（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入式linux的多媒体播放器设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t a l o n gw i t l lt h e2 1 s tc e n t u r ya r r i v a l s t h eh u m a n i t ye n t e r st h ep o s tp ct i m e i n t h i s s t a g e ，e m b e d d e dt e c h n o l o g yg e t sr a p i d l yd e v e l o p e d a n dw i d e l yu s e d n o w a d a y s ，e m b e d d e dt e c h n o l o g ya n de m b e d d e dp r o d u c t i o n sa r ew i d e l yu s e di n i n t e l l i g e n th o m ea p p l i a n c e s 、i n t e l l i g e n tc o n s t r u c t i o n a p p a r a t u sa n di n s t r u m e n t 、 c o m m u n i c a t i o n p r o d u c t i o n s 、i n d u s t r yc o n t r o l 、p a l m t o pc o m p u t e r 、 v a r i o u s i n t e l l i g e n ti cc a r da n ds oo n a p p l y i n ge m b e d d e ds y s t e mt om u l t i m e d i at e r m i n a l e q u i p m e n t ，i th a sm a n ya d v a n t a g e sa u e ha sl o wp o w e r 、h i g hi n t e g r a t i o na n dh i g h e x p a n s i b i l i t y t h u s ，ap o r t a b l em u l t i m e d i at e r m i n a l c a l lb ea c h i e v e d ，w i t c hh a s s o u n d 、v i d e oa n di m a g ef u n c t i o n s b a s e do nt h i sb a c k g r o u n d ，t h i sp a p e ra i m st o d e s i g nam u l t i m e d i ap l a y e rb a s e do ne m b e d d e dl i n u x f i r s t , i nt h i sp a p e r , a r ma r c h i t e c t u r ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i ca r ea n a l y z e di n d e t a i l t h ee m p h a s i so ft h es t u d yi sp u to nt h ep o r t i n gt e c h n i q u e so fe m b e d d e d l i n u xo p e r a t i o ns y s t e mb a s e do nt h ea r m 9m i c r o - p r o c e s s o r , w h i c hi n c l u d es e t t i n g c r o s sc o m p l i e r 、p o r t i n gb o o t l o a d e r 、p o r t i n ge m b e d d e dl i n u xk e r n e la n ds e t t i n g r o o tf i l es y s t e m ；f u r t h e r m o r e ，t h et e c h n i q u eo f p o r t i n ge m b e d d e dl i n u xt oe p 9 3 1 5 b o a r db a s e do nc i r r u sl o g i ce p 9 31 5e m b e d d e dp r o c e s s o ri si n t r o d u c e di nt h i s p 印e l g u i ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e s ) s y s t e m sw h i c ha r es u p p o r t e db yn o r m a lp c s c a nn o tr n nw e l lo nt h ee m b e d d e ds y s t e m s ，j l a s tb e c a u s eo ft h er e s t r i c t i o no ft h e h a r d w a r e so fe m b e d d e dd e v i c e s s o t h i sp a p e rs e l e c t sq v e m b e d d e da sr e s e a r c h o b j e c t b a s e do nt h eq t e m b e d d e da r c h i t e c t u r ea n d i t so t h e ra s p e c t s ，t h et e c