（计算机应用技术专业论文）自动售货机多媒体控制单元的研究与设计.pdf

摘要 目前自动售货机人机界面通过单色、小屏幕的l c d 显示屏实现， 显示信息不够丰富、生动。随着电子技术的发展，嵌入式微处理芯片 集成度越来越高，功能越来越强大，性价比不断攀升，为自动售货机 多媒体控制单元的研制和开发提供技术支持。 本文在分析多媒体支撑技术的基础上，设计基于p x a 2 5 5 和嵌入式 l i n u x 的多媒体控制单元，将其作为自动售货机的人机界面。采用 p x a 2 5 5 微处理器作为硬件系统的主处理器，整体结构为核心板加扩展 接口板的模式；操作系统软件采用嵌入式l i n u x ，重点分析嵌入式l i n u x 操作系统的裁剪和移植，包括引导加载程序、l i n u x 2 6 18 标准内核的 配置编译、根文件系统的构建和移植，建立适合本系统的内核矛i j j f f s 2 文件系统：基于f r a m e b u f f e r 构建图形显示，包括字符、g i f 图片、j p e g 图片显示，同时解码播放w a v 格式音频作为购物提示音频，使系统具 有良好的人机界面；基于f f m p e g 构建视频播放器，使系统具有播放 m p e g 4 格式视频能力。 同时，本系统与自动售货机主控制器通信采用m d b i c p 协议，增 强系统的兼容性；设计基于u s b 接口和网络接口的文件升级系统，使 多媒体控制单元具有升级性。 通过该课题的研究，设计了基于p x a 2 5 5 和嵌入式l i n u x 的多媒体 控制单元，将其应用于自动售货机，使之具备多媒体信息处理能力和 拥有良好的人机界面，并且可以成为独特的电子广告媒体。 关键词自动售货机；p x a 2 5 5 ；嵌入式l i n u x ；多媒体处理 a bs t r a c t t h eh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c eo fv e n d i n gm a c h i n ei si m p l e m e n t e db y m o n o c h r o m ea n ds m a l ls c r e e nl c dc u r r e n t l y t h ei n f o r m a t i o nw h i c h d i s p l a y s i sn o tp l e n t i f u la n dv i v i d w i t ht h e d e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c t e c h n o l o g y ，i n t e g r a t i o no fe m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o rc h i ph a sh i tah i g h l e v e lw i t hm o r ef u n c t i o n sa n dl o wc o s t ，w h i c h s u p p o r t sm u l t i m e d i a c o n t r o l l e rt ob ei m p l e m e n t e di nv e n d i n gm a c h i n e b a s e do na n a l y z i n gt h es t a t u so fm u l t i m e d i a t e c h n o l o g y ，am u l t i m e d i a c o n t r o l l e rb a s e do np x a 2 5 5a n de m b e d d e dl i n u xi sd e s i g n e da n du s e di n v e n d i n gm a c h i n e f i r s t l y ，p x a 2 5 5i sa d o p t e di nh a r d w a r ea sap r o c e s s o r a n dt h ew h o l ep a t t e md e p a r t si n t ok e m e lb o a r da n de x t e n d si n t e r f a c eb o a r d s e c o n d l y ，e m b e d d e dl i n u xi sa d o p t e da so p e r a t i n gs y s t e m ，t h er e d u c t i o n a n dp o r t i n go fw h i c hi s m a i n l ya n a l y z e d ，i n c l u d i n ge s t a b l i s h m e n to f b o o t l o a d e r ，c o m p i l i n go fl i n u xs t a n d a r dk e m e lo f 2 6 18e d i t i o n c r e a t i o n o ff i l es y s t e m ，t h e ne m b e d d e dl i n u xa n df i l es y s t e mo fj s f f 2s u i t e dt o m u l t i m e d i ac o n t r o l l e ra r e i m p l e m e n t e d t h i r d l y ，g r a p h i c sd i s p l a yi s d e s i g n e db a s e do nf r a m e b u f f e r ，i n c l u d i n gc h a r a c t e r ，g i f ，j p e gd i s p l a y ， a n dw a vf o r m a tm u s i ci sa l s ou s e da sp r o m p t i n gm u s i ct op l a yd u r i n g s h o p p i n g ，w h i c hm a k ev e n d i n gm a c h i n eh a v eag o o dh u m a n m a c h i n e i n t e r f a c e f i n a l l y ，m u l t i m e d i ap l a y e rb a s e do nf f m p e gi si m p l e m e n t e d ， w h i c hm a k em u l t i m e d i ac o n t r o l l e rh a v ea na b i l i t yo fp l a y i n gm p e g 4 v i d e o m e a n w h i l e ，i no r d e rt oe n h a n c et h ec o m p a t i b i l i t yo ft h es y s t e m m u l t i d r o pb u s i n t e r n a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ( m d b i c p ) i su s e di nt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm u l t i m e d i ac o n t r o l l e ra n dv e n d i n gm a c h i n e c o n t r o l l e r ( v m c ) t h e nd o c u m e n tu p d a t es y s t e mb a s e do nm d ba n d n e t w o r ki n t e r f a c ei s i m p l e m e n t e dt om a k em u l t i m e d i ac o n t r o l l e rc a n u p d a t ed o c u m e n t s t h r o u g ht h i s t h e s i s sr e s e a r c h ，t h em u l t i m e d i ac o n t r o l l e rb a s e do n p x a 2 5 5a n de m b e d d e dl i n u xi sd e s i g n e da n du s e di nv e n d i n gm a c h i n e ， w h i c hm a k e s v e n d i n gm a c h i n ec a np r o c e s sm u l t i m e d i a ，h a v eag o o d h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，a n da l s ob e c o m ea p a r t i c u l a r e l e c t r o n i c a d v e r t i s e m e n tm e d i u m k e yw o r d sv e n d i n gm a c h i n e ，p x a 2 55 ，e m b e d d e dl i n u x ， m u l t i m e d i ap r o c e s s i n g i i i 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。 日期：2 7 年，月谬日 关于学位论文使用授权说明 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：豳童i 鱼导师签名：二妻醴日期：支、，年广月广咱 硕十学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早三百t 匕 随着经济、技术的发展和人们生活方式的改变，以自动售货机为代表的自助 服务设备在全球各地迅速的普及和发展，这给人们的生活带了极大的便利，但同 时也对其提出了更多的要求。 近年来，多媒体嵌入式系统产品以其实现丰富的功能，包括图形显示、音视 频播放及传输，极大的丰富了人们的同常生活内容。