基于嵌入式Linux的PMP系统设计与实现

摘  要：本文介绍了以TI的DM320为主芯片，基于嵌入式Linux的PMP系统的设计与实现。设计实现包括软件和硬件两个部分，其中重点在软件部分。采用本设计方案的PMP系统可以实现高质量的音频、图片、视频效果，以及其他一些辅助功能。
关键词：PMP；嵌入式Linux；音/视频编解码

PMP系统简介
    便携式多媒体播放器(PMP)，也就是通常人们所说的MP4，已成为继MP3以后消费类产品的一个新热点。PMP的主要优点是：携带方便，能够直接播放高品质音/视频文件；也可以浏览图片，以及作为移动硬盘、数字银行使用；此外，还有FM、游戏等功能。PMP播放器不仅需要对机体大小有所限制，更重要的是需要一种压缩效率更高、画面质量更高的视频压缩技术，以及相关编解码芯片。本文介绍了此PMP系统的软、硬件设计，重点在软件设计，此PMP系统方案现在已经进入量产阶段。
　　
PMP系统的硬件设计
    现阶段PMP内部核心架构，大多都是采用CPU搭配DSP的方式。其中，DSP负责编/解码工作；CPU则是针对文件管理、存取，以及使用接口、周边组件的控制等进行处理。另外，还需考虑整合硬盘、存储卡及LCD显示屏等组件，以及与外部USB接口、操控按钮间的搭配等问题。

    为符合上述要求，PMP的设计需要内建视频编/解码芯片，作为模拟与数字两种信号间转换之用。另外，设计还需要考虑：用来连接视频译码器与DSP的总线；LCD显示屏的驱动电路；IDE接口与硬盘控制芯片间的沟通等。

图1 DM320的结构图

    本系统整体方案是建立在TI DM320基础之上的。DM320 是一款支持视频编/解码的带有双CPU核的处理器。针对多媒体器件做专门的处理, 它可以直接支持视频输入/输出, 可以方便的扩展音频的输入/输出, 支持USB ,SDRAM,FLASH，CF/SD/MMC/MS/MS Pro 接口。DM320的结构图，如图1所示。

    TI DM320将C5409与ARM926整合，即将CPU与DSP同时集成在DM320核心内。芯片采用32MB或64MB容量的SDRAM，以及4MB的闪存，用作加载与存放操作系统。DM320本身已内建LCD控制器、USB2.0 OTG接口控制器，同时让CCIR-656格式信号经由总线在视频译码芯片与DM320间传送。由于NTSC/PAL编码器也被整合在其中，因此也可直接进行复合视频输出。

图2   DM320硬件系统的整体框架图

    另一方面，DM320还可支持CCD/CMOS感光组件的连接，使得未来PMP要导入DSC、DV等更为容易。对于存储卡的兼容性部分，除现阶段主流的CF、SD及MMC外，还包括Memory Stick。此外，此芯片还提供2组RS232串行端口、1组JTAG接口，能支持更多的外围设备。DM320硬件系统的整体框架图，如图2所示。

图3 PMP软件设计框图

PMP系统的软件设计
    因为要兼顾到高质量的音视频效果、多种外设和有限的系统资源，PMP软件系统的设计变得相对复杂。系统设计将软件分为三层结构，如图3所示。

    该系统的最底层是操作系统层，其中包括bootloader引导程序，主要完成系统从FLASH的启动，LOGO的显示，以及OS的引导。嵌入式Linux主要包括适合在TI DM320上运行的Linux操作系统，以及各种外围设备的驱动程序。第2层为CODEC和MMI核层，MMI核包括第3层主GUI和各种应用程序所依赖的各种框架结构和数据结构，如窗口管理，定时器管理等。CODEC部分包括音频的编解码程序(主要由ARM实现)和图像的编解码程序(主要由DSP实现)。最上层为主GUI和各种应用程序。应用程序包括：FileManager(用来浏览存储器中的文件)，VideoPlayer(播放视频文件)，AudioPlayer(播放音频文件)，ImageViewer(浏览图片)，FM(收音机)，Games(游戏)，Resumes(重新播放音/视频文件)。

嵌入式Linux操作系统
    本系统采用的Linux内核是对从Internet上下载比较稳定的Arm-Linux内核进行相应的修改,并编写相关外围设备的驱动程序,使之成为一个适合TI DM320开发的操作系统环境。之所以称为嵌入式，是因为其操作系统运行的环境并不是普通的PC，而且嵌入在非PC构架的电子设备中。

关于内核修改Kconfig文件
    Kconfig文件是用来对你所要加载内核内容进行配置的文件。比如，当在控制台上敲入make menuconfig，就会看到内核配置的窗口，可对其中的内容进行选择。选择[*]表示把此内容编入内核，选择[M]表示把此内容当成模块编译。Linux支持动态加载内核模块的功能，甚至可以在运行操作系统一段时间后再加载内核模块。由于DM320框架并未列入内核中，所以我们需要把DM320框架加入内核。首先，就要在内核目录下./arch/arm/Kconfig加入DM320的配置选项，这样才能在执行make menuconfig配置内核时看到DM320框架。修改的部分内容如下所示：

choice
prompt "ARM system type"
default ARCH_DM320_20 file://在配置ARM系统时，默认的就是DM320框架。
source "arch/arm/mach-dm320-20/Kconfig"把DM320框架下的配置选项也引入。
  
