（电路与系统专业论文）基于S3C2440的媒体播放器的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

基于s 3 c 2 4 4 0 的媒体播放器的研究 摘要 媒体播放器是一种大众娱乐消费类电子产品，一般定义为多媒体影音播放 器。它除了看电影的基本功能外还支持音乐播放、浏览图片，甚至部分产品还具 有上网等功能，能够满足人们随时播放视频的需要。随着当今社会人们的旅游、 出差、户外活动的日益增加，对媒体播放器的需求量将迅速增加，而由于现在多 媒体技术中采用的视频、音频编码方式和文件格式的多样性和复杂性，要求媒体 播放器要具有很强的性能和功能，这就对其硬件和软件系统都提出了很高的要 求。 本文选择a r m 核心的三星s 3 c 2 4 4 0 微处理器，在此基础上进行了硬件扩展和 软件系统的选择，设计了一个简单的媒体播放器系统。在该系统中，首先，以 s 3 c 2 4 4 0 为核心，设计了系统终端的硬件，给出了系统硬件的总体架构，设计了 s 3 c 2 4 4 0 处理器和外部电路的硬件接口以及总线连接，详细设计了存储器、l c d 、 电源管理模块的电路。 其次，阐述了将嵌入式n n u x 移植到本系统的具体方法，分析了混合文件系 统的构建，选择c r a m f s + y a f f s 作为本系统的文件系统，并给出了具体的实现方法。 同时，从硬件、操作系统以及软件代码设计的层面上，研究如何降低系统的功耗， 通过减少系统的耗能从而节约能源、提高速度以及减小尺寸。 再次，分别使用l i b m a d 和m n p e g 实现m p 3 音频解码和m p 4 视频解码，并对音 视频同步进行了深入的研究。同时选择挪威t r o l l t e c h 公司的q t e m b e d d e d 作为系 统上层图形界面应用程序，并成功地完成了其到系统的移植。 最后，由于解码后的图像是y u v 格式，需要转化成r g b 格式来播放，并且 每帧图像在播放前都要经过y u v 到r g b 的转换，降低了整体解码速度，为了解 决这个问题。本文使用完全查表法来转换色彩空间，每次转换只需要一次查表， 从而大大降低了算法的时间复杂度，加快了解码速度，保证了系统的实时性。 关键词：嵌入式系统：媒体播放器；s 3 c 2 4 4 0 ；文件系统；q t e m b e d d e d a b s t r a c t m e d i ap 1 a y e ri sak i n d o fe l e c n o n i cp r o d u c t i o nf o rm a s sr e c r e a t i o a n d c o n s u m p t i o n i na d d i t i o nt ot h eb a s i cf u n c t i o no fm o v i ep l a y i n g ，i ta l s os u p p o n p i a y i n gm u s i ca n ds c a n n i n gp i c t u r e s f u r t h e r m o r e ，s o m eo ft h ep r o d u c t i o n sh a v e f h r t h e rf h n c t i o n s ，s u c ha ss u r f i n gt h ei n t e r n e t ，s oa st o s a t i s f yn e e d so fp l a y i n g v i d e o sa ta yt i i n e a ss o c i a lt r a v e l ，g o i n go ne r r a n d s ，o u t d o o r sa c t i v i t i e si n c r e a s e n o w a d a y s ，t h ed e m a n do fm e d i ap l a y e ri n c r 。a s e sd r a m a t i c a l l y ，f o rt h ed i v e r s i t ya n d c o m p l e x i t yo ft h ev i d e oa n da u d i oc o d i n gm o d ea n df i l ef b r m a tu s e di nc u r r e n t m u l t i m e d i at e c h n i q u e ，i ti se s s e n t i a lf o rm e d i ap l a y e rw i t hp o w e r f u lp e r f o 珊a n c e a n df u n c t i o n s ，a n ds ot h eh i g hr e q u i r e m e n t sa r ep r o p o s e df b rt h e i rh a r d w a r ea n d s o f t w a r es y s l e m i nt h i st h e s i s ，a no r d i