（通信与信息系统专业论文）基于mx21的pmp系统的设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 便携式媒体播放器( p m p ) 是今年被讨论最多的一个话题。便携式媒体播 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、数字银行使用，更有的产品还具备一些十分新颖、实用的功能。 p m p 将更类似于便携式数字音乐播放器和个人视频录像机( p v r ) 的发展路线。 我们看到手机正在以惊人的速度集成视频、成像等功能，但外形尺寸( 屏幕大 小) 、成本( 硬盘和更大的l c d 屏) 以及电池工作时间等问题将使人们需要一 个独立的p m p 设备。 中国的p m p 市场随着众多商家的蜂拥而入，己经开始呈现勃勃生机。目前， 推出p m p 处理器和解决方案的半导体供应商多达十几家。本文在介绍了p m p 的发展之后，详细讨论了利用f r e e s c a l e 公司的m x 2 1 芯片进行p m p 设计的方案， 包括硬件和软件两部分。硬件设计主要是嵌入式系统的构架，基于p m p 系统的 功能需求，对电路进行模块化设计，主要讲解了几个关键模块，包括视频、音 频、存储模块电路。软件设计基于l i n u x 操作系统，实现了l i n u x 在a r m 9 硬 件平台上的移植和嵌入式l i n u x 开发环境的建立。从l i n u x 操作系统下的软件架 构进行分析，完成了视频播放功能模块化，重点讨论了视频播放功能的硬件解 码实现和l i n u x 下外围设备的驱动。 m x 2 1 是以高性能低功耗的a r m 9 2 6 e j - - s 为处理器内核，内置e m m a ( e n h a n c e dm u l t i m e d i aa c c e l e r a t o r ) 模块，支持m p e g - 4 和h 2 6 3 硬件编解码， 可以加速视频编解码处理，在l i n u x 操作系统的灵活配合下，实现了流畅的视 频播放功能。最后对系统功耗进行分析，并对系统功耗的关键模块l c d 进行优 化，实现系统的低功耗。本设计方案支持的视频音频格式较多，软件和硬件稳 定性都很高，操作简便，功耗很小，价格低廉，很好的满足了市场的需求，达 到了预期的设计目的。 关键词：便携式媒体播放器，l i n u x ，e m m a ，m p e g - 4 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep o r t a b l em u l t i m e d i ap l a y e r ( p m p ) i sah o tt o p i ct h a ti sd i s c u s s e dm o s t l yt h i s y e a r p m ph a sm a n ym e r i t s ，i ti sa b l et op l a yh i 醴h u a l i t yv i d e oa n da u d i of i l e s ，i ti s a l s ob r o w s ep h o t o g r a p h sa n db eu s e da sm o b i l eh a r dd r i v eo rd i g i t a lb a n k m a n y p r o d u c t sa l s oh a v em a n yn e wa n da p p l i e df u n c t i o n s p m pw i l lm o s t l yo b e yt h e d e v e l o p i n gr o u t i n el i k ep o r t a b l ed i g i t a la u d i op l a y e ra n dp e r s o n a lv i d e or e c o r d e r w e c a ns e et h es t r i k i n gs p e e do ft h ec e l l p h o n ei n t e g r a t ev i d e oa n dd vf u n c t i o n ，b u tm a n y p r o b l e m ss u c ha sd i m e n s i o n ( s c r e e ns i z e ) ，c o s t ( h a r dd i s ka n db i g g e rl c ds c r e e n ) a n d t h et i m et h a tb a t t e r yc a ns u p p l yw i l lm a k ep e o p l en e e da ni n d e p e n d e n tp m pd e v i c e w i t l ln u m e r o u sm a n u f a c t u r e r s r o l l i n gi n ，t h ep m p m a r k e to fc h i n ai sb u r s t i n g n o w a d a y s ，m o r et h a