（信息与通信工程专业论文）基于intel+3100的嵌入式多媒体系统的设计与开发.pdf

r 一0 _ 王 i i l ll l ll lli lll l l ll ll l y 1718 6 31 d e s i g na n dd e v e l o p m e n to ne m b e d d e dm u l t i m e d i as y s t e m b a s e do ni n t e l3 1 0 0 s p e c i a l t y ：一i n f o r m a t i o na n d c o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g m a s t e rd e g r e ec a n d i d a t e ： z h 星旦g ) i s u p e r v i s o r ： p r o f l i ul i a n h a o c o l l e g eo f i n f o r m a t i o ns c i e n c e & e n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t h u n i v e r s i t y c h a n g s h ah u n a n p r c 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：簦盛日期：二塑l 年上月j l 日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 銎垒导师签名壹l 盘盘日期：韭年月日 摘要 随着p 2 p 、流媒体技术为核心的新一代网络传输工具逐渐普及， 大体积高清视频在网络上的传播已如家常便饭，大量b t 网站涌现 出来。由于高清巨大的潜在价值和商业空间，各国都在纷纷追逐高 清。在国内，高清产业在用户规模总量偏小的基础上同样保持了稳 定快速增长态势。本多媒体系统就是面向这一需求所设计的。 本文在嵌入式技术的基础上，结合多媒体技术，提出了一种嵌 入式多媒体系统的设计方案。并依次按照系统硬件、系统固件和系 统软件的顺序，从三个层面上分析了本嵌入式多媒体系统的设计和 实现。 首先在介绍说明了嵌入式系统、嵌入式处理器的基础上，结合 c i s c 设计思想具体分析了i n t e l3 1 0 0 的功能与特点，并设计了包括 d d r 2s d r a m 接口、f l a s h 接口、音频输出接口、视频输出接口、 以太网接口及u s b 接口等一些重要外围接口。 其次，固件部分详细论述了本系统开发平台搭建的步骤，针对 多媒体系统的特点，对l i n u x 内核进行了相应的修改和移植，同时 分析研究了各种r e d b o o t 加载方式的区别，并对系统显示驱动程序 的应用配置步骤给出了详细的说明。 最后，文章详细论述了系统的各功能模块及总体架构，设计了 基于t e a 算法的系统初始化程序、基于g s t r e a m e r 的播放器程序以 及基于d i r e c t f b 的系统界面程序，并给出了系统的主界面效果示意 图。 本嵌入式多媒体系统可以很好的满足用户需求。针对各种具体 的问题，本文还以讨论的形式介绍了关于今后系统设计的一些改进 想法和措施，比如考虑增加对视频点播、浏览器和f l a s h 游戏的支持 等等。 关键词嵌入式，多媒体系统，g s t r e a m e r ，d i r e c t f b ，r e d b o o t a b s t r a ct a sn e x t g e n e r a t i o nn e t w o r kt r a n s f e rt o o l sa r eg e t t i n gm o r e p o p u l a r , s t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g y , s u c ha sp 2 p , a n dt h et r a n s m i s s i o no fl a r g e 一o 一一 v o l u m eo tn l g n 。