基于PXA270平臺(tái)的嵌入式流媒體播放器設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞： PXA270 , 播放器 , 流媒體 , 嵌入式 , 設(shè)計(jì)

隨著車載導(dǎo)航系統(tǒng)的飛速發(fā)展，具有視頻播放能力的車載終端逐漸成為新的熱點(diǎn)。本文根據(jù)這一需求設(shè)計(jì)了一種嵌入式流媒體播放器，方案基于Intel PXA270 的硬件平臺(tái)及嵌入式Linux 的軟件平臺(tái)，采用無(wú)線上網(wǎng)方式，可支持ASF、RM 格式的流文件解壓，能夠播放常見的MP1、MP2、MP3、WAV 音頻和先進(jìn)的MPEG- 4 視頻，并可通過(guò)軟件升級(jí)加入對(duì)其它格式的支持。

播放器概述

近兩年來(lái)，車載導(dǎo)航系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)悄然興起，據(jù)專家預(yù)測(cè)，中國(guó)車載市場(chǎng)在啟動(dòng)初期需求約為55 萬(wàn)臺(tái)，折合人民幣約27.6 億。而從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，規(guī)模將達(dá)到千億元人民幣。但是，當(dāng)前車載終端的視頻播放能力大多比較薄弱，能夠支持MPEG-4等新式編碼格式的只有少數(shù)廠家。而且由于嵌入式系統(tǒng)獨(dú)有的特點(diǎn)，車載產(chǎn)品存儲(chǔ)空間一般都很小，只有流式文件邊下載邊播放的特性才能滿足車載終端上音、視頻的播放要求，實(shí)時(shí)的為車主播放刷新的信息。本產(chǎn)品是基于I P 網(wǎng)絡(luò)的嵌入式流媒體播放器，不但可以支持MPEG- 4 和主流的流媒體格式，而且可以通過(guò)軟件升級(jí)支持未來(lái)的媒體格式。

播放器的底層開發(fā)環(huán)境

播放器的硬件環(huán)境包括：Intel PXA270開發(fā)平臺(tái)Sophia (簡(jiǎn)稱sophia 板) 和支持802.11a、USB接口的10Mb/s無(wú)線網(wǎng)卡。sophia 板以Intel 公司的嵌入式處理器PXA270 為核心，伴以2700G 多媒體加速芯片實(shí)現(xiàn)視頻加速與3D加速，系統(tǒng)的硬件模塊如圖1所示：網(wǎng)絡(luò)控制模塊將從網(wǎng)卡讀出的數(shù)據(jù)送入PXA270 和Intel 2700G模塊處理，解壓后的數(shù)據(jù)在LCD或RGB顯示器上播放。

播放器的模塊劃分

sophia板使用的嵌入式Linux內(nèi)核是由基于linux-2.4.20內(nèi)核的MontaVista linux編譯而成，文件系統(tǒng)是針對(duì)Flash 無(wú)緩沖機(jī)制的jffs2 文件系統(tǒng)。同時(shí)，sophia 板的開發(fā)商還提供了BSP、中間件等大量的軟、硬件資源，其中通信接口中的網(wǎng)絡(luò)控制模塊、解碼模塊和播放器模塊是系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵。整個(gè)系統(tǒng)的模塊劃分如圖2 所示：Bootloader 在硬件物理層之上進(jìn)行最底層的引導(dǎo)，它屬于板級(jí)支持包BSP 的一部分。BSP負(fù)責(zé)直接和底層的硬件設(shè)備建立聯(lián)系，同時(shí)，它也可以包含某些驅(qū)動(dòng)。不過(guò)，在sophia 的軟件系統(tǒng)模塊中，網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)是作為嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核的模塊之一動(dòng)態(tài)加載的。嵌入式中間件位于操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的中間環(huán)節(jié)，提供了到程序模塊、組件庫(kù)的聯(lián)接，系統(tǒng)的解碼模塊和播放器模塊都是在它之上開發(fā)的。

模塊的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可以被分為以下幾個(gè)步驟：

1) 嵌入式Linux 內(nèi)核的移植和編譯、文件系統(tǒng)的安裝；

2) 視頻圖像解壓縮模塊的實(shí)現(xiàn)；

3) 播放模塊的實(shí)現(xiàn)；

嵌入式Linux 內(nèi)核的移植和文件系統(tǒng)、圖形界面系統(tǒng)的安裝

工作在sophia 板上的嵌入式Linux 內(nèi)核對(duì)boot-loader、內(nèi)核、文件系統(tǒng)的加載步驟和交叉編譯環(huán)境的建立方法與其它嵌入式平臺(tái)的開發(fā)步驟相似具有一定的通用性，具體的建立方法可以參考文獻(xiàn)。但是有兩點(diǎn)要注意：