h n i q u e o fp o r t i n gq t e m b e d d e dt oe p 9 315b o a r di sg i v e ni nd e t a i l ，a n dt h e nae m b e d d e d g u is y s t e mi se s t a b l i s h e da n di ta l s om a k e st h eh a n d l ei n t e r f a c ef r i e n d l y s i n c et h ep o p u l a r i t yo fm p 3f i l e s ，t h i sp a p e rd e s i g n sam p 3p l a y e r a f t e r s t u d y i n gt h ec o d i n gt h e o r yo fm p 3f i l e s ，t h eh o l ed e s i g np r o c e s si sg i v e ni nd e t a i l ， a n dt h i sp a p e rd o e s n tu s et h eh a r d w a r ed e c o d i n gs o l u t i o n , b u ts o f t w a r es o l u t i o nt o r e d u c et h es y s t e md e v e l o p m e n tc o s t a b o u tp l a y i n gv i d e of i l e s ，t h i sp a p e rr e a l i z e s p o r t i n gt h eu n i v e r s a lp l a y e ro nl i n u x m p l a y e r t oe p 9 3 1 5b o a r d b yl e a r n i n gt h e o u t p u to fa u d i od a t a ，i ts o l v e st h ep r o b l e mo fs o u n da b n o r m a l i t y , a n da c h i e v e sa e m b e d d e dm u l t i m e d i as y s t e mw h i c hc o u l dp l a ya u d i oa n dv i d e of i l e s a tl a s t , t h em a i nr e s e a r c hc o n c l u s i o ni ss u m m a r i z e d ，a n dt h eo u t l a n do ff u r t h e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第| il 页 r e s e a r c ha b o u te m b e d d e dm u l t i m e d i ap l a y e ri sa l s op r o p o s e d k e yw o r d s ：e m b e d d e dl i n u x e p 9 31 5m p 3 m p l a y e rg u i m u l t i m e d i a 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 系统研究背景 第1 章绪论 从上世纪末开始，随着计算机和电子技术的发展走上快车道，便携式电子 设备，诸如智能手机，个人电子助理( p d a ) 的运算存储能力和通信能力都得到 了长足的进步，便携式设备的用户界面也变的越来越友好，从早期的只能显示 单色文字的l e d ，发展到现在大尺寸6 万色彩色液晶屏幕。因此，用户已经不 再仅仅满足于早期的便携式电子设备提供的传统的，简单的语音通信或文档处 理功能。随着多媒体技术发展，用户希望能够在轻巧的便携式设各上同样能够 享受到过去只能在笨重的台式机或笔记本电脑上才能享受到语音甚至视频等 多媒体服务“1 。 1 1 1 多媒体播放器与嵌入式系统 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。在这些领域中，消费电子产 品的应用具有更为广泛的潜力，尤其是便携式消费电子产品。当前，消费类电 子产品更新换代的速度进一步加快，市场需求不断增大。在m p 3 数码随身听取 得巨大的市场成功后，支持视频的便携式播放器逐渐进入消费者的视线，成为 继m p 3 之后的新一代数码影音娱乐平台。受m p 3 的影响，人们习惯的将这一类 嵌入式多媒体系统称做m p 4 。 在法国a r c h o s 公司推出第一款m p 4 掌上影院后，众多企业均看好m p 4 的 发展态势。新一代m p 4 良好的发展前景和潜在的市场，成为移动数码产业的新 亮点，吸引着众多厂商大力研发，并将其推向市场。目前m p 4 的主要障碍是成 本、功耗和内容的问题，预计到2 0 0 8 年才会形成比较成熟的市场“。 除播放视频这一基本功能外，嵌入式多媒体系统还附带了若干增值功能， 如音乐播放、图片浏览、游戏、调频收音、录音、电子书以及拍照、录像功 能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 2 嵌入式多媒体播放器国内外发展现状 目前嵌入式多媒体的内部结构，比较成熟的解决方案有三种：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。 上述几种方案各有特点“： 1 、s i g m a d e s i g n s8 5 1 x 方案 s i g m a d e s i g n s8 5 1 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 心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 一4 、m p e g 一2 、 t p e g - 1 等音视频解码。