（电路与系统专业论文）基于嵌入式的网络化多媒体终端的设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 摘要：多媒体终端是集视频播放、音频播放、图片浏览、网络漫游、游戏等功能 于一身便携式休闲设备，它强大而且高度集成的性能意味着它将是如今和未来电 子产品发展的主流。多媒体终端以其充足的娱乐性能，越来越受到大众尤其是年 轻人的喜爱，因此多媒体终端的设计具有很高研究价值和应用市场。 伴随着l i n u x 操作系统的流行，嵌入式系统已经成为当今多媒体终端在硬件和 软件上的首选。l i n u x 操作系统作为开源系统，能够极大的降低产品开发成本，a r m 芯片又以强大的功能和相对低廉的价格著称，本文将选用三星公司的a r m 9 芯片 $ 3 c 2 4 1 0 配合l i n u x 操作系统，开发一款支持视频播放，音频播放，网络浏览等多 种功能的多媒体终端。 目前多媒体终端大多不具备的网络化功能，这一点在互联网日益普及、3 g 业 务即将推出的情况下，是一个明显的缺陷。本文将对终端的网络化进行重点研究， 包括网络模块的设计、驱动编写及调试、应用软件的安装，最后实现支持网络功 能的多媒体终端，并通过l i n u x 浏览器k o n q u e r o r 实现。 图形用户界面( g u i ) 将采用q t e m b e d d e d 和q t o p i a 进行开发，这两款产品 也都是开源软件，既能够节省开发成本，又能很好的满足课题的设计要求。本文 也会对g u i 的开发进行重点介绍。 最后，将整个设计移植到硬件平台，完成设计。 关键词：$ 3 c 2 4 1 0 ；l i n u x ；网络化；图形用户界面；q t e m b e d d e d 分类号：t p 3 3 2 a bs t r a c t a b s t r a c t ：m u l t i m e d i at e r m i n a li s t h el e i s u r ee q u i p m e n tw h i c hs u p p o r t sm a n y 如c t i o n ss u c ha l sv i d e op l a y i n g ，a u d i op l a y i n g ，p i c t u r eb r o w s i n g ，n e t w o r kr o a m m g a 1 1 d p l a y i n gg a m e s i t sp o w e r f u la n dh i g h l yi n t e g r a t e d f u n c t i o n a l i t ym e a n st h a ti tm u s tb e t h em a i n s t r e 锄o ft h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i cp r o d u c t sn o wa n di n t h et h t u r e m u l t i m e d i ae n t 瞰a i m e n td e v i c e sf o ri t sa d e q u a t ep e r f o r m a n c e ，m o r ea n dm o r eb e l n g l o v e db vt h ep u b l i ce s p e c i a l l yy o u n gp e o p l e t h ed e s i g no fm u l t i - m e d i at e r m i n a l sh a s h i g hr e s e a r c hv a l u e a n da p p l i c a t i o np r o s p e c t s a l o n gw i t ht h ep o p u l a ro f l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m s ，e m b e d d e ds y s t e m s n a s b e c o m et h ef i r s td l o i c ei nt o d a g sm u l t i - m e d i at e r m i n a li nt h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r e a tt h es 锄et i m e ，l i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma sa no p e n - s o u r c es y s t e m t h a tc a l lr e d u c el o t s o fp r o d u c td e v e l o p m e n tc o s t s ，a r mc h i pi su s e dp o w e r f u la n df a m o u s f o ri t sr e l a t i v e l y i n e x p e n s i v ep r i c e s o t h i