基于ARM LinuxQT的掌上多媒體系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)

0 引言

隨著人們生活水平的提高，消費結構發(fā)生了巨大變化，消費者用于娛樂方面的支出在總支出中所占的比例正在不斷擴大。掌上多媒體系統(tǒng)可以滿足人們對于試聽以及便攜的需求，另外還可以實現(xiàn)一些其他功能，如圖片瀏覽、網(wǎng)絡下載、以及影音錄制等。目前市場上的掌上多媒體系統(tǒng)多是Windows CE、Symbian、Palm OS等商用操作系統(tǒng)，其開放的程序不夠高，而且價格偏高，不適于第三方應用軟件的移植。ARM體系作為專用嵌入式系統(tǒng)設計的通用處理器內(nèi)核，具備高性能、低功耗、易擴展的特點。本系統(tǒng)基于ARM9、嵌入式Linux操作系統(tǒng)設計并實現(xiàn)了一個更為開放的嵌入式平臺，來實現(xiàn)掌上多媒體系統(tǒng)的諸多功能。

1 多功能掌上媒體播放器系統(tǒng)的硬件設計

多功能掌上媒體播放器系統(tǒng)的硬件設計如圖1所示。LCD采用的是Sharp的TFT屏，3．52in，分辨率240×320；音頻控制器是IIS接口的音頻控制器，解碼芯片是UDA1314TS；另外擴展了用于視頻錄制的Philips的視頻解碼芯片SAA7113和ADI的JPEG壓縮芯片。視頻錄制的框圖如圖2所示。

2 多功能掌上媒體播放器系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)設計和軟件設計是本系統(tǒng)的難點。系統(tǒng)軟件設計的總體框架如圖3所示。

2．1 嵌入式Linux操作系統(tǒng)

Linux最初由Linux Torvalds編寫，后來在網(wǎng)絡上被眾多的Linux愛好者加以修改和維護，具有內(nèi)核高效穩(wěn)定、開源、可移植性強、內(nèi)核可定制可裁剪、多線程多任務等特點，因此選擇其作為本媒體播放器系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。圖1多功能掌上多媒體系統(tǒng)的硬件設計圖2多功能掌上多媒體系統(tǒng)的視頻錄制系統(tǒng)的框圖圖3多功能掌上多媒體系統(tǒng)的軟件設計總體框架

首先定制裁剪并移植了Linux2．6的內(nèi)核，然后為使各硬件能正常工作編寫了鍵盤驅動、LCD驅動、觸摸屏驅動、音頻驅動、USB驅動等驅動。多功能掌上多媒體系統(tǒng)的正常工作首先是進入ARM－Linux操作系統(tǒng)，然后加載各個硬件的驅動程序并初始化各外圍設備，接著就進入基于QT／Embedded庫的Qtopia桌面系統(tǒng)編寫的GUI圖形界面程序的播放器，最后選擇要進行的操作。

對于Linux內(nèi)核的移植首先要移植bootloader，系統(tǒng)采用的是VIVI，其功能包括：分區(qū)管理、參數(shù)管理、啟動Linux操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)管理、支持網(wǎng)絡、通過串口下載程序到Flash或者RAM等。建立嵌入式開發(fā)環(huán)境，使得能夠交叉編譯源代碼，對VIVI的源代碼進行交叉編譯，生成能在ARM Linux上運行的bin文件，通過開發(fā)板的JTAG口將其燒寫到開發(fā)板的Flash中。

對內(nèi)核的移植首先要對內(nèi)核進行修改MAKEFILE文件指定編譯器以及目標平臺，然后配置內(nèi)核，交叉編譯生成內(nèi)核鏡像，通過UART口(串口)下載到開發(fā)板上。移植相應的文件系統(tǒng)。文件系統(tǒng)中的文件是數(shù)據(jù)的集合，不僅包含著文件中的數(shù)據(jù)，而且還有文件系統(tǒng)的結構，所有Linux用戶和程序看到的文件、目錄、軟連接及文件保護信息等都存儲在其中。在設計過程中把文件系統(tǒng)設置為可讀寫，這樣操作性強一些，在投入到生產(chǎn)中的時候應該把文件系統(tǒng)設置為只讀的，這樣整個掌上多功能媒體播放器的操作系統(tǒng)就加載好了。

