基于嵌入式系统LCD播放器的设计毕业设计论文说明书.docx

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基于嵌入式系统LCD播放器的设计毕业设计论文说明书

编号：

毕业设计（论文）说明书

课题：

基于嵌入式系统的

LCD播放器设计

学院：

电子工程与自动化学院

专业：

自动化

指导教师单位：

电子工程与自动化学院

题目类型：

理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发

2013年5月13日

摘要

嵌入式系统是一种专用的计算机系统，是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

随着人类进入了PC时代，嵌入式技术得到了飞速发展和广泛应用，嵌入式系统已成为当前最热门、最具发展前途的IT应用领域之一。

包括手机、电子字典、可视电话、数字相机（DC）、数字摄像机（DV）、U－Disk、机顶盒（SetTopBox）、高清电视（HDTV）、游戏机、智能玩具、交换机、路由器、数控设备或仪表、汽车电子、家电控制系统、医疗仪器、航天航空设备等都是典型的嵌入式系统。

本文提出了一种基于嵌入式LCD的播放器设计与实现的方案，该播放器具有VGA等视屏接口，同时具有网络控制的功能。

本文首先详细分析了嵌入式的体系结构，研究了嵌入式Linux操作系统在ARM9微处理器的移植技术，包括交叉编译环境的建立、引导装载程序应用、移植嵌入式Linux内核及建立根文件系统，并且实现了嵌入式Linux到S3C2440开发板的移植。

由于嵌入式系统本身硬件条件的限制，常用在PC机的图形用户界面GUI系统不适合在其上运行。

为此，本文选择了qtopia-2.2.0作为研究对象，在对其体系结构等方面进行研究基础上，实现了qtopia-2.2.0到S3C2410开发板的移植，完成了嵌入式图形用户界面开发，使得系统拥有良好的操作界面。

对于播放器的功能，本文实现了Linux系统下的通用媒体播放器—Mplayer到S3C2440开发板的移植。

通过对音频数据输出的研究，解决了Mp1ayer播放声音不正常的问题，实现了一个集音乐和视频、图像播放于一体的嵌入式多媒体播放系统。

作为为LCD播放器自己侧重于做LCD显示部分。

本文所用的不是通常的开发板上的LCD，而是经过接口转换，最后通过VGA在大显示屏上显示，实现图像和电子表格的播放。

至于操作和控制部分则是通过网络功能由上位机进行控制。

最后，总结了论文所做的工作，指出了嵌入式播放器所需要进一步解决和完善的问题。

关键词：

嵌入式ARM-Linux；S3C2440；Mplayer；qtopia-2.2.0

Abstract

Theembeddedsystemisaspecializedcomputersystemisapplication-centric,basedoncomputertechnology,softwareandhardwarecanbecuttoadaptapplicationsdemandingaspecialcomputersystemfunctionality,reliability,cost,size,powerconsumption.AsmankindentersthePCera,embeddedtechnologyhasbeenrapiddevelopmentandwideapplication,embeddedsystemshavebecomethemostpopular,themostpromisingITapplications.Includingmobilephones,electronicdictionaries,videophone,digitalcamera（DC）,digitalvideocameras（DV）,U-Disk,STB（SetTopBox）,high-definitionTV（HDTV）,videogames,smarttoys,switches,routers,CNCequipmentorinstrumentation,automotiveelectronics,appliancecontrolsystems,medicalequipment,aerospaceequipment,etc.aretypicalembeddedsystem.Thispaperpresentsadesignandimplementationoftheprogram,theplayerhasaVGAscreeninterface,butalsohasthefunctionofnetworkcontrolbasedontheembeddedLCDplayer.

First,Thisarticledetailedanalysisoftheembeddedarchitecture,transplantationofembeddedLinuxoperatingsystemintheARM9microprocessor,includingthecrosscompilerbuiltenvironment,thebootloaderapplication,transplantembeddedLinuxkernelandrootfilesystem,andembeddedLinuxtoS3C2440developmentboardtransplantation.

