基于嵌入式ARM-Linux的电子相册设计

学士学位毕业设计（论文）

基于嵌入式ARM-Linux的电子相册设计

学生姓名：

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专业：

中国·

2013年05月

本科毕业设计（论文）任务书

注：1．任务书由指导教师填写后交给学生，要求学生妥善保存。

2．此任务书夹于论文扉页与论文一并装订，作为论文评分依据之。

摘要

随着数码相机的盛行，传统相机逐渐退出历史的舞台。对于数码相片的欣赏和摆设，人们一般只能通过PC机，极其不方便。电子相册正是迎合这种需求，它体积小，能随时更换相片，并具有USB传输功能，能够即插即用，拥有较大的存储空间。本设计采用了比较通用的S3C2410系列处理芯片为主芯片和源代码开放的嵌入linux操作系统共同建立的平台设计了电子相册系统，主要实现的功能有对多种格式相片在640*480LCD触摸屏上以幻灯形式播放、USB读取等功能。该设计具有成本低，功能强大等特点。针对nandflash 启动的支持，实现了启动引导程序U-BOOT的修改和移植，以及嵌入式linux 内核的裁剪和驱动的修改，包括nandflash分区、LCD驱动修改等；在软件开发的同时，我们根据该项目设计需求，完成了电路原理图和PCB版图的设计。

关键词：S3C2410；nandflash；LCD触摸屏；linux

ABSTRACT

ABSTRACT

With the prevalence of digital camera, traditional camera gradually withdraw from the stage of history. For digital photo appreciation and decoration, people generally only through the PC machine, is not very convenient. Electronic photo album is to meet this demand, it is small in size, can be replaced at any time and photo, with USB transmission function, can plug and play, has a larger storage space. This design uses the joint establishment of embedded operating system of linux series S3C2410 chip as the main chip, and open source general platform design of electronic album system, the main function of a variety of photos in the 640*480LCD touch screen in the slide show broadcast, USB read functions. The design has the advantages of low cost, powerful features. The nandflash startup support, realize the bootloader of the modification and transplantation of

U-BOOT, and the embedded Linux kernel cutting and drive modifications, including nandflash partition, LCD driver modification; in software development and at the same time, we according to the design requirements of the project, completed the design of the circuit principle diagram and PCB layout.

Key words: S3C2410; Nandflash; LCD touch screen; Linux

目录

摘要................................................... I ABSTRACT .............................................. II 目录................................................. III 前言.................................................. IV 1 绪论. (1)

1.1电子相册市场成长的必然性 (1)

1.2电子相册未来产品的发展 (1)

1.2.1 数码相框 (1)

1.2.2 电子相册 (1)

1.3目前市场上流行三种系统设计架构 (2)

1.3.1 单芯片解决方案 (2)

1.3.2以DSP+FPGA等硬件为基础，用软件算法实现功能 (2)

1.3.3 ARM9核心方案 (2)

2 硬件设计方案 (3)

2.1采用此硬件方案的优势 (4)

2.2采用L INUX操作系统的优势 (4)

2.3硬件的设计方案 (5)

2.3.1 S3C2410简介 (5)

2.3.2 SDRAM存储接口电路 (6)

2.3.3 NANDFLASH存储电路 (7)

2.3.4 电源模块 (9)

2.3.5 USB 电路模块 (9)

2.3.6 LCD电路模块 (10)

2.4小结 (12)

3 LINUX系统的建立 (13)

3.1L INUX的启动过程 (13)

3.2启动代码和B OOT L OADER (15)

3.3U-BOOT的简介 (17)

3.4U-BOOT的移植和修改步骤 (19)

3.4.1 U-BOOT由Nand Flash启动概述 (19)

3.4.2 U-BOOT基本配置移植步骤 (19)

3.4.3 U-BOOT对Nand Flash命令的支持 (20)

3.4.4启动代码的移植 (20)

3.4.5 Nand Flash环境参数的设置 (21)

3.5L INUX内核移植 (21)

3.5.1 LCD驱动分析和修改 (22)

3.5.2 配置图形 (22)

3.6文件系统的创建 (22)

3.6.1创建根文件系统 (23)

3.6.2 yaffs文件系统的移植 (23)

3.7嵌入式图形用户界面系统概述 (23)

3.7.1 图形用户界面（GUI）系统简介 (23)

3.7.2 嵌入式图形用户界面简介 (24)

3.7.3 Qt/Embedded简介 (24)

3.8Q T/E MBEDDED核心技术 (25)

