（系统工程专业论文）数字相框设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着计算机技术和通信技术的迅速发展，嵌入式系统得到了越来越广泛 的应用，成为当前i t 产业的焦点之，呈现出巨大的市场需求。数字相框作为 一种以数字照片的保存、回放和浏览为核心功能的产品，是嵌入式系统一种 比较新颖的应用。如今，数字相机和照相手机己成为比较普遍的消费品，以 致个人数字相片呈现出几何级数的增长。如果采用传统方法将这些照片都冲 印出来回味、欣赏，不仅费钱，而且也不易保存。于是数字相框应运而生， 相对于传统的冲洗照片，它有更加优良的回放功能和保存作用。 本设计以集成了j p e g 模块以及多种存储卡接口的多媒体专业芯片 p l l 0 6 1 为核心，通过在u c l i n u x 操作系统上设计驱动和应用程序，实现了通 过触摸盘控制数字照片的保存、回放和浏览的数字相框。 本文首先简单介绍了硬件系统。该设计采用一款专业多媒体应用芯片 p l l 0 6 1 ，加上基本的存储系统和输入输出等外围设备，就构成了数字相框的 硬件系统。 然后，本文具体描述了数字相框软件系统。软件系统由三部分组成，即 操作系统、驱动程序和应用程序。在操作系统方面，论文简单介绍了u c l i n u x 操作系统的历史，深入分析了u c l i n u x 下的内存管理、进程管理和设备驱动 原理。在设备驱动方面，本文具体给出了触摸盘驱动和内存管理驱动的设计 思想和实现流程。在应用程序方面，本文具体给出了前端显示和后台处理中 的相关算法和实现流程图。 最后，本文给出了数字相框系统的调试结果，并对调试结果进行分析， 对在调试过程中出现的问题，给出了相应的解决方案。 关键词：嵌入式系统；数字相框；p l l 0 6 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t a l o n gw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g y ，t h ee m b e d d e ds y s t e mh a sb e e nu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y i t h a sb e c o m ear e s e a r c hf o c u so f i ta n dp r e s e n t sg r e a tm a r k e td e m a n d d p f ( d i g i t a lp h o t of r a m e ) w h o s em a i nf u n c t i o ni sk e e p i n g ，r e p l a y i n ga n d s h o w i n gp i c t u r e si san e wa p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m n o w ，d i g i t a l c a m e r aa n dp h o t om o b il ep h o n eh a v eb e c o m eu n i v e r s a lc o n s u m a b l e ，w h i c h m a k e st h eq u a n t i t yo fp e r s o n a lp h o t o si n c r e a s i n gf a s t s oi ti sag r e a t w a s t eo f m o n e yi f w ed e a lw i t hp h o t o sa sb e f o r e ，a n di t i sa l s o d i s c o m m o d i o u st ok e e pt h e s ep h o t o s s od p fi sr i s i n g ，a n di t sf u n c t i o n s o fr e p l a y i n ga n dk e e p i n gp h o t o sa r eb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a lm e t h o d t h ed p fw i t ht h ef u n c t i o n so fk e e p i n g ，r e p l a y i n ga n ds h o w i n g p i c t u r e su n d e rt o u c hp a dc o n t r o l l i n gw a sr e a l i z e di nt h i sd e s i g n t h e p l l 0 6 1w h i c hi sam u l t i m e d i ap r o f e s s i o n a lc h i p ，a n di n t e g r a t e dj p e g m o d u l ea n dm u l t i p l i c a t em e m o r yc a r d si n t e r f a c e sw a su s e da st h ec p u o