基于嵌入式Linux和MiniGUI為平臺的智能導(dǎo)診系統(tǒng)設(shè)計

通過研究基于MIPS架構(gòu)的SMP8654芯片的硬件架構(gòu)，并且利用芯片內(nèi)部的圖形加速引擎GFX的方式實現(xiàn)了具有高清視頻顯示和圖片文字處理功能的播放器。系統(tǒng)以嵌入式Linux和MiniGUI為平臺設(shè)計了智能導(dǎo)診系統(tǒng)，提高了醫(yī)院的導(dǎo)診就醫(yī)的服務(wù)效率。智能導(dǎo)診系統(tǒng)能夠播放醫(yī)院相關(guān)的健康宣傳資料、專家排班信息。
　MIPS微處理器是指無內(nèi)部互鎖流水級的處理器，它是由斯坦福大學(xué)的Hennessy教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研制出來的。MIPS微處理器采用RISC(Recluced InstructionSet Computer)的設(shè)計原則，只支持有限的機器指令以及簡單的算術(shù)指令，通過提供大量的內(nèi)部寄存器減少內(nèi)存訪問次數(shù)。MIPS有32個通用寄存器，每個寄存器擁有32位的地址空間。系統(tǒng)通過研究基于MIPS架構(gòu)的SMP8654芯片，設(shè)計和實現(xiàn)了高清播放器的視頻播放以及圖片字體顯示功能。SMP8654解決方案是Sigma公司依據(jù)MIPS設(shè)計公司指導(dǎo)的全新設(shè)計方案，是Sigma公司專為滿足高清視頻播放應(yīng)用需求而設(shè)計的全新芯片。和基于ARM架構(gòu)的低端芯片相比，SMP8654的視頻處理能力更加優(yōu)越。

　　1 基于SMP8654芯片的高清播放器

　　1．1 SMP8654硬件介紹

　　SMP8654芯片的內(nèi)部，有一個MIPS 24kf系列的主CPU芯片，工作頻率為500 MHz。在主CPU芯片的內(nèi)部，具有1個32 KB的指令Cache和1個32 KB的數(shù)據(jù)Cache、2個可編程計時器以及3個獨立的中斷控制器和2路UART(Universal Asynchronous Receiver／Transmitter)。主CPU內(nèi)部采用雙總線結(jié)構(gòu)，G-bus是主總線，CPU通過此總線訪問外部功能單元的各狀態(tài)寄存器，而對主CPU芯片內(nèi)部的中斷控制器、計時器等的訪問是通過將L-bus映射到G-Bus上的方式進(jìn)行的。主CPU內(nèi)部有一個高效的乘除運算單元(Multiply／Divide Unit)及浮點數(shù)運算單元(FPU)，還有一個增強的JTAG調(diào)試模塊，用于調(diào)試應(yīng)用程序及內(nèi)核代碼。

　　SMP8654芯片內(nèi)部有一個IPU(Interrupt ProcesslngUnit)。這個MIPS 24kf系列的32位處理器專門處理那些需要低延時的應(yīng)用需求。它主要處理從視頻處理子系統(tǒng)(Video Processing Subsystem)所產(chǎn)生的中斷。它的時鐘頻率為333 MHz，而且還有16 KB的指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache。

　　SMP8654芯片包含兩個DDR-DRAM控制器，每一個控制都支持高達(dá)512 MB的DDR2內(nèi)存，這些外部存儲器可以為音頻、視頻以及數(shù)據(jù)提供緩沖區(qū)，并且能存放硬件模塊的臨時數(shù)據(jù)。

　　1．2 SMP8654的視頻及音頻處理

　　1．2．1 視頻解碼子系統(tǒng)

　　SMP8654的視頻解碼子系統(tǒng)(Video Decoder Subsystem)可以解碼HDSMPTE、H．264、HD WMV9、AVS、MPEG1、MPEG2等視頻格式的視頻文件。SMP8654的視頻解碼系統(tǒng)執(zhí)行特定解碼算法，它是一種基于處理器和電路邏輯方式的混合架構(gòu)。能同時解碼的視頻文件數(shù)目是由視頻的格式以及所要呈現(xiàn)的分辨率決定的。SMP8654可以支持包括IPTV、AVCHD、MSTV的視頻解碼要求。視頻處理引擎是一個16位的RISC處理器，視頻解壓算法的密集計算部分是由此部分處理的。

　　1．2．2 視頻處理子系統(tǒng)