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 sd 1 ，流畅自如，难能可贵! 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 i 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 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 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 霄m 、，、d i v xv 3 1 1 、d i v xv 4 x 和5 x 、肝e g 一4 、 i p e g 一2 、 i p e g 一1 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：支持的媒体类型丰富，编解码能力强 缺点：必须配合a 蹦处理器，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 4 m h 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 一2 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 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 w i r e l e s sm i 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i 咿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 万象索摄像头；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 p l u s s p c a 5 3 6 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 一4 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 ei 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 一4 播放，无法处理m p e g 一2 视频。 由于p m p ( 便携式多媒体播放器) 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 则发挥自己的强设计能力和低营运成本优势，双 方合作则能够共同把p m p 市场做大、做强。 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( 、v w w s e u i c c o m ) ，采用的是i n t e l 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 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( w w w s s t v i s i o n c o m ) ，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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 嵌入式系统与嵌入式处理器 嵌入式系统的定义如下：是一种以应用为中心、以计算机技术为基础，软 件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的 专用计算机系统。由嵌入式系统的定义可见，嵌入式系统具有以下几大特点”： 1 、技术密集 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个行业 的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、不断创 新的知识集成系统。 2 、专用性强 嵌入式系统是与应用紧密结合的，具有很强的专用性。嵌入式系统的个性 化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的 移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也要根据系统硬件的变化不断进行 修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大的更改，程序的编译下 载要和系统相结合。 3 、系统精简 嵌入式系统必须根据应用需求可对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功 能、可靠性、成本、体积等要求。因此目前嵌入式系统的开发一般是先建立一 个相对通用的软硬件平台，然后在其基础上进行裁剪和精简，开发出适应各种 需要的系统。一般而言，嵌入式系统的结构自底向上可分为3 个部分，如图卜 l 所示。 嵌入武：压r 用软件 嵌入式操作系统 嵌入式硬件平台 图i - i 嵌入式系统的结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 嵌入式硬件平台是整个嵌入式操作系统和应用软件运行的基础。不同的应 用通常有不同的硬件平台，但是基本的结构是相同的，通常包括嵌入式处理器、 存储器和输入输出( i o ) 接口，如图卜2 所示。 