nt e ns e m i c o n d u c t o r ss u p p l i e r sp r o v i d ep m pp r o c e s s o ra n d s o l u t i o np r o j e c t a n da f t e rt h ei n t r o d u c eo ft h ed e v e l o p i n go fp m p ，t h i sa r t i c l ed i s c u s s t h ep m pr e s o l u t i o nw h i c hu s e o n ek i n do fc h i pn a m e dm x 21p r o d u c e db yf r e e s c a l e c o m p a n y , i n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r et w op a r t s t h eh a r d w a r ed e s i g nw a s m a i n l yt h ea r c h i t e c t u r eo fe m b e d d e ds y s t e m t h eh a r d w a r ec i r c u i tw a sm o d u l a r i z e d b a s e do nt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fp m ps y s t e m w em a i n l ya n a l y z e ds o m ek e y m o d u l e ss u c ha sv i d e o ，a u d i oa n dm e m o r yp a r t s t h es o f t w a r ed e s i g nw a sb a s e do n l i n u xo s w er e a l i z e dt h et r a n s p l a n to fl i n u xo na r m 9p l a t f o r ma n dt h e e s t a b l i s h i n go ft h ep l a t f o r mo fe m b e d d e dl i n u x w i t ht h ea n a l y s i so fa r c h i t e c t u r eo f t h el i n u xs o f t w a r e ，t h ev i d e op l a yf u n c t i o nw a sm o d u l a r i z e d t h er e a l i z i n go fv i d e o p l a ya n db yh a r d w a r ed e c o d e r t h ed r i v e ro ft h ep e r i p h e r a le q u i p m e n tb a s e do nl i n u x a r et h es t r e s sp i o n t sw ed i s c u s s e d m x 21b a s e do nh i g h - p o w e r e d l o wp o w e ra r m 9 2 6 e j - - sk e m e lc o n t a i n e d e m m a ( e n h a n c e dm u l t i m e d i aa c c e l e r a t o r ) m o d u l e i tc o u l da c c e l e r a t ev i d e op l a y b e c a u s ei tc o u l de n c o d e | d e c o d em p e g 一4a n dh 。2 6 3v i d e of i l e sb yh a r d w a r ed i r e c t l y w i t ht h ef l e x i b i l i t yo fl i n u xo s ，i tc o u l d p l a yv i d e og l i d i n g l y a tl a s t ，w ea n a l y s et h e s y s t e mp o w e ra n dr e a l i z et h el o wp o w e rs y s t e mb yo p t i m i z i n gl c d m o d u l ew h i c hi s t h ek e yp o w e rm o d u l e t h i sk i n do fs o l u t i o ns u p p o r tal o to fa u d i of o r m a t s ，h a v eh i g h i i 武汉理工大学硕士学位论文 s t a b i l i t y ，o p e r m i o ni sc o n v e n i e n t ，p o w e rc o n s u m p t i o n i sl i m i t e d ，a n dt h ep r i c ei s l o w , t h i ss o l u t i o nf u l l ys a t i s f i e dt h ed e m a n do ft h em a r k e t ，a n da c h i e v et h ee x p e c t e d d e s i g np u r p o s e k e yw o r d s ：p ，l i n u x ，e m m a ，m p e g - 4 i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 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。 