多媒体嵌入式系统产品是随 着计算机技术、电子技术、通讯技术、多媒体技术的发展而兴起的，已经成为计 算机技术和计算机应用领域的一个重要组成部分。 1 1 自动售货机发展现状 自动售货机在2 0 世纪初就已经出现，当时主要出售邮票、明信片等特定商品， 逐步发展到出售几乎所有小型日用商品的普及阶段。2 0 世纪7 0 年代以来，随着“以 消费者为中心”的现代市场营销观念确立和科学技术进步，自动售货机实现了商 品需求化、性能多样化的发展，把原来只能出售有限商品品种，转变为继百货公 司、超级市场、便民店之后，以消费者与售货机“一对一 自动售货的无店铺销 售业态。 从欧美、日本和韩国等发达国家的情况来看，自动售货机在人们的日常生活 中扮演了非常重要的角色【l j 。据统计，在美国平均每4 0 个人就拥有一台自动售货 机，欧洲每6 0 人一台，日本每1 8 人一台。根据日本麒麟啤酒公司调查，一台自 动售货机每年可售出上万罐清凉饮料，比一般不太繁忙的小商店的销量还要大。 r 本可口可乐公司已拥有近1 0 0 万台自动售货机，其销量占公司全部产量7 0 。 香烟也是自动售货机的适销产品，自动售烟机销售额占同本香烟销售总额的4 0 ， 数量占一半。日本最大的卷烟生产商日本烟草公司拥有1 5 力台香烟自动售货机。 中国从2 0 世纪9 0 年代初开始引进，到现在已经在国内实现了自主研制和生 产，市场也具有一定的规模。随着我国连锁业的不断发展和2 0 0 8 年北京奥运会以 及2 0 1 0 年上海世博会的临近，我国的自动售货机产业的发展获得了良好的环境和 契机，进入了一个重要的发展阶段，将继百货商店、超市之后掀起第三次零售业 革命【2 】。根据国外发展经验，中国自动售货机专业委员会对中国内地售货机应用市 场做出的预测是，启动期至少应布机l o 万台，年生产总值在1 0 亿元人民币，到 发展期至少应布机5 0 万台，年生产总值应达到1 0 0 亿元人民币，而到成熟期将达 到3 0 0 力台，年生产总值将达到6 0 0 亿元之巨，届时中国的自动售货机将发展成 硕+ 学位论文 第一章绪论 为一个巨大的产业。2 0 0 4 年以后，中国的自动售货机产业实现快速增长，自动售 货机的年投放量达到1 0 万到2 0 万台，年产值增长2 0 - - 4 0 亿元人民币，中国自动 售货机市场进入发展期【3 】。 同时，随着嵌入式系统技术、多媒体技术和互联网技术的应用，自动售货机 也将朝着娱乐化、智能化、信息化方向发展，集中体现在拥有连接网络【4 】和多媒体 处理功能，具有生动活泼的人机界面，且能成为新颖独特的广告媒体【5 】，成为满足 行业推广应用的娱乐型售货机。 1 2 多媒体控制单元支撑技术 随着多媒体支撑技术的发展，多媒体终端的小型化、使用简单化、网络化是 其发展趋势。其中有两大重要技术支撑，多媒体技术和嵌入式系统产业技术，带 来了多媒体控制单元的飞速发展。 1 2 1 多媒体技术 “多媒体 译白2 0 世纪8 0 年代初产生的英文词m u l t i m e d i a ，从字面上解释， 它是多种信息媒体的综合体，包括视觉和听觉两个方面，其具体表现形式为文字、 图形、动画、声音和影像，具有数字化、交互性、趣味性、集成性、技术和艺术 的融合等特性【6 】。 多媒体技术涉及面相当广泛，主要包括： ( 1 ) 音频技术：音频采样、压缩、合成及处理、语音识别等。 ( 2 ) 视频技术：视频数字化及处理。 ( 3 ) 图像技术：图像处理、图像、图形动态生成。 ( 4 ) 图像压缩技术：图像压缩、动态视频压缩。 ( 5 ) 通信技术：语音、视频、图像的传输。 ( 6 ) 标准化：多媒体标准化。 研制多媒体控制单元需要解决的关键问题之一是要使得处理器能实时地处理 声、文、图信息。然而，由于数字化的图像、声音和影像等多媒体数据量非常大， 而且视频音频信号还要求快速的传输处理，使得图像、视频、音频数字信号的编 码和压缩算法成为一个重要的研究课题。 数据压缩问题的研究已经有了5 0 多年的历史，从1 9 4 8 年o l i v e r 提出p c m ( p u l s ec o d em o d u l e ) 编码理论开始，到现今多媒体数据压缩标准j p e g ( j o i n t p h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ) 和m p e g ( m o v i n g p i c t u r e se x p e r t sg r o u p ) ，已经产生 了各种各样的针对不同用途的压缩算法和压缩手段，以及实现这些算法的软件和 电路芯片。到目前为止声音、视频、图像压缩方面的基础技术己逐步成熟，并形 2 硕士学位论文第一章绪论 成了产品进入市场【7 】。 同时，随着网络技术的发展，流媒体技术应运而生。所谓流媒体是指采用流 式传输方式的一种媒体格式。流媒体的数据流随时传输随时播放，不必等整个文 件全部下载完毕之后才开始播放。产生了实现流式传输的两种方法：顺序流式传 输( p r o g r e s s i v es t r e a m i n gt r a n s p o r t ，p s t ) 和实时流式传输( r e a l - t i m es t r e a m i n g t r a n s p o r t ，r s t ) 。