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基于Davinci架構的嵌入式Web播放器
引言
嵌入式播放器被廣泛應用于Intenet-TV、iDVD、Web 終端、數字電視機頂盒、掌上電腦等各種信息電器和便攜式網(wǎng)絡(luò )終端中，并在工業(yè)控制領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用前景，為此高性能Web 播放器的設計也始終是嵌入式系統工程師追逐的目標。TI 公司近年來(lái)推出了面向無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域和移動(dòng)媒體的開(kāi)放式多媒體應用平臺（OMAP），它采用DAVINCI 架構，集成了先進(jìn)的CortexA-8 結構的ARM 核和DSP64x+內核，包含了優(yōu)化的硬件2D/3D 加速器[1]。尤其是OMAP 器件的低功耗特性使得它在便攜式、手持式設備方面應用優(yōu)勢明顯，從而也為實(shí)現更高性能和更低功耗的嵌入式播放器提供了可靠的硬件基礎。本系統正是基于OMAP3530強大的運算及音視頻處理能力設計的，旨在構建一個(gè)基于Davinci 架構的嵌入式Web 播放器，支持MP3、MPEG2/4、AVI 以及H.264 等數據流格式在線(xiàn)流暢的播放；并能充分利用OMAP3530 的雙核特性，由DSP 核進(jìn)行音視頻解碼，ARM 核完成系統的管理和控制。
1 系統方案
1.1 系統總體架構
視頻播放器由三層組成。OMAP3530 處理器及其它外圍設備（如GPRS 模塊、Wi-Fi 模塊等）構成底層硬件平臺層；Linux 內核、驅動(dòng)程序及圖形文件系統構成中間層系統層；而嵌入式瀏覽器和音視頻播放插件構成了最上層應用層。嵌入式瀏覽器通過(guò)HTTP 協(xié)議訪(fǎng)問(wèn)流媒體服務(wù)器，當頁(yè)面需要流媒體支持時(shí)，以插件方式調用音視頻播放插件。系統總體架構所示。
1.2 數據傳輸模型
系統的數據傳輸以HTTP 請求／響應模型[2]為基礎，當用戶(hù)通過(guò)嵌入式瀏覽器點(diǎn)擊音視頻文件超鏈接時(shí)，將觸發(fā)建立一條與服務(wù)器的TCP 鏈接，嵌入式瀏覽器將HTTP 請求發(fā)送到服務(wù)器，請求中包含請求方法、URI、協(xié)議版本以及相關(guān)的MIME 樣式的消息。服務(wù)器響應一個(gè)狀態(tài)行，包含消息的協(xié)議版本、一個(gè)成功和失敗碼以及相關(guān)的MIME 式樣的消息（包含服務(wù)器的信息、資源實(shí)體的信息和可能的資源內容）。嵌入式瀏覽器在接收到HTTP 響應消息之后開(kāi)始檢查響應消息中的內容，當碰到自身無(wú)法解析的資源名稱(chēng)時(shí)，嵌入式瀏覽器會(huì )查詢(xún)插件注冊信息，當MIME 類(lèi)型與播放插件匹配時(shí)，則將該插件鏈接庫載入內存，并將媒體資源的URL 以參數的形式傳遞給播放插件。音視頻插件從服務(wù)器下載流媒體文件由DSP 核解碼后播放，音頻解碼輸出AC’97 標準的音頻數據，通過(guò)內置擴音器或外接立體聲耳機播放，視頻數據則通過(guò)LCD 顯示。
2 硬件設計
Web 播放器硬件平臺的核心為OMAP3530 處理器，外擴了CPU 外設接口中的網(wǎng)口、音頻輸入輸出接口、USB OTG、USB HOST、SD/MMC 接口、串口、CAMERA 接口、LCD 屏接口等。該系統硬件框圖所示。
本系統采用核心板和底板分離設計, 兩塊板之間采用板間連接器連接，核心板采用八層布線(xiàn)，主要包含OMAP3530 處理器，DDR2 存儲器，以太網(wǎng)以及時(shí)鐘電路；底板采用四層布線(xiàn)，主要包括外圍接口電路。具體情況如下：
OMAP3530 處理器集成了600MHz 的 ARM Cortex? -A8 內核及430MHz 的具有高級數字信號處理算法的TMS320C64x+? DSP 核，為423 腳BGA 封裝，引腳間距為0.65mm。
存儲器采用 Micro 公司生產(chǎn)的MT29C1G24MADLATA-6IT 芯片，為137 腳BGA 封裝，引腳間距0.8mm。該芯片集成了1Gbit DDR 和1Gbit FLASH。
音頻編解碼芯片采用TI 生產(chǎn)的TPS65930，它集成了電源，完整的音頻編解碼器以及其他功能，可以實(shí)現雙語(yǔ)音通道和立體聲下行信道，可播放所有標準音頻。
