（通信与信息系统专业论文）基于wince50的电子纸显示屏驱动的设计与实现.pdf

摘要 摘要 电子纸的优越性使它在近几年内得到迅速发展，越来越多的电子纸产品出现 在市场中。但是，这些电子纸产品( 比如电子书阅览器) 大部分都是基于l i n u x 操作系统的，因为目前的电子纸屏幕还存在一定的缺陷：它会有一定的残影。使 用l i n u x 操作系统可以很容易实现定制化界面，通过定制化界面可以把电子纸屏 幕的残影有效地遮住，给用户造成没有残影的假象。由于w i n c e 操作系统界面的 复杂性很难使电子纸系统的残影有效地“消失”，因此市面上一直都没有基于 w i n c e 操作系统的电子纸产品出现。 本课题针对以上基于w i n c e 操作系统的电子纸系统的残影问题，提出了一套 相关的解决方案。课题主要研究了f r e e s c a l e 的m x 3 1 硬件平台、w i n c e 操作系 统以及相关的图像处理算法，根据这些基础知识，提出了电子纸系统中的图像更 新算法和图像显示算法来消除图形残影。课题主要编写了电子纸屏幕的显示驱动 程序，并把以上两个算法加入到此驱动程序中。课题的研究工作主要包括以下几 个方面： ( 1 ) 熟悉w i n c e 嵌入式操作系统的工作原理和特点，熟悉w i n c e 操作系统 的驱动程序框架，编写电子纸屏幕驱动程序。 ( 2 ) 熟悉f r e e s c a l e 的m x 3 1 的硬件平台，在此平台上成功运行w i n c e 操作 系统，仔细分析了硬件平台的相关特性和软件中的图像处理优势。 ( 3 ) 熟悉基本的图像处理算法，提出电子纸系统中的图像更新算法和图像 显示算法，这两个算法对于消除电子纸屏幕的残影具有很好的效果。 ( 4 ) 在电子纸屏幕驱动程序中加入提出的这两个图像处理相关算法，针对 嵌入式系统进行代码优化。 本课题针对电子纸屏幕提出的以上两个图像处理算法充分利用了硬件的特 性和软件的优势，它们是嵌入式系统中软硬件结合的典范。另外，这两个算法能 够有效地消除残影，使基于w i n c e 操作系统的电子纸系统能产品化。这类产品将 利用w i n c e 操作系统的优势极大扩展其他的各种功能：首先可以在电子纸产品中 加入微软公司其他产品的功能，比如o f f i c e 功能、电子邮件功能以及即时聊天 功能等等；另外用户可以利用w i n c e 提供的丰富接口很容易编写出符合自己要求 的各类应用软件。因此，课题的研究成果对于电子纸产品具有重要的意义。 关键词电子纸；w i n c e ；m x 3 1 ；嵌入式系统 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea d v a n t a g eo fe p a p e rl e a d si t su s et oe x t e n dq u i c k l yi nr e c e n ty e a r s m o r ea n d m o r ep r o d u c t sr e l a t e dt oe p a p e rs y s t e m sa r ee m e r g i n gi nt h em a r k e t h o w e v e r , m o s to ft h e s ep r o d u c t s ( s u c ha se - b o o k s ) a r eb a s e do nl i n u x ，f o rt h e r ei sg h o s t i n g o nt h ed i s p l a ys c r e e no ft h ep r e s e n te p a p e rs y s t e m sa n du s i n gl i n u xc o u l dr e s o l v e t h i sd e f e c to fe p a p e rs y s t e m s l i n u xc a l le a s i l yi m p l e m e n tt h ec u s t o mi n t e r f a c ei n e p a p e rs y s t e m sa n dt h u si tc a ng i v eu s e r st h ei m p r e s s i o nt h a tt h e r ei sn og h o s t i n g b e c a u s et h ec o m p l e x i t yo fg u i ( g r a p h i cu s e ri n t e r f a c e ) i nw i n c ec a l lh a r d l y e l i m i n a t et h eg h o s t i n go nt h ed i s p l a ys c r e e no fe - p a p e rs y s t e m s ，t h e r ei sn oa n y e p a p e rp r o d u c t sb a s e do nw i n c ei nt h em a r k e t t h i sp r o j e