嵌入式數(shù)字視頻播放系統(tǒng)軟件平臺的構(gòu)建

摘要：本文介紹了在PowerPC405上利用嵌入式Linux來構(gòu)建數(shù)字視頻播放系統(tǒng)軟件平臺的過程，探討了嵌入式Linux系統(tǒng)里交叉編譯器、bootloader、Linux內(nèi)核、根文件系統(tǒng)等幾個主要部分的構(gòu)建過程。

關鍵詞：PowerPC405；嵌入式Linux；數(shù)字視頻播放機；U－BOOT

引言：

數(shù)字視頻播放設備在近幾年的發(fā)展十分迅速，種類繁多。傳統(tǒng)的視頻播放設備（如DVD播放機）的軟件系統(tǒng)一般都是一簡單的控制環(huán)系統(tǒng)，沒有操作系統(tǒng)，功能擴展和升級受到限制。本課題研究的便攜式數(shù)字視頻播放設備構(gòu)建于嵌入式32位PowerPC405 CPU之上，運行Linux操作系統(tǒng)，以大容量的硬盤作為存儲介質(zhì)，具有網(wǎng)絡功能。PowerPC405是IBM公司推出的一款專門針對嵌入式應用的RISC處理器，應用十分廣泛。嵌入式Linux^[1]作為一種開源的操作系統(tǒng)軟件，具有免費、支持眾多CPU、可裁減、支持網(wǎng)絡、豐富的軟件資源等特點。利用嵌入式Linux來構(gòu)建數(shù)字視頻播放系統(tǒng)的軟件平臺使得該播放機成本低，易于升級和管理，支持多種接口如USB，從而使得視頻節(jié)目交換方便等優(yōu)勢，代表了該種設備未來發(fā)展的一個方向。本文主要探討了構(gòu)建應用于數(shù)字視頻播放機的嵌入式Linux系統(tǒng)的bootloader、Linux內(nèi)核移植的主要過程和可能碰到的問題，給出了相應的解決方案。

1 數(shù)字視頻播放系統(tǒng)框圖

（圖1-1 碼流播放系統(tǒng)硬件框圖）

圖1-1為本播放機的系統(tǒng)框圖，其核心控制系統(tǒng)為基于PowerPC405的嵌入式Linux，通過其上的應用程序來把數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)里的節(jié)目經(jīng)過一定處理后搬移到碼流控制系統(tǒng)里的FPGA里，由FPGA完成解密后送給解碼系統(tǒng)，經(jīng)過解碼系統(tǒng)解壓縮后輸出RGB信號給顯示設備來顯示。其中我們要關注的就是核心控制系統(tǒng)里嵌入式Linux系統(tǒng)的搭建。

播放機的嵌入式Linux系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖1-2，硬件上電后，CPU的程序指針首先指向一個特定的存儲器地址，該地址處一般存放著bootloader，bootloader在初始化完CPU以及內(nèi)存等設備后，把Linux內(nèi)核從一般ROM設備里搬移解壓到內(nèi)存里，然后程序指針跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核在內(nèi)存里的開始位置處，由Linux內(nèi)核來繼續(xù)完成剩下的系統(tǒng)引導工作。內(nèi)核在重新初始化完系統(tǒng)后，就加載根文件系統(tǒng)，運行用戶應用程序。整個嵌入式Linux系統(tǒng)平臺的構(gòu)建過程可以參照系統(tǒng)的啟動過程，主要要做的工作有構(gòu)建bootloader、Linux內(nèi)核、根文件系統(tǒng)這幾個部分。

（圖1-2 軟件系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖）

2 嵌入式Linux系統(tǒng)平臺搭建的準備

要搭建嵌入式Linux系統(tǒng)平臺，首先要準備好跨平臺開發(fā)工具鏈。它運行于本地主機上，編譯鏈接生成的二進制可執(zhí)行程序能夠運行于開發(fā)板的CPU及操作系統(tǒng)上。構(gòu)建這樣一個主要包括編譯器gcc，鏈接器ld，C庫glibc等的工具鏈的方法有很多種，可以去相關網(wǎng)站下載源代碼手工編譯，而最便捷的方法則為利用完善的已編譯好開發(fā)包，如德國denx公司的ELDK開發(fā)包，使用方法參見^[2]。

3 bootloader與Kernel的選擇

準備好了開發(fā)工具鏈之后，就可以開始嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)，首先是bootloader的選擇。