2．2 驅動程序的設計

本系統(tǒng)共涉及到鍵盤驅動、觸摸屏驅動、LCD驅動、音頻驅動和USB驅動等驅動。因為多媒體功能是本系統(tǒng)的重點，所以播放器部分很重要，這里主要介紹音頻驅動的編寫。

目前Linux下常用的音頻驅動程序主要有兩種類型：OSS(Open Sound System) 和ALSA。最早出現(xiàn)的Linux上的編程接口是OSS，它由一套完整的內(nèi)核驅動程序模塊組成，可為大多數(shù)音頻芯片驅動提供統(tǒng)一的編程接口。在嵌入式系統(tǒng)中，對于特定的處理器(如本系統(tǒng)采用的S3C2410)，可以按照OSS接口標準來編寫音頻驅動程序，以滿足Linux上的應用程序。OSS接口已經(jīng)足夠簡單，需要完成的主要的工作就是對音頻設備(本系統(tǒng)采用的是Philips的UDA1314TS)的read，write和ioctl等操作。

系統(tǒng)音頻驅動主要是對UDA1314TS進行驅動編寫，包括對UDA1314TS的L3接口的控制。首先初始化I／O和UDA1 314芯片，然后申請兩個DMA(Direct Memory Access)通道用于音頻傳輸(音頻數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都通過一個先入先出的隊列FIFO，但是只靠FIFO要保證音頻的連續(xù)播放是很困難的，所以申請DMA通道來解決此問題)。OSS標準中由兩個最基本的音頻設備：混音器(Mixer)和數(shù)字信號處理器(DSP)又稱編解碼器，其中混音器主要用來控制輸入輸出音量的大小，只有open和release以及幾個接管OSS標準的iotcl。而DSF設備驅動的方法比較復雜，主要包括open、release、read、write、poll、ioctl。其中主要在write和read方法中實現(xiàn)音頻的播放和錄音。以播放音頻來說明DSP驅動程序的編寫，對應了驅動程序中的open和write方法，它們利用DMA實現(xiàn)了音頻的播放。在open中，首先判斷設備打開的方法：讀取、寫入和讀／寫，分別對應音頻的錄音、播放以及錄音同時回放，然后申請兩個與音頻DMA緩沖區(qū)相關的，在初始化DMA時要用到，最后程序可以根據(jù)設備打開模式的初始化S3C2410的工作模式，并清空所需的DMA緩沖區(qū)(在write方法被調用時創(chuàng)建)的數(shù)據(jù)結構，把它留給緩沖區(qū)創(chuàng)建。在這里，因為使用了兩個DMA音頻數(shù)據(jù)傳輸，DMA緩沖的建立發(fā)生在第一次調用wri te將音頻數(shù)據(jù)傳送到設備，而OSS驅動的調用者通常要在打開音頻設備時就期望獲得DMA緩沖的信息，然而因為緩沖尚未建立，會使得緩沖大小為0這個結果，解決辦法時在兩個與音頻DMA緩沖區(qū)相關的程序部分一定不能少了以下代碼：

if(!output_stream．buffer&&audio_setup_buf(＆out stream))

return-ENOMEM；

在Write方法中首先判斷設備文件打開的方式，具有write特性打開的設備才可以寫入，然后判斷是否沒有建立DMA緩沖區(qū)，若沒有，則通過audio_setup_buf()來創(chuàng)建，定義一個結構體(audio_stream_t)的指針如下：

2．3 Gu l程序的設計與播放器的實現(xiàn)