3.8.1 信号与槽 (25)

3.8.2 对象模型 (25)

3.8.3 国际化 (26)

3.8.4 Frame Buffer (27)

3.8.5 Qt/Embedded工具 (28)

3.8.6 Qt/Embedded的移植 (29)

3.9小结 (29)

4 基于嵌入式的电子相册应用程序设计 (29)

4.1图片播放模块 (29)

4.1.1 程序实现功能及说明 (29)

4.1.2 关键代码实现 (31)

4.2移动设备读取模块 (32)

4.2.1 程序实现功能及说明 (32)

4.2.2 关键代码实现 (33)

4.3设置模块 (34)

4.3.1程序实现功能及说明 (34)

4.3.2 关键代码实现 (35)

4.4小结 (36)

结论 (1)

参考文献 (1)

致谢 (1)

附录Ⅰ (1)

附录Ⅱ (1)

前言

随着数码相机的大量普及和人们对多媒体娱乐播放的需求，各种记忆卡越来越多地被运用于存放数码照片和多媒体文件。不同用户的计算机中存满各种照片，连桌上相框中照片的更换频率也提高了。先输出照片，然后更换到相框中，这样的程序比较烦琐，常常要通过计算机才能将相片进行显示与分享。对数码相片进行便捷的显示、分享、编辑、删除、打印等操作逐渐成为市场的需求。电子相框，数码伴侣等概念型产品逐渐出现在数码市场，电子相册也由概念型产品进入市场已有六、七年。

目前，电子相册产品主要应用于礼品市场，其真正的目标用户却是非常广泛的，并且它的最终消费人群应该是以家庭为主的普通消费者，其应用的领域将更广阔。国内也有厂家很早就注意到这类产品的良好的发展趋势，例如曾作为NHJMP4中国地区总代理的北京中电金捷数码科技有限公司，就及时地推出了自有品牌的金捷电子相册，并且以出众的外观设计和良好的口碑效应，以及亲民的价格赢得了市场的青睐。

1 绪论

1.1 电子相册市场成长的必然性

（1）市场需求的必然性

在上世纪末本世纪初，电子相册呈现迅速发展的势头，普及型数码相机的分辨率由200万象素增长到现在的800—1500万象素，价格也由300美元左右下降到现在的120美元左右。随着数码相机的日益普及，作为一种以数字照片的保存、回放和浏览为核心功能的产品——电子相册自然迎合了消费者的需求。（2）核心器件性能和价格的合理化推动市场的发展

电子相册有三大核心器件：处理器，半导体存储器和LCD显示单元。随着ARM的不断发展，电子相册所需要的ARM+Jpeg处理器技术已为许多厂商所拥有，集成了USB Host及卡接口单元的产品也屡见不鲜。Nandflash技术飞速发展，单位容量的价格在过去的六年中约下跌40至50倍。

1.2电子相册未来产品的发展

1.2.1 数码相框

数码相框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。由于受到人机界面的限制，为更方便地重显和浏览以及确定重显的规则，这类产品不强调有大容量的内存以及丰富的卡接口。主要特征是：（1）USB 接口以便更新和同步数据；

（2）在某些情况下（如从PC端通过相框的USB接口同步数据时），允许修改数字照片的格式，使其有最佳的重显效果；

（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。

1.2.2 电子相册

电子相册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相同的类似功能，这类产品的主要特征是：

（1）有大容量的内置数据存储器；

（2）USB 等各种卡接口，并支持内部存贮器与各种数据存贮器之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）；与其他产品的功能结合的产品形态以及大头贴等产品，用于不在本文所包含的范围内。

1.3 目前市场上流行三种系统设计架构

1.3.1 单芯片解决方案

以单芯片的解决方案，以ESS/AMLOGIC/MPX等芯片设计为代表，PHILIP/Sony等品牌厂商也以该方式为主。

该方案的优点：

（1）结构简单，成本低，芯片功能强大；

（2）多媒体的编解码速度快。

该方案的缺点：

（1）可扩展的余地不足；

（2）对读卡部分，某些方案使用硬件实现，不能支持新类型的卡；

（3）应客户要求的二次开发比较不方便。

1.3.2 以DSP+FPGA等硬件为基础，用软件算法实现功能

这种方案，是以DSP来实现多媒体部分的编解码算法，再由FPGA实现显示输出格式的算法转化；读卡部分，文件系统部分由DSP软件处理，外围设备大的驱动由DSP的软件算法实现。

