1 引言

高分辨率LED顯示屏的應(yīng)用日益廣泛，而目前國內(nèi)LED顯示屏的播放控制系統(tǒng)主要采用聯(lián)機(jī)方式來實(shí)現(xiàn)，即PC機(jī)+視頻發(fā)送板，通過千兆以太網(wǎng)或者光纖，將視頻實(shí)時(shí)發(fā)送到LED顯示屏端的視頻接收板上完成顯示。這種方式具有良好的人機(jī)操作界面和優(yōu)秀的視頻顯示質(zhì)量，對于近距離LED顯示屏聯(lián)機(jī)播放是一種重要的顯示手段。而對于超長距離、戶外LED顯示屏而言，聯(lián)機(jī)播放顯然需要付出很高的代價(jià)才能實(shí)現(xiàn)，有些場合甚至無法實(shí)現(xiàn)。而脫機(jī)方式在這些場合則顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢。脫機(jī)方式的特點(diǎn)在于無人值守，專用性強(qiáng)，占用資源少，經(jīng)濟(jì)便攜。同時(shí)可以通過一定的控制途徑如Internet、GSM網(wǎng)絡(luò)等可對播放過程及內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)的干預(yù)和修改。目前國內(nèi)的脫機(jī)控制系統(tǒng)多由嵌入式系統(tǒng)如單片機(jī)、SOC、DSP、RISC處理器等實(shí)現(xiàn)。大多數(shù)脫機(jī)控制卡只能顯示較小的分辨率，支持偽彩或者單色，不能播放高質(zhì)量的視頻。本設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)具有高分辨率、高質(zhì)量視頻播放、流媒體播放、多區(qū)域顯示等功能的小型專用LED脫機(jī)播放系統(tǒng)。 本文將從系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和原理、軟件各模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、性能測試及結(jié)論三個(gè)方面進(jìn)行說明。

2 脫機(jī)播放系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和工作原理

目前國內(nèi)LED屏脫機(jī)控制系統(tǒng)多采用高性能RISC處理器作為核心，典型的以ARM9為核心的SoC芯片工作頻率大多在200~600MHz之間。然而顯示方面的性能依然比較低下，大多數(shù)芯片，典型的如S3C24X0,通過內(nèi)部集成LCD控制器來實(shí)現(xiàn)顯示功能，一般只支持到640X480的顯示分辨率，16bit顏色深度。處理器芯片內(nèi)置的LCD控制器是在系統(tǒng)內(nèi)存中設(shè)置一小部分作為幀存(Frame Buffer)，LCD控制器使用一個(gè)專用的高速DMA通道不斷地讀取幀存中的象素?cái)?shù)據(jù)到FIFO memory中，最后生成視頻時(shí)序輸出到外部LCD接口，因此視頻顯示直接占用系統(tǒng)總線帶寬。支持更高的分辨率和色彩深度意味著占用更多的系統(tǒng)帶寬，比如1024×768分辨下，24位深度，60Hz場頻的顯示輸出，顯示占用的系統(tǒng)帶寬在1.1Gbps以上。小型嵌入式系統(tǒng)有限的總線帶寬顯然不可能很好地支持高分辨率真彩顯示。

另一方面，對于一般的 2D圖形操作如象素復(fù)制、縮放、色空間轉(zhuǎn)換等需要軟件實(shí)現(xiàn)，處理器對Frame Buffer的頻繁操作帶來的系統(tǒng)性能下降十分突出，極大的影響了CPU在視頻解碼方面的效率。

鑒于上述分析，使用普通的面向手持設(shè)備的嵌入式體系結(jié)構(gòu)無法滿足全彩大型LED屏幕的顯示要求，本文選擇了工業(yè)級(jí)ARM芯片S3C2440+SM501顯示加速協(xié)處理器的解決方案，從根本上解決了上述分析兩個(gè)影響顯示性能的關(guān)鍵問題。

S3C2440是以ARM920T為核心，基本工作頻率400MHz,最高可達(dá)533MHz的一款工業(yè)級(jí)SoC.其內(nèi)部集成了RART,USB,I2 C,LCD,NAND,MMC/SD controller等多種常見IO設(shè)備控制器。

SM501是一款便攜式多媒體協(xié)處理器芯片，專門為嵌入式工業(yè)提供顯示功能，具有視頻和2D加速能力。它支持多種輸入/輸出接口，包括模擬RGB、數(shù)字LCD接口、8位并行接口、USB、UART、IrDA、Zoom Video、AC97或I2S、SSP、PWM和I2 C.SM501的2D引擎包括一個(gè)前端色彩空間轉(zhuǎn)換器，支持4∶1和1∶8的比例。LCD視頻流水線支持一個(gè)YUV色彩空間轉(zhuǎn)換。通過將優(yōu)化的128位的2D圖形引擎和一個(gè)與本地幀存儲(chǔ)器連接的高帶寬鏈接相結(jié)合，SM501提供面向工業(yè)的2D圖形加速功能。2D圖形引擎包含一個(gè)命令翻譯器(一個(gè)增強(qiáng)型的DMA引擎)，對于工作在150 MHz的32位數(shù)據(jù)寬度的SDRAM,SM501的DMA引擎讀取2D操作數(shù)的帶寬可達(dá)600 MB/s.SM501支持的最大顯示分辨率為1280×1 024,可以輕松支持普通PC顯示分辨率1024×768.

