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隨著嵌入式技術迅猛發展和Linux在信息行業中廣泛應用，利用嵌入式Linux系統實現圖像采集處理已有可能。實時獲得圖像數據是實現這些應用的重要環節。本文使用的系統硬件平臺采用Samsung公司的處理器S3C2410，并以此為基礎，在基于嵌入式Linux系統平臺上設計了建立圖像視頻的一種方法。 1 系統硬件電路設計 S3C2410芯片處理器內部集成了ARM公司ARM920T處理器核的32位微控制器，資源豐富，帶獨立的16 kB的指令Cache和16 kB數據Cache、LCD(液晶顯示器)控制器、RAM控制器、NAND閃存控制器、3路UART、4路DMA、4路帶PWM的定時器、并行I/O口、8路10位ADC、Touch Screen接口、I2C接口、I2S接口、2個USB接口控制器、2路SPI，主頻最高可達203 MHz。在處理器豐富資源的基礎上，本平臺配置了64 MB的Flash和64 MB、32位的SDRAM，以支持操作系統和液晶屏顯示運算的需要。 S3C2410內置有液晶屏控制器，可以支持最大256 k色TFT彩色液晶屏、最大4 k色STN彩色液晶屏。考慮到本系統的應用領域對圖像顯示的要求相對較高，故采用8英寸640×480 TFT液晶屏(型號為LQ080V3DG01)。LQ080V3DG01要求其電源電壓Vdd典型值為3.3 V/5 V，并且LCD數據和控制信號的高電平輸入電壓Vih最小值為2.3 V，所以本系統直接使用S3C2410的控制口線與它相連，而沒有設置電平轉換電路。具體的電路連接如圖1所示。芯片工作模式為16位色(5：6：5)。 2 系統軟件設計 2.1 Linux操作系統 本視頻顯示系統的軟件以嵌入式Linux為基礎。Linux是免費運行、快速高效的操作系統。在過去的幾年中，基于開源組織的Linux系統的嵌入式操作系統得到了長足的發展。Linux操作系統雖然不是微內核結構，但是其模塊化的結構使得用戶可以對其方便地進行配置，去除用戶系統不需要的模塊以減小系統的開銷，可以做到幾百k大小。綜合考慮系統的功能和可擴展性以及系統的運行速度，本方案中的嵌入式Linux所采用的內核版本是kernel-2.4.18。 在向基于S3C2410的硬件平臺上安裝嵌入式Linux操作系統μCLinux后，為了使LCD能正常顯示，還需要在μCLinux系統下開發LCD的驅動程序。 2．2 Framebuffer設備驅動 幀緩沖(Framebuffer)是出現在Linux2.2.xx內核中的一種驅動程序接口，該設備提供了LCD控制器的抽象描述。它同時代表了LCD控制器上的顯存，應用程序通過定義好的接口可以訪問LCD控制器，而不需要知道底層的任何操作。本系統通過幀緩沖實現LCD驅動程序的開發工作。 該設備使用特殊的設備節點，是一個字符設備，其主設備號是29，次設備號定義幀緩沖個數。從用戶角度看，幀緩沖設備和其他位于/dev下面的設備類似。 幀緩沖的顯示緩沖區位于μCLinux中核心態地址空間，而在μCLinux中，每個應用程序都有自己的虛擬地址空間，在應用程序中是不能直接訪問物理緩沖區地址的。為此，μCLinux提供了mmap函數，可將文件的內容映射到應用程序空間。對于幀緩沖設備，則可通過映射操作，將屏幕緩沖區的物理地址映射到應用程序空間的一段虛擬地址中，之后就可以通過讀寫這段虛擬地址訪問屏幕緩沖區，在屏幕上繪圖。幀緩沖中內存塊分布如圖2所示。 幀緩沖設備是一種普通的內存設備，支持直接讀寫其內容。支持使用read()，write()，seek()以及mmap()函數。不同之處是幀緩沖的內存不是所有內存區，而是LCD控制器專用的那部分內存。/dev/fb*允許使用ioctl操作，通過ioctl可以讀取或設定設備參數。顏色映射表也通過ioctl設定。下面是ioctl和本系統相關的應用及相關數據結構部分： a)獲取設備一些不變的信息，如設備名，屏幕的組織對應內存區的長度和起始地址。 b)獲取可以發生變化的信息，例如位深、顏色格式、時序等，如果改變這些值，驅動程序將對值進行優化，以滿足設備特性。 c)獲取或設定部分顏色表。 但在實際系統運用時，使用read、write函數在讀或寫之前持續地尋址將會導致很多開銷。基本解決方法是映射屏幕內存。當屏幕內存被映射到應用程序時，將得到一個直接指向屏幕內存的指針。 