这种方案的优点：

功能扩展升级性强，软件实现读卡部分，新的类型卡，外围设备可以通过升级方式实现。

这种方案的缺点：

（1）整体成本比较大；

（2）客户二次开发难度大。DSP和FPGA的算法实现需要专业人员；

（3）显示输出由FPGA实现，该类输出大部分是数字的输出，模拟输出支持比较弱。

1.3.3 ARM9核心方案

以ARM9等强大的CPU为核心，以WINCE、LINUX等操作系统为软件核心

架构系统。此方案以ARM如S3C2410、Intel xscale等强大的嵌入式CPU为架构，速度在200M-300MHZ。嵌入WINCE、LINUX等操作系统，实现多媒体的编解码。

该方案的优点：

（1）系统芯片功能强大，实现的功能多，对于新的多媒体格式支持好，只需要安装更新的软件；

（2）硬件电路简单；

（3）二次开发容易实现。

该方案的缺点：

（1）成本较大，该类强大的CPU一般使用在PDA等嵌入式领域；

（2）比较耗电，使用软件解码功耗与频率相关性很大。

2 硬件设计方案

本设计选用的是第三种方案：以ARM9CPU_S3C2410为核心，以Linux操作系统为软件核心架构。

基于ARM的微处理器具有低功耗、低成本、高性能等特点，ARM采用RISC （精简指令集计算机）架构和流水线结构，使用了大量的寄存器，具有极高的工作效率。其中，RISC架构具有如下特点：固定长度的指令格式，指令归整、简单，基本寻址方式只有2~3种，使用单周期指令，便于流水线操作。

ARM微处理器按性能分为以下系列：ARM7，ARM9，ARM9E，ARM10E，SecureCore Xscale。ARM支持两种类型的指令集：一种是32位的ARM指令，以字对准保存；另一种是16位的Thumb指令，半字对准保存。

ARM具有7种工作状态：

USR：正常的程序执行状态

FIQ：用于高速数据传输或通道处理

IRQ：用于通用的中断处理

SVC：操作系统使用的保护模式

ABT：用于虚拟存储及存储保护

UND：当出现未定义指令终止时进入该模式

SYS：运行具有特权的操作系统任务

在ARM体系中有一个重要的概念——异常：当正常的程序执行流程发生暂时的停止时就叫做异常，例如处理一个外部的中断请求。在处理异常之前，当前的处理器状态必须被保留，当异常处理完后，异常发生前的程序可以继续执行。处理器允许多个异常同时发生，它们将会按固定的优先级进行处理。

ARM支持的异常类型有：

复位：复位电平有效时，产生复位异常；

未定义指令：遇到不能处理的指令时，产生未定义指令异常；

软件中断：执行SWI指令产生，用于用户模式下的程序调用特权操作指令；

指令预取中止：处理器预取指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问，产生指令预取中止异常；

数据中止：处理器数据访问指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问时，产生数据中止异常；

中断服务请求：外部中断请求有效，且CPSR中的1位为0时，产生IRQ异常；

快速中断请求：快速中断请求引脚有效，且CPSR中的F位为0时，产生FIQ 异常。

2.1 采用此硬件方案的优势

如上所述：

（1）系统芯片功能强大，实现的功能多，对于新的多媒体格式支持性好，只需要安装更新的软件；

（2）硬件电路简单，可采用标准电路，不需耗费过多的资源（人力，资金等）；（3）可以在硬件上增加模块，留作二次开发使用，极为方便；

（4）S3C2410是一个比较成熟的芯片，技术积累齐全；

（5）S3C2410支持丰富的存储卡接口。

2.2 采用Linux操作系统的优势

Linux是一种自由和开放源码的类Unix操作系统。目前存在着许多不同的Linux,但它们都使用了Linux内核。Linux可安装在各种计算机硬件设备中，从手机、平板电脑、路由器和视频游戏控制台，到台式计算机、大型机和超级计算机。Linux是一个领先的操作系统，世界上运算最快的10台超级计算机运行的都是Linux操作系统。严格来讲，Linux这个词本身只表示Linux内核，但实际上人们已经习惯了用Linux来形容整个基于Linux内核，并且使用GNU 工程各种工具和数据库的操作系统。

Linux是我国软件的国策，尤其是在IT行业，庞大的使用群体、开放的体系和丰富资源使得Linux将是日后普及和推广的重点。Linux的优越性日益凸显Linux将是我们学习和工作实用的首选。

