（计算机应用技术专业论文）基于arm9的mp4设计.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 随着科学技术的发展，各种新技术的运用使得芯片的成本和体积越来越小，而功能却 越来越强大。m p 4 播放器的发展也是在这种大趋势下，从最初只能播放特定格式视频，到 现在可以播放各种格式视频文件，功能更加强大。 目前基于a r m 核的嵌入式微处理器芯片以其高性价比、低功耗、接口丰富等特性越来 越受到手机、m p 4 、g p s 等各种便携式设备研发人员的青睐。本文正是在这种背景下，采用 嵌入式微处理器a r m 9 进行m p 4 的设计。 本文分析了m p 4 的硬件设计方案，主要工作是进行芯片的选择和电路设计，其中主控 芯片选用三星公司的a r m 9 系列嵌入式微处理器芯片s 3 c 2 4 1 0 x ；外存选择了k 9 f 4 g 0 8 u o m ，大 小为5 1 2 m b 的n a n df l a s h ；同时为了m p 4 能流畅的播放，内存选择了两片h 1 f 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ，大 小合计为6 4 m b 的s d r a m ；还扩展了s d 接口，可进行存储扩展。 软件方面是以l i n u x 系统为平台，利用l i n u x 下g u i 开发库q t 作为m p 4 界面设计的工具。 在音频解码方面对m p 3 解码器的算法进行了优化。视频解码则是利用f f m p e g 解码库，同时 借助简易直控媒体层( s d l ，s i m p l ed i r e c t m e d i al a y e r ) 进行视频播放器的设计。 关键词：解码器，q t ，s d l ，f f m p e g 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w 池m ed e v e _ l o p m e n to fs c i 船c e 锄dt e c t l l l o l o g y m e 璐eo fn e wt 洳l o 西髓m a k em e s t 觚ds 扬eo fc t l i p si s 刚i i l gs m a l l e r 锄ds m a l i e r ，b mi n o 他觚dm o p o w e r f h ia n d 如n c t i o n a i m p 4p i a y 盯i sa l s 0i nm e d c v e l o p m e n to f t h i s 咖d ，w h i c hc a i lo i l l yp l j l yt h em l l s i ca n ds p e c i f i c f o m a tv i d j e i l 懿丘0 mt l i eo r i g i n a l ，a n dn o w c 趾p l a yv i d e 0f i l 岱i i lv a r i o 鹏f 0 锄a t s ，f e a t i l r c s m o 代p o w e r f i l l a tc u 玳斌a r mc o r e - b 嬲c d 即曲e d d e dm i c r o p r o c e s s o r 出p sf o ri t sh i 曲c 0 巩l o wp o w e r 憋吼叫。玛r i c hc 0 衄酬锄珂f a c ea n ds 0 删n gm o r c 觚dm o r e 白【v 0 r 舶mm e 删o p 盯o fh 觚d s e t ，m p 4 ，g p sa n d 础e fk i n d so fp o n a b l ec q u i p m e n t h l l i sp a p 盯，u s h l g 即由c d d e dm i c r o p r o c e s s 0 ra i t m 9t 0d 嚣i 髓m p 4 f i r s t 岫sa r t i c l eh 鹤锄a l y z c dm em p 4h 捌w 黜d 鹤洒p l a i l m e 埘m et a s ki sc a 玎i e s0 nm e c h i pm ec i l o i c e 蚰dt h ec 概i td 骼i g 玛m em 嬲t 盯c o n t r o lc ；t l i ps e l e c t ss 锄跚n gc o r p i o r a t i o n t s a l 洲9s 舐鹤伽曲e d d c dn l i c r o p r o c e s s o rc b i ps 3 c 2 4lo x ；t i 心e x 搬n a lm 锄。巧h 嬲c h o s 姐 k 9 f 4 g 0 8 u o m ，512 m b sn a n df l 私h ；f o rm p 4b r o a d c 嬲t ss m o o t l ：d y ，t h cm e m o d ，c h o o s et 、o p i e c eo fh y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ，t o t a l6 4 m b ss d r a m ；s i m u l t 锄e o u s l ya l s oe x p a n d e dm e s d c ( m n 鳅i o 玛m a yc a q o n 吐l em 锄。