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1.簡介： 數(shù)字電視是在電視信號產(chǎn)生后的處理、傳送、接收、記錄等過程都采用數(shù)字技術(shù)的電視。在設(shè)計數(shù)字電視系統(tǒng)時，應(yīng)用于傳統(tǒng)模擬電視系統(tǒng)中的硬件，不能滿足音頻、視頻和數(shù)據(jù)處理等功能的需要，因此，數(shù)字電視系統(tǒng)需要更高性能的處理器和大規(guī)模的存儲器。嵌入式操作系統(tǒng)可以有效的管理這些硬件資源。 本文將嵌入式linux操作系統(tǒng)移植到一個數(shù)字電視上，使其能夠接收數(shù)字廣播節(jié)目。為了將操作系統(tǒng)移植到數(shù)字電視系統(tǒng)上，需要修改內(nèi)核和交叉開發(fā)環(huán)境，重新設(shè)計基本的設(shè)備驅(qū)動，配置系統(tǒng)的存儲器映像以便加載內(nèi)核到主存儲器中，并且設(shè)計一個總線接口設(shè)備的驅(qū)動程序來控制整個系統(tǒng)。 2.數(shù)字電視操作系統(tǒng) 數(shù)字電視比模擬電視能夠提供更優(yōu)質(zhì)的電視圖像和更多的視頻服務(wù)。它采用改進的掃描線和水平清晰度獲得高質(zhì)量的視頻效果，同時采用AC3或MPEG2壓縮技術(shù)來獲得高質(zhì)量的音頻效果。數(shù)字電視的節(jié)目不但便于存儲，而且還可以通過眾多的媒介進行傳播。因此，數(shù)字電視系統(tǒng)需要處理大量的數(shù)據(jù)。如在EPG（電子節(jié)目指南）服務(wù)中，被提取出來的數(shù)據(jù)被修改并存儲后作為一個畫面打印至OSD（屏幕菜單式調(diào)節(jié)）界面，在這個過程中需要靠操作系統(tǒng)來不斷地接收到被篩選、存儲后的信號，同時產(chǎn)生屏幕畫面。 市場上的數(shù)字電視系統(tǒng)包括如pSOSTM (Windriver Inc.)等的商業(yè)操作系統(tǒng)，這些系統(tǒng)具有高可靠性和最優(yōu)化的特點，但要支付昂貴的版稅。如果在數(shù)字電視系統(tǒng)中使用嵌入式linux操作系統(tǒng)，則不用支付版稅費用。嵌入式linux操作系統(tǒng)還有其他一些優(yōu)點，如有開放源代碼的設(shè)備驅(qū)動程序及應(yīng)用程序的存在，大大縮短了開發(fā)時間；利用shell、文件系統(tǒng)及模塊功能方便了開發(fā)環(huán)境的配置；許多問題可以在開源社區(qū)得到快速解決等。 3.商業(yè)數(shù)字電視系統(tǒng) 數(shù)字電視的結(jié)構(gòu) 數(shù)字電視系統(tǒng)包括數(shù)字處理模塊、視頻處理模塊、射頻模塊、LCD驅(qū)動模塊和模擬輸出模塊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。 數(shù)字處理模塊負(fù)責(zé)控制其它模塊和執(zhí)行程序。它由MCU、SDRAM、FLASH存儲器、UART、I2C總線接口構(gòu)成。視頻處理模塊把從射頻模塊捕獲的數(shù)據(jù)解碼生成視頻、音頻和文本消息。它由一個信號處理單元（SPU）和一個SDRAM構(gòu)成，SDRAM中包含被顯示的數(shù)據(jù)幀。射頻模塊接收數(shù)字廣播信號，并且將該信號解調(diào)成數(shù)據(jù)流。LCD驅(qū)動模塊控制LCD面板。模擬輸出模塊控制視頻-音頻信號輸出和輸出信號。數(shù)字處理模塊通過I2C總線，控制射頻模塊、LCD模塊和模擬輸出模塊，同時通過DMA控制視頻處理模塊。 硬件構(gòu)成 在數(shù)字電視系統(tǒng)中，數(shù)字處理模塊的核心是ARM7TDMITM，它不包括MMU（存儲器管理單元）。在數(shù)字電視系統(tǒng)中MCU只支持大端格式[5]，存儲器映射由MCU內(nèi)的系統(tǒng)管理寄存器來配置，在系統(tǒng)運行之前，嵌入式linux內(nèi)核運行在flashROM中，當(dāng)系統(tǒng)運行時，內(nèi)核被拷入ram中。除了ROM和RAM外，外設(shè)也經(jīng)常被使用。這些設(shè)備被映射到一個線性存儲器映射單元，且可以按同樣的方式尋址。。MCU的中斷控制器包括21個中斷資源（其中17個來自內(nèi)部設(shè)備，4個來自外部設(shè)備）。數(shù)字處理模塊中的定時器是一個32位的間隔模式定時器。