图1 - 2 嵌入式硬件平台结构 嵌入式处理器是嵌入式硬件平台的核心，负责系统事件的响应、任务的调 度、外围器件的控制以及信号的处理。嵌入式处理器是由通用计算机中的c p u 演变而来的。它的特征是3 2 位以上，具有较高的性能。与通用计算机中的c p u 不同的是，嵌入式处理器在实际嵌入式应用中只保留和嵌入式应用紧密相关的 功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式 应用的特殊要求。嵌入式处理器体积小、功耗低、成本低、可靠性高的优点使 其在互联网、通信、消费类电子等多个领域得到了广泛的应用。目前主要的嵌 入式处理器按体系结构不同可分为五大类：a 硼、i i i i p s 、p o w e rp c 、x 8 6 和s h 系列。 a r m 内核是由a r m 公司开发的一系列3 2 位r i s c 处理器内核，当前有6 个 系列的产品：a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m i o e ，s e c u r c o r e 以及最新的a r m l l 系列。 目前业界可以提供a r m 内核处理器的著名半导体公司有i n t e l ，t i ， f r e e s c a l e ，a n a l o gd e v i c e s ，c i r r u sl o g i c 和s a m s u n g 等。本课题设计采用的 e p 9 3 1 5 处理器就是c i r r u sl o g i c 提供的一款采用3 2 位a r m 内核的处理器。 m i p s 内核是由m i p s 公司开发的一系列r s i c 处理器内核，可以分为3 2 位 和6 4 位两种。目前业界可以提供m i p s 内核处理器的公司包括了a m d 、 i d t 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 n e c 、t i 、s o n y 等众多厂商。 p o w e rp c 体系结构的处理器是由m o t o r o l a 半导体( 现f r e e s c a l e 半导体) 联合i b m 以及苹果电脑共同开发的意在和i n t e l 的x 8 6 体系结构产品竞争的一 款产品。目前提供p o w e rp c 处理器的厂商主要是f r e e s c a l e 和a m c c 。 x 8 6 体系结构的处理器一般用于台式p c 领域。i n t e l 是最早将x 8 6 结构用 于开发嵌入式微处理器的厂商。目前提供x 8 6 嵌入式处理器的厂商主要有 i n t e l 、a m d 和v i a 等。 s h 系列处理器是由前日立半导体公司( 现r e n e s a s 公司) 推出的嵌入式处 理器，采用r i s c 体系结构。目前提供s h 系列处理器的厂商主要是r e n e s a s 和 s t m ic r o 。 1 3 本文的意义和主要工作内容 事实已经证明嵌入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，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，国产厂家屈指可数，本研究课题以市场为导向，成果可以直接应用于 生产，增加国民收入，亦可提高国内企业的竞争力，具有重要的研究价值。 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 的嵌入式多媒体终端的解决方案。通过对系统的功能需求分析以及市场上主流 处理器的功能和性能分析，选择了c i r r u sl o g i c 公司的e p 9 3 1 5 处理器和l i n u x 分别作为系统的硬件和软件开发平台。 本文主要工作包括三个方面的内容：首先，基于a r m 平台开发相应的引导 加载程序、构建嵌入式l i n u x 操作系统；第二，针对a r m 处理器和l i n u x 操作 系统特点进行音视频解码器的设计和研究：第三，对系统进行验证。具体安排 如下： 第二章系统软硬件平台搭建。包括a r m 处理器及硬件核心部件介绍、 b o o t l o a d e r 实现、交叉开发环境建立、l i n u x 移植、嵌入式图形界面实现等。 第三章m p 3 播放器设计。通过对m p 3 编码理论的研究，详细论述了m p 3 播 放器各部分的设计原理。 第四章m p l a y e r 到开发板的移植。m p l a y e r 为l i n u x 下通用的媒体播放软 件，但非为嵌入式系统而设计，然而其强大的功能却是嵌入式系统所需要的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 为此本章完成其到开发板的移植，来完善嵌入式系统对视频文件的支持。 第五章系统功能的验证。对开发的m p 3 播放器以及m p l a y e r 进行验证。 最后，对论文进行了总结和展望。 1 4 本章小结 嵌入式多媒体终端的出现是市场发展的必然趋势，在这样的背景下，本课 题的提出具有重要的应用价值。本章在研究国内外发展现状的前提下，提出了 本课题的主要工作内容。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章系统开发平台构建 构建嵌入式多媒体终端，需要综合考虑硬件和软件两方面的因素。本章综 合考虑功能、功耗、体积、可靠性、成本等因素，选择了e p 9 3 1 5 处理器作为 硬件的核心部件，采用了傅立叶公司生产的f f t - - e p 9 3 1 5 开发系统为研究对象。 软件方案采用了高度模块化和易于移植的l i n u x 平台。 