（计算机应用技术专业论文）基于嵌入式linux的互动广告系统的设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 近年来随着嵌入式技术的发展，嵌入式处理器的运算速度越来越快。在嵌入式处理 器上面的应用也越来越丰富。嵌入式系统的应用已经从运算量不大的控制仪表等工控领 域扩大到各行各业。在嵌入式系统上运行的应用程序也从检测和过程控制功能逐渐升级 为运算复杂的多媒体运算。并且执行任务的数量也从单一层次向操作系统的方向发展。 本文在嵌入式和多媒体应用的结合的方面做了一次有意义的尝试。本文讨论了一种 应用在超市当中的互动广告系统的实现。本系统尝试改变以往顾客只是通过显示器被动 的观看商品广告的模式，顾客可以通过附着在显示器上方的触摸屏进行更进一步的互动 操作以选择自己想要了解的商品广告。 在本文所讨论的系统中详细的介绍了基于p x a 2 7 2 嵌入式处理器的硬件系统的设 计。成功的移植了基于l i n u x 2 6 内核的嵌入式操作系统和实现了l c d 等驱动程序。详 细讨论了交叉编译器的建立过程。详细阐述了u - b o o t 程序的移植和嵌入式l m u x 根文件 系统在f l a s h 上的建立过程。介绍了t s l i b 触摸屏接口库函数的结构，并将其成功的移植 到了嵌入式l i n u x 系统中。讨论s d l 多媒体编程函数库的使用及其提供的音频、视频、 事件和多线程等编程接口，并将其成功的移植到了嵌入式l i n u x 系统中。介绍了f f m p e g 多媒体音视频解码函数库的组成部分和实现的结构，并在其基础上实现了一个嵌入式平 台下，可在播放的同时以附着在主画面上的子画面提示顾客，并可通过触摸屏日笥霞顾客 要求的媒体播放器。同时为了实现传输功能，在嵌入式系统下实现了v s f t p d 服务。 本文讨论的嵌入式互动广告系统还可以应用在楼宇广告，酒店餐饮指南等诸多领 域。在播放文件的同时以附着在主画面上的子画面提示顾客，并通过触摸屏响应顾客要 求，是系统的工作核心。 关键词：嵌入式；l i n u x ；s i ) l ；f f m p s g ；p x a 2 7 2 ；播放器；v s f t p d 大连理工大学硕士学位论文 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 dl i n u xb a s e di n t e r a c t i v e a d v e r t i s i n gs y s t e m a b s t ra c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e dt e c h n o l o g y , e m b e d d e dp r o c e s s o r sb e c o m ef a s t e r t h 觚b e f o r t h ea p p l i c a t i o n sr u n n i n gi ne m b e d d e dp r o c e s s o r sb e c o m ei n c r e a s i n g l yd i v e r s e 1 1 l ea p p l i c a t i o n so fe m b e d d e ds y s t e me x p a n df r o mt h ec o n t r o li n s t r u m e n t a t i o nt oo t h e r v a r i o u sa r e a s n ea p p l i c a t i o n sr u n n i n gi ne m b e d d e dp r o c e s s o r sw h i c ha r em e a s u r i n ga n d p r o c e s sc o n t r o lf u n c t i o n sb e f o r eg r a d u a l l yu p g r a d et oc o m p l e xm u l t i m e d i ac o m p u t i n gn o w t h ea p p l i c a t i o n sr u n n i n gi ne m b e d d e dp r o c e s s o r sb e c o m em o r ea n dm o r e 谢i ht h es u p p o r to f e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m s i nt h i s p a p e r , a na p p l i c a t i o nc o m b i n i n ge m b e d d e da n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g yi s d i s c u s s e d ，a n da l li n t e r a c t i v ea d v e r t i s i n gs y s t e mu s