2．3．1 GUI程序的設計和實現(xiàn)

播放器的圖形界面在Qtopia視窗環(huán)境下運行，采用Qt／Embedded2．3．7作為底層圖形庫，用于生成用戶界面。QT是一個跨平臺的c++圖形用戶界面庫，Qt／Embedded是面向嵌入式系統(tǒng)的版本，其最大的特點就是使信號和槽用于對象間的通信，Qt的窗口部件有多個預定義的信號，槽是一個可以被調用處理特定信號的函數(shù)。Qt的窗口部件有多個預定義的槽，當一個特定事件發(fā)生的時候，一個信號被發(fā)射，對應感興趣的槽就會調用對應的相應函數(shù)。播放器界面主要包括主界面窗口、文件操作窗口、播放列表窗口。主界面窗口有一個顯示屏和一些控制按鈕，包括播放、暫停、快進、快退、下一首、上一首、音量調整以及播放進度條和播放時間顯示。文件操作窗口可以使用戶選擇要播放的文件。播放列表用來播放最近播放的五個多媒體文件。

2．3．2 播放器的實現(xiàn)

Linux下的播放器Mplayer是Linux上最優(yōu)秀的多媒體播放器，它能夠使用眾多的編解碼器，支持多種輸出設備?？梢圆シ攀忻嫔蠋缀跛械囊粢曨l格式。本系統(tǒng)選擇其作為播放器，對其進行優(yōu)化和移植。進行的優(yōu)化主要有：

(1)Mplayer在系統(tǒng)上運行的時候顏色會有偏差，因此編程校正Mplayer的色彩；

(2)Mplayer正常模式不能在FramBuffer的中間顯示，帶-fs的全屏參數(shù)播放后，只能將播放位置移到中間，并不放大，修改播放顯示位置，讓它和Nplayer圖形界面的調用相符合；

(3)編程實現(xiàn)播放時對鍵盤事件正常化；

(4)Mplayer采用的自帶的mp3lib浮點音頻解碼庫的解碼效率很低，在播放音頻時會很卡，通過采用使用定點運算的libmad音頻解碼庫替代原來的mp3lib庫進行音頻解碼；

(5)使用Mplayer的-input選項，通過FIFO從GUI向后端程序傳遞控制信息。通過優(yōu)化后，對Mplayer交叉編譯，移植到系統(tǒng)上可以流暢地播放mp3等音頻文件以及mpeg-1、mpeg-2、avi等視頻格式。

2．4 影音錄制

影音錄制的系統(tǒng)框架見圖2。通過擴展用于視頻錄制的Philips的視頻解碼芯片SAA7113和ADI的JPEG壓縮芯片來實現(xiàn)。首先輸入的模擬視頻信號經(jīng)過SAA7113轉換為數(shù)字信號，然后傳輸給ADI的JPEG壓縮芯片JPEG2000，壓縮為JPEG圖像信號，并通過擴展的總線接口傳輸?shù)较到y(tǒng)上。音頻信號則直接通過音頻輸入接口送到音頻解碼芯片，并轉化為數(shù)字信號進行編碼。編寫應用程序使傳到的音視頻數(shù)字信號一起轉化為Motion JPEG編碼的AVI格式的多媒體文件，并存入擴展的存儲設備(微硬盤或者MMC／SD卡)，這樣就可以被Mplayer播放。

3 性能優(yōu)化

盡管ARM9處理器主頻可以高達200MHz以上，但是為了降低功耗，本系統(tǒng)在保證滿足實時播放的前提下，對系統(tǒng)進行優(yōu)化。所以，在一個資源受限的處理器上要實現(xiàn)多媒體文件的實時播放，性能優(yōu)化成為關鍵。本系統(tǒng)主要通過解碼程序優(yōu)化，打開Cache等措施來提高系統(tǒng)性能。