c ta d v a n c e sar e s o l u t i o nf o rt h ea b o v ep r o b l e mi nw i n c e b a s e de p a p e r s y s t e m s i tm a i n l yd o e sr e s e a r c ho nm x 3 1 p l a t f o i t no ff r e e s c a l ec o r p w i n c e o p e r a t i n gs y s t e ma n ds o m eb a s i cp i c t u r e p r o c e s s i n ga l g o r i t h m s a c c o r d i n gt ot h e s e b a s i ck n o w l e d g e ，t h i sp r o j e c ta d v a n c e st w oa l g o r i t h m st oe l i m i n a t et h eg h o s t i n go n t h ed i s p l a ys c r e e ni nw i n c e b a s e de p a p e rs y s t e m s ：e l e c t r o n i cp a p e rp a n e li m a g e d i s p l a ym e t h o da n de l e c t r o n i cp a p e rp a n e li m a g eu p d a t em e t h o d i tm a i n l y i m p l e m e n t st h ed r i v e ro fd i s p l a ys c r e e no fw i n c e b a s e de p a p e rs y s t e m sa n da d d s t h e s et w oa l g o r i t h m st ot h i sd r i v e r t h er e s e a r c hw o r ko ft h i sp r o j e c tm a i n l yi n c l u d e s t h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) b e i n gf a m i l i a rw i t hw i n c eo p e r a t i n gs y s t e m ，e s p e c i a l l yt h ed r i v e rf r a m e w o r k o fw i n c e ；i m p l e m e n t i n gt h ed r i v e ro fd i s p l a ys c r e e ni ne p a p e rs y s t e m s ； ( 2 ) b e i n gf a m i l i a rw i t l lm x 3 1 p l a t f o r mo ff r e e s a c l ec o r p ；r u n n i n gt h ew i n c e o p e r a t i n gs y s t e ma n dd r i v e rp r o g r a mi n t h i ss y s t e m ；a n a l y z i n gt h ef e a t u r e so f h a r d w a r ea n dt h ea d v a n t a g e so fs o f t w a r ei np i c t u r e p r o c e s s i n g ； ( 3 ) b e i n gf a m i l i a r 谢mt h eb a s i cp i c t u r e p r o c e s s i n ga l g o d t h r n s ；a d v a n c i n gt w o a l g o r i t h m so fe l e c t r o n i cp a p e rp a n e li m a g eu p d a t em e 也o da n de l e c t r o n i cp a p e r p a n e li m a g ed i s p l a ym e t h o d ，w h i c hc a ne l i m i n a t et h eg h o s t i n go nt h ed i s p l a ys c r e e n i ne - p a p e rs y s t e m s ； ( 4 ) a d d i n gt h e s et w oa l g o r i t h m si n t ot h ed r i v e ra n dm a k i n gr e l a t e do p t i m i z a t i o ni n t h es y s t e m t h e s et w oa l g o r i t h m st h i sp r o je c ta d v a n c