嵌入式數(shù)字視頻播放系統(tǒng)軟件平臺的構(gòu)建
摘要：本文介紹了在PowerPC405上利用嵌入式Linux來構(gòu)建數(shù)字視頻播放系統(tǒng)軟件平臺的過程，探討了嵌入式Linux系統(tǒng)里交叉編譯器、bootloader、Linux內(nèi)核、根文件系統(tǒng)等幾個主要部分的構(gòu)建過程。
關(guān)鍵詞：PowerPC405；嵌入式Linux；數(shù)字視頻播放機；U－BOOT
引言：
數(shù)字視頻播放設(shè)備在近幾年的發(fā)展十分迅速，種類繁多。傳統(tǒng)的視頻播放設(shè)備（如DVD播放機）的軟件系統(tǒng)一般都是一簡單的控制環(huán)系統(tǒng)，沒有操作系統(tǒng)，功能擴展和升級受到限制。本課題研究的便攜式數(shù)字視頻播放設(shè)備構(gòu)建于嵌入式32位PowerPC405 CPU之上，運行Linux操作系統(tǒng)，以大容量的硬盤作為存儲介質(zhì)，具有網(wǎng)絡(luò)功能。PowerPC405是IBM公司推出的一款專門針對嵌入式應(yīng)用的RISC處理器，應(yīng)用十分廣泛。嵌入式Linux[1]作為一種開源的操作系統(tǒng)軟件，具有免費、支持眾多CPU、可裁減、支持網(wǎng)絡(luò)、豐富的軟件資源等特點。利用嵌入式Linux來構(gòu)建數(shù)字視頻播放系統(tǒng)的軟件平臺使得該播放機成本低，易于升級和管理，支持多種接口如USB，從而使得視頻節(jié)目交換方便等優(yōu)勢，代表了該種設(shè)備未來發(fā)展的一個方向。本文主要探討了構(gòu)建應(yīng)用于數(shù)字視頻播放機的嵌入式Linux系統(tǒng)的bootloader、Linux內(nèi)核移植的主要過程和可能碰到的問題，給出了相應(yīng)的解決方案。
1 數(shù)字視頻播放系統(tǒng)框圖
（圖1-1 碼流播放系統(tǒng)硬件框圖）
圖1-1為本播放機的系統(tǒng)框圖，其核心控制系統(tǒng)為基于PowerPC405的嵌入式Linux，通過其上的應(yīng)用程序來把數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)里的節(jié)目經(jīng)過一定處理后搬移到碼流控制系統(tǒng)里的FPGA里，由FPGA完成解密后送給解碼系統(tǒng)，經(jīng)過解碼系統(tǒng)解壓縮后輸出RGB信號給顯示設(shè)備來顯示。其中我們要關(guān)注的就是核心控制系統(tǒng)里嵌入式Linux系統(tǒng)的搭建。
播放機的嵌入式Linux系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖1-2，硬件上電后，CPU的程序指針首先指向一個特定的存儲器地址，該地址處一般存放著bootloader，bootloader在初始化完CPU以及內(nèi)存等設(shè)備后，把Linux內(nèi)核從一般ROM設(shè)備里搬移解壓到內(nèi)存里，然后程序指針跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核在內(nèi)存里的開始位置處，由Linux內(nèi)核來繼續(xù)完成剩下的系統(tǒng)引導(dǎo)工作。內(nèi)核在重新初始化完系統(tǒng)后，就加載根文件系統(tǒng)，運行用戶應(yīng)用程序。整個嵌入式Linux系統(tǒng)平臺的構(gòu)建過程可以參照系統(tǒng)的啟動過程，主要要做的工作有構(gòu)建bootloader、Linux內(nèi)核、根文件系統(tǒng)這幾個部分。
（圖1-2 軟件系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖）
2 嵌入式Linux系統(tǒng)平臺搭建的準(zhǔn)備
要搭建嵌入式Linux系統(tǒng)平臺，首先要準(zhǔn)備好跨平臺開發(fā)工具鏈。它運行于本地主機上，編譯鏈接生成的二進制可執(zhí)行程序能夠運行于開發(fā)板的CPU及操作系統(tǒng)上。構(gòu)建這樣一個主要包括編譯器gcc，鏈接器ld，C庫glibc等的工具鏈的方法有很多種，可以去相關(guān)網(wǎng)站下載源代碼手工編譯，而最便捷的方法則為利用完善的已編譯好開發(fā)包，如德國denx公司的ELDK開發(fā)包，使用方法參見[2]。
3 bootloader與Kernel的選擇
準(zhǔn)備好了開發(fā)工具鏈之后，就可以開始嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)，首先是bootloader的選擇。
3.1 bootloader的選擇