e di ns u p e r m a r k e ti si m p l e m e n t e d t h e s y s t e mc h a n g e st h ew a y i nw h i c hc u s t o m e r sp a s s i v e l yw a t c ha d v e r t i s e m e n t w i t ht h es y s t e m c u s t o m e r sc a nc h o o s et op l a yt h ea d v e r t i s e m e n tt h a th eo rs h ew a n t sb yc l i c k i n gs o m ea r e ao f t h et o u c hs c r e e no nt h ed i s p l a y i nt h i sp a p e r , p x a 2 7 2b a s e dh a r d w a r es y s t e md e s i g ni sd i s c u s s e d n el i n u xk e r n e l2 6 i s s u c c e s s f u l l yp o r t e dt o t h eh a r d w a r es y s t e mo fp x a 2 7 2 a n dt h ed r i v e ro fl c di s s u c c e s s f u l l ye s t a b l i s h e d ac r o s sc o m p i l e rb u i l dp r o c e d u r ei sd i s c u s s e d 1 1 圮u - b o o tp o r t i n g p r o c e d u r ei sd i s c u s s e d e m b e d d e dr o o tf i l es y s t e mi ss u c c e s s f u l l ye s t a b l i s h e d t h es t n l c t u o f t s l i bi si n t r o d u c e d a n di ti ss u c c e s s f u l l yp o r t e dt ot h ee m b e d d e ds y s t e m 1 1 1 es d l l i b r a r y a n di t sf u n c t i o n ss u c h 嬲v i d e o ，a u d i o ，e v e n ta n dm u l t i t h r e a da r ei n t r o d u c e d a n di ti s s u c c e s s f u l l yp o r t e d t ot h ee m b e d d e ds y s t e m n 圮f f m p o gl i b r a r ya n di t ss t r u c t u r ea r e d i s c u s s e d am u l t i p l a y e rw h i c hc a ni n t e r a c t 、析t he n s t o m c r st h r o u 【g ht h et o u c hs c r e e ni s e s t a b l i s h e dw i t ht h es u p p o r to ft h ef u c t i o no ff f m p o g v s f t p di ss u c c e s s f u l l yc o m p i l e df u r t h ee m b e d d e ds y s t e m 1 1 l ee m b e d d e di n t e r a c t i v ea d v e r t i s i n gs y s t e md i s c u s s e di nt h ep a p e ra l s oc a l lb ea p p l i e d t o b u i l d i n g sa d v e r t i s e m e n t s ，t h e h o t e lr e s t a u r a n t g u i d ea n d o t h e r a r 戢l s d i s p l a y i n g s u b - p i c t u r e st h r o u g h tw h i c hc u s t o m e r sc a ni n t c r a c tw i t hs y s t e ma tt h es a m et i m ep l a y i n g a d v e r t i s e m e n tv i d e o si st h ec o r ep a r to f t h es y s t e m k e yw o r d s ：e m b e d d e d ；l i n u x ；s d l ；f f m p o g ；p x a 2 7 2 ；m u l t i p l a y e r ；, v s f t p d - l l i - 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：趟日期：2 ：疆：z 大连理1 ：大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工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，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：丑缝皇 翱虢弓豸啦 歹拌飞广 础：墨年_ l 月王几 大连理工大学硕士学位论文 引言 随着信息技术的发展，多媒体技术变得越来越重要。