e sc o m b i n et h ec h a r a c t e r so fh a r d w a r e a n dt h ea d v a n t a g e so fs o f t w a r e t h e ya r et h ec l a s s i cs o l u t i o ni ne m b e d d e ds y s t e m s i na d d i t i o n ，t h e s et w oa l g o r i t h m sc a nr u l eo u tt h eg h o s t i n ge f f e c t i v e l y , w h i c hm a k e s t h ee p a p e rs y s t e m sb a s e do nw i n c ep r o d u c t i o n i tc a nb ep r e d i c t e dt h a tt h e e p a p e rp r o d u c t sb a s e do nw i n c ew i l lh a v em a n ym o r ef u n c t i o n s f i r s t l y ，t h e s e p r o d u c t sc a nb ea d d e dw i t hs o m es o f t w a r es y s t e m so fm i c r o s o f t ，s u c ha so f f i c e ， e m a i l m s nm e s s e n g e ra n ds oo n s e c o n d l y , u s e r sc a nd e v e l o po t h e rs o f t w a r e s y s t e m se a s i l yb yu s i n gt h ea p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) p r o v i d e di n w i n c e t h u s ，t h er e s e a r c ho ft h i sp r o j e c ti ss i g n i f i c a n tt oe p a p e rp r o d u c t s k e y w o r d se p a p e r ；w i n c e ；m x 31 ；e m b e d d e ds y s t e m s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：聋幽卜日期：掣 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：彳易娟 导师签名：孩夕b 日期： 仞9 9 ， 【 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 电子纸及其技术概况 进入2 1 世纪，随着新知识的爆炸式涌现，新技术的持续进步，新科技的逐 步创新，以及物质精神生活水平的不断提高，人们对于获取知识信息的方便性 要求越来越高。电子纸手持设备正是在这种背景下产生的。所谓的“电子纸 ， 并不仅仅局限于某种单一的即成技术，更是囊括了各种显示技术在内的技术范 畴。目前，这项技术的标准及规范尚未形成。粗略地讲，我们可以认为这项技 术可以替代电子媒介或者纸，在信息传播领域发挥作用。电子纸的功能特性包 含如下几个方面：对显示内容的可擦写能力、图形信息的记忆能力、显示的反 射类型以及良好的柔软性等。另外，彩色的电子纸也正在研究之中，相信很快就有 相关产品上市l l 屯j 。 当今市面上的电子纸产品可分为两种基本类型：一类用于面向个人用户的 移动设备；而另一类的用户定位则与前者完全不同一一为某种特殊场合设计的 广域信息系统。电子书( e b o o k ) 便是采用了电子纸技术的一类重要产品，它 也是将该项技术引入移动设备的标志性产物p j 。在2 0 0 4 年4 月，索尼公司开始 销售被称为l i b r i e 的图书阅读器，并让消费者第一次感受到了电子纸产品的魅 力。它的显示模块采用由e i n k 公司研发的微胶囊电脉型电子墨水来成像。电 子墨水中有很多个胶囊微粒，微胶囊里面充满了漂浮着白色及黑色带电颗粒的 绝缘液体。不同于液晶类的传统显示技术，这种显示能像使用真正的墨水在纸 上印刷一样，显示图像。通过评估，使用该技术的产品旨在设计出一种专门用 来读书的设备。1 9 9 7 年，电子墨水的发明者之一，美国麻省理工学院的传媒实 验室的j j a c o b s o n 展示了一个梦想，读者使用一个电子墨水技术的简单设备， 通过重复擦写就可以阅读全世界所有的书籍。目前l i b r i e 的一种成熟产品已经 打入了美国市场。该类产品的最终客户主要是经常乘坐飞机的商务人士和城市 上班族( 图1 1 所示，电子书阅览器图) 。2 0 0 6 年8 月，荷兰i r e x 科技推出一 款叫做i l i a d 的专门阅读设备，仍然采用了e i n k 公司提供的显示模块。