sp a p e rw i l lu s et h ea r m 9s a m s u n g $ 3 c 2 4 10c h i p sw i t ht h e l i n u xo p c r a t i n gs y s t e mt od e v e l o pa m u l t i m e d i at e r m i n a ls u p p o r t i n gt h ef o l l o w i n g f u c t i o n s ：v i d e op l a y i n g ，a u d i op l a y i n g ，t h en e t w o r ka n d s oo n n o w a d a y s m o s to f m u l t i m e d i at e r m i n a l sd o e sn o ts u p p o r tn e t w o r k ，w h i c hi s 锄 o b v i o u sn a wi nt h ec a s eo fi n c r e a s i n gp o p u l a r i t yo f t h ei n t e r n e ta n d3 gt e c h o l o g yg o i n g t ob eu s e df o rb u s i n e s s i nt h i sp a p e r , t h e m s e a r c hw i l lf o c u so nt h et e r m i n a l sn e t w o r k , i n c l u d i n gn e t w o r kd e s i g n n e t w o r km o d u l e ，d r i v et h ep r e p a r a t i o n , d e b u g g i n g 觚d i n s t a l l i n ga p p l i c a t i o ns o f t w a r e f i n a l l y , t h er e a l i z a t i o no f n e t w o r kf u n c t i o n sw i l lb eu s e d o nm u l t i m e d i at e r m i n a l s ，a n dt e s t i n gw i t ht h eb r o w s e rk o n q u e r o r g r a p 临c a lu s e ri n t e r f a c e ( g u 0w i l l b ep r o d u c e dt r o l l t e c hc o m p a n y sq t e m b e d d e da n dq t o p i ad e v e l o p m e n t b o t hp r o d u c t sa r eo p e ns o u r c es o f b , v a r e ，s ow e c 锄 n o to n l vs a v ed e v e l o p m e n tc o s t s ，b u ta l s on i c em e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h i sp a p e r w i l la l s ob ef o c u s e do nt h ed e v e l o p m e n to f g u i f i n a l l y ，t h ed e s i g ni sd o w l o a d e dt ot h eh a r d w a r ep l a t f o r m t h e nt h ep a p e r w i l lu s e m eh a r d w a r et ot e s tt h ep r o g r a ma n df i n i s ht h e w h o l ep r o j e c t k e y w o r d s ：$ 3 c 2 410 ；l i n u x ；n e t w o r k ；g u i ；q t e m b e d d e d c i a s s n o ：t p 3 3 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 互磁 导师签名： 睐易 签字日期： 7 年莎月形日 签字r 期： 口7 年石月7 0 b 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：曼磁 签字日期： 矽 年多月汐日 致谢 本论文的工作是在我的导师路勇教授的悉心指导下完成的，路勇教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来路勇 老师对我的关心和指导。 路勇教授悉心指导我们完成实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了 我很大的关心和帮助，同时路勇教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝 贵意见，在此表示衷心的感谢。 