人们每天接触的信息已经悄悄 的从单一的文本形式转化成多媒体的形式。多媒体技术的发展改变了计算机的使用领 域，使计算机由办公室、实验室中的专用品变成了信息社会的普通工具，广泛应用于工 业生产管理、学校教育、公共信息咨询、商业广告、军事指挥与训练，甚至家庭生活与 娱乐等领域。交互性是多媒体应用有别于传统信息交流媒体的主要特点之一。传统信息 交流媒体只能单向地、被动地传播信息，而多媒体技术则可以实现人对信息的主动选择 和控制【“。 随着信息技术的发展，嵌入式应用也越来越广泛的应用在社会的日常的生产生活 中。在信息技术发展的初期，嵌入式技术还只是在社会生产的主要部门和环节发挥着重 要的作用，而今随着技术的进步和生产力水平的提高，硬件成本逐渐降低，对应人才越 来越丰富今天，嵌入式的应用已经从生产生活领域，逐步的延伸到普通人的日常生活中。 技术的进步和硬件的价格的不断降低，给嵌入式的多媒体应用提供了应用的舞台。 其中，嵌入式计算机系统在多媒体方面的应用一直都是热点中的热点。图像，视频与声 音比文字相比虽然各有劣势，但是能传达更多的信息，更吸引人。随着芯片技术的快速 发展，嵌入式系统的性能逐步提高，功能也越来越丰富。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【2 】。例如我们在今天经常见到的手机，m p 3 播放器，等越来越流行的电子消费品就 是非常典型的例子。而正是这种丰富多彩的嵌入式多媒体应用，给我们的日常生活带来 了方便和多样的色彩。 目前国际上有两百多种嵌入式操作系统。在所有操作系统中，l i n u x 是发展最快、 应用最广泛的。1 9 9 9 年时，还很少有开发者在嵌入式设备中考虑使用l i n u x 。然而在今 天，l i n u x 随时都有可能成为嵌入式操作系统市场的主导割3 1 。l i n u x 在移动计算平台、 智能工业控制、金融业终端系统，甚至军事领域都有着广泛的应用前景。在嵌入式应用 的领域里，从因特网设备到专用的控制系统，l i n u x 操作系统的前景都很光明。由于 l i n u x 功能强大、可靠、灵活而且具有伸缩性，再加上它支持大量的微处理器体系结构、 硬件设备、图形支持和通信协议，这些都使它作为许多方案和产品的软件平台越来越流 行。 基于嵌入式l i n u x 的互动广告系统的设计与实现 1绪论 本文所讨论的互动广告系统是基于i n t e lp x a 2 7 2 处理器的嵌入式多媒体平台，采用 嵌入式l i n u x 作为操作系统。i n t e lp x a 2 7 2 平台是一个高效的3 2 位嵌入式平台，其大多 数应用场合是对速度、功耗、体积有严格要求的车载、移动通信、手持设备等，那么如 何设计一个体积小、实时处理能力强、功耗低、可移植性强的互动的广告多媒体信息平 台以满足嵌入式系统设计应用开发需求就成为一个很有意义的课题。 1 1 课题背景 在我国随着城市化的进程的逐步进行。越来越多大型超市在现代化的城市中建立起 来。象大连这样的规模不大的城市，上规模的超市就有5 到6 家。超市的购物模式使消 费者能近距离的接触到他们准备购买的商品。然而超市的规模正在变得越来越大，商品 的种类也越来越丰富。在这种环境下购物，消费者真的有时会有大海捞针的感觉。能在 超市中为消费者安排个向导，越来越受到经营者和消费者的重视。而安排过多的导购人 员，必然会加大超市运营的成本，并且在一定程度上又使本来已经人如潮水的超市，更 加拥挤。一种自动的、成本相对便宜超市导购的方案越来越受到经营者的重视。本论文 所讨论的互动广告系统就是这样一种尝试。本系统尝试改变以往顾客只是通过显示器被 动的观看商品广告的模式，顾客可以通过附着在显示器上方的触摸屏进行更进一步的互 动操作以选择自己想要了解的商品广告。本互动广告系统能及时播放超市内的商品视频 广告信息，并且可以根据顾客在触摸屏特定位置的点击及时为顾客播放要求的产品介 绍，超市经营者可以通过网络定期更新广告内容，并取得记录顾客点击过程的日志信息 做进一步的分析，辅助经营者决策。 1 2 本文内容与结构 本课题是在较为充分的研究了嵌入式系统硬件平台设计、软件环境和支持软件的基 础上应用户的需求而提出的一种解决方案。通过研究现有相关技术的最新成果，阅读了 大量的相关资料和源代码，结合实际的用户需求，提出了一些行之有效的实现方法。 本文的主要工作内容如下： 研究学习h l t e lx s c a l e 的相关开发技术，设计并实现了以x s c a l e 2 7 2 为核心处理器 的硬件系统。 