顺序的流式文件放在标准的h t t p 或f t p 服务器上，便于管理。 实时流式传输总是实时传送，但是实时流式传输也需要特殊的传输协议，如实时 流传输协议( r e a l t i m es t r e a m i n gp r o t o c o l ，r t s p ) 或微软流媒体传输协议( m i c r o s o r m e d i as e r v e r ，m m s ) 【8 1 。 1 2 2 嵌入式系统产业技术 嵌入式系统的高速发展带来了语音、视频、图形等多媒体终端的实现。正是 由于嵌入式技术支撑着功能越来越强大的多媒体终端。目前嵌入式系统已经成为 以高速和嵌入式操作系统为核心的软硬件综合系统，系统兼容性好，效率高，而 且具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口及用户界面等 功能。 目前嵌入式系统产业技术的发展将转向嵌入式操作系统、设计、应用程序开 发以及网络支持这四个主要方面【9 】。 ( 1 ) 嵌入式操作系统：以往的嵌入式系统开发往往仅侧重于硬件设计，而现在 的发展倾向于软硬件协同开发，嵌入式操作系统的应用大行其道。除了原本在嵌 入式领域应用己久的v x w o r k s ，q n x ，n u c l e u s 等之外，新兴的主要竞争产品包括 p a l mo s ，w i n d o w sc e ，嵌入式l i n u x 等。其中由于e m b e d d e dl i n u x 操作系统功 能强大、开源免费等特点，这使得越来越多的开发人员选择嵌入式l i n u x 。据统计， 全球嵌入式l i n u x 市场在2 0 0 5 年就已经达到3 0 7 亿美元，而目前使用嵌入式l i n u x 操作系统的开发人员占到了所有嵌入式操作系统的开发人员的4 0 以上【l o 】。 ( 2 ) 系统芯片：在嵌入式系统应用中，s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 得到了越来越广 泛的应用，嵌入式产品所需处理器及芯片组要求体积小、散热佳、省电，因此嵌 入式系统多采用高集成度的s o c 为其处理器核心。而且由于i p ( i n t e l l i g e n c e p r o p e r t y ) 的重用，嵌入式系统可以在芯片中集成更多的功能，大大地减小产品体 积，降低开发成本。比如a r m 内核芯片实际就是使用英国a r m 公司的a r m 型 i p 核的微处理器。 ( 3 ) 应用软件：嵌入式操作系统的使用，推动了嵌入式应用软件的发展，使得 嵌入式系统应用软件种类变得更多。同时，嵌入式操作系统屏蔽了底层的硬件操 作的具体细节，使得开发人员更多的注意应用开发，从而促使嵌入式软件开发变 硕+ 学位论文 第一章绪论 得更加容易。 ( 4 ) 网络支持：由于很多嵌入式产品像手机、掌上电脑等具有很强的移动性， 所以网络功能是目i j 嵌入式系统发展的一个重要技术方向【l l 】。 1 3 课题来源和目标 自动售货方式在商品零售业是创新、时尚、便利、进步的代表，但是自动售 货机在多媒体控制方面表现的不尽人意，表现在采用单色、小屏幕l c d 显示屏， 一般为1 2 8 6 4 的单色l c d 显示屏【l2 1 ，人机界面单调，只能显示单色的简单字符， 不够生动，同时不带有音频视频播放功能。 随着嵌入式系统技术、多媒体技术和互联网技术的应用，。自动售货机将朝着 娱乐化、智能化、信息化方向发展。比如具有良好的人机界面，操作提示界面生 动活泼，带有操作提示音频，具有定时自动播送广播新闻、歌曲或视频的节目功 能，且能在消费者购物之后自动播放特定广告，满足行业推广应用的娱乐型售货 机。故研究一种基于嵌入式硬、软件平台的网络化多媒体控制单元，在自动售货 机上实现良好人机界面，为自动售货机在多媒体方面提供整体的解决方案是非常 有必要的。 本课题目标是设计多媒体控制单元，使自动售货机具备以下功能：1 、在消费 者购物过程中，利用图形提示消费者购物的流程，并配以语音提示。2 、平时循环 播放广告，同时能在用户购物之后，根据用户购买的商品播放指定的广告，实现 广告的收益。3 、远程控制播放视频节目，使其具有娱乐性。 1 4 系统方案选择 在嵌入式开发中，首先要选择合适的嵌入式微处理器。嵌入式微处理器是嵌 入式系统的核心部件，它与通用处理器的最大不同点在于嵌入式c p u 大多工作在 为特定用户群设计的系统中，通常把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯 片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，并具有高效率、高可靠性等特 点。目前，几乎每个大的硬件厂商都推出了自己的嵌入式处理器，其中以采用 a r m 、p o w e r p c 、m c 6 8 0 0 和m i p s 等作为核的芯片使用最为广泛。 嵌入式微处理器作为硬件平台的核心，现在主要操作两个不同的方向发展【1 3 】。 