n a r ym e d i ap l a y e rs y s t e mi s d e s i g n e da n di m p l e m e n t e d b a s e do ns 3 c 2 4 4 0m i c r o p r o c e s s o rw i t ha r mc o r ew i t hw h i c hh a r d w a r ei se x 口e n d e d a n ds o f t w a r es y s t e mi sd e v e l o p e d i nt h i s s y s t e m ，u s i n gs 3 c 2 4 4 0a si t sc o r e ，t h e s y s t e mt e r m i n a lh a r d w a r ei sd e s i g n e d ，f i r s tt h es y s t e mh a r d w a r ew h o i es t r u c t u r ei s p r e s e n t e d ，t h e nn o to n l y t h ed e s i g n0 ft h ei n t e r f a c ea n db u sc o n n e c t i n gb e t w e e n s 3 c 2 4 4 0p r o c e s s o ra n de x t e r i o rc i r c u i t si sp r e s e n t e db u ta l s oa n dt h ed e s i g no ft h e c i r c u i t so fm e m o r i z e r ，l c da n dp o w e rs u p p l ym a i l a g e m e n tm o d u l ei nd e t a i l s i nt h en e x tp l a c e ，t h ec o n c r e t em e t h o do f t r a n s p l a n t i n ge m b e d d e dl i n u xt ot h i s s y s t e mi ss t a t e d ，t h ec o n s t r u c t i o no fm i x e df i l es y s t e mi sa n a l y z e d ，c r a m f s + y a f f si s c h o s ea st h ef i l es y s t e mo ft h es y s t e ma n dt h ec o n c r e t ei m p l e m e n t i n gm e t h o di s p r e s e n t e d m e a n w 量l i i e ，行o mt h ea s p e c to fh a r d w a r ea n do p e r a t i n gs y s t e ma n d s o f t w a r ec o d ed e s i g n i n g ，h o wt or e d u c es y s t e mp o w e rc o n s u m p t i o ni sr e s e a r c h e d t h i r d ，l i b m a da n df f m p e ga r eu s e dt oi m p l e m e n tm p 3a u d i oa n dm p 4 v i d e od e c o d i n ga n dt h es y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e na u d i oa n dv i d e oi sf h r t h e rs t u d i e d q t e m b e d d e do fn o r w e g i a nt r o l l t e c hc o m p a n yi se m p l o y e da ss y s t e mu p p e r g r a p h i c a li n t e r f a c e sa p p l i c a t i o np r o g r a m f i n a l l y ，u s i n gc o m p l e t ec h e c k i n gt a b l em e t h o d ， t h e i m a g e f o r m a t t r a d s f b 肋a t i o ni sr e a l j z e d ，a n ds ot i m ec o m p l e x i t yo fa 】g o r j t h m i ci sd e c r e a s e dal o t ， s y s t e me f n c i e n c yi si m p r o v e da n dr e a l t i m en a t u r eo ft h es y s t e mi se n s u r e d k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；m e d i ap l a y e r ；s 3 c 2 4 4 0 ；f i l es y s t e m ；q t e m b e d d e d i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 研辛 1 日期：力略年母月弓一目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“寸) 储签名：吁年 日期汐。