一個(gè)高性能、低功耗、低成本的嵌入式掌上娛樂(lè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。近年來(lái)，隨著微處理器技術(shù)、DSP技術(shù)、多媒體編解碼技術(shù)以及嵌入式技術(shù)的發(fā)展，多媒體娛樂(lè)終端已經(jīng)成為消費(fèi)性電子產(chǎn)品的熱點(diǎn)。同時(shí)，逐漸成熟的市場(chǎng)隨著MP3在市場(chǎng)上取得的巨大成功，以及MP4、數(shù)字電視、3G 通訊等相關(guān)技術(shù)的起步，在未來(lái)幾年內(nèi)都將會(huì)得到快速發(fā)展。多媒體終端正是數(shù)字信息產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要組成部分，所以在這個(gè)背景下，MultimediaTerminal 蘊(yùn)含著極大地發(fā)展?jié)摿?。本文是基于Linux 嵌入式操作系統(tǒng)在UP-TECHS3C2410 DVK1.1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)下設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高性能、低功耗、低成本的嵌入式掌上娛樂(lè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)以UP-TECH S3C2410 DVK1.1 為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用嵌入式linux 作為操作系統(tǒng)。

本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)包括兩個(gè)方面，一是底層系統(tǒng)的搭建。本系統(tǒng)是在通用的嵌入式Linux 操作系統(tǒng)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉?，使其符合系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，并且初始化開(kāi)發(fā)底層的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的控制以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸。二是應(yīng)用層的實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)的底層包括文件系統(tǒng)的搭建以及各種接口部件的驅(qū)動(dòng)程序，這些驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)嵌入式Linux 操作系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用，然后完成應(yīng)用的功能，為上層的接口層和應(yīng)用層提供服務(wù)[5].

中間的嵌入式GUI 為接口層，采用QT4 作為用戶(hù)GUI 的界面庫(kù)。QT4 是基于服務(wù)器-客戶(hù)端的一種用戶(hù)界面中間件，提供了豐富的功能控件和精美的界面設(shè)計(jì)功能，可以便捷的設(shè)計(jì)出所需要的各種功能模塊。

系統(tǒng)的最上層就是直接面向用戶(hù)的應(yīng)用層。該層采用QT4 設(shè)計(jì)，向用戶(hù)提供了精美的用戶(hù)界面，用戶(hù)可以通過(guò)觸摸屏方便的調(diào)用相關(guān)功能。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示：

圖1 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)框圖

應(yīng)用層的設(shè)計(jì)是本文主要的開(kāi)發(fā)工作，主要包含以下幾種功能模塊：

① 多媒體功能模塊：調(diào)用MPlayer 播放器對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存或者USB 接口中的外存定位對(duì)應(yīng)的體文件，并將其解碼；視頻、視頻文件可以全屏播放/最小播放。幾乎可以播放市面上現(xiàn)存的所有的音頻、視頻文件。

② 娛樂(lè)游戲功能：提供了幾個(gè)界面友好有趣的游戲，增加系統(tǒng)的娛樂(lè)性。

2 開(kāi)發(fā)平臺(tái)

2.1 硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)介紹

硬件平臺(tái)采用博創(chuàng)UP-TECH S3C2410 DVK1.1 開(kāi)發(fā)板，處理器類(lèi)型：Samsung S3C2410.主頻：203MHz。

它適用于工業(yè)控制、移動(dòng)通信設(shè)備、醫(yī)療儀器等多種場(chǎng)合，外擴(kuò)64MB NAND FLASH 和64M SDRAM,提供USB2.0 接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行高速通信；該平臺(tái)集成了大尺寸LCD觸摸屏，型號(hào)：LQ080V3DG01,分辨率：640*480像素，這也是選擇它作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)的重要原因。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)介紹