巧e x p 吼s i o n s o 脚黜s y s t e i nb 弱e do n “n u xp l a t f o 肌，l l s i n gq t 鹪ag u id e v e l o p m e n tl i b r a r y 伽l sf o r m p 4i n t e r f a c ed e s i g n i n g i i lm p 3d e c o d i n g 唧c c t l l 嬲伽五e do n 圮o p t i n l 娩a t i o nt 0 廿l em p 3 d e c o d e r s a 1 9 0 r i t l l i l l 1 1 1 e访d e o 骶q u c yd e c o d i n g u s e sm ed e c l o d i n g s t o 绝h o u s e ， s i r n u l t a n c o u s l yd r a 、v ss u p p o r t 舶ms d l ( s i i i l p l ed i r o 嘶n e d i al a y e r ) t od e s i 印t h e 啊d e o 舭q u c y p l a y e r 1 ( e yw o r d s ：d e c o d e r ，q t ，s d l ，f f m p e g 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 、 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：壶鱼日期：型生! 星! 里 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单弦 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关- 丁研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 盘往 埠醴一 丝12 差6 且金旦 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 问题提出的背景及意义 第一章绪论 删( a d v 狮c e d 砌s cm a c l l i n e s ) 是微处理器行业的一家知名企业，该公司设计了大量具 有高性价比、且低功耗的处理器，适用于多种领域，如嵌入式控制，消费教育类多媒体， d s p 和移动式应用等。删公司将其技术授权给世界上许多著名的软件和o e m 厂商，每个 厂商得到的都是一套独一无二的删相关技术及服务。利用这种合作关系，删公司很 快成为许多全球性m s c 标准的缔造者。目前共有3 0 家半导体公司与删公司签订了硬件 技术使用许可协议，其中包括i n t e i ，m m ，【盯半导体，n e c ，s o n y ，p h i l 碑s 和国家半导 体这样的大公司。至于软件系统的合伙人，则包括微软，升阳和m 砒等一系列知名公司。 为适应中国国情，a i 洲公司对中国客户的技术授权采取特殊的策略：针对不同的用户， 如高校、政府孵化器部门、设计实验性的小公司、o e m 厂商，按照他们的不同使用目的， 采取不同的技术授权费用门槛，这样就可以使更多的中国用户能够得到删的技术授权。 a l 泓公司的生产的处理器集成了非常典型的r i s c 结构特性：一个大而统一的寄存器 文件，转载( l o a d ) 保存( s t o i 也) 结构，数据处理的操作只针对寄存器的内容，而不直接 对存储器进行操作。简单的寻址模式，所有装载保存的地址都只由寄存器内容和指令域决 定。统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码。这些在基本r i s c 结构上增强的特性使 砧州处理器在高性能，低代码规模，低功耗和小的硅片尺寸方面取得良好的平衡。 1 2m p 4 国内外研究现状 2 0 0 2 年法国厂商爱可视发布了全球第一款硬盘m p 4 播放器，通过内置解码技术和彩屏 支持m p e g 4 格式视频播放，并通过硬盘解决了播放内容的存储问题。 2 0 0 3 年，爱可视正式将产品引入中国市场，第一款砌4 产品a v 3 0 0 正视亮相，由此也 拉开了中国m p 4 产业的序幕。在接下来的2 0 0 3 年到2 0 0 4 年，由于产品在概念上的领先以及 国际国内厂商对中国m “市场的看好，m 4 在中国取得了很大的进展，但相对于市场己经 很成熟的m p 3 产品来说，依然还是处在雏形的发展阶段。 2 0 0 5 年，m p 4 得到了积极的推进，在年初的c e s 展会上，御4 俨然成为主角，三星、 创新、g a t e w a v 等国际一线厂商均发布了最新设计的m p 4 产品，爱可视和d l i n k 更是推出具 备无线上网功能的m p 4 ，我国的爱国者、新科等厂商也展示了相应的产品。而在整个2 0 0 5 年中，中国市场m p 4 发展速度就达到3 l o ，整体市场规模突破1 0 亿元人民币。 