3.1 bootloader的選擇

一般的PC機啟動后先是進入BIOS，通過BIOS進行一定的系統(tǒng)初始化后，再引導操作系統(tǒng)如Windows或Linux等，而一般嵌入式系統(tǒng)里沒有BIOS，但也需要實現(xiàn)類似功能的模塊，這就是bootloader（引導裝載器），其主要的功能是初始化CPU、內(nèi)存等硬件設備，以及導入操作系統(tǒng)。Bootloader種類很多，如blob、lilo、grub、U－BOOT等。目前在嵌入式領域用得最廣泛的是denx公司的免費開源軟件U－BOOT，它支持PowerPC、ARM、MIPS、x86等多種CPU，超過100種開發(fā)板，源碼結(jié)構(gòu)清晰，移植容易，開發(fā)文檔豐富，用戶在使用中可能碰到的問題一般都能夠很快被解決。因此，我們選用U－BOOT做為開發(fā)板的bootloader。

根據(jù)不同的開發(fā)板，flash的大小以及型號不同，內(nèi)存的大小不一樣，啟動方式的不同等使得利用U－BOOT時需要做一些相應的修改，以適應用戶自己的開發(fā)板，具體移植方法及常見問題可參見^[3]。

3.2 Linux內(nèi)核的移植               

bootloader初始化完系統(tǒng)硬件后，把Linux內(nèi)核從外部存儲介質(zhì)中導入內(nèi)存里，然后，就將控制權(quán)交給Linux內(nèi)核，由內(nèi)核來繼續(xù)完成系統(tǒng)的引導工作。

如果內(nèi)核里沒有支持用戶所使用的開發(fā)板，那么用戶就需要自己手工修改Linux的內(nèi)核，做一些相關的移植工作，要關注的是對開發(fā)板的硬件外設部分的處理，包括內(nèi)核對板子硬件基本信息的處理，板上硬件設備的初始化、中斷的分配等。

開發(fā)板級別的Linux內(nèi)核移植最方便的方法是利用內(nèi)核里已有的且與用戶使用的硬件平臺最接近的開發(fā)板為模板，在此基礎上再做修改。我們使用的開發(fā)板與IBM walnut開發(fā)板類似，主要的外設包括硬盤、USB設備等都是利用PCI總線接口轉(zhuǎn)接（PCI轉(zhuǎn)IDE，PCI轉(zhuǎn)USB），所以內(nèi)核的移植工作主要有兩部分， 一為bootloader和內(nèi)核之間板子硬件信息的傳遞，二為PCI外設的初始化。

3.2.1 U-BOOT與Linux內(nèi)核的配合

U－BOOT在初始化完硬件設備后，把內(nèi)核裝入內(nèi)存，然后程序指針跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核所在位置處的同時，會傳遞一些參數(shù)給內(nèi)核來使用，其中就包括有board_info數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，內(nèi)容包括板子的CPU主頻、SDRAM和flash大小、ip地址、MAC地址等，Linux會利用這些參數(shù)來初始化系統(tǒng)。但Linux內(nèi)核與U－BOOT的開發(fā)并不是同一個組織，要修改Linux內(nèi)核的相關部分來匹配U－BOOT傳遞過來的數(shù)據(jù)，對于我們所使用的PowerPC，U－BOOT是利用五個通用寄存器（r3，r4，r5，r6，r7）來傳遞參數(shù)，我們需要修改通過r3寄存器傳遞過來的board_info數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（定義在Linux內(nèi)核里arch/ppc/platforms/cs2000.h），使之與U-BOOT源代碼里u-boot-1.1.1/include/asm-ppc/u-boot.h里定義的bd_info數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)容一致，這樣內(nèi)核才不會對U-BOOT傳遞過來的board_info數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行錯誤解讀。

3.2.2 PCI外設初始化部分的修改

Linux內(nèi)核初始化PCI部分的主要過程為：掃描整個PCI總線，找到連接在總線上的所有設備，根據(jù)各PCI設備配置空間寄存器的信息，給各PCI設備統(tǒng)籌分配I/O空間，memory空間，以及IRQ中斷號。對于x86平臺，這部分工作其實已經(jīng)在BIOS部分做過，Linux內(nèi)核只需調(diào)用BIOS生成的配置即可，但對于我們嵌入式Linux系統(tǒng)，沒有BIOS，這部分工作Linux內(nèi)核要自己做。而對于各個不同的開發(fā)板，需要補充到標準的PCI初始化代碼里的內(nèi)容有兩部分，一為PCI設備配置空間寄存器的訪問方式，另一為PCI中斷的配置。