d e t i m t l o nv i d e oo nt h en e t w o r ka r ei nc o m m o n ，a l a r g e n u m b e ro fb ts i t e se m e r g e a st h eg r e a tp o t e n t i a lv a l u ea n dc o m m e r c i a l s p a c eo fh i g h d e f i n i t i o n ，m a n yc o u n t r i e sh a v ep u r s u e di nh i g h d e f i n i t i o n i n d o m e s t i c ，b a s e do nt h es m a l l e rs i z eo ft h et o t a l ，c h i n a s h i g h - d e f i n i t i o ni n d u s t r ya l s om a i n t a i n e ds t e a d ya n dr a p i dg r o w t h t h e m u l t i - m e d i as y s t e mi sd e s i g n e df o rt h i sn e e d i nt h i st h e s i s ，b a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g y , c o m b i n e dw i t h m u l t i m e d i at e c h n o l o g y , ae m b e d d e dm u l t i m e d i as y s t e mi sd e s i g n e d t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fe m b e d d e dm u l t i m e d i as y s t e mh a v eb e e n a n a l y s i s e df r o mt h r e el e v e l s ，i na c c o r d a n c ew i t ht h eh a r d w a r e f i r m w a r e a n ds o f t w a r es e q u e n c e f i r s t l y , b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o na n dd e s c r i p t i o no ft h ee m b e d d e d s y s t e ma n dt h ee m b e d d e dp r o c e s s o r ，t h e310 0f u n c t i o n sa n df e a t u r e sa r e a n a l y s i s e dc o m b i n e dw i t hc i s cd e s i g n ，a n dan u m b e ro fi m p o r t a n t p e r i p h e r a l ，i n c l u d i n gd d r 2s d r a mi n t e r f a c e ，f l a s hi n t e r f a c e ，a u d i o o u t p u ti n t e r f a c e ，v i d e oo u t p u ti n t e r f a c e ，e t h e r n e tp o r ti n t e r f a c ea n du s b i n t e r f a c ea r ed e s i g n e di nt h et h e s i s s e c o n d l y , i nt h ef i r m w a r es e c t i o n ，t h es e tu po fd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n ta r ed e s c r i b e di nd e t a i l a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f m u l t i - m e d i a s y s t e m s ，t h e d i f f e r e n t l o a d i n gw a y so fr e d b o o ta r e a n a l y s i s e d ，a n dt h el i n u xk e r n e lt r a n s p l a n t i n gc o n f i g u r a t i o na n dt h e a p p l i c a t i o nc o n f i g u r a t i o ns t e p so ft h e s y s t e md i s p l a y d r i v e ra r e i l l u s t r a t e di nd e t a i li nt h et h e s i s f i n a l l y , t h ef u n c t i o no ft h es y s t e mm o d u l e