8 年斗月弓p 日 引隧名缘褥渔日期：沙3 年印月弓。日 第1 章绪论 1 1 论文的提出和研究意义 近年来随着微处理器技术、d s p 技术、多媒体编解码技术以及嵌入式技术的 发展，多媒体娱乐终端已经成为消费性电子( c o n s u m e r e l e c t r o n i c ，c e ) 产品的热点 。与此同时，逐渐成熟的市场随着m p 3 在市场上取得的巨大成功，以及m p 4 、 数字电视、3 g 通讯等相关技术的起步，可以预测在未来几年内都将会得到快速 发展。在“十一五”规划建议中，数字化音视频信息产业群也被列为重点培育对 象。目前来看，消费电子已经成为全球半导体发展的主要推动力，而具有音视频 播放功能的多媒体娱乐终端设备无疑是消费电子中的中坚。2 0 0 4 年以后，i p o d 、 m p 3 、m p 4 、p m p 的风行，让萎靡的半导体市场看到了未来的希望f 2 1 。 p m p 是市场产生的新事物，目前国际上关于这方面的研究还不是很成熟，国 内学者对此方向的发展尚未给与充分的重视和深入的研究【3 1 。从这个角度说，本 文的研究具有一定的创新性和前瞻性，并具有重要的理论意义。 事实己经证明便携式多媒体终端具有巨大的市场潜力，但目前就已推出市场 的产品来看并不是很成熟，总有一些不尽如人意的地方。而且生产厂家多为国外 实力较强的企业，国内厂家屈指可数，本文在研究嵌入式系统开发技术的基础上， 提出了一套满足要求的低成本的媒体播放器的解决方案。 1 2 国内外发展状况 p m p l 4 j 是m p 4 播放器的另一种叫法，其全称是便携式多媒体播放器f p o n a b l e m u l t i m e d i ap i a y e r ) ，它与m p 3 播放器最大的不同就在于可播放存储于数码相机内 的照片和个人电脑里的影片。由于影片大小动辄几g b ，所以目前的m p 4 播放器 大多选择容量较大的硬盘当储存媒介( 当然记忆卡插槽也是必不可少的) ，因此 p m p 的体积相比于轻灵小巧的m p 3 播放器就显得比较臃肿了。大部分的m p 4 播放 器都拥有优异的l c d 显示屏，不论是相片与影片的品质都十分细腻。有的p m p 电池持续能力更是可以连续播放长达八小时，足以看完三部电影。 m p 4 播放器的优点很多，它能够直接播放高品质视频、音频，也可以浏览图 片以及作为移动硬盘使用；更有产品还具备一些十分新颖、实用的功能，例如有 的m p 4 播放器支持p i m 管理以及无线网络功能，可以在无线环境普及后发挥出更 多作用。而且现在一般的m p 4 播放器大多数都带有视频转制等专业的视频功能， 并具备非常齐全的视频输入输出端口，因此它们携带的视频文件能够在很多场 合中播放，尽管这对一些仅在旅行途中使用播放器的用户没有更多的实际意义， 但对于一些经常做视频演示的用户则十分有用，因为m p 4 播放器能够方便地连接 基于s 3 c 2 4 4 0 的媒体播放器的研究 投影机以及电视等输出设备。 1 9 9 9 年，播放效果接近d v d 的m p e g 4 【5 j 视频格式标准发布了，实际上m p e g 格式是一种有损的压缩格式，符合初期标准的影像质量，非常接近当时流行的 v c d 效果，相比较而言具备文件体积小、画像质量高等优点的m p e g 4 格式在之 后出现，逐渐步入了主流视频压缩格式的行列，也为日后m p 4 播放格式的确立定 下了最初的标准。 2 0 0 2 年，在m p 3 播放器业内名不见经传的法国厂商爱可视( a r c h o s ) 发布了 全球第一款m p 4 播放器的成型产品，通过内置解码技术支持m p e g 4 格式文件的 放映。2 0 0 4 年5 月软件巨人微软联合半导体业领导者英特尔公司发布了基于m p 4 理念的p m c ( p o n a b l em e d i ac e n t e r ) 标准，并提供“p l a y s f o r s u r e ”多媒体内容下 载服务，同时三星、i r i v e r 、创新、g a t e w a y 等众多大厂加入到这一联盟中。在0 5 年上半年召开的c e s 2 0 0 5 会展上，数码视听领域的主角的天平似乎已经由m p 3 向 m p 4 倾斜了，三星、创新、g a t e w a y 均推出了各自的m p 4 产品，爱可视和d l i n k 更是发布了具备无线上网功能的m p 4 播放器，就连内地厂商爱国者、新科也展示 了相应的成型产品。