ft h ed p f ，a n dt h ed r i v e ra n da p p l i c a t i o np r o g r a m sf o rt h ed p fw e r e d e s i g n e db a s e do nu c l i n u xo s i nt h i sp a p e r f i r s t l y ，t h eh a r d w a r es y s t e mo ft h ed p fw a si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h eh a r d w a r ep l a t f o r mi sc o m p o s e dw i t ht h em u l t i m e d i ap r o f e s s i o n a lc h i p p l l 0 6 1a n dp e r i p h e r a lu n i t ss u c ha sb a s i cm e m o r y ，i oa n ds oo n t h e n ，t h es o f t w a r es y s t e mo ft h ed p fw a si n t r o d u c e di nt h ep a p e r t h es o f t w a r es y s t e mi s c o m p o s e dw i t ht h r e ep a r t s ，o s ，d r i v e ra n d a p p li c a t i o np r o g r a m s f o rt h eo s ，t h ed e v e l o p m e n t ，m e m o r ym a n a g e m e n t ， p r o c e s sm a n a g e m e n ta n dd e v i c ed r i v e rt h e o r e mo ft h e u c l i n u xw e r e i n t r o d u c e d f o rt h ed e v i c ed r i v e r ，t h ed e s i g n i n g c o n c e p t i o na n d i m p l e m e n t a t i o nf l o wo f t h et o u c hp a dd r i v e ra n dm e m o r y m a n a g e m e n t d r i v e rw e r ep r e s e n t e di nt h ep a p e r f o rt h ea p p l i c a t i o n ，t h ea l g o r i t h m s a n di m p l e m e n t a t i o nf l o wo ff r o n t e n dd i s p l a ya n db a c k g r o u n dp r o c e s s i n g w e r es h o w e dint h ep a p e r a tl a s t ，t h ed e b u go ft h ed p fw a sp r e s e n t e d ，a n dt h es o l u t i o n so f q u e s t i o n si nt h ed e b u gw e r es u p p li e di nt h ep a p e r k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；d p f ；p l l 0 6 1 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密酣使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 指导老师签名： f 孤叫讵可让 隅抄p 钐 罗垆 、-= 仔口 疆v 7 名 刃 签乳秘蝴仁日 文论位学 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究 工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的 个人和集体，均己在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法 律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、j p e g 图片采用硬件解码，图片从解码到显示的时间只需1 6 s 。 如果被解码图片的分辨率跟液晶分辨率在横轴或纵轴上成一定比例，则 图片从解码到显示的时间会缩短一半。 2 、采用优化的算法，来实现系统图片、文件夹信息的存储。 3 、在满足显示速度的情况下，采用不同算法，来实现图片的多种回 放模式和效果。 伽豸罗 伊7 ，弓，1 吁 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着计算机技术、通信技术的快速发展，人类社会迈入了信息飞速膨胀 的时代，每个人每天都必须面对大量的信息，所以需要借助各种数字工具， 才能快速地对各类信息进行分类处理。