还要感谢李哲英教授、骆丽教授对我论文提出的宝贵评审意见，是我的论文 更加完善。 还要感谢班主任杜普选教授，在杜普选教授的领导下，班级团结、学业上进。 另外，还要感谢我的同f - 1 1 ) 币兄弟徐森、李博，他们的帮忙与作，使得学业上 不再孤单。今后的学习和生活中，也希望和他们一起获得成功。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 引言 1 1研究背景 2 1 世纪是信息化的时代，大量的数字化产品j 下改变着人们的生活。可以随时 随地聊天的手机、更方便浏览的的网络新闻、可以在公交车上休闲的掌上游戏 机，这一切都是新科技新技术带来的变化。在琳琅满目的新生事物中，具备 强大娱乐功能的多媒体终端是无法被忽视的一个产品。本章将主要介绍多媒体终 端的基本基本原理、发展现状、和发展前景。 1 1 1 多媒体终端 多媒体终端( m u l t i m e d i a t e r m i n a l ) 就是一种便携式的数码设备，它支持多种 媒体格式的查看和播放，并且具备网络接入能力，可以从网络获取信息和下载数 据，并且具备良好人机对话界面的新型设备。 根据以上的定义，可以总结出多媒体终端要具备以下的特点： ( 1 ) 便于携带 ( 2 ) 支持多媒体播放 ( 3 ) 能够接入网络 ( 4 ) g u i 美观方便 1 1 2 研究现状 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。 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，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。 多媒体终端正是数字信息产业的一个重要组成部分，所以在这个背景下， m u l t i m e d i at e r m i n a l 蕴含着极大地发展潜力。 从目前市场的角度来看，m p 4 、m p 3 等形式的多媒体终端的高端地位一直被 国外的企业所垄断，例如a p p l e 、三星、索尼等，所以当消费者选择商品时往往首 选外国品牌。 国内企业与这些龙头企业的差距比较大，主要是外形设计和媒体播放上的差 距。由于外观设计需要美术等方面的技术，这部分的提高不是本轮文要考虑的范 围。另外一个部分媒体播放的角度是我本文关心的重点，从媒体播放的质量 角度来看，国内与国外水平的差距并不大，差距主要是在支持的功能广泛程度上， 国内企业的产品的扩展性明显不如国外企业。例如在媒体播放的同时，支持网络 功能，所以这方面是多媒体终端提高的突破口。 1 1 3 发展前景 随着多媒体终端的同益发展，它的种类也越来越齐全，包括p m p 、g p s 、移 动电视等多种产品，功能上也囊括媒体播放、游戏、休闲等。针对不同的角度， 多媒体终端的发展前景也不相同。 从设备种类的角度，p m p 和g p s 是多媒体终端发展的热点，还有就是兼具两 者的功能全新设备也是未来的发展重点。 而从多媒体终端的性能角度来看，多媒体终端有两个方向发展： ( 1 ) 网络化发展趋势，与宽带网络通信等技术相互结合，使多媒体技术进入 科研设计、企业管理、办公自动化、远程教育、远程医疗、检索咨询，文化娱乐、 自动测控等领域。 ( 2 ) 多媒体终端的部件化、智能化和嵌入化，提高计算机系统本身的多媒体 性能，开发智能化家电，便携式消费电子产品。 1 2关键问题 析。 本节将从设计方法和多媒体终端的技术难点两个角度来对多媒体终端进行分 1 2 1 设计方法 由于多媒体终端功能的日益强大，实现多媒体播放的技术要求也越来越高。 c p u 的选择上，传统的单片机已经不能够满足多媒体终端强大的功能需求， 所以在芯片选择上嵌入式系统芯片成为如今开发设计的主流。 使用嵌入式系统，也会用到特定的嵌入式操作系统，比如l i n u x 、w i n d o w sc e 等，这样可以以操作系统为平台，获得更多的软件支持，达到更高的技术要求。 2 图形用户界面是多媒体终端不可缺少的，简称g u i ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) 。 g u i 是屏幕产品的视觉体验和互动操作部分，简单来说，g u i 就是用户用来操作 和使用的产品界面【ij 。 g u i 是一种结合计算机科学、美学、心理学、行为学，及各商业领域需求分 析的人机系统工程，强调人一机一环境三者作为一个系统进行总体设计。这种面 向客户的系统工程设计其目的是优化产品的性能，使操作更人性化，减轻使用者 的认知负担，使其更适合用户的操作需求，直接提升产品的市场竞争力。 1 2 2 技术难点 任何产品的开发都要包括产品规划和方案设计两个阶段，多媒体终端也是如 此。那么其技术难点也可分为两种。 ( 1 ) 从上面可以看出，多媒体终端的能够实现，主要的依靠硬件，嵌入式系 统，应用软件三个部分，其中各个环节也有各自开发难度。 硬件：选择芯片要合适，如今嵌入式系统芯片琳琅满目，各自的功能也各不 相同，价格差别也很大，如何根据产品需要，选择合适的芯片，不造成资源浪费 是设计中的一个重点。 操作系统：主要是在对各个系统的特点和应用平台进行考虑后，根据需求选 择其中一个。 