2 1 系统硬件平台介绍 2 1 1 处理器简介 系统核心处理器为e p 9 3 1 5 h ，基于a e m 9 2 0 t 内核，内带m m u 、1 6 k b 的指令 c a c h e 和1 6 k b 的数据c a c h e 和m a v e r i c kc r u n c h 数学协处理器；该协处理器专 门针对音频编解码运算进行了优化，非常适合做音频的编解码：主频2 0 0 姗t z ， 工业级。其功能模块结构图如图2 - 1 所示： 图2 - 1e p 9 3 1 5 功能模块 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 1 2f l a s h 存储器 系统包含3 2 mf l a s h 存储器，内部可以存放启动代码、l i n u x 内核映像和 r a m d i s k 压缩映像。剩余的存储空间可存放用户程序。f l a s h 存储器的数据宽 度为3 2 位，采用两片i n t e l e 2 8 f 1 2 8 芯片组成。地址范围o x 6 0 0 0 0 0 0 0 0 x 6 2 0 0 0 0 0 0 。 2 1 。3s d r 棚存储器 主板包含6 4 船s d r a m ，用于设置程序堆栈和存放各种变量。由两片3 2 m 的s d r a m 存储器组成的6 4 m 存储器。地址范围为o x o o o i o o o o o x o f f f f f f f 。 2 1 4 串行通讯口 硬件系统包含两个u a r t 串口。u a r t l ：一个标准的9 线高速r s 2 3 2 串口( 带 硬件流控制的m o d e m 接口) ；具有1 6 个字节的内部f i f o ，也可以触发4 个字 节的来自收发m o d e m 模块的可屏蔽中断，数据的收发可以由中断驱动，也可以 由d m a 模块来完成。u a r t 2 ：除具有标准的r s 2 3 2 接口外，还支持4 8 5 接口。 2 1 5 网络及声卡接口 i o m i o o m 以太网口，带连接和传输指示灯；m e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c em i i 接口，内部5 4 4 字的r a m ，可以映射到寄存器空间进行读写。声卡接口采用 u d a l 3 4 1 芯片，一路立体声音频输出接口，一路麦克风接口。 2 2 嵌入式软件开发环境 本文设计的多媒体播放器是基于嵌入式l i n u x 操作系统进行设计。嵌入式 l i n u x 是按照嵌入式操作系统的要求而设计的一种小型操作系统。相对于 w i n c e 、p s o s 、p a l mo s 等商用实时操作系统( r t o s ) 它具有源码开放、易移植、 模块化、资源丰富等优势。支持多线程、多进程；支持多种平台，如x 8 6 、p o w e r p c 、 a r m 、m i p s 等等。如图2 4 所示，它是由一个内核和一些可以定制的系统模块 组成，如文件模块，网络模块，各种驱动模块等。针对本应用，对其进行了裁 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 剪和配置，只包含了系统所需要的模块；文件系统驱动模块支持e x t 2 j f f s 2 等文件系统；内存驱动模块提供内存管理功能：网络接口模块支持以太网接口； g p i o 驱动模块主要是提供给键盘和触摸屏使用：图形驱动模块是图形用户界面 ( g u i ) 和图像显示的底层支撑模块；音频设备输出驱动模块支持音频数据的 数模转换。 应用程序 文件内存网络g p i o图形音频 系统驱动驱动驱动驱动输出 驱动模块模块模块模块驱动 模块模块 嵌入式l i n u x 内核 硬件平台 2 2 1 引导装载程序 图2 - 2 嵌入式l i n t l x 体系结构 b o o t l o 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。通过这段小 程序，我们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。 b o o t l o a d e r 是严重地依赖于硬件而实现的，除了依赖于c p u 的体系结构 外，b o o t l o a d e r 实际上也依赖于具体的嵌入式板级设备的配置。这也就是说， 对于两块不同的嵌入式板而言，即使它们是基于同一种c p u 而构建的，要想让 运行在一块板子上的b o o t l o a d e r 程序也能运行在另一块板子上，通常也都需 要修改b o o t l o a d e r 的源程序。 大多数b o o t l o a d e r 都包含两种不同的操作模式：“启动加载”模式和“下 载”模式。启动加载( b o o t l o a d i n g ) 模式也称为“自主”( a u t o n o m o u s ) 模式， 也即b o o t l o a d e r ：从目标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到r a m 中 运行，整个过程并没有用户的介入。这种模式是b o o t l o a d e r 的正常工作模式， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 因此在嵌入式产品发布的时候，b o o t l o a d e r 显然必须工作在这种模式下。在下 载( d o w n l o a d i n g ) 模式下，目标机上的b o o t l o a d e r 将通过串口连接或网络连 接等通信手段从主机( h o s t ) 下载文件，比如：下载内核映像和根文件系统映像 等。从主机下载的文件通常首先被b o o t l o a d e r 保存到目标机的r a m 中。然后 再被b o o t l o a d e r 到目标机上的f l a s h 类固态存储设备中。