签名：雄日期：趟：兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 埠 导师签名：趁日期：逊 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 本章将简要介绍便携式媒体播放器的发展情况，提出本文的主要研究任务 和意义，同时给出本文的主要内容及组织结构。 1 1 背景与现状 1 1 1 研究背景 随着电池寿命的延长，l c d 价格的下降，以及视频文件来源的增多，多媒 体功能很快成为手机和便携式媒体播放器等移动电子产品所“必须”有的功能。 p m p ( p o r t a b l em u l t i m e d i ap l a y e r ，便携式多媒体播放器) 是一种新兴的消费类电 子数码产品，对于这类产品比较常用的称呼还有：p v p ( p e r s o n a lv e d i op l a y e r ) 一个人视频播放器：p v r ( p e r s o n a lv e d i or e c o r d e r ) - - 个人视频录放器；p m c ( p e r s o n a lm e d i ac e n t e r ) - - 个人媒体中心。在国内做m p 3 的企业称呼其为v i p 4 ， 作为m p 3 的升级产品，p m p 除了具有观看电影、播放音乐，浏览图片的基本功 能外，一些方案还集成了视频录制、数码相机、数码摄像机、f m 收音机、卫星 定位导航系统、电子书、掌上游戏机和移动电视等等各种附加功能以满足不同 的市场需求。p m p 一般带有大容量存储器，通过u s b 与p c 传输，所以同时也 可以作为移动硬盘或u 盘使用。1 9 9 9 年首次出现在消费电子市场的第一代数字 随身听( 个人便携式m p 3 播放机) 终于开始在全球市场呈现爆炸性增长态势。仅 在中国，个人m p 3 播放机的销售就从2 0 0 2 年的5 2 万多台迅速增长至2 0 0 3 年的 1 7 7 万台。而在美国，仅2 0 0 3 年即售出了近7 0 0 万台( 资料来源：i d c ) 。随着数 字媒体处理器、硬盘等存储介质及l c d 显示技术的发展，随身的高质量视频播 放( 随身看) 也成为了现实。法国a r c h o s 公司在2 0 0 2 年率先推出了世界上第一款 p m p 产品一多媒体j u k e b o x ，将数字随身听热潮扩展到了音视频领域。市场开始 冷落普通的便携式v c d d v d 播放机，而将热情投向新兴的便携式多媒体播放 机( p m p ) 。它既可以播放音频文件也可以播放视频文件。p m p 是m p 3 播放机的 一种必然延伸，用户可以从有线电视网络、模拟或数字地面电视台、d v d 录像 机、数字摄影机或互联网等下载各种格式的视频文件、图片、音乐甚至游戏， 武汉理工大学硕士学位论文 并通过本机3 5 英寸大的彩色l c d 显示屏或t v 显示出来。2 0 0 7 年是中国p m p 发展元年【1 1 。除了一些老牌的数码消费类产品制造商开始进入p m p 市场外，还 有众多谋求新产品突破的制造商、代理商，甚至贸易商开始进入p m p 市场，或 想通过p m p 这个中国市场的“当红小生”异军突出，创造数码品牌新贵，或想通 过o e m 方式靠量起家，寻求新的利润增长点。总之，中国的p m p 市场随着众 多商家的蜂拥而入，已经开始呈现勃勃生机。 而近1 0 年来支持嵌入式的操作系统得到飞速发展：微控制器( m c u m i c r o c o n t r o l l u i n 0 从8 位到1 6 位、3 2 位甚至6 4 位，从支持单一产品的c p u 芯片到支持多种品种的芯片，从只有内核到除了内核还提供其他功能模块，如 文件系统，t c p i p 网络系统，窗口图形系统等，并形成包括嵌入式操作系统、 中间平台软件在内的嵌入式软件体系；随着嵌入式产品的不断发展，嵌入式操 作系统也在不断的变革，嵌入式操作系统内核向微型化、高可靠、强实时、构 件组建化发展；支撑开发环境的集成化、可调试化；支持无线通信和能源管理 功能日益重要，系统体系逐渐向可伸缩，可移植，可裁剪，可配置方向发展， 并且与开发环境有机结合。另外，行业性开放系统的日趋流行，嵌入式操作系 统走向开放、标准，应用特制的嵌入式系统不会像p c 一样只有一种平台：形成 了不同行业的标准。 