m p 4 阵营己呼之欲出，呈现出蠢蠢欲动、蓄势待发的架势， 看来业界从m p 3 这种功能较为单一的音乐播放器，过渡到m p 4 这种多功能整合的 数码设备几乎已成定局，这一切都在静悄悄地、井井有条的进行当中f 3 】。 早期的m p 3 播放器主要由闪存芯片、解码芯片和单色背景l c d 显示屏，这主 要的三大件构成，而今年的数码视听市场中也出现了更多功能越来越丰富，样式 越来越新颖的m p 3 产品，面对这样的产品，消费者们习惯称之为“视频m p 3 ”， 这种所谓的视频m p 3 则是在传统m p 3 的基础上增加了新的解码芯片，通过厂商附 送的视频格式转换软件将许多不同格式的影像文件压缩成专用的m t v 、d m v 等 格式，才基本上算是具备了目前初级阶段的m p 4 功能，而其制造成本一般都被控 制在八百元左右，性价比非常突出，在价格致胜的中国内地市场将会具有相当大 的竞争力。当然“视频m p 3 ”在众多厂商们的眼中似乎只是一个中间过渡型的产 品，可见已经推出“视频m p 3 ”的厂商都预想在巩固原有市场的基础上，再加上 陆续推广m p 4 产品，形成两条腿一起走路的市场策略，随着技术的改良，视频 m p 3 会逐步取代目前传统的以听为主的音乐播放式m p 3 ，进而拉动m p 4 产品的普 及，这样更能在未来的m p 4 市场中占据有利的位置。 从目前的市场需求看来，中国的p m p 市场是值得消费者期待的。中国p m p 市场起始于2 0 0 3 年，初始时期国内仅有少数几个品牌和型号，基本上都是法国厂 商爱可视的产品。2 0 0 4 年上半年，p m p 市场有所发展，到了2 0 0 4 年下半年，韩国、 台湾以及其他国家地区的厂商也纷纷进入大陆市场，同时国产品牌数量迅速增 加。2 0 0 5 年上半年可以说是p m p 终端市场爆发的一个时期，在此段时期内上市的 p m p 产品型号占到了现有市场产品型号数量的5 1 9 左右。根据调查发现p m p 的 硕士学位论文 发展势头是强劲的，很多产业界都看好p m p 市场，从上游p m p 零部件供应商，到 p m p 整机设计企业，再到p m p 终端生产商，其中不乏i n t e l 、a m d 、t i 、三星等 产业巨头j 。 根据英国市场调研机构j u n i p e rr e s e a r c h 公司最新公布的一份报告显示，预计 到2 0 0 9 年，全球移动娱乐市场的销售收入将超过5 9 0 亿美元。蓬勃发展的移动娱 乐市场吸引了众多厂商的注意。随着越来越多的厂家参与p m p 的研究生产，使得 一方面p m p 的技术日趋成熟，另一方面在众多厂家的竞争下p m p 的价格也不会一 直居高不下。p m p 成为大众消费品将指日可待! 1 3 论文研究内容 基于广阔的市场前景，本文提出了一种基于嵌入式软件平台开发的p m p 便 携式多媒体播放器。 ( 1 ) 通过对便携式多媒体终端的功能需求分析，综合考虑功能、速度、功耗、 体积、可靠性、成本等因素，在分析比较各种设计方案的基础上，选择了三星公 司的s 3 c 2 4 4 0 处理器，并以此为核心，设计了系统终端的硬件，给出了系统硬 件的总体架构，设计了s 3 c 2 4 4 0 处理器和外部电路的硬件接口以及总线连接， 详细设计了存储器、l c d 、电源管理模块的电路。 ( 2 ) 在软件设计和开发方案上，采用了高度模块化和易于向其他平台移植的 l i n u x 操作系统。通过对l i n u x 的结构分析，阐述了将嵌入式l i n u x 移植到本系 统的具体方法。重点分析混合文件系统的构建，选择c r a m f s + y a f f s 作为本系统 的文件系统，并给出了具体的实现方法。 ( 3 ) 从硬件、操作系统以及软件代码设计的层面上，研究如何降低系统的功 耗，通过减少系统的耗能，从而节约能源、提高速度以及减小尺寸。 ( 4 ) 选择挪威t r o l l t e c h 公司的q t e m b e d d e d 作为系统上层图形化界面应用程 序，并成功地完成了其到系统的移植。 ( 5 ) 分别使用l i b m a d 和m n p e g 实现m p 3 音频解码和m p 4 视频解码，并对 音视频同步机制进行了深入的研究。 ( 6 ) 最后，使用完全查表法实现图像格式转换，从而大大降低了算法的时间 和复杂度，提高了系统效率，保证了系统的实时性。 1 4 论文的内容安排 论文分为四章，内容包括绪论部分、系统方案概述及软硬件设计、音视频解 码实现和总结，具体安排如下： 第l 章绪论部分。介绍了论文的研究背景，阐述了便携式多媒体播放器发 展的现状及其研究意义。 摹于s 3 c 2 4 4 0 的媒体播放器的研究 第2 章系统概述。介绍了各大公司的媒体播放器的解决方案，分析了p m p 的硬件开发平台和软件开发环境以及便携式多媒体播放器的系统构成，综合考虑 功能、速度、功耗、体积、可靠性、成本等因素，提出了总体设计方案和选型。 第3 章播放器硬件设计。设计了基于s 3 c 2 4 4 0 的多媒体播放终端的硬件电 路，并详细阐述了系统各个模块的硬件构成，并给出了系统各个模块的硬件电路 图。 第4 章播放器软件设计。采用高度模块化和易于向其他平台移植的l i n u x 操作系统。