g u i ：g u i 设计是体现开发人员能力的一个方面，其难度可大可小。 ( 2 ) 多媒体终端的功能虽然越来越集成，但是各个产品都有自己的特色技术， 在多媒体技术中选择一个有市场潜力、开发难度适中、成本合理的技术作为突破 口也是设计人员进行多媒体终端设计的一个难点。 1 3论文意义 本节将陈述本文的研究价值和意义。 1 3 1 网络化缺口 从前面的分析可以看出，网络化、智能化和嵌入化是多媒体终端发展的方向， 多媒体终端的功能设计也是其中的一个技术难点之一，这三个方向也是目前开发 商和研究人员研究设计的重点。 目前，绝大多数开发者的目光多集中在媒体终端的智能化和嵌入化领域，对 3 于m u l t i m e d i at e r m i n a l 的网络化择缺少热情。最明显的表现时目前的多媒体终端 产品支持网络功能的数量很少，而国内产品在网络化的领域更是相当于空白。这 说明厂家和研发人员在研究的时候并没有注意到网络功能的发展前景，只是一味 在发发展方向的第二点上不断研究。这就相当于在高速公路上，同一侧的马路上 一条路拥挤不堪、举步维艰，而另一条路上车辆稀少、无人问津。 1 3 2m u l t i m e d i at e r m i n a l 网络化的意义 多媒体终端一旦支持网络功能，那么多媒体终端将从如今的简单媒体播放器 的形式中获得解放。其意义有如下几点： ( 1 ) 能够丰富获得多媒体的渠道； ( 2 ) 能够削弱多媒体终端空间上的局限性； ( 3 ) 能够极大的丰富多媒体终端的功能，例如网际浏览等。 可见网络功能的增加，能够使m u l t i m e d i at e r m i n a l 的性能得到几何倍数的提 升，其研究价值也就不言而喻。 1 3 3 可行性 如今的多媒体终端采用的芯片大多都是嵌入式芯片，嵌入式芯片价格低廉而 且功能强大，在开发上具有极大地可塑性。以a r m 9 芯片为例，其1 6 k bi - c a c h e 和1 6 k bd c a e h e 处理速度、1 g 字节的地址空问和l c d 控制器等多样的功能足以 支持操作系统的移植。而且，很多l i n u x 内核中自带的都支持相应的网卡，实现起 来十分方便，只需对其进行相应的修改和裁剪即可。 从技术角度来说，m u l t i m e d i at e r m i n a l 的网络化是完全能够实现的，而之 前之所以无人问津，主要是出于市场需求的角度和开发产品的性价比上。随着现 在开发难度的降低和网络化趋势的增加，m u l t i m e d i at e r m i n a l 的网络化完全应 该被实现。 1 4课题目标 本课题主要的研究目标是开发一种多媒体终端，它能够支持多种媒体格式的 播放，包括图片，音乐，视频等等。最重要的是，要让这款多媒体终端具有网络 接入功能，因为在众多使用者眼中，这样才能称得上是一种完整的多媒体终端设 备，而这一点正是目前国内的多媒体生产厂商所没有做到的。一款好的多媒体终 4 端设备，良好的用户图形界面( g u i ) 是其中的必备条件，所以在最后本文将提出 一个完善的g u i ，为使用者提供方便的操作环境。其主要设计参数如表1 1 。 表1 1多媒体终端的设计参数 t a b l e1 1m u l t i m e d i at e r m i n a ld e s i g np a r a m e t e r s 名称多媒体终端 芯片类型三星s 3 c 2 4 1 0 操作系统l i n u x 播放方式l c d 输入输出接口u s b 、p s 2 、以太网 媒体文件格式 视频、音频 g u i q t e m b e d d e d 和q t o p i a 1 5 论文研究工作及内容安排 本论文的研究是基于三星的$ 3 c 2 4 1 0 芯片进行的，它是一款a r m 9 芯片，具 有强大的扩展功能。 1 5 1 主要工作内容 ( 1 ) l i n u x 操作系统的交叉编译系统的建立和移植 ( 2 ) 网络模块的建立和网络驱动编写方法的研究 ( 3 ) p c 机上构建q t e m b e d d e d 和q t o p i a 开发环境以及交叉编译环境 ( 4 ) 利用q t e m b e d d e d 和q t o p i a 软件进行多媒体终端g u i 的设计 ( 5 ) 各种媒体播放工具及浏览器工具在p c 机的安装和向开发板的移植、包 括m p l a y e r 、r h y t h m b o x 、k o n q u e r o r 等软件。 ( 6 ) 多媒体终端在目标板上的调试 1 5 2 论文内容安排 论文一共包括五个章节。第一章是论文的研究背景的描述，以及课题研究价 值的介绍还有论文的主要工作内容。第二章是讲述嵌入式系统的基本原理，以及 l i n u x 嵌入式操作系统的特点。第三章是讲解多媒体终端的硬件平台的章节，对多 媒体终端的不同的模块进行详细的讲解，其中包括用到的芯片的介绍和电路设计 5 分析等等；第四章则描述l i n u x 在a r m 平台的实现，例如l i n u x 操作系统、 q t e m b e d d e d 和q t o p i a 交叉编译环境、网络驱动程序设计等等；第五章将详细说 明整个系统应用层的设计，包括图形用户界面的设计、各种应用软件以及平台的 移植等工作。 