目前，很多网络技术、服务器、网络设备都是基于Linux操作系统，并且在不少时尚的手机、PDA、媒体播放器等消费类电子产品中已经广泛使用Linux 作为操作系统。

在Linux软件国策的指引下，Linux已经得到很大的普及。很多学生已经自发地通过书籍、互联网等资源学习Linux。

综上所述，提高技术水平就是以市场流行需求为导向进行研发，特别是像嵌入式种工程类的技术。在条件允许的情况下，我们甚至应该时刻与国际接轨，掌握当前最领先的技术。

2.3 硬件的设计方案

根据前面所提出的系统方案，本课题所研究的系统应该包括以下功能：支持USB接口存储设备的读写；支持常用格式图片的浏览（jpg、Bmp、gif等）；支持彩色LCD屏，图形化界面显示。

2.3.1 S3C2410简介

Samsung 公司推出的16/32位RISC处理器S3C2410A,为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。S3C2410为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。采用272脚FPGA封装，内含一个ARM920T内核。为了降低系统成

本,S3C2410A 提供了以下丰富的片内外围。

ARM9-S3C2410处理器，ARM920T核由ARM9TDMI、存储管理单元，MMU 和高速缓存三部分组成。其中MMU可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的

16KB地址和16KB数据高速Cache组成。ARM92T0有两个内部协处理器：CP14和CP15。CP14用于调试控制CP15用于存储系统控制以及测试控制。总的资源如下：

?内核工作电压为1.2V，内存工作电压兼容1.8V/2.5V/3.3V，外围I/O口使用3.3V，集成16KB的指令缓存和16KB的数据缓存，带MMU（Memory Management Unit），支持SRAM和SDRAM等内存。

?LCD控制器接口（最高支持4K色的STN和256K色的TFT）

?4通道DMA控制器

?3通道UART

?2通道SPI接口

?IIC总线接口

?IIS音频编解码数据接口

?AC97音频接口

?MMC/SD存储卡接口

?2通道USB传输接口和1个复用的USB设备接口

?4通道PWM（脉宽调制）定时器和1个看门狗定时器

?8通道10位ADC和一个触控屏接口

?实时时钟

?130个GPIO口和24通道外部中断源接口

?片上PLL时钟发生锁相环

总的方案图如图2.1：

图2.1 硬件系统框图

2.3.2 SDRAM存储接口电路

SDRAM:同步动态随机存储器，同步是指Memory工作需要同步时钟，内部的命令的发送与数据的传输都以它为基准；动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失；随机是指数据不是线性依次存储，而是自由指定地址进行数据读写。SDRAM从发展到现在已经经历了四代，分别是：第一代SDR SDRAM，第二代DDR SDRAM，第三代DDR2 SDRAM，第四代DDR3 SDRAM.(显卡上的DDR已经发展到DDR5) 第一代SDRAM采用单端（Single-Ended）时钟信号,第二代、第三代与第四代由于工作频率比较快，所以采用可降低干扰的差分时钟信号作为同步时钟。

SDRAM之所以成为DRARM就是因为它要不断进行刷新（Refresh）才能保留住数据，因此它是DRAM最重要的操作。那么要隔多长时间重复一次刷新，目前公认的标准是，存储体中电容的数据有效保存期上限是64ms（毫秒，1/1000秒），也就是说每一行刷新的循环周期是64ms。这样刷新速度就是：行数量

/64ms。我们在看内存规格时，经常会看到4096 Refresh Cycles/64ms或8192 Refresh Cycles/64ms的标识，这里的4096与8192就代表这个芯片中每个Bank的行数。刷新命令一次对一行有效，发送间隔也是随总行数而变化，4096行时为15.625μs（微秒，1/1000毫秒），8192行时就为7.8125μs。HY57V561620为8192 refresh cycles / 64ms。

本设计采用32M的HY57V56162来设计SDRAM存储电路，它的单片内存规格为256Mbit 4M*16bit*4 Banks，即容量为32MB的16位SDRAM。使用S3C2410的nGCS6片选信号HY57V56162的数据总线与上S3C2410的低16位相连。操作地址的最小值变为0x00000004，所以将S3C2410的ADDR2-ADDR14顺序与HY57V56162的A0-A12相连。为了能够正确访问HY57V56162高/低位字节数据，又将HY57V56162的LDQM和UDQM分别与nBE0：nWBE0：DQM0和nBE1：nWBE1:DQM1相连, HY57V56162的BA0、BA1是SDRAM内部BANK选择地址线,代表着SDRAM内存的最高地址,因为两片HY57V56162组成了64M的内存,也就是说要26根地址线来实现寻址,所以将BA0、BA1分别与S3C2410的ADDR24和ADDR25引脚相连。原理图如图2.2所示:

态大容量内存的实现提供了廉价有效的解决方案。Nand-flash存储器具有容量较大，改写速度快等优点，适用于大量数据的存储，因而在业界得到了越来越广泛的应用，如嵌入式产品中包括数码相机、MP3随身听记忆卡、体积小巧的U盘等。NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。Intel于1988

年首先开发出NOR flash 技术，彻底改变了原先由EPROM 和EEPROM 一统天下的局面。紧接着，1989年，东芝公司发表了NAND flash 结构，强调降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。但是经过了十多年之后，仍然有相当多的硬件工程师分不清NOR 和NAND 闪存。许多业内人士也搞不清楚NAND 闪存技术相对于NOR 技术的优越之处，因为大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码，这时NOR 闪存更适合一些。而NAND 则是高数据存储密度的理想解决方案。

NAND flash 的单元尺寸几乎是NOR 器件的一半，由于生产过程更为简单，NAND 结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就相应地降低了价格。NandFlash 读和写操作采用512字节的块，这一点有点像硬盘管理此类操作，很自然地，基于NAND 的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。NOR flash 占据了容量为1～16MB 闪存市场的大部分，而NAND flash 只是用在8～128M B 的产品当中，这也说明NOR 主要应用在代码存 储介质中，NAND 适合于数据存储，NAND 在CompactFlash 、Secure Digital 、PC Cards 和M MC 存储卡市场上所占份额最大。

当前NORFLASH 价格比较昂贵，考虑到成本问题，本设计采用了64M 的K9F1208U0B Nand Flash 作为介质存储电路，将K9F1208U0B 的I/O[0-7]与上S3C2410的数据总线DATA[0-7]相连，实现数据的读写。S3C2410中Nand Flash 控制器的R/nB 与K9F1208U0B 的R/nB 相连，可以检查nFCE/GPA22、nFRE/GPA20、nFWE/GPA19分别与K9F1208U0B 的CLE 、nCE 、nRE 、new 是否相连。分别可以控制K9F1208U0B 的地址锁存使能、命令锁存使能、片选使能、读使能和写使能。

原理图如图2.3所示：

CLE 16ALE 17WE 18WP 19I/O0

29

I/O130I/O231I/O332VSS 13VC C 12I/O441I/O542I/O643I/O7

44VC C

37

R/B 7RE 8CE 9VSS 36

SE 6U2

K9F2808

LDATA0

LDATA1LDATA2LDATA3LDATA4LDATA5LDATA6LDATA7VDD33

C16CAP

RrB n RCE CLE ALE n PWE n PR E

种摆放形式：一种是四个边各有一个灯管，但缺点是中间会出现黑影，解决的方法就是由上到下四个灯管平排列的方式，最后一种是U型的摆放形式，其实是两灯变相产生的两根灯管。六灯管设计实际使用的是三根灯管，将三根灯管都弯成U型，然后平行放置，以达到六根灯管的效果。

图2.6和图2.7是S3C2410X芯片内部集成的LCD控制器的外部管脚图和内部方框图，其中内部的寄存器作用如下：

REGBANK有17个可编程寄存器组和256*16的调色板存储器，用来设定LCD控制器。

LCDCDMA是一个专用DMA，自动从帧存储器传输视频数据到LCD控制器，用这个特殊的DMA，视频数据可不经过CPU干涉就显示在屏幕上。

VIDPRCS接受从LCDCDMA来的视频数据，并在将其改变到合适数据格式后，经VD[23:0]将之送到LCD驱动器，如4/8单扫描或4双扫描显示模式。

图2.6 S3C2410 LCD控制器外部管脚图

TIMEGEN 由可编程逻辑组成，以支持不同LCD驱动器的接口时序和速率的不同要求。TIMEGEN产生VFRAME、VLINE、VCLK、VM信号等。数据流描述如下:FIFO存储器位于LCDCDMA。当FIFO空或部分空时，LCDCDMA要求从基于突发传输模式的帧存储器中获取数据，存入要显示的图像数据，而这个帧存储器是LCD控制器在RAM中开辟的一片缓冲区。当这个传输请求被存储控制器中的总线仲裁器接收到后，从系统存储器到内部FIFO就会成功传输4个字。