认真研究分析了当前几种主流嵌入式操作系统的特点，最后选择嵌入式l i n u x 作为 嵌入式显示终端的操作系统； 大连理工大学硕士学位论文 以x s c a l e 2 7 2 为核心，结合f l a s h 、l c d 、p c m c i a 接i ：1 ，以太网接口，触摸屏等 外围模块和实验室同学共同实现嵌入式终端的硬件系统： 移植了b o o tl o a d e r 和嵌入式l i n u x 系统。以f f m p c g 函数库作为解码的核心，s d l 函数库作为输入、输出并能响应触摸屏的播放器的实现。 以v s f t p d 搭建的简单文件传输服务，实现控制中心和嵌入式终端之间的文件传输。 本文的组织结构如下： 第一章绪论分析了本论文课题背景、现状、研究的内容和意义，最后说明了本论 文的组织结构。 第二章互动广告系统的总体设计方案对本论文所讨论的互动广告系统的总体设 计，及其模块的功能和设计做了简要介绍。 第三章嵌入式显示终端的硬件设计与实现详细介绍了i n t dx s c a s l ep x a 2 7 2 嵌入 式处理器的特点，以及系统板各功能模块的电路设计。 第四章嵌入式显示终端的系统软件移植与设计介绍嵌入式b o o tl o a d e r 的移植，嵌 入式l i n u x 操作系统裁减和移植过程及其驱动开发，详细讨论了b u s y b o x 系统的跨平台 编译与配置过程。 第五章嵌入式显示终端的媒体播放软件设计详细讨论了t s l i b 函数库和s d l 函数 库的作用、结构、功能及其移植过程。介绍了f f m p c g 函数库，并在其基础上实现了一 个可以响应触摸屏点击的媒体播放器的实现，最后通过移植v s f r p d 程序在嵌入式平台 上实现了f i p 服务。 第六章互动广告系统的测试及展望详细描述了本系统中关键步骤的测试过程。 最后，是对本次开发设计的基于x s c a s l e 2 7 2 的互动广告系统的总结。 基于嵌入式l i n u x 的互动广告系统的设计与实现 2 互动广告系统的总体设计方案 本系统的设计目标是运行在超市中的互动媒体广告系统。从顾客的角度看，顾客可 以根据嵌入式终端的显示器上面画面显示的商品信息，点击屏幕( 触摸屏) 的相应位置， 运行在嵌入式终端中的媒体播放器按预定的规则跳转到相应产品的广告播放画面，为顾 客介绍产品信息，并且该媒体播器放把顾客的按键的过程记录下来，保存到日志文件中， 以备超市经营者分析。从超市的经营者的角度看：超市的经营者制作商品的广告视频。 然后通过网络按照指定的目录结构上传广告视频。超市的经营者还可以下载记录顾客点 击的同志文件，用来分析顾客的购买行为，辅助超市经营者的经营决策。本系统的总图 结构如图2 1 所示 图2 1 系统总体结构 f i g 2 1s y s t e ma r c h i t e c t u r e 本系统将众多相同的嵌入式显示终端，和一个中心管理主机通过h u b 连接到一起 组成个局域网。每个嵌入式显示终端被安放在超市的不同位置，播放不同产品的广告。 而中心管理主机负责更新多媒体广告文件，和下载记录用户点击的日志文件并进行分 析。本系统在网络传输方面使用f i p 协议实现，在每一个嵌入式显示终端上提供f i p 服务， 并按照约定目录结构存储多媒体广告文件；在中心管理主机上，运行一个定制的f i p 客 户端软件。使用者按照提示更新在嵌入式显示终端上的多媒体广告文件或者下载用户点 击的日志文件进行分析。 在嵌入式终端中运行着本系统专门为嵌入式平台开发的媒体播放器。在嵌入式系统 中的特定目录a d w o o t 下以特定的格式存放着多媒体视频文件，和一些其他的辅助文件。 嵌入式媒体播放器按照预先设定的规则，顺序播放和按顾客的即时请求播放多媒体文件 即播放广告。与一般的媒体播放器不同的是，在本系统中被播放的视频有主画面和子画 大连理工大学硕士学位论文 面的区别。主画面是动态的画面，即是当前播放的广告。而子画面是静态画面，是浮在 主画面之上的。当嵌入式媒体播放器处在一般播放状态时，将会循环播放每一个商品的 广告文件，并且在播放的同时在屏幕上显示多个子画面，子画面的内容是其他商品的图 片。可以点击屏幕上面的每个子画面，播放器通过安放在显示器上方的触摸屏感受到用 户的点击要求，就会自动调用相应的广告视频，顾客就可以欣赏想要看到的商品的广告。 同时播放器记录下这次请求发生的时间和请求的内容，为超市的经营者辅助决策用。 2 1 嵌入式显示终端的设计 本文所讨论的嵌入式显示终端，本质上是一种嵌入式多媒体的应用。嵌入式系统不 仅是一种新的计算机系统应用技术，更是现代化电子系统的核心技术之一。嵌入式系统 是以嵌入式计算机为技术核心，面向用户、面向产品、面向应用，软硬件可裁减的，适 用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统【4 1 。 嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统及用户的应用程序 等四个部分组成。 