基于嵌入式linux的全彩LED顯示屏脫機控制系統(tǒng)設(shè)計方案

本文介紹了一種基于嵌入式系統(tǒng)的全彩LED顯示屏脫機播放系統(tǒng)的設(shè)計方案。該方案旨在建立一套具有視頻播放，圖片、文字顯示，支持多區(qū)域顯示和流媒體播放，支持高分辨率的全彩LED屏幕的小型播放系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件部分采用了S3C2440作為處理核心，并且使用嵌入式顯示芯片SM501提供2D圖形硬件加速功能。軟件部分移植了Linux 2.6內(nèi)核，開發(fā)了一套建立在Linux內(nèi)核之上的高顯示性能的專用LED播放軟件。本文較好地解決了目前LED顯示屏脫機控制卡局限于支持單色或者偽彩LED、分辨率低、不能播放高質(zhì)量視頻的現(xiàn)狀。

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高分辨率LED顯示屏的應(yīng)用日益廣泛，而目前國內(nèi)LED顯示屏的播放控制系統(tǒng)主要采用聯(lián)機方式來實現(xiàn)，即PC機+視頻發(fā)送板，通過千兆以太網(wǎng)或者光纖，將視頻實時發(fā)送到LED顯示屏端的視頻接收板上完成顯示。這種方式具有良好的人機操作界面和優(yōu)秀的視頻顯示質(zhì)量，對于近距離LED顯示屏聯(lián)機播放是一種重要的顯示手段。而對于超長距離、戶外LED顯示屏而言，聯(lián)機播放顯然需要付出很高的代價才能實現(xiàn)，有些場合甚至無法實現(xiàn)。而脫機方式在這些場合則顯示出其獨特的優(yōu)勢。脫機方式的特點在于無人值守，專用性強，占用資源少，經(jīng)濟便攜。同時可以通過一定的控制途徑如Internet、GSM網(wǎng)絡(luò)等可對播放過程及內(nèi)容進行實時的干預和修改。目前國內(nèi)的脫機控制系統(tǒng)多由嵌入式系統(tǒng)如單片機、SOC、DSP、RISC處理器等實現(xiàn)。大多數(shù)脫機控制卡只能顯示較小的分辨率，支持偽彩或者單色，不能播放高質(zhì)量的視頻。本設(shè)計旨在實現(xiàn)具有高分辨率、高質(zhì)量視頻播放、流媒體播放、多區(qū)域顯示等功能的小型專用LED脫機播放系統(tǒng)。 本文將從系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和原理、軟件各模塊設(shè)計與實現(xiàn)、性能測試及結(jié)論三個方面進行說明。

2 脫機播放系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和工作原理

目前國內(nèi)LED屏脫機控制系統(tǒng)多采用高性能RISC處理器作為核心，典型的以ARM9為核心的SoC芯片工作頻率大多在200~600MHz之間。然而顯示方面的性能依然比較低下，大多數(shù)芯片，典型的如S3C24X0,通過內(nèi)部集成LCD控制器來實現(xiàn)顯示功能，一般只支持到640X480的顯示分辨率，16bit顏色深度。處理器芯片內(nèi)置的LCD控制器是在系統(tǒng)內(nèi)存中設(shè)置一小部分作為幀存（Frame Buffer），LCD控制器使用一個專用的高速DMA通道不斷地讀取幀存中的象素數(shù)據(jù)到FIFO memory中，最后生成視頻時序輸出到外部LCD接口，因此視頻顯示直接占用系統(tǒng)總線帶寬。支持更高的分辨率和色彩深度意味著占用更多的系統(tǒng)帶寬，比如1024×768分辨下，24位深度，60Hz場頻的顯示輸出，顯示占用的系統(tǒng)帶寬在1.1Gbps以上。小型嵌入式系統(tǒng)有限的總線帶寬顯然不可能很好地支持高分辨率真彩顯示。