i l i a d 的特色是拥有一块比l i b r i e 稍大的显示屏，并有一个内置的局域网接口。作为 一个基本的设计功能，用户可以通过i n t e m e t ，把所需要的最新报纸信息下载到 它上面来浏览。法国的报业公司l e se c h o s 在2 0 0 7 年9 月就开始利用i l i a d 销 售自己的电子报纸。一种类似的服务已经引入中国1 5 刮，并且正在计划进入日本 市场。有了这种配备了手写输入机制的阅读设备，使用者就可以在各种商业场 合阅读电子手册。 ! ! 星三些奎茎三茎竺圭茎呈耋耋 嘲 瑶z 勰嚣鬻；薹囊篓鏊! 篮i 蠹 | i | 图囊窭霎鞫 孽滴穗搿渊 黼；蘸糕 0 毒鍪溢誓鲨逍 _ 回 图1 - 1 电子书铡览器 f i g u r el _ 1e - b o o k r e a d e r 除了应用于书籍外，电子纸还可以广泛地应用于其他领域。电子纸可以在 教育领域中广泛应用。在课堂教学中，可以用电子纸做成教室内的“黑板”，再 配上可以书写的“电笔”，则这块“黑板”就不仅可以随意书写，而且包含着诸如 辞典、参考书、演示图片等多种功能，并且显示的并非呆板的字符，而是图文 并茂、生动活泼的图像。在最近十分热门的r f i d 应用中电子纸也扮演了一 个关键的角色。近一两年来在日本召开的地球环境保护会议以及在中国北京举 行的车展上，都可咀见到用电子纸做成的r f i d 门票。作为新一代显示技术的 代表，电子纸在不久的将来将会应用于电视机、监视器等各种显示设备。目前， 电子纸的相关研究吸引着许多研究者i “- 3 ，相信随着科技的进步电子纸的应 用将会越来越广泛。 1 2 电子纸的特点及其应用 电子纸，也叫数码纸，是一种超薄、超轻的显示屏可理解为“像纸一样 薄、柔软、可擦写的显示器”。谈到电子纸，必然会谈到电子墨。形象地说，电 子纸是一张薄胶片，而在胶片上“涂”上的一层带电的物质就是电子油墨。它 具有以下的特征：( 1 ) 内容的重写。可以任意对文字或图像进行重写、更新： ( 2 ) 存储量大，可在线下载；( 3 ) 适合肉眼阅读。由于对比度较高，所以文字、 第1 章绪论 图像清晰，并且无论从哪个方向看都没有变化，阅读舒适；( 4 ) 便携性。因薄 膜重量轻，方便携带，可适度折叠；( 5 ) 即使在断电的情况下，也可以长时间 地保留显示，并且使用时非常省电。这类产品的目标是制成一种形似于纸的产 品，其研究从两方面进行，一是把显示器做得像纸一样的东西，另一种是把纸 做得像显示器那样可改换内容的东西即“可重写纸”。现有的电子纸类型举例如 下。 液晶方式。该方式是利用施加电压后分子排列被改变的液晶的性质，通过 调整透光率及改变光线的方向来表达反差，笔记本电脑等产品上的液晶显示器 就是这种类型。电子纸液晶显示器的制作思路是，将液晶板与写入图像的装置 部分相分离以实现薄型化和轻量化，并能卷曲，做成像纸一样的东西，写入可 利用施加光、热、表面电荷等各种方法来实现。 电脉方式。该方式是利用在电压下能够改变黑白状态的微胶囊来实现图像 显示的。微胶囊中带电的白色氧化钛颗粒和黑白碳粉粒子在电压下上下移动， 从而绘制出黑白图像。其特点是在反差、明亮度视觉等方面较理想，耗电低， 重量轻而容易使其薄型化，形状自由等。此外，有的产品是利用带电色粉的电 脉现象，通过加大色粉的密度来提高黑白反差的。 从目前开发的电子纸应用范围来看，电子纸的用途主要有如下几个方面： ( 1 ) 显示器施乐旗下的g r i c o nm e d i a 公司已成功研制出可多次重复使用 的电子纸。这种像纸那样薄价格又不贵的电子纸与电子技术结合后，能象电脑 屏幕那样显示变化的文字和图像并能使用数千次。用于网络和可重复使用的零 售显示牌等领域，通过点击鼠标就能更新显示内容。可用在超市、百货商场及 其它零售场所的显示牌上。与普通纸不同，它以电子方式擦写。这种材料在信 息显示应用方面有很大潜力，包括数字化书刊、低功耗便携显示器、挂壁式显 示器及可折叠的显示器等。 ( 2 ) 万能书据报道，麻省理工学院的媒体实验室和加州的施乐公司正在 开发电子纸“魔杖”版本。其外形如同一枝铅笔，内部装有记忆芯片和电子接 触器，当“魔杖”在电子纸表面滑动时，其记忆芯片就将获取的信息转化成象 素。若与电脑相连，则成为快速传输信息的工具。专家们估计，记忆芯片将越 做越小，信息储存量将更加庞大，有朝一日，一本电子书将能储存下3 5 0 0 0 本 普通书的内容，几乎超过一个人一辈子能读的书。目前国外有将诸如电子书等 用于教育领域，大大减轻了学生的书包重量，他们只需带一两本电子书，它不 仅包含了全部的课本、课外练习之类的书本内容，还含有许多教学参考书之类 的东西，图文并茂、生动活泼，可大大激发学生的学习兴趣。 ( 3 ) 书写使用“电笔 ，就可以在电子纸上书写，也许有朝一日，教学上 都要使用它。可以想象，当用电子纸做成教室内的“黑板”，再配上这种书写的 北京工业大学工学硕士学位论文 “电笔 ，则这块“黑板 就不仅是可以随意书写的对象了，而且包含着诸如辞 典、网络上的许多资料、信息等，并且显示的并非不动的字符，而是图文并茂、 生动活泼的动画图像。电子纸将在教育领域必将有着广阔的应用前景。 ( 4 ) 电子报纸根据i b m 公司对电子报纸的最新研究成果，这种电子报纸 把1 6 个版面的内容集成在一本书中，这本书实际上是一些具有双面、能卷曲的、 有提示信息的屏幕，这种电子报纸可以从因特网上下载文字、图形和图片。可 见，开发商和制造商都在寻找一种能够取代纸张的可卷曲屏幕或者具有储存能 力可被重写的具有纸张一样外形的物质。为此，人们作出了大量研究以开发出 一种“纸样”材料，这种材料的外形像纸张一样，但是可以通过电子信号显示 文本、图片和图像信息，而且这种材料也需具有一定的存储空间，这就意味着 它们将具有不需要网络或能量的支持，允许多次使用( 如可擦写、再成像等) 等特点。 1 3 电子纸的前景展望 近十年来随着信息量的爆炸式增长，除报纸外，各式各样的杂志、宣传海 报以及计算机打印的纸张数量都有大幅的增加。而需求数量庞大的传统纸张对 森林的威胁使环保人士感到担忧。电子纸就在这种背景下诞生了，s o n y 公司 在2 0 0 4 年就成功推出了采用电子纸技术的电子书阅读器。目前，电子纸技术正 在从黑白走向彩色，实现可弯曲化，并使电子纸具备交互性。未来我们不仅可 以看到随身携带的电子报纸；可折叠的电子书、电子速记本都将出现在我们的 身边。 毫无疑问，鉴于纸张在人类生活中的重要性，电子纸的出现会极大地改变 人们的日常行为，甚至生存环境。比如，电子纸不需要用到纸浆，而且可以被 反复使用，这样一来就保护了森林，从而有利于环保。另一方面，电子纸让人 感兴趣的还是它带来的i t 属性。以电子报纸来说，下载阅读就使人耳目一新。 此外，某些品牌电子书还配备了耳机和u s b 接口，从而使阅读成为了一种不限 于平面的立体体验，这在以往是从来没有过的。 最近几年，在众多的电子纸新品一拥而上并且普遍将在短时间内形成规模 生产能力的现状显示，全球电子产业的热点已经出现明显的转向，电子纸产业 已展露出雏形。2 0 0 7 年6 月，研究机构n a n o m a r k e t s 发表一份报告对电子纸市 场价值有望从2 0 1 2 年的2 0 亿美元激增到2 0 1 4 年的4 0 亿美元。截止到2 0 1 4 年， 仅在标牌市场上，电子纸就可以赚到5 9 7 亿英镑。各项技术之间的市场竞争也 将变得更加激烈，特别是在标牌等核心生产领域。在报告中，n a n o m a r k e t s 的 分析师认为，“这是一个千载难逢的好机会 。 4 第1 章绪论 对报纸读者而言，电子纸的优势非常明显。目前全球大部分报纸都已经有 了电子报，但是目前手提电脑较重，p d a 和手机屏幕又太小，而且，在长时间 阅读时，两者均从不同程度上伤害读者的视觉。因此，电子报并没有能够通过 这两种设备迅速打开市场。相比之下，电子纸的重量很轻，其实现技术的特点 之一就是仿照纸质印刷品的视觉效果，无需背光也可以阅读，用户的使用感受 与阅读真正的印刷版时非常相似。由于目前黑自电子纸的技术远比彩色电子纸 成熟，因此，似乎报业是最适合推广电子纸的行业。在2 0 0 6 年一年，借助于荷 兰公司i r e x 公司的大力推广，解放日报报业集团和烟台日报报业先后与i r e x 合作，向上千名读者免费赠送电子纸阅览器，在报业电子纸的实际应用方面实 现了首次突破。2 0 0 6 年8 月，宁波日报报业集团也在国内成规模推出电子纸报 纸宁波播报。有关专家认为，电子纸的应用和推广将掀起纸媒载体、信息技 术和数字出版新一轮的革命，同时，可以逐步降低传统纸张的使用，进而降低 树木的砍伐，对资源的节约和环境保护有着重要的作用。但是，这一技术在国 内报业的进一步应用，还有待于国内报业内容产业链的深度整合和产品价格的 大幅降低。 1 4 基于win 0 e 的电子纸系统 近年来，越来越多的电子纸产品已经涌入市场，厂商包括三星，索尼，飞 利浦等公司。但是，目前的电子书屏幕会产生图像残影，也就是说上一幅图像 的存在会在下一幅图像中留下阴影。为了快速推出电子纸相关产品，研究人员 发现，可以使用定制的图形界面来隐藏相关的图像残影，使得这些图像残影对 用户的阅读没有影响。因此，目前所有的电子纸系统都采用l i n u x 操作系统， 系统的界面都根据l i n u x 操作系统来定制的，这些定制的界面可以很好地隐藏 图像残影。但是，这样就限制了电子纸产品的使用，由于它定制的界面，它仅 仅只能适用于阅读书籍。 w i n c e 操作系统是一个抢占式多任务并且具有强大通信功能的w i n 3 2 嵌入 式操作系统，它是微软专门为信息设备、移动应用、消费类电子产品、嵌入式 应用等非p c ( 个人电脑) 领域而设计的战略性操作系统产品。它的模块化设计、 实时性能、通信功能、支持多种处理器等优点使得它在嵌入式领域被广泛运用。 但是，当前基于w i n c e 操作系统的电子纸产品还未能出现在市场中，这主要是 由w i n c e 操作系统界面的复杂性造成的。w i n c e 具有一套复杂的界面模块和 界面库，它很难像l i n u x 操作系统一样能很容易实现界面的定制化。当电子纸 系统运行w i n c e 操作系统时，电子纸屏幕将会出现很明显的图像残影。如图 1 2 所示，虚线框内为在运行w i n c e 操作系统的电子纸系统中拖动w i n d o w s m e d i a 软件残留下来的图像残影。