在系統(tǒng)中用串口設(shè)備如UART（通用異步收發(fā)器）來打印啟動過程中的消息和程序出錯信息，由于射頻模塊、LCD驅(qū)動模塊、模擬輸出模塊都是由MCU通過I2C總線控制，因此，在MCU和I2C串行總線之間需要一個接口。在這里使用PCF8584 (Philips Inc.)。圖2描述了MCU和I2C總線之間的連接。 圖2 MCU和I2C總線之間的連接 4.linux系統(tǒng)移植 在這一部分中，我們將解釋linux操作系統(tǒng)的移植順序。包括修改內(nèi)核初始化代碼和編寫設(shè)備驅(qū)動程序。 4.1重建內(nèi)核初始化代碼 為了將linux內(nèi)核加載到嵌入式系統(tǒng)中，有必要修改與硬件相關(guān)的內(nèi)核初始化代碼。這個過程包括設(shè)置存儲器映射以便加載內(nèi)核映像，以及為支持內(nèi)核的運行而修改設(shè)備驅(qū)動程序。 4.1.1設(shè)置存儲器映射 Linux內(nèi)核映像是一種壓縮文件，存放在flash存儲器中，執(zhí)行時被拷貝到SDRAM中并解壓。圖3描述了內(nèi)存映像的加載順序。 系統(tǒng)復(fù)位時，CPU只能接受flash ROM空間的代碼，同時執(zhí)行位于flash ROM底層的bootloader，它負(fù)責(zé)從主機端下載代碼并且將代碼存儲到flashROM中。 1）bootloader將主機的linux內(nèi)核拷貝到數(shù)字處理模塊上的SDRAM中。 2）SDRAM中被下載的linux內(nèi)核映像被存儲在flash ROM中位于bootloader頂層的空間中。 3）系統(tǒng)初始化，同時，bootloader調(diào)用linux映像內(nèi)的一段執(zhí)行代碼（head.o），將全部flash ROM空間中的內(nèi)容拷貝到SDRAM中。 4）CPU利用系統(tǒng)管理寄存器，將flash ROM中的初始地址空間與SDRAM的初始地址空間相交換。 當(dāng)flash ROM中的映像被加載到SDRAM之后，無需改變程序計數(shù)器就可以執(zhí)行代碼（head.o）。圖4中顯示了最終的存儲器映射。 拷貝到SDRAM中的linux映像可解壓執(zhí)行，為了完成釋放功能，需要一些存儲器空間，例如符號開始段、用戶堆棧、分配的內(nèi)存等。在這些空間中，一個壓縮的linux內(nèi)核映像被解壓工具釋放出來，被釋放的代碼位于被分配的內(nèi)存空間的下一地址。 4.1.2 內(nèi)核需要的設(shè)備 內(nèi)核需要的基本設(shè)備包括中斷控制器、定時器和控制臺設(shè)備。這些設(shè)備被映像到MCU的內(nèi)部寄存器中，通過修改內(nèi)部寄存器而提供必要的功能。 4.2設(shè)備驅(qū)動的設(shè)計 數(shù)字電視系統(tǒng)包括視頻處理設(shè)備和模擬輸出設(shè)備以及內(nèi)核所必須的設(shè)備，本文為I2C總線接口（pcf8584）設(shè)計一個設(shè)備驅(qū)動。PCF8584設(shè)備驅(qū)動包括接口模塊、內(nèi)核模塊、算法模塊、適配器模塊，如圖5所示。 接口模塊提供設(shè)備驅(qū)動程序與應(yīng)用程序之間的接口，定義設(shè)備文件操作（open, read, write, ioctl,release）以及初始化設(shè)備文件（/dev/i2c0）；內(nèi)核模塊用來增加或移除適配器、定義I2C總線的功能以及初始化包含系統(tǒng)信息的文件系統(tǒng)（/proc）；算法模塊用來初始化PCF8584設(shè)備以及定義PCF8584的函數(shù)（i2c_start,i2c_stop(), wait_for_pin()）；適配器模塊通過被映射到MCU的存儲器地址將數(shù)據(jù)傳送到MCU。 為了驅(qū)動PCF8584接口設(shè)備，需要對模塊進行初始化。在通常的linux系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動在運行時載入和初始化，而在嵌入式linux系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動將在啟動階段被加載和初始化。4個模塊的初始化程序被存儲在“.init”段的“_init”處，由“do_initcalls()”函數(shù)在啟動時調(diào)用執(zhí)行。控制數(shù)據(jù)從接口模塊開始，依次經(jīng)內(nèi)核模塊、算法模塊、適配器模塊傳送。