Duetohardwareconstraintsofembeddedsystems,commonlyusedinPC'sgraphicaluserinterface（GUI）systemisnotsuitableforrunningonit.Tothisend,weselectedQtopia-2.2.0astheresearchobject,onthebasisofthestudyintermsofitsarchitecture,theqtopia-2.2.0S3C2410developmentboardtransplantation,embeddedgraphicaluserinterfacedevelopment,sothatthesystemhasagooduserinterface.

Fortheplayer,theLinuxsystem,theuniversalmediaplayer-MplayertoS3C2440developmentboardtransplantation.Audiodataoutput,tosolvetheproblemisnotnormalforMp1ayerplayasound,asetofmusicandvideo,imageplaybackinoneoftheembeddedmultimediaplaybacksystem.

AsforLCDplayerfocusonaLCDdisplaypart.UsedhereininsteadoftheusualdevelopmentboardLCD,butviatheinterfaceconverter,andfinallythroughtheVGAdisplayonalargedisplayscreen,Playerimageandspreadsheets.Asfortheoperationandcontrolpartiscontrolledbythehostcomputerthroughthenetworkfunction.

Finally,summarizesthepaperworkdone,pointedoutthattheembeddedplayerneedtofurtheraddressandsound

Keywords:

EmbeddedARM-Linux;S3C2410;Mplayer;GUI;qtopia-2.2.0

第一章绪论

1.1系统研究背景

随着人类进入了PC时代，计算机和电子技术的发展走上快车道，嵌入式技术也得到了飞快的发展，为人们对物质和和享受带来了很大的便利，嵌入式也真正融入了人们的生活。

从早期的只能显示单色文字的LED，发展到现在大尺寸6万色彩色液晶屏幕，用户已经不再仅仅满足于早期的便携式电子设备提供的传统的，简单的语音通信或文档处理功能。

随着多媒体技术发展，用户希望能够在轻巧的便携式设备上同样能够享受到过去只能在笨重的台式机或笔记本电脑上才能享受到语音甚至视频等多媒体服务。

1.1.1多媒体播放器与嵌入式系统

嵌入式系统最初大多应用在仪表仪器，医疗设备，机器控制领域。

随着芯片技术特别是半导体技术的的快速发展，各种应用于消费类的电子市场上的IC出现，使得嵌入式大规模的应用到人们的日常生活。

当前，消费类电子产品以惊人的速度不断的更新换代，市场需求也不断增大。

在MP3数码随身听取得巨大的市场成功后，支持视频的便携式播放器逐渐进入消费者的视线，法国Archos公司推出了第一款MP4掌上影院。

如今众多企业均看好继MP4之后的新一代多媒体播放器的良好的发展前景和潜在的市场。

因为更多应用于数字解码的多媒体功能的IC不断问世，为嵌入式技术在多媒体应用这方面提供了保障。

嵌入式LCD多媒体播放系统目前普遍采用普通解码芯片实现，功能的实现基本上仅局限于对多媒体的播放，而且显示屏幕大多在2-3英寸之间。

“信息家电”概念的提出使得在多媒体播放系统领域对嵌入式操作系统有了更高的要求。

数字电视、高清晰视频源的播放；在大尺寸液晶、等离子屏幕上的显示；网络交互等的应用，促使嵌入式系统设计必须不断满足人们对各种功能的要求

基于嵌入式系统平台的大尺寸液晶多媒体播放系统设备的开发能够在一定程度上弥补该类产品在市场上的空缺，有着广阔的市场前景以及现实的经济意义。

同时也为嵌入式系统在其他信息家电领域的深入发展有着重要的借鉴作用。

1.1.2嵌入式多媒体播放器国内外发展现状[1]

目前嵌入式多媒体的内部结构，比较成熟的解决方案有三种:

基SigmaDesigns851x系列芯片的解决方案、基于TlDM32ODSP+ARM处理器的解决方案和基于工ntelPXA27x的解决方案，这三种解决方案是目前的主流方案。

上述几种方案各有特点：

（1）SigmaDesigns851x方案

SigmaDesignS851x处理器是目前性能最强、最全面的专业解码芯片，采用双核设计，将200MHz32位RISC处理器和MPEG解码处理器集成于单芯片上，在无需其它外围芯片支持的情况下，完成系统所需各种接口的提供、系统处理以及流畅的WMAV9、DivXV3.11、DivXV4.X和S.X、MPEG-4、MPEG-2、MPEG-1等音视频解码。

其中对系统要求极高的MPEG-2解码，SigmaDesigns851x能轻松达到3OfpsDI，流畅自如，难能可贵!