sa n da r c h i t e c t u r e sa r e d i s c u s s e di nd e t a i l ，t h es y s t e mi n i t i a lb a s e do nt e a ，p l a y e rb a s e do n g s t r e a m e ra n du ib a s e do nd i r e c t f bs y s t e ma r ed e s i g n e d ，a n dt h em a i n u id i a g r a mi sg i v e n t h ee m b e d d e dm e d i as y s t e mi s a p p l i c a b l ef o rc u s t o m e rn e e d s i n i i t e r m so fk i n d so fp r a t i c a l p r o b l e m s ，s o m ei d e a sa n dm e a s u r e s o f i m p r o v e m e n ti nt h ef o r mo fd i s c u s s i o na r ei n t r o d u c e di nt h i st h e s i s ，f o r e x a m p l e ，s u p p o r t i n gv o d ，b r o w s e r , f l a s hg a m e ，e t c k e yw o r d s e m b e d d e d ，m u l t i - m e d i a s y s t e m ，g s t r e a m e r , d i r e c t f b ，r e d b o o t i 目录 摘要要l a b s t r a c t 。i i 第一章绪论1 1 1 课题来源及背景1 1 2 研究内容和意义。2 1 3 国内外研究现状3 1 4 论文的组织结构。4 第二章系统硬件的设计与实现6 2 1 嵌入式系统的概述6 2 1 1 嵌入式系统的定义6 2 1 2 嵌入式系统的特点6 2 1 3 选择l i n u x 作为嵌入式操作系统的优势7 2 2 硬件电路中重要芯片的选择。7 2 2 1 嵌入式处理器的类别7 2 2 2c i s c 设计思想9 2 2 3i n t e l3 1 0 0 芯片9 2 3 硬件设计1 l 2 3 1 系统功能框图1 1 2 3 2d d r 2s d r a m 设计1 2 2 3 3f l a s h 设计。l3 2 3 4 视频接口设计1 4 2 3 5 音频接口设计l5 2 3 6 以太网接口设计1 6 2 3 7u s b 接口设计l7 2 4 本章小结1 8 第三章系统固件的设计与实现1 9 3 1 搭建嵌入式开发环境1 9 3 2 系统内核配置2 0 3 2 1 内核配置与编译2 1 3 2 2 内核下载2 2 i v 3 3r e d b o o t 2 2 3 3 1r e d b o o t 烧写2 3 3 3 2r e d b o o t 配置2 3 3 4 系统显示驱动的应用配置2 6 3 4 1 显示驱动程序的安装2 7 3 4 2 显示驱动程序的配置2 8 3 5 本章小结。3 0 第四章系统软件的设计与实现3 l 4 1 软件功能模块3 1 4 2 基于t e a 的系统初始化设计3 2 4 3 基于g s t r e a m e r 的视频插件设计。3 5 4 3 1g s t r e a m e r 简介3 5 4 3 2 视频插件设计3 7 4 4 基于d i r e c t f b 的系统界面设计4 1 4 4 1d i r e c t f b 简介4 l 4 4 2 系统界面设计实现4 2 4 4 3 用户界面显示4 5 4 5 本章小结4 6 第五章工作总结与展望。4 7 5 1 论文及研究工作总结4 7 5 2 后续工作展望4 7 参考文献4 9 致谢5 3 攻读硕士学位期间主要成果5 4 v 硕士学位论文 第章绪论 1 1 课题来源及背景 第一章绪论 随着国内居民收入水平的不断提高，家庭消费电子趋势也在悄悄的发生转 变。从2 0 0 4 年起，消费电子发展逐渐出现了以无线技术、移动以及视频为核心 的热点。面对着信息渠道和形式的多样化，人们对信息的调整力度和运用整合 的要求越来越高，对网络的依赖也越来越大，大家都希望利用高速的i n t e m e t 网络坐在家里畅游世界。由于互联网技术的发展，宽带用户数不断高速增长， 内容的分发逐渐呈现电子化、网络化，消费电子的互联化方案越来越被人们所 重视，消费电子也越来越呈现出数字生活的概念。而当平板高清电视成为现在 的主流产品之后，从网络上获取高清片源和在高清电视上播放变得密不可分。 