通过对l i n u x 的结构分析，阐述了将嵌入式l i n u x 移植到本系统的具 体方法。介绍了y a f f s + c r a m f s 混合文件系统的构建方法，而上层的g u i 则选择 了t r o l l t e c h 公司的q t e m b e d d e d ，建立交叉编译开发环境，对嵌入式多媒体播放 器进行研究和开发。 第5 章m p 3 音频解码和m p 4 视频解码的实现。客户端通过l i b m a d 解码m p 3 数据流，得到p c m 音频数据，并写入音频设备，完成播放音乐。使用胁p e g 实现m p 4 视频解码，同时对音视频同步机制进行了深入的研究。并使用完全查 表法实现图像格式转换，从而大大降低了算法的时间和复杂度，提高了系统效率， 保证了系统的实时性。 论文的最后进行了全文总结，总结了本文所做的工作以及对下一步工作的展 望。 4 第2 章系统概述 2 1p m p 解决方案的现状 由于p m p 现在已经成为消费类电子产品中最灿烂的一颗新星，因此不论是 d s p 阵营的厂商、还是m c u 阵营的厂商、甚至是x 8 6 阵营的厂商，均将触角伸向 了该市场，推出了最新的p m p 解决方案【4 1 。 p m p 解决方案可以分为3 个档次： ( 1 ) 低端方案：一般支持的格式非常有限( 视频格式只支持一种文件格式或专 用格式，音频格式也比较单一) ，同时视频解码能力比较差，播放分辨率较大的 视频文件时会出现停顿。 ( 2 ) 中端方案：一般支持的格式比较丰富，视频解码能力比较强。部分方案 还支持低质量音视频录制功能。 ( 3 ) 高端方案：除了能提供强劲的音视频播放、录制功能外，还能提供p d a 、 游戏、摄像、上网等更多的增值功能。 另外，从存储介质上可以分为硬盘型和f l a s h 型，其中f l a s h 型又可以分为数 码存储卡型和内置n a n df l a s h 型，从是否支持视频录制又可以分为视频录制型和 非视频录制型。 从媒体播放器的角度来看，国内外有很多终端播放器的解决方案。比较成熟 的解决方案有三种：基于s i g m a d e s 培n s 8 5 l x 系列芯片的解决方案、基于t id m 3 2 0 d s p + a r m 处理器的解决方案和基于i n t e lp x a 2 7 x 的解决方案，这三种解决方案 是目前的主流方案。上述几种方案各有特点： ( 1 ) s i g m a d e s i g n s8 5l x 方案 s i g m a d e s i g n s8 5 l x 处理器是目前性能最强、最全面的专业解码芯片，采用 双核设计，将2 0 0 m h z3 2 位r i s c 处理器和m p e g 解码处理器集成于单芯片上。在 无需其它外围芯片支持的情况下，完成系统所需各种接口的提供、系统处理以及 流畅的w m a v 9 、d i v x v 3 1 1 、d i v x v 4 x 和5 x 、m p e g - 4 、m p e g 2 、m p e g 1 等视频解码。 优点；单芯片、低成本、低功耗、硬核视频解码、视频播放效果好； 缺点：无法播放网络视频格式r m 、r m v b 等。 ( 2 ) t id m 3 2 0d s p + a r m 处理器的解决方案 做为d s p 巨头，t i 力推基于t id m 3 2 0d s p 的p m p 解决方案。t i 方案是利用 d m 3 2 0d s p 进行音视频编解码处理，a r m 处理器负责系统处理及提供外围设备 接口。与s i g m a d e s 培n s 方案一样，t i 方案支持的媒体类型非常丰富，能支持w m v 、 d i v xv 3 1 l 、d i v xv 4 x 和5 x 、m p e g 一4 、m p e g 2 、m p e g 一1 等。但由于t id m 3 2 0 摹于s 3 c 2 4 4 0 的媒体播放器的研究 为纯d s p 芯片，因此必须配合a r m 处理器才能组成完整的解决方案，因此在成本 上并不具备优势。 优点：支持的媒体类型丰富、编解码能力强； 缺点：必须配合a r m 处理器、成本不占优势、功耗较大、不支持网络视频 格式r m 、r m v b 。 ( 3 ) i n t e lp x a 2 7 x 的解决方案 i n t e l 公司于2 0 0 3 年底推出性能最为强劲的p x a 2 7 x 嵌入式处理器，最高频率 可达6 2 4 m h z 。作为一款性能极其强劲的嵌入式处理器，配合嵌入式l i n u x 或w i n c e 操作系统，p x a 2 7 x 理论上可以支持任何媒体格式，并通过软件升级，支持未来 媒体格式。但由于m p e g 2 对硬件的极高要求，因此单纯依靠p x a 2 7 x 处理器进行 m p e g 2 编解码是不现实的。i n t e l 公司于2 0 0 4 年推出了2 7 0 0 g 多媒体加速芯片， 配合p x a 2 7 0 进行视频加速与3 d 加速。