另一方面，對于一般的 2D圖形操作如象素復制、縮放、色空間轉(zhuǎn)換等需要軟件實現(xiàn)，處理器對Frame Buffer的頻繁操作帶來的系統(tǒng)性能下降十分突出，極大的影響了CPU在視頻解碼方面的效率。

鑒于上述分析，使用普通的面向手持設(shè)備的嵌入式體系結(jié)構(gòu)無法滿足全彩大型LED屏幕的顯示要求，本文選擇了工業(yè)級ARM芯片S3C2440+SM501顯示加速協(xié)處理器的解決方案，從根本上解決了上述分析兩個影響顯示性能的關(guān)鍵問題。

S3C2440是以ARM920T為核心，基本工作頻率400MHz,最高可達533MHz的一款工業(yè)級SoC.其內(nèi)部集成了RART,USB,I2 C,LCD,NAND,MMC/SD controller等多種常見IO設(shè)備控制器。

SM501是一款便攜式多媒體協(xié)處理器芯片，專門為嵌入式工業(yè)提供顯示功能，具有視頻和2D加速能力。它支持多種輸入/輸出接口，包括模擬RGB、數(shù)字LCD接口、8位并行接口、USB、UART、IrDA、Zoom Video、AC97或I2S、SSP、PWM和I2 C.SM501的2D引擎包括一個前端色彩空間轉(zhuǎn)換器，支持4∶1和1∶8的比例。LCD視頻流水線支持一個YUV色彩空間轉(zhuǎn)換。通過將優(yōu)化的128位的2D圖形引擎和一個與本地幀存儲器連接的高帶寬鏈接相結(jié)合，SM501提供面向工業(yè)的2D圖形加速功能。2D圖形引擎包含一個命令翻譯器（一個增強型的DMA引擎），對于工作在150 MHz的32位數(shù)據(jù)寬度的SDRAM,SM501的DMA引擎讀取2D操作數(shù)的帶寬可達600 MB/s.SM501支持的最大顯示分辨率為1280×1 024,可以輕松支持普通PC顯示分辨率1024×768.

整個硬件系統(tǒng)原理如圖1示。S3C2440與SM501在slave 模式下通過系統(tǒng)總線連接，SM501連接8MB的本地幀存，S3C2440可以通過系統(tǒng)總線直接訪問SM501的本地幀存。系統(tǒng)掛接DM9000A 10/100M網(wǎng)絡(luò)芯片，上位機脫機控制軟件通過Internet網(wǎng)絡(luò)連接到脫機系統(tǒng)進行實時控制。脫機系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)流媒體功能。

對于SM501輸出的數(shù)字視頻，采用FPGA進行采集和分發(fā)。SM501與FPGA之間通過LCD數(shù)字接口連接，包含24 bit并行象素點RGB數(shù)據(jù)、象素時鐘pclk,行場同步及DE信號。FPGA采集LCD接口輸出的象素數(shù)據(jù)并實時轉(zhuǎn)發(fā)到象素位置對應(yīng)的掃描板，一幀圖象傳輸完畢后，所有掃描板將同時更新顯示新圖像幀。每個掃描板控制的分辨率為256 × 256,脫機系統(tǒng)最大可以控制1024 × 768分辨率。FPGA內(nèi)部邏輯詳細設(shè)計不作為本文討論的主要內(nèi)容。

圖1 脫機播放系統(tǒng)硬件組成框圖

3 軟件系統(tǒng)

LED脫機播放軟件設(shè)計的基本要求包括：系統(tǒng)必須能夠勝任7× 24小時連續(xù)穩(wěn)定運行，因此播放軟件必須具備健壯性。雖然S3C2440處理速度相對已經(jīng)較快，但是解碼對CPU時間的占用仍然是一個很突出的問題，因此播放軟件必須具備高效性，尤其是盡最大可能發(fā)揮出SM501提供的2D加速顯示能力。另外由于SoC更新速度很快，硬件平臺必然會有更好選擇，因此軟件在保證高效率的前提下必須提高其可移植性。最后是建立開放式的軟件架構(gòu)，使之具備可擴展、可升級性，以便于逐步開發(fā)新的功能。