在另一方面，随着制造技术的不断发展，集成电路从晶体管发展到了i p 的 集成，也就是所说的s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 技术。s o c 中可以有多个m p u ( m i c r o p r o c e s s o ru n i t ) ，d s p ( d i 百t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 或者m c u ( m i c r oc o n t r o lu n i t ) ， 实现了将所有不同的功能模块集成于一颗芯片上，可以很好的缩短开发周期， 提高产品竞争力。随着芯片技术的快速发展，嵌入式系统的性能逐步提高，功 能变得越来越丰富。嵌入式系统在众多领域的应用给我们的生活带来了便利， 并且对人们的生活方式的改变和生活质量的提高具有重要的影响。生活中常用 的m p 3 就是一个嵌入式系统，它的成功和逐渐成熟的其他多媒体终端产品， m p 4 产品以及3 g 通讯设备等，都预示着嵌入式系统将会和人们的生活越来越 息息相关，因此如何利用嵌入式技术更好的与消费电子结合起来为用户服务， 慢慢成为了这个领域的重剧。 p 2 p ( p e e r - t o p e e r ) 技术的逐渐成熟，更加推动了消费电子的互联网化。一般 来说，在p c 机上收看在线视频，一个重要的问题就是关于网络下载，平均每 秒几十k 的速度让用户收看高清视频苦不堪言。p 2 p 改变了现在互联网以大网 站为中心的状态，用户可以直接与其他用户的计算机发生联系，进行相互间上 传文件和下载文件，而不必再与服务器发生联系，更方便的实现了资源共享与 管理，消除了以往繁琐的中间联系。基于p 2 p 的这些特点，可以使在线人数越 多，网络电视越流畅，收看效果越好。高清视频源文件由于体积庞大，必须依 赖于很好的网络速度才能让用户觉得满意，p 2 p 技术的逐渐成熟，为多媒体高 清播放系统扫清了一个最大的障碍【2 。 硕士学位论文第一章绪论 1 2 研究内容和意义 虽然蓝光的大容量存储代表了将来发展的趋势，但对于现在而言，各方面 条件都不是非常的成熟。由于蓝光稀少的片源和昂贵的价格，在我国的发展并 不如意，而c b h d ( c h i n ab l u eh i g hd e f i n i t i o nd i s c ) 技术的有待改进以及产业化 方面遇到的问题，都再次说明了蓝光技术产品发展的举步维艰；h t p c ( h o m e t h e a t e rp e r s o n a lc o m p u t e r ) ，即家庭影院电脑，因为繁琐的操作和高功耗，也不 符合现代消费电子发展的趋势，未被用户广泛接受【3 】。 伴随着家庭宽带网络的普及，以及网络上存在的大量高清片源，多媒体高 清播放系统变得非常流行起来。在国内，由于高清内容发展过慢，用户只能过 多的依赖网络上所传播的高清节目。面对网络上清晰的7 2 0 p ( 1 2 8 0 7 2 0 p r o g r e s s i v es c a n ) 甚至1 0 8 0 p ( 1 9 2 0 事1 0 8 0p r o g r e s s i v es c a n ) 的高清片源，用户只 能选择使用十几寸的电脑屏幕去观赏，收看效果可想而知。多媒体高清播放系 统可以将价格不菲的高清平板电视与资源无穷尽的网络高清节目结合起来，让 用户可以充分的享受高清，不再局限于用高分辨率的高清平板电视去收看4 ：3 信号源的模拟电视节目或是分辨率最高只有4 8 0 p ( 9 6 0 4 8 0p r o g r e s s i v es c a n ) 的 d v d 碟片例。 通过整合互联网上的内容资源，多媒体高清播放系统可以为用户提供各种 需要的音视频资源。i n t e l3 1 0 0 芯片对多媒体良好的支持，使得多媒体系统在面 对各种高清格式的音视频文件，包括t s 、r m v b 、h 2 6 4 、v c 1 、m p e g 4 等 格式，都能够很好的进行工作，给用户最佳的视觉享受。他能够让我们在客厅 宽大舒适的沙发就能享受数字化网络化带来的方便。基于p 2 p 协议的下载，可 以让用户不再需要依赖于p c 设备，直接通过多媒体系统快速下载互联网音视 频文件并播放，很好的满足用户需求。 本课题来源于企业研究项目，为广大用户设计出一套基于嵌入式的高清多 媒体播放系统。本文研究的主要内容包括： 系统的硬件设计及实现； 系统的固件设计及实现； 系统的软件设计及实现。 本文主要探讨并研究基于t e a ( t i n ye n e r y p t a l g o r i t h m ) l 勺系统初始化设计， 基于g s t r e a m e r 的播放器设计以及基于d i r e 斌p o 的播放终端界面设计，多媒体系 统其他功能的实现不是文中的研究重点。 