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隨著嵌入式技術(shù)迅猛發(fā)展和Linux在信息行業(yè)中廣泛應用，利用嵌入式Linux系統(tǒng)實現(xiàn)圖像采集處理已有可能。實時獲得圖像數(shù)據(jù)是實現(xiàn)這些應用的重要環(huán)節(jié)。本文使用的系統(tǒng)硬件平臺采用Samsung公司的處理器S3C2410，并以此為基礎(chǔ)，在基于嵌入式Linux系統(tǒng)平臺上設計了建立圖像視頻的一種方法。 1 系統(tǒng)硬件電路設計 S3C2410芯片處理器內(nèi)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(shù)據(jù)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(chǔ)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(tǒng)和液晶屏顯示運算的需要。 S3C2410內(nèi)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(tǒng)的應用領(lǐng)域?qū)D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(shù)據(jù)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(tǒng)直接使用S3C2410的控制口線與它相連，而沒有設置電平轉(zhuǎn)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(tǒng)軟件設計 2.1 Linux操作系統(tǒng) 本視頻顯示系統(tǒng)的軟件以嵌入式Linux為基礎(chǔ)。Linux是免費運行、快速高效的操作系統(tǒng)。在過去的幾年中，基于開源組織的Linux系統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)得到了長足的發(fā)展。Linux操作系統(tǒng)雖然不是微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，但是其模塊化的結(jié)構(gòu)使得用戶可以對其方便地進行配置，去除用戶系統(tǒng)不需要的模塊以減小系統(tǒng)的開銷，可以做到幾百k大小。綜合考慮系統(tǒng)的功能和可擴展性以及系統(tǒng)的運行速度，本方案中的嵌入式Linux所采用的內(nèi)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(tǒng)μCLinux后，為了使LCD能正常顯示，還需要在μCLinux系統(tǒng)下開發(fā)LCD的驅(qū)動程序。 2．2 Framebuffer設備驅(qū)動 幀緩沖(Framebuffer)是出現(xiàn)在Linux2.2.xx內(nèi)核中的一種驅(qū)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(tǒng)通過幀緩沖實現(xiàn)LCD驅(qū)動程序的開發(fā)工作。 該設備使用特殊的設備節(jié)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(shù)。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(qū)位于μCLinux中核心態(tài)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(qū)地址的。為此，μCLinux提供了mmap函數(shù)，可將文件的內(nèi)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(qū)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(qū)，在屏幕上繪圖。幀緩沖中內(nèi)存塊分布如圖2所示。 幀緩沖設備是一種普通的內(nèi)存設備，支持直接讀寫其內(nèi)容。支持使用read()，write()，seek()以及mmap()函數(shù)。不同之處是幀緩沖的內(nèi)存不是所有內(nèi)存區(qū)，而是LCD控制器專用的那部分內(nèi)存。/dev/fb*允許使用ioctl操作，通過ioctl可以讀取或設定設備參數(shù)。顏色映射表也通過ioctl設定。下面是ioctl和本系統(tǒng)相關(guān)的應用及相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(nèi)存區(qū)的長度和起始地址。 b)獲取可以發(fā)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(qū)動程序?qū)χ颠M行優(yōu)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(tǒng)運用時，使用read、write函數(shù)在讀或?qū)懼俺掷m(xù)地尋址將會導致很多開銷。基本解決方法是映射屏幕內(nèi)存。當屏幕內(nèi)存被映射到應用程序時，將得到一個直接指向屏幕內(nèi)存的指針。 在本系統(tǒng)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它們在include/linux/fb.h中聲明。第1個結(jié)構(gòu)是用來描述圖形卡的特性，通常由用戶設置；第2個結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)定義了當前圖形卡幀緩沖設備的獨立狀態(tài)。 2．3 幀緩沖驅(qū)動程序的實現(xiàn) 與一般應用類似，在本系統(tǒng)實現(xiàn)中，應用程序主要通過下面3種方式實現(xiàn)內(nèi)核對幀緩沖的控制。 a)讀/寫/dev/fb：相當于讀/寫屏幕緩沖區(qū)。 b)映射(map)操作：通過映射操作，可將屏幕緩沖區(qū)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(qū)，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(shù)，如分辨率、顯示顏色數(shù)、屏幕大小等。ioctl操作是由底層的驅(qū)動程序來完成的。 因此，幀緩沖驅(qū)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(jīng)介紹了幀緩沖設備的地址空間問題，對于操作系統(tǒng)來說，讀、寫幀緩沖設備就是對物理地址空間進行數(shù)據(jù)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(nèi)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(qū)動的實際工作并不復雜，針對本系統(tǒng)主要有以下工作。 a)編寫初始化函數(shù)。初始化函數(shù)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(shù)，然后分配LCD顯示緩沖區(qū)。在Linux可通過kmal-loc函數(shù)分配一片連續(xù)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(qū)分別為640×480×16/8=600 kB。緩沖區(qū)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(jié)構(gòu)，填充其中的成員變量，并調(diào)用register_Framebuffer(&fb_info)，將fb_info登記入內(nèi)核。 b)編寫結(jié)構(gòu)fb_info中函數(shù)指針fb_ops對應的成員函數(shù)對于嵌入式系統(tǒng)的簡單實現(xiàn)，設置了下列3個函數(shù)以滿足要求： struct fb_ops在fb.h中定義。這些函數(shù)都是用來設置/獲取fb_info結(jié)構(gòu)中的成員變量的。當應用程序?qū)υO備文件進行ioctl操作時會調(diào)用它們，例如，對于fb_get_fix()，應用程序傳人的是fb_fix_screen info結(jié)構(gòu)，在函數(shù)中對其成員變量賦值，主要是smem-start(緩沖區(qū)起始地址)和smem-len(緩沖區(qū)長度)，最終返回給應用程序。而fb_set_var()函數(shù)的傳人參數(shù)是fb_var_screen info，函數(shù)中需要對xres，yfes，和bits_per_pixel賦值。 賦值時需注意，根據(jù)本系統(tǒng)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(qū)動開發(fā)工作已經(jīng)基本告畢。以本系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)束語 由于嵌入式系統(tǒng)能保證系統(tǒng)響應的實時性和運行的可靠性，目前廣泛應用于各個領(lǐng)域。本文設計的圖像顯示系統(tǒng)可以作為安全監(jiān)控、工業(yè)檢測、遠程操作等應用的基礎(chǔ)。從開發(fā)實例表明，嵌入式Linux系統(tǒng)在圖像采集及處理方面，不但在開發(fā)過程中簡捷高效，而且在現(xiàn)場應用中也具有靈活多變的優(yōu)勢，在機器人監(jiān)控系統(tǒng)、工控圖像采集定位、遠程教學等應用中有廣闊的發(fā)展空間。 |