本文從以下兩個方面對軟件部分的設(shè)計進行介紹：

1）建立嵌入式Linux系統(tǒng)平臺

2）LED顯示屏脫機專用播放軟件設(shè)計與實現(xiàn)

文章將簡要介紹基于S3C2440平臺的嵌入式Linux系統(tǒng)平臺的搭建，然后著重介紹播放軟件在開放性、可移植性、高效性方面所采用的設(shè)計方法。

4.1 建立嵌入式Linux系統(tǒng)平臺

Linux內(nèi)核具有體積小，效率高，成熟穩(wěn)定，源代碼開放，資源豐富，內(nèi)核直接提供豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持多種文件系統(tǒng)等諸多優(yōu)點。本課題移植了Linux2.6.18內(nèi)核，該版本內(nèi)核具有穩(wěn)定性好、開發(fā)工具支持度好的優(yōu)點。這部分工作主要包括：

1）針對硬件平臺移植u-boot.

2）剪裁并交叉編譯Linux內(nèi)核。移植USB存儲盤、DM9000A網(wǎng)絡(luò)芯片、SM501顯卡的驅(qū)動到內(nèi)核

3）交叉編譯busybox,生成ext2格式的Initrd文件系統(tǒng)鏡像

4）通過u-boot將內(nèi)核和Initrd鏡像燒寫到Nand Flash上，設(shè)置內(nèi)核啟動參數(shù)和u-boot啟動命令來啟動內(nèi)核

經(jīng)過上述工作，建立了一個小型化的嵌入式Linux平臺。限于篇幅，本文對嵌入式Linux平臺的建立細節(jié)問題不深入介紹。

4.2 LED顯示屏脫機專用播放軟件設(shè)計與實現(xiàn)

LED顯示屏脫機播放軟件的主要設(shè)計目標是支持視頻播放、圖片顯示、多區(qū)域顯示、流媒體播放、遠程控制。由于整個軟件項目比較龐大，本文將只選擇幾個關(guān)鍵模塊進行詳細說明，并側(cè)重介紹軟件方面如何利用SM501來實現(xiàn)高性能顯示及視頻播放。對流媒體播放和遠程控制部分不做介紹。

4.2.1 多區(qū)域顯示功能模塊的設(shè)計

隨著LED顯示屏幕分辨率的不斷增加，同一個顯示屏對信息容量的需求也相應(yīng)的增長，在面向廣告的LED屏中這種需求尤其突出。典型的LED多區(qū)域顯示情形是一個視頻區(qū)域，多個圖片區(qū)域，一個滾動字幕區(qū)域。脫機播放系統(tǒng)主要面向戶外廣告屏，因此，必須重點考慮多區(qū)域顯示功能。

為了更好的支持LED屏幕多區(qū)域顯示，必須從傳統(tǒng)的全屏顯示概念中脫離出來，建立基于區(qū)域（zone）顯示的概念，即顯示內(nèi)容總是在某個顯示區(qū)域上完成顯示，單屏顯示只是多區(qū)域顯示的一個特例。在結(jié)構(gòu)上區(qū)域按層次劃分，區(qū)域可以劃分為多個子區(qū)域。同級子區(qū)域的位置不能重疊。這樣，在理論上，可以支持任意的以矩形為單位的分區(qū)域顯示形式。多個區(qū)域并行顯示，通過多線程方式實現(xiàn)。

每個區(qū)域都包含一個播放列表（playlist）。每個播放列表由一系列顯示項目（playitem）組成。 顯示項目的概念是指在某個顯示區(qū)域上進行一次完整的顯示過程。如一段視頻播放，一幅圖片定時顯示，文字的運動顯示等。程序采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，將不同類型的顯示項目的共性抽象出來，以方便不斷擴展的新的顯示項目和客戶定制的顯示內(nèi)容。

