数码相框设计与实现 - 图文(2)

邢台学院信息科学与技术系嵌入式课程设计

应的应用产品，则是需要数码相框厂商亟待解决的问题。

从技术上来说，未来数码相框的发展将向两极分化。一部分产品着重强调基本功能和低成本，整合家庭中的闹钟，日历和装饰功能，这些产品走的是低成本路线，以展示照片为主，追求图像的品质及幻灯片播放特效，已成为DC/DV的附属物；另一部分产品将会添加一些新的功能，如WiFi，DVB—T，还可即时报告天气，股票等信息，从而有望成为\桌面信息中心\。此外，触摸面板会成为一个应用的新亮点。

从产品形态上来说，数码相框的市场将会有非常明确的细分。

1)数码相框:

这将是以数字照片的重显为主要功能的产品，其功能更接近于传统意义上的相框。由于人机界面的限制，为了更方便的重显和浏览以及确定重显的规则，这类产品并不强调有大容量的内存以及丰富的存储卡接口，这类产品的主要特征是:

l、支持USB Device&Host以便于更新和同步数据。

2、在某些情况下(如从PC端通过相框的USB Device同步数据)，允许修改数字照片的格式使得有最佳的重显效果。

3、仅依靠内置的半导体存储器存放需要重显的数字照片。 4、文件(照片)查询和播放规则设定非常简洁易用。 5、产品大致分为桌面和壁挂两种。

2)数码相册:

这是以数字照片的存储和浏览为主要功能的产品，由于需要满足跟PC相类似功能，所以这类产品的主要特征是:

1、有大容量的内置数据存储器。

2、支持USB Device&Host及各种存储卡接口，并支持内部存储器与各种数据存储器之 第一章绪论 间的同步以及相互拷贝。

3、强大的文件管理功能:浏览，搜寻，命名(重命名)，复制，删除，备份等。

4、带或不带内建显示单元，有能支持其它高分辨率显示设备的接口(如色差，VGA甚至是HDMI)。

2 需求分析

目前，对嵌入式系统的定义多种多样，下面给出两种比较合理定义：

1)从技术的角度定义：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪，应用系统对功

能、可靠性、成本、体积、功耗有着严格要求的专用计算机系统。

2)从系统的角度定义：嵌入式系统是设计出可完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整的部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。

2.1嵌入式处理器简介

嵌入式微控制器又称单片机，它是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。

和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。

嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的系列包括8051、P51XA、MCS.251、MCS.96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300、数目众多的ARM架构芯片等。目前MCU占嵌入式系统约70％的市场份额。

过去的20年中，单片机市场与需求都是以8位机为主的。最近几年来，16位、32位单片机的嵌入式应用呈迅速增长的趋势。在一两年后，数量上虽然仍会以8位为多，但32位单片机在产值上会超过8位单片机。今后，单片机应用将呈现8位、16位、32、位并举的格局。

8位单片机处在嵌入式系统低端领域，从8位单片机诞生至今，已近30年，在百花齐放的单片机家族中，80C51系列一直扮演着一个独特的角色。随着技术的发展、智能化系统需求的增长，要求单片机相应提高运算速度。当前8位单片机在不扩展数据总线的情况下，运行速度仍有潜力可挖。例如，采用RISC结构实现并行流水线作业；CISC结构的C8051F采用CIP．8051结构，使单周期指令速度提高到原8051的12倍。可以说8位单片机虽然“古老\，但又是一个十分活跃的领域。

由于8位MCU性能的不断提升、功能的不断强化，以及32位MCU在价格上的持续下探，使16位MCU受到来自上述两方面的攻击，在发展上受到一定的限制。但是，16位MCU既具有比8位机更高的性能，又具有比32位机更快的响应时间、更低的成本，因而在某些应用中具有很大的优势。例如，在家庭安防系统中，中央控制器在远程呼叫中需要可满足语音功能并能够进行噪音消除的数字信号控制器