现在的数字工具，已经不局限于以前 的个人计算机，而是包括功能千差万别的各类专用嵌入式系统。 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是以应用为中心，以计算机技术为基础， 软硬件可以裁减的，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等 指标的严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统自诞生以来，得到了广泛的应用，从消费电器到工业设备， 从民用产品到军用器材，嵌入式系统被广泛地应用到各个领域。在众多的应 用中，消费电子是嵌入式系统应用比较多的领域，也是大众比较熟悉的应用 产品。当前，消费电子产品更新换代的速度进一步加快，市场需求不断增大。 数字相框作为一种以数字照片的保存、回放和浏览为核心功能的产品， 是一种比较新颖的消费电子应用。数字相框从最初的概念型产品进入市场， 至今已有六、七年时间。由于最初消费者的接受程度及价格过高等因素，数 字相框沉寂了四、五年。随着主要器件价格的下降，尤其是液晶和闪存价格 的下降，数字相框的价格也逐步下降，渐渐地在消费电子市场占据一定份额。 数字相框市场在2 0 0 4 年开始复苏，尤其在2 0 0 5 年，数字相框产品开始在欧 美热销。2 0 0 6 年全球数字相框供货量为2 8 0 万台，预计到2 0 1 1 年供货量将达 到4 2 3 0 万台。从屏幕尺寸来看，2 0 0 6 年5 6 9 英寸产品占主流，不过从2 0 0 7 年开始，7 8 9 英寸产品成为最大市场，预计2 0 1 1 年，7 8 9 英寸产品的 供货比例将持续保持首位心1 。现阶段，中国数字相框的市场处在逐渐走向成熟 的阶段，其产销量和市场需求将依然保持大幅度的增长。进入2 0 0 8 年以来， 中国的数字相框市场随着消费势头走高逐渐变暖。 早期的数字相框解决方案，多数是采用高频率的非专业多媒体控制器和 图像软件解码库，由于成本的限制，在显示设备上都会选择低分辨率和低色 彩度的l c d 。如今，数字相框市场正在经历一个上升期，很多半导体厂商纷纷 进入该市场，各种针对数字相框的专业级平台方案逐步发展成熟。现在的数 字相框般由专用多媒体控制器、精巧的操作系统、高品质的l c d 以及大容 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 量的闪存构成。主流的数字相框专用控制器厂商很多，比如a t m e l 、h m l o g i c 、 p r o l i f i c 、s u n p l u s 等，这些公司的控制器硬件集成了l c d 控制器、大容量闪 存卡接口和图像及视频解码模块，这不仅提高了数字相框的运行效果，同时 也降低了硬件成本。在操作系统方面，可以采用多种操作系统，但l i n u x 凭 借其结构清晰、源代码开放等方面的优势，受到企业和开发者的青睐。不同的 多媒体控制器配合不同的操作系统，再加上各个公司的应用代码，可以实现 档次和效果不一的数字相框。所以设计一款优良的数字相框，可以采用不同 的方案。要针对不同的需求，选择合适的处理器和操作系统。 1 2 研究意义 中国的国民经济正飞速增长，人均购买力也在增大，并且原本昂贵的数 字相机与高像素照相手机也不再昂贵，享受灵活、方便、快捷的数字相机已 成为潮流。同时个人的数字相片开始呈现出几何级数的增长，用各种存储器 ( 电脑硬盘、半导体存储器及可刻录光盘) 保存照片成为人们习惯的做法， 即使打印出照片，其来源也大多来自数字相机或照相手机。当每个人的数字 照片如此多时，如果采用传统方法将这些照片都冲印出来回昧、欣赏，不仅 费金钱，而且传统的相框、相册也无法再承担起保存的重任。作为一种以数 字照片的保存、回放和浏览为核心功能的产品，数字相框应运而生。 1 3 主要研究内容及论文结构 本文的研究目标是实现一款可以通过电容式触摸键盘( 本文后面简称触 摸盘) 控制数字照片的保存、回放和浏览的数字相框。其中，主要研究内容 及工作包括： 1 熟悉p l l 0 6 1 的硬件资源以及开发平台； 2 。熟悉u c l i n u x 操作系统的内存管理、进程管理、进程间通信机制以及 驱动开发： 3 设计基于u c l i n u x 和p 11 0 6 1 硬件平台的驱动程序和应用程序，以实 现通过触摸盘控制数字照片的多种浏览模式和播放效果。 针对上述主要研究内容，本文的结构安排如下： 1 简要介绍嵌入式系统的相关内容，分析本课题的研究背景及研究意 义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 2 介绍本课题的硬件平台。从所使用的p l l 0 6 1 的硬件系统出发，整体 上分析了数字相框的硬件组成，具体介绍p l l 0 6 1 的最小系统组成及 连接图，同时分析了p l l 0 6 1 的硬件优势。 3 从整体上介绍d p f ( 数字相框) 的软件系统构成。介绍了d p f 软件体 系中各个模块的功能、实现流程及模块之间的通信机制。 4 介绍u c l i n u x 下的驱动程序开发流程，主要描述了本系统设计的触摸 盘驱动和内存管理驱动开发。 