整個(gè)硬件系統(tǒng)原理如圖1示。S3C2440與SM501在slave 模式下通過系統(tǒng)總線連接，SM501連接8MB的本地幀存，S3C2440可以通過系統(tǒng)總線直接訪問SM501的本地幀存。系統(tǒng)掛接DM9000A 10/100M網(wǎng)絡(luò)芯片，上位機(jī)脫機(jī)控制軟件通過Internet網(wǎng)絡(luò)連接到脫機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。脫機(jī)系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)流媒體功能。

對于SM501輸出的數(shù)字視頻，采用FPGA進(jìn)行采集和分發(fā)。SM501與FPGA之間通過LCD數(shù)字接口連接，包含24 bit并行象素點(diǎn)RGB數(shù)據(jù)、象素時(shí)鐘pclk,行場同步及DE信號(hào)。FPGA采集LCD接口輸出的象素?cái)?shù)據(jù)并實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)到象素位置對應(yīng)的掃描板，一幀圖象傳輸完畢后，所有掃描板將同時(shí)更新顯示新圖像幀。每個(gè)掃描板控制的分辨率為256 × 256,脫機(jī)系統(tǒng)最大可以控制1024 × 768分辨率。FPGA內(nèi)部邏輯詳細(xì)設(shè)計(jì)不作為本文討論的主要內(nèi)容。

圖1 脫機(jī)播放系統(tǒng)硬件組成框圖

3 軟件系統(tǒng)

LED脫機(jī)播放軟件設(shè)計(jì)的基本要求包括：系統(tǒng)必須能夠勝任7× 24小時(shí)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，因此播放軟件必須具備健壯性。雖然S3C2440處理速度相對已經(jīng)較快，但是解碼對CPU時(shí)間的占用仍然是一個(gè)很突出的問題，因此播放軟件必須具備高效性，尤其是盡最大可能發(fā)揮出SM501提供的2D加速顯示能力。另外由于SoC更新速度很快，硬件平臺(tái)必然會(huì)有更好選擇，因此軟件在保證高效率的前提下必須提高其可移植性。最后是建立開放式的軟件架構(gòu)，使之具備可擴(kuò)展、可升級(jí)性，以便于逐步開發(fā)新的功能。

本文從以下兩個(gè)方面對軟件部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹：

1)建立嵌入式Linux系統(tǒng)平臺(tái)

2)LED顯示屏脫機(jī)專用播放軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文章將簡要介紹基于S3C2440平臺(tái)的嵌入式Linux系統(tǒng)平臺(tái)的搭建，然后著重介紹播放軟件在開放性、可移植性、高效性方面所采用的設(shè)計(jì)方法。

4.1 建立嵌入式Linux系統(tǒng)平臺(tái)

Linux內(nèi)核具有體積小，效率高，成熟穩(wěn)定，源代碼開放，資源豐富，內(nèi)核直接提供豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持多種文件系統(tǒng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。本課題移植了Linux2.6.18內(nèi)核，該版本內(nèi)核具有穩(wěn)定性好、開發(fā)工具支持度好的優(yōu)點(diǎn)。這部分工作主要包括：

1)針對硬件平臺(tái)移植u-boot.

2)剪裁并交叉編譯Linux內(nèi)核。移植USB存儲(chǔ)盤、DM9000A網(wǎng)絡(luò)芯片、SM501顯卡的驅(qū)動(dòng)到內(nèi)核

3)交叉編譯busybox,生成ext2格式的Initrd文件系統(tǒng)鏡像

4)通過u-boot將內(nèi)核和Initrd鏡像燒寫到Nand Flash上，設(shè)置內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)和u-boot啟動(dòng)命令來啟動(dòng)內(nèi)核

經(jīng)過上述工作，建立了一個(gè)小型化的嵌入式Linux平臺(tái)。限于篇幅，本文對嵌入式Linux平臺(tái)的建立細(xì)節(jié)問題不深入介紹。

4.2 LED顯示屏脫機(jī)專用播放軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

LED顯示屏脫機(jī)播放軟件的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是支持視頻播放、圖片顯示、多區(qū)域顯示、流媒體播放、遠(yuǎn)程控制。由于整個(gè)軟件項(xiàng)目比較龐大，本文將只選擇幾個(gè)關(guān)鍵模塊進(jìn)行詳細(xì)說明，并側(cè)重介紹軟件方面如何利用SM501來實(shí)現(xiàn)高性能顯示及視頻播放。對流媒體播放和遠(yuǎn)程控制部分不做介紹。

4.2.1 多區(qū)域顯示功能模塊的設(shè)計(jì)