而本课题就是实现嵌入式便携式媒体播放器，它是基于f r e e s c a l e 公司的 m x 2 1 芯片，采用嵌入式l i n u x 操作系统为平台软件基础，目标是实现高效地视 频播放，m p 3 和录音等功能。 1 1 2 研究现状 由于存储介质硬盘与闪存等零部件价格的不断下滑及便携式媒体播放器 ( p m p ) 终端制造厂商数目的不断增多，竞争加剧，p m p 的价格会持续下降。2 0 0 7 年全球p m p 的平均价格将降到一般公认的大众接受价格3 0 0 美元左右，这将引 发p m p 全球市场的起飞。2 0 0 7 年将是p m p 的真正分水岭，限制p m p 市场发展 的诸多因素的影响会相继得以减弱。 在p m p 的解决方案方面【8 】，目前比较成熟的解决方案三种： 基于s i g m a d e s i g n s8 5 1 x 系列芯片的解决方案、基于t id m 3 2 0d 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。s i g m a d e s i g n s8 51 x 处理器是目前性能最强、最全面的专业解码芯片， 2 武汉理工大学硕士学位论文 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 av 9 ，d i v xv 3 1 1 、d i v xv 4 x 和s x ， m p e g 4 ， m p e g 2 ，m p e g 1 等视频解码。其中对系统要求极高的m p e g 2 解码， s i g m a d e s i g n s8 5 1 x 能轻松达到3 0 f p s ，流畅自如，难能可贵的优点是单芯片， 低成本，硬核视频解码，视频播放效果好。 t id m 3 2 0d s p a r m 处理器的解决方案：作为d s p 巨头，t i 力推基于t i d 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 0 d 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 i g 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 1 ，d i v x v 4 x 和 s x ，m p e g 4 ，m p e g 2 ，m p e g 1 等。但由于t id m 3 2 0 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：优点是支持的媒体类型丰富，编解码能力强；缺点是必须配合a r m 处理器， 成本不占优势，功耗较大。 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 年底推出了性能最为强劲的 p x a 2 7 x 嵌入式处理器，最高频率可达6 2 4m n z 。作为一款性能及其强劲的嵌入 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 sm 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，而且极大降低了系统功耗，延长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。优点是支持目前所有的 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：缺点是成本较高。 p m p 属于一个新兴的产业，各种方案都并不完美，生产商对这个产业的观 察也还在进行中。但是市场需求让厂商们无法抑制尝试的冲动，寻找合适的方 案进行产品试水是他们的当务之急。在p m p 产品不断发展、不断规范的同时， 也存在以下几点不足之处： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 价格居高不下的价格是p m p 播放器目前面临的最大问题，高昂 的价格一方面是由于产量较小导致生产成本难以降低；另一方面则是由于厂商追 求利润最大化所导致。整体较高的价格使得p m p 播放器销售不佳，而没有一定 的利润，厂商也不愿意进行优惠促销活动，这种周而复始的循环让p m p 播放器 在市场上缺乏足够的竞争力。 ( 2 ) 兼容性目前的产品支持的视频格式有限，对视频格式兼容性好的 产品也不多。如果遇到不能支持的格式或分辨率，则需要通过软件来转换，而 且转换的速度相当慢。d i v x 和x v i d 这两种编码技术让人感到头痛：以d i v x 技 术编码的a v i 视频文件可以叫做m p e g 4 ；而以x v i d 技术编码的a v i 视频文件 同样也可以叫做m p e g - 4 。两种不同的编码技术所得到的m p e g 4 视频文件，其 扩展名都是a v i ，但却互不兼容。其直接后果就是我们在播放m p e g 4 格式的 视频文件之前，必须根据编码的不同来安装不同的插件或解码器才能够顺利播 放，对于便携式的p m p 播放器本身来说，这样的负担可不轻。便是在支持范围 内的格式文件p m p 播放器也不一定能播放出来，这就涉及到分辨率的问题。