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基于 ARM9 和 Linux 的嵌入式小区智能娱乐点播系统设计

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摘
要
本项目实现了一款基于 ARM Linux 操作系统和 Qt/Embedded 图形系统的嵌入式视
频点播系统。该系统提供美观、友好的图形用户界面。用户可方便地进行播放、停止、
暂停、选曲等操作。mplayer 播放器输出的音频视频品质优良。
VOD 是 Video On Demand 的缩写，即视频点播的意思。顾名思义，它是一种可以
按用户需要点播节目的交互式视频系统，或者更广义一点讲，它可以为用户提供各种交
互式信息服务。交互式视频点播系统一般由 VOD 前端处理系统、传输网络、用户机顶
盒三个部分组成。
交互式 VOD 集互联网、多媒体、通讯等多种技术于一体，向用户提供包括数字电
视在内的多种交互式服务的崭新技术。
本设计将研究目标定位是设计一个GEC2440+液晶屏的视频点播系统。采用的硬
件环境为国内外广泛使用的 ARM9 处理器 S3C2440，操作系统采用的是嵌入式 Linux 家
族中的 ARM Linux。

目 录
1 绪论 ......................................................................................................................................6
1.1 嵌入式系统概述.........................................................................................................6
1.3 项目内容和实现关键部分说明 .................................................................................7

2 系统总体设计 ......................................................................................................................8
2.1 系统概述.....................................................................................................................8
2.2 服务器端设计.............................................................................................................9
2.2.1 FTP 服务器 ......................................................................................................9
2.2.2 目录服务器 ......................................................................................................9
2.3 客户端设计框架.........................................................................................................9
2.4 ARM 微处理器...........................................................................................................9
2.4.1 ARM 概述........................................................................................................9
2.4.2 ARM 微处理器的特点 .................................................................................10
2.4.3 ARM 微处理器系列......................................................................................10
2.5 嵌入式操作系统.......................................................................................................11
2.5.1 嵌入式系统软件结构体系 ............................................................................11
2.5.2 嵌入式操作系统简介 ....................................................................................11
2.5.3 Linux 操作系统简介......................................................................................12
2.6 QT/EMBEDDED 用户界面 .........................................................................................14

3 系统硬件设计 ...................................................................................................................16
3.1 嵌入式系统硬件结构 ...............................................................................................16
3.2 GEC2440 结构..........................................................................................................16
3.3 GEC2440 硬件资源..................................................................................................17
3.4 S3C2440 简介 ..........................................................................................................18

4 系统软件设计 ....................................................................................................................19
4.1 搭建嵌入式 LINUX 开发环境...................................................................................19

4.1.1 建立交叉编译工具链 ....................................................................................20
4.1.2 超级终端 ........................................................................................................21
4.1.3 NFS 配置........................................................................................................21
4.2 BOOTLOADER 移植 ...................................................................................................22
4.3 LINUX 内核配置移植................................................................................................24
4.3.1 Linux 内核结构..............................................................................................24
4.3.2 Linux 内核配置..............................................................................................25
4.3.3 Linux 内核编译..............................................................................................27
4.4 根文件系统制作.......................................................................................................28
4.4.1 文件系统结构 ................................................................................................28
4.4.2 常见的嵌入式文件系统简介 ........................................................................29
4.4.3 建立根目录和拷贝动态链接库 ....................................................................30
4.4.4 交叉编译 busybox..........................................................................................30
4.4.5 交叉编译 bash................................................................................................30
4.4.6 建立系统配置文件 ........................................................................................31
4.5 MPLAYER 播放器移植...............................................................................................31
4.6 目录服务器...............................................................................................................32
4.7 人员配备...................................................................................................................32
4.8 开发周期.............................................................................................................32