根據(jù)PCI的協(xié)議規(guī)范，訪問某PCI設備配置空間的方法為先使能該設備的IDSEL管腳，才可以讀寫該設備的配置寄存器組。但PCI規(guī)范并沒有定義IDSEL管腳的連接方法，所以根據(jù)各開發(fā)板PCI從設備的IDSEL管腳硬件連線方法的不同，訪問PCI設備配置空間的方法也不同。

switch  (dev_function)

{

       case PCI_DEV1: set_gpio1_high(); //置相應的GPIO為高

       case PCI_DEV2: set_gpio2_high();

       default:break;

}

另外一項需要修改的PCI初始化代碼是有關PCI設備的中斷號分配。對于沒有BIOS的嵌入式Linux，PCI設備中斷號分配是由內(nèi)核根據(jù)板子的硬件連線來決定的。一般嵌入式設備不需要中斷路徑互連器，直接把插槽的/INT管腳與CPU的IRQ線相連。連接方法有很多種，如把一個插槽的四個中斷腳都連到一個IRQ上，由操作系統(tǒng)來控制中斷的復用關系，也可以一個PCI中斷管腳只連一個IRQ線。所以PCI IRQ的分配這部分Linux代碼要根據(jù)各開發(fā)板實際的中斷連接方法來修改。

在我們的開發(fā)板里，每個PCI的/INT管腳都連接到一單獨的IRQ線上，根據(jù)這種連接關系，我們從軟件上可以構(gòu)造出下面這樣一張表：

/* arch/ppc/platforms/our_board_name.c：ppc405_map_irq ()*/

static char pci_irq_table[][4] =

/*      PCI  /INT PIN->INTLINE

 *      A       B      C           D    */

{

              {28,       29,         30,         30}, /* IDSEL 1 - PCI 插槽 1 */

              {31,       31,         31,         31}, /* IDSEL 2 - PCI 插槽2 */

};

上表描述的PCI插槽1的/INT A中斷的號是28，而這個28號中斷的由來是該槽的/INT A與CPU的28號中斷的IRQ線相連了。把所有PCI插槽的中斷線與CPU IRQ線的連接關系填入表中，就可以通過內(nèi)核里標準的PCI初始化代碼正確分配各PCI設備的中斷號了。當然，在板子的IRQ初始化部分（arch/ppc/platforms/our_board_name.c：board_setup_irq()）還要正確設置這些分配了的中斷線的觸發(fā)方式，極性等。

Linux內(nèi)核的移植牽涉到很多硬件的知識，對開發(fā)板的硬件原理圖有比較清楚的認識可以對移植工作有事半功倍的效果。

結(jié)束語

有了bootloader，內(nèi)核，再利用Busybox^[4][5]來構(gòu)建一個簡單的根文件系統(tǒng)后，這個嵌入式Linux系統(tǒng)平臺就已經(jīng)搭建完畢，用前述過程所搭建的嵌入式Linux系統(tǒng)平臺體積小，功能強，運行穩(wěn)定，對于像數(shù)字視頻播放機這種需要長期工作運行的設備而言非常適合，而且升級性強，對于未來的一些應用需求，可以通過開發(fā)板上的PCI、USB、Ethernet等接口進行擴展，可以說是為以后設備的進一步功能增強奠定了堅實的基礎。本論文的創(chuàng)新點在于將傳統(tǒng)的視頻播放設備的簡單控制系統(tǒng)升級為嵌入式Linux系統(tǒng)，并對嵌入式Linux系統(tǒng)的構(gòu)建和移植作了詳細探討，特別是根據(jù)PCI設備的新連接方法提出了一種新的初始化算法，具有很強的應用價值。

參考文獻

1陳 福等，基于嵌入式系統(tǒng)的視頻圖像捕獲研究與實現(xiàn)，《微計算機信息》，2005年第                12-2期，P12-13、P70
2 http://www.denx.de
3 http://www.denx.de/twiki/bin/view/DULG/Manual
4 http://www.busybox.net
5 Karim Yaghmour，Building Embedded Linux System.，O’Reilly， 2004