许 多p m p 播放器对各种分辨率的兼容性并不好，碰到一些和默认分辨率不同的文 件时，这些p m p 播放器便不能正常播放。许多p m p 产品的分辨率兼容性并不 好，需要软件转换才能实现正常的播放，这也制约了p m p 播放器的发展。 ( 3 ) 功耗p m p 播放器的另外一个相当重要的缺点就是功耗大，因为 t f t 显示屏和硬盘耗电量大，内置大容量铿电池也会显得力不从心。许多p m p 播放器的连续视频播放时间只有2 3 个小时，个别产品甚至连2 个小时都不到， 换个角度说就是连一部长一点的大片都看不完，这样的电池续航能力远远不符 合p m p 高端产品的定位。 1 2 主要任务与意义 1 2 1 系统架构 目前的p m p 系统可以有两种设计方案：使用一块c p u 加一块d s p 或者直 接使用单芯片( 多媒体处理芯片) 。前一种方案主要通过c p u 来运行操作系统， 在d s p 上做软件的视频编解码处理，这种方式的好处是功能灵活，可编解码的 格式较多，缺点是软件编写复杂，使用芯片多，成本大，功耗大。而后一种方 案是通过集成的多媒体处理专用芯片对视频进行硬件编解码，并在同一芯片上 4 武汉理工大学硕士学位论文 完成操作系统的运行。这种方式的优点是集成度高，处理速度块，系统稳定， 且开发成本较低，缺点就是支持的视频格式受硬件的制约较大。本文出于稳定 性、系统功耗、成本等诸方面考虑，选择的是单一芯片方案。 脱l 是当前先进的超低功耗的多媒体应用处理器，功能非常强大，以高性 能低功耗的a r m 9 2 6 e j - - s 为处理器内核，它的显著特点是强大的多媒体功能， 内置了e m m a 硬件模块，包含m p e g - 4 和h 2 6 3 的编码器和解码器，以及预处 理和后处理功能，可运行2 d ，3 d 图象、游戏、电视等等；高速的图象传感器 c m o s 接口，直接连接各种c m o s 图象传感器。完备的人机接口，1 6 1 8 位真彩 色l c d 接口，支持s v g a ，s m a r tl c dp a n e l 接口( s l c d c ) 。丰富的接口互联 功能，4 个u a r t s 接口，一个红外i r d a ( m i r f i r ) 接口，2 个h o s tu s bo t g 接口，2 个c s p i 接口，1 2 c 接口。完善的扩展接口，2 通道m m c 接口，2 通道 s d s d i o 卡接口，支持p c m c i a 接口，支持t r u ei d e 接口。高速的处理速度， 主频最低2 6 6 m h z ，高达5 3 2 m h z ，该方案的p m p 系统框图如图1 1 所示。 图1 - 1p m p 系统的结构框图 1 2 2 本课题的任务与意义 针对目前市场上p m p 产品存在的多功能、功耗和价格三方面的不足，本课 题以a r m 9 内核的m x 2 1 为主芯片，l i n u x 操作系统为软件平台开发p m p 新产 品。为满足市场上广大消费者对p m p 产品的要求，本文的研究工作就是开发新 武汉理工大学硕士学位论文 一代的便携式多媒体产品，主要包括以下三个方面的内容： ( 1 ) 从系统的整体架构进行分析，搭建好开发平台。主要是m x 2 1 芯片丰 富的外围接口开发，在硬件平台上移植l i n u x 系统，并建立好调试环境。 ( 2 ) 对系统的功能进行划分和模块化，主要是高质量视频播放的功能，从 视频播放软件和图形用户界面两方面进行实现。 ( 3 ) 对系统的关键技术进行分析和实现，并对部分模块就行优化，从而实 现系统的低功耗。 1 3 本文的主要内容和组织结构 本文介绍以f r e e s c a l e 的m x 2 1 为主芯片，基于嵌入式l i n u x 的p m p 系统的 设计与实现，设计包括硬件和软件两个部分。采用本设计方案的p m p 系统可以 实现高质量的音频、图片、视频效果，以及其它一些辅助功能。论文总共分为5 章，结构安排如下： 第1 章绪论，本章主要介绍当前p m p 系统的发展状况及功能特点，并针 对存在的问题，提出本文的主要任务和研究意义； 第2 章p m p 系统硬件平台分析与整体设计，本章主要介绍硬件平台的整体 架构以及具体模块电路的实现； 第3 章p m p 系统软件平台的实现及视频播放器的设计，本章比较详尽的叙 述了基于l i n u x 平台的软件开发。完成了嵌入式l i n u x 开发环境的搭建，主要是 交叉编译环境的建立。在此基础上对视频播放软件的功能进行分析，模块化并 进行g u i 开发。其中关键是对视频播放功能的具体实现，包括视频文件的解析、 音视频数据的读取和播放功能的关键代码的实现。 第4 章m x 2 1 平台上p m p 系统开发中关键技术的具体设计与实现，本章比 较详细的介绍了本系统开发中几个关键技术的设计与实现，包括音视频编解码 技术的应用、l i n u x 在m x 2 1 平台上的移植、模块电路在l i n u x 系统下的驱动及 p m p 系统低功耗的研究等。 第5 章总结与展望，本章回顾和总结了论文的研究工作，并对今后的研究 方向进行了展望。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章p m p 硬件设计平台及相关技术 本章首先介绍了平台的需求分析，然后根据需求对整个平台的框架和工作 流程进行了设计。 