接口模塊接收應(yīng)用程序的請求(open, write, read, ioctl)，調(diào)用內(nèi)核模塊的接口程序(master_send(), master_receive(),transfer())，同時傳遞參數(shù)。內(nèi)核模塊將從地址、標(biāo)記位、信息長度等數(shù)據(jù)傳送到算法模塊。算法模塊檢查I2C總線的狀態(tài)和從地址，設(shè)置PCF8584的控制寄存器。最后，適配器模塊從被映射到外部總線的地址空間中讀寫數(shù)據(jù)。 5.系統(tǒng)構(gòu)建 為了移植linux操作系統(tǒng)，我們首先在主機端安裝一個交叉開發(fā)環(huán)境，然后在供測試的目標(biāo)板上安裝一個測試環(huán)境，測試好后，再移植到數(shù)字電視系統(tǒng)上。 5.1安裝交叉開發(fā)環(huán)境 在裁減和定制Linux，運用于你的嵌入式系統(tǒng)之前，由于一般嵌入式開發(fā)系統(tǒng)存儲大小有限，通常需要在強大的pc機上建立一個用于目標(biāo)機的交叉編譯環(huán)境。這是一套編譯器、連接器和libc庫等組成的開發(fā)環(huán)境。圖6描述了交叉開發(fā)環(huán)境的安裝過程。 要制作二進制linux映像文件，首先應(yīng)制作二進制連接器、匯編器和其它目標(biāo)工具。然后，用 make menuconfig配置內(nèi)核，此時在內(nèi)核目錄中將生成include/linux/version.h 和 include/linux/autoconf.h 文件。注意，由于數(shù)字電視系統(tǒng)的MCU只支持大端存儲器格式，所以，應(yīng)在內(nèi)核庫中做相應(yīng)修改。第三步是制作交叉編譯器(gcc)和c庫(glibc)。由于兩者是相互依賴的關(guān)系，可以先制作一個不帶glibc的gcc，然后用交叉編譯器創(chuàng)建一個glibc，再重新編譯這個帶glibc的gcc。第四步，由于移植好的linux運行在只讀存儲器中，所以需要安裝用于制作二進制文件系統(tǒng)映像的工具（genromfs），和一個用于將elf格式（通用文件格式）轉(zhuǎn)換為flt格式（扁平格式）的工具。 5.2開發(fā)環(huán)境 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境包括測試板的SNDS100TM(Samsung)、用于遠(yuǎn)程調(diào)試的JEENITM (Jtag EmbeddedICE Ethernet Interface)、數(shù)字電視機主板等。表1列出了開發(fā)環(huán)境的各個部分。 表1 開發(fā)環(huán)境 組成部分功能 測試板 三星 s3c4510B (ARM 7TDMI),16M字節(jié)的SDRAM, 1M字節(jié)的flashROM, LED, RJ45連接器.網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)板 數(shù)字電視主板三星s3c4500(ARM 7TDMI),16M字節(jié)的SDRAM, 8M字節(jié)的flashROM, pcf8584, SPU (LG electronics),32M字節(jié)SDRAM.數(shù)字處理模塊 JEENITMEPI, 兩個硬件斷點,以太網(wǎng)主機接口，內(nèi)部的ARM 710A高速緩沖存儲器遠(yuǎn)端調(diào)試環(huán)境 軟件 gcc-2.95.3, glibc-2.1.3, binutils-2.12, genromfs-0.5.1, elf2flt, gdb-5.0, ADS(ARMTM Developer Suite)，evaluation ver. 1.1交叉開發(fā)和調(diào)試的工具 在主機中制作一個二進制的linux內(nèi)核映像，將其通過串口線傳送到開發(fā)板上。利用JEENI來安裝遠(yuǎn)端調(diào)試環(huán)境。由于flash ROM中的boot塊被保護，不能修改，因此我們需要將它與數(shù)字電視主板分開，在flash ROM中燒入一個bootloader后再安裝到主板上。 通過這一實驗，可以通過PCF8584控制音頻輸出。也就是說，I2C總線的從設(shè)備將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為音頻輸出信號。最終，我們可以聽到蜂鳴聲，也可以通過數(shù)字示波器來檢測I2C總線信號。 |