在本系統和其他類似運用中，首先要從新得到的幀緩沖設備取回信息。幀緩沖設備在很大程度上依靠：Stnlct fb_var_screeninfo；Struct fb_fix_screeninfo；Struct fb_info這3個數據結構，它們在include/linux/fb.h中聲明。第1個結構是用來描述圖形卡的特性，通常由用戶設置；第2個結構定義了圖形卡的硬件特性，是不能改變的，在選定了LCD控制器和顯示器后，它的硬件特性也就定下來了；第3個結構定義了當前圖形卡幀緩沖設備的獨立狀態。 2．3 幀緩沖驅動程序的實現 與一般應用類似，在本系統實現中，應用程序主要通過下面3種方式實現內核對幀緩沖的控制。 a)讀/寫/dev/fb：相當于讀/寫屏幕緩沖區。 b)映射(map)操作：通過映射操作，可將屏幕緩沖區的物理地址映射到用戶空間的一段虛擬地址中，之后用戶就可以通過讀寫這段虛擬地址訪問屏幕緩沖區，在屏幕上繪圖。 c)I/O控制：對于幀緩沖設備，設備文件的ioctl操作可讀取顯示設備及屏幕的參數，如分辨率、顯示顏色數、屏幕大小等。ioctl操作是由底層的驅動程序來完成的。 因此，幀緩沖驅動要完成的工作還包括：分配顯存的大小、初始化LCD控制寄存器、設置修改硬件設備相應的var信息和fix信息。 在μClinux中，由于幀緩沖設備是字符設備，應用程序需按文件的方式打開一個幀緩沖設備，對幀緩沖設備進行讀、寫等操作。在上文中已經介紹了幀緩沖設備的地址空間問題，對于操作系統來說，讀、寫幀緩沖設備就是對物理地址空間進行數據讀寫。所以，讀寫幀緩沖設備最主要就是獲取幀緩沖設備在內存中的物理地址空間以及相應LCD的一些特性。 圖3反映了應用程序如何寫幀緩沖設備來顯示圖形的全過程。 在了解了上面所述的概念后，編寫幀緩沖驅動的實際工作并不復雜，針對本系統主要有以下工作。 a)編寫初始化函數。初始化函數首先初始化LCD控制器，通過寫寄存器設置顯示模式和顯示顏色數，然后分配LCD顯示緩沖區。在Linux可通過kmal-loc函數分配一片連續的空間。本文采用的LCD顯示方式為640×480，通過ARM芯片和TFT控制器硬件連接方式可知，其顯示模式為16位，需要分配的顯示緩沖區分別為640×480×16/8=600 kB。緩沖區通常分配在大容量的片外SDRAM中，起始地址保存在LCD控制器寄存器中。最后是初始化一個fb_info結構，填充其中的成員變量，并調用register_Framebuffer(&fb_info)，將fb_info登記入內核。 b)編寫結構fb_info中函數指針fb_ops對應的成員函數對于嵌入式系統的簡單實現，設置了下列3個函數以滿足要求： struct fb_ops在fb.h中定義。這些函數都是用來設置/獲取fb_info結構中的成員變量的。當應用程序對設備文件進行ioctl操作時會調用它們，例如，對于fb_get_fix()，應用程序傳人的是fb_fix_screen info結構，在函數中對其成員變量賦值，主要是smem-start(緩沖區起始地址)和smem-len(緩沖區長度)，最終返回給應用程序。而fb_set_var()函數的傳人參數是fb_var_screen info，函數中需要對xres，yfes，和bits_per_pixel賦值。 賦值時需注意，根據本系統硬件特性，LCD的16位為(5：6：5)，亦即：紅色5位(bits[11：15])，綠色6位(bits[5：10])，藍色5位(bits[0：4])。也就是說，LCD最大支持32種紅色、64種綠色、32種藍色的混合顯示。 至此，顯示驅動開發工作已經基本告畢。以本系統為例，如要顯示一個像素，只要通過如下步驟： 由此便可以在LCD屏上逐一顯示每個像素，進而顯示整幅圖像。 圖4是在所建立系統的LCD屏上顯示代表東南大學的"SEU"3個英文字母，其中"s"為純紅色(31，0，0)，"E"為純綠色(0，63，0)，"U"為純藍色(0，0，31)，而底色為純白色(31，63，31)。 3 結束語 由于嵌入式系統能保證系統響應的實時性和運行的可靠性，目前廣泛應用于各個領域。本文設計的圖像顯示系統可以作為安全監控、工業檢測、遠程操作等應用的基礎。從開發實例表明，嵌入式Linux系統在圖像采集及處理方面，不但在開發過程中簡捷高效，而且在現場應用中也具有靈活多變的優勢，在機器人監控系統、工控圖像采集定位、遠程教學等應用中有廣闊的發展空間。 |
