基于ARM6410嵌入式數(shù)碼相框的設計與實現(xiàn)

鄢夢林，殷張發(fā)，高心寬，葉 翔，姚 莉

(湖北理工學院計算機學院，湖北黃石435003)

隨著信息化、智能化、網(wǎng)絡化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用已經(jīng)滲入到我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面。在手機、MP3、PDA、數(shù)碼相機、電視機、甚至電飯鍋、手表里都有嵌入式系統(tǒng)的身影。據(jù)統(tǒng)計，每年全球嵌入式系統(tǒng)帶來的相關(guān)工業(yè)產(chǎn)值已超過1萬億美元。隨著多功能手機、便攜式多媒體播放機、數(shù)碼相機、HDTV和機頂盒等新興產(chǎn)品逐漸獲得市場的認可，嵌入式系統(tǒng)的市場正在以每年30%的速度遞增［1］。

數(shù)碼相框正是這樣一種嵌入式技術(shù)應用的代表產(chǎn)品，它的主要功能是保存和查看電腦、U盤或手機等存儲設備上的數(shù)碼照片。數(shù)碼相框在市場上的用途很多，比如產(chǎn)品展示、車載、數(shù)碼攝影、個人娛樂等。數(shù)碼相框作為伴隨數(shù)碼相機及互聯(lián)網(wǎng)不斷飛速發(fā)展的衍生產(chǎn)物進入市場至今，已經(jīng)被愈來愈多的普通消費者所接受。

1 系統(tǒng)軟硬件平臺選擇

嵌入式系統(tǒng)是指以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，軟硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應用程序4部分組成［1］。

1.1 Mini6410開發(fā)板

本系統(tǒng)采用了廣州友善之臂設計、生產(chǎn)和發(fā)行銷售的mini6410開發(fā)板進行設計與實現(xiàn)。Mini6410屬于ARM11系列的微處理器，采用三星公司的S3C6410芯片。ARM11系列微處理器是ARM公司近年推出的新一代RISC處理器，是ARM新指令架構(gòu)-ARMv6的第一代設計實現(xiàn)。Mini6410處理器一方面，包含了更多的多媒體處理指令來加速視頻和音頻處理;另一方面，它的新型存儲器系統(tǒng)進一步提高了操作系統(tǒng)的性能，提供了新指令來加速實時性能和中斷的響應，為軟件開發(fā)者帶來便利。

1.2 linux操作系統(tǒng)

目前較為流行的嵌入式操作系統(tǒng)有VxWorks、Windows CE、Linux、C/OS等。Linux是以 Unix為基礎發(fā)展而成的操作系統(tǒng)，能夠支持 ARM、MIPS、ALPHA、x86、PowerPC等多種系列的嵌入式微處理器［2］。Linux操作系統(tǒng)最大的特性就是開源性和可剪裁性，除此之外linux操作系統(tǒng)還有內(nèi)核高效穩(wěn)定，良好的可移植性，支持多種文件系統(tǒng)等優(yōu)點，有利于Linux在嵌入式設備中的應用。因此，本系統(tǒng)選用嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，選用Ubuntu系統(tǒng)作為前臺開發(fā)編譯的操作系統(tǒng)。Ubuntu是一個以桌面應用為主的Linux操作系統(tǒng)。

2 ARM6410嵌入式數(shù)碼相框軟件設計

本系統(tǒng)實現(xiàn)市場現(xiàn)有的數(shù)碼相框圖片顯示功能。通過解析圖片信息獲取圖片名稱及圖片說明信息，分析圖片類型確定圖片格式，調(diào)用libjpeg庫文件實現(xiàn)jpeg圖片解碼，調(diào)用freetype字體庫實現(xiàn)圖片說明信息的處理。通過FrameBuffer幀緩沖設備的使用，實現(xiàn)對jpeg格式圖片，文字的各種效果顯示，音樂播放等，完成對數(shù)碼相框的設計。

2.1 Freambuffer

Framebuffer(幀緩沖)是Linux內(nèi)核的一種圖形設備驅(qū)動接口，提供了LCD控制器的抽象性描述。它將LCD控制器上的顯存抽象成一種字符設備，應用程序通過定義好的接口可以訪問LCD控制器的顯存，直接對顯示緩沖區(qū)進行讀/寫操作，而不需要知道底層的任何操作細節(jié)。對于開發(fā)者來講，framebuffer是一塊顯示緩沖區(qū)，向這個顯示緩沖區(qū)寫入特定格式的數(shù)據(jù)就可以更新顯示屏的輸出［2］。

FrameBuffer機制模仿顯卡的功能，將顯卡硬件結(jié)構(gòu)進行抽象，可以通過FrameBuffer的讀寫直接對顯存進行操作。Linux抽象出FrameBuffer設備來供用戶態(tài)進程實現(xiàn)直接寫屏，這種操作是抽象、統(tǒng)一的，由Framebuffer設備驅(qū)動完成。用戶不必關(guān)心物理顯存的位置、換頁機制等，允許應用程序不必關(guān)心底層硬件細節(jié)利用Framebuffer通過指定的接口訪問圖形硬件。

