基于ARM L i nux QT的掌上多媒体系统的设计和实现

0 引言
    随着人们生活水平的提高，消费结构发生了巨大变化，消费者用于娱乐方面的支出在总支出中所占的比例正在不断扩大。掌上多媒体系统可以满足人们对于试听以及便携的需求，另外还可以实现一些其他功能，如图片浏览、网络下载、以及影音录制等。目前市场上的掌上多媒体系统多是Windows CE、Symbian、Palm OS等商用操作系统，其开放的程序不够高，而且价格偏高，不适于第三方应用软件的移植。ARM体系作为专用嵌入式系统设计的通用处理器内核，具备高性能、低功耗、易扩展的特点。本系统基于ARM9、嵌入式Linux操作系统设计并实现了一个更为开放的嵌入式平台，来实现掌上多媒体系统的诸多功能。

1 多功能掌上媒体播放器系统的硬件设计
    多功能掌上媒体播放器系统的硬件设计如图1所示。LCD采用的是Sharp的TFT屏，3．52in，分辨率240×320；音频控制器是IIS接口的音频控制器，解码芯片是UDA1314TS；另外扩展了用于视频录制的Philips的视频解码芯片SAA7113和ADI的JPEG压缩芯片。视频录制的框图如图2所示。

2 多功能掌上媒体播放器系统的软件设计
    系统设计和软件设计是本系统的难点。系统软件设计的总体框架如图3所示。
2．1 嵌入式Linux操作系统
    Linux最初由Linux Torvalds编写，后来在网络上被众多的Linux爱好者加以修改和维护，具有内核高效稳定、开源、可移植性强、内核可定制可裁剪、多线程多任务等特点，因此选择其作为本媒体播放器系统的操作系统。图1多功能掌上多媒体系统的硬件设计图2多功能掌上多媒体系统的视频录制系统的框图图3多功能掌上多媒体系统的软件设计总体框架
    首先定制裁剪并移植了Linux2．6的内核，然后为使各硬件能正常工作编写了键盘驱动、LCD驱动、触摸屏驱动、音频驱动、USB驱动等驱动。多功能掌上多媒体系统的正常工作首先是进入ARM－Linux操作系统，然后加载各个硬件的驱动程序并初始化各外围设备，接着就进入基于QT／Embedded库的Qtopia桌面系统编写的GUI图形界面程序的播放器，最后选择要进行的操作。
    对于Linux内核的移植首先要移植bootloader，系统采用的是VIVI，其功能包括：分区管理、参数管理、启动Linux操作系统、文件系统管理、支持网络、通过串口下载程序到Flash或者RAM等。建立嵌入式开发环境，使得能够交叉编译源代码，对VIVI的源代码进行交叉编译，生成能在ARM Linux上运行的bin文件，通过开发板的JTAG口将其烧写到开发板的Flash中。
    对内核的移植首先要对内核进行修改MAKEFILE文件指定编译器以及目标平台，然后配置内核，交叉编译生成内核镜像，通过UART口(串口)下载到开发板上。移植相应的文件系统。文件系统中的文件是数据的集合，不仅包含着文件中的数据，而且还有文件系统的结构，所有Linux用户和程序看到的文件、目录、软连接及文件保护信息等都存储在其中。在设计过程中把文件系统设置为可读写，这样操作性强一些，在投入到生产中的时候应该把文件系统设置为只读的，这样整个掌上多功能媒体播放器的操作系统就加载好了。
2．2 驱动程序的设计
    本系统共涉及到键盘驱动、触摸屏驱动、LCD驱动、音频驱动和USB驱动等驱动。因为多媒体功能是本系统的重点，所以播放器部分很重要，这里主要介绍音频驱动的编写。
    目前Linux下常用的音频驱动程序主要有两种类型：OSS(Open Sound System) 和ALSA。最早出现的Linux上的编程接口是OSS，它由一套完整的内核驱动程序模块组成，可为大多数音频芯片驱动提供统一的编程接口。在嵌入式系统中，对于特定的处理器(如本系统采用的S3C2410)，可以按照OSS接口标准来编写音频驱动程序，以满足Linux上的应用程序。OSS接口已经足够简单，需要完成的主要的工作就是对音频设备(本系统采用的是Philips的UDA1314TS)的read，write和ioctl等操作。[!--empirenews.page--]
    系统音频驱动主要是对UDA1314TS进行驱动编写，包括对UDA1314TS的L3接口的控制。首先初始化I／O和UDA1 314芯片，然后申请两个DMA(Direct Memory Access)通道用于音频传输(音频数据的发送和接收都通过一个先入先出的队列FIFO，但是只靠FIFO要保证音频的连续播放是很困难的，所以申请DMA通道来解决此问题)。OSS标准中由两个最基本的音频设备：混音器(Mixer)和数字信号处理器(DSP)又称编解码器，其中混音器主要用来控制输入输出音量的大小，只有open和release以及几个接管OSS标准的iotcl。而DSF设备驱动的方法比较复杂，主要包括open、release、read、write、poll、ioctl。其中主要在write和read方法中实现音频的播放和录音。以播放音频来说明DSP驱动程序的编写，对应了驱动程序中的open和write方法，它们利用DMA实现了音频的播放。在open中，首先判断设备打开的方法：读取、写入和读／写，分别对应音频的录音、播放以及录音同时回放，然后申请两个与音频DMA缓冲区相关的，在初始化DMA时要用到，最后程序可以根据设备打开模式的初始化S3C2410的工作模式，并清空所需的DMA缓冲区(在write方法被调用时创建)的数据结构，把它留给缓冲区创建。在这里，因为使用了两个DMA音频数据传输，DMA缓冲的建立发生在第一次调用wri te将音频数据传送到设备，而OSS驱动的调用者通常要在打开音频设备时就期望获得DMA缓冲的信息，然而因为缓冲尚未建立，会使得缓冲大小为0这个结果，解决办法时在两个与音频DMA缓冲区相关的程序部分一定不能少了以下代码：
    if(!output_stream．buffer&&audio_setup_buf(＆out stream))
    return-ENOMEM；
    在Write方法中首先判断设备文件打开的方式，具有write特性打开的设备才可以写入，然后判断是否没有建立DMA缓冲区，若没有，则通过audio_setup_buf()来创建，定义一个结构体(audio_stream_t)的指针如下：