2 0 0 6 年青岛s i n o c e s 展会上，m p 4 再度大行其道，基本上所有的数码厂商的展柜上都摆 满了外形相似、功能相近但品牌不同的m p 4 产品。根据c b 取锶e a r c h 调查数据显示，国内消 费者对m p 4 播放机产品了解及听说过的人群已经占到了8 6 7 以上，有购买倾向的消费者 占到1 3 3 以上。近几年来m p 4 的发展更加迅速，功能越来越强大的同时价格越来越低， 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 2 0 0 6 年全球p m p 的销售量达到5 ，8 0 0 万台，2 0 0 7 年这一数据增长一倍多，达到1 1 7 亿台。 1 3 本文的主要工作 m p 4 解码技术有硬件解码和软件解码两种。硬件解码主要是采用专业的解码芯片，但 是硬件解码成本太高了。软件解码主要是利用软件的方法来解码m p 4 ，虽然占用大量的c p u 时间，但是降低了硬件成本，处理灵活。删9 处理器的主频最高可配置为2 0 3 m h z ，为 软件解码提供了足够的处理速度。所以本文采用软件解码进行基于越w 9 嵌入式微处理器 芯片s 3 c 2 4 1 0 x 的m p 4 设计。 本文的主要工作如下： 1 ) 对m p 3 解码算法进行优化。首先对霍夫曼解码的表查询算法进行优化，选择二叉 树查表算法，减少了内存消耗；其次对于逆量化算法，通过迭代法，把指数计算进行近似 迭代，这样把高指数的计算转化为几个低级的指数计算，虽然增加了内存的消耗，但是大 大减小了计算时间，加快了解码速度。第三，对m d c t 算法进行优化，对于1 2 点与3 6 点的 i m d 玎变换，采用与处理多项滤波器矩阵同样的操作，即短块只需计算6 个点，长块只需 计算1 8 个点。然后，这6 个点或者是1 8 个点，则利用快速的逆离散余弦变换( f i d c t ) ，将其 分解为3 点、4 点、或是5 点计算。和传统的嵌套循环直接计算比较，优化算法提高了处理 器的速度。 2 ) 进行基于解码库的视频播放器设计，通过调用f f m p e g 的库函数进行视频解码，解 码出来的流信息进行格式转换，然后通过调用s d l 多媒体库创建播放界面，最后把转换好 的数据显示在播放界面上。 3 ) 利用q “e 进行m p 4 播放器界面的设计，本文选择q t 锄b e d d e d 3 3 2 版本的q t ，e 进行 播放器的界面设计，主要是通过q 讹调用外部的播放器程序来播放音乐和视频，同时通过 q t e 编写的界面来对播放进行控制，如选择播放的文件等。同时为了达到更好的播放效果， 在m p 3 播放界面中，本文加入了滚动条和波形图来显示播放的情况。 1 4 本文结构安排 本文主要分为六章，分别如下： 第一章简要的介绍了基于删处理器的m p 4 设计方案的研究背景及意义、分析了国 内外的研究现状，并介绍了本文的主要工作及结构安排。 第二章详细介绍了m p 4 设计方案的硬件结构，主要介绍了s 3 c 2 4 1 0 x 的主要特性以及 相关的电路设计。 第三章主要是介绍了基于“i m x 系统的软件功能的设计，包括了电子图片功能，音乐 播放功能，电子图书功能，视频播放功能等。 第四章详细介绍了m p 3 的解码算法并进行了相关优化。 武汉科技大学硕士学位论文 第五章介绍了基于f 缸p e g 的播放器的设计方案。 第六章本文的结论和展望。 第3 页 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章硬件结构设计 本文选用基于删9 的嵌入式微处理器芯片s 3 c 2 4 1 0 x 作为主控芯片，以下是本系统的 硬件模块结构图： 2 1s 3 c 2 4 1 0 架构与特性 图2 1 硬件结构图 s 3 c 2 4 l o x 处理器是三星公司基于a r m 公司的a 鼬订9 2 0 t 处理器核【1 1 ，采用o 1 8 l 珊制造 工艺的3 2 位微控制器。s 3 c 2 4 1 0 x 处理器最高可运行在2 0 3 m h z 。 ( 1 ) s 3 c 2 4 1 0 x 芯片集成了大量的功能单元，包括： 1 ) 内部1 8 v ，存储器3 3 v ，外部0 3 3 v ，1 6 l 数据c a c h e ，1 6 k b 指令c a c h e ，m m u 。 2 ) 内置外部存储器控制器( s d r a m 控制和芯片选择逻辑) 。 3 ) l c d 控制器，一个l c d 专业d m a 。 4 ) 4 个带外部请求线的d m a 。 5 ) 3 个通用异步串行端口( k d a l o ，1 6 b y t ct xf i f o 趵d1 6 b y t er xf i f o ) ，2 通道s p i 。 6 ) 一个多主1 2 c 总线，一个1 2 s 总线控制器。 7 ) s d 主接口版本1 o 和多媒体卡协议版本2 1 l 兼容。 8 ) 两个u s bh o s t ，一个u s bd e v i c e ( v e r l 1 ) 。 9 ) 4 个p w m 定时器和一个内部定时器。 1 0 ) 看门狗定时器。 1 1 ) 1 1 7 个通用i o 。 1 2 ) 5 6 个中断源。 1 3 ) 2 4 个外部中断。