　　視頻處理子系統(tǒng)(Video Processing Subsystem)從內(nèi)存中檢索圖形和視頻圖像，將這些圖像混合并且縮放至某個顯示器所要求的分辨率并且將其呈現(xiàn)出來。視頻處理子系統(tǒng)可以控制顏色、分辨率以及色彩飽和度，并且能處理視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，選擇視頻的輸出模式(模擬信號的輸出模式包括RGB、YPbPr)。視頻處理子系統(tǒng)還有一個2D圖形加速功能模塊。智能導(dǎo)診系統(tǒng)利用此GFX引擎實現(xiàn)了文字和圖片的高清顯示功能。

　　1．2．3 音頻處理子系統(tǒng)

　　SMP8654芯片的集成音頻處理子系統(tǒng)(Audio)Processing Subsystem)是一個為用戶專門設(shè)計的32位數(shù)字信號處理器，音頻的解碼和操作是由這個專用的DSP處理的。這個DSP工作在333 MHz的時鐘頻率下，指令和數(shù)據(jù)是分開存儲的，DSP通過系統(tǒng)總線取得指令，通過數(shù)據(jù)總線獲取需要解碼的音頻數(shù)據(jù)。和基于ARM架構(gòu)的處理器一樣，它有一個32位的指令系統(tǒng)，同時與之對應(yīng)了一個16位的指令集，通過Load／Store從內(nèi)存裝載數(shù)據(jù)到DSP的相關(guān)寄存器中進(jìn)行處理。

　　1．2．4 高清播放機硬件架構(gòu)

　　高清播放機硬件架構(gòu)如圖1所示。高清播放器實現(xiàn)的功能主要包括視頻處理以及圖片文字顯示。硬件架構(gòu)中的重要部分包括視頻解碼子系統(tǒng)、視頻處理子系統(tǒng)、音頻處理子系統(tǒng)。這里的HDD表示可選的硬盤，通過內(nèi)部的SATA接口控制。提供對USB2．0協(xié)議支持以及802．11n協(xié)議的支持，也就是說播放器可以從網(wǎng)絡(luò)中讀取各種視頻資源，從硬盤或者是USB等移動盤中獲得數(shù)據(jù)。視頻處理子系統(tǒng)中的GFX代表的是圖形加速引擎，通過Sigma公司提供的SDK可以很容易地操作這些硬件，實現(xiàn)硬件加速功能。在智能導(dǎo)診系統(tǒng)的軟件部分，介紹了如何利用硬件特性加速文字和圖片的繪制過程。在智能導(dǎo)診系統(tǒng)中，醫(yī)院HIS系統(tǒng)中的病人掛號信息通過TCP／IP傳遞到此硬件播放器，然后再由硬件播放器處理，將病人信息排隊到相關(guān)隊列中，這樣病人就可以在專門的等候區(qū)休息等候了。

　　2 基于嵌入式Linux和MiniGUI的主控程序

　　2．1 嵌入式Linux

　　Linux是一個完全免費的開源操作系統(tǒng)，內(nèi)核可以被裁剪到134 KB左右。Linux是一個能夠適應(yīng)多種CPU和硬件平臺的操作系統(tǒng)，裁剪之后的Linux系統(tǒng)用于這些設(shè)備中執(zhí)行資源管理、任務(wù)調(diào)度、存儲空間分配等任務(wù)。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)一般可以分為如下幾個步驟：交叉編譯工具的建立，Bootloader的編譯和燒寫，編譯內(nèi)核并移植到開發(fā)板，文件系統(tǒng)的編譯和燒寫。交叉編譯是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中需要用到的一個常見技術(shù)，其主要特征是嵌入式設(shè)備上的可執(zhí)行程序通常是在另外一臺機器上編譯生成的。通常將前者稱為目標(biāo)機器(Target)，后者稱為主機(Host)。主機擁有的資源豐富很適合在上面編譯機器相關(guān)的代碼，這種技術(shù)為軟件的不同平臺移植創(chuàng)造了便利條件。交叉編譯工具配置在主機(Host)上編譯及配置環(huán)境變量后，就可以用來編譯Bootloader、內(nèi)核和文件系統(tǒng)。Bootloader是一個啟動加載Linux內(nèi)核的固件程序，有點類似于PC機的BIOS程序，在完成硬件初始化以及內(nèi)存映射等操作之后，通常會將外部存儲介質(zhì)上存放的內(nèi)核鏡像加載到RAM中，然后跳轉(zhuǎn)到指定的內(nèi)存位置執(zhí)行。