2．3 Gu l程序的设计与播放器的实现
2．3．1 GUI程序的设计和实现
    播放器的图形界面在Qtopia视窗环境下运行，采用Qt／Embedded2．3．7作为底层图形库，用于生成用户界面。QT是一个跨平台的c++图形用户界面库，Qt／Embedded是面向嵌入式系统的版本，其最大的特点就是使信号和槽用于对象间的通信，Qt的窗口部件有多个预定义的信号，槽是一个可以被调用处理特定信号的函数。Qt的窗口部件有多个预定义的槽，当一个特定事件发生的时候，一个信号被发射，对应感兴趣的槽就会调用对应的相应函数。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。主界面窗口有一个显示屏和一些控制按钮，包括播放、暂停、快进、快退、下一首、上一首、音量调整以及播放进度条和播放时间显示。文件操作窗口可以使用户选择要播放的文件。播放列表用来播放最近播放的五个多媒体文件。
2．3．2 播放器的实现
    Linux下的播放器Mplayer是Linux上最优秀的多媒体播放器，它能够使用众多的编解码器，支持多种输出设备。可以播放市面上几乎所有的音视频格式。本系统选择其作为播放器，对其进行优化和移植。进行的优化主要有：
    (1)Mplayer在系统上运行的时候颜色会有偏差，因此编程校正Mplayer的色彩；
    (2)Mplayer正常模式不能在FramBuffer的中间显示，带-fs的全屏参数播放后，只能将播放位置移到中间，并不放大，修改播放显示位置，让它和Nplayer图形界面的调用相符合；
    (3)编程实现播放时对键盘事件正常化；
    (4)Mplayer采用的自带的mp3lib浮点音频解码库的解码效率很低，在播放音频时会很卡，通过采用使用定点运算的libmad音频解码库替代原来的mp3lib库进行音频解码；
    (5)使用Mplayer的-input选项，通过FIFO从GUI向后端程序传递控制信息。通过优化后，对Mplayer交叉编译，移植到系统上可以流畅地播放mp3等音频文件以及mpeg-1、mpeg-2、avi等视频格式。[!--empirenews.page--]
2．4 影音录制
    影音录制的系统框架见图2。通过扩展用于视频录制的Philips的视频解码芯片SAA7113和ADI的JPEG压缩芯片来实现。首先输入的模拟视频信号经过SAA7113转换为数字信号，然后传输给ADI的JPEG压缩芯片JPEG2000，压缩为JPEG图像信号，并通过扩展的总线接口传输到系统上。音频信号则直接通过音频输入接口送到音频解码芯片，并转化为数字信号进行编码。编写应用程序使传到的音视频数字信号一起转化为Motion JPEG编码的AVI格式的多媒体文件，并存入扩展的存储设备(微硬盘或者MMC／SD卡)，这样就可以被Mplayer播放。