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 1 4 ) 电源控制模式：标准、慢速、休眠、掉电。 1 5 ) 8 通道l o 位a d c 和触摸屏接口。 1 6 ) 带日历功能的实时时钟。 1 7 ) 芯片内置p l l 。 1 8 ) 设计用于手持设备和通用嵌入式系统。 1 9 ) 1 6 3 2 位砒s c 体系结构，使用删9 2 0 tc p u 核的强大指令集。 2 0 ) 带m m u 的先进的体系结构支持w i l l c e 、e p o c 3 2 、l i n l l ) 【。 2 1 ) 指令缓存( c a c h e ) 、数据缓存、写缓存和物理地址t a gr a m ，减小了对主存储器带 宽和性能的影响。 2 2 ) 删9 2 0 tc p u 核支持删调试的体系结构。 2 3 ) 内部先进的位控制器总线( a m b a ) ( 蝴b a 2 0 ，a h b j a p b ) 。 ( 2 ) 系统管理 1 ) 小端大端支持。 2 ) 地址空间：每个b a n l 1 2 8 m b ( 全部为1 g b ) 。 3 ) 每个b a n k 可编程为8 1 6 3 2 位数据总线。 4 ) b a n k 0 到b a n k 6 为固定起始地址。 5 ) b a n k 7 可编程b a n l 醴垦始地址和大小。 6 ) 一共8 个存储器b a n k 。 7 ) 前6 个存储器b a n k 用于r o m 、s r a m 和其它。 8 ) 两个存储器b a n k 用于r o m 、s r a m 、和s d r a m ( 同步随机存储器) 。 9 ) 支持等待信号用以扩展总线周期。 1 0 ) 支持s d 删掉电模式下的自刷新。 11 ) 支持不同类型的r o m 用于启动( n o 鼬，n a n df 1 a s h 、e e p r o m 和其它) 。 2 2s d r 蝴模块 m p 4 播放器在进行解码是需要消耗大量的内存，所以本文需要s d 删来保证系统顺 利运行。 s d i 认m ( s y i l c h r 0 n o u sd y l l 锄i cr 柏d o ma c c 髂sm 盟1 0 l 叻同步动态随机存储器。同步是指 它工作需要同步时钟，一般是与c p u 总线的系统时钟同步，并且内部的命令发送与数据传 输都以它为基准；动态是指存储器阵列需要不断刷新来保证数据不丢失；随机是指存取任 意单元时间相等。 所以本文选择h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 啊，4 m 牛1 6 b i t 宰4b a n k s ，行宽度1 3 ，列宽度l l ，4 个b a i l k 。 两片组成3 2 位模式，合计6 4 m b 。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 。日帮7 妒$ l 捌 | l 娩2 b a 0d 1 5 虫 l d a r 5 l a 3 2 冉 ld 1 4 5 札 l d a t a l 4 l a ；4：2 5 5 0l d a r a l 3 l 邸 2 6 2d 1 3 4 8l d a t a l 2 l a j 6 2 9 a 3d 1 2 4 7l d a - r a l l l 幻：3 d 4d l l 4 茎l d a r a l o l a 83 l a 5d 1 0 l 3 2 6 d 9 4 彝l d a t a 9 l a l 03 3 7d 8 4 2l d a t a 考 l a l l3 4 a 8d 7 1 8l d a t a 7 l a ；1 22 2 ； 9d 6 nl d a t a 古 l a l 3 3 5 1 0d 5 l o l d a t a 5 l ld 4 8 l d a t a 卑 l a l 43 6 7 i l d a t a 3 a 1 2 d 3 5l d a t a 2 l a 象42 0 d 2 4l d a t a i l a 2 52 l b a 0d l 2 i 王d a t a o c l s 立良s ：1 7 b 2加 a s ， i s c a s：1 81 i ，。t f 、l m l sv d d v d d l 棒 e l s c s a1 9 叫嚣v d d 2 7 l n w e1 6 滩如d q 4 9 l 栅e 01 53 ； l n w b e l 3 9 l i ) q mv d d q 9 l 一 u d q mv d d q 垴c l l 3 84 3 c l s c l e ：3 7 ，磐 口d a c d d q c 珏臻器器霸霾霸鹈 净净净净净 ，一 一寸n口 导 n r 1寸o n_ *h_h_u h_ w c 碧兰i ：2 a i：2 毙+兰嬲 r 一 1 一 1 0 i 一 一o 争一 i 西r 一洼0 4 一 2 3n a n di i l a s h 模块 图2 2s d r a m 电路图 n a n df l a s h 和n o rf l 嬲h 是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。n o rf l 弱h 的特点 是芯片内执行，这样应用程序可以直接在f l a s h 内运行，不必再把代码读到系统黜蝴中。 