    同时，去掉其他CPU框架。如：
#source "arch/arm/mach-clps711x/Kconfig"
#source "arch/arm/mach-integrator/Kconfig"
其中，“#”表示此行内容为注释内容。

    最后，就是要把内核配置选项中对DM320开发有用的项选进来。比如：
source "drivers/char/Kconfig"
if (!ARCH_DM320_20)
source "sound/Kconfig"
endif file://选择开发字符设备的驱动，而不需要声音的支持。

    因为要把CODEC编入内核，所以我们还要加入支持CODEC的配置选项：
source "codecs/modules/Kconfig"

    同时，如果我们要加入一个新外围设备，也需要在Kconfig文件中加入对应的内容。比如说，要加入一个三星的4英寸TFT LCD的驱动，我们可以修改./drivers/char/Kconfig文件，并加入以下内容：
config DM320_SAMSUNG_ 4_LCD
tristate "DM320 SAMSUNG 4.0 inch 16:9 TFT LCD"
depends on ARCH_DM320_20 && BOARD_400H
default y
help
This driver provides support for SAMSUNG 4.0' 16:9 TFT LCD for DM320.

    其中，config DM320_SAMSUNG_4_LCD表示增加一个新的配置入口。一旦这个配置选项被选中就会在./include/linux/autoconf.h:有:#define CONFIG_DM320_SAMSUNG_4_LCD 1的定义。

    这样的话,我们在整个内核源码树中都可以使用CONFIG_DM320_SAMSUNG_4_LCD来进行特定的选择。

    在tristate "DM320 SAMSUNG 4.0 inch 16:9 TFT LCD"中，引号里的内容为出现在配置选项中的提示文字。tristate表示三态,意思是除了可以选择[*]、[ ]外,还可以选择[M],表示把当前内容当成模块编译。

    depends on ARCH_DM320_20 && BOARD_400H表示如果前面配置平台框架时选择了ARCH_DM320_20,并在选择型号时选择了BOARD_400H,我们就可以看到这个对于三星4英寸TFT LCD的配置选项。

    default y表示默认把此驱动编入内核。help的内容为当我们对内核进行配置时,选帮助所看到的内容。

Makefile文件
    简单地说，Makefile是用来进行项目配置和管理的。我们要把Linux编译、链接最后生成可执行的内核映像,Makefile文件是必不可少的。

    在该PMP设计开发中,只需要把外设驱动模块加入相应的内核源码树就可以完成对Makefile文件的修改。以加入三星4英寸TFT LCD驱动为例，只需要在./drivers/char/Makefile加入如下内容即可：
obj-$(CONFIG_DM320_ SAMSUNG_4_LCD)  += dm320_lcd_samsung4.o

PMP系统设计中两个必须的驱动以及要注意的问题
LCD驱动程序
    在一个PMP设备中，LCD显示屏是必备的。在LCD驱动程序的设计过程中，主要是要选好时钟源、分频系数以及时钟极性。比如在DM320中，时钟控制器有以下几个外部输入：PCLK、SYSCLK、MXI、M48XI，其中除了M48XI外其余均选择27M外部晶振。LCD的时钟频率DCLK在本系统中是由VENC(Video Encoder Clock)确定,而VENC又可以通过系统的PLL分频而确定，所以说首先要选好时钟源和恰当的分频系数，然后通过设置VENC的寄存器就可以设置时钟的极性。

FrameBuffer驱动
    FrameBuffer是把显存抽象成一个设备，通过对这个设备的读写就等同于直接对显存进行操作。这种操作是抽象的、统一的。用户不必关心显存的物理位置、换页机制等具体细节，这些都是由FrameBuffer设备驱动程序来完成的。 FrameBuffer对应的源文件在linux/drivers/video/目录下。全部的抽象设备文件作为fbcon.c与各种显卡驱动程序相关的源文件放在该目录下，如笔者所进行的针对DM320的FrameBuffer源文件dm320fb.c。在源文件我们要设置相应屏幕的长、宽以及每一个像素点的位数等等，还有一些与DM320 OSD(On-Screen Display)相关的寄存器的设置。因为涉及内容较多，在此不再赘述。
　　
结语
    本PMP方案设计的产品已经进入量产阶段，经过大量的用户测试，证实了整个设计是切实可行的。同时，其设计思路对于其他类似产品如车载GPS，都有一定的参考价值。

参考文献：
1. Jonathan Corbet, Alessandro Rubini, and Greg Kroah-Hartman，LINUX DEVICE DRIVERS. O'REILLY ，东南大学出版社(影印版)，2005年6月第1版
2．Texas Instruments, TMS320DM320 CPU and Peripherals Vol-1a
3. 谭磊, 基于嵌入式LINUX 的智能手机系统设计，电子技术应用，2004年第12期
4. 倪继利，Linux内核分析及编程 电子工业出版社，2005年9月第1次印刷