同时，p x a 2 7 x 加入了w i r e l e s s m m x 技术和 s p e e d s t e p 动态电源管理技术，不但大大增强了p x a 2 7 0 的媒体处理能力，而且极 大的降低了系统功耗，延长了p m p 产品的电池寿命。2 7 0 0 g 的加入，更使p x a 2 7 x 方案成为全能解决方案，不但完美解决了m p e g 2 编解码问题，更使基于p x a 2 7 x 的p m p 产品能向多功能化发展，可以加入游戏、摄像等功能，成为个人娱乐终端。 优点：支持目前所有的媒体类型、可通过软件升级支持未来媒体类型；接口 丰富、可支持s d 、m s 、c f 等：支持最大4 0 0 万象素摄像头；支持动态电源管理、 功耗低； 缺点：成本可能较高。 目前市面上还有其它几种非主流方案，如p x a 2 5 5 解决方案、s u n 口l u s s p c a 5 3 6 解决方案、a m da l c h e m ya u l 2 0 0 解决方案、f r e e s c a l ei m x 2 1 解决方案 等。基于p x a 2 5 5 的方案特点是功耗较低，且能够支持较多的媒体格式，但缺点 是无法支持大尺寸图象的编解码，如m p e g 2 等。s u n p l u ss p c a 5 3 6 解决方案价格 低廉，但仅支持m p e g 4 编解码与j p e g ，支持媒体类型单纯，功能单一。f r e e s c a l e i m x 2 1 芯片原为智能手机专门设计，接口类型比较丰富，但音视频处理能力一 般，无法进行流畅的m p e g 4 播放，无法处理m p e g 2 视频。a m da l c h e m ya u l 2 0 0 解决方案的技术细节目前尚无法得知，从f i c 公司最新推出的基于a l c h e m y a u l 2 0 0 的p m p 产品看，它的能力应该与s i g m a d e s i g n s8 5 1 x 相当，功能也大体一 致。由于p m p 产品的研发难度较大，目前市面上的大多数p m p 产品均为国外或台 湾设计。中国大陆消费类娱乐产品的生产商因研发能力普遍较低而无法自己研发 产品，因此未来中国大陆p m p 设计制造将更多的按照生产商+ d e s i g nh o u s e 的模 式进行，这样生产商可以充分发挥自己的渠道和规模优势，而d e s i g nh o u s e 则发 挥其强设计能力和低营运成本优势，双方合作共同把p m p 市场做大、做强【6 】【”。 国内目前也有进行p m p 方案设计的公司，如南京东集公司( 塑塑塑：坠照q 啦) ， 硕士学位论文 采用的是i n t e i 嵌入式处理器p x a 2 5 5 方案。采用s i g m a d e s i g n s 【7 1 解决方案的公司主 要集中在深圳，如深圳市深视通科技开发有限公司( 塑型坠! ! i s i q 堕：q 婴) ，该公司 目前已经设计出了基于s i g m a d e s i g n s8 5 1 1 处理器的成熟的p m p 解决方案，并制作 了d e m o 。而t id m 3 2 0 方案目前主要依靠t i 合作伙伴美国i n g e n i e n t 公司推广。 2 2 软件开发环境 p m p 的软件平台主要考虑操作系统及开发平台，在功能较单一( 比如早期只 支持m p 3 播放) 的产品中也可以不采用操作系统，内部用一些简单的轮询或者调 度机制就可以满足需要，但是随着对功能的要求越来越多，交互能力和界面表现 的需求也大大增加。在这些集多功能于一身的终端设备中采用操作系统无疑可以 带来很多方便性。目前常用于嵌入式多媒体娱乐终端的操作系统主要有：w i n c e 、 l i n u x 及其他一些嵌入式操作系统。w i n c e 的开发配套工具比较多，开发调试都 比较方便，界面也非常友好，但是采用w i n c e 需要支付版权费用，实际使用的并 不多，在比较高端的产品中偶尔会使用；l i n u x 因为是免费的，配套开发调试工 具也比较丰富，所以采用l i n u x 的产品越来越多，但是l i n u x 版本繁多，开发调试 环境不统一，也给产品开发带来了一些问题；以上提到的并不是只针对多媒体终 端的开发，现在伴随着多媒体s o c ，芯片厂商一般都会提供更有针对性的开发包， 里面包含有操作系统内核，及与芯片特性相关的一些开发库，使用这些开发平台 将可以更好地进行产品的开发与设计；此外，一些著名的消费电子的大公司( 比 如韩国的三星电子) ，自己有一套软件开发平台，在有需要的时候可以移植到各 种多媒体s o c 上去。 * 本文选择嵌入式l i n u x 操作系统【8 】作为软件开发平台，由于嵌入式l i n u x 操 作系统对底层驱动有很好的移植性，所以在底层驱动的设计上可以节省很多时 间，直接在系统上开发应用程序即可。 l i n u x 是1 9 9 1 年由l i n u st 0 r v a l d s 所创建的类u n i x 【9 】操作系统，在众多计 算机程序员的共同努力下，借助于i n t e r n e t ，l i n u x 历经众多版本的改进，目前 己经发展成为一个完整的遵循p 0 s i x 规范的操作系统，与u n i x 实现了源码级 兼容。