优点:

单芯片，低成本，低功耗;硬核视频解码，视频播放效果好

缺点:

无法播放网络视频格式RM，RMVB等

（2）TIDM320DSP-I-ARM处理器的解决方案

作为DSP巨头，TI力推DM320DSP的PMP解决方案。

TI方案是利用DM320DSP进行音视频编解码处理，ARM处理器负责系统处理及提供外围设备接口。

与SigmaDesigns方案一样，TI方案支持的媒体类型非常丰富，能支持WMV、DivXV3.11、DivXV4.X和5.X、MPEG-4、MPEG-2、MPEG-1等。

但由于TlDM320为纯DSP芯片，因此必须配合ARM处理器才能组成完整的解决方案，因此在成本上并不具备优势。

优点:

支持的媒体类型丰富，编解码能力强

缺点:

必须配合ARM处理器，成本不占优势，功耗较大;不支持网络视频格式RM，RMVB

（3）IntelPXA27x的解决方案

Intel公司于2003年底推出了性能最为强劲的PXA27x嵌入式处理器，最高频率可达624MHz。

作为一款性能及其强劲的嵌入式处理器，配合嵌入式Linux或wince操作系统，PXA27x理论上可以支持任何媒体格式，并通过软件升级，支持未来媒体格式。

但由于MPEG-2对硬件的极高要求，因此单纯依靠PXA27x处理器进行MPEG-2编解码是不现实的。

Intel公司于2004年推出了2700G多媒体加速芯片，配合PXA270进行视频加速与3D加速。

同时，PXA27x加入了wirelessMMX技术和SpeedStep动态电源管理技术，不但大大增强了PXA270的媒体处理能力，而且极大降低了系统功耗，延长PMP产品的电池寿命。

2700G的加入，更使PXA27x方案成为全能解决方案，不但完美解决了MPEG-2编解码问题，更使基于PXA27x的PMP产品能向多功能化发展，可以加入游戏、摄像等功能，成为个人娱乐终端。

优点:

支持目前所有的媒体类型，可通过软件升级支持未来媒体类型;接口丰富，可支持SD、MS、CF等;支持最大400万象素摄像头;支持动态电源管理，功耗低

缺点:

成本可能较高

目前市面上还有其它几种非主流方案，如PxA255解决方案、SunplusSPCA536解决方案、Freescalei.MX21解决方案等。

基于PXA255的方案特点是功耗较低，且能够支持较多的媒体格式，但缺点是无法支持大尺寸图像的编解码，如MPEG-2等。

SunplusSPCA536解决方案价格低廉，但仅支持MPEG-4编解码与JPEG，支持媒体类型单纯，功能单一;FreeSCalei.MX21芯片原为智能手机专门设计，接口类型比较丰富，但音视频处理能力一般，无法进行流畅的MPEG-4播放，无法处理MPEG-2视频。

LCD多媒体设备是液晶显示技术、嵌入式系统技术以及多媒体技术的结合，随着液晶技术的发展主要是液晶显示面积增大以及显示效果的不断改善增强，使得液晶设备也逐渐多样化。

LCD嵌入式设备伴随着液晶尺寸的增加产品日益增多几乎覆盖了各个功能领域。

液晶多媒体设备除了显示尺寸的增加，另一方面对功能的要求也越来越高。

网络应用的结合是目前很多多媒体设备特别是移动设备的重点，在网络方面除了有线接入外无线接入，例如采用802.11b/g/n的无线局域网或CDMA、GPRS、3G的移动网络接入等。