一般的PC機啟動后先是進入BIOS，通過BIOS進行一定的系統(tǒng)初始化后，再引導(dǎo)操作系統(tǒng)如Windows或Linux等，而一般嵌入式系統(tǒng)里沒有BIOS，但也需要實現(xiàn)類似功能的模塊，這就是bootloader（引導(dǎo)裝載器），其主要的功能是初始化CPU、內(nèi)存等硬件設(shè)備，以及導(dǎo)入操作系統(tǒng)。Bootloader種類很多，如blob、lilo、grub、U－BOOT等。目前在嵌入式領(lǐng)域用得最廣泛的是denx公司的免費開源軟件U－BOOT，它支持PowerPC、ARM、MIPS、x86等多種CPU，超過100種開發(fā)板，源碼結(jié)構(gòu)清晰，移植容易，開發(fā)文檔豐富，用戶在使用中可能碰到的問題一般都能夠很快被解決。因此，我們選用U－BOOT做為開發(fā)板的bootloader。
根據(jù)不同的開發(fā)板，flash的大小以及型號不同，內(nèi)存的大小不一樣，啟動方式的不同等使得利用U－BOOT時需要做一些相應(yīng)的修改，以適應(yīng)用戶自己的開發(fā)板，具體移植方法及常見問題可參見[3]。
3.2 Linux內(nèi)核的移植
bootloader初始化完系統(tǒng)硬件后，把Linux內(nèi)核從外部存儲介質(zhì)中導(dǎo)入內(nèi)存里，然后，就將控制權(quán)交給Linux內(nèi)核，由內(nèi)核來繼續(xù)完成系統(tǒng)的引導(dǎo)工作。
如果內(nèi)核里沒有支持用戶所使用的開發(fā)板，那么用戶就需要自己手工修改Linux的內(nèi)核，做一些相關(guān)的移植工作，要關(guān)注的是對開發(fā)板的硬件外設(shè)部分的處理，包括內(nèi)核對板子硬件基本信息的處理，板上硬件設(shè)備的初始化、中斷的分配等。
開發(fā)板級別的Linux內(nèi)核移植最方便的方法是利用內(nèi)核里已有的且與用戶使用的硬件平臺最接近的開發(fā)板為模板，在此基礎(chǔ)上再做修改。我們使用的開發(fā)板與IBM walnut開發(fā)板類似，主要的外設(shè)包括硬盤、USB設(shè)備等都是利用PCI總線接口轉(zhuǎn)接（PCI轉(zhuǎn)IDE，PCI轉(zhuǎn)USB），所以內(nèi)核的移植工作主要有兩部分， 一為bootloader和內(nèi)核之間板子硬件信息的傳遞，二為PCI外設(shè)的初始化。
3.2.1 U-BOOT與Linux內(nèi)核的配合
U－BOOT在初始化完硬件設(shè)備后，把內(nèi)核裝入內(nèi)存，然后程序指針跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核所在位置處的同時，會傳遞一些參數(shù)給內(nèi)核來使用，其中就包括有board_info數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，內(nèi)容包括板子的CPU主頻、SDRAM和flash大小、ip地址、MAC地址等，Linux會利用這些參數(shù)來初始化系統(tǒng)。但Linux內(nèi)核與U－BOOT的開發(fā)并不是同一個組織，要修改Linux內(nèi)核的相關(guān)部分來匹配U－BOOT傳遞過來的數(shù)據(jù)，對于我們所使用的PowerPC，U－BOOT是利用五個通用寄存器（r3，r4，r5，r6，r7）來傳遞參數(shù)，我們需要修改通過r3寄存器傳遞過來的board_info數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（定義在Linux內(nèi)核里arch/ppc/platforms/cs2000.h），使之與U-BOOT源代碼里u-boot-1.1.1/include/asm-ppc/u-boot.h里定義的bd_info數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)容一致，這樣內(nèi)核才不會對U-BOOT傳遞過來的board_info數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行錯誤解讀。
3.2.2 PCI外設(shè)初始化部分的修改
Linux內(nèi)核初始化PCI部分的主要過程為：掃描整個PCI總線，找到連接在總線上的所有設(shè)備，根據(jù)各PCI設(shè)備配置空間寄存器的信息，給各PCI設(shè)備統(tǒng)籌分配I/O空間，memory空間，以及IRQ中斷號。對于x86平臺，這部分工作其實已經(jīng)在BIOS部分做過，Linux內(nèi)核只需調(diào)用BIOS生成的配置即可，但對于我們嵌入式Linux系統(tǒng)，沒有BIOS，這部分工作Linux內(nèi)核要自己做。而對于各個不同的開發(fā)板，需要補充到標(biāo)準(zhǔn)的PCI初始化代碼里的內(nèi)容有兩部分，一為PCI設(shè)備配置空間寄存器的訪問方式，另一為PCI中斷的配置。