1) 在使用make menuconfig定制內(nèi)核時(shí)要讓內(nèi)核支持無(wú)線網(wǎng)卡，具體步驟是在USB Support 配置菜單中選擇USB network devices，再于子菜單中選擇wireless，使得在內(nèi)核中加入對(duì)USB 無(wú)線網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)支持。

2) 在圖形界面系統(tǒng)的編譯與安裝中注意建立工程后，要將選項(xiàng)中的gettext 選項(xiàng)勾掉，否則程序無(wú)法順利編譯。

視頻圖像解壓模塊的實(shí)現(xiàn)

由網(wǎng)絡(luò)控制模塊獲取的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中是以流數(shù)據(jù)的形式存在的，因此，首先要對(duì)流式文件進(jìn)行解壓。同時(shí)，為了提高傳輸效率從而提高視頻圖像質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)脑家曨l圖像都進(jìn)行了壓縮編碼，所以，還需要根據(jù)編碼格式進(jìn)行相應(yīng)解碼。本系統(tǒng)不但支持常見的MP1、MP2、MP3 和WAV 音頻文件格式，還可以對(duì)先進(jìn)的MPEG- 4視頻圖像壓縮編碼文件解壓縮。

流式文件的解壓縮

按照播放器所接入的車載導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)的要求，本方案要為當(dāng)前主流的流文件格式：ASF、RM提供解壓能力。

ASF 文件解壓

ASF文件基本的組織單元叫做ASF 對(duì)象，每個(gè)對(duì)象由三個(gè)域組成：128 位的全球唯一的對(duì)象標(biāo)識(shí)符域、64 位整數(shù)的對(duì)象大小域和可變長(zhǎng)的對(duì)象數(shù)據(jù)域。ASF 文件的高層邏輯結(jié)構(gòu)也包含三部分：頭對(duì)象、數(shù)據(jù)對(duì)象和索引對(duì)象。其中頭對(duì)象是必需的并且必須放在每一個(gè)ASF 文件的開頭部分，它包含了許多全局信息，一定要在數(shù)據(jù)對(duì)象之前被接收方接收并解釋；數(shù)據(jù)對(duì)象也是必需的，且一般情況下緊跟在頭對(duì)象之后，包含了所有待播放的數(shù)據(jù)；索引對(duì)象是可選的。

RM文件解壓

組成RM文件的基本部件是塊，每個(gè)塊包括三個(gè)字段：指明塊標(biāo)識(shí)符的四字符編碼、塊中限定數(shù)據(jù)大小的32 位數(shù)值和數(shù)據(jù)塊部分。塊標(biāo)識(shí)符用來(lái)唯一的標(biāo)識(shí)每一個(gè)塊。同樣地，RM文件的高層邏輯結(jié)構(gòu)也由三部分組成：文件報(bào)頭部分、文件數(shù)據(jù)部分和文件索引部分。因?yàn)镽ealMedia 文件格式是一種加標(biāo)志的文件格式，塊的順序沒有明確規(guī)定，但RealMedia 文件報(bào)頭必須是文件的第一個(gè)塊。

MPEG- 4 視頻圖像的解壓

在幾種開放源代碼的MPEG- 4 解碼軟件中，作者選擇xvidcore 作為系統(tǒng)中視頻圖像解壓模塊的核心算法。xvid 是一個(gè)高效且可移植的編碼軟件，系統(tǒng)采用的是目前最新的版本xvidcore- 1.1.0。xvid 支持SimpleProfile 和Advanced Profile，支持I/P Frames、B -Frames、Interlacing 和GMC，是目前比較流行的MPEG- 4 編碼軟件。對(duì)xvidcore- 1.0.1 進(jìn)行交叉編譯有以下主要步驟：

1) 解壓縮xvidcore 源代碼tar- zxvf xvidcore- 1.1.0.tar；

2)設(shè)置環(huán)境變量export xvidcore= “the path of xvidcore”；

3)生成makefile ./configure- - host=localhost- - build=arm- linux- gcc；

4) 編譯源代碼make；make install；

將交叉編譯生成的庫(kù)文件libxvidcore.so.* 拷貝到交叉編譯器工作目錄的./local/lib 子目錄中，該庫(kù)文件為系統(tǒng)的其它模塊提供了編程接口。