6 2 嵌入式系统 本章主要介绍嵌入式系统平台，从嵌入式系统特点、操作系统、平台设计等 方面进行介绍。 2 1基本原理 这一节中，将对嵌入式系统的一些基础知识进行那个介绍。 2 1 1 概念 嵌入式计算机，是非通用计算机形态的计算机应用，它是以作为嵌入式系统 的核心部件的形式隐藏在各种装置、设备、产品和系统中，i e e e 对嵌入式系统的 定义是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”，这主要是从应用对 象上加以定义，涵盖软硬件及辅助机械设备。简单来说，嵌入式系统就是应用于 小型设备，功能相对简单的控制系统。 嵌入式系统虽然是针对小型设备的控制系统，其特点也都与小型系统相匹配， 但是其支持的功能并不简单。它除了具备一般操作系统最基本的功能，如任务调 度、同步机制、中断处理、文件处理等外，还有以下特剧2 】： ( 1 ) 高可靠性；在恶劣的环境或突然断电的情况下，系统仍然能够正常工作； ( 2 ) 许多嵌入式应用要求实时性，要求嵌入式操作系统具有实时处理能力； ( 3 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是具体产品同 步进行； ( 4 ) 嵌入式系统中的软件代码要求高质量、高可靠性，一般都固化在只读存储 器中或闪存中，也就是说软件要求固态化存储，而不是存储在磁盘等载体中。 嵌入式系统有众多的类型，根据嵌入式系统的芯片类型大致可以分为三类， 单片机、f p g a 、a r m 。 7 图2 1 嵌入式系统分类 图2 1e m b e d d e ds y s t e m sc a t e g o r y 单片机虽然是最早被广泛使用的嵌入式设备，但是以其简单的控制方法和极 高的可靠性，广泛的应用于铁路信号等对安全可靠性较高领域。同单片机一样， f p g a 等都有属于自己应用领域。这是因为嵌入式应用领域的多样性，还没有任何 一家于绝对垄断地位，但是a r m 作为嵌入式系统的主要力量和新兴力量，无疑是 发展势头最迅猛的。 a r m 也是本课题所选择的芯片。 a r m 处理器的三大特点是：耗电少功能强、1 6 位3 2 位双指令集和众多 合作伙伴。 a r m 嵌入式系统最大优点在于模块化和可裁剪性，这就是的它的开发和应用 十分的方便简单。每个设备都是模块化的，而各个设备之间是相互独立的关系， 所以系统不需要的部分，可以简单的裁减掉，大幅提高开发的进度和操作系统的 效率。 2 1 2a r m 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前， 采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即通常所说的a r m 微处理器， 已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品 市场，基于a r m 技术的微处理器应用约占据3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上 的市场份额，a r m 技术j 下在逐步渗入到人们生活的各个方面。 目前，全世界有使用a r m 公司的授权的半导体公司达到几十家，这既使得 a r m 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低， 使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。 a r m 处理器的三大特点是：耗电少功能强、1 6 位3 2 位双指令集和众多合作 伙伴【3 1 。 a r m 商品模式的强大之处在于它在世界范围有超过1 0 0 个的合作伙伴 ( p a r t n e r s ) 。a r m 是设计公司，本身不生产芯片。采用转让许可证制度，由合作伙 伴生产芯片【4 1 。 当前a r m 体系结构的扩充包括： ( 1 ) t h u m b1 6 位指令集，改善代码密度； ( 2 ) d s pd s p 应用的算术运算指令集； ( 3 ) j a z e l l e r 允许直接执行j a v a 字节码。 a r m 处理器系列提供的解决方案有： ( 1 ) 无线、消费类电子和图像应用的开放平台； ( 2 ) 存储、自动化、工业和网络应用的嵌入式实时系统； ( 3 ) 智能卡和s i m 卡的安全应用。 a r mc p u 本身是3 2 位设计，但也配备1 6 位指令集。一般来讲存储器比等价 3 2 位代码节省达3 5 ，而且保留3 2 位系统的所有优势。a r m 的j a z e l l e 技术使j a v a 加速得到比基于软件的j a v a 虚拟机高得多的性能，和同等的非j a v a 加速核相比功 耗降低8 0 。c p u 功能上增加d s p 指令集提供增强的1 6 位和3 2 位算术运算能力， 提高系统的性能和灵活性。a r m 还提供两个前沿特性来辅助带深嵌入处理器的高 集成s o c 器件的调试，它们是嵌入式i c e r t 逻辑和嵌入式跟踪宏核( e t m s ) 系列。 