2 1a r m 硬件平台概述 2 1 1a r m 处理器介绍 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认 为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1 9 9 1 年，a r m 公 司成立于英国剑桥，主要出售新片设计技术的授权。 a r m 系列处理器是目前应用非常广泛的低功耗、高性能s c 处理器，其特 点剐1 6 】： ( 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能； ( 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) 和a r m ( 3 2 位) 指令集，能够较好的兼顾系统性能 和代码密度； ( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快； ( 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成； ( 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高； ( 6 ) 指令长度固定： ( 7 ) 装载存储指令可以成批量传输数据； ( 8 ) 所有指令都可以条件执行。 a r m 微处理器支持两种指令集：a r m 指令集和t h u m b 指令集。其中，a r m 指令为3 2 位的长度，t h u m b 指令为1 6 位长度。t h u m b 指令集为a r m 指令集 的功能子集，可节省存储空间，同时具备3 2 位代码的所有优点。a r m 9 系列于 1 9 9 7 年问世。由于采用了5 级指令流水线，a r m 9 处理器能够运行在比a r m 7 更高的时钟频率上，处理器的整体性能得到增强，存储系统采用哈佛结构，在 c a c h e 层次上区分数据总线和指令总线。a r m 9 系列中的r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 都使用v 4 t 架构指令集，它们都是由a r m 9 t d m i 衍生出来的变种， 7 武汉理工大学硕士学位论文 而a r m 9 2 6 e j s 、a r m 9 4 6 e s 和a r m 9 6 6 e s 都是基于a r m 9 e s 内 核的，执行v 5 t 架构指令【3 3 l 。 2 1 2a r m 微处理器体系结构及应用领域 ( 1 ) r i s c 体系结构 r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集计算机) 最初是针对传 统的c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，复杂指令集计算机) 结构的固有缺 点而提出的，它并非只是简单地减少指令，而是把着眼点放在了如何使计算机 的结构更加简单合理，如何提高运算速度上。r i s c 结构优先选取使用频率最高 的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少； 以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等措施来达到上述目的。 r i s c 体系结构一般具有如下特点： 采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有2 3 种。 使用单周期指令，便于流水线操作执行。 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载存储指 令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。 除此以外，a r m 体系结构还采用一些特别的技术，在保证高性能的前提下 尽量缩小芯片的面积，并降低功耗。 ( 2 ) a r m 微处理器的寄存器结构 a r m 处理器共有3 7 个寄存器，被分为若干个组( b a n k ) ，包括： 3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针) ，均为3 2 位的寄存器。 6 个状态寄存器，用以标识c p u 的工作状态及程序的运行状态，均为3 2 位，目前只使用了其中的一部分。 同时a r m 处理器又有7 种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均有 一组相应的寄存器与之对应。也就是说，在任意一种处理器模式下，可访问的 寄存器包括1 5 个通用寄存器( r 0 r 1 4 ) 、1 - 2 个状态寄存器和程序计数器。在所 有寄存器中，有些是几种处理器模式下共用同一个物理寄存器，而有些则是在 不同的处理器模式下有不同的物理寄存器。 ( 3 ) 删处理器的应用领域 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域： 工业控制领域。