基于嵌入式Linux的網(wǎng)絡(luò)視頻點播系統(tǒng)設(shè)計

周賢軍，楊恢東

（暨南大學(xué) 電子工程系，廣東 廣州 510632）

0 引言

隨著計算機和芯片技術(shù)的快速發(fā)展，便攜式電子終端設(shè)備已經(jīng)普及人們的生活，其嵌入式產(chǎn)品已滲入各個行業(yè)，像常見到的智能手機、PDA、機頂盒、高清電視、路由器、汽車電子、數(shù)碼相機、醫(yī)療儀器、航天航空設(shè)備等，都是典型的嵌入式系統(tǒng)[1-2]。

本文中設(shè)計的嵌入式視頻點播（VOD）系統(tǒng)采用友堅Idea6410開發(fā)平臺，支持在視頻媒體編解碼，2D/3D硬件圖形加速，顯示處理和縮放等方面的功能，具有很好的穩(wěn)定性和實時性，能滿足網(wǎng)絡(luò)實時性的要求。而傳統(tǒng)的多媒體在網(wǎng)絡(luò)上播放時，客戶端必須把多媒體文檔全部下載到本地完畢后，才開始在客戶端播放。本系統(tǒng)采用流媒體技術(shù)[3]將流媒體以流的形式進行數(shù)字媒體的傳送，通過Linux系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)（IPC）機制使得網(wǎng)絡(luò)上的不同計算機相互通信，視頻服務(wù)器通過其以太網(wǎng)接口與多個多媒體播放終端進行點對點的網(wǎng)絡(luò)連接，客戶端通過其以太網(wǎng)接口向視頻服務(wù)器發(fā)送連接請求，視頻服務(wù)器響應(yīng)請求后，播放終端對服務(wù)器發(fā)送過來的流媒體數(shù)據(jù)保存至本地的一個臨時文件，再進行解碼和播放，從而實現(xiàn)邊下載邊觀賞媒體節(jié)目。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

系統(tǒng)的服務(wù)器端主要提供影片信息、允許連接的客戶端數(shù)、影片實際地址的轉(zhuǎn)換等功能。播放器終端則運行在嵌入式操作系統(tǒng)中，采用QT圖形界面，用來顯示服務(wù)器上的影片列表、影片信息，取得各影片的實際地址，通過網(wǎng)絡(luò)套接字（socket）接收從以太網(wǎng)傳輸過來的音視頻數(shù)據(jù)流，對音視頻數(shù)據(jù)流進行MPEG-4/H.264解碼，輸出視頻數(shù)據(jù)和AC97格式的音頻數(shù)據(jù)，完成播放影片功能。

嵌入式硬件部分[4]主要包括微處理器模塊、音頻播放模塊、視頻播放模塊和網(wǎng)絡(luò)通信傳輸模塊4個模塊，并集成觸摸屏/鍵盤輸入、USB主控、I2C總線接口、JTAG、時鐘等功能。圖1介紹系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方案及各功能模塊。

S3C6410處理器基于ARM-11架構(gòu)平臺，支持TCPMP播放器完美硬件解碼，內(nèi)置MPGE-4/H.264/H.263/VC-1的視頻編解碼，Camera回顯，MediaPlayer視頻硬件解碼，配備2D/3D硬件圖形加速、V輸出功能，提供WiFi、藍牙、3G、GPS的模塊接口，內(nèi)置I2C控制器，通過I2C總線音頻控制信號。所以音頻模塊可由I2C音頻總線接口和AC97音頻編碼解碼器兩部分組成，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模塊利用DM9000接收從以太網(wǎng)傳輸過來的音視頻數(shù)據(jù)流，以便進行遠程通信和網(wǎng)絡(luò)傳輸。利用S3C6410提供的32通道DMA控制器，采用DMA傳輸及緩存分段技術(shù)，以提高對音頻數(shù)據(jù)的實時性處理。視頻模塊采用Innolux公司的4.3 in TFT真彩LCD（AT043TN24 V.1），采用LED背光。根據(jù)視頻的主要性能指標(biāo)分辨力（直觀的圖畫像素，大小）實現(xiàn)圖形用戶界面（GUI）顯示視頻輸出，觸摸屏用來選擇要播放的視頻文件。

2 系統(tǒng)平臺的構(gòu)建及移植

系統(tǒng)的主要流程包括Linux實驗平臺的搭建、應(yīng)用軟件的移植以及視頻格式的硬件解碼。

2.1 嵌入式Linux系統(tǒng)構(gòu)建

Linux系統(tǒng)的主要構(gòu)成包括BootLoader、Kernel和根文件系統(tǒng)。首先進行實驗平臺的搭建，燒寫B(tài)ootLoader到Nand Flash的0x0地址。BootLoader啟動，完成硬件設(shè)備的初始化并且固化內(nèi)核和文件系統(tǒng)。將重新裁剪和配置好的內(nèi)核燒寫到Nand Flash的0x100000地址，建立文件系統(tǒng)，文件系統(tǒng)驅(qū)動模塊支持ext2、JAFFS等文件系統(tǒng)。其具體步驟如下：