3．1 對解碼程序的優(yōu)化

由于解碼過程絕大部分是計算，以MP3音頻文件為例，其解碼過程主要是高精度乘法和矢量運算，其中80％的CPU時間用于數(shù)值計算，因此對于解碼部分主要采用了以下方法進行優(yōu)化：

(1)整數(shù)運算。在沒有硬件浮點單元的CPU上，浮點運算是仿真方式，因此解碼代碼中應直接采用整數(shù)運算方式編碼，而避免浮點運算；

(2)通過查表方式代替很多運算式獲取計算結果，對調用頻繁的小函數(shù)采用inline修飾；

(3)關鍵代碼采用匯編語言編程，以獲得更高效的目標代碼，來提高系統(tǒng)的運行性能。

3．2 打開Cache

ARM9處理器帶有獨立的16 kB數(shù)據(jù)Cache和16 kB的指令Cache。本系統(tǒng)中，打開指令Cache肯定能在一定程度上提高性能。至于數(shù)據(jù)Cache，由于從SD卡或者U盤讀進來解碼的數(shù)據(jù)使用完畢后就再也不會使用了，解碼產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也是一樣，使用一次就會被丟棄，因此數(shù)據(jù)訪問的時間局限性基本是不存在的。但是，系統(tǒng)在訪問數(shù)據(jù)時存在很強的"空間局限性"，所以打開數(shù)據(jù)Cache后可以提高性能，因為：

(1)Cache和IDRAM之間通過Burst方式傳遞數(shù)據(jù)，提高了總線帶寬，從而降低讀數(shù)據(jù)的延遲。

(2)Cache一次讀128bit或256bit，當讀已在Cache中的數(shù)據(jù)時就會命中。

(3)通過WriteBuffer或WriteBack方式讀內(nèi)存時，沒有寫DRAM的延遲。

但是這樣也會帶來數(shù)據(jù)不一致的問題，主要是DMA造成數(shù)據(jù)的不一致，因為SD卡或USB的傳輸是通過DMA進行的，其傳輸過程無需CPU干預，DMA操作直接訪問內(nèi)存，但不會跟新Cache和寫緩存相應的內(nèi)容，這樣就造成了數(shù)據(jù)的不一致，可用以下方法解決：

(1)將SD卡或USB和CPU共享的控制數(shù)據(jù)空間設置為uncachable，否則無法保證CPU讀到的Cache中的數(shù)據(jù)是最新數(shù)據(jù)，從而可能造成系統(tǒng)運行錯誤。

(2)SD卡或USB輸入模塊通過DMA像主存?zhèn)鬏斘募?shù)據(jù)時，寫數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)是由文件系統(tǒng)提供的。該緩沖區(qū)的特點是存儲空間比較大而且是順序訪問的，可將其設置為cachable。

經(jīng)過上述方法的優(yōu)化以后，系統(tǒng)性能得到了大幅度的提高。經(jīng)過測試表明，優(yōu)化后解碼所需的時間為優(yōu)化前的15％左右，均小于正常播放所需的時間，完全滿足實時播放的要求。

4 結束語

本系統(tǒng)以ARM9處理器為核心建立嵌入式多媒體系統(tǒng)，并在其上移植Mplayer播放器，擴展其功能，使mpeg-1、mpeg-2、avi等視頻格式以及MP3、WMA等音頻格式都能在其上流暢地播放，并實現(xiàn)了影音錄制功能。在測試中各模塊工作正常，達到了能全屏播放視頻，流暢播放音頻，能夠將攝像頭拍到的視頻傳送到Mplayer進行播放，能讀取外接U盤或者SD卡中的多媒體文件進行播放，能從網(wǎng)絡下載多媒體文件到擴展存儲設備被Mplayer播放的設計要求。隨著多媒體技術的廣泛應用，掌上多功能媒體播放器會有更廣闊的應用前景。

[1].SAA7113datasheethttp:///datasheet/SAA7113_596303.html.