隨著LED顯示屏幕分辨率的不斷增加，同一個(gè)顯示屏對信息容量的需求也相應(yīng)的增長，在面向廣告的LED屏中這種需求尤其突出。典型的LED多區(qū)域顯示情形是一個(gè)視頻區(qū)域，多個(gè)圖片區(qū)域，一個(gè)滾動(dòng)字幕區(qū)域。脫機(jī)播放系統(tǒng)主要面向戶外廣告屏，因此，必須重點(diǎn)考慮多區(qū)域顯示功能。

為了更好的支持LED屏幕多區(qū)域顯示，必須從傳統(tǒng)的全屏顯示概念中脫離出來，建立基于區(qū)域(zone)顯示的概念，即顯示內(nèi)容總是在某個(gè)顯示區(qū)域上完成顯示，單屏顯示只是多區(qū)域顯示的一個(gè)特例。在結(jié)構(gòu)上區(qū)域按層次劃分，區(qū)域可以劃分為多個(gè)子區(qū)域。同級(jí)子區(qū)域的位置不能重疊。這樣，在理論上，可以支持任意的以矩形為單位的分區(qū)域顯示形式。多個(gè)區(qū)域并行顯示，通過多線程方式實(shí)現(xiàn)。

每個(gè)區(qū)域都包含一個(gè)播放列表(playlist)。每個(gè)播放列表由一系列顯示項(xiàng)目(playitem)組成。 顯示項(xiàng)目的概念是指在某個(gè)顯示區(qū)域上進(jìn)行一次完整的顯示過程。如一段視頻播放，一幅圖片定時(shí)顯示，文字的運(yùn)動(dòng)顯示等。程序采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，將不同類型的顯示項(xiàng)目的共性抽象出來，以方便不斷擴(kuò)展的新的顯示項(xiàng)目和客戶定制的顯示內(nèi)容。

所有的顯示項(xiàng)目，無論其內(nèi)容如何，都可以抽象為一個(gè)隨時(shí)間變化的狀態(tài)機(jī)。每個(gè)顯示項(xiàng)目在時(shí)間的推移下在其所屬的區(qū)域中完成自身的顯示，也就是完成一個(gè)從初始化到結(jié)束的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程。因此，playitem是一個(gè)抽象基類。每種類型的顯示項(xiàng)目只需重新實(shí)現(xiàn)playitem提供的公共調(diào)用接口即可。

每個(gè)區(qū)域具有一個(gè)播放線程，該線程不斷地從playlist中取出一個(gè)顯示項(xiàng)目，執(zhí)行其狀態(tài)轉(zhuǎn)換接口完成顯示過程。這種設(shè)計(jì)允許不同類型的顯示項(xiàng)目混合排列在同一個(gè)顯示列表下，極大的增加了播放過程安排的靈活性。

多區(qū)域顯示設(shè)計(jì)模型如圖2示。

圖2 多區(qū)域顯示模型

4.2.2基于SM501的2D加速顯示接口設(shè)計(jì)

顯示層的設(shè)計(jì)旨在提供一套可移植的、使用方便的2D顯示接口，包括基于區(qū)域內(nèi)部坐標(biāo)的應(yīng)用顯示層接口和基于屏幕坐標(biāo)而與硬件無關(guān)的底層顯示接口。應(yīng)用顯示層給顯示項(xiàng)目playitem提供簡單的基于區(qū)域坐標(biāo)的顯示接口?；谄聊蛔鴺?biāo)的底層顯示直接工作在SM501硬件之上，最大化利用了SM501硬件加速能力，同時(shí)還提供了可移植的接口。在移植到其他的2D硬件上只需要重新實(shí)現(xiàn)底層顯示接口即可。

由于硬件設(shè)計(jì)上SM501處于slave mode與S3C2440連接，SM501不能訪問系統(tǒng)內(nèi)存，所有要進(jìn)行加速操作的顯示內(nèi)容必須存放在SM501的獨(dú)立顯存上，這樣不方便移植DirectFB作為底層顯示接口。因此本文按照通用的2D顯示接口，獨(dú)立實(shí)現(xiàn)了一套基于屏幕坐標(biāo)的通用底層2D顯示接口。

在實(shí)現(xiàn)上通過mmap把SM501的控制寄存器和獨(dú)立顯存全部從內(nèi)核空間映射到用戶空間，這樣在程序中可以直接訪問SM501的寄存器和管理本地顯存，避免了在顯示時(shí)應(yīng)用程序與內(nèi)核之間的數(shù)據(jù)交換，顯示加速作用得以充分發(fā)揮?；趯M501的直接訪問，底層顯示層實(shí)現(xiàn)了一套基本接口，包括顯存分配與釋放和基本2D加速操作如畫線(line)、矩形填充(fill_rect)，位圖復(fù)制(bitblt)、縮放(bitblt_stretch)、色空間轉(zhuǎn)換(CSC)等。其中對視頻播放性能影響最大的是縮放和色空間轉(zhuǎn)換。