2 2l i n u x 操作系统 多媒体终端的设计，需要对嵌入式系统体系有全面的掌握和理解，并且对各 个环节都有深入的认识。本章节介绍处于核心地位的操作系统层的内容。 嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 是嵌入式系统的软件设计核心， 系统中的一切软件操作都是在这个基础上王城的。操作系统在整个系统中的位置 如图2 2 所示。 应用层 o s 层 碗件层 a p i 层( p o s i x ) o sk e r n e l f sn e t 眦 硬件驱动 图2 2o s 在整个系统中的位置 f i g u r e 2 2 t h el o c a t i o no fo si ns y s t e m 9 从上面的体系可以看出，操作系统在整个系统中处于承上启下的作用，既要 使系统的硬件电路有效的工作，还要作为底层的平台，安装各种应用软件，以及 g u i 设计，是整个系统结构的核心环节。 2 2 1 主流嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台，用户的其它应用程序 都建立在操作系统之上。但嵌入式操作系统并不是简单嵌入的操作系统，它与通 常意义的操作系统有所区别。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬件资 源的分配和调度工作。 w i n d o w sc e m i c r o s o t t 公司的w i n d o w sc e 是一个简洁的、高效率的多平台 操作系统。它不是削减的w i n d o w s9 5 版本，而是从整体上为有限资源的平台设计 的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对从掌上电 脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。操作系统的基本内核至少需要 2 0 0 k b 的r o m 。从s e g a 的d r e a m c a s t 游戏机到大部分的掌上电脑，都采用 w i n d o w sc e 操作系统，但因其价格太高，使得整个产品的成本急剧上升。 p a l mo s ：p a l mo s 是p a l m 公司开发的专用于p d a 上的一种操作系统，这是 p d a 上的霸主，一度普占据9 0 的p d a 市场的份额。虽然其并不专门针对于手机 设计，但是p a l mo s 的优秀性和对移动设备的支持同样使其能够成为一个优秀的 手机操作系统。其最新的版本为p a l mo s5 2 。目前具有手机功能的p a l mp d a 如 p a l m 公司的t u n g s t e n w 。 p a l mo s 是一种3 2 位的嵌入式操作系统，用于掌上电脑。此系统是3 c o m 公 司的p a l mc o m p u t i n g 部开发的。目前己经有总共1 0 0 0 0 多个应用程序可以运行在 p a l m 上，其中大部分应用程序均为其他厂商和个人所开发，使得p a l m 的功能得以 不断增多。这些软件包括计算器、办公软件、娱乐游戏、信息管理工具、地理信 息等等，但其仍采用单线程，本身不具有录音、m p 3 播放等多媒体功能。 l i n x u ：l i n u x 是一套免费使用和自由传播的类u n i x 操作系统，它主要用于基 于i n t e lx 8 6 系列c p u 的计算机上。这个系统是由世界各地的成千上万的程序员设 计和实现的。其目的是建立不受任何商品化软件的版权制约的、全世界都能自由 使用的u n i x 兼容产品。l i n u x 对硬件配置的要求相当低，能够在4 m 内存的3 8 6 机器上很好的运行，而且可以支持多种处理器芯片。在应用于嵌入式系统方面， e i n u x 己经在许多典型的硬件平台上实现了移植，这些平台包括a r m 、m i p s 、 a l p h a 、p o w e r p c 等。 l o 随着l i n u x 2 6 内核的发布，l i n u x 向现有主流的r t o s 提供商在嵌入式系统市 场发出巨大挑战，将成为更优秀的嵌入式操作系统。l i n u x 2 6 在内核主体中加入 提高中断性能和调度响应时间的改进，其中有三个最显著的改进：采用可抢占内核、 更加有效的调度算法以及同步性的提高。 2 2 2l i n u x 系统优点 l i n u x 系统是一款完全开放的操作系统，他的源代码是完全公丌的，可以从网 上自由下载，这些源代码对于嵌入式发烧友们的个人非商业行为都是免费的，这 无疑是l i n u x 操作系统的最大优点，这也是l i n u x 被广泛使用的一个原因。 除了源代码公开这个优点，l i n u x 还有众多其他的优点【5 】。 高性能：l i n u x 高性能方面的特点表现在l i n u x 系统资源的低占用率和在高性 能运算的优势。 ( 1 ) 操作系统的低占用率：l i n u x 由内核( k e r n e l ) 以及在其之上的实用程序 构成，内核负责管理计算机的各种资源，如处理器和内存，而且必须保证合理地 分配资源。