網(wǎng)口物理層芯片選擇DM9000 芯片。
系統采用 7 英寸TFT 格式的LCD 顯示屏，外接端口為0.5mm 并行端口，并配有轉接線(xiàn)。另外，系統還包括一個(gè)高速USB 2.0 HOST 接口，可接WIFI 模塊；一個(gè)USB OTG 接口，通過(guò)芯片ISP1504 來(lái)控制接收和發(fā)送數據。
3 軟件設計
3.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境
音視頻的播放需要DSP 核進(jìn)行解碼，并由ARM 核完成系統的管理和控制，因此需要在宿主機上建立一套ARM 端的交叉編譯環(huán)境以及DSP 端的DSP/BIOS 鏈接編譯環(huán)境，具體環(huán)境參數如下：
宿主機操作系統Ubuntu 8.10；
交叉編譯編譯工具鏈ARM GNU/Linux EABI 2012q1；
OMAP35x-PSP-SDK-02.01.03.11；
DVSDK_3_00_02_44。
由系統總體結構可見(jiàn)，軟件設計主要包括以下幾個(gè)方面：移植和構建系統的軟件平臺，包括引導程序和嵌入式Linux 移植、驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)以及圖形化文件系統的構建；移植嵌入式瀏覽器；開(kāi)發(fā)音視頻播放插件。
3.2 引導程序的移植
引導程序由 X-Loader 和U-Boot 兩級組成，本系統中使用的版本分別為X-Loader-1.41和U-Boot 1.3.3。X-Loader 作為一級引導程序，在系統上電后由CPU 內部ROM 自動(dòng)復制到內部RAM 并執行。主要作用為初始化CPU，根據啟動(dòng)方式從NAND Flash 或MMC/SD 復制U-Boot 到內存中，然后把控制權交給U-Boot；二級引導程序U-Boot 主要用于和用戶(hù)進(jìn)行交互，提供映像更新、引導內核等功能。
3.3 angstrom 桌面環(huán)境的構建
angstrom 項目由原來(lái)效力于OpenEmbedded，OpenZaurus 和OpenSimpad 項目的一小組成員所啟動(dòng)，旨在制作一個(gè)穩定的，界面友好的嵌入式發(fā)行版本，用于手持設備，機頂盒和網(wǎng)絡(luò )存儲設備等嵌入式設備[3]。angstrom 系統中的提供了各種軟件，包括文檔編輯，上網(wǎng)瀏覽，音頻視頻播放及圖形編輯等功能，并可用USB 鍵盤(pán)鼠標對此系統進(jìn)行操作控制。為此本系統采用在OMAP3530 上構建angstrom系統來(lái)簡(jiǎn)化嵌入式Linux 移植、驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)、圖形化文件系統的構建以及嵌入式瀏覽器移植等工作。angstr0m 系統通過(guò)在線(xiàn)構建，配置參數如表1 所示。
由于 angstrom 系統中提供了可選的嵌入式Minefield 瀏覽器組件，嵌入式Minefield 瀏覽器支持一套NPAPI 的標準插件接口[4]，通過(guò)實(shí)現這套接口可完成播放插件的調用。
3.4 音視頻插件的設計
從物理形式上看，音視頻插件可視為獨立于瀏覽器的一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫，在Minefield 啟動(dòng)時(shí)會(huì )從指定的文件夾獲取播放器插件的描述信息和對應的MIME 類(lèi)型，并根據獲取的信息在瀏覽器中進(jìn)行注冊。當碰到自身無(wú)法解析的資源名稱(chēng)時(shí)，Minefield 會(huì )查詢(xún)插件注冊信息，當MIME 類(lèi)型與播放器插件匹配時(shí)，則將該插件鏈接庫載入內存。
當插件被載入后，瀏覽器將為插件分配內存并初始化實(shí)例的共享資源，然后將媒體資源的URL 以參數的形式傳遞給播放插件，直到瀏覽器完成數據傳輸或者數據傳輸被異常終止時(shí)才釋放數據流占用的相關(guān)資源并銷(xiāo)毀實(shí)例、釋放插件的共享資源。
播放插件由一個(gè)主線(xiàn)程和數據接收子線(xiàn)程、音頻解碼子線(xiàn)程、視頻解碼子線(xiàn)程、輸出子線(xiàn)程和用戶(hù)接口子線(xiàn)程組成。首先主線(xiàn)程對獲取的URL 參數進(jìn)行處理，主要是去除URL 中的冗余信息，并將參數進(jìn)行字符集轉換，并且根據媒體數據流的傳輸速度確定緩沖區大小。