一方面向高档快速的单片机发展，典型的如s a m s u n g 的$ 3 c 4 4 8 0 、p h i l i p s 的 l p c 2 1 0 4 、a t m e l 的a t 9 1 r f 4 0 1 6 2 等，主要应用于简单的控制领域，具有集成度 高、速度快的特点，软件方面主要采用l ac o s i i 、l ac l i n u x 等简单的嵌入式操作 系统。另一方面朝着桌面计算机功能发展，其功能和操作更像一台桌面p c 机，具 备p c 机的基本功能，带有m m u 、寻址范围大，软件上以w i n c e 、l i n u x 等复杂 4 硕士学位论文第一章绪论 的嵌入式操作系统。 自动售货机多媒体控制单元，采用嵌入式系统开发的第二个方向。整个系统 平台采用i n t e l 公司提供的基于a r m 体系架构的x s c a l ep x a 2 5 5 处理芯片为核心 的硬件平台和以l i n u x 2 6 1 8 内核的嵌入式操作系统组成。在系统平台的基础上， 运行多媒体控制单元的应用程序。采用这种开发模式，在实际的开发设计中，设 计分工比第一个方向更明确。有了嵌入式应用平台，二次开发用户搭建系统、开 发产品就只需要从应用程序入手，基于平台和操作系统编写应用程序是非常方便 的，也更为用户熟悉，同时更加适合模块化和协同开发。 整个系统由硬件平台、嵌入式l i n u x 操作系统及应用程序组成。硬件平台提 供丰富的外部接口，包括m d b 接口、网络接口、c f 卡接口及u s b 接口。在嵌入 式硬件平台上搭载经过裁剪的嵌入式l i n u x 内核和嵌入式文件系统，提高了多任 务处理和文件管理等性能。应用程序包括图片解码显示、音视频播放及通信模块 等几个部分组成，同时拓展了对网络的支持，可实现网络的远程视频的播放。系 统布局如图1 1 所示。 监控 计算机 i n t r a n e t e 自动售货机自动售货机 智能多媒体控制单元智能多媒体控制单元 l m d b 总5 0 a t m d b 总线 丫 t v m cv m c 图1 1 系统布局图 系统通过以太网接口接入i n t r a n e t ，接受远程监控计算机的控制命令以及音视 频的流媒体数据【1 4 】，同时也通过m d b ( m u l t i d r o pb u s ) 总线和自动售货机的主 控制器( v e n d i n gm a c h i n ec o n t r o l l e r ，v m c ) 连接【l5 1 ，实时接受v m c 传过来的显 示或者播放命令及相应的显示数据，然后进行处理。 该方案具有以下特点： ( 1 ) 多任务嵌入式操作系统内核。l i n u x 内核采用多任务、多线程设计，并且 是免费的操作系统，节省开发费用。 ( 2 ) 可裁剪的体系结构。系统具有高度的可裁剪性，表现在l i n u x 内核具有裁 剪性，可以根据功能需求的不同裁剪l i n u x 内核，控制内核大小。 5 硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 完善图形支持。l i n u x 具有非常优秀的图形驱动引擎f r a m e b u f f e r ( 帧缓 冲) ，基于f r a m e b u f f e r 能非常快速的构建基本图形显示库。 ( 4 ) 完善的通信、网络协议支持。支持t c p i p ，同时通过串口编程a p i 很容 易实现m d b i c p 协议，使系统具有交互性。 ( 5 ) 应用程序独立。应用程序单独编译链接，实现系统软件和应用软件的分离， 方便用户开发应用程序。 ( 6 ) 系统升级性。采用l i n u x 支持f l a s h 的j f f s 2 文件系统，可以像操作p c 机硬盘上的文件一样操作f l a s h 芯片上的文件和数据，方便系统升级。 1 5 论文主要内容安排 本课题研究的是自动售货机多媒体控制单元设计，硬件平台采用i n t e l 的 x s c a l e 系列p x a 2 5 5 处理器加其它外围设备组成，软件上搭配l i n u x 2 6 1 8 内核的 嵌入式操作系统，再构建应用程序。论文内容结构如下安排： 第一章绪论。首先介绍了自动售货机的发展状态和其发展趋势，阐述了多媒 体技术和嵌入式系统技术的发展对自动售货机的人机界面的影响，提出了自动售 货机多媒体控制单元的设计目标及方案选择，最后指出了本文的主要工作安排和 论文的结构。 第二章系统总体方案设计。首先提出了系统的总体方案，然后分别在硬件上 和软件上对系统进行总体设计方案以及开发和调试方案。 第三章嵌入式l i n u x 系统平台软件设计。首先分析了嵌入式l i n u x 体系结构， 然后是建立系统平台软件，主要是建立系统引导程序、移植并裁剪l i n u x 操作系 统、建立文件系统。 第四章图形用户界面设计。首先基于f r a m e b u f f e r 构建基本图形显示支持，然 后实现字符、g i f 和j p e g 图片的解码及显示。 第五章音视频播放系统设计。首先分析了l i n u x 下的音频编程驱动，然后实 现w a v 格式音频文件的解码播放和基于f f m p e g 构建视频播放器。 第六章通信及文件升级系统设计。