2 硕士学位论文 第一章绪论 1 3 国内外研究现状 随着高清电视机的盛行，消费者越来越追求高清晰度影片，同时国内网络 内容和环境的日益改善，多媒体高清播放机逐渐获得了广大消费者的认可。从 2 0 0 6 年开始，各种播放机开始进入市场进行销售。多媒体高清播放机一般包括 蓝光播放机，h t p c 和硬盘高清播放机三种【5 j ： ( 1 ) 蓝光播放机 蓝光技术诞生于1 9 9 8 年，它利用波长更短的蓝色激光来读写数据，从而极 大提高了光盘的存储容量，最高可以达到2 5 g b ，远超过现在的d v d 9 存储容 量8 5 g b 的水平。蓝光播放机是基于蓝光技术的播放机系统，自从2 0 0 6 年 s o n y 推出第一代播放器b d p s 1 后，蓝光播放机发展迅速。b d p s 3 0 0 b m 蓝光播放器开启了蓝光在中国商业化的运用，它较之前的d v d 大幅度提升 了分辨率，可以达到1 0 8 0 p 的水平。 随着高清技术的发展以及我国对高清需求的巨大市场，s o n y 、s a m s u n g 、 l g 等国际巨头蓝光厂商的蓝光播放机先后进入内地。除此之外，中国本土的华 录集团等厂商也看好高清市场，推出了多款基于蓝光技术的播放机。具有中国 自主知识产权的c b h d 及基于c b h d 的高清播放机也即将上市。 尽管蓝光产品在国外发展迅速，可是在中国国内，由于特殊的市场环境，- 发展一直不尽如人意。首先是蓝光播放机和蓝光碟片昂贵的价格。一张蓝光碟 片售价两百元左右，而播放机近两千元左右，让消费者望而止步。同时，稀缺 的蓝光片源更让消费者无可奈何。国内市场上，只有华录和新索两家内容提供 商，而市场上的正版蓝光碟片更只有1 0 0 部左右，相比较欧美国家1 0 0 0 多部而 言差距明显。 ( 2 ) h t p c h t p c 是以计算机担当信号源和控制的家庭影院，也就是一部预装了各种 多媒体解码播放软件，可用来对应播放各种影音媒体，并具有多种接口，可与 显示设备如电视机、投影机、等离子显示器、音频解码器、音频放大器等音频 数字设备连接使用的个人电脑。 h t p c 由电脑，视频，音频和解码软件组成。它的优点是配置方便，可以 根据每个人不同的需求去配置各种性能的配件，实现升级也相对简单，增加新 的解码器和存储硬盘都非常方便，并且支持网络下载。这使得h t p c 不会面临 蓝光播放机所面临的碟片资源稀少的问题，但他的缺点同样致命，就是操作复 杂，对于一个不懂p c 的人来说，使用h t p c 将是件头疼的事情。现阶段随着 硬盘高清播放机的出现，它也慢慢成为了一个过渡性产品。 3 硕+ 学位论文第一章绪论 ( 3 ) 硬盘高清播放机 硬盘式高清播放机的核心是能够处理高清视频的专用处理芯片，例如本系 统使用的i n t e l3 1 0 0 ，可以支持绝大多数的高清格式，包括t s ，v c 1 ，h 2 6 4 等等，以及一般的视频格式，比如说r m v b ，a v i 等等。而且现在市面上大部 分的硬盘式高清播放机都提供有网卡接口，因此对网络的良好支持也让消费者 更加青睐。相比于蓝光和h t p c 不菲的价格，硬盘高清播放机几百元的价格可 以说是一个不小的优势。 北京漫游天地公司的i p v d ( i n t e m e tp e r s o n a lv i d e od e v i c e ) 多媒体高清播放 系统，就是硬盘高清播放机的其中一个方案。i p v d 多媒体高清播放器支持目前 流行的高清视频格式，并对用户所获取的内容的可靠性和准确性提供保证，这 也避免了一些使用b t 协议的种子与内容不相符合的现象。而基于p 2 p 协议的 下载，更能充分保证用户的下载速度【】。 1 4 论文的组织结构 本文介绍了一种基于i n t e l3 1 0 0 的嵌入式多媒体系统的设计与实现。一般的 嵌入式系统会基于硬件，固件，软件三部分来进行开发，如图1 1 所示。全文 共分为五章。 r 一 件 r ji l 件 图1 - 1 一般嵌入式系统层次 第一章绪论。本章依次阐述了论文的课题来源及背景、研究内容及意义、 国内外研究现状和论文的组织与结构。 第二章系统硬件的设计与实现。本章首先介绍了嵌入式系统和嵌入式处理 器的相关特点，并对c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 的设计思想进行了 4 圭 囤囹盈 硕士学位论文第一章绪论 阐述，接着对i n t e l3 1 0 0 芯片以及重要的外围接口给出了详细设计，包括d d r 2 s d r a m ( d o u b l ed a t ar a t e2s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ) 接 口，f l a s h 接口，音频接口，视频接口，网卡接口和u s b 接口等等。 