开发和使用都很容易，移植性很强，移植的速度远远超过 用 次开发方便。 同时， 供了包括十兆、百兆、千兆的以太网络，以及无线网络、 牌环网）、光纤甚至卫星的支持。还有使用 线连接产品的开发者越来越多。 启动过程 嵌入式 第一阶段，用户上电， 常是从 着启动设备上安装的引导程序 第二阶段， 要完成磁盘引导、读取机器系统数据、实模式和保护模式的切换、加载数据段寄存器以及重置中断描述符表等。 第三阶段，执行 回 第四阶段， 开终端供用户登录系统，用户登录成功后 14 上电 进入了 样就完成从开机到登录的整个启动过程。 图 一个嵌入式 （ 1）引导加载程序。包括固化在固件中启动代码和 （ 2） 定于 嵌入式电路板的内核以及控制内核引导系统的参数。 （ 3）文件系统。包括根文件系统和建立于 般有 （ 4）用户应用程序。特定于用户开发的应用程序。 第 一 阶 段 内核 参数 文件系统 c 二 阶 段 第 四 阶 段 第 三 阶 段 应用程序 成 15 图 动代码和 导加载程序是系统加电后运行的第一段代码，对嵌入式系统来讲是一个非常 重要的系统组成部分。但在嵌入式系统中，一般并没有像 程 序 , 因此 在 一般 的系 统中 , 整 个 系统 的加 载启 动 任 务就 完全 由一个基于 统上电或者复位时通常都从 0 开 始 执 行 ， 而 在 这 个 地 址 处 安 排 的 通 常 就 是 系 统 的过这小段程序可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核做准备。 可以是多阶段的。大多数单阶段 的 般为没有操作系统的系统。通常多阶段的 固态存储设备上启动的 就是启动过程可以分为 （ 1） 是 如屏蔽 作频率、内存参数和设置堆栈等。由于在初始化原始硬件资