1 绪论

1.1 嵌入式系统概述

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可以配置，通常对功能、

可靠性、成本、体积、功耗有严格约束的一种专用计算机系统。嵌入式系统所使用的计

算机称为嵌入式计算机。当前先进的嵌入式系统，通常由嵌入式微处理器、外围硬件设

备、嵌入式操作系统以及嵌入式应用程序四个部分组成，实现对其它设备的控制、监视、

管理等功能。在物理结构和外观上，可根据具体应用的特点，以箱体、单板、单片或者

分布结点等形式嵌埋于应用系统或者设备中。狭义而言，人们一般将深埋在宿主设备中

的、使用者不可见的微处理器系统，称为嵌入式系统，常见的单片机系统就是一种典型

的初级嵌入式系统。广义而言，若计算机作为某种技术过程的核心处理环节，直接与外

界自然的接口和互动，按照环境事件的节拍主动、协调地做出响应，则我们可以认为该

计算机被"嵌入"到这个具体的技术过程中，称为一种嵌入式计算机。包含嵌入式计算

机，实现这种技术过程的系统，就可以看作为嵌入式系统。在大系统中，嵌入式计算机

不一定是可见的。从计算机的工作模式来说，绝大多数嵌入式系统中的计算机运行于一

种实时计算的模式。德国工业标准 DIN44330 将实时计算模式定义为"实时计算模式是

一种计算机系统的操作模式。在这种模式下，处理从外部输入的数据的程序总是就绪的。

所以，可以在可以预测的时间内得到希望的结果；外部数据到达的时间可以是随机分布，

也可以是预先决定的，具体情况由不同应用决定"。实时性是一般嵌入式应用的内在要

求。根据应用所强调的属性的不同，可以将这种计算机基于 ARM Linux 和 Qt/Embedded

的嵌入式视频点播系统的研究和实现应用系统，称为嵌入式系统、实时系统或者嵌入式

实时系统。嵌入式计算机系统广泛地应用于办公自动化、消费、通信、汽车、工业和军

事领域。典型应用包括：过程控制、网络通信、智能仪器、消费电子、计算机外设以及

军事电子等。

与通用计算机系统相比，嵌入式计算机系统具有以下的特点：

（ 1）及时响应：嵌入式系统是某种技术过程的核心处理环节，必须满足技术过程

中的处理时间限制的要求。

（ 2）并发处理：现实应用中，嵌入式系统需要实时处理的外部事件通常都不是单

一的。这些事件是随机发生的，并且可能同时出现。因此，嵌入式处理具有分布和并发

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的特点。

（ 3）专用紧凑：由于嵌入式设备的用途固定、成本敏感，软硬件资源够用即可。

因此，在体积、功耗和配置等方面有明显的约束。

（ 4）健壮可靠：嵌入式产品的使用人员多为非计算机专业人员，且使用环境可能

不固定，往往条件恶劣。因此，健壮性和可靠性也是嵌入式系统的必要条件。

（ 5）多样性：嵌入式系统应用广泛、形式多样。

（ 6）技术密集：嵌入式系统通常是计算机技术、微电子技术和具体应用行业技术

结合的产物。因此，它必然是一个技术密集、需要不断创新的知识集成系统。

（ 7）开发困难：嵌入式系统本身不具备自举开发的功能。设计完成以后，用户也

[1]
不能对其中的程序功能进行修改。嵌入式系统开发通常需要一套专门的工具和环境 。

1.3 项目内容和实现关键部分说明

根据目前国内外对嵌入式的研究和开发，结合实际的实验条件，本项目使用硬件平

台广东省嵌入式软件公共技术中心开发的 GEC2440 开发板作为目标机，使用安装

Windows XP 的 PC 机作为宿主机，并在宿主机 Windows 平台上安装了一个虚拟机软件，

虚拟机里安装的是 Red Hat EnterpriseLinux 4 作为开发环境。主要实现工作包括:在宿主

机上安装交叉编译工具，建立交叉编译环境，配置 NFS、超级终端以建立嵌入式软件平

台。针对项目需求实现对驱动程序的完善和移植，制作适合此开发板的根文件系统。
7

2 系统总体设计

2.1 系统概述

交互式网络 VOD 构架如图 2.1 所示：
Mplayer 播放器
网络点播

连接
ftp 服务器
播放
Vod 客户端

启动

客户端
返回影片信息

索取影片信息
目录服务器
服务器
图 2.1 交互式 VOD

共有四个部分组成：

（ 1）ftp 服务器，主要提供片源服务，流媒体服务，这里我们选择 Serv-U 服务器软

件。此软件为一个 ftp 服务器软件！可将本机的指定文件夹对外提供 ftp 服务。

（ 2）目录服务器软件，主要提供服务器上各个影片信息，主要包括片名，演员表，

内容简介，影片大小以及完成片名和影片实际地址的转换。应与 ftp 服务器为同一台机

器。

（ 3）VOD 客户端，主要采用 QTE 图形界面，用来显示服务器上的影片列表，和

影片信息，取得各影片的实际地址。调用播放器播放影片。

（ 4）Mplayer 播放器，由 VOD 客户端调用，播放影片。
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2.2 服务器端设计