5 具体介绍本系统文件信息扫描、多种浏览模式、播放效果的算法实现， 以及j p e g 文件格式和图片解码过程( 主要针对j p e g 的标记头和e x i f 信息头的解码) 。 6 介绍功能测试，并且分析测试结果，同时给出问题的解决方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章d p f 硬件系统构成 d p f 是一种以数字照片的保存、回放和浏览为核心功能的产品，所以在设 计实现d p f 的时候，要充分考虑到系统能否支持大容量存储和图片的快速解 码。d p f 主要采用如下两种方法来解决上面两个问题： 1 通用计算机系统( 包括嵌入式系统) 和图像软件解码； 2 采用专业多媒体芯片。 第一种方案在早期比较流行，开发起来比较简单，也能支持大容量存储 和图片的解码。因为通用计算机系统中的能支持几种常见的存储卡接口，如 u s b 、n a n df l a s h 等接口，同时有开源的图像软件解码库，可以被移植到多种 操作系统上，如解码j p e g 的i j g 库。但该方案只有在硬件上扩展出多种接口， 才能支持市场上不同的存储卡。这样不仅加重主控制器的负担，同时也提高 了系统的成本，而且该方案是采用软件解码。 第二种方案是采用专业多媒体芯片。专业芯片充分考虑到大容量存储功 能和图片的快速解码功能，此类芯片自身带有多种标准存储卡的接口，如u s b 、 s d 、s m 、m m c 、m s 、c f 等存储卡接口，并且内部有硬件图像解码模块。不需要 扩充太多的外围芯片，一款专业芯片加上基本的存储系统和输入输出设备即 可搭建成标准的数字相框平台，在成本方面比第一种方案低，在图片的解码 速度上比第一种方案快。 本设计采用第二种方案。 2 1 硬件平台框架 d p f 的硬件系统主要由c p u ( p l l 0 6 1 ) 、s d r a m 、f l a s h 、触摸盘、l c d 和闪 存卡等模块组成。 d p f 的硬件系统总体框图如图2 - 1 所示。 由图2 - 1 可见，本系统的c p u 采用p r 0 1 i f i c 公司的专业多媒体芯片 p l l 0 6 1 ，该芯片内部资源丰富，自带的存储卡接口可以支持市场上绝大部分 数码相机的存储卡，如u s b 、s d 、s m 、m m c 、m s 、c f 等存储卡，同时内部集成 静态图像j p e g 和动态图像m o t i o nj p e g 的解码模块。基于该芯片，外部只需 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 扩展s d r a m 、f l a s h 、输入输出设备就可以构成一款数字相框的硬件系统。 图2 一id p f 的硬件框架 系统的s d r a m 采用h y 5 d u 5 6 1 6 2 2 ，它是一款1 6 位总线宽度的d d rs d r a m ， 空间大小为2 5 6 m b 。f l a s h 采用k 9 f 4 g 0 8 u o m ，它是一块n a n df l a s h ，总线宽 度是8 位，空间大小为5 1 2 m b 。显示设备采用l c d 液晶显示器，通过修改系统 启动参数，可以支持多种分辨率和色彩深度。输入设备控制芯片采用e k t 8 1 2 2 ， 它是一款低功耗的触摸盘控制器，可以通过多种模式跟主控制器进行通信， 例如i i c 、s p i 、u a r t 等模式。 本章下面具体介绍硬件系统的c p u 、s d r a m 、f l a s h 和外扩的触摸盘控制 芯片，并给出相应的连接图。 2 2 数字相框的主控制器 p l l 0 6 1 是一款低功耗、高性能的r i s c ( 精简指令系统) 的多媒体专用芯 片，它为数字多媒体系统提供了良好的解决方案。该芯片内部硬件集成有广 泛的外围控制接口和j p e g 的解码模块，可以满足多数多媒体应用的要求。总 体上，p l l 0 6 1 具有如下优势口1 ： 高集成度； 高性能并且低功耗； 优化的多媒体应用模块； 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 支持大量存储卡接口。 p l l 0 6 1 的内部结构如图2 2 所示口1 。 图2 - 2p l l 0 6 1 简单功能模块框图 p l l 0 6 1 的特色如下所示： m i p sr s 3 0 0 03 2b i tr i s e 核，可兼容m a c 协处理器； 主频可达1 4 4 m h z ，允许通过软件实时改变工作频率； 支持一级高速缓存：指令c a c h e8 k b ，数据c a c h e8 k b ； 芯片内部有1 6 k b 的被保护的r o m 空间，用于存储启动代码； 支持简单的系统内存映射，但没有m m u ； 可外扩一块r a m 芯片，可选6 4 1 2 8 2 5 6 5 1 2 m b 的s d r a m 或d d rs d r a m ； 支持s d r a m 的两种节能模式：掉电模式和自刷新模式； 1 5 个d m a 通道； 可连接r g b l 2 、r g b l 6 、r g b l 8 、r g b 2 4 的l c d ； 硬件支持光标闪烁，光标大小3 2 * 3 2 像素； 支持o s d ( o n s c r e e n d i s p l a y ) 及o s da l p h a 技术； 支持视频格式m o t i o nj p e g ：最大帧速度为3 0 f p s ，画面分辨率是 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 8 0 0 * 4 0 0 ； j p e g 解码：最大尺寸( 8 1 9 2 8 1 9 2 )，y u v 格式( 4 4 4 、4 2 0 、4 2 2 ) ， 解码硬件缩小( 1 4 、1 1 6 、1 6 4 ) ： s d ( 安全数字卡) 删c ( 多媒体卡) s p i 接口； m s 记忆棒接口； 可最多外接5 个m l c s l cn a n df l a s h 设备，1 个s m 或x d 卡； 硬件实现n a n df l a s h 操作中的e c c 检查和形成； 内部可设置n o rf l a s h 的两种连接模式：串行连接模式，并行连接模 式； 支持u s b 2 0 ( 全速) 主机端口和u s bo t g 技术； 支持u s b2 o 客户端接口：支持4 个u s b 设备地址和1 5 个u s b 可编 程端点： 8 1 6 b i t 的c f 卡接口； a t a a t a p i 主机控制接口： a c 9 7 i i s 接口； u a r t i r d a p s 2 接口； i i c 接口：兼容p h i l i p s 的i i c 总线标准，最高速度达到4 0 0 k h z ， 可选择1 0 位和7 位地址模式； 3 2 位的r t c ； 通用i o 口和p w m 模块。 2 3s d r a m 接口 p l l 0 6 1 可以外扩一块s d r a m 或d d rs d r a m 存储芯片，大小可选择为 6 4 1 2 8 2 5 6 5 1 2 m b i t s ，并且可以通过设置p l l 0 6 1 的s d r a m 的控制寄存器来 支持总线宽度为1 6 位或3 2 位。 本系统的存储芯片采用h y 5 d u 5 6 1 6 2 2 。h y 5 d u 5 6 1 6 2 2 是一款1 6 位总线宽 度、5 1 2 m b 存储空间的d d rs d r a m 。 h y 5 d u 5 61 6 2 2 主要引脚如下所示n 1 ： c k ，c k ：芯片的时钟输入，采用差分输入模式； c k e ：时钟使能，高电平使能时钟输入； c s ：芯片的片选引脚，低电平有效，p l l 0 6 1 只能外扩一块s d r a m ， 所以该引脚可以直接接地，或者与p l l 0 6 1 的m c s j 引脚连接； 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 b a 1 ：0 ：组地址选择，用于片内4 个组的选择，可直接接p l l 0 6 1 的m b a 1 ：0 引脚； a 1 2 ：0 ：行列地址信号线，依次接p l l 0 6 l 的m m a l 2 m m a o ； d q 1 5 ：0 ；数据总线； r a s ，c a s ：行、列地址锁存引脚； w e ：芯片的写使能信号，低电平有效； d m ( l d m ，u d m ) ：数据屏蔽引脚，在数据写过程中，当d m 的引脚为高时， 对应的数据总线上的数据被屏蔽，其中l d m 对应低8 位数据，u d m 对应高8 位数据； d o s ( l d q s ，u d q s ) ：数据选通信号，用来捕获输入数据，l d q s 对应低 8 位数据，u d o s 对应高8 位数据。 p l l 0 6 1 与h y 5 d u 5 6 1 6 2 2 连接如图2 - 3 所示： p l l 0 6 1 h y 5 d u 5 6 1 6 2 2 m 1 5 ：o 】 g - d q 【1 5 ：0 】 砌值 1 2 ：0 】 氏 ， a 1 2 ：0 】 船a 0 一 b a 0 皿a 1 b a i 加) q s 0l d q s 加) q s li 】d q s d q i b ol d d q l 1 切m c l kc k c l kc k 肥旺c 髓 舳丁 忱 m c s js 珊c a s j c a s m t a s jr a s 图2 - 3p l l 0 6 1 与h y 5 d u 5 6 1 6 2 2 连接图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 4f l a s h 接口 p l l 0 6 1 支持n o rf l a s h 和n a n df l a s h 。n a n df 1a s h 相对于n o rf l a s h 操作比较复杂，但价格却比较便宜。本系统中的f l a s h 不仅仅用来存储操作 系统和文件系统的镜像文件，同时也是系统中一块独立的存储空间。基于以 上考虑，本系统选择n a n df l a s h 。p l l 0 6 1 最多可以外接5 个8 位或1 6 位的 n a n d f l a s h ，支持一页最大8 k b ，块最大5 1 2 k b ，同时硬件实现e c c 的检查和 形成。 