解碼格式的可擴(kuò)展性

播放器支持的文件格式越多，其生命力也就越強(qiáng)大，PXA270 嵌入式處理器加上2700G 多媒體加速芯片的搭配方案為媒體播放提供了強(qiáng)大的硬件支持，通過(guò)軟件升級(jí)，理論上可以支持任何媒體格式。本方案的做法是：在播放器中實(shí)現(xiàn)一個(gè)索引表類，將來(lái)根據(jù)需要新添加的編碼格式作為獨(dú)立的類注冊(cè)到索引表中?；趌inux 的c++解碼類源代碼可以由網(wǎng)上開放源碼的解碼器網(wǎng)站下載，系統(tǒng)中的MP1，MP2，MP3 和WAV 的解碼就是采用這種方法實(shí)現(xiàn)的。

播放模塊實(shí)現(xiàn)

文件的輸入

在播放器系統(tǒng)中，文件的來(lái)源有兩種：由網(wǎng)卡讀入存儲(chǔ)器后播放或通過(guò)其它數(shù)據(jù)傳輸途徑寫入存儲(chǔ)器，在存儲(chǔ)器中直接播放。sophia 板提供了網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)模塊，可以使用命令modprobe usbcore 和modprobe usbwlnc動(dòng)態(tài)加載，為數(shù)據(jù)從網(wǎng)卡經(jīng)由操作系統(tǒng)到達(dá)播放進(jìn)程提供一個(gè)全雙工的通道。數(shù)據(jù)的處理由播放器中的stream input 類來(lái)實(shí)現(xiàn)。

流媒體協(xié)議

實(shí)現(xiàn)流式傳輸有兩種方法：實(shí)時(shí)流式傳輸和順序流式傳輸，系統(tǒng)使用的是實(shí)時(shí)流式傳輸，需要標(biāo)準(zhǔn)化的流媒體協(xié)議來(lái)保證客戶機(jī)和專用的流媒體服務(wù)器之間進(jìn)行通信。根據(jù)流媒體協(xié)議的功能可以分為兩類：

基本網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

為媒體傳輸提供基本的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支持，由于TCP需要較多的開銷，不太適合傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在流式傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方案中，采用RTSP/TCP 來(lái)傳輸控制信息，而用RTP/UDP 來(lái)傳輸實(shí)時(shí)聲音、圖像數(shù)據(jù)。

傳輸協(xié)議

傳輸協(xié)議包括RTP、RTCP、RTSP 和RSVP，RTP和RTCP 控制端到端網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸，RTSP 提供話路控制的功能，RSVP 是可選的，它為播放進(jìn)程在網(wǎng)上預(yù)先申請(qǐng)一部分網(wǎng)絡(luò)資源（ 即帶寬），能在一定程度上為流媒體在Internet 上的傳輸提供特殊服務(wù)質(zhì)量QoS。為流媒體設(shè)計(jì)的協(xié)議棧如圖3 所示：從UDP/TCP層得到的數(shù)據(jù)包處理后得到打包的RTP 數(shù)據(jù)流，通過(guò)RTP/RTCP/RTSP 層分離出定時(shí)和同步信息以及包的序列號(hào)，將讀出的流文件交給ASF 和RM解碼模塊。

媒體的播放

播放器以自由軟件mplayer 為藍(lán)本，處理流程如圖4所示：

1) 如果數(shù)據(jù)是從網(wǎng)卡獲得的，調(diào)用stream input模塊進(jìn)行處理。Stream input 模塊根據(jù)流媒體協(xié)議，使用socket 和多媒體服務(wù)器進(jìn)行通信，輸入的流數(shù)據(jù)放入緩沖池中并根據(jù)流文件的格式對(duì)它進(jìn)行ASF 或RM解壓縮；

2) 解壓后的文件根據(jù)文件的類型查找索引表調(diào)用不同的解碼類將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一種統(tǒng)一的中間格式raw，生成相應(yīng)的file，由播放器main 函數(shù)播放。如果文件已保存在存儲(chǔ)器中，可以跳過(guò)第一步，直接執(zhí)行第二步流程。

小結(jié)

本文提出了一種基于Intel PXA270 嵌入式微處理器和嵌入式Linux 的流媒體播放器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，特有的索引表結(jié)構(gòu)使得播放器可以通過(guò)軟件升級(jí)增加新的編碼格式，純軟件的實(shí)現(xiàn)方式大大縮減了研發(fā)周期。經(jīng)測(cè)試，在帶寬50Kb/s～100Kb/s、緩存256k 的條件下，系統(tǒng)對(duì)CIF(352288) 視頻格式、QCIF(176144)視頻格式和音頻格式的文件播放失幀率在5%以下，播放流暢，滿足了目前車載終端中嵌入式流視頻播放的要求。