实现m d b i c p 通信协议和网络通信模块， 实现v m c 、远程主机和多媒体单元的通信。同时实现了利用u s b 接口以及网络 方式的文件升级系统。 第七章系统集成与测试。利用l i n u x 多线程技术将各功能模块集成，构成统 一的整体，然后论述系统测试过程及实验结果。 第八章总结和展望。对所做的工作进行总结，并提出了工作展望。 6 硕士学位论文第二章系统总体方案设计 第二章系统总体方案设计 自动售货机多媒体控制单元属于嵌入式应用平台，包括硬件平台设计和软件 平台设计两大部分。硬件平台又包括以不同微处理器为核心的控制主板和面向行 业应用的硬件接口两大部分；软件平台除了要有着精简的、功能强大的操作系统， 还要有着良好的开发工具链和完善的应用程序，这些都是整个平台系统要实现的 任务和目标。 2 1 系统总体方案 本系统由硬件平台、嵌入式l i n u x 操作系统及应用程序组成。系统体系结构 如图2 1 所示。 图2 - l 系统体系结构图 硬件平台核心是i n t e l 公司2 0 0 3 年推出的p x a 2 5 5 芯片，它是一款3 2 位的 x s c a l er i s c 微处理器，采用a r m v 5 t e 体系结构，具有低功耗、高性能的特点， 集成了3 2 k b 数据缓存和3 2 k b 指令缓存，带有m m u 、j t a g 和动态电源管理单 元等，是一款功能强大的嵌入式微处理器 1 6 】【1 7 】。同时也将存储控制单元、l c d 控 制单元、a c 9 7 多媒体控制器等集成在芯片中了，这样一方面可以满足对整机体 积限制的要求，另一方面可以简化电路布线设计，是整机功耗大为减小。p x a 2 5 5 内部工作频率有2 0 0 m h z 和4 0 0 m h z 两种，对于应用来说，只需要改变相关的寄 存器设置即可【l 引。 嵌入式l i n u x 操作系统和应用程序属于系统中的软件层。嵌入式l i n u x 操作系 统是在l i n u x 2 6 1 8 内核基础上通过内核定制和底层支持环境的设计而成。系统提 供了1 0 1 0 0 m 自适应以太网络接口，支持t c p i p 协议；支持f l a s h 等存储介质， 并提供了诸如j f f s 2 等文件系统；提供了m d b 接口、u s b 接口及c f 存储卡接口； 还提供了d s t n t f t 大屏幕l c d 的支持。应用程序则是多媒体控制单元要做的任 7 硕十学位论文第二二章系统总体方案没计 务的集合，它的运行需要嵌入式l i n u x 操作系统的支持。 2 2 硬件方案分析 多媒体控制单元的硬件方案采用嵌入式处理器p x a 2 5 5 为核心，外围通过搭 配其它芯片及接口构成硬件平台。下面分别介绍硬件系统的总体结构、各模块器 件选择以及外设接口模块。 2 2 1 硬件平台结构 自动售货机多媒体控制单元的硬件平台采用长沙科瑞特电子有限公司生产的 c r e a t e p x a 2 5 5 嵌入式处理平台【19 1 ，其硬件架构如图2 2 所示。 图2 - 2 系统硬件模块图 c r e a t e p x a 2 5 5 嵌入式处理平台是专门为面向多媒体信息处理而开发嵌入式 处理硬件平台，属于面向行业市场的嵌入式应用平刨2 0 1 。平台行业化是电子技术 发展的一个高级阶段，是从众多的电子产品厂商中的应用需求中提取共同的特性， 并将这些特性融入到开发平台之中，生产具有一定行业范围内通用的硬件平台， 这样使得行业内电子产品开发可以专注于软件层次，而不需要重头开始设计硬件 平台，从而节省开发费用和开发时2 1 1 。 在该系统的硬件平台中，主处理器p x a 2 5 5 是实现多媒体控制单元的核心芯 片。外部电源通过两个电源管理i c 来实现电压转换，一个是m a x l 5 8 6 a 来获得 各个大部分电压，如：3 3 v 、1 8 v 、1 3 v 、1 1 v 的电压；其次是通过l t l 8 7 8 来实 现5 v 到2 5 v 电压的转换。选用英飞凌公司的h y b 2 5 l 2 5 6 1 6 0 a f 7 5 来设计 硕士学位论文 第一二章系统总体方案设计 s d r a m 电路，单片容量为3 2 m b ，选用2 片，容量共为6 4 m b 。选用i n t e l 的s t r a t a n o r 型f 1 a s h p c 2 8 f 1 2 8 p 3 0 t 8 5 扩展3 2 m 的f l a s h 。以太网控制芯片d m 9 0 0 0 e 是 专门用于嵌入式产品的1 0 1 0 0 m 快速以太网控制器。p x a 2 5 5 内部集成了l c d 控 制器，通过f r a m e b u f f e r 实现与l c d 通信，采用夏普公司生产的8 4 英寸的 t f t - l c d 。同时p x a 2 5 5 还集成了a c 9 7 控制器，外接音频输出口。此外还扩展 c f 卡接口、j t a g 接口、r s 2 3 2 串口。硬件的配置如表2 1 所示。 