嵌入式显示终端硬件系统的基本架构是以嵌入式处理器p x a 2 7 2 为核心，扩展各种 外围设备和硬件接口，从而实现对众多上层应用的底层硬件支持。本硬件系统的基本组 成框图如图2 2 所示。 图2 2 系统硬件结构 f i g 2 2s y s t e mh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e 在这个嵌入式硬件平台中，主嵌入式处理单元是i n t e l 公司的x s c a l e p x a 2 7 2 。x s c a l e 体系结构是采用i n t e l 技术并同a r m v 5 t e 架构相兼容的嵌入式微处理器的构架它对 a r m 体系结构进行了增强，具有低功耗、高性价比等特点f 5 】。准确来讲p x a 2 7 2 内部 基于嵌入式的互动广告系统的设计与实现 还集成了其它的组件，例如l c d 控制器，内存控制器，a c 9 7 控制器和串口控制器， c f 卡控制器等等。本系统的内存方面，因为p x a 2 7 2 内部内置了6 4 m 的f l a s h 存储空 间，而“m 的存储空间已经足够满足本系统的需求。所以无需在外加f l a s h 芯片。在动 态存储方面，本系统采用s a m s u n g 公司的k 4 s 5 6 1 6 3 2 e ，它是4 m 1 6 b i t 4 b a n k 的同步 d r a m ，容量为3 2 m b 。用2 片k 4 s 5 6 1 6 3 2 e ，实现位扩展，使数据总线宽度为3 2 b i t ， 总容量为6 4 m b ，连接在p x a 2 7 2 的s d r a mb a n k 0 区。在人机界面方面，本系统使用 了1 r i 丌l c d 显示器和触摸屏，l c d 显示的分辨率为6 4 0 x 4 8 0 ，尺寸为8 寸屏。由于本 系统还需要声音的支持，所以采用了兼容a c 9 7 标准的w m 9 7 0 5 声卡芯片。接口方面采 用了以太网接口和r s 2 3 2 串口的支持。由于本系统需要存储大量的多媒体文件到本地， 而p x a 2 7 2 芯片内部的6 4 m f l a s h 存储空间主要是为了满足基本系统的运行需要，而且 也不太适合大数据量的频繁更新。所以系统又扩展了c f 卡用来存储大量的多媒体广告 文件。 嵌入式显示终端软件部分采用了嵌入式l i n u x 操作系统。在跨平台编译b u s y b o x 的 基础上建立了嵌入式根文件系统。在本系统中嵌入式显示终端的最主要任务是，实现可 以响应触摸屏的多媒体播放器。完成这个媒体播放器的工作主要分为三个部分。第一个 部分是解码器的实现。因为解码器的设计是个非常复杂的工作，并且己经有很成熟的解 决方案。所以我直接使用通用的解码器函数库f f m p e g 函数库。第二个部分是整体的播 放。播放器作为一个整体负责整个播放的过程。其中包括分析媒体文件格式，查找并调 用对应的解码器。这个部分我参考了却l a y 播放器，在这个基础上建立了本系统的播放 器。第三个部分是对于播放流程的控制及响应触摸屏的动作和记录信息。这个地方在文 件系统的内部建立了一个a d v r o o t 目录，该目录用于存放相关的多媒体广告文件，该目 录实际上是c f 卡上面的文件系统的在根文件系统中的挂载点，就是说多媒体广告文件 存储在c f 卡上面。 2 2 中心管理主机的配置 中心管理主机和众多嵌入式播放终端通过集线器组成一个局域网。使用1 9 2 1 6 8 3 0 的网段，这样在一个超市中就可以容纳最多2 5 4 台机器，除了控制终端至少可以安放2 5 3 个嵌入式播放终端。在每一台嵌入式终端中都启动了一个小型的卸服务，使用的是 v s f t p d 。v s f t p d ( v e r ys e c u r ef 1 pd a e m o n ) 顾名思义具有较高的安全性、可靠性和易 用性，是r e dh a tl i n u x 发行版本中包含的惟一f r p 服务器软件【“。它的特点是小巧轻快， 安全易用。v s 兀甲d 可以使用它所运行的l i u n x 系统6 p e t c p a s s w d 的帐户信息。本系统中 在每个嵌入式终端中都设置了v d s y s 的账户并设置密码。进一步把v s f t p d 提供的卸服 大连理工大学硕士学位论文 务的根目录设定为a d v r o o t 目录。在中心管理主机上运行一个定制的f i p 客户端程序，这 个定制的客户端程序实际上就是一个普通的f i p 客户端的精简版。限制f i p 客户端的程序 的功能是因为要保证上传到嵌入式显示终端中的文件只能是相关的多媒体文件，而且这 个定制的f i p 客户端还要完成播放列表的生成，并自动下载日志文件。 基于嵌入式l i a u x 的互动广告系统的设计与实现 3 嵌入式显示终端的硬件设计与实现 3 1 核心处理器选型 3 2 位嵌入式处理器在种类繁多的嵌入式处理器中只占很小的一部分，但种类仍然很 多，目前市场上比较流行的主要有以下几种： a r m 处理器。 a r m 处理器是基于a r m 内核的一类3 2 位嵌入式处理器的统称，这类处理器具有 功耗低、成本低等显著优点。