本系统的n a n df l a s h 采用k g f 4 g 0 8 u o m 。k 9 f 4 g 0 8 u o m 的存储空间是5 1 2 m b ， 一页2 k b ，一块1 2 8 k b 。主要的引脚如下所示啼1 ： i o 7 ：0 ：数据输入和输出引脚，是命令、地址、数据共享的引脚； c l e ：命令发起使能引脚，高电平有效； a l e ：地址发起使能引脚，高电平有效； c e ：芯片使能引脚，低电平有效； r e ，w e ：读、写使能引脚； w e ：写保护引脚； r b ：忙等待信号输出引脚，高电平表示已准备好，低电平表示忙。 p l l 0 6 1 与k 9 f 4 g 0 8 u o m 连接如图2 - 4 所示： p l l 0 6 1 礤f 4 g 0 8 u o m d i o 7 ：0 刀 卜、 工0 7 ：0 】 一 c l ec l e a l e 札e c e 耵 1 】 c e r o e 町他 眦耵 垤 1 | i p j 1 | p r d y _ b s 玎 r 丑 图2 - 4p l l 0 6 1 与k 9 f 4 g 0 8 u o m 连接图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 2 5 触摸盘接口 本系统的输入设备采用触摸盘输入。e k t 8 1 2 2 是一款低功耗的触摸盘控制 芯片，内部集成一块8 位的r i s c 微控制器，该r i s c 微控制器监控触摸盘， 当用户触摸时，微处理器将相应的数据传输给主机。其中反抖动处理是由该8 位微处理器来完成，主机不会有任何负担。 e k t 81 2 2 的主要特性如下所示阳1 ： 工作电压：2 6 v - 5 5 v ； 复位电压保持时间小于1 5 0 m s ； 与主机交互接口：s p i ( 主从模式) 、u a r t ( 9 6 0 0 b p s ) 、i i c ( 一般快 速模式) 和通用i o 口； 工作模式： 一般模式：指头接触到触摸盘和高频率扫描工作在该模式，芯 片电流值小于1 5 m a ； 空闲模式：指头离开触摸盘和低频率扫描工作在该模式，芯片 电流值小于2 0 0 u h ； 睡眠模式：没有扫描，芯片电流值小于2 0 u h 。 应用模式： i o 口模式：最大支持9 个触摸盘，该9 个触摸盘信息通过9 个g p i o ( 低电平表示有触摸) 传递给主机； 总线模式：最大支持1 3 个触摸盘。 触摸敏感度：可以软件设置，设置范围是0 1 0 ，默认值是4 。 p l l 0 6 1 支持i i c 模块，并且可以软件设置主或从模式，所以与e k t 8 1 2 2 的连接非常方便，主要引脚连接如图2 5 所示。 p l l 0 6 l e e t s l 2 2 8 1 | | j k x s d a 一0 s d os i ) at x x c l ko s c ks c l g p i o o i 盯 g p l 0 1 c e 图2 5e k t 8 1 2 2 主要引脚连接图 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 其中，e k t s l 2 2 主要连接引脚如下所述1 ： s d os d a t x ：i i c 的数据线，进行数据的输出和输入； s c k s c l ：i i c 的同步时钟线，同步时钟由主机p l l 0 6 1 输出，e k t 8 1 2 2 根 据该时钟信号，读取s d os d a t x 上的数据； i n t ：触摸信号引脚。当e k t 8 1 2 2 b w j k 监测来自触摸盘的数据时，就会将 该引脚置为低电平，从而通知主机有数据需要处理，待主机将数据读取后， 该引脚被置为高电平，直到再次监测到来自触摸盘的数据； c e ：芯片使能引脚，高电平使芯片开始扫描触摸盘，低电平使芯片停止扫 描。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第3 章d p f 软件系统整体设计 本章从整体上介绍了d p f 系统的软件框架，并描述了主要模块的功能和 内部组成，以及各个模块之间的通信机制。 3 1d p f 软件系统框架 根据各个部分的具体功能，数字相框的软件系统可以分为前端显示、后 台处理、操作系统、底层驱动等四个部分，系统框架如图3 - 1 所示。 前端显示 后台处理 操作系统 底层驱动 图3 一ld p f 软件系统框架 前端显示，是跟用户直接交互的一层，主要实现用户交互操作和向用户 展示数字照片。其中，主要实现如下两方面功能： 配置界面：为用户提供d p f 系统的功能配置界面，例如配置幻灯片播 放的时间间隔、幻灯片播放的文件夹或存储卡范围、幻灯片播放的效 果、菜单语言选择、是否要离线更新、是否显示照片的拍摄日期、是 否使能按键音等功能： 图片显示：让用户浏览指定的照片，这里可以采用三种浏览模式，即 缩略图、全屏、四分格浏览。 后台处理，是采集系统信息从而为前端显示服务，主要实现以下几方面的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 功能： 监控硬件：这里的监控是通过操作系统的系统调用访问底层驱动来实 现监控硬件操作。