1）交叉編譯器的安裝。首先把交叉編譯器源碼包拷貝到Linux的根目錄下，解包tar zxvf arm-none-linuxgnueabi-arm-2008q3-72-for-linux.tar-C/。然后修改配置文件/etc/profile或/root/.bashrc，在文件中添加path?munge/usr/local/arm/4.3.2/bin，PATH=/usr/local/arm/4.3.2/arm-none-linux-gnueabi-/bin:$PATHi。最后，重啟 shell，使交叉工具生效。

2）Bootloader移植。Bootloader在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段小程序，主要用于初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。本系統(tǒng)主要對U-boot-1.1.6進行配置，增加了對DM9000、Nand Flash以及SD卡的支持，然后編譯生成u-boot.bin的二進制文件，燒入到Nand Flash上。

3）編譯內(nèi)核（Linux2.6.28-v1.0）及安裝模塊。首先，修改內(nèi)核頂層Makefile，指定體系結(jié)構(gòu)為ARCH=arm，交叉編譯工具CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnuea?bi-。其次，設(shè)置Nand Flash引導(dǎo)，加載DM9000網(wǎng)卡驅(qū)動程序，配置編譯內(nèi)核。最后，將編譯生成的zImage鏡像文件用mkimage工具生成uImage，燒寫進Nand Flash 0x100000地址處。

4）移植根文件系統(tǒng)。此系統(tǒng)是Linux啟動的第1個文件系統(tǒng)，沒有根文件系統(tǒng)Linux無法正常啟動。首先進入busybox目錄，配置busybox選項，通過交叉編譯安裝busybox，同時把根文件系統(tǒng)制作成yaffs文件系統(tǒng)。讓做好的文件系統(tǒng)燒入Nand Flash的0x400000地址，啟動內(nèi)核執(zhí)行mount-t yaffs/dev/mtdblock3/mnt，完成文件系統(tǒng)的制作。

2.2 流媒體MPlayer的移植

通過在Linux x86上交叉編譯MPlayer，使得MPlayer能在ARM架構(gòu)的平臺上運行，實現(xiàn)嵌入式平臺的流媒體播放，優(yōu)化并改善傳輸性能和質(zhì)量[5]。

由于MPlayer中默認的MP3解碼器是mp3lib，使用的是浮點數(shù)運算，相當(dāng)占用CPU資源，故在編譯的時候可以使用libmad進行音頻輸出，使用之前需要自己手動編libmad，保證交叉編譯器能夠找到libmad庫以及頭文件，編譯時增加--enable-mad就可以了。利用mad解碼MP3文件，可以看到CPU占用率降低到了20%左右。移植的主要流程如下：

1）安裝好解碼庫到/usr/local/arm/4.3.2/lib，解包tar xvf libmad-0.15.1.tar.gz，解開解碼包使用以下配置項。配置選項./configure--enable-fpm=arm--host=armnone-linux-gnueabi--disable-shared--enable-fbdevenable-static--disable-debugging--prefix=/usr/local/arm/4.3.2/lib。

運行make以及make install，就可以看到在/usr/local/arm/4.3.2/lib目錄下多了include和lib目錄，解碼包lib?mad和流媒體支持livx、H.264、MPEG-4等眾多流媒體格式。

2）解壓源碼包mplayer-new.tar.gz，完成交叉編譯時的關(guān)鍵配置，包括交叉工具--cc=arm-none-linux-gccgnueabi-，--target=arm-armv4l-linux。該參數(shù)arm指明架構(gòu)，armv4l指具體的版本，linux是系統(tǒng)平臺。使用--enable-static設(shè)定靜態(tài)連接，不需要動態(tài)庫。因為在嵌入式系統(tǒng)中沒有類似PC平臺下的高性能顯卡系統(tǒng)，因此使用--enable-fbdev驅(qū)動Frame buffer顯示圖像。然后交叉編譯MPlayer，生成ARM平臺下的可執(zhí)行文件。

3）移植執(zhí)行文件至MPlayer開發(fā)板的根文件系統(tǒng)usr/bin目錄下，完成MPlayer的移植。

2.3 H.264硬件解碼

H.264最大的優(yōu)勢是具有很高的數(shù)據(jù)壓縮比率，在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中所需要的帶寬更少，適合于網(wǎng)絡(luò)上的流媒體傳播和資源十分有限的嵌入式設(shè)備[6]。

Idea6410本身支持H.264的硬件編解碼，先初始化MFC硬件驅(qū)動，將從網(wǎng)絡(luò)傳輸來的要解碼的媒體流數(shù)據(jù)存儲在指定的Frame buffer。初始化幀提取器，設(shè)置pp_param參數(shù)類型，從內(nèi)存指定區(qū)域?qū)⑿枰獯a的視頻流讀取一幀下來，調(diào)用解碼函數(shù)，通知MFC開始解碼，解碼完后的幀數(shù)據(jù)暫存在視頻緩沖區(qū)，將輸出緩沖區(qū)的地址傳遞給pp的配置結(jié)構(gòu)體pp_param，調(diào)用函數(shù)ioctl設(shè)置pp，然后處理并顯示，等待下一幀的解碼，再寫入Frame buffer播放幀數(shù)據(jù)。而每當(dāng)寫完一幀數(shù)據(jù)到Frame buf?fer，S3C6410就將幀緩沖區(qū)所存儲的這幀空間更新，開始等待下一幀的解碼。如此，就完成了整個硬件解碼器。