在系統(tǒng)層，由于UP-TECH S3C2410 DVK1.1 開(kāi)發(fā)板提供原始的系統(tǒng)（vivi、linux-2.4、root.cramfs）版本低，因此，針對(duì)多媒體娛樂(lè)系統(tǒng)，裁剪移植了適合本系統(tǒng)的Uboot-1.1.6、linux-2.6.24 內(nèi)核和yaffs 文件系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用較為通用的bootloader:UBoot,網(wǎng)絡(luò)資源較多的內(nèi)核linux2.6 和可讀可寫(xiě)的yaffs 文件系統(tǒng)，易于系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。并配置了LCD 屏驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)、SD 卡等驅(qū)動(dòng)。

在應(yīng)用層，采用QT SDK 設(shè)計(jì)所有的應(yīng)用程序。

Qt 是一個(gè)跨平臺(tái)的C++圖形用戶(hù)界面（GUI）庫(kù)，包括跨平臺(tái)類(lèi)庫(kù)、集成開(kāi)發(fā)工具和跨平臺(tái)IDE.使用Qt"一次開(kāi)發(fā)，多次編譯",無(wú)須重新編寫(xiě)源代碼，便可跨不同桌面和嵌入式操作系統(tǒng)部署這些應(yīng)用程序。

3 實(shí)現(xiàn)原理

應(yīng)用層軟件的設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)模塊：多媒體播放器以及游戲模塊。用戶(hù)主界面設(shè)計(jì)了一個(gè)主框架，然后將其他功能模塊的圖標(biāo)放在該框架內(nèi)，完成了整體的規(guī)劃設(shè)計(jì)。下面詳細(xì)介紹這兩個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

3.1 播放器的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于音頻和視頻的播放，本系統(tǒng)使用QT 設(shè)計(jì)一個(gè)前端播放、控制界面，并使用Mplayer 作為后端程序，能播放mp3、ogg、ogm、wma、wav、asf、au、avi、mpeg、mpg、mv1、mov、wmv、pls、m3u、mp4、 m4a 等音頻和視頻格式。播放器模塊的結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示，播放器使用Mplayer 作為后端程序（紅色部分），使用QT4開(kāi)發(fā)前端程序（綠色部分）。

圖3 播放器結(jié)構(gòu)圖

3.1.1 后端程序簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)使用Mplayer 作為其后端程序。MPlayer被評(píng)為L(zhǎng)inux 下的最佳媒體播放工具，不需要任何系統(tǒng)解碼器就可以播放包括視頻、音頻、流媒體、廣播、電視等各種媒體。

Mplayer 另一個(gè)重要特點(diǎn)在于其開(kāi)源性。

Realplayer,WindowsMedia Player,QuICk Time 等許多播放軟件都是性能優(yōu)秀的播放軟件，但由于它們都不開(kāi)放源代碼，給移植帶來(lái)了麻煩。同時(shí)MPlayer 還具有良好的移植性，可以移植到許多非X86 平臺(tái)上，MPlayer 軟件包中含有針對(duì)ARM 架構(gòu)的優(yōu)化代碼，這些代碼利用ARM 的特性加快了對(duì)媒體的處理速度。

基于以上多個(gè)原因，本系統(tǒng)選擇了MPlayer 作為娛樂(lè)終端的播放軟件。本系統(tǒng)通過(guò)移植Mplayer 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻的播放功能。Mplayer 編、解碼模塊，是系統(tǒng)的音、視頻處理中心，在mplayer 的編解碼庫(kù)中，包含的大量的音、視頻格式處理程序，經(jīng)過(guò)編譯優(yōu)化過(guò)的mplayer 可以完成對(duì)大多數(shù)音、視頻格式高效的編解碼工作。

3.1.2 前端程序的設(shè)計(jì)與播放器的實(shí)現(xiàn)

主界面窗口有一個(gè)顯示屏和一些控制按鈕，包括播放、暫停、下一首、上一首、音量調(diào)整以及播放進(jìn)度條。文件操作窗口可以使用戶(hù)選擇要播放的文件。