低功耗、低成本、大尺寸、解码能力强的嵌入式系统多媒体设备是国内外研究的重点。

1.2嵌入式处理器

嵌入式处理器是嵌入式硬件平台的核心，负责系统事件的响应、任务的调度、外围器件的控制以及信号的处理。

嵌入式处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。

它的特征是32位以上，具有较高的性能。

与通用计算机中的CPU不同的是，嵌入式处理器在实际嵌入式应用中只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。

嵌入式处理器体积小、功耗低、成本低、可靠性高的优点使其在互联网、通信、消费类电子等多个领域得到了广泛的应用。

目前主要的嵌入式处理器按体系结构不同可分为五大类:

ARM、MIPS、POWERPC、x86和SH系列。

ARM内核是由ARM公司开发的一系列32位RISC处理器内核，当前有6个系列的产品:

ARM7，ARM9，ARM9E，ARM10E，SecurCore以及最新的ARM11系列。

目前业界可以提供ARM内核处理器的著名半导体公司有Intel，TI，Freescale，AnalogDevices，CirrusLogic和Samsung等。

本课题设计采用的S3C2440处理器就是Samsung提供的一款采用32位ARM内核的处理器。

S3C2440内部集成了微处理器和一些手持设备的常用外围组件，特别适用于手持产品。

S3C2440微处理器是一个多用途的通用芯片，它内部集成了微处理器和常用外围组件，可用于各种领域。

它是应用于手持设备的低成本实现，提供了更高性价比。

广州天嵌科技的TQ2440开发套件由核心板和底板（外设板或称基本板）组成，核心板上集成SamsungS3C2440处理器，64MSDRAM以及16M的FLASH，为您的应用研发提供了足够的空间。

底板上则提供以下外设接口：

一个四线RS-232串口（COM1），一个USBHOST接口，一个10M/100M自适应以太网接口，一个TFTLCD接口,一个触摸屏接口。

核心板和底板配合即构成一个最小的完整应用系统。

系统具有体积小、耗电低、处理能力强、等特点，能够装载和运行嵌入式Linux操作系统。

用户可以在这个系统平台上进行自主软件开发。

TQ2440套件中提供底板硬件电路图及硬件设计文档，极大的方便了用户进行硬件扩展开发。

S3C2440微处理器的精彩特性[2]：

✧ARM920T嵌入式处理器内核，主频可达203MHz；

✧扩展总线最大频率100MHz；

✧32位数据,27位外部地址线；

✧完全静态设计（0-203M）；

✧存储控制器（八个存储体）：

⏹包含RAM（SDRAM）控制器,NAND控制器；

⏹复位时引导芯片选择（8-，16-比特存储或NAND可供选择）；

✧四个带有PWM的16位定时器

✧多达55个中断源的中断控制器；

✧RTC；

✧三个UART，SupportsIrDA1.0；

✧四个DMA通道；（支持外设DMA）

✧8通道，500KSPS，10-bitADC；

✧支持STN

✧与TFTLCD控制器；

✧看门狗；

✧IIS音频接口；

✧两个USB口；

✧IIC-Bus接口；

✧两个串行外围接口电路（SPI）

✧SD卡接口；

1.3嵌入式系统

1.3.1嵌入式系统的概述

嵌入式系统的定义如下:

是一种以应用为中心、以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统[3]。

由嵌入式系统的定义可见，嵌入式系统具有以下几大特点:

（1）技术密集

嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个行业的具体应用相结合后的产物。

这一点就决定了它必然是一个技术密集、不断创新的知识集成系统。

（2）专用性强

嵌入式系统是与应用紧密结合的，具有很强的专用性。

嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也要根据系统硬件的变化不断进行修改。

同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大的更改，程序的编译下载要和系统相结合。

（3）系统精简

嵌入式系统必须根据应用需求可对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。

因此目前嵌入式系统的开发一般是先建立一个相对通用的软硬件平台，然后在其基础上进行裁剪和精简，开发出适应各种需要的系统。

一般而言，嵌入式系统的结构自底向上可分为3个部分，如图1-1所示

图1-1嵌入式系统的结构

1.3.2嵌入式操作系统的选择

现今，与嵌入式应用相结合的嵌入式操作系统有VxWorks、Linux、WinCE、

COS-II等，他们各有其特点，相比较而言，嵌入式Linux更具有优势。

归纳起来，嵌入式Linux至少具有以下优势[3]：

（1）开放的源码，丰富的软件资源

Linux是自由的操作系统，它的开放源码使用户获得了最大的自由度。

越来越多的人在linux源码上对其进行相应的开发，使得Linux上的软件资源十分丰富，每一种通用程序在Linux上都可以找到。

（2）功能强大的内核，性能高效、稳定，多任务

Linux的内核非常稳定，它的高效和稳定性已经在各个领域，尤其在网络服务器领域，得到了事实的验证。

Linux内核小巧灵活，易于裁减，这使得它很适合嵌入式系统的应用。

（3）支持多种体系结构，如X86、ARM、MIPS、ALPHA、SPARC等

目前，Linux已经被移植到数十种硬件平台上，几乎支持所有流行的CPU。

（4）完善的网络通讯、图形、文件管理机制

Linux自产生之日起就与网络密不可分，网络是Linux的强项。

另外，Linux还支持多种文件和图形系统。

（5）支持大量的周边硬件设备

Linux上的驱动已经非常丰富了，它们支持各种主流硬件设备和最新硬件技术。

（6）大小、功能都可定制

Linux秉承Unix的优秀设计思想，使得系统十分精简，功能独立，且非常灵活，各部分的可定制性也都很强。

（7）良好的开发环境，不断发展的开发工具集

Linux有着非常优秀的完整开发工具链，有十几种集成开发环境，其中很多是免费的，大大降低了开发费用。

（8）软件开发者的广泛支持

Linux的自由精神吸引了成千上万的程序员投入到Linux的开发和测试中来，这使得Linux在短时间内就成为一个功能强大的操作系统。

（9）价格低廉

有效降低产品成本，对成本敏感的嵌入式系统来说至关重要，Linux恰好具有这一特性。

正是这些优势，嵌入式Linux系统的研发热潮正在蓬勃兴起，并且占据了很大的市场份额，除了一些传统的Linux公司（如RedHat、MontaVista等）正在从事嵌入式Linux的开发和应用之外，IBM、Intel、Motorolar等著名企业也开始进行嵌入式Linux的研究[4]。

嵌入式图形用户界面（GraphicsUserInterface）系统是嵌入式实时操作系统的一个重要组成部分，随着嵌入式系统硬件设备可获得性的提高和价格的不断降低及嵌入式系统应用范围的不断扩大，嵌入式GUI系统的重要性越来越突出,特别是对高性能嵌入式人机图形交互界面的要求也越来越迫切，比如消费电子和工业实时控制系统[5][6][7]。

这些系统对GUI的基本要求包括：

●轻型、占用资源少

●高性能

●高可靠性

●可配置

此外，适合嵌入式Linux的GUI还要求是开放源码的自由软件[8]。

时代的发展告诉我们，图形用户界面GUI的应用加速了计算机的普及广度,嵌入式技术的发展加速了计算机的普及深度,后PC时代呼唤着两者日益紧密的结合。

所以对二者的研究有着深刻的意义。

1.4本文的意义和主要工作

本文在研究嵌入式系统开发技术的基础上，提出了一套满足要求的低成本的嵌入式LCD多媒体终端的解决方案。

通过对系统的功能需求分析以及市场上主流处理器的功能和性能分析，选择了广州天嵌科技TQ2440实验板和fedora10Linux分别作为系统的硬件和软件开发平台。

本文的主要工作包括三方面的内容，首先是软硬件平台的构建，本设计要构建的是嵌入式Linux操作系统；第二，针对S3C2440处理器和Linux操作系统特点进行音视频解码器的设计和研究;第三，在嵌入式系统上对操作LCD屏进行研究；论文的主要结构如下:

第二章系统软硬件平台的搭建。

包括S3C2440处理器及硬件核心部件介绍、bootloader的实现