作为3 2 位的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片不 8 武汉理工大学硕士学位论文 但占据了高端控制器的大部分市场份额，同时也逐渐想低端控制器应用领域扩 展，a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的微控制器提出了挑战。 无线通信领域。目前已有超过8 5 的无线通信设备采用了a r m 技术，a r m 以其高性价比，在该领域的地位日益巩固。 网络应用。随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获得 竞争优势。此外，a r m 在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛的支持， 也对d s p 的应用领域提出了挑战。 消费类电子产品。a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机项盒和 游戏机中得到了广泛应用。 成像和安全产品。现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用了a r m 技 术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。 此外，a r m 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更 广泛的应用。 2 2m x 2 1 体系结构与特点 f r e e s c a l e 公司推出的m x 2 1 处理器，是基于a r m 9 2 6 e j s 的超低功耗的多 媒体处理器，提供了一系列完整的外围接口，扩展后它可具有以下功能： 主频2 6 6 m h z 5 3 2 m h z ，1 6 k bi - c a c h e ，1 6 k bd c a c h e ，具有j a v a 功能； 内置m p e g - 4 和h 2 6 3e n c o d e d e c o d e 硬件功能模块，直接可利用硬件处 理视频图象图形( v i d e o 和g r a p h i c s ) ，节省了对视频图象处理算法的软件模块， 大大提高了处理速度，并且c p u 内置包含图象加速器； 8 m b y i t e - 一6 4 m b y t ef l a s hm e m o r y ； 6 4 m b y t es d r a m 内存m e m o r y ，最大可扩展至2 5 6 m b ； 1 6 1 8b i tc o l o rl c d 接口，支持各种单色彩色s t n 液晶屏，各种t f t 液晶 真彩屏： s m a r tp a n e ll c d 接口，直接支持l c d 液晶模块； 触摸屏接口，直接连接触摸屏； 8x8k e y p a d 接口，直接连接8x8k e y p a d 人机接口小键盘： 立体声音频输入接口，音频输出接口。直接可播放立体声音乐； 视频图象c m o s 传感器接口，直接连接各种视频图象传感器，作为c a m e r a 接口； 9 武汉理工大学硕士学位论文 u s bo t g 接口，既可作为u s bh o s t ，也可作为u s bd e v i c e ，可通过u s b 口下载软件或文件； 高速1 0 0 m 以太网接口； 4xu a r t s 串口接口； 1 个红p j i r d a 接l y l ( m i r f i r ) ； 1 + m m cs d 卡接口，直接可连接大容量s d 卡； i 个 h d d 硬盘接口，直接可连接硬盘或1 8 寸微硬盘； 1 2 c 接口，1 - w i r e 接口； 3 2 位外部总线扩展口； g p i o 扩展口，包含了2 组s p i 接口，1 个s d 接口，p c m c i a 接口，1 个 u s bh o s 接口； m x 2 1 的低功耗、独特的视频硬解码和丰富的外围接口，适合于各种功能复 杂的嵌入式应用开发，可作为如下产品的开发平台：各种多媒体设备；各种智 能手持设备，p d a ，p m p ，m p 4 ，智能手机，智能电话，3 g 手机；各种移动 设备；各种移动视频设备；各种音视频设备；视频网络设备；各种人机接口丰 富的设备；各种人机操作设备；各种数据处理终端设备；工业数据处理终端设 备；功能丰富的仪器仪表设备；便携式仪器设备；v o i p 设备等。 2 3p m p 硬件设计 2 3 1p m p 硬件整体设计 根据p m p 系统的功能需求，我们可以将基于嵌入式系统的硬件设计模块化。 硬件部分分为电源、内存和存储等几个模块，具体结构如图2 - 1 所示： 图2 1 硬件结构框图 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 关键模块电路的实现 p m p 系统从功能上分，包括视频系统、音频系统和存储系统，我们主要对 这几个模块进行设计。 1 ) 视频系统 m x 2 1 内置m p e g 4 和h 2 6 3e n c o d e d e c o d e 硬件功能模块，直接可利用 硬件处理视频图象图形，节省了对视频图象处理算法的软件模块，大大提高了 处理速度。