当l i n u x 启动时，内核被调入内存，并一直驻留在内存中直到关机断电。 同大多数的u n i x 或者类u n i x 系统类似，l i n u x 的内核在设计的时候被设计的尽量 b i r d , ，把许多工作交给内核以外的实用程序执行。通过利用l i n u x 这个特点，用户 在安装l i n u x 的时候可以定制安装的应用程序的多少，在某些情况下用户可以仅安 装一个l i n u x 的核心。 ( 2 ) 高性能运算方面的优势：在科学计算和石油勘探等高性能计算领域应用 最为广泛的是高性能计算群集技术( h i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t i n gc l u s t e r ，简称h p c c l u s t e r ) 。它是一种并行计算群集的实现方法。近年来，新的h p c 系统正迅速崛 起，这就是使用运行l i n u x 操作系统的i n t e l 平台的计算机来构建h p cc l u s t e r 。由 于使用l i n u x 操作系统，通用的硬件平台和标准的网络组件，群集中的各个结点价 格相对低廉，扩展容易实现，从而可以得到更高的性价比。l i n u x 可以运行在p c 、 p c 服务器上这些传统上是w i n d o w s 操作系统垄断的领域，在这一领域，l i n u x 的出现好似一股春风吹来，不仅打破w i n d o w s 的垄断，而且在功能和性能上，都 优于w i n d o w s 操作系统，而更接近与高端的u n i x 系统。使低端的用户，也能享 用到某些只有高端系统才能带来的好处。 可扩展性：标准的l i n u x 实用程序有着大量的功能，开发人员可以通过修改源 代码来进行功能的扩展。l i n u x 可以在广泛的硬件平台上运行且有类似的接口，用 户可以把应用程序从一个l i n u x 系统很方便的移植到另外一个l i n u x 系统。 可维护性：由于l i n u x 的用户界面与各个商业版本的u n i x 非常相近，几乎所 有的i t 技术人员都对其操作界面有相当的了解。此外，由于l i n u x 可以在各种硬 件平台上运行，熟悉l i n u x 的技术人员可以很容易地管理多种硬件平台上的应用。 目自订很多版本的l i n u x 比如红旗l i n u x 的用户界面都在模仿w i n d o w s 进行丌发， 因此可以方便非i t 技术人员实用。 开放的标准：l i n u x 是一个从公开源代码发展来的操作系统，以此奠定l i n u x 相较其他诸如w i n d o w s 、以及各商业版本u n i x 操作系统的先天优势，由于全世 界无数的技术人员都可以帮助l i n u x 修改系统错误，提升性能，因此到目前l i n u x 已经迅速成为一个相对健壮的操作系统，并且也越来越多的跻身各种的企业关键 业务之中。 2 2 3l i n u xp c 机环境 p c 机上的l i n u x 系统环境是多媒体终端自操作系统层网上的所有工作的基 础，包括系统内核的裁剪、q t 交叉编译环境、m p l a y e r 等多种应用软件的安装和 移植，都要在l i n u x 平台上完成，可见l i n u x 操作系统是整个多媒体终端设计的基 础。 l i n u x 继承u n i x 操作系统结构清晰的特点【6 】，l i n u x 下的文件结构非常有条理。 但是上述优点只有在对l i n u x 相当熟悉的基础上，才能体会到。 v m l i n u z ：每一个l i n u x 都有一个内核( v m l i n u z ) ，在这个内核上添加上可以 完成各种特定功能的模块，每个模块就体现在l i n u x 中各种不同的目录上。各种不 同的发行套件，其目录有细小的差别，但主要结构都是一样的。再将l i n u x 的功能 模块和各种应用程序结合起来，这样，才能使l i n u x 系统为你服务。在v m l i n u z 目 录下存放的就是系统的内核。在配置l i l o 时，会涉及到这个内核。 b i n ：二进制( b i n a r y ) 英文缩写。在一般的系统当中，你都可以在这个目录 下找到l i n u x 常用的命令。在有的版本中你还会找到一些和根目录下相同的目录。 b o o t ：在这个目录下存放的都是系统启动时要用到的程序，在使用l i l o 引导 l i n u x 的时候，会用到这旱的一些信息。 d e v ：是设备( d e v i c e ) 的英文缩写。这个目录对所有的用户都十分重要。因为 在这个目录中包含所有l i n u x 系统中使用的外部设备，但是这里并不是放的外部设 备的驱动程序。这一点和常用的w i n d o w s 、d o s 操作系统不一样。它实际上是一个 访问这些外部设备的端口，可以非常方便地去访问这些外部设备，和访问一个文 件、一个目录没有任何区别。 c d r o m ：这个目录在你刚刚安装系统的时候是空的。你可以将光驱文件系统挂 1 2 在这个目录下。例如：m o u n t d e v c d r o m c d r o m 。 e t c ：这个目录是l i n u x 系统中最重要的目录之一。在该目录下存放系统管理 时要用到的各种配置文件和子目录。