　　2．2 MiniGUI用戶界面

　　GUI(GraphICal User Interface)是指采用圖形方式顯示的計算機操作用戶界面。系統(tǒng)中所要闡述的高清播放機上需要提供人機交互界面，控制諸如視頻的暫停、播放、文件更新以及播放機的聲音控制和開關(guān)機控制等圖形界面。智能導(dǎo)診系統(tǒng)中使用的圖形用戶界面采用的是MiniGUI。MiniGUI是一個跨平臺的面向嵌入式系統(tǒng)的輕量級圖形用戶界面支持系統(tǒng)，可在Linux／μClinux、eCos、μC／OS-II、VxWorks、pSOS、ThreadX等操作系統(tǒng)以及Win32平臺上運行，廣泛應(yīng)用于手持信息終端、機頂盒、工業(yè)控制系統(tǒng)、便攜式多媒體播放器機等產(chǎn)品和領(lǐng)域。

　　3 播放機軟件系統(tǒng)設(shè)計

　　3．1 智能導(dǎo)診系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

　　SMP8654為應(yīng)用開發(fā)提供分層服務(wù)架構(gòu)，軟件系統(tǒng)設(shè)計主要根據(jù)SMP8654分層服務(wù)模型，找出最優(yōu)化的設(shè)計方案。智能導(dǎo)診通過研究DCC的控制邏輯，及Sigma公司的SDK文檔，設(shè)計出了如圖2所示的SMP8654高清播放機的軟件系統(tǒng)架構(gòu)。智能導(dǎo)診系統(tǒng)首先對硬件平臺初始化，接著初始化有線或者無線網(wǎng)絡(luò)(這部分主要作用是網(wǎng)絡(luò)接口卡初始化操作，日志部分初始化是跟蹤和調(diào)試應(yīng)用程序的重要組成部分)；接著創(chuàng)建MiniGUI主窗口，最后進(jìn)入消息循環(huán)。

　　當(dāng)MiniGUI接收到MSG_CLOSE消息時，由HWNDDESKTOP向主窗口發(fā)送退出消息，至此程序結(jié)束，播放機被關(guān)閉；當(dāng)播放機接收到圖片顯示命令時，將命令消息存入到消息隊列中，這里要創(chuàng)建消息隊列是因為MiniGUI在接收到用戶的各種不同命令時，都會將命令解析并且存入到任務(wù)隊列中，由任務(wù)派發(fā)器將任務(wù)發(fā)送到不同模塊處理。MiniGUI的主程序會根據(jù)用戶選擇的視頻及音頻文件，選擇將消息發(fā)送到視頻解碼進(jìn)程處理，當(dāng)用戶選擇打開某個高清的圖片時，消息隊列中會保留圖片大小、圖片格式、圖片的顯示時間等控制信息。這里要使用任務(wù)隊列的原因其實很簡單，分離出播放器的一個個任務(wù)，讓不同的軟件服務(wù)模塊處理。如果要播放視頻，調(diào)度程序會將任務(wù)隊列中的視頻播放任務(wù)派發(fā)給視頻解碼進(jìn)程處理。如果要使用GFX引擎高效率繪制圖片，則任務(wù)被分派到高清圖片處理進(jìn)程處理。

　　智能導(dǎo)診系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)程主要負(fù)責(zé)從醫(yī)院HIS信息系統(tǒng)的接口函數(shù)中獲得當(dāng)前病人的掛號信息，并且通過TCP發(fā)送到高清播放機上，最后通過MiniGUI的Draw Text函數(shù)將相關(guān)病人信息以列表的方式顯示在預(yù)先定義的排隊隊列中。這里的視頻解碼進(jìn)程是獨立的進(jìn)程，主控程序和此進(jìn)程的通信是通過Linux的消息隊列機制實現(xiàn)的。消息隊列是一種內(nèi)核標(biāo)示，兩個進(jìn)程之間的交互是通過調(diào)用msgsnd和msgrecv這樣的函數(shù)實現(xiàn)的，只要兩個進(jìn)程的消息隊列標(biāo)識是一致的，進(jìn)程之間就可以交互。當(dāng)MiniGUI接收到退出消息時，會向視頻解碼進(jìn)程發(fā)送退出消息，讓視頻解碼進(jìn)程清空所占用的系統(tǒng)資源。

SMP8654分層服務(wù)模型如圖3所示。最下面的一層是相關(guān)硬件，如CPU、視頻解碼器、音頻解碼器、并行I／O接口。中間的一層M