自从1 9 8 5 年问世以来，a r m 经历了6 个版本【刀。 p o w e r p c 处理器。 p o w e r p c 处理器是基于p o w e r 体系结构的功能更强、结构更整洁清晰的r i s c 处 理器，是通信领域中应用最多的处理器【引。 m i p s 处理器。 m i p s 处理器也是一类较流行的嵌入式处理器，它同样采用r i s c 结构，基于m i p s 的系列产品已为很多计算机公司采用来构成各种工作站和计算机系统【们。 本系统选择了a r m 处理器，这主要是因为a r m 处理器在价格，处理器速度，功 耗，开发工具成本，开发资料等方面具有优势： 优秀的性价比。 和其它类型的处理器相比，在同样的处理器主频下，基于a r m 内核的处理器具有 最低的功耗、最小的芯片面积和最便宜的芯片价格。 l i n u x 的良好支持。 l i n u x 2 6 已经在官方内核中对a r m 系列的处理器提供了良好的支持，再也不用2 4 版那样用附加的补丁包了。所有的a r m 的更新都会被及时的反映到l i n u x 的官方内核 源码里。 开发工具较完善。 a r m 架构处理器通常内含嵌入式在线仿真宏单元，通过a r m 公司提供的a d s 开 发环境，可以通过j t a g 调试接口实现对a r m 芯片的在线调试1 1 0 1 。 文档资料丰富。 可以在i n t e r n e t 上找到众多开发a r m 处理器的相关资料。 a r m 架构处理器采用r i s c 结构，这充分利用了r i s c 结构在嵌入式系统中的优势。 同时，a r m 处理器通常具有大量的寄存器、固定长度的指令格式、以及相对简单的寻 址方式，而在新的a r m 内核中还集成了t r u s t z o n e 、d s p 、j a z e u e 等技术，这些特点都 使得a r m 处理器更适合于嵌入式领域的应用。迄今为止，a r m 结构共定义了v 1 到 大连理工大学硕士学位论文 v 6 共六个版本，目前市场上的a r m 芯片种类较多的是基于a r m v 和a r m 、，6 体系的 内核，其中v 5 版架构是目前应用最广泛的a r m 体系结构【l ”。 x s c a l e 处理器是一种a r m v 5 t e 的实现。i n t e l 的x s c a l e 在架构扩展的基础上同时 也保留了对于以往产品的向下兼容，因此获得了广泛的应用。相比于一般的a r m 处理 器，x s c a l e 功耗更低，系统伸缩性更好，同时核心频率也得到提高，达到了4 0 0 m h z 甚 至更高。这种处理器还支持高效通讯指令，可以和同样架构处理器之间达到高速传输。 其中一个主要的扩展就是无线m m x ，这是一种6 4 位的s i m d 指令集，在新款的x s c a l e 处理器中集成有s i m d 协处理器。这些指令集可以有效的加快视频、3 d 图像、音频以 及其他s i m d 传统元素处理。因为本系统需要比较快的处理速度所以我选择了主频较高 的x s c a l ep x a 2 7 2 处理器。并且p x a 2 7 2 处理器还有个主要的优点是内置6 4 m 的f l a s h 存储器，这样就不需要外置存储器，就可以大大减少p c b 版的面积。 相对于其他的a r m 实现来讲，x s c r l e 处理器还具有如下优点： 内核工作频率为1 0 0 - 4 0 0 m h z 。 内置指令存储器管理单元i - m m u 和数据存储器管理单元d - m m u 。 有4 个s d r a m 区，每个区支持6 4 m b 存储空间，6 个静态片选，2 个p c m c i a c f 卡插槽。 内置l c d 控制器，支持被动( d s t n ) 和主动( 1 r i 叮) l c d 显示，最大支持1 0 2 4 1 0 2 4 像素。 内置3 个u a r t 控制器，一个a c 9 7 控制器，一个同步串行接口，一个u s bs l a v e 和 一个u s bm a s t e r 接口。p x a 2 7 2 处理器具有强大的处理性能，同时提供了丰富的外围设 备接口，这些基本满足了本系统对核心处理器要求。 对于直接和硬件打交道的程序员和电路设计者来说，处理器的内存地址空间分配是 很重的，因为一个系统内虽然地址空间是3 2 位的，但是在一个具体的应用中不可能全 部的地址空间都会被使用，并且对于本系统所采用的x s c a l e 处理器来说，采用的i o 和 内存统一编址的方法，所以很有必要对处理器的内存地址空间分配有一个清晰的了解。 p x a 2 7 2 的处理器提供2 5 6k b y t e s 的内部映射内存s r a m 。s r a m 分为四个b a n k ， 每个6 4 k b y t a s ，并且每个b a n k 是单独供电的，这样为实现低功耗提供了便利。p x a 2 7 2 处理器的外部内存总线支持s d r a m ，同步或者异步页访问模式的f l a s h 内存和页访问 模式的r o m ，s r a m ，动态延时的i o 内存，p c 卡，和c f 卡等扩展内存。