在完成編解碼引擎運行時(shí)（Codec Engine Runtime）和達芬奇多媒體應用接口[5]（DavinciMultimedia Application Interface）的初始化等工作后開(kāi)啟各子線(xiàn)程；當傳送的數據量達到最小緩沖數據量時(shí)，數據接收子線(xiàn)程對獲取的媒體數據進(jìn)行解析，通過(guò)剝離數據包頭文件來(lái)確認媒體數據類(lèi)型，從而實(shí)現音視頻的分離，最后將分離后的數據分別封裝成DMAI 需要的Buffer_Handle格式并分別送入音頻解碼FIFO 和視頻解碼FIFO；音頻（視頻）解碼子線(xiàn)程首先根據不同的數據類(lèi)型，創(chuàng )建相應的解碼器，然后從解碼FIFO 取出數據解碼，將解碼后數據送入音頻（視頻）顯示FIFO；輸出子線(xiàn)程以音頻為基準完成音視頻同步后將數據分別送至音視頻輸出設備實(shí)現播放輸出。播放、暫停、停止等功能在UI 子線(xiàn)程中實(shí)現。
4 系統的功能特點(diǎn)
以 TI OMAP3530 處理器為核心，設計了Web 播放器硬件平臺，首先移植X-Loader、U-Boot 及angstrom 桌面環(huán)境，然后為Minefield 瀏覽器設計了音視頻播放插件，并實(shí)現了一個(gè)基于Davinci 架構的嵌入式Web 視頻播放器。功能特點(diǎn)如下：
1）硬件平臺采用核心板和底板分離設計，核心板采用8 層板布線(xiàn)，底板采用4 層布線(xiàn)。功耗低，擴展性好。核心板和底板分離設計不僅有利于根據不同的需要重新設計底板和開(kāi)發(fā)新型產(chǎn)品，也有利于硬件調試和成本節約。
2） 支持多種音視頻格式，特別是支持H.264 視頻標準。充分利用處理器的雙核特性，ARM 完成系統中控制型任務(wù)，視頻解碼由DSP 處理。
3） 基于 HTTP 協(xié)議的請求/響應模型，在嵌入式Linux 平臺上，擴展了瀏覽器的功能，瀏覽器以插件方式調用播放器實(shí)現音視頻的在線(xiàn)播放。
5 測試與結論
就校園網(wǎng)、電信寬帶等多種方式連接Internet，系統分別訪(fǎng)問(wèn)了局域網(wǎng)、校園網(wǎng)、公網(wǎng)內Web 服務(wù)器和視頻服務(wù)器，對播放器性能進(jìn)行測試。為由校園網(wǎng)連接Internet 在線(xiàn)播放太原理工大學(xué)電視臺網(wǎng)站新聞視頻的截圖，截圖通過(guò)運行angstrom嵌入式桌面環(huán)境的GIMP 圖片編輯器抓取�？傮w來(lái)說(shuō)，設計達到了預期目標。主要結論如下：
1）播放器硬件性能穩定、可靠，引導程序正常啟動(dòng)，操作系統運行穩定，圖形用戶(hù)界面友好；
2）播放器支持Flash、MMC/SD 等多種方式引導加載Linux 內核及文件系統；
3）系統支持RJ45、WIFI 輸入，支持觸摸屏，可外接鍵盤(pán)鼠標；
4）嵌入式瀏覽器運行穩定，在網(wǎng)絡(luò )帶寬得到保證時(shí)能流暢在線(xiàn)播放視頻。音視頻插件能夠支持多種音視頻格式，音頻格式主要有AAC、MP3 等，視頻格式主要有MPEG2/4、AVI 以及H.264。
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參考文獻] (References)
[1] Texas Instruments. "OMAP35x DVEVM Getting Started Guide," [OL].
[2] 王超, 胡晨, 劉新寧等. 嵌入式系統中HTTP 協(xié)議的實(shí)現[J]. 電子器件, 2002, 25(1):93-96.
[3] LinuxToGo. "angstrom Manual," [OL].
[4] 劉巍, 陳蜀宇, 吳曉爍. 基于嵌入式Li nux 的媒體播放插件實(shí)現[J]. 計算機系統應用, 2012, 18（4）:127-130.
[5] Texas Instruments. "Davinci Multimedia Application Interface," [OL]. Availabe:
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