播放列表用來(lái)播放用戶(hù)加載的多媒體文件。

MPlayer 默認(rèn)全屏播放，但在GUI 中一般都是指定區(qū)域或者控制來(lái)播放。這樣顯得美觀，MPlayer 支持在指定的X 窗口播放的功能。用-wid 參數(shù)告訴窗口ID即可。例如：mplayer test.mpg -wid 0x00029 #0x0029是XID,而QT 的控件都是從QWidget 繼承下來(lái)，因此它本身也有wid,這樣只要用 QWidget::winID（） 取出WID,即可實(shí)現(xiàn)在指定窗口播放視頻的功能。

本模塊是建立一個(gè)Qt GUI 程序。然后用一個(gè)label控件來(lái)播放視屏，用一個(gè)進(jìn)度條顯示播放的進(jìn)度，用按鍵顯播放，暫停，上一首，下一首，停止和添加資源文件。然后用一個(gè)Qprocess 在后臺(tái)執(zhí)行MPlayer,并把label 的WID 傳給它。然后把MPlayer 的輸入輸出重定向，把原本從標(biāo)準(zhǔn)輸入接收命令變成從GUI 的接收命令。

3.1.3 播放功能設(shè)計(jì)

播放器實(shí)現(xiàn)的軟件流程圖如圖4 所示：

圖4 播放器軟件流程圖。

通過(guò)定義一個(gè)QProcess 對(duì)象調(diào)用已編譯好的Mplayer。

QProcess *process = new QProcess（）；

process->setProcessChannelMode（QProcess::MergedChannels）；

Process->start（"mplayer –ac –mad xxxxx"）；

在命令中添加 -slave 和 -quiet 就可以通過(guò)命令設(shè)置Mplayer 實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。Process->start（"mplayer–slave –quiet –ac –mad xxxxx"）。

下面對(duì)播放器的暫停播放功能和音量調(diào)節(jié)進(jìn)行介紹。

① 播放暫停功能設(shè)計(jì)

通過(guò)這段代碼可以設(shè)置Mplayer 暫停：process->write（"pause "）；執(zhí)行這段代碼的時(shí)候在播放狀態(tài)下就會(huì)暫停，暫停狀態(tài)下就會(huì)繼續(xù)播放。

② 音量調(diào)節(jié)

下面代碼即可實(shí)現(xiàn)音量調(diào)節(jié)的功能：

Process->write（"volume -1 "）； //音量減??；

Process->write（"volume +1 "）； //音量增加；

Process->write（"volume XX 1 "）； //音量設(shè)置成指定值

該系統(tǒng)使用如下代碼實(shí)現(xiàn)音量調(diào)節(jié)：

QString cmd="volume" +QString::number（value）+" 1 ";

process->write（cmd.toLOCal8Bit（）。data（））；

系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)效果圖如圖5 所示：

圖5 播放器模塊實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

3.2 游戲模塊的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)打磚塊游戲。通過(guò)建立一個(gè)打磚塊的游戲類(lèi)CANnonFiELD,包含角度int angle、力度int force、是否正在射擊bool isShooting 等成員，具有設(shè)置角度setAngle（int angle）、設(shè)置力度setForce（intforce）、射擊shoot（）、運(yùn)動(dòng)軌跡shotRect（）、游戲控制newTarget（）、 setGameOver（）、restartGame（）等槽函數(shù)，能發(fā)出擊中hit（） 、未擊中missed（）、角度變化angleChanged（int newAngle） 力度變化force Changed（int newForce）等信號(hào)。

游戲開(kāi)始時(shí)使用隨機(jī)函數(shù)在指定區(qū)域內(nèi)顯示一個(gè)磚塊，點(diǎn)擊射擊按鈕時(shí)通過(guò)setAngle 和setForce 設(shè)置的角度和力度，使用shoot（）進(jìn)行射擊，通過(guò)發(fā)出的擊中hit（）或未擊中m