例如实时获取当前的存储卡信息( 插入和移出) 和 键值信息； 改变配置操作：当进入配置界面，进行配置时，首先系统要将最新的 配置信息保存到指定的f l a s h 存储块上，同时要同步配置信息的结构 体成员； 文件信息收集：访问当前系统的存储设备，统计系统上支持的数字照 片信息和文件夹信息，这为最终图片显示做好准备； 图片解码：对图片进行解码，主要是针对j p e g 解码； 音频解码：对m p 3 和w m a 格式的音频文件进行解码； 字库调整：主要针对中文简体、繁体和英文三个版本的支持，不同的 版本，调用不同的字库。 如上所述，前端显示和后台处理涉及到的工作非常多，本文只涉及文件 信息搜集、图片浏览和播放模式、j p e g 的解码( 主要针对e x i f 头的解码) 等 三部分，具体内容在第五章介绍。 操作系统，它是整个软件系统的平台，用于管理系统资源，协调各个模 块工作。由于p l l 0 6 1 没有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) ，不方便使用l i n u x ， 所以本系统采用u c l i n u x ，下一节是对该系统的具体介绍。 底层驱动，即硬件驱动代码，用于驱动系统硬件运行，是最接近内核级 的代码。d p f 系统涉及很多的字符设备驱动和块设备驱动，如串口驱动、 n a n d f l a s h 驱动、u s b 驱动、c f 卡驱动、s d 卡驱动、删c 卡驱动、m o t i o nj p e g 解码驱动等等，本论文只涉及i i c 驱动和内存分配驱动，下一章是对该部分 的详细介绍。 3 2 嵌入式u c l in u x 操作系统 3 2 1u o lin u x 简介 操作系统是嵌入式系统的灵魂，嵌入式系统设备要求其操作系统精小和 功能齐全，此类操作系统多种多样，但l i n u x 凭借其结构清晰、源代码的开 放性等方面的优势，受到企业和开发人员的青睐。 标准l i n u x 是针对有m m u 的处理器设计的。在此类处理器上，虚拟地址 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 被送到m m u ，m m u 把虚拟地址映射为物理地址。通过赋予每个任务不同的虚拟 地址和物理地址转换映射，可支持不同任务之间的保护。全球每年生产的c p u 的数量在二十亿颗左右，其中超过8 0 应用于专用的嵌入式系统，此中又有相 当一部分面向低端市场，为降低硬件成本及运行功耗，有一类c p u 在设计中 取消了m m u 功能模块口1 。p l l 0 6 1 就是属于这类c p u 。 最初，运行于没有m m u 的c p u 之上的都是一些很简单的单任务操作系统， 甚至根本就没有操作系统而直接运行应用程序。在这种情况下，系统无法运 行复杂的应用程序，或者运行效率很低。而且，软件系统在不同平台上进行 转换时，所有的应用程序需要重写，并要求程序员十分了解硬件特性。这些 都阻碍了应用于这类c p u 之上的嵌入式产品开发的速度。这时，u c l i n u x 应运 而生 3 8 1 。u c l i n u x 是一个完全符合g n u g p l 公约的项目，完全开放代码，现由 l i n e o 公司支持维护。英文单词中u 表示m i c r o ，小的意思，c 表示c o n t r o l ， 控制的意思，所以u c l i n u x 就是m i c r o - c o n t r o l - l i n u x ，即“微控制领域中的 l i n u x 系统”订1 。它专门针对没有姗u 的c p u ，并为嵌入式系统做了许多小型 化的工作。 u c l i n u x 的主要优点如下所示阳1 ： 精简：开发人员可以编译u c l i n u x2 6 的内核得到一个3 0 0 k b 以下的 内核镜像，它包括终端和些基本的设备驱动以及只读文件系统； x i p ( e x e c u t i o ni np l a c e ) ：x i p 可以实现在一个较小的r a m 情况下 执行内核镜像，甚至是应用程序； 便宜：u c l i n u x 是针对无肼u 的c p u ，选择了u c l i n u x ，就选择了没 有m m u 的c p u ，同时u c l i n u x 可以提供的功能接近于l i n u x 。而m m u 核心大小大约占典型的a r ms o c ( s y s t e m - o n c h i p 单片机) w a f e r ( 晶体) 的3 0 。在典型的网络和嵌入式系统里有一半以上的应用程序不需要 删u 。 完全的l i n u x 应用程序接口：除少数情况外，开发人员可以在u c l i n u x 平台上完全使用l i n u x 应用程序接口。能在u c l i b c 里使用多线程以 及使用标准的系统调用。 地址空间统一：在u c l i n u x 上，应用程序可以访问整个地址空间，包 括寄存器，开发人员可以制作固件代码作为应用程序运行在u c l i n u x e 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 3 2 2u c lin u x 内核结构 现代操作系统分为单一内核操作系统和微内核操作系统两种类型，单一 内核是将每一个内核层都集成到整个内核程序中，并代表当前内核态运行。 