通过内存 接v i 寄存器，可以配置内存的类型。处理器有四种不同的内存地址空间。s d r a m ，静 态内存，和p c 卡内存和内存映射寄存器。s d r a m 分为4 个部分，静态内存有6 个部 一9 基于嵌入式l 血的互动广告系统的设计与实现 分，然而p c 卡有2 个部分。表2 1 是p x a 2 7 2 的内存地址空问的静态内存地址空间布 局。 表3 1 地址空间分配 t a b 3 1a d d r e s sa s s i g n m e n t 3 2 存储系统的设计 在本系统中存储系统共分三个部分。第一部分为p x a 2 7 2 内部的h a s h 存储空间， 这部分存储空间被集成到内部，所以在硬件设计方面提高了效率，其大小为“m ，可以 满足嵌入式软件系统的基本需要。还有一个部分就是系统动态执行时的s d r a m 部分， 在系统运行时，操作系统的内核和基本的程序都将被安排到这里运行。6 4 m 的r a m 空 间能够满足系统完成媒体播放的功能。系统外接了两片3 2 m 的s d r a m 存储芯片。第 三个部分是存放多媒体文件的大容量c f 卡的设计，这个c f 卡将被格式化为e x t 2 文件 系统的格式，用来存放频繁更新的多媒体广告文件，并最终被挂载到根文件系统的 a d w o o t 的目录上。 大连理工大学硕士学位论文 3 2 1 主存储系统设计 本系统的硬件平台采用的是两片s n m s u n g 公司的k 4 s 5 6 1 6 3 2 e ，单片容量为4 m 1 6 b i t x 4 b a n k s ，采用2 片构成6 4 m 的s d r a m 模块，具体电路接口连接如图3 1 所 示。 0 c he 一l 件藿 m mi m v i t 硷 ) d q “ 瑚u 啪 “ 击匡 w7 w 嘲a i o 亭 嘲a 1 1 嘲 & 1 2 嘲 唧 d q lb 0 d q 2 b l 哟 ! 3 q 4 邸 喇 d q 7 d g 穗 唧 亿 d q t 0弼 d q l l d 0 1 2 d q l 3 l d q m dqludqm d q l 5 n c 目l h ：a m m 件巨 i vdd2 ) d qa 3 可) d q v d d q 5 i15 4 ) 。q“ 南倦- 葶 嘲a 1 0 匡 嘲a 1 1 m1 2 懒 d t 1 62 d 0 0 d q i d 0 2b a i d q 3 d q 4 附召 d 。e砸 唧说 d 0 1 0盔 d q l l d o l 2 d0l，ldqm d q l 4 u d q m 1 5n c 图3 1 内存连接原理图 f i g 3 1m e m o r ys c h e m a t i c s w * 1 6 3 s d r a m ( s y n c h r o n o u sd r a m ) 即同步d r a m 。它最大的特色就是可以与c p u 的外 部工作时钟同步，和系统中的c p u 、主板使用相同的工作时钟，如果c p u 的外部工作 时钟是1 0 0 m h z ，则送至内存上的频率也是1 0 0 m h z 。这样将去掉时间上的延迟，可提 高内存存取的效率。s d r a m 由于其速度快、容量大、价格便宜，因此能够很好的满足 对大量数据缓存的要求【1 2 】。 3 2 2 扩展存储系统设计 虽然本系统p x a 2 7 2 内置了6 4 m 的相对大容量的f l a s h 存储单元，这只是为了满足 系统基本运行需要的容量。由于本系统运行时需要在本地播放多媒体视频广告文件。所 以还需要c f 卡作为存储扩展。 基于嵌入式l i n i 的互动广告系统的设计与实现 本系统利用p x a 2 7 2 内置的c f 卡控制器，扩展了一个l g 容量的c f 卡。c f 主要 体现在接口的设计方面。具体的接口原理如图3 2 所示。 d 1 5 d o ：一 d 1 5 d 0 a 0 a 2 5= a o a 2 5 n p r e g i i 也g i l p o eo e n p w ew e n p t o r 詈鲨 噼 p x a 2 7 2 n p i o w i i l o i s l 6i o i s l 6 插槽 n p w i a tw j r r n p c e 2c e 2 n p c e lc e l p s k t s e lp s k t s e l 图3 2c f 卡接线框图 f i g 3 2 c fc a r dw i r i n gs t r u c t u r e c o m p a c t f l a s h 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。c f 卡由两个基本部分构成：内部控制器和闪存模块。c f 卡的闪存模块基本上都使 用n a n d 型闪存，用于存储数据。内部控制器用来实现c f 卡与主机的接口以及控制数 据的传输。c f 卡内部控制器的设计完全模拟硬盘，使用标准的a t a i d e 接口【1 3 】。c f 存储设备，是一种稳定的存储解决方案，不需要电池来维持其中存储的数据。