它是一个真正的多任务、多用户、多平台系统，支持多处理器，安全可靠， 性能卓越的操作系统。 l i n u x 现在是个人计算机和工作站上的类u n i x 操作系统，它不仅继承u n i x 的特征，而且在许多方面超过了u n i x 。它具有下列基本特征： ( 1 ) 真正的多用户、多任务操作系统； ( 2 ) 符合p o s i x 标准： ( 3 ) 具有完善的内核编程接口； ( 4 ) 提供具有内置安全措施的分层的文件系统； 基于s 3 c 2 4 4 0 的媒体播放器的研究 ( 5 ) 提供强大的管理功能，包括远程管理功能； ( 6 ) 具有简单易用的图形用户接口： ( 7 ) 具有大量实用的应用程序和工具： ( 8 ) 大量的高级程序设计语言己移植到l i n u x 系统上，因此它是理想的应用 软件开发平台，而且在l i n u x 系统下开发的应用程序具有很好的可移植性。 嵌入式l i n u x ( e m b e d e dl i n u x ) 是指对l i n u x 经过小型化裁剪后，能够固化在 容量只有几十万字节或几十亿字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式 场合的专用l i n u x 操作系统。基于l i n u x 的嵌入式操作系统能在市场上飞速发展。 与它自身的优良特性有着密不可分的关系。 ( 1 ) 开放源代码，成本低，有着丰富的软件资源。l i n u x 遵循g p l 【1 0 】，可以 使用户免费获得内核源代码。由于嵌入式系统千差万别，往往需要针对应用定制 和优化系统。这时获得源代码就至关重要。而且由于开放源码，使用户获得了最 大的自由。开发基于l i n u x 的程序往往可以借鉴已有的类似的自由软件，而不需 要从头做起，节省了开发时间。源码开放，无需版权费，可以有效降低产品成本， 对成本敏感的嵌入式操作系统来说至关重要。 ( 2 ) 高度模块化，易裁减。l i n u x 继承了u n i x 的设计思想，高度模块化， 非常灵活，可以根据需要方便的进行定制，很容易改造成嵌入式操作系统。 ( 3 ) 功能强大，性能高效，非常健壮和安全。由于l i u x 源码开放，当代码 有变化时，其内核代码迅速被数以万计的团体和个人检查过健壮性、安全性，因 而适合嵌入式应用。 ( 4 ) 完善的网络通信、图形、文件管理机制。l i n u x 天生就是一个网络操作 系统，提供完善的网络通讯机制。图形方面既有成熟的xw i n d o w ，也有e m b e d d e d q t 、m i n i g u i 等嵌入式g u i 。支持e x t 2 、f a t l 6 、f a t 3 2 、r o m a 等多种文件系统。 ( 5 ) 支持多种体系结构，驱动程序丰富。l i n u x 支持如x 8 6 、a r m 、m i p s 、 a l p h a 、s p a r c 等体系结构。目前己经被移植到多种平台，几乎支持所有流行 的c p u 。而且随着l i n u x 的广泛应用，越来越多的厂家开始积极提供l i n u x 上的 驱动程序。 ( 6 ) 与u n i x 兼容，文档丰富。许多开发人员很熟悉u n i x 编程，可以很快 适应嵌入式开发。除了公开所有的内核源文件外，还提供了大量的开发文档，可 以从众多的爱好者维护的网站中免费获得这些开发资料，从入门级的到内核级的 开发分析资料能够满足各个层次的需求，特别的问题还可以和众多的爱好者讨 论，是一笔无形的宝贵财富。结合这些文档，无论是开发底层系统还是上层应用 程序，都会事半功倍。 一个可用的嵌入式l i n u x 系统包括内核和应用程序i l l 】两部分。应用程序负 责系统的部分初始化、基本的人机界面、必要的命令等。内核为应用程序提供一 8 硕士学位论文 个虚拟的硬件平台，以统一的方式对资源进行访问，并且透明地支持多任务。嵌 入式l i n u x 内核可以分为6 部分：进程调度、内存管理、文件系统、进程间通信、 网络及驱动程序。这几部分的关系如图2 1 所示。 图2 1l i n u x 内核和依赖关系 2 3 嵌入式存储与文件系统的选取 计算机系统都需要某种形式的永久性存贮设备，存放程序和数据。嵌入式存 贮设备与传统存贮设备相比，在容量、功耗、尺寸方面，均有所限制。与传统的 计算机系统相比，嵌入式系统尺寸小、低能耗的特点决定了它很少使用i d e 、s c s i 硬盘以及其他大容量、高功耗的存贮介质，而选用具有功耗低，尺寸小等特点的 r o m 、f l a s h 闪存存储程序和数据。 2 3 1 嵌入式设备中的存储器 f 1 a s h 12 i 存储器具有速度快、容量大、成本低等很多优点，因此在嵌入式系 统中被广泛用做外存储器件。嵌入式系统中使用的f l a s h 主要分为n o r 和n a n d 两种类型。尽管两者部属于f 1 a s h 闪存，但由于设计规格和制造工艺不同，两者 具有较大差别。如表2 1 所示。 此外，n a n d 器件执行擦除操作是十分简单的，只需要整个块擦写即可。