隨著人們生活水平的提高，消費結(jié)構(gòu)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(luò)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(yīng)用軟件的移植,。ARM體系作為專用嵌入式系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(shè)計
多功能掌上媒體播放器系統(tǒng)的硬件設(shè)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所示,。
2 多功能掌上媒體播放器系統(tǒng)的軟件設(shè)計
系統(tǒng)設(shè)計和軟件設(shè)計是本系統(tǒng)的難點,。系統(tǒng)軟件設(shè)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(luò)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(wù)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),。
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(qū)動、LCD驅(qū)動,、觸摸屏驅(qū)動,、音頻驅(qū)動、USB驅(qū)動等驅(qū)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(qū)動程序并初始化各外圍設(shè)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(luò)、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(yīng)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(jié)構(gòu),，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(shè)計過程中把文件系統(tǒng)設(shè)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(yīng)該把文件系統(tǒng)設(shè)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(qū)動程序的設(shè)計
本系統(tǒng)共涉及到鍵盤驅(qū)動,、觸摸屏驅(qū)動,、LCD驅(qū)動、音頻驅(qū)動和USB驅(qū)動等驅(qū)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(qū)動的編寫,。
目前Linux下常用的音頻驅(qū)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(qū)動程序模塊組成,，可為大多數(shù)音頻芯片驅(qū)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(qū)動程序,，以滿足Linux上的應(yīng)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(shè)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(qū)動主要是對UDA1314TS進行驅(qū)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(shè)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(shè)備驅(qū)動的方法比較復(fù)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(qū)動程序的編寫,，對應(yīng)了驅(qū)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(shè)備打開的方法：讀取、寫入和讀／寫,，分別對應(yīng)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(guān)的,，在初始化DMA時要用到,，最后程序可以根據(jù)設(shè)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(diào)用時創(chuàng)建)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，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(diào)用wri te將音頻數(shù)據(jù)傳送到設(shè)備,，而OSS驅(qū)動的調(diào)用者通常要在打開音頻設(shè)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(jié)果,，解決辦法時在兩個與音頻DMA緩沖區(qū)相關(guān)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(shè)備文件打
開的方式,，具有write特性打開的設(shè)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(jié)構(gòu)體(audio_stream_t)的指針如下：
2．3 GUl程序的設(shè)計與播放器的實現(xiàn)
2．3．1 GUI程序的設(shè)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(yù)定義的信號，槽是一個可以被調(diào)用處理特定信號的函數(shù),。Qt的窗口部件有多個預(yù)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(yīng)感興趣的槽就會調(diào)用對應(yīng)的相應(yīng)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(diào)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(shè)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(diào)用相符合；
(3)編程實現(xiàn)播放時對鍵盤事件正?；?；
(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(zhuǎn)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(zhuǎn)化為數(shù)字信號進行編碼,。編寫應(yīng)用程序使傳到的音視頻數(shù)字信號一起轉(zhuǎn)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(shè)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(guān)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(yīng)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(jié)果,，對調(diào)用頻繁的小函數(shù)采用inline修飾；
(3)關(guān)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(yù)，DMA操作直接訪問內(nèi)存,，但不會跟新Cache和寫緩存相應(yīng)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(shè)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(shè)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(jié)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?qū)z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(luò)下載多媒體文件到擴展存儲設(shè)備被Mplayer播放的設(shè)計要求。隨著多媒體技術(shù)的廣泛應(yīng)用,，掌上多功能媒體播放器會有更廣闊的應(yīng)用前景,。