b o o t l o a d e r 的这种 模式通常在第一次安装内核与根文件系统时被使用；此外，以后的系统更新也 会使用b o o t l o a d e r 的这种工作模式。工作于这种模式下的b o o t l o a d e r 通常都 会向它的终端用户提供一个简单的命令行接口，以便从最常用的串口读取用户 控制字符等。 本系统采用的是r e d b o o t ，r e d b o o t 在嵌入式系统中相当于p c 机的b i o s 加上操作系统引导头部的内容，并且引导操作系统进行装载和运行，r e d b o o t 启动后有一系列的命令，使得我们能够方便地对f l a s h 、r a m 进行操作，同时 r e d b o o t 已经对系统的频率、定时器进行了设置，初始化了一个调试串口，这 样可以通过串口或以太网进行数据的下载。r e d b o o t 所支持的基本功能如下： l ：支持引导脚本； 2 ：r e d b o o t 提供了对其进行操作和配置的命令行； 3 ：通过串口和以太网进行访问； 4 ：内嵌g d bs t u b ； 5 ：支持f l a s h 映像系统； 6 ：支持x yi d o d e m 协议； 7 ：通过b o o t t p 协议支持网络引导功能，进行静态i p 地址设置； r e d b o o t 提供了非常丰富的命令集，用户通过这些命令可以方便地完成很 多工作。 2 2 2 交叉开发环境建立 嵌入式系统开发，与常规p c 系统开发最大区别在于受嵌入式系统本身资 源性能限制，开发嵌入式系统必须要进行交叉编译。通常对于开发人员由两种 选择，一种是采用已经编译好的开发环境，只需要解开到安装的位置，另一种 就是自己下载源代码、编译和建立开发环境。但不论怎样交叉编译器需要包含 以下几个工具： b i nu t j 】i t i e s 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 a r m1 i n u xcc o m p i l e ra n d l i n k e r g l i b cl i b r a r y a r ml i n u xc + + c o m p i l e r 本文采用第一种方式建立开发环境。首先下载预先编译好的交叉开发环境 c r o s s 一2 9 5 3 t a r b z 2 ，安装位置设置在u s r l o c a l 下。安装过程如下： b a s h $ s a 变为超级用户 p a s s w o r d ： b a s h # c d u s r l o c a l b a s h # m k d i ra r m建立a 硎目录 b a s h # c da r m b a s h # t a rj x v fc r o s s 一2 9 5 3 t a r b z 2 解压 这样开发环境已经建立在u s r l o c a l a r m 2 9 5 3 下面，当需要使用的时 候应该指出编译器的位置。 2 2 3 内核的编译 首先将已经打好补丁的内核包解压到工作目录下u s r s r c a r m 下 t a rj x v fl i n u x 一2 4 2 1 一f f t t a r b z 2 解压完成后会在当前目录下生成一个2 4 2 1 的目录，进入此目录，执行 m a k em e n u c o n f i g 出现内核的配置菜单。由于内核支持很多功能，不同的硬件环境需要将不 同的组件包含在内核里面去，但是对于所有的嵌入式l i n u x 结构下面的配置选 项都是存在的： 代码成熟级选项 可加载模块支持 一般设置 存储器技术设备 块设备 2 0 3 网络选项 a t a i d e m f m r l 。l 支持 s c s l 支持 网络设备支持 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 输入核支持 字符设备 2 0 3 文件系统 控制台驱动 声卡 其中最重要的一个选项菜单就是选择最适合目标板的处理器结构，在本项 目中由于采用基于a r m 内核的开发板，因此在s y s t e ma n d p r o c e s s o rs e l e c t i o n o p t i o n 菜单项选择a r l n 。此外根据项目开发具体需要还需要对声卡、网络、n f s 系统的支持、f r a m e b u f f e r 驱动等在相应的菜单项上配置上。在完成了以上内 核的配置后便可以对内核进行编译了。 编译内核首先建立内核文件的依赖关系 m a k ed e p 结束后输) l m a k ez l m a g e ，编译成功后会在a r c h a r m b o o t 目录下得到一 个压缩内核z i m a g e 这就是我们所需要的。 2 2 4 内核的烧写 在烧写完r e d b o o t 后，重新启动开发板，r e d b o o t 启动后出现下列信息： 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 r e d b o o t 启动后，会动态申请i p 地址，如果p c 机或者开发板所在的网络没有 动态分配i p 的服务器，则需要手工分配一个i p 和t f t p 服务器的i p 地址，并 用p i n g 命令检查网络是否连通。手工设置i p 地址命令如下： i p _ a d d r e s s 一11 9 2 1 6 8 0 11 一h1 9 2 1 6 8 0 2 2 2 其中1 9 2 1 6 8 0 1 1 是开发板的i p 地址，后者为t f t p 服务器的i p 地址。 然后应用命令检测网络： p i n g v n4 一h1 9 2 1 6 8 0 2 2 2 内核烧写过程如下： 1 、r e d b o o t 中对f l a s h 进行分区 首先初始化f i s f l a s h 初始化命令：f i si n i t ：显示f l a s h 信息的命令：f i s1 i s t 。 