2.2.1 FTP 服务器

本设计网络服务器的 FTP 服务器，采用的 FTP 服务器软件为 Serv-U，Serv-U 是一

种被广泛运用的 FTP 服务器端软件，支持 9x/ME/NT/2K 等全 Windows 系列。它设置

简单，功能强大，性能稳定。FTP 服务器用户通过它用 FTP 协议能在 internet 上共享

文件。它并不是简单地提供文件的下载，还为用户的系统安全提供了相当全面的保护。

2.2.2 目录服务器

由于 FTP 服务器采用的软件是基于 Windows 操作系统的，而目录服务器和 FTP 服

务器必须为同一个 IP 地址。

2.3 客户端设计框架

GEC2440原型系统体系结构如图 2.2：

应用程序
播放器
浏览器
QPE 桌面环境

C 库+QT 库
内核
驱动程序
底层硬件
图 2.2 机顶盒原型系统体系结构

2.4 ARM 微处理器

本设计选用的底层硬件为基于 ARM9 的硬件构架。现对 ARM 做简单介绍。

2.4.1 ARM 概述

ARM(Advanced RISC Machines)，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对

一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。

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，

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本身不直接从事芯片生产，靠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 微处理器核，根据各自不同的应用领域，

加入适当的外围电路，从而形成自己的 ARM 微处理器芯片进入市场。目前，全世界有

几十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。

目前，采用 ARM 技术知识产权(IP)核的微处理器，即我们通常所说的 ARM 微处理

器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市

场，基于 ARM 技术的微处理器的应用大约占据了 32 位 RISC 微处理器 75%以上的市场

[2]
份额，ARM 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面 。

2.4.2 ARM 微处理器的特点

采用 RISC 架构的 ARM 微处理器一般具有如下特点:

（ 1）体积小、低功耗、低成本、高性能;

（ 2）支持 Thumb(16 位)/ARM(32 位)双指令集，能很好的兼容 8 位/16 位器件;

（ 3）大量使用寄存器，指令执行速度更快;

（ 4）大多数数据操作都在寄存器中完成;

（ 5）寻址方式灵活简单，执行效率高;

（ 6）指令长度固定。

基于这一系列优点，ARM 处理器适用于多种领域，比如嵌入式控制、消费/教育类

多媒体、DSP 和移动式应用等。

2.4.3 ARM 微处理器系列

ARM 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于 ARM 体系结构的处理

器。除了具有 ARM 体系结构的共同特点以外，每一个系列的 ARM 微处理器都有各自

的特点和应用领域。

（ 1）ARM7 系列

（ 2）ARM9 系列

本文所用的 ATMEL 公司的 AT91RM920T 即属于该系列的处理器。

（ 3）ARM9E 系列

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（ 4）ARM10E 系列

（ 5）SecurCore 系列

（ 6）Intel 的 Xscale 处理器

（ 7）Intel 的 StrongARM

2.5 嵌入式操作系统

2.5.1 嵌入式系统软件结构体系

现代嵌入式系统软件结构可以分为四个层次：设备驱动、操作系统、应用中间件和

应用程序，如图 2.3 所示。

应用程序

API（应用程序接口）

嵌入式操作系统
基本部分
电源管理

OS Core
文件系统

GUI 管理器
扩展部分

TCP/IP

浏览器

数据库
WAP

HTTP
DDI（设备驱动接口）

CPU 等外围硬件设备
图 2.3 嵌入式系统软件结构体系

2.5.2 嵌入式操作系统简介

嵌入式操作系统(Embedded Operating System，EOS)，是操作系统的一种，是在传统

操作系统基础上加入符合嵌入式应用的元素发展而来，它负责嵌入式系统的全部软、硬

件资源的分配、调度、控制和协调。嵌入式操作系统必须体现它所在系统的特征，能够

通过加载或卸载某些模块来达到系统所要求的功能。

嵌入式操作系统除了具备一般操作系统最基本的功能(如任务调度、同步机制、中
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断处理、文件处理等)外，还有以下的特点:

（ 1）强稳定性。

（ 2）较强的实时性:嵌入式操作系统一般实时性较强，可用于各种设备的控制中。

（ 3）可伸缩性:开放、可伸缩的体系结构。

（ 4）外设接口的统一性:提供各种设备驱动接口。

目前国际上用于信息电器的嵌入式操作系统有 40 种左右。国内常见的嵌入式操作

系统有 Linux、uClinux、WindowsCE、VxWorks、QNX、eCos、PalmOS、Symbian、uC/OS-

Ⅱ等。

其中嵌入式 Linux 和 WindowsCE 都是从台式机的操作系统演变而来。而 VxWorks、

QNX、eCos，、PalmOS、和 Symbian 等则是专门根据嵌入式系统应用需求设计的操作系

统。

嵌入式操作系统又可按实时性要求分为两大类:

（ 1）实时操作系统(Real-Time Operating System，RTOS):是指操作系统本身要能在

一个固定时限内对程序调用(或外部事件)做出正确的反应，也就是对时序与稳定性的要

求十分严格。目前较为知名的实时操作系统有 VxWorks、Nucleus Plus、OS/9、VRTX、

RT-Linux、BlueCat RT 等。

（ 2）通用性操作系统:也叫非实时性操作系统，这类操作系统在执行性能和反应速

度方面，比起实时操作系统没有那么严格。目前较知名的通用型操作系统有 Windows

[2]
CE、Palm OS、TimeSys Linux/GPL 和 BlueCat Linux 等等 。

2.5.3 Linux 操作系统简介

Linux 是一种类 UNIX 操作系统。兼容 POSIX 1003.1 标准，并包含了 UNIX System

V 和 BSD 4.3 的大部分特征。它充分体现了操作系统的方展趋势，即开放、稳定、标准。

Linux 具有如下的特征：

(1)真正的多用户、多任务操作系统。

(2)符合 POSIX（可移植操作系统接口）标准。

(3)采用页式存储管理。

(4)支持动态链接库。

(5)提供具有内置安全措施的分层文件系统。

(6)提供 Shell 命令解释程序和编程语言。
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(7)提供强大的管理功能，包括远程管理功能。

(8)提供内核编程接口。

(9)具备图形用户接口。

(10)具备大量的实用程序和通信、联网工具。

(11)大量高级程序设计语言已经被移植到 Linux 系统上，因此它是理想的应用程序

[3]
开发平台 。

Linux 作为桌面操作系统的应用正在不断增长。而在服务器市场，Linux 已经可以同

各种传统的商业操作系统分庭抗礼，占据了相当大的市场份额。同时，在嵌入式领域

[4]
Linux 的应用也得到的飞速的发展，这与 Linux 本身的优良特性 密不可分：

（ 1）开放源码，丰富的软件资源。Linux 遵循 GPL，保障用户可以免费获得内核源

代码。由于嵌入式系统千差万别，往往需要针对具体应用修改和优化系统，此时能否获

得源代码就至关重要。Linux 上的软件资源十分丰富。在 Linux 上开发应用程序可以借

鉴已有的类似的自由软件，可以节省开发的工作量，缩短开发时间。

（ 2）功能强大的内核，性能高效、稳定、多任务。并且 Linux 的内核小巧灵活，

易于裁减。使得 Linux 适合嵌入式系统的应用。

（ 3）支持多种体系结构：X86、ARM、MIPS、SPARC 等。目前，Linux 已经被移

植到数十种硬件平台之上。几乎所有流行的 CPU，Linux 都支持。

（ 4）完善的网络通信、图形和文件管理机制。Linux 本身就是 Internet 的产物，网

络是 Linux 的强项。另外，Linux 支持 ext2、fat16、fat32、romfs 等多种文件系统。在图

形系统方面，Linux 上既有成熟的 XWindow，也有 Qt/Embedded、MiniGUI 等嵌入式图

形系统。

（ 5）支持大量的周边硬件设备，驱动程序资源丰富。Linux 上的驱动已经非常丰富，

支持各种主流硬件设备和最新的硬件技术。并且随着 Linux 的广泛应用，许多芯片厂商

已经开始提供针对 Linux 的驱动程序。

（ 6）易于针对具体应用定制。Linux 内核与用户界面完全独立，各部分的第 3 章嵌

入式系统与嵌入式 Linux 可定制性都很强，能适合多种需求，特别是硬件资源有限的嵌

入式系统。

目前，世界上许多大学、研究机构和知名公司都加入到嵌入式 Linux 的开发工作中，

较成熟的嵌入式 Linux 版本不断涌现，如 RT-Linux、Embedix、XLinux、uClinux 以及本

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研究中使用的、运行在 ARM 平台上的 ARM Linux。