可以很明显地看出这些图像残影对电子纸 产品的显示效果具有极大的影响，这是基于w i n c e 操作系统的电子纸系统不能 产品化的主要原因。图像残影的主要原因是电子纸屏幕控制器硬件部分造成的， 所以t 要想在基于w i n c e 操作系统的电子纸系统中消除残影必须要结合电子 纸屏幕控制器硬件特性和系统中的软件优势，这是本课题的研究重点。 图l - 2 基于w i n c e 的电子纸系统 f i g u r e1 2t h ee - p a o e rs y s t e mb a s e do n 毗r i c e 1 5 课题研究意义 可以看出，电子纸产品将会越来越多地出现在市场中，这些产品将得到人 们广泛的青睐。但是，目前制约电子纸产品进一步发展的主要因素是电子纸屏 幕上的图像残影。由于目前解决此问题的办法是通过定制系统的界面来消除隐 藏图像的残影，这样造成的结果是电子纸产品的功能单一。因此，日前市场上 大部分电子纸产品都是电子书阅读器。可以想象，如果能通过某种方法消除图 像残影电亍纸屏幕可以不受界面定制的限制，那么它的应用将十分广泛。 第1 苹绪论 ! i 。|o i 皇i 曼曼苎曼皇苎曼曼! 曼! ! 曼! 舅 本课题主要研究如何消除基于w i n c e 操作系统的电子纸系统的图像残影， 因为w i n c e 操作系统是一个广泛运用于嵌入式领域的操作系统，而且它集成了 微软的很多其他软件功能。如果能在电子纸系统中充分利用w i n c e 操作系统中 集成的那些软件功能和微软提供的应用程序组件，则电子纸产品的功能将得到 极大的丰富。因此，本课题首先在w i n c e 操作系统中有效地利用图像处理算法 来处理电子纸屏幕中的图像残影，这样不仅可以扩大电子书的使用范围，而且 可以极大地扩大电子书的功能，比如可以在电子书系统中使用邮件系统，即时 通信工具，甚至可以玩简单的游戏。本课题来自于实验室与台湾元太科技有限 公司合作的电子纸屏幕显示相关的项目，课题首先研究电子书系统的软硬件平 台，熟悉相关功能，然后设计相关的图像处理算法，结合本系统的软硬件特性， 设计出可以极大限度消除图像残影的电子纸屏幕驱动程序。 1 6 论文的组织结构 本论文一共分为五章，各章主要内容如下： 第一章为绪论，讨论了电子纸的概念及其发展现状，给出了电子纸的特点 及其应用，分析了电子纸的发展前景，最后介绍了课题的研究意义。 第二章是本论文软件系统的理论基础，主要介绍了w i n c e 5 0 操作系统及 其驱动程序的框架。 第三章为系统软硬件架构分析，硬件方面主要分析了f r e e s c a l e 的m x 3 1 的 硬件平台。同时分析了系统的软件架构。 第四章为本课题的重点阐述，首先介绍了基本的图像处理算法，然后介绍 了本课题提出的图像更新算法和图像显示算法，这些算法可以有效地消除电子 纸屏上的残影。 第五章主要介绍了本系统的测试阶段的工作，首先介绍了软件测试的目的， 方法和一般准则，然后分析了本论文提出的算法的测试结果。 最后在结论中总结了本项目的成果和创新点，并指出了本课题进一步的研 究方向。 7 第2 章w i n c e 操作系统及其驱动框架 曼ii ：i i = i ii ； ： i i 曼! ! 皇! 曼曼毫曼曼曼曼鼍曼曼曼! ! ! 曼! ! 皇曼曼 第2 章w in o e 操作系统及其驱动框架 2 1win o e 操作系统概述 w i n c e 是一个面向移动计算和嵌入式应用的3 2 位高性能操作系统。它具 有一个简洁、高效、完全抢占式的多任务内核，支持强大的图形g u i ( g r a p h i c u s e ri n t e r f a c e ，图形用户界面) ，具备嵌入式系统的模块化、可定制、完备性、 实时性的优点，能够适应广泛的系统需要。其多线程、多任务、全优先的操作 系统环境是专门针对有限的系统资源而设计的。这种模块化设计使嵌入式系统 开发者和应用开发者能够定做各种产品，例如家用电器，专门的工业控制和嵌 入式通信设备。w i n c e 支持各种硬件外设及网络系统，包括键盘、鼠标设备、 串口、以太网连接器、调制调节器、u s b 设备、音频设备、平行端口、打印设 备及存储设备等。它的基于w i n d o w s 应用程序编程接口( a p i ) ，使得w i n c e 几乎可以完成p c 机上其他w i n d o w s 操作系统可以完成的所有工作。其中“c e 中的c 代表袖珍( c o m p a c t ) 、消费( c o n s u m e r ) 、通信能力( c o n n e c t i v e ) 和伴 侣( c o m p a n i o n ) ：e 代表电子产品( e l e c t r i c s ) 。 2 1 1win c e 的特点 w i n c e 的设计目标是：模块化及可伸缩性、实时性能好【2 9 、通信能力强、 支持多种c p u 。其主要特点有： ( 1 ) 高度的模块化和可裁剪性w i n c e 是由许多单独的模块构成，每一模 块都提供了特定的功能，这些模块中一部分是以组件的形式存在的。这些组件 使w i n c e 变得非常紧凑，它们只占用了运行时所需要的最小存储空间和其他硬 件资源。