所有的顯示項目，無論其內(nèi)容如何，都可以抽象為一個隨時間變化的狀態(tài)機。每個顯示項目在時間的推移下在其所屬的區(qū)域中完成自身的顯示，也就是完成一個從初始化到結(jié)束的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程。因此，playitem是一個抽象基類。每種類型的顯示項目只需重新實現(xiàn)playitem提供的公共調(diào)用接口即可。

每個區(qū)域具有一個播放線程，該線程不斷地從playlist中取出一個顯示項目，執(zhí)行其狀態(tài)轉(zhuǎn)換接口完成顯示過程。這種設(shè)計允許不同類型的顯示項目混合排列在同一個顯示列表下，極大的增加了播放過程安排的靈活性。

多區(qū)域顯示設(shè)計模型如圖2示。

圖2 多區(qū)域顯示模型

4.2.2基于SM501的2D加速顯示接口設(shè)計

顯示層的設(shè)計旨在提供一套可移植的、使用方便的2D顯示接口，包括基于區(qū)域內(nèi)部坐標的應(yīng)用顯示層接口和基于屏幕坐標而與硬件無關(guān)的底層顯示接口。應(yīng)用顯示層給顯示項目playitem提供簡單的基于區(qū)域坐標的顯示接口?；谄聊蛔鴺说牡讓语@示直接工作在SM501硬件之上，最大化利用了SM501硬件加速能力，同時還提供了可移植的接口。在移植到其他的2D硬件上只需要重新實現(xiàn)底層顯示接口即可。

由于硬件設(shè)計上SM501處于slave mode與S3C2440連接，SM501不能訪問系統(tǒng)內(nèi)存，所有要進行加速操作的顯示內(nèi)容必須存放在SM501的獨立顯存上，這樣不方便移植DirectFB作為底層顯示接口。因此本文按照通用的2D顯示接口，獨立實現(xiàn)了一套基于屏幕坐標的通用底層2D顯示接口。

在實現(xiàn)上通過mmap把SM501的控制寄存器和獨立顯存全部從內(nèi)核空間映射到用戶空間，這樣在程序中可以直接訪問SM501的寄存器和管理本地顯存，避免了在顯示時應(yīng)用程序與內(nèi)核之間的數(shù)據(jù)交換，顯示加速作用得以充分發(fā)揮。基于對SM501的直接訪問，底層顯示層實現(xiàn)了一套基本接口，包括顯存分配與釋放和基本2D加速操作如畫線（line）、矩形填充（fill_rect），位圖復制（bitblt）、縮放（bitblt_stretch）、色空間轉(zhuǎn)換（CSC）等。其中對視頻播放性能影響最大的是縮放和色空間轉(zhuǎn)換。

SM501的繪圖引擎（Draw Engine）包括兩個部分，2D繪圖引擎和CSC顏色空間轉(zhuǎn)換模塊。2D繪圖引擎主要用來繪制直線（基于Bresenham算法），矩形填充，復制（Bitblt），旋轉(zhuǎn)復制（Rotation bitblt）?？s放與顏色空間轉(zhuǎn)換功能都是通過CSC模塊來實現(xiàn)。CSC模塊可以實現(xiàn)YUV422,YUV420,RGB565,RGB888幾種色彩空間及格式轉(zhuǎn)換到RGB565和RGB888,色空間轉(zhuǎn)換隱含了縮放功能。

顯存分配與釋放管理是對映射到用戶空間的Frame buffer進行的。實現(xiàn)上使用空閑鏈表的方法，并且采用最先適應(yīng)的原則。最先適應(yīng)分配算法有利于保留更大的連續(xù)內(nèi)存塊給那些一次性內(nèi)存需求量大的分配請求。由于視頻解碼后色空間轉(zhuǎn)換和縮放必須使用硬件加速來實現(xiàn)，因此總是預留1M的顯存空間給視頻顯示使用。在顯存不足的情況下，通過malloc分配系統(tǒng)內(nèi)存。相應(yīng)的所有顯示層接口的地址參數(shù)均被設(shè)計成為自動識別地址屬于系統(tǒng)內(nèi)存還是獨立顯存，如果地址屬于系統(tǒng)內(nèi)存，則表明當前顯存不足，于是使用軟件的方法實現(xiàn)繪圖操作。在釋放顯存時，程序若識別參數(shù)地址為系統(tǒng)內(nèi)存，將調(diào)用free去完成釋放。