而 n o r 擦除时，需要全部写l 。由于擦除n o r 器件时是以6 4 1 2 8 k b 的块进行的， 执行一个写入擦除操作的时间为5 s ，与此相反，擦除n a n d 器件是以8 3 2 k b 的 块进行的，执行相同的操作最多只需要4 m s 。 当选择存储解决方案时，必须权衡以下的各项因素【1 3 】： f 1 ) n o r 的读速度比n a n d 稍快一些； ( 2 ) n a n d 的写入速度比n o r 快很多； ( 3 ) n a n d 的擦除速度远比n o r 快； ( 4 ) 大多数写入操作需要先进行擦除操作； ( 5 ) n a n d 的擦除单元更小，擦除电路也更少。 基于s 3 c 2 4 4 0 的媒体播放器的研究 表2 1n o r 闪存和n a n d 闪存之间的区别 基本上n o r 比较适合存储程序代码，其容量一般较小( 比如小于3 2 m b ) ，价 格较高，而n a n d 容量可达1 g b 以上，价格也相对便宜，适合存储数据。一般来 说，1 2 8 m b 以下容量n a n df l a s h 芯片的一页大小为5 2 8 字节，用来存放数据， 另外每一页还有1 6 字节的备用空间，用来存储e c c 校验坏块标志等信息，再由 若干页组成一个块，通常一块为3 2 页1 6 k 。与n o r 相比，n a n d 不是完全可靠的， 每块芯片出厂时都有一定比例的坏块存在，对数据的存取不是使用地址映射而是 通过寄存器的操作串行存取数据。 2 3 2 嵌入式l i n u x 文件系统的分析和方案选择 l i n u x 的一个最重要的特点之一是它可以支持许多不同的文件系统。这让它 非常灵活，可以和许多其它操作系统共存。按照系统的实际要求选择一款合适的 文件系统作为系统的根文件系统是十分重要的。在嵌入式系统领域中，有下列五 个评价文件系统的指标： ( 1 ) 可写性( w r i t e ) ：该文件系统是否可写： ( 2 ) 永久存储性( p e r s i s t e n t ) ：该文件系统是否能够在重启之后而不丢失重启 之前所作的修改； ( 3 ) 断电稳定性( p o w e rd o w nr e l i a b i l i t y ) ：被修改了的文件系统是否能够从 一次意外断电中恢复过来； ( 4 ) 压缩性( c o m p r e s s i o n ) ：该文件是否为压缩文件系统； ( 5 ) r a m 生存性( l i v e si nr a m ) ：在被映射之前该文件系统是否从存储设备 中复制到r a m 中。 在嵌入式系统中，如果实际应用需要在运行时动态更新数据，那么根文件系 统就有必要具有可写性的特点。如果系统希望保存应用更新过的数据并且在重启 之后继续保持，那么需要根文件系统具有永久存储性的特点。如果采用了具有永 久存储性的文件系统还得考虑这种文件系统面对突然掉电的情况下，那么该文件 硕上学位论文 系统还需具备掉电稳定性。此外，由于嵌入式系统存储资源的限制，很多文件系 统都属于具备压缩性的文件系统，当然，如果系统压缩、解压所需的运算量太大 的话，这种特性就不具备实际意义。 基于嵌入式系统成本的要求以及实际存储器的价格因素考虑，大多数的根文 件系统在存储到存储设备之前都经过了压缩处理，而在运行时，把文件系统解压 缩到r a m 中运行，但是这并不意味着文件系统是种压缩的文件系统。所以根文 件系统很多时候并没有涉及到对存储设备的写操作，而只是简单的把存储设备上 的内容解压到r a m 中。表2 2 是几种常见的文件系统。对于表中所列出的几种文 件系统，如j f f s 2 j f f s 。j f f s 2 j f f s 是在m t d 设备上实现的一个日志式文件系统， 而e x t 2 和e x t 3 文件系统是普通p c 上l i n u x 操作系统常用的文件系统。 表2 2 部分文件系统特性 2 3 2 1c r a m f s 文件系统 c r a m f s 【1 4 是l i n u xt o r v a i d s 本人开发的一个适用于嵌入式系统的小型只读 ( r e a d o n l y ) 的压缩文件系统，和r o m f s 文件系统不同的一点，在于它采取z l i b 压 缩算法，同时兼顾了压缩率( 通常可达到5 0 左右) 和解压缩速度。在嵌入式系统 平台中，利用它可有效的节省f 1 a s h 存储空间，使系统有可能通过更低容量的f l a s h 存储相同的文件，从而降低系统成本。因此，c r a m f s 在嵌入式系统中应用广泛。 c r a m f s 文件系统的主要特性： ( 1 ) 采用实时解压缩方式，但解压缩的时候有延迟； ( 2 1c r a m f s 的数据都是经过处理、打包的，对其进行写操作有一定困难。所 以c r a m f s 不支持写操作； ( 3 ) 在c r a m f s 中，文件最大不能超过1 6 m b ； ( 4 ) 支持组标识( g i d ) ，但是m k c r a m f s 只将g i d 的低8 位保存下来： ( 5 ) 支持硬链接( h a r dl i n k ) 。但是c