另外，w i n c e 的这些模块可以自由地定制，比如可以去掉网络功能， 多媒体功能等等，通过裁剪，具备最少功能的w i n c e 5 0 内核可以达到2 0 0 k 左 右，而完备功能的w i n c e 5 0 内核其功能几乎可以与w i n d o w s 操作系统相当。 用户可以使用p l a t f o 册b u i l d e r 裁剪自己需要的w i n c e 操作系统。 ( 2 ) 良好的图形图像支持能力w i n c e 继承了w i n 9 x 、w i n n t 对g u i 、图 形图像良好的支持能力，允许用户对常用控件和其他用户界面进行外观的自定 义。另外，w i n c e 支持最新的多媒体技术，包括m i c r o s o f td i r e c t xa p i 和w i n d o w s m e d i a 编解码器和控件。只要硬件支持，用户不仅可以使用这些强大的图形图 像处理软件，也可以使用相关a p i 进行嵌入式应用软件的开发。 ( 3 ) 强大的硬件支持能力w i n c e 支持a r m ，x 8 6 和m i p s 等在内的多种 9 北京工业大学，t 学硕上学位论文 c p u 和大量标准和非标准外设。而且提供了很多的设备驱动程序，大部分场合 下无需用户编写复杂的设备驱动程序。w i n c e 提供了标准的设备驱动开发框架， 用户可以很方便地添加自己的设备驱动程序。另外，用户还可以通过裁剪与定 制，去除不需要的支持与驱动，使系统减到最小。 ( 4 ) 支持多进程和多线程同w i n d o w s 一样，w i n c e 每个运行的程序都是 一个进程，w i n c e 5 0 版本支持3 2 个进程，每个进程有3 2 m 的虚拟地址空间。 w i n c e 是一个基于抢占式的多线程操作系统，在线程这一级，w i n c e 可以实现 类似操作系统任务的调度、通讯和同步功能，具有较好的进程线程管理机制。 同时，为了支持可抢占式的硬实时调度，w i n c e 已经实现了优先级反转机制。 ( 5 ) 开放的通信平台和强大的安全性能w i n c e 支持大部分标准的网络技 术，比如串行i o 访问、远程访问服务、传输控制协议i n t e m e t 协议( t c p i p ) 、 局域网( l a n ) 、电话技术a p i ( t a p i ) 和w i n c e 的无线服务。这一特点对应 用软件的开发十分重要【2 1 1 。另外，w i n c e 中有高效的服务器身份验证、w e b 服 务器的安全套接字层和受保护的存储等等。 2 1 2win c e 应用领域 w i n c e 是一个具有抢占式多任务功能，并具有开放的通信平台的嵌入式操 作系统。w i n c e 操作系统是微软公司专门为移动应用、通信设备和消费电子产 品等嵌入式应用非p c 领域而设计的操作系统产品，它的主要目标是嵌入式系 统领域，下面介绍w i n c e 的三个主要应用领域：手机市场、p d a 市场和工业 控制市场。 ( 1 ) 手机市场很早以前微软就在从事一个“s t i n g e r 智能电话开发项目 的研究，将最好的p d a 和最好的电话组合在一起，构建一个使用户随时随地的 保持智能链接，可以使用语音、电子邮件和其他途径通信的平台。除了提供简 单的电话短信功能外，微软智能电话平台向用户提供不断更新的个人信息、电 子邮件以及强大的w e b 浏览功能。这个手机研发项目的数年后，微软开始针对 手机，在w i n c e 内核的基础上开发出一个新的手机操作系统：w i n d o w sm o b i l e 。 目前，在w i n c e 内核基础上改进的w i n d o w sm o b i l e 操作系统已经广泛运用于 手机中。随着手机硬件的不断更新换代，w i n d o w sm o b i l e 操作系统功能的不断 完善，越来越多的手机开始采用微软的w i n d o w sm o b i l e 操作系统，这些手机一 般被称为高端的智能手机。 ( 2 ) p d a 市场本世纪初，微软公司就一直希望p c 消费者能普遍使用安装 w i n c e 操作系统的p d a ( 个人数字助理器) 。初期与p a l m 公司p d a 产品的较 量中，w i n c e l 0 和w i n c e 2 0 并没有任何优势。但是，随着w i n c e 版本的不断 1 0 第2 苹w i n c e 操作系统及其驱动框架 一l i i , i i。! 曼曼! 皇曼! ! 曼! 曼鼍曼! ! 曼曼舅 更新，同时微软不断与各个硬件厂商合作，截至2 0 0 1 年，微软的w i n c e 操作 系统就占有p d a 操作系统3 0 的市场份额。目前，在p d a 产品的市场中，已 基本形成了微软与p a l m 公司对垒的格局。基于p a l m 操作系统的产品最大的弱 点是系统开放性差、应用程序很少和功能扩充空间小；而微软的p d a 产品因 w i n c e 操作系统可开发性好、应用程序开发商多、功能强大而且与p c 、甚至 互联网的互动性强等优点，逐步占了上风【2 2 】。 ( 3 ) 工业控制市场w i n s c e 正在被证明是工业控制领域的一个典型操作系 统，它紧凑的模块性和易裁剪性使得它逐步成为供应控制领域应用广泛的操作 系统。同时，w i n c e 的强大功能和可靠性为制造厂家带来了极大的信心。w i n c e 操作系统的强大功能降低了产品生存周期中各个阶段的成本，并且缩短了项目 开发的时间，大大加快了产品投放市场的时间。目前，w i n c e 在工业控制领域 越来越多地被运用，而且随着w i n c e 操作系统的改进，相信它在供应控制领域 会得到更广泛的重视。 2 2win c e 系统架构 w i n c e 操作系统具有模块紧凑性和易于裁剪性的特点，这些特点使得它在 工业界具有广泛的运用。、m n c e 被设计成一种分层结构，如图2 1 所示，从底 层向上分别为硬件层、操作系统层和应用层。每一层分别由不同的模块组成， 每个模块可能由不同的组件构成，这种良好的分层结构将硬件和软件、操作系 统和应用程序隔离开来，以便于实现系统的移植和软件的开发。 简单地说，基于w i n c e 操作系统的嵌入式系统主要由硬件层、o e m ( o r i g i n a l e q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r ) 层、操作系统层和应用程序层组成。其中，硬件层主 要是系统的硬件平台部分，主要包括c p u 、存储设备、i o 端口等组成的嵌入 式硬件系统，是w i n c e 操作系统运行不可缺少的部分。下面分别介绍o e m 层， 操作系统层和应用程序层。 北京工业大学工学硕七学位论文 厂 应用程序层、 应用程序层 、 l客户应用程序 i n t e m e t 客户服务 用户接口 w i n c e 应用程序 。 厂 操作系统层、 客户和服务开发 核一o d l l对象存储 图形窗口和事件子 多媒体技术设鲁管理器通信服务和网络 系统 核心部分 。 ， o e m j 罢 、 o a l 驱动程序 启动加载程序配置文件 系统硬件层 图2 iw i n c e 系统架构 f i g u r e2 - 1t h ea r c h i t e c t u r eo fw i n c e - b a s e ds y s t e m s 2 2 1o e m 层概述 o e m 层是嵌入式硬件系统与w i n c e 操作系统的中间部分，它主要用于支 持硬件加载w i n c e 操作系统，同时使得操作系统能够对硬件进行初始化并且驱 动相关硬件。o e m 主要由c s p ( c h i ps u p p o r tp a c k a g e ) 代码和b s p ( b o a r ds u p p o r t p a c k a g e ) 代码组成，其中，c s p 主要用于支持不同的c p u 架构，它与c p u 架 构有关，主要完成一些c p u 的初始化，中断处理等。b s p 则用于支持其他的硬 件外设，主要由启动加载程序和驱动代码等组成。o e m 层主要包括以下具体模 块： 1 2 第2 章w i n c e 操作系统及其驱动框架 _i _i i i_immm ( 1 ) o a l ( o e ma d a p t a t ；o nl a y e r ，o e m 适配层) 0 a l 是位于硬件与w i n c e 操作系统内核之间的一个代码层，主要用来处理w i n c e 内核与目标硬件之间的 通信，它的主要功能包括c p u 初始化、处理器中断等。o a l 的各个模块代码 被编译后( 1 i b ) 和其他内核库链接到一起形成w i n c e 的内核可执行文件n k e x e 。 w i n c e 内核给o a l 层提供了大量的函数和全局变量，利用它们o e m 可以编写 中断处理、电源管理、调试端口、通用i o 控制代码等。w i n c e 系统中包含了 o a l 的一部分源代码，一般情况下开发者只需要针对不同硬件部分对这部分代 码进行修改即可。 ( 2 ) 启动加载程序( b o o tl o a d e r ) 这部分的代码主要用于将w i n c e 操 作系统加载到内存中，使得w i n c e 操作系统能在硬件中正常启动。它是w i n c e 操作系统内核运行之前运行的一段代码，这部分代码可以初始化硬件设备，建 立内存空间的映射，使硬件处于一个合适的状态，为操作系统内核的运行准备 好正确的环境。启动加载程序一般严重依赖于实际的硬件，尤其对于嵌入式系 统，几乎没有通用的启动加载程序。但是启动加载程序有一些通用的功能，比 如下载操作系统到内存中，初始化相关硬件等等。大多数情况下，开发者都可 以通过更改一个启动加载程序来实现自己的特殊的启动加载程序。 ( 3 ) 配置文件配置文件主要用于对w i n c e 操作系统的创建和加载过程进 行相关配置，它主要包括源代码配置文件和镜像配置文件。w i n c e 操作系统是 易裁剪的操作系统，其中源代码配置文件主要对操作系统运行时用到的模块、 特征和源代码模块创建方式进行配置。而映象配置文件主要用于操作系统运行 时映象创建方式的配置，比如操作