第三章系统固件的设计与实现。本章首先对嵌入式丌发特点进行了介绍说 明，接着分别对本多媒体系统开发环境的搭建，系统内核移植配置，引导程序 r e d b o o t 的工作方式，以及系统显示驱动程序进行了详细论述和分析。 第四章系统软件的设计与实现。首先分析系统软件的各功能模块，然后对 基于t e a 的系统初始化进行了详细论述，对g s t r e a m e r 进行了介绍并论述了播 放器程序的设计，包括对重要的功能函数进行了描述，接着对d i r e c t f b 进行了 介绍，并对其中重要的类进行了论述，最后给出了播放器的终端界面设计。 第五章工作总结及研究展望。对本文所完成的工作进行总结，并提出了进 一步的研究方向。 5 硕十学位论文 第二章系统硬什的设计与实现 第二章系统硬件的设计与实现 2 1 嵌入式系统的概述 2 1 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统最初来源于单片机。自从单片机1 9 7 6 年问世以来，由于 t 曾片机体积小，功能强大，功耗低，同时可以非常方便的内嵌入各种被控 制i 父备中，因此大大提升了产品的使用性能。这时的单片机已经具备了 简单嵌入的特点，但还没有系统，功能结构也比较单一，因此还不算是一 个真正的嵌入式系统【1 0 】。 从8 0 年代开始，嵌入式操作系统诞生，嵌入式系统真正出现了，包 括有m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sc e 操作系统，w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 操作系统以及遵从g p l ( g e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) 公开源码的l i n u x 操作系统 等等。嵌入式操作系统包含有许多传统意义上的操作系统特征，具有任务 管理，内存管理等基本功能。同时，操作系统还具有嵌入式的相关特点， 比如抢占式调度，响应时间不会太长；内核精小，具有高度的模块化和良 好的可扩展性，可以很方便的进行移植工作；兼容性好，适用于各种处理 器和嵌入式应用等等。而对i n t e r n e t 的良好支持，可以将嵌入式系统与互 联网紧密相连，使得嵌入式系统有了更加宽广的发展应用空间】。 9 0 年代之后，一个很大的进步是实时操作系统的诞生。在实时操作系 统下进行开发应用，可以更好的完成设计，因此使用实时操作系统逐渐成 为了嵌入式系统的一个趋势，并作为一款软件平台成为嵌入式系统的主 流。 现在意义上的嵌入式系统一般包括有嵌入式处理器、嵌入式操作系统、嵌 入式应用软件以及相关支撑作用的软硬件工程。嵌入式系统是以应用为中心， 并且可以很方便的对相关软件及硬件进行裁剪来满足各种应用要求，具有响应 速度快、自动化程度高等特剧1 2 】。 2 1 2 嵌入式系统的特点 由于嵌入式系统一般是为特定应用环境所准备的，所以他的各个方面 都会结合具体的工作环境进行设计，通常有如下一些特点。 嵌入式系统的设计趋于小型化、专用化，因此他的硬件和软件都必须量体 6 硕十学位论文第二章系统硬件的设计与实现 裁衣，将一些不必要的功能去除，力争在硅片面积上实现高性能化。同时基于 嵌入式系统的价格考虑，也必须要进行恰当的设计，去除冗余。而且嵌入式系 统的c p u 通常都具有集成度高的特性，他可以将以往需要很多板卡才能实现完 成的任务都集成在芯片内部，使嵌入式系统的设计实现小型化，并且在功耗方 面也比一般的通用型低。软件方面，嵌入式系统一般选择把系统软件固化在存 储器芯片中，而不是像通用型设计在硬盘上，这使系统执行速度大大提高，在 可靠性方面变得非常出色。最后由于嵌入式产品的特点，嵌入式系统的生命周 期很长，因为嵌入式系统一般都是和具体应用联系在起的，一旦产品进入到 了市场，升级换代都是和具体产品同步进行【1 3 】。 2 1 3 选择l i n u x 作为嵌入式操作系统的优势 目前l i n u x 系统虽然不及w i n d o w s 系统在p c 上普遍，可是在嵌入式系统 上面，l i n u x 系统拥有自己的优势【1 4 】： 首先，由于l i n u x 系统是一个开放源码的操作系统，这意味着选择l i n u x 系统的嵌入式设备在价格上具有更大的优势，用户不必像选择w i n d o w sc e 系 统来付版权费用。而且源码开放的好处是，你可以轻松获取并进行修改。 第二，l i n u x 系统具有模块化的优势。嵌入式设备具有可定制的特点，因 此他只需要选择系统中利用频率高的模块并将它编译进内核中，不常用的功能 模块则采取加载的方式。