表2 1 硬件平台配置表 名称描述 处理器 s d r a m f l a s h 网络 音频 显示 扩展接口 i n t e lx s c a l ep x a 2 5 5 ( 4 0 0 m h z ) 2 h y b 2 5 l 2 5 616 0 a f 7 5 ，共6 4 m b y t e i n t e lf l a s h p c 2 8 f12 8 p 3 0 t 8 5 ，3 2 m b y t e d m 9 0 0 0 e ，1 0 1 0 0 m b p s a c 9 7 s h a r pt f tl c d8 4 英寸，6 4 0 4 8 0 r s 2 3 2 、m d b 、u s b 、c f 譬接口等 2 2 2 系统地址分配 p x a 2 5 5 可寻址的物理空间有4 g 字节，分为4 块【2 2 】 2 3 】，如图2 3 所示。 l 、o x 0 0 0 0 0 0 0 0 o x 3 f f f f f f f 这段空间专用于静态存储器，其又进一步划分为： ( 1 ) 6 个6 4 m 字节块，从o x o o o o o o o o o x l 7 f f f f f f ，用于一般静态存储器件， 如s r a m 、r o m 、f l a s h 等； ( 2 ) 2 个6 4 m 字节块，从0 x 1 8 0 0 0 0 0 0 0 x 1 9 f f f f f f ，保留空间，对该区域进 行存取操作将会导致数据错误。 ( 3 ) 2 个2 5 6 m 字节块，从0 x 2 0 0 0 0 0 0 0 o x 3 f f f f f f f ，用于p c m c i a 接口地 址区间。 2 、o x 4 0 0 0 0 0 0 0 0 x 7 f f f f f f f 这段空间中的0 x 4 c 0 0 0 0 0 0 0 x 7 f f f f f f f 保留不用，其余的用于片内外设映 像寄存器，如中断控制、电源管理、g p i o 等。 3 、o x 8 0 0 0 0 0 0 0 o x b f f f f f f f 这段空间专用于动态存储器( d r a m ) ，即所谓的“内存”。在这个1 g b 空间中 最多只有从0 x a 0 0 0 0 0 0 0 到0 x a f f f f f f f 共4 个6 4 m b 的区间是真正可以配置 d r a m 芯片的，其余7 6 8 m b 用于特殊用途或者保留。 9 硕+ 学位论文 第二章系统总体方案设计 4 、0 x c 0 0 0 0 0 0 0 o x f f f f f f f f 这段空间保留不用。 0 x 4 0 0 00 0 0 0 o x 3 f f f f f f f 0 x 0 0 0 00 0 0 0 2 2 3 外设接口模块 保留 6 4 m b 1 3 片内外设映像寄 存器 p c m c i a c f 2 5 6 m b x 2 保留 6 4 m b 2 s r a m f l a s h 6 4 m b x 6 0 x c 0 0 00 0 0 0 0 x b f f ff f f f 0 x b 0 0 00 0 0 0 0 x a 0 0 00 0 0 0 图2 - 3 系统地址分配 保留 6 4 m b 4 s d r a m 6 4 m b x 4 保留 6 4 m b 8 所谓的外设接口模块就是多媒体控制单元与外部设备的通信接口。包括r s 2 3 2 串行接口、与v m c 通信的m d b 接口、以太网接口、c f 卡接口、u s b 接口等。 1 、r s 2 3 2 接口 r s 2 3 2 接口是目前最常用的一种串行通信接口。它是由美国电子工业协会 ( e i a ) 联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串 行通讯的标准，全名是“数据终端设备( d t e ) 和数据通讯设备( d c e ) 之间串 行二进制数据交换接1 2 技术标准”【2 4 1 。 r s 2 3 2 定义的串口连接有2 5 针和9 针两种方式，本系统中采用的是标准的9 针串口( d b 9 ) ，各引脚定义如表2 2 所示。另外，由于r s 2 3 2 标准只对接口的电 气特性做出了规定，而不涉及插件、电缆和协议，用户可以在此基础之上建立自 己的高层通信协议。同时使用三线制，即通过r x d ( 接收数据) 、t x d ( 发送数 据) 和g n d ( 信号地线) 完成基本的串行通信功能。本系统的m d b 接口就是在 这三线制串口通信的基础上建立的通信接口。 1 0 硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 表2 - 2r s 2 3 2 串口9 针引脚定义 2 、m d b 接口 m d b 是国际自助服务行业通用的一种接口标准，而m d b 接口实际上是工作 于9 6 0 0 b p s 的主从型串口总线接口，所有外围设备( 如纸币器、硬币器等) 均为 主控制器( 自动售货机的v m c ) 的从机，并且所有的外围设备与v m c 之间的通 信方式一致。为了使与v m c 的通信方式一致，多媒体控制单元提供了m d b 接口。 和r s 2 3 2 不同，m d b 连接是6 针方式，通过主接收线和主发送线完成基本的通信 功能，其硬件接口图如图2 4 所示。 