根據(jù)PCI的協(xié)議規(guī)范，訪問某PCI設(shè)備配置空間的方法為先使能該設(shè)備的IDSEL管腳，才可以讀寫該設(shè)備的配置寄存器組。但PCI規(guī)范并沒有定義IDSEL管腳的連接方法，所以根據(jù)各開發(fā)板PCI從設(shè)備的IDSEL管腳硬件連線方法的不同，訪問PCI設(shè)備配置空間的方法也不同。
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（圖3-1）PCI設(shè)備IDSEL管腳的兩種接法
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switch (dev_function)
{
case PCI_DEV1: set_gpio1_high(); //置相應(yīng)的GPIO為高
case PCI_DEV2: set_gpio2_high();
default:break;
}
另外一項需要修改的PCI初始化代碼是有關(guān)PCI設(shè)備的中斷號分配。對于沒有BIOS的嵌入式Linux，PCI設(shè)備中斷號分配是由內(nèi)核根據(jù)板子的硬件連線來決定的。一般嵌入式設(shè)備不需要中斷路徑互連器，直接把插槽的/INT管腳與CPU的IRQ線相連。連接方法有很多種，如把一個插槽的四個中斷腳都連到一個IRQ上，由操作系統(tǒng)來控制中斷的復(fù)用關(guān)系，也可以一個PCI中斷管腳只連一個IRQ線。所以PCI IRQ的分配這部分Linux代碼要根據(jù)各開發(fā)板實際的中斷連接方法來修改。
在我們的開發(fā)板里，每個PCI的/INT管腳都連接到一單獨的IRQ線上，根據(jù)這種連接關(guān)系，我們從軟件上可以構(gòu)造出下面這樣一張表：
/* arch/ppc/platforms/our_board_name.c：ppc405_map_irq ()*/
static char pci_irq_table[][4] =
/* PCI /INT PIN->INTLINE
* A B C D */
{
{28, 29, 30, 30}, /* IDSEL 1 - PCI 插槽 1 */
{31, 31, 31, 31}, /* IDSEL 2 - PCI 插槽2 */
};
上表描述的PCI插槽1的/INT A中斷的號是28，而這個28號中斷的由來是該槽的/INT A與CPU的28號中斷的IRQ線相連了。把所有PCI插槽的中斷線與CPU IRQ線的連接關(guān)系填入表中，就可以通過內(nèi)核里標(biāo)準(zhǔn)的PCI初始化代碼正確分配各PCI設(shè)備的中斷號了。當(dāng)然，在板子的IRQ初始化部分（arch/ppc/platforms/our_board_name.c：board_setup_irq()）還要正確設(shè)置這些分配了的中斷線的觸發(fā)方式，極性等。
Linux內(nèi)核的移植牽涉到很多硬件的知識，對開發(fā)板的硬件原理圖有比較清楚的認(rèn)識可以對移植工作有事半功倍的效果。
結(jié)束語
有了bootloader，內(nèi)核，再利用Busybox[4][5]來構(gòu)建一個簡單的根文件系統(tǒng)后，這個嵌入式Linux系統(tǒng)平臺就已經(jīng)搭建完畢，用前述過程所搭建的嵌入式Linux系統(tǒng)平臺體積小，功能強，運行穩(wěn)定，對于像數(shù)字視頻播放機這種需要長期工作運行的設(shè)備而言非常適合，而且升級性強，對于未來的一些應(yīng)用需求，可以通過開發(fā)板上的PCI、USB、Ethernet等接口進行擴展，可以說是為以后設(shè)備的進一步功能增強奠定了堅實的基礎(chǔ)。本論文的創(chuàng)新點在于將傳統(tǒng)的視頻播放設(shè)備的簡單控制系統(tǒng)升級為嵌入式Linux系統(tǒng)，并對嵌入式Linux系統(tǒng)的構(gòu)建和移植作了詳細探討，特別是根據(jù)PCI設(shè)備的新連接方法提出了一種新的初始化算法，具有很強的應(yīng)用價值。
參考文獻
1陳 福等，基于嵌入式系統(tǒng)的視頻圖像捕獲研究與實現(xiàn)，《微計算機信息》，2005年第 12-2期，P12-13、P70
2 http://www.denx.de
3 http://www.denx.de/twiki/bin/view/DULG/Manual
4 http://www.busybox.net
5 Karim Yaghmour，Building Embedded Linux System.，O’Reilly， 2004
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