相反，微内核操作系统对内核的要求仅仅是一个很小的函数集，这个集合一 般包括一些同步机制、一个简单的调度程序和一个进程间通信机制。运行在 微内核之上的一些系统进程实现了其它操作系统层的函数，如内存分配程序、 设备驱动程序和系统调用处理程序等阳1 。 图3 2u c l i n u x 的内核结构 微内核迫使系统程序员采取模块化方式，尽管任何操作系统层都是一个 相对独立的程序，且必须通过良好定义的软件接e l 与其它层进行交互。微内 核结构中，操作系统的内核只需要提供最基本、最核心的一部分操作( l t 女u g , j 建和删除任务、内存管理、中断管理等) 即可，而其他的管理程序( 如文件系 统、网络协议栈等) 则尽可能地放在内核以外。这些外部程序可以独立运行， 并对外部用户程序提供操作系统服务，服务之间使用进程间通信机制( i p c ) 进 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 行交互引。只有在需要内核的协助时，才通过一套接口对内核发出调用请求。 微内核结构的优点是使操作系统具有良好的灵活性。在内核以外的程序分别 独立运行，它们之间并不互相关联。因此，我们可以对这些程序分别进行维 护和拆装，只要遵循已经规定好的界面，就不会对其他程序有任何干扰。但 这样的结构也存在着不足之处。首先，程序代码之间的相互隔离，使得整个 系统丧失了许多优化的机会；其次，部分资源浪费在外部进程之间的通信上 ( 进程间通信的开销要比直接的函数调用大) ，这样，微内核结构在效率上必 然低于传统的单一内核结构，这些效率损失是结构精简的代价。 u c l i n u x 系统是一个类微内核系统，为了达到微内核理论上的很多优点而 不影响性能，u c l in u x v 2 4 以后的内核提供了模块。模块是一个目标文件，其 代码可以在运行时链接到内核或从内核解除链接。这种目标代码通常由函数 组成，用来实现文件系统、驱动程序或其他内核上层功能。与微内核操作系 统的外层不同，模块不是作为一个特殊的进程执行的。相反，与任何其他静 态链接的内核函数一样，它代表当前进程在内核态下执行。 图3 - 2 是u c l i n u x 的内核结构框图。 3 2 3 对没有m m u 的特殊处理 u c l i n u x 内核的功能结构，与l i n u x 基本相同，但对于u c l i n u x 来说，它 的设计就是针对无m m u 的处理器，系统的地址空间是所有进程共享的，不支 持虚拟内存管理技术。但是u c l i n u x 仍然采用存储器的分页管理，系统在启 动时就把实际存储器进行分页，在加载应用程序时程序分页加载。但是由于 没有m m u 管理，所以u c l i n u x 采用实存储器管理策略。 u c l i n u x 是直接访问内存的，它对内存不具有保护作用( 这一般是由m m u 来实现的) ，所有进程中访问的地址都是物理地址。一个进程在执行前，系统 必须为进程分配足够的连续地址空间，然后全部载入主存储器的连续空间中。 u c l i n u x 对内存管理减少的同时给开发人员提出了更高的要求。如果从易 用性这一点来说，u c l i n u x 的内存管理是一种倒退，退回到了u n i x 早期或是 d o s 系统。开发人员不得不参与系统的内存管理。从编译内核开始，开发人员 必须告诉系统这块开发板到底可以用多少的内存，从而系统将在启动的初始 化阶段对内存进行分页。 由于应用程序加载时必须分配连续的地址空间，针对不同的硬件平台， 可以一次成块分配内存大小的限制是不同的，所以开发人员编写代码时必须 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 考虑内存的分配情况，并关注应用程序需要运行空间的大小。另外由于采用 实存储器管理策略，系统上的所有进程存在于同一个地址空间，程序开发时 要保证不侵犯其他进程的地址空间，从而不至于破坏系统的正常工作，或导 致其他进程的运行异常。 3 2 4u c k ip i m x 内核的进程管理 l i n u x 是一个多任务操作系统，即可以同时执行多个任务，u c l i n u x 也保 留了l i n u x 的这一特性，也是一个多任务操作系统。 1 l i n u x 系统的进程管理 在标准l i n u x 中，父进程调用f o r k 来创建子进程。子进程会继承父进程 的一些特性，它们共享一个代码段，但各自拥有独立的堆栈、数据段、用户 空间以及进程控制块。换言之，父与子进程执行的代码是一样的，但各有各 的程序计数器与私人数据。 当内核接收到f o r k 请求时，它会查核三件事：首先检查内存空间是否足 够；其次检查进程表是否有空缺；最后检查用户是否建立太多的子进程。如 果上述三个条件满足，那么操作系统会给子进程一个进程i d ，并且设定c p u 占用时间，接着设定与父进程共享的段，同时将父进程的i n o d e 拷贝一份给 子进程，最终子进程会返回数值0 以表示它是子进程，至于父进程，它可能 等待子进程的执行结束，或与子进程同时执行。 标准l i n u x 中非常高效的f o r k 操作是依赖于m m u 支持的写时拷贝技术， 因而无法用于u c l i n u x