3 Qtopia應(yīng)用程序設(shè)計及網(wǎng)絡(luò)編程

Qt/Embedded是著名的圖形庫Qt開發(fā)商Trolltech專門面向嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的Qt版本。它是一種C++圖形用戶界面應(yīng)用程序構(gòu)架，可為開發(fā)者提供其所需的在嵌入式環(huán)境中的功能全面的圖形界面開發(fā)工具。Qt主要特點是性能穩(wěn)定，可移植性較好，并且可剪裁。許多基于Linux開發(fā)的Qt應(yīng)用程序可以非常方便地移植到相應(yīng)的嵌入式系統(tǒng)上去。

3.1 圖形用戶界面設(shè)計

圖形用戶界面（GUI）模塊主要負責(zé)用戶和系統(tǒng)的交互，本系統(tǒng)中GUI模塊的開發(fā)主要由Qt/Embedded工具完成[7]。

用QtCreator編寫用戶操作界面。首先建立一個Qt C++工程，創(chuàng)建Qt GUI的widget.ui界面，QWidget類負責(zé)圖像用戶面應(yīng)用程序的控制流和主設(shè)置，用于播放窗口界面的設(shè)計與控制，它是MainWindow的繼承類，提供了豐富的應(yīng)用程序的主窗口及工具。圖形用戶界面需要實現(xiàn)的功能包含播放、快進、快退、暫停、停止和音量大小控制。播放窗口按鍵通信通過signal和slot來接收信號，signal和slot機制真正實現(xiàn)了封裝的概念，而signal和slot在聲明后主要通過connect()函數(shù)來進行調(diào)用。slot的定義如下：

在播放器的編寫過程中用到兩個非常重要的類，Qproces和Qthread，其在播放器相應(yīng)的功能操作都是通過進程或線程間的通信完成的，播放部分詳解為：

3.2 流媒體網(wǎng)絡(luò)傳輸程序設(shè)計

Linux提供了豐富的網(wǎng)絡(luò)工具來完成信息的傳輸，在流媒體網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中通過網(wǎng)絡(luò)套接字socket來建立網(wǎng)絡(luò)中的兩臺主機連接進行數(shù)據(jù)通信，并且在提供媒流體的源服務(wù)器端，bind()函數(shù)會綁定一個IP地址和一個特定的端口號。在bind()函數(shù)成功調(diào)用后，源服務(wù)端就不停地監(jiān)聽客戶端的連接，并為該socket建立一個輸入數(shù)據(jù)隊列，將達到的服務(wù)請求保存到此隊列中，等待程序的響應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)通信流程圖見圖2。

該系統(tǒng)可以同時運行多個進程，并且在一個進程里開辟多個線程并發(fā)的執(zhí)行，使用QThread類創(chuàng)建多個線程。服務(wù)端視頻發(fā)送程序?qū)崿F(xiàn)部分為：

在面向連接的客戶端程序使用connect()函數(shù)來配置socket并與遠端服務(wù)器建立一個TCP連接，并接收源服務(wù)器端發(fā)送的數(shù)據(jù)保存到臨時緩沖文件/tmp/myplay?file中，其客戶端接收部分的程序為：

3.3 視頻終端播放器測試界面

將設(shè)計好的視頻終端播放器移植到ARM平臺嵌入式系統(tǒng)中，啟動播放終端界面如圖3所示。該播放器首先通過ARM開發(fā)板觸摸屏點擊右下角connect按鍵連接到多媒體服務(wù)器端，在建立好連接后，客戶端與服務(wù)端就可以進行點對點的數(shù)據(jù)傳輸，播放列表里就會接收到服務(wù)端的視頻資源列表，選擇列表文件進行在線視頻播放。點擊左下角的LocalFile可以打開本地視頻文件播放，該播放器同時支持播放、暫停、快進、快退、音量控制等功能，由于該客戶端采用了MPlayer的視頻解碼及S3C6410內(nèi)置的硬件編解碼器，因此能支持目前主流的視頻格式，能為用戶提供良好的服務(wù)。

4 小結(jié)

設(shè)計了基于S3C6410的嵌入式多媒體播放系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用具有優(yōu)秀流水線和多媒體處理功能的ARM11處理器，開發(fā)了引導(dǎo)加載程序，移植Linux內(nèi)核及創(chuàng)建文件系統(tǒng)。并設(shè)計了ARM平臺的終端播放器。因嵌入式系統(tǒng)并沒有顯卡系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用的是直接操作Frame buffer，并成功實現(xiàn)了硬件解碼H.264等目前主流的視頻格式的播放，達到了很好的顯示效果，為進一步開發(fā)嵌入式多媒體終端提供了有效的實踐應(yīng)用。隨著當(dāng)今便攜式終端設(shè)備的高速發(fā)展，該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和前景非常廣闊。

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