Framebuffer設備的設備節(jié)點位于/dev目錄，設備文件一般是 /dev/fb0、/dev/fb1等。要想系統(tǒng)支持FrameBuffer，首先要在內(nèi)核(Kernel)里設置對該功能的支持。我們選擇的操作系統(tǒng)Ubuntu不需要另外配置Kernel選項，可以在/dev下看到fb0設備文件。本系統(tǒng)在Linux下將顯示模式設置為圖形模式，采用1024x768-16位色，使用命令$dd if=/dev/zero of=/dev/fb0 bs=1024 count=768。FrameBuffer設備提供了若干 ioctl命令，通過ioctl操作可以讀取或設定設參數(shù)。例如:顯示設備的固定信息(設備名、顯示屏的組織等)、與顯示模式相關(guān)的可變信息(比如分辨率、象素結(jié)構(gòu)、每掃描線的字節(jié)寬度等)，以及偽彩色模式下的調(diào)色板信息等。本系統(tǒng)設計通過FrameBuffer將設備映射到進程地址空間，并通過mmap系統(tǒng)調(diào)用進行地址映射，以實現(xiàn)對設備的圖像顯示控制。實現(xiàn)代碼如下:

short*fbmem;

int fd，w，h;

struct fb_var_screeninfo fb_var;

fd=open("/dev/fb0"，O_RDWR);

ioctl(fd，F(xiàn)BIOGET_VSCREENINFO，&fb_var);

w=fb_var.xres;

h=fb_var.yres;

fbmem=mmap(0，w*h*2，PROT_WRITE|PROT_READ，MAP_SHARED，fd，0);

因此，本系統(tǒng)中只需要將相框中需要顯示的JPEG圖片進行解碼為bmp像素點，再通過Framebuffer設備寫入就可以實現(xiàn)圖像顯示。

2.2 圖片格式處理

本系統(tǒng)設計支持JPEG格式和PNG格式圖片，兩者都是位圖文件存儲格式。JPEG格式是一種支持8位和24位色彩的壓縮位圖格式，適合在網(wǎng)絡上傳輸，是非常流行的圖形文件格式。在Linux下使用的JPEG壓縮/解壓縮函數(shù)庫是libjpeg，它能夠讀寫JFIF標記圖像文件格式)格式的JPEG圖像文件，通常這類文件是以.jpg或者.jpeg為后綴名的。通過libjpeg庫，應用程序可以每次從jpeg壓縮圖像中讀取一個或多個掃描線(scanline)，而諸如顏色空間轉(zhuǎn)換、降采樣/增采樣、顏色量化之類的工作則都由libjpeg完成［3］。PNG格式是設計來替代gif，它對于更小范圍的TIFF(標記圖像文件格式)來說有了非常多的進步和拓展，并且減少了關(guān)于專利權(quán)的麻煩。Linux下使用的PNG壓縮/解壓縮函數(shù)庫是libpng。

實現(xiàn)圖片解壓并通過FrameBuffer進行顯示的任務主要分為三步。首先，實現(xiàn)FrameBuffer設備的初始化操作;其次，獲取圖片名稱、判斷圖片類型、調(diào)用 libjpeg、libpng庫函數(shù)實現(xiàn)圖片解壓;最后，通過FrameBuffer實現(xiàn)圖片的效果播放。在數(shù)碼相框系統(tǒng)設計中，由于我們需要顯示的圖片信息被保存在鏈表節(jié)點中，若想顯示圖片需要從鏈表中獲取圖片文件信息［4］。主要實現(xiàn)代碼如下:

intmain(int argc，char*argv［］)

{…………

/*Open the Framebuffer equipment files*/

if((fb_device=getenv("FRAMEBUFFER"))==NULL)

fb_device=FB_DEV;

fbdev=fb_open(fb_device);

/*Access equipment＇s parameters，wide，high，bpp*/

if(fbdev＞=0)

iotcl(fbdev，F(xiàn)BIOGET_VSCREENINFO，&fb_var);

else return-1;

fb_width=fb_var.xres;

fb_height=fb_var.yres;

fb_depth=fb_var.bits_per_pixel;

printf("please check display mode%d*%d-%dbpp”，fb_width，fb_height，fb_depth);

/*The frame buffer equipment Framebuffer mapped intomemory area*/

screensize=fb_width*fb_height*(fb_depth/8);

fbmem=fb_mmap(fbdev，screensize);

init_config();

new=&head;

for(i=0;i＜1000;i++)

{int type;

new=get_next_link(new);

if(new-＞filename==NULL)

break;

type=get_file_type(new-＞filename);

if(type==JPEG)

display_jpeg(new- ＞ filename，fbmem，200，120，1);

if(type==PNG)

display_png(new- ＞ filename，fbmem，200，120，1);

}

……….return 0;