n o rf l 嬲h 的传输效率很高，在1 4 m b 的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和 擦除速度大大影响了它的性能。n a n df l 础结构能提供极高的单元密度，集成度高，单片 容量可达l ( 进以上。n a n df l 础随机读取速度相对n o rf l 鹤h 较慢，主要因为n 甜呵df l 嬲h 的最小传输单位是页，因此随机访问几个字节的内容也要按页传输。如果是连续读取一个 页面以上的数据，n a n df 1 袖的速度并不慢。n a n df 1 a s h 的最大优势在于擦除和写入速 度较快，并且可擦写次数是n o rf l a s h 的l o 倍，因此适合用作大容量的数据存储，现在市 面上的常见的u 盘、m p 3 和m p 4 等数码设备的存储系统都是采用n a n df l a s h 存储芯片来实 现的。n a n df l a s h 价格便宜量又足，性价比很高，并且十分轻便，抗震性也很不错，很适 合用来做数码产品。生产n a n df l 础芯片的厂商主要有s 锄s 腿g 、h y n i x 、m i 蝴、 s t m i c e l e c 昀n i c s 、t o s h i b a 等。现在单片的n a n df l 嬲h 芯片的存储容量已经可以做到4 g b 。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 本文选用k 9 f 4 g 0 8 u o m 【钔，一片8 位宽、容量为5 1 2 m b 的n a n df l 础作为大容量数据存储 器，用来存放内核文件，根文件，启动代码以及用户文件( 包括音频文件，视频文件) 。 k 9 f 4 g 0 8 u o m 的接口包括8 位i o 端口( o o o 1 0 7 ) ，控制信号除了片选和读写使能外还有命令 输出选通( c l e ) 和地址输出选通( a l e ) 。 2 4s d 卡模块 图2 3n a n df l a s h 电路图 随着数码相机和音乐手机的普及，快闪存储器( f l a s hm e m o 巧，简称闪存) 作为一种影 音器材的存储媒体己经得以广泛的使用。它具有一个非常关键的优势：通常在3 v 或5 v 的电 压下就可工作，数据的存储和读取不存在任何的机械运动，耗电量很低。快闪存储器既类 似于r o m ，在失电后能保存已记录的信息，影音资料一旦存储好后，就不再需要电源来保 留信息，断电不会导致信息丢失；又类似于删，可以方便地随时写入信息。目前，m m c 和s d 卡是闪存卡最典型的代表，l g 存储容量的产品价格已经跌到1 0 0 元人民币以下，因此 用闪存卡来扩展m p 4 的存储空间比选用大容量的n a n df l a l s h 更有性价比。 s d ( s e 咖i 西t a l c a r d ) 安全数码卡，是由日本松下公司、东芝公司和美国s 如m s k 公司 共同开发研制的，具有大容量、高性能、安全等多种特点的多功能存储卡，它比m m c 卡多 了一个进行数据著作权保护的暗号认证功能。s d l 1 是最新的产品规格，尺寸为3 2 m m 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 2 4 吼幸2 1 m m ，其最高速度可达2 5 徊秒，在速度上与m m c 4 x 并驾齐驱。 1 9 c3 ；d ：) at 点29 么 ；d d 婀是3l c d _ | f d a t 3 1 2d c 磁d2 c m d p d l 多l v 嚣lv - 肄 喇残v d d ；d c l k芦 c l k f d j 6 、俗s 2 n e t l 曲e 】4 7 疗 d t 0p a d 2 1 3 倒b 封e t l 弗e m 8 8 d a t l p 勰 l d e i k t 7l l w p c d ；d c a l c d | 2 5l c d 模块 图2 4s d 卡电路图 液晶显示屏( l c d ) 是m p 4 产品最重要和最昂贵的组成部件之一，l c d 决定了m p 4 在视 频播放和图片浏览上的质量，可以说l c d 是m p 4 的面子。目前流行的l c d 产品主要采用s t n ， t f t 和o l e d 三种材质，下文按它们出现的时间顺序逐一进行介绍： 2 5 1s t n 屏幕 s t n ( s u p e f r w i s t 。dn 锄a t i c ) 是用得最多的材质类型，目前主要有c s t n 和d s t n 之分。 s t n 属于被动矩阵式l c d 器件，所以它的功耗小，具有省电的最大优势。s t n 的反应时间 需要2 0 0 毫秒，如果要提高就会有闪烁现象发生。c s t n ( c o l o r s 田叼，一般采用传送式照明 方式，传送式屏幕要使用外加光源照明，称为背光。传送式l c d 在正常光线和暗光线条件 下，显示效果都很好。但在户外，尤其在日光下，则很难辨清显示内容。 d s t n ( d o u b l e l a y e 硌n d 即双层s t n ，是一种两个显示层的无源显示技术，这种技术解决 了传统s t n 显示屏的漂移问题。d s t n 采用了双扫描技术，因而显示效果较s t n 有大幅度提 高。