这样下来可以使系统内核尽可能的少，最少可达到 1 3 4 k b ，并且系统性能同样稳定。 第三，l i n u x 系统可应用于多种硬件平台。嵌入式厂商有时会需要将产品 从一个硬件平台移植到另一个硬件平台，而l i n u x 系统已经被移植到多种硬件 平台之上了，因此用户只需要对系统上层软件部分进行修改和配置，l i n u x 系 统本身会采用一个整体的框架对硬件进行管理， 第四，l i n u x 系统和大多数的u n i x 系统是兼容的，而u n i x 系统已经相对 成熟，同时u n i x 上大量的软件可以移植到l i n u x 上使用。并且l i n u x 系统比 u n i x 系统更加灵活，这对习惯于u n i x 操作环境的用户来说，不会觉得有太大 的变化【1 5 】1 5 。 2 2 硬件电路中重要芯片的选择 2 2 1 嵌入式处理器的类别 一个嵌入式硬件系统最重要的地方就是嵌入式处理器，可以说嵌入式处理 器是整个嵌入式系统的核心。嵌入式处理器的性能和特点直接影响嵌入式产品 本身的应用范围，它的作用是对嵌入式系统进行控制和协调，让嵌入式产品实 7 硕十学位论文 第二章系统硬件的设计与实现 现灵活化、简单化以及智能化。嵌入式处理器一般具有以下特点：强大的存储 区保护能力和中断处理能力；支持实时多任务性；微处理器结构的可扩展性； 功耗较其他处理器更低等功能【1 6 】。根据其现状特点，嵌入式处理器可以分为下 面4 种： ( 1 ) 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器是从普通计算机处理器演变而来的，和应用于工业上的处 理器相比，嵌入式微处理器在体积、成本、可靠性上都更有优势。在具体应用 中，嵌入式微处理器会被安装在除去其他冗余功能，而只保留和本身应用相关 的拿业电路板上。通过以上途径，微处理器的功耗会大大的降低，并且微处理 器i i 具他方面，例如温度、电磁干扰等可靠性方面也都较普通计算机处理器有 j 人i 瞄提高，这使得微处理器可以更好的满足不同嵌入式产品的应用。 ( 2 ) 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器的主要特点就是单片化，因此又称之为单片机，整块芯片 即是一个计算机系统。微控制器的体积较其他处理器而言大为减小，可以很好 的提高可靠性。嵌入式微控制器集成了应用所需要的各种外设，针对于不同场 合的应用，所需要的嵌入式产品功能也不一样，因此一个系列的嵌入式微控制 器都需要好几种不同的产品型号来适应相关的应用场合，从而控制成本降低不 必要的损失。现在嵌入式系统有近7 0 都是嵌入式微控制器，最流行的包括有 5 1 系列的单片机。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器 由于嵌入式系统慢慢向智能化发展，各种消费电子产品都逐步偏重高智能 化，这使得嵌入式d s p 处理器得到了迅速的发展。嵌入式d s p 处理器对整个 系统指令都进行了优化，让系统和d s p 可以很好的配合执行各种高要求和运算 量相对比较大的应用，例如滤波等方面，编译速度比其他处理器效率更高，速 度更快。 ( 4 ) 片上系统 s o c ( s y s t e mo i lc h i p ) ，即片上系统。由于工艺的进步和半导体工业的发展， s o c 实现了将整个嵌入式系统都集成到一块芯片中去，大大减少了系统电路板 的体积，提高了系统的性能，降低了功耗。并且在外观上，电路板会去除那些 冗余的部件，让整个系统变得非常简单。在应用中，越来越多的公司选择基于 s o c 来开发产品。用户利用硬件描述语言v h d l ( v e r y - h i g h s p e e di n t e g r a t e d c i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 可以很方便的设定各个功能，定义所需要 的嵌入式应用系统，制作工厂根据用户的这些方针结果就能制作出s o c 样品。 s o c 包括有通用s o c 和专用s o c 两种。通用s o c 主要有n e u r o n 芯片等。专用 8 硕七学位论文第二章系统硬件的设计与实现 s o c 主要有s m a r tx a 等【l m 。 2 2 2c i s c 设计思想 c i s c 就是复杂指令集计算机。c i s c 通常包括一个复杂的数据通路和一个 微程序控制器。微程序控制器由一个微程序存储器、一个程序计数器和地址选 择逻辑构成。在微程序存储器中的每一个字都表示一个控制字，并且包含了一 个时钟周期内所有数据通路控制信号的值。这就意味着控制字中的每一位都表 示一个数据通路控制线的值。