在多個顯示區(qū)域同時顯示的情況下，顯存的分配與釋放管理以及所有的基于硬件加速的2D操作均被互斥地調(diào)用，以避免多線程同時對SM501資源進行爭用帶來的與時間相關(guān)的執(zhí)行錯誤。

由于SM501加速操作只能使用本地幀存的物理地址，而通過mmap映射得到的是進程空間的虛擬地址，顯存分配得到的地址也是基于映射后的地址，因此寫入SM501寄存器中作為地址的操作數(shù)必須將進程空間地址轉(zhuǎn)化為實現(xiàn)的幀存物理地址。轉(zhuǎn)化方法就是用顯示分配函數(shù)得到的地址減去mmap得到的首地址。

建立在底層顯示層之上，軟件實現(xiàn)了與屏幕絕對坐標無關(guān)的基于區(qū)域內(nèi)部坐標的2D加速顯示接口。區(qū)域內(nèi)部坐標與區(qū)域本身在屏幕上的絕對坐標相加即可得出要顯示的絕對坐標。另外每個顯示區(qū)域都有對齊、縮放方式的選項?？s放方式可以有不縮放，線性縮放，非線性縮放三種，對齊在X,Y方向上分別有三種對齊方式。因為實際顯示的內(nèi)容大小與顯示區(qū)域大小往往不是相同的，因此這兩種選項對實際顯示效果影響極大。如區(qū)域?qū)捀弑扰c顯示內(nèi)容寬高比相差較大時，非線性縮放將導致顯示內(nèi)容嚴重畸變，而線性縮放將顯示內(nèi)容保持為原來的寬高比。顯示層次如圖4.

圖3 顯示層次

4.2.3脫機系統(tǒng)的視頻播放器設(shè)計

這部分主要介紹針對SM501顯卡的解碼過程優(yōu)化設(shè)計，并給出優(yōu)化后的性能測試數(shù)據(jù)。LED脫機播放系統(tǒng)目前支持MPEG-4視頻格式的AVI文件播放。

MPEG-4是MPEG（運動圖像專家組）制定的視頻壓縮標準，是目前用得最廣泛的一種視頻編碼標準。MPEG組織于1999年1月正式公布了MPEG-4 V1.0版本。MPEG-4除采用第一代視頻編碼（MPEG-1,MPEG-2,H.263等）的核心技術(shù)，如變換編碼、運動估計與運動補償、量化、熵編碼外，還提出了一些新的有創(chuàng)見性的關(guān)鍵技術(shù)，包括視頻對象提取技術(shù)、VOP視頻編碼技術(shù)、視頻編碼可分級性技術(shù)、運動估計與運動補償技術(shù)等。

Xvid是開源的MEPG-4碼器，遵守GPL通用公共許可證，也是目前國際上公認的性能最佳的MPEG-4編解器之一，支持MPEG-4 SP框架。本文移植了Xvidcore-1.1.3到arm-Linux環(huán)境，并且基于Xvid設(shè)計了自己的LED脫機系統(tǒng)視頻播放器。