我们要用到的网络配置文件，文件系统，x 系 统配置文件，设备配置信息，设置用户信息等都在这个目录下。 s b i n ：这个目录是用来存放系统管理员的系统管理程序。 h o m e ：如果要建立一个用户，用户名是“x x ”，那么在h o m e 目录下就有一个 对应的h o m e x x 路径，用来存放用户的主目录。 l i b ：库( 1 i b r a r y ) 英文缩写。这个目录是用来存放系统动态连接共享库的。 几乎所有的应用程序都会用到这个目录下的共享库。因此，千万不要轻易对这个 目录进行什么操作，一旦发生问题，你的系统将不能工作。 l o s t + f o u n d ：这个目录在大多数情况下都是空的。但是如果你正在工作突然停 电，或是没有用正常方式关机，在你重新启动机器的时候，有些文件就会找不到 应该存放的地方，对于这些文件，系统将他们放在这个目录下，就象为无家可归 的人提供一个临时住所。 m n t ：这个目录在一般情况下也是空的，你可以临时将别的文件系统挂在这个 目录下。 p r o c ：可以在这个目录下获取系统信息。这些信息是在内存中，由系统自己 产生的。 r o o t ：如果你是以超级用户的身份登录的，这个就是超级用户的主目录。 t m p ：用来存放不同程序执行时产生的临时文件。 u s r ：这是l i n u x 系统中占用硬盘空间最大的目录。用户的很多应用程序和文 件都存放在这个目录下。 2 2 4l i n u x 内核 l i n u x 内核相当于w i n d o w s 的安装文件，在p c 机安装l i n u x 和目标板上下载 并运行生成的嵌入式操作系统都要用到它，它的使用方法可以用图2 3 表示。 1 3 进行裁剪序等软件 图23l i m 内棱使州方法 f i g u r e 23 l i n u xk e r n e lt ou s e l i n u x 内核按功能划分，可阻分为五个子系统：进程管理、内存管理、文件系 统、网络接口、进程间通信【7 j 。 ( 1 ) 进程管理；负责创建和销毁进程，处理它们和外部世界之间的连接( 输入 输出) ，控制进程如何共享c p u 的调度器。当需要选择下一个进程运行时，由调 度程序选择堆值得运行的进程。可运行进程实际上是仅等待c p u 资源的进程，如 果某个进程在等待其它资源，则该进程是不可运行进程。l i n u x 使用比较简单的基 于优先级的进程调度算法选择新的进程。 ( 2 ) 内存管理：允许多个进程安全的共享主内存区域。l i f l u x 的内存管理支持 虚拟内存，即在计算机中运行的程序，其代码，数据，堆栈的总量可| 三l 超过实际 内存的大小，操作系统只是把当前使用的程序块保留在内存中，其余的程序块则 保留在磁盘中。必要时，操作系统负责在磁盘和内存间交换程序块。内存管理从 逻辑上分为硬件无关部分和硬件有关部分。硬件无关部分提供进程的映射和逻辑 内存的对换；硬件相关的部分为内存管理硬件提供虚拟接口。 ( 3 ) 文件系统：隐藏各种硬件的具体细节为所有的设备提供统一接口v f s 提供多达数十种不同的文件系统。虚拟文件系统可以分成逻辑文件系统和设备驱 动程序。逻辑文件系统指l i n u x 所支持的文件系统，如e x t 2 、f a t 等，设备驱动程 序指为每一种硬件控制器所编写的设备驱动程序模块。 ( 4 ) 网络接口：提供对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持。网络接口 可分为网络协议和网络驱动程序。网络协议部分负责实现每一种可能的网络传输 协议。网络设备驱动程序负责与硬件设备通讯，每一种可能的硬件设备都有相应 的设备驱动程序。 ( 5 ) 进程问通讯：支持进程问各种通信机制。 本课题中使用的是l i n u x 241 8 内核，2 4 版本内核是l i n l l x 比较早期的版本， 虽然版本比较早，但是相对于新的2 6 内核，具有系统资源占用少、系统成熟稳定 等特点，比较适合产品的开发。 2 3 本章小结 本章主要介绍嵌入式系统的基本知识，包括嵌入式系统原理、a r m 芯片、嵌 入式操作系统，以及嵌入式系统的工作特性。在嵌入式操作系统中，主要介绍了 本课题用到的l i n u x 操作系统，包括l i n u x 系统的优缺点、内核、应用环境等。本 章是嵌入式系统知识的铺垫，在第三章中，将分析多媒体终端系统的硬件环境。 j e 巫芷通古堂亟芏焦盐窑 3m u l t i m e d i at e r m i n a l 硬件平台 多媒体终端是一个复杂的应用系统，因此它的硬件系统也比较庞大。该课题 中设计的多媒体终端其硬件构成是以三星的$ 3 c 2 4 1 0 芯片为核心，根据多媒体 终端的需求，再对芯片功能进行扩展，搭配各种功能的外设，一起搭建成多媒体 终端的硬件系统平台。 31多媒体终端的系统结构 多媒体终端是一个结合复杂的终端设备，一个完整的多媒体终端要包括硬件、 操作系统、应用软件等多个部分，它们的排列也可眺看成是从底层到上层的有序 组合嘲。具体的系统结构如图31 所示。 图3 1多媒体终端系统结构母 在图3 1 上没有反映p c 机交叉编译环境的系统调试过程，这一部分将在后面 描述。 3 2 硬件系