例如它可以用于加载寄存器或者选择 a l u ( a r i t h m e t i cl o g i cu n i t ) q b 的一个操作。此外每个处理器指令都由一系列的 控制字组成。当从内存中取出这样的一条指令时，首先把它放在指令寄存器中， 然后地址选择逻辑再根据他来确定微程序存储器中相应的控制字顺序起始地 址。当把该起始地址放入程序计数器中后，就从微程序内存中找到相应的控制 字，并利用它在数据通路中把数据从一个寄存器传送到另一个寄存器。由于程 序计数器中的地址并发递增来指向下一个控制字，因此对于序列中的每个控制 器都会重复这一步骤。最终，当执行完最后一个控制字时，就从内存中取出一 条新的指令，整个过程会重复进行2 1 2 2 1 。 i n t e l 所创立的x 8 6 指令系统就属于c i s c 架构，它源自于i n t e l8 0 0 8 处理器。 在1 9 7 8 年i n t e l 公司推出的i n t e l8 0 8 6 c p u 中，x 8 6 架构首次被提出来，由于其 出色的特点和处理能力，x 8 6 架构迅速发展，逐渐成为了个人p c 的标准平台。 本系统所采用的h n e l3 1 0 0 是基于i a 3 2 ( i n t e la r c h i t e c t u r e ，3 2 - b i t ) 。 x 8 6 架构的一个主要特点就是其支持可变指令长度，数据是以l i t t l e e n d i a n 的顺序进行存储的，即将数据的逻辑顺序与实际存储的物理顺序保持一致，并 支持4 字节长度的存储器访问不对齐存储器地址。由于r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 强大的技术特点，x 8 6 一直都注意支持向前兼容性。 它会把x 8 6 指令转换为与r i s c 类似的微指令之后再进行执行动作，这样x 8 6 可以获得与r i s c 尽可能一致的性能。x 8 6 架构的处理器一共有四种执行模式， 分别是虚拟v 8 6 模式( v 8 6m o d e ) ，真实模式( r e a lm o d e ) ，保护模式( p r o t e c t e d m o d e ) 以及系统管理模式( s y s t e mm a n a g e m e n tm o d e ) 2 3 】。 2 2 3i n t e l3 1 0 0 芯片 i n t e l31 0 0 是一款高度集成的s o c 系统。随着互联网与人们生活的联系越来越 紧密，基于i n t e li a 的设计渐渐成为了开发人员的一个重要选择。i n t e l3 1 0 0 就是 i n t e l 公司推出的第一款基于i a x 8 6 架构的面向消费电子设备的芯片，可广泛用于 连接电缆机顶盒，p 机顶盒，以及基于h d d v d 和基于b l u - r a y 的多媒体高清播放 机和录像机等消费电子产品。i n t e l3 1 0 0 支持基于本地电视和显示器的双高清音视 9 硕十学位论文 第二章系统硬件的设计与实现 频流处理，并能为远程电视提供多种音视频流服务。 i n t e l3 1 0 0 嵌入了一颗功能强大的认3 2 处理器和一颗3 d 图形处理器，提供高 带宽的内存控制器和不同的i o 接口，以及客厅媒体系统所需要的各种高品质音频 和视频处理要素，所有这些都集成在i n t e l3 1 0 0 芯片里。所集成的队3 2 处理器在 大量i a 3 2 软件的基础上，提供了先进的网络以及互联网应用，并支持一些新兴 的视频编解码器算法和安全算法【2 4 1 。 厂、 【 3 通道多端i l d d i 毪控制器 ： i n t e ip e n t i u mm 【 】：】 【 p r o c e s s o r 多格式解码1 ( 说频输出合成 8 0 0 ，、棚卜i z + 器 图形处理嚣 显示处理器 l o t b6 5 6 l i i ：。2 0 i m p e g 2 ， 2 d 3 d l 输ml j 2 5 6 k ：级 v c i ，h2 6 4 反交错缩放 着色器架构 _ 高速缓存 双路解码 6 勰， 、l uluu 系统互连 丌 t tt tt t o-ju 传输处理器 安全处理器 嚣 铐能忙 吲嬲0 0 ir 接口 旧4 * t 。s 籼输a u n 等尝号 。一 l2c s = pi 【2 s a t a 口丑 t 扩展总线 c 垒竺) ( a e s 】， ，、 一c 茁 拥 缔 挥 【工_ u art ( 2 u s b 】 f ：；i 吾三= ：lr1 n f 1la e s ， 3 d e s 一 gplo i = 三三ji 三= 三三l 、 。、。n 一 凸 一 山 r t c 定时器中 ( 2 p c i e ) 断 固( 竺! 竺里) s h a r s a 图2 - 1 英特尔媒体处理器