3 性能优化
    尽管ARM9处理器主频可以高达200MHz以上，但是为了降低功耗，本系统在保证满足实时播放的前提下，对系统进行优化。所以，在一个资源受限的处理器上要实现多媒体文件的实时播放，性能优化成为关键。本系统主要通过解码程序优化，打开Cache等措施来提高系统性能。
3．1 对解码程序的优化
    由于解码过程绝大部分是计算，以MP3音频文件为例，其解码过程主要是高精度乘法和矢量运算，其中80％的CPU时间用于数值计算，因此对于解码部分主要采用了以下方法进行优化：
    (1)整数运算。在没有硬件浮点单元的CPU上，浮点运算是仿真方式，因此解码代码中应直接采用整数运算方式编码，而避免浮点运算；
    (2)通过查表方式代替很多运算式获取计算结果，对调用频繁的小函数采用inline修饰；
    (3)关键代码采用汇编语言编程，以获得更高效的目标代码，来提高系统的运行性能。
3．2 打开Cache
    ARM9处理器带有独立的16 kB数据Cache和16 kB的指令Cache。本系统中，打开指令Cache肯定能在一定程度上提高性能。至于数据Cache，由于从SD卡或者U盘读进来解码的数据使用完毕后就再也不会使用了，解码产生的数据也是一样，使用一次就会被丢弃，因此数据访问的时间局限性基本是不存在的。但是，系统在访问数据时存在很强的"空间局限性"，所以打开数据Cache后可以提高性能，因为：
    (1)Cache和IDRAM之间通过Burst方式传递数据，提高了总线带宽，从而降低读数据的延迟。
    (2)Cache一次读128bit或256bit，当读已在Cache中的数据时就会命中。
    (3)通过WriteBuffer或WriteBack方式读内存时，没有写DRAM的延迟。
    但是这样也会带来数据不一致的问题，主要是DMA造成数据的不一致，因为SD卡或USB的传输是通过DMA进行的，其传输过程无需CPU干预，DMA操作直接访问内存，但不会跟新Cache和写缓存相应的内容，这样就造成了数据的不一致，可用以下方法解决：
    (1)将SD卡或USB和CPU共享的控制数据空间设置为uncachable，否则无法保证CPU读到的Cache中的数据是最新数据，从而可能造成系统运行错误。
    (2)SD卡或USB输入模块通过DMA像主存传输文件数据时，写数据的缓冲区是由文件系统提供的。该缓冲区的特点是存储空间比较大而且是顺序访问的，可将其设置为cachable。
    经过上述方法的优化以后，系统性能得到了大幅度的提高。经过测试表明，优化后解码所需的时间为优化前的15％左右，均小于正常播放所需的时间，完全满足实时播放的要求。

4 结束语
    本系统以ARM9处理器为核心建立嵌入式多媒体系统，并在其上移植Mplayer播放器，扩展其功能，使mpeg-1、mpeg-2、avi等视频格式以及MP3、WMA等音频格式都能在其上流畅地播放，并实现了影音录制功能。在测试中各模块工作正常，达到了能全屏播放视频，流畅播放音频，能够将摄像头拍到的视频传送到Mplayer进行播放，能读取外接U盘或者SD卡中的多媒体文件进行播放，能从网络下载多媒体文件到扩展存储设备被Mplayer播放的设计要求。随着多媒体技术的广泛应用，掌上多功能媒体播放器会有更广阔的应用前景。