基于ARM Linux QT掌上多媒体系统的设计和实现
时间：11-22
来源：武汉大学 刘立昶
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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。
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。
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：
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。
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。
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：
- 基于MCF51QE128的SD卡接口设计(01-05)
- 基于BU9435的嵌入式MP3播放模块方案(04-09)