2 、创建z i m a g e ，r a m d i s k ，e x t f s 分区 创建z i m a g e 分区命令： f i sc r e a t e - b0 x 2 1 8 0 0 0 1o x l c 0 0 0 0 一f0 x 6 0 0 4 0 0 0 0 一ro x 2 ：1 8 0 0 0 一e o x 2 1 8 0 0 0 一nz i m a g e 创建r a m d i s k 分区命令： f i sc r e a t e bo x 8 0 0 0 0 0 1 o x 6 0 0 0 0 0 一so x 6 0 0 0 0 0 一f0 x 6 0 2 0 0 0 0 0 一r o x 8 0 0 0 0 0 一nr a m d i s k 创建e x t - f s 分区命令： f i sc r e a t e - bo x l 0 0 0 0 0 0 一lo x l 7 8 0 0 0 0 f0 x 6 0 8 0 0 0 0 0 一ro x l 0 0 0 0 0 0 一r l e x t - f s 3 、在机子上运行t f t p 下载服务器 将包含有内核文件以及文件系统的文件夹设置为下载目录，然后开启服 务。 4 、在r e d b o o t 里面执行t f t p 下载 首先下载内核，命令如下： l o a d r v bo x 2 1 8 0 0 0z l m a g e 下载完后将内核烧进f l a s h ，烧写内核的命令如下： f i sw r i t e f0 x 6 0 0 4 0 0 0 0 一bo x 2 1 8 0 0 0 一lo x l 4 0 0 0 0 再下载r a m d i s k ，下载命令如下： l o a d r v b0 x 2 1 8 0 0 0r a m d i s k g z 然后将r a m d i s k 烧写至u f l a s h 里面 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 f isw r it e f0 x 6 0 2 0 0 0 0 0 一bo x 0 0 8 0 0 0 0 0 一lo x 6 0 0 0 0 0 从f l a s h 里面读出内核以及根文件系统并运行1i n u x ， f i sl o a dz l m a g e 2 2 5l in u x 下m i n ic o m 及n f s 设置 2 2 ，5 1l i n u x 下m j n i c o i n 设置 m i n i c o m 是l i n u x 操作系统下的串口终端程序，是和w i n d o w s 操作系统的 下超级终端功能相近的程序，不过比超级终端功能要强。下面介绍m i n i c o m 的 配置过程。 在l i n u x 环境下键入m i n i c o m s ，出现m i n i c o m 配置菜单如下： 按照要求进行配置：串口波特率1 1 5 2 0 0 ，数据位8 ，奇偶校验，无停止位l ， 数据控制流无。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 然后保存配置位默认配置。以后应用m i n i c o m 直接在终端键入m i n i c o m 命令 即可。 2 2 5 2l i f l u x 下n f s 设置 n f s ( n e t w o r kf i l es y s t e m ) 主要针对那些需要直接访问位于另一台l i n u x 计算机的文件的系统，对于调试代码提供了极大的方便。在l i n u x 图形界面下 设置n f s 过程如下： 1 、关闭防火墙 开始菜单一系统设置一安全级别，将安全级别设置为无防火墙。 2 、停止i p t a n l e s 服务，启动n f s 服务 开始菜单一系统设置一服务器设置一服务，去掉i p t a b l e s 前面的， 在n f s 前面选择，并保存。 3 、n f s 服务器设置 开始菜单一系统设置一服务器设置一n f s 服务器，点击增加按钮，按 如下所示进行设置： 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 到此，n f s 设置已完成。通过串口在开发板上测试n f s 过程如下： 执行p o r t m a p 执行m o u n t1 9 2 1 6 8 0 2 2 2 ：t f t p b o o t m n t 查看m n t 目录下的内容 设置n f s 以后，在宿主机上开发的程序不必下载到开发板上在运行，通过 n f s 服务，在宿主机上便可以进行验证，极大地方便了程序的开发。 2 3 嵌入式图形用户界面实现 o t e m b e d d e d 是著名的q t 库开发商t r 0 1 t e c h 推出的面向嵌入式系统的 q t 版本。这个版本的主要特点是可移植性较好，许多基于q t 的xw i n d o w 程序 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 可以非常方便地移植到嵌入式系统。q t 有很强地开发团队，推出了大量地实用 程序，如视频播放、图片浏览、网络浏览器、记事本、名片夹等，用户可以快 速地推出基于o t e m b e d d e d 的自己的产品，而且该系统源码公开，便于学习。 因此在本系统中，将采用q t e m b e d d e d 作为g u i 应用程序。 q t m b e d d e d 是个为嵌入式设备上的图形用户接口和应用开发而订做的 c + + 工具开发包，提供一组用于访问嵌入式设备的c 十+ a p ，如图所示。用 q t e m b e d d e d 开发的应用程序要移植到不同平台时，只需要