AVI文件格式是Windows系統(tǒng)下最常用的一種視頻文件格式。AVI文件并不局限任何視頻編碼格式。AVI文件格式是基于RIFF（Resource Interchange File Format）文件格式的。RIFF基于“塊”為信息單位，每個塊由一個4字符組成的FOURCC字標識。整個文件由一個RIFF塊構(gòu)成，RIFF塊和LIST（列表）塊可以包含子塊。包含子塊的塊結(jié)構(gòu)為：FOURCC+塊長度+塊類型+塊數(shù)據(jù)。不包含子塊的塊結(jié)構(gòu)為：FOURCC+塊長度+數(shù)據(jù)。 AVI文件在RIFF的基礎(chǔ)上定義了自己的塊類型和數(shù)據(jù)。一個AVI RIFF文件由3大部分組成：RIFF文件頭，hdrl列表，movi列表，除此外還有一個可選的索引idxl塊。其中hdrl列表包含 avih 子塊和 strl 子列表，文件中有多少個流，hdrl 列表中就有多少個strl 子列表，strl子列表在 hdrl 中的次序就是流的序號。Movi列表中是實際的MPEG-4編碼流，avih子塊包含了AVI視頻文件的頭信息，比較重要的是幀頻。一般的AVI視頻文件只有一個視頻流。戶外LED屏幕對于音頻播放需求少，因此本文并不涉及音頻解碼。

Xvid解碼過程中要不斷輸入MPEG-4視頻編碼比特流，視頻流從AVI文件中的movi列表子塊中提取。AVI文件存儲在USB可移動存儲盤上，文件IO時間延遲會導致解碼過程產(chǎn)生間隙性的視頻播放停頓，因此有必要采用單獨的IO線程從AVI文件中不斷提取視頻流。IO線程與解碼線程構(gòu)成一種生產(chǎn)者-消費者類型的線程同步關(guān)系，需要引入同步互斥量來保證其同步工作。

由于MPEG-4視頻編解碼的原始顏色空間是YUV420,如果直接輸出YUV420平面格式Xvid不需要進行顏色空間轉(zhuǎn)換，其余輸出格式則需要經(jīng)過色空間轉(zhuǎn)換算法得到。Xvidcore-1.1.3解碼器輸出不同的顏色空間格式對整個解碼時間的影響非常顯著。表1是在S3C2440平臺下使用Xvidcore-1.1.3解碼同一MPEG-4視頻文件（分辨率320x176） 使用不同輸出格式的幀頻比較。

表1 Xvid不同輸出格式解碼速率比較表

本文使Xvid解碼直接輸出YUV420平面格式，避免了Xvid使用軟件算法進行色空間

轉(zhuǎn)換，然后使用SM501提供的YUV420轉(zhuǎn)RGBx888硬件色空間轉(zhuǎn)換命令完成視頻幀的顯示。這種方式下SM501與Xvid解碼器并行工作，發(fā)揮了最佳的效果。同時為了避免了對數(shù)據(jù)的二次復制，本文直接在SM501本地顯存中申請了空間作為解碼幀輸出地址，這些優(yōu)化使得整個解碼器的性能提高了2~3倍。 圖4表示了簡要的視頻播放軟件流程。

通過硬件縮放和象素復制，本文實現(xiàn)了1024×768分辨率下全屏流暢視頻顯示和多區(qū)域視頻同步顯示等普通嵌入式系統(tǒng)難以達到顯示效果。多個顯示區(qū)域下脫機播放系統(tǒng)AVI視頻文件播放性能測試結(jié)果如表2示?？梢钥吹剑捎谟杏布?D加速支持，解碼速率與視頻實際顯示速率完全相等，區(qū)域大小以及多個區(qū)域同時顯示對系統(tǒng)性能沒有顯著影響。

表2 視頻播放器性能測試

測試結(jié)果表明該系統(tǒng)足以勝任大多數(shù)全彩類型商業(yè)廣告LED大屏幕脫機視頻播放。

圖4 優(yōu)化的視頻播放流程

5 結(jié)論

本文采用高速MCU和SM501嵌入式顯卡作為硬件平臺，突破了嵌入式系統(tǒng)在顯示性能上的瓶頸，接口明確。在軟件上移植了Linux2.6內(nèi)核作為軟件平臺，在效率和可移植性方面做了較好平衡，運用了良好的軟件設(shè)計思想，開發(fā)出具有開放式體系結(jié)構(gòu)的LED脫機播放軟件。該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于全彩LED顯示屏的脫機播放和控制。