对所保存 的数据来说，c f 卡比传统的磁盘驱动器安全性和保护性都更高；通常在系统中用来扩 展存储空间。 在p c 卡接口的硬件连接中，除必需的地址线和数据总线外，还包括c e i 、c e 2 、 w a i t 等控制信号线以及电源控制信号线。1 6 位p c 卡存储映像空间分为8 块，每个插 座占4 块，分别为公共存储器空间、属性存储器空间、i o 空间和保留空间。访问公共 存储器空间和属性存储器空间使用n p o e 和n p w e 信号，访问f o 空间使用n p t o w 和 n p t o r 信号，而n i o i s l 6 信号决定数据传输的总线宽度。另外，p x a 2 7 2 使用n p c e 2 向扩展器件指出使用数据总线的高半部，使用n p c e l 指出使用数据总线的低半部。1 6 位访问时，它们同时有效。 c f 卡的存取方式有三种：p cc a r dm e m o r y 模式、p cc a r di o 模式以及t r u ei d e 模式。p cc a r d 模式与p c m c i a 标准兼容。t r u ei d e 模式与a t a 标准兼容。 大连理工大学硕士学位论文 3 3 通信接口设计 本系统的通信接口一共有两个，第一个是r s 2 3 2 串口，串口本身并不提供给最终的 使用者，而是作为l i n u x 的标准输入输出，在开发时使用。还有一个接口就是r j 4 5 网 络接口，通过它众多的嵌入式媒体播放终端和中心管理计算机组成局域网，构成本系统 的总体结构。 3 3 1 调试终端串行接口设计 r s 2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最广泛的一种全双工串行接口。r s 2 3 2 被定义 为一种低速率串行通讯标准。其传送距离最大为约1 5 m ，最高速率为2 0 k b i t s “】。 在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接 起来进行通讯。r s 一2 3 2 c 接口是目前最常用的一种串行通讯接口。工业控制的r s 2 3 2 口一般只使用r x d 、t x d 、g n d 三条线。r s 2 3 2 4 2 中任何一条信号线的电压均为负逻 辑关系。即：逻辑“1 ”为一3 到一1 5 v ：逻辑“0 ”为+ 3 到+ 1 5 v 。r s 2 3 2 c 最常用的9 条 引线的信号内容如下所示：d c d ，r x d ，t x d ，d t r ，g n d ，d s r ，r t d ，c t s ，r i 。 一些设备与p c 机连接的r s 2 3 2 接口，因为不使用对方的传送控制信号，只需要三 条接口线，即“发送数据t x d ”、“接收数据r x d ”和“信号地g n d ”。 = 盟 c1+vcc t 叶罾，# 写 v c11n- 1 47 o tll lu 1 33 v r0r 1i o n 7 8 “l l zu 8l4 v r 20 r 2i- o c 2 +v = 篙s 卜 c 2 g n d_ 牛篙 i l 0 j a 盯l 图3 3u a r t 接线原理图 f i g 3 3 u a r t w i r i n gs c h e m a t i c s r s 2 3 2 串行接口在嵌入式l i n u x 的开发中起着举足轻重的作用。l i n u x 系统支持传 统的标准命令行i o 的工作方式。虽然对使用者来说没有g u i 的方式友好，但是这却增 加l i n u x 的使用范围。在开发的过程中r s 2 3 2 串行接口被用作l i n u x 的标准i o ，所以 基于嵌入式l i m 的互动广告系统的设计与实现 此时的r s 2 3 2 串行接口显得十分的重要。p x a 2 7 2 处理器内部集成了3 个u a r t ，分别 为全功能u a r t 、蓝牙u a r t 和标准u a r t 。全功能u a r t 扩展出一个标准的r s 2 3 29 针d 型串行接口。在本系统中使用了其中全功能的u a r t 接口作为本系统上运行的 l i n u x 系统的标准输入输出系统。具体的连接如图3 _ 3 所示。 3 3 2 网络接口电路 本系统需要以太网接口用于数据通讯，p x a 2 7 2 内部没有集成网络模块，则需要在 其外部地址空间上扩展网络芯片完成相关功能。 图3 4c s 8 9 0 0 a 接线原理图 f i 昏3 4c 8 8 9 0 0 aw i r i n gs c h e m a t i c s 以太网芯片是以太网络中各节点通信的基础，在嵌入式系统中使用十分广泛，它用 来实现网络节点之间的报文发送和接收工作，处于t c p i p 协议的数据链路层，是以太 网络中信息传送、控制和管理的重要环节。 大连理工大学硕士学位论文 本系统选择了c i r r u sl o g i c 公司的c s 8 9 0 0 a 以太网芯片。c s 8 9 0 0 a 符合i e e e 8 0 2 3 协议，片内集成了用于1 0 b a s e - t 的以太网收发器，是一款性价比较高的以太网控制芯 片。具体的连接如图3 4 所