a ) 主设备端接1 ：2b ) 从设备端接口 图2 - 4m d b 接口图 各针脚定义如下： 针1 ：2 4 v 直流电源 针2 ：电源地线 针3 ：不用 针4 ：主接收线 针5 ：主发送线 针6 ：连接共同线 在本系统中，利用m d b 接口用来接收v m c 的控制命令。由于p x a 2 5 5u a r t 单元提供的两个异步串行i o 端口分配给了两个r s 2 3 2 接口，故需要将其中的一 个r s 2 3 2 接口转换为m d b 接口。m d b 接口传输数据的电平和r s 2 3 2 接口电平不 硕+ 学位论文 第二章系统总体方案设计 一致，采用的是光耦合电路【2 5 】和m a x 2 3 2 芯片实现电平转换，如图2 - 5 所示。 1 1 2 4 v d c 2 2 3 v m c1 卜、 3 4 l 光，1卜、多媒体控 广 i 耦 5 n 制单元 4 6 5 m a x 2 3 2 7 光 8 6 耦 9 m d b 接口r s 2 3 2 接口 图2 5 总线转换接口示意图 3 、 以太网接口 在本系统中，为了使多媒体控制单元支持远程监控、文件升级和在线播放音 视频等功能，需要引入网络接口，同时通过l i n u x 操作系统的支持，实现以太网 内通信。 以太网接口电路主要由m a c 控制器和物理层接口两大部分构成，m a c 控制 器p x a 2 5 5 己在片内提供，而外接的物理层接口选择常用的d m 9 0 0 0 e ，用来提供 1 0 1 0 0 m 的以太网接口，对外使用r j 4 5 接头。 4 、c f 卡存储器接口 由于多媒体控制单元的f l a s h 芯片容量比较小，故利用c f 卡扩展存储容量， 用来存储音视频文件。 “c o m p a c tf l a s h 卡，简称c f 卡，具有高速度、大容量、体积小、重量轻、 功耗低和高性价比等优点，十分适合嵌入式系统的应用，该技术是由c f 协会( c f a ) 提出的一种与p c 机a t a 接口标准兼容的技术。p x a 2 5 5 处理器利用p c m c i a 控 制器可以具有两个卡存储器接口，分别可支持1 6 位p c m c i a 卡和c f 卡。 此外，多媒体控制单元还包括u s b 接口。u s b 接口连接u 盘，可以用来现场 升级文件。 2 3 软件方案分析 嵌入式系统的软件，是嵌入式系统的心脏，支配整个系统的运行并协调整个 系统的资源分配与利用。多媒体控制单元的软件方案是在硬件平台上构建嵌入式 l i n u x 系统，然后在嵌入式l i n u x 上运行应用程序。 1 2 硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 2 3 1 软件平台结构 本系统在软件设计中采用层次化的思想，针对不同的功能进行层次划分。层 次化设计，可以使软件的分工明确，提高程序的可读性，便于修改；层次化软件 的另一个好处是，程序更加通用，便于程序在不同的硬件平台上移植，使得程序 员不必为每一个硬件平台都编写一套代码，减少重复性劳动【2 6 】。 在多媒体控制单元中运行的l i n u x 软件系统，从功能上分为嵌入式l i n u x 操作 系统和应用系统两个大的层次，前者又可以分为启动引导程序、嵌入式l i n u x 内 核、驱动程序和文件系统；后者则是运行在嵌入式l i n u x 系统平台之上的应用程 序。同时，在系统软件和应用软件的开发中都需要交叉开发工具链的支持，所以 在整个嵌入式软件丌发之前需要建立交叉丌发工具链，交叉开发工具链的建立过 程将在2 4 节中详细介绍。 多媒体控制单元的软件系统总体如图2 - 6 所示，同时本系统的驱动程序是编译 链接在l i n u x 内核中的，不提供模块的编译方式。 图2 - 6 软件系统总体图 ( 1 ) 启动引导程序：和p c 机进行类比，相当于主板上由专门厂商固化在芯片 内的b i o s ( 基本输入输出系统) 和位于硬盘主引导记录区中测操作系统引导代码 ( 如l i l o 和g r u b 等) 。主要作用是用于整个系统的初始化，使系统处于一种确 定的状态，为操作系统运行做好准备，然后加载操作系统。 ( 2 ) 嵌入式l i n u x 内核：嵌入式l i n u x 内核是指对发布的l i n u x 内核经过小型 化裁剪之后的，固化在存储器芯片中，应用于特定嵌入式场合专用的l i n u x 操作 系统。内核负责整个操作程序的协调工作，如任务调度、进程间通信、中断处理、 资源管理及分配。同时，本系统把驱动程序也编译链接进入了内核中。 ( 3 ) 文件系统：文件系统是指在一个物理设备上的任何文件组织和目录，它构 成了l i n u x 系统上所有数据的基础，它是系统中庞大复杂而且又是最为基本和重 硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 要的资源。 ( 4 ) 应用程序：一个系统通常具有多种功能，当任何一个事件触发之后，都会 有相应的任务来管理这些事件。这些任务的集合便组成了用户的应用程序。 2 3 2 应用程序总体设计 多媒体控制单元软件作为自动售货机的人机界面生成器，不仅具有显示界面 生成功能，还具有音视频播放功能。应用程序由界面显示模块、音视