d s t n 分上下两屏同时扫描，所以在使用中有可能在显示屏中央出现一条亮线。 2 5 2t f t 屏幕 t f l m i nf i l m t r a n s i s t o r 薄膜晶体管) ，是有源矩阵类型液晶显示器( a m l c d ) 中的 武汉科技大学硕士学位论文 第9 页 种，t f r 在液晶的背部设置特殊光管可以“主动的”对屏幕上的各个独立的象素进行控 制，这也就是所谓的主动矩阵t f r 的来历，这样可以大大的提高反应时间，一般t 丌的反 映时间约8 0 毫秒。而且由于t f t 是主动式矩阵l c d 可让液晶的排列方式具有记忆性，不会 在电流消失后马上恢复原状。t f r 还改善了s t n 会闪烁( 水波纹) 的现象，有效的提高了播放 动态画面的能力。t f r 有出色的色彩饱和度、还原能力和更高的对比度，缺点就是比较耗 电，成本相对较高。 2 5 30 l 曲屏幕 o l e d ( o r g 删c “曲t e i i i i t l i g d i s p l a y ) 即有机发光显示屏，属于新崛起的种类，被称誉 为“梦幻显示屏”。o l e d 显示技术与传统的l c d 显示方式不同。无需背光灯，采用非常 薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时，这些有机材料就会发光。o l e d 显示屏 幕可以做得更轻更薄，可视角度更大，并且能够显著节省电能。虽然将来技术更优秀的 o l e d 会取代t f r 等l c d 但有机发光显示技术还存在使用寿命短、屏幕大型化难等缺陷， 而且现在o l e d 彩屏要比同尺寸的矸t 彩屏贵上3 0 价格上缺乏竞争力。 综上所述，从价格和功耗方面考虑，奉文选择t f t 4 2 6 7 “，尺寸为22 寸，输入电压为 38 v 。 图2jt n 4 2 6 7 电路图 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 3 1 移植l i n u x 3 1 1 移植v i v i 第三章软件功能的设计 1 b o o tl o a d e r 介绍 b 0 0 tl 0 a d e r 就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序【1 0 ，1 1 ，1 2 1 。通过它，可以初 始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态， 以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。 通常，b 0 0 tl 0 a d e f 是严重地依赖于硬件而实现的，特别是在嵌入式世界。因此，在嵌 入式世界里建立一个通用的b o o tl 0 a d e r 几乎是不可能的。尽管如此，仍然可以对b 0 0 t l 0 a d e r 归纳出一些通用的概念来，以指导用户特定的b 0 0 tb a d e r 设计与实现。每种c p u 体 系结构都有不同的b 0 0 tl 0 a d e r 。有些b o o tl o a d e 池支持多种体系结构的c p u ，比如u b 0 0 t 就同时支持a r m 体系结构和m i p s 体系结构。 下面就是一个同时装有b 0 0 tl 0 a d e r 、内核的启动参数、内核映像和根文件系统映像的 固态存储设备的典型空间分配结构图【3 9 】。 b o o t l o a d e r 图3 1 空间分配结构图 本文选用韩国m i z i 公司的v i 作b 0 0 tl o a d c r ，它是m i z i 公司针对a r m 专门写的一款 b 0 0 tl 0 a d e r ，有两种启动方式。即自动启动方式和命令行方式。在自动启动方式中，v i 会自动将i ，j n u x 内核从f l 础中复制到r a m 中，然后启动内核。在命令行方式巾，允许用户 设置内核启动参数或下载用户文件等。 v i 的运行也可以分为两个阶段【2 】： 1 ) s t a g c l 通常包括以下步骤( 以执行的先后顺序) ： 硬件设备初始化； 为加载b o o tl 0 a d e r 的s t a g e 2 准备r a m 空间； 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 拷贝b o o tl 0 a d e r 的s t a g e 2 到黜蝴空间中； 设置好堆栈； 跳转到她e 2 的c 入口点。 2 ) s t a g e 2 通常包括以下步骤( 以执行的先后顺序) ： 初始化本阶段要使用到的硬件设备； 检测系统内存映射( m e m o 巧m a ； 将内核映像和根文件系统映像从f l 础上读到洲空间中； 为内核设置启动参数； 调用内核。 2 编译v i v i 由于v i 要用到内核的一些头文件，所以先要把i ，j n u x 的内核准备好。将v i 和内核 都解压到相应目录下。