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(DSC)；再比如在汽车的气囊主控制器中，主MCU就需要16位的产品收集信息并实施控制；此外，16位MCU在家电、玩具、工业以及办公自动化和通信等应用中都有市场需求。从长远发展看，16位MCU仍然会有广阔的市场前景。

在目前流行的32位嵌入式处理器中，ARM架构的处理器占据了绝对主流(资料统计90％以上的手持设备都是ARM处理器)。ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，而是转让设计许可，由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器内核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而构成自己的ARM微处理器芯片。目前，全世界的几家大的半导体公司都使用ARM公司的授权，因此既使得ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。一般来讲使用16位指令比等价的32位代码节省达35％的存储空间，然而保留了32位系统的所有优势。ARM的Jazelle技术使Java加速得到比基于软件的Java虚拟机(JVM)高得多的性能，和同等的非Java加速核相比功耗降低80％。CPU功能上增加的DSP指令集提供增强的16位和32位算术运算能力，提高了性能和灵活性。ARM还提供两个前沿特性来辅助加深嵌入处理器的高集成SOC器件的调试，它们是嵌入式ICE．RT逻辑和嵌入式跟踪宏核(ETMS)系列。ARM处理器适用于多种领域，比如工业控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。

本设计属于数字影音娱乐产品，需要较为强劲的处理器进行数字音频与图像解码的工作，故选用应用广泛、资料齐全的32位微处理器三星S3C2440A作为MPU的开发板。因为此开发板的外围设备接口丰富，USB HOST、SD卡接口、声卡等一应俱全，很适合进行数码相框研究工作。

2.2 嵌入式操作系统简介

嵌入式软件就是嵌入在硬件中的操作系统和开发工具软件。

嵌入式软件与嵌入式系统是密不可分的，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置\，而嵌入式软件就是基于嵌入式系统设计的软件，它也是计算机软件的一种，同样由程序及其文档组成，可细分成系统软件、支撑软件、应用软件三类，是嵌入式系统的重要组成部分。下面介绍一下在本次设计中起到重要作用的嵌入式操作系统。

嵌入式操作系统EOS(Embedded Operating System)是一种用途广泛的系统软件，过去它主要应用于工业控制和国防系统领域。EOS负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、调度、控制、协调等；它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。嵌入式操作系统通常以商业运作为主，从上世纪80年代起，商业化的嵌入式操作系统开始得到蓬勃发展。现在国际上有名的

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嵌入式操作系统有Windows CE、Palm OS、Linux、VxWorks、pSOS、QNX、OS一9、LynxOS等，已进入我国市场的国外企业有WindRiver、Microsoft、QNX和Nuclear等。我国嵌入式操作系统的起步较晚，国内此类产品主要是基于开放版权的Linux操作系统，其中以中软Linux、红旗Linux、东方Linux为代表。

目前流行的嵌入式操作系统中，除了WinCE的实时性稍差外，大多数嵌入式操作系统的实时性都很强，所以也可称为实时操作系统(Real Time Operating System)。

传统的经典RTOS中最主要的便是Vxworks[3]操作系统，以及其Tornado开发平台。Vxworks因出现稍早，实时性很强(据说可在lms内响应外部事件请求)，并且内核可极小(据说最小可8K)，可靠性较高，所以在北美，Vxworks占据了嵌入式系统的多半江山。特别是在通信设备等实时性要求较高的系统中，几乎非Vxworks莫属。Vxworks的很多概念和技术都和Linux很类似，主要采用C语言开发。

Linux的应用除作为服务器操作系统外，最成功的便是在嵌入式领域的应用，原因当然是免费、开源、支持软件多、呼拥者众，这样嵌入式产品成本会降低。Linux本身不是一个为嵌入式设计的操作系统，不是微内核的，实时性不强。目前应用在嵌入式领域的Linux系统主要有两类：一类是专为嵌入式设计的已被裁减过的Linux系统，最常用的是uClinux(不带MMU功能)，目前占较大应用份额，可在ARM7上运行；另一类是运行在ARM 9上的，一般是将Linux 2．4．18内核移植在其上，可使用更多的Linux功能。很多人预测，嵌入式Linux预计将占嵌入式操作系统的50％以上份额。本设计根据所选用处理器的性能和配置，选用嵌入式Linux2.6.12作为操作系统。