}

2.3 數(shù)碼相框背景音樂設計

本系統(tǒng)采用多進程編程解決數(shù)碼相框的背景音樂設計問題。每個進程在內(nèi)核中都有一個進程控制塊(PCB)來維護進程相關(guān)的信息，Linux內(nèi)核的進程控制塊是task_struct結(jié)構(gòu)體。系統(tǒng)調(diào)用fork()的作用是根據(jù)一個現(xiàn)有的進程復制出一個新進程，原來的進程稱為父進程(Parent Process)，新進程稱為子進程(Child Process)。System()會調(diào)用fork()產(chǎn)生子進程，由子進程來調(diào)用/bin/sh-c string執(zhí)行參數(shù)string字符串所代表的命令，此命令執(zhí)行完后隨即返回原調(diào)用的進程。在調(diào)用system()期間SIGCHLD信號會被暫時擱置，SIGINT和SIGQUIT信號則會被忽略。如果system()調(diào)用成功則最后會返回執(zhí)行shell命令后的返回值來確認執(zhí)行成功。本系統(tǒng)中，主要用到一個調(diào)用系統(tǒng)播放器的命令來控制音樂的播放。具體函數(shù)如下:

void*code_music(void*m)

{

system("/usr/bin/mplayer /home/dpf/mus/snq.mp3＞/dev/null");

return 0;

}

3 應用程序移植

本系統(tǒng)采用交叉編譯進行應用程序移植。交叉編譯是嵌入式開發(fā)中最常見的概念，簡單地說，就是在一個平臺上生成另一個平臺上的可執(zhí)行代碼。交叉編譯這個概念的出現(xiàn)和流行是與嵌入式系統(tǒng)的廣泛發(fā)展同步的。因為在進行嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)時，開發(fā)平臺和運行平臺是不同系列的機器。當開發(fā)平臺(主機系統(tǒng))和運行平臺(目標系統(tǒng))不兼容時，就必須使用交叉編譯的方式把用高級語言編寫的程序轉(zhuǎn)換成機器可以執(zhí)行的二進制程序。

本文介紹的嵌入式數(shù)碼相框系統(tǒng)設計主機采用x86體系結(jié)構(gòu)的Ubuntu Linux系統(tǒng)，在此操作系統(tǒng)下安裝Linux發(fā)行包以及交叉編譯器arm-linux-gcc。目標系統(tǒng)是S3C6410 ARM11處理器。我們在主機(PC機)上開發(fā)程序、運行交叉編譯器，并成功編譯生成執(zhí)行程序后，再移植到目標機(mini6410開發(fā)板)上運行。由于 PC機與 mini6410開發(fā)板的編譯工具不同，在配置安裝上首先解決對動態(tài)鏈接庫和靜態(tài)鏈接庫的支持?？墒褂萌缦旅?

#export CC=arm-linux-gcc

#./configure--host=arm-unknown-linux--prefix=/home/jpeg/jpeg--enable-shared--enable-static

下載、安裝和編譯jpeg庫，可使用如下命令:

［root@monahans jpeg］#tar-xzf jpegsrc.v8b.tar.gz

［root@monahans jpeg］#mv jpeg-8b jpeg

［root@monahans jpeg］#cd jpeg

［root@monahans jpeg］#./configure--host=arm-unknown-linux--prefix=/home/jpeg/jpeg--enable-shared--enable-static

修改生成的Makefile文件:

prefix=/home/jpeg/jpeg

CC= /usr/local/arm/3.4.1/arm-linux/bin/arm-linux-gcc

最后通過如圖1所示命令對文件(fb.c，img.c，jpeg.c)進行交叉編譯生成可執(zhí)行的文件fb，此文件是本系統(tǒng)的主程序代碼。

圖1 交叉編譯

把目標機上可執(zhí)行程序fb下載或燒寫到目標機上，終端運行可執(zhí)行文件，即可看到數(shù)碼相框圖片的展示效果。運行效果圖如圖2所示。

4 結(jié)語

本文主要介紹了在Linux操作系統(tǒng)下采用廣州友善之臂公司生產(chǎn)的嵌入式開發(fā)板mini6410設計實現(xiàn)的數(shù)碼相框產(chǎn)品。本系統(tǒng)實現(xiàn)了圖片瀏覽和音頻播放功能，已經(jīng)完成了數(shù)碼相框的基本功能，鼠標的加入為后面數(shù)碼相框的進一步制作奠定了基礎。對于數(shù)碼相框的后續(xù)研究設計，仍有可以進一步擴展和改進的地方。如可以在本系統(tǒng)上擴展USB功能和網(wǎng)絡通信功能，加入觸摸屏功能進一步完善上層操作界面的設計等。

圖2 系統(tǒng)運行效果圖

［1］馬忠梅.ARM&Linux嵌入式系統(tǒng)教程(第2版)［M］.北京航空航天出版社，2008.

［2］陳賾.ARM9嵌入式技術(shù)及Linux高級實踐教程［M］.北京航空航天大學出版社，2005.

［3］涂克亮.基于ARM嵌入式的圖像采集與顯示系統(tǒng)設計［J］.工業(yè)控制計算機，2011(08):10～12.

［4］Li Yao.On the S3C2440-based design for embedded system of digital photo frame［J］.IEEC，2011:386～389.