2.6 Qt/Embedded 用户界面

当前嵌入式 Linux 在手机、PDA 等手持信息设备领域的应用十分广泛。各种手持设

[15]
备是否拥有图形用户界面 (GUI)己经成为其人机交互技术的关键体现，所以一个十分

友好的图形用户界面(GUI)是必不可少的。嵌入式 GUI 是嵌入式系统广泛应用的人机交

互接口。嵌入式系统有限的硬件资源要求嵌入式 GUI 必须简单、直观、可靠、占用资源

小且反应快速。由于嵌入式系统硬件本身的多样性，嵌入式 GUI 应具备高度可移植性与

可裁减性。

一个具备良好移植性的嵌入式 GUI 系统，其底层接口应该在很大程度上隐藏具体硬

件的实现细节，抽象出以 GAL 与 IAL 层。GAL 层完成系统对具体的显示硬件设备的操

作，为程序开发人员提供统一的图形编程接口。IAL 层则需要实现对于各类不同输入设

备的控制操作，提供统一的调用接口。一个典型的嵌入式 GUI 系统结构如图 2.4 所示。
应用程序编程接口（API）

嵌入式 GUI 实现
GAL 层

图形显示设备
IAL 层

输入设备
图 2.4 嵌入式 GUI 系统结构

Qt/Embedded 是著名的 Qt 库开发商 Trolltech 公司开发的面向嵌入式系统的 Qt 版本。

因为 Qt 是 KDE 等项目使用的 GUI 支持库，许多基于 Qt 的 X Window 程序因此可以非

常方便地移植到 Qt/Embedded 上。Qt/Embedded 采用 framebuffer(帧缓冲)作为底层图形

接口。同时，将外部输入设备抽象为 keyboard 和 mouse 输入事件。Qt/Embedded 的应用

程序可以直接写内核缓冲帧，这避免开发者使用繁琐的 XLIB/Server 系统。QT/Embedded

和 QT/X 的对比见图 2.5。
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QT 应用程序（如 Qtopia）

QT 应用程序接口(API)

QT/X11
QT/Embedded 库
QT/XLIB

XWindows server
帧缓冲（frambuffer）

Linux 内核
图 2.5 QT/Embedded 和 QT/X 的对比

Qt/Embedded 类完全采用 C++封装。丰富的控件资源和较好的可移植性是

Qt/Embedded 最为优秀的一方面。它的类库接口完全兼容于同版本的 Qt-X11,使用 X

Window 下的开发工具可以直接开发基于 Qt/Embedded 的应用程序 GUI 界面。
15

3 系统硬件设计

3.1 嵌入式系统硬件结构

如图 3.1 所示，嵌入式系统的硬件部分可以分成三层：核心处理器、外围电路和外部设备。

外围电路
调试接口
时钟管理
模块
CPU
电源模块

晶振电路

复位电路

扩展端口
中断控制
器
定时器

DMA 控
制器
CPU 核心
I/O 端口
SRAM

DRAM

Flash

ROM
A/D
USB
LCD
键盘
外部设备

IRDA
触摸屏
Others
图 3.1 嵌入式系统硬件结构

核心处理器（CPU core）是嵌入式系统的核心部件，负责控制整个嵌入式系统的运作。

外围电路包括嵌入式系统的内存、I/O 端口、复位和电源电路、对外设的接口电路等。随

着，微电子技术的发展，许多常用的接口电路已经被集成到核心处理器中。

外部设备：嵌入式系统与真实环境交互的各种设备，包括存储设备（如 Flash Card）、I/O

设备（如键盘、鼠标、LCD 等）和打印设备（打印机、扫描仪等）。

实际中，嵌入式设备的硬件配置非常灵活。除了 CPU 和基本的外围电路，其余部分都可以

根据不用应用进行裁减。

3.2 GEC2440 结构

本文使用硬件平台广东省嵌入式软件公共技术中心开发的 GEC2440 开发板作为硬件平台，

GEC2440 是模仿广为流行的三星 smdk2410 开发板而设计的低价位开发板，下面对 GEC2440

做一些简单介绍。
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DM8900
USB 接口
9 针串口
DC/DC
电源模
块
以太网 PHY
USB 发送器
RS232 驱动器
扩展接口
CPU
S3C2410 微处理器
SDRAM
64MB
HY57V561620
LCD 接口
内部总线
通用 IO 口
FLASH
64MB
K9F1208
A/D 和 D/A 数据采样，数字口
图 3.2 GEC2440 开发板结构图

GEC2440 的设计结构框架如图 3.2 所示。图中，虚线框所包含的模块组成核心电路，虚线
框以外的模块组成接口。以 ARM920T 为内核的三星 SC32