2.3 嵌入式GUI设计软件简介

所谓GUI(Graphics User Interface)就是图形用户界面，是指计算机与其使用者之间的对话接口，是计算机系统的重要组成部分。

嵌入式GUI就是在嵌入式系统中为特定的硬件设备或环境而设计的图形用户界面系统。所以嵌入式GUI不但要有GUI的特征，在实际应用中，嵌入式系统对它来说还有如下的基本要求：占用资源少、高性能、高可靠性、可配置性。简要介绍集中常见的嵌入式系统的GUI。

1)MiniGUI

MiniGUI是在Linux控制台上运行的，基于SVGALib和LinuxThread6库的多窗口图形用户界面支持系统。MiniGUI采用了类Win32的API接口，实现了简化的类

Windows 98风格的图形用户界面。MiniGUI也是一个窗口系统，它的主要组成元素是窗口，在这个基础上MiniGUI中的窗口可以基本分四类，分别为主窗口、对话框、控件和主窗口中的窗片。MiniGUI中的主窗口和Windows应用程序的主窗口概念类似，MiniGUI中的每个主窗口对应于一个单独的线程，

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通过函数调用可建立主窗口以及对应的线程。每个线程有一个消息队列，主窗口从这一消息队列中获取消息并由窗口过程(回调函数)进行处理。MiniGUI的目标是保持现有小巧的特点，在Linux控制台上提供一个小的窗口系统支持，“小”是MiniGUI的特色。同时MiniGUI又将尽力与微软的Windows API保持兼容。这么定位是希望MiniGUI可以在未来以Linux为基础的应用平台上提供一个简单可行的GUl支持系统，让MiniGUI可以应用在Windows CE可以应用的任何场合。

2）QT／Embedded

Qt是Trolltech公司的一个产品，是一个多平台的C++图形用户界面应用程序框架。它提供给应用程序开发者建立艺术级的图形用户界面所需的所有功能。Qt是完全面向对象的，很容易扩展，并且允许真正地组件编程。自从1996年早些时候，Qt进入商业领域，它已经成为全世界范围内数千种成功的应用程序的基础。Qt也是流行的Linux桌面环境KDE的基础，KDE是所有主要的Linux发行版的一个标准组件。

Qt／Embedded是Trolltech公司的另一个产品，虽然走Open Source开发路线，采用GPL授权，但商用的要付费。Qt／Embedded是Qt的嵌入式端口，包含C++GuI和基于Linux的嵌入式平台开发工具，可用于多种开发项目。Qt／Embedded可以开发市场上多种类型的产品和设备，从消费电器(移动电话、联网板和机顶盒)到商业设备(如医学成像设备、移动信息系统等)。Qt／Embedded提供的API和Qt／Windows、Qt／X1 1相同，但不需要使用到X11，取而代之的是硬件接口、绘图程序库和完整的GUI工具。Qt／Embedded对存储内存的需求约在800kB到3MB(x86平台下)。其另一个特点就是跨平台，用QtAPI开发出来的应用程序，可以在不同的操作系统上执行。

3 总体设计

按照数码相框的工作的软硬件需求，根据图片浏览及音频播放这和两个主要功能的技术指标，提出系统的总体设计方案。

3.1 软件系统平台需求分析

本设计选用的三星S3C2440A实验箱，主频最高可达533MHZ，具有MMU与Harverd高速缓冲结构，可以流畅运行当前主流嵌入式操作系统。在当前的嵌入式操作系统中，开放源码的Linux的学习资料丰富，学习人数众多，很适合作为学习研究的对象。现在最常见的Linux系统有uc Linux和Linux，由于所使用的处理器具有MMU结构，所以选用具有虚拟地址映射，内存保护功能的Linux。因为需要操作系统，如何加载操作系统也是嵌入式系统学习的一个重点，这就是Bootloader。它把嵌入式硬件和嵌入式

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