然后需修改m 删m a k c f i l e 里的一些变量设置： l i m 矾c l u d e i r = 蛆妣4 l o s ， c r o s s g o m p i l e = u s 饥0 c 训a r m 2 9 5 3 b i 以r m l i n l l x - a r m ：g c c _ l 肥s = u s 仉o c a l a r m 2 9 5 3 l i b g c c - l i b a r m - “n u 】【2 9 5 3 进入m 访目录执行m a l ( ed i s t c l e a n 。( 目的是确保编译的有效性，在编译之前将v i 里所 有的“ o ”和“幸o f l a 岔文件删掉) 进入m v i 目录里，输入m a l ( em 朗l l c o n f i g ，开始选择配置。可以l o a d 一个写好的配置 文件也可以自己修改试试。注意e x i t 时一定要选y ”保存配置。输入m 呔e 正式开始编译， 一会儿就完了。 3 1 2 编译l i n u x 内核 自1 9 9 1 年1 1 月由芬兰的i i n u st t o r v a l d s 推出l i n u x 0 1 o 版内核至今，i j n _ u x 内核已经升级 到醢眦x 2 6 7 ( 9 j 。其发展速度是如此的迅猛，是目前市场上唯一可以挑战w 砌o w s 的操作系 统。在其发展过程中得到分布于全世界的广大o p 饥s 0 u r c e 项目追随者的大力支持。尤其是 一些曾经参与u n i x 开发的人员，他们把应用于u n 汉上的许多应用程序移植到ij n l l 】【上来，使 得i i n u x 的功能得到巨大的扩展。目前比较稳定的版本是i j n u x 2 4 8 。在i j n u x 的版本号中， 第一个数为主版本号。第二个为次版本号。第三个为修订号。次版本号为偶数表明是稳定 发行版本，奇数则是在开发中的版本。随着其功能不断加强，灵活多样的实现加上其可定 制的特性以及开放源码的优势，l i n u x 在各个领域的应用正变得越来越广泛。目前i ，i n l 的应用正有舍去中间奔两头的趋势，即在p c 机上l 砸u 】【要真正取代w i n d o 、) l ，s ，或许还有很长 的路要走，但在服务器市场上它已经牢牢站稳脚跟。而随着嵌入式领域的兴起更是为ij n u x 的长足发展提供了无限广阔的空间。目前专门针对嵌入式设备的l i n u x 改版就有好几种。包 括针对无m m u 的u c l i l l ) 【和针对有m m u 的标准l i n u x 在各个硬件体系结构的移植版本。 u c i ，j m l x 是一种l i l 呶的变型版本【1 3 】，其主要针对删7 t d m i ，d f a g o i l b a l l 系列的 6 8 e z 3 2 8 ，6 8 v z 3 2 8 ，c o l d f 的系列的5 2 7 2 ，5 3 0 7 等大量不带m m u ( 内存管理单元) 功能模块 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 的芯片。这种芯片面向低端市场，价格便宜功能灵活。但是传统的i i i l l 内核采用虚拟内 存管理技术，这种设计运行在没有m 7 的芯片上时，这部分关于内存管理的代码就变成 冗余代码甚至对系统整体性能产生负面影响。u c i j n 似正是为了解决这一问题而开发的。 其名称中v ( 发音m i u ) 就是m i c r 0 ，小的意思。而“c 则是c o n 缸0 l ，控制的意思。即u c i ，i 删x 是为微控制领域量身定做的l i n u x 版本。u c l i n u x 的设计就是通过对标准l i n u x 内核裁减，去 除虚拟内存管理部分的代码，并对内存分配进行优化，从而达到提高系统运行效率的目的。 它虽然体积小但依然保存了“n ：u ) 【内核的大多数优点。其主要特点有： 1 ) 支持通用i ，i n u xa p l 。 2 ) 内核体积可以小于5 1 2 k 。 3 ) 具有完整的t c p 口协议栈。 4 ) 支持其它大量的网络协议。 5 ) 支挣各种文件系统( n f s ，e x t 2 ，觏n 传，i 稳，f a t l 6 3 2 以及m s d o s ) 。 但是l l c l i n u x 的应用程序开发要求用户自己正确的处理内存管理，一旦不慎错误地修 改了其他进程的内存，将可能造成系统死机。基于像s 3 c 2 4 1 0 x 这样的a r m 9 内核的删 一“舢x 使用了m m u 的内存管理，对进程有保护，提高了嵌入式系统中多进程的保护能力。 使用户应用程序的可靠性得以提高，降低了用户的开发难度。 l i n ：1 1 ) 【内核的基本结构如下所示： 系统调用接口 进程管理 内存管理 t c p 口协议 调度程序 块设备管理字符设备管理网络事务管理 体系结构相关代码 硬件平台 图3 2l i n u x 内核基本结构 l i n u x 的移植是一个繁重的工作，其主要包括代码的修改【4 4 4 5 1 ，内核的链接及装入，参 数传递，内核引导几个部分。i j n u ) 分为体系结构相关部分和体系结构无关部分。在l i l l u x 启动的第一阶段，内核与体系结构相关部分( 龃c h 目录下) 首先执行，它会完成硬件寄存器设 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 置，内存映射等初始化工作。