并且c p u 内置包含图象加速器。使用该功能时，系统从存储器( 或 存储卡) 中读取数据，在m x 2 1 上进行音视频编解码，然后将音频信息经过音频 系统发送给扬声器、耳机或者线路输出，将视频信息经过视频系统发送给液晶 屏或者线路输出。如图2 2 所示： 图2 2 视频数据流程图 m ) ( 2 1 的l c d 控制器特点： 口支持单色或彩色l c d 屏，支持自刷新l c d 屏 口支持4 级和1 6 级灰度级单色显示模式 口支持各种p a s s i v e t f tl c d 屏，最大分辨率8 0 0 * 6 0 0 ，1 6 b p p 口t f t 液晶平板可支持1 - 2 4 - 8 b p p ( b i t sp e rp i x e l ) 调色板显示模式和1 6 b p p 非调色板真彩显示 口v i r t u a ld i s p l a y 功能，可显示大于l c d 屏的画面 口为普通的l c d 控制器提供标准的接口 口提供1 ， 2 ，4 ， 8 b i t 单色l c d 屏的接口 口提供1 2 ，1 6 ，1 8 - b i t 彩色l c d 屏的接口 武汉理工大学硕士学位论文 我们使用的是3 5 寸触摸屏t d 0 3 5 s t e b l ，分辨率是3 2 0 * 2 4 0 ，对触摸屏的控 制也有专门的芯片。触摸屏的控制芯片要完成两件事情：其一，是完成电极电 压的切换；其二，是采集接触点处的电压值( 即a d ) 。我们使用了a d s 7 8 4 3 作 为触摸屏的控制芯片，a d s 7 8 4 3 是一个内置1 2 位模数转换、低导通电阻模拟 开关的串行接1 2 芯片。我们用m x 2 1 的c o r t f i g u r a b l es e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ( c s p i 卜可配置外围设备串行接1 2 ，来控制a d s 7 8 4 3 芯片。m x 2 1 拥有三个独 立的c s p i 模块，可以使用较少的软件终端来与外围设备通讯。c s p i 模块主要有 以下特点： 口可工作在主设备或从设备模式 口对于c s p l l 和c s p l 2 来说s s 0 s s 2 均可工作在主设备的模式下 口u pt o3 2 - b i tp r o g r a m m a b l ed a t at r a n s f e r 口t x 和r x 均有3 2 字节长度的f i f o c s p i 模块的原理框图如图2 3 所示： i pb u sn 寸t e r f a c e i l c l 。c kg e n e r a t o rc o n t r o l ll 1r i jl s h i f tr e g i s t e r r x f i f o 8 * 3 2 t x f i f o 8 * 3 2 图2 3c s p i 模块原理图 c s p i 模块工作在主模式下时s s ( 输出) 和c s p i i _ r d y ( 输出) 信号，用于控 制数据传输速率。采样周期控制寄存器( s a m p l ep e d o dc o n t r o lr e g i s t e r ) 可以设 置一个固定的数据传速率。当c s p i 模块工作在从模式下时s s 成为了输入信号， 来控制数据是否可以被送入内部的数据移位寄存器。 以下是c s p i 模块所用到的数据线： 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 口m o s i - 毪主模式下是是数据移位寄存器的t x d 信号， 移位寄存器的r x d 信号 口m s i o q 主模式下是是数据移位寄存器的r x d 信号， 位寄存器的t x d 信号 从模式下是数据 模式下是数据移 口s c l k - q 主模式下是时钟输出信号，从模式下是时钟输入信号 口s s l 2 ：o 卜s l a v es e l e c tb i d i r e c t i o n a ls i g n a l ，主模式下是输出信号，从模 式下是输入信号 口c s p i i _ r d 卜只在主模式下有效，并且只用c s p l l 用到 触摸屏的控制芯片a d s 7 8 4 3 与c s p i 模块的连接方式如图2 4 所示： 图2 4l c d 控制电路图 我们是使用了c s p i 模块的1 号端口。 l c d 的接口电路为： 武汉理工大学硕士学位论文 l c dc o n r , e e t o r l c d c 0 附 l j ”n 4 i 2 1 d lh i i d t n s ： 34： 一n 2 1 1 为；=5 6= 1 i * 铀 l j ) i r i _ 4： 7l： l j ) 7 _ ；l i d l i 西=9 i o =1 1 鸿之 l j ) 1 5 _ r ；： ” 1 2 ：l j ) l l r l 1 d 1 6r a t=n 1 4 = ： l j ) 1 4r 2 l j 】i7r 5=：l d ，l j j i s t _ i k