然后把控制权转给内核中与系统结构无关部分。 在a r c h 目录中可以看到许多子目录，它们往往是用芯片命名的，表示是针对该芯片体 系结构的代码。为删系列芯片编译内核，就应修改删目录下的相关目录文件。在删 的子目录下可以找到一们0 0 t 目录，在b 0 0 t 下有一个i l l i t s 就是引导“n u x 内核在删平台上 启动的初始化代码。它里面定义了一个全局符号s t a n ，它定义了默认的起始地址，同时它也 是整体内核二进制镜像的起始标志。1 1 1 i t s 主要完成一下功能：定义数据段，代码段；b b s ( 未 初始化数据段) 起始地址变量并对b b s 段进行初始化；设置寄存器以初始化系统硬件；关闭 中断；初始化l c d 显示；将数据段数据复制到内存；跳转到内核起始函数s t a r tk 黜e 1 继续 执行；对主寄存器的修改。 本文选用灿蝴l 肌x 内核，它是专门针对s 3 c 2 4 1 0 x 的内核，可以从专门的网站下载 到系统所需的内核。 3 1 3 制作根文件系统 内核在启动过程中会安装文件系统，文件系统为l i n u x 操作系统不可或缺的重要 组成部分。用户通常是通过文件系统同操作系统与硬件设备进行交互，在l i n u x 系统中硬件 也作为文件系统的一部分。通常所说的文件系统有两种含义，一个含义是磁盘和磁盘机制 的文件系统即物理文件系统，另一个含义是用户看得见并能操作的逻辑文件系统。 l m l l x 的一个最重要特点就是它支持许多不同的文件系统【4 1 4 2 4 3 】。这使i j n u x 非常灵活， 能够与许多其他的操作系统共存。l i n l l ) 【支持的常见的文件系统有：j f s 、 r c i s e f f s 、e x t 、 e x t 2 、e x t 3 、i s 0 9 6 6 0 、x f s 、m i i l 】【、m s d o s 、u m s d o s 、v f a t 、n t f s 、h p f s 、n f s 、 s m b 、s v s v 、p r ) c 等。随着时问的推移，l i n m 【支持的文件系统数还会增加。l i n l l 】【是通 过把系统支持的各种文件系统链接到一个单独的树形层次结构中，来实现对多文件系统的 支持的。该树形层次结构把文件系统表示成一个整个的独立实体。无论什么类型的文件系 统，都被装配到一个目录上，由被装配的文件系统的文件覆盖该目录原有的内容。该个目 录被称为装配目录或装配点。在文件系统卸载时，装配目录中原有的文件才会显露出来。 1 l i n u x 文件系统构建 根文件系统是系统启动时挂载的第一个文件系统，其它的文件系统需要在根文件系统 目录中建立节点后再挂载。根文件系统和用户文件系统建立在f l a s h 的后大半部分。f l a s h 的前小半部分用来存放b 0 0 tl 0 a d e r 和内核映像。根文件系统选用了c 姗f s 文件系统格式。 由于c m m f s 为只读文件系统，为了得到可读写的文件系统，用户文件系统采用y a f f s 格式。 用户文件系统挂载于根文件系统下的m 州y a 凰目录。为了避免频繁的读写操作对f l a s l 造成 的伤害，系统对频繁的读写操作的文件夹采用了r 锄f - s 文件系统。根目录下的v 缸，缸n p 目 录为r 锄蠡临时文件系统的挂载点。 ( 1 ) cr _ 锄f s 文件系统【柏j 在嵌入式的环境之下，内存和外存资源都需要节约使用。如果使用凡w d i s k 方式来 使用文件系统，那么在系统运行之后，首先要把外存( f 1 础) 上的映像文件解压缩到内存中， 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 构造起砧址压d i s l 环境，才可以开始运行程序。但是它也有很致命的弱点。在正常情况下， 同样的代码不仅在外存中占据了空间( 以压缩后的形式存在) ，而且还在内存中占用了更大 的空间( 以解压缩之后的形式存在) ，这违背了嵌入式环境下尽量节省资源的要求。 使用c 姗内就是一种解决这个问题的方式。c r 锄f s 是一个压缩式的文件系统，它并不 需要一次性地将文件系统中的所有内容都解压缩到内存之中，而只是在系统需要访问某个 位置的数据的时侯，马上计算出该数据在c 姗f s 中的位置，将其实时地解压缩到内存之中， 然后通过对内存的访问来获取文件系统中需要读取的数据。c 姗6 中的解压缩以及解压缩 之后的内存中数据存放位置都是由c 舳f 文件系统本身进行维护的，用户并不需要了解具 体的实现过程，因此这种方式增强了透明度，对开发人员来说既方便又节省了存储空间。 c 姗f s 拥有以下一些特性： 1 ) 采用实时解压缩方式，但解压缩的时侯有延迟。 2 ) c 啪f s 的数据都是经过处理、打包的，对其进先写操作有一定困难。所以c 船m f s 不支持写操作，这个特性刚好适合嵌入式应用中使用f l a s h 存储文件系统的场合。 3 ) 在c 舢f s 中，文件最大不能超过1 6 m b 。 4 ) 支持组标识( 百d ) ，但是n l l ( c m m f s 只将西d 的低8 位保存下来，因此只有这8 位是有效 的。 5 ) 支持硬链接。但是c 舳f s 并没有完全处理好，硬链接的文件属性中，链接数仍然为 1 。 6 ) c 姗f s 的目录中，没有“