基于DM6446的Windows CE顯示驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

摘 要： DM6446是一款有著豐富外設(shè)資源和強(qiáng)大計(jì)算能力的多媒體處理芯片，一般需要通過(guò)操作系統(tǒng)對(duì)其復(fù)雜資源進(jìn)行有效管理。由于多數(shù)多媒體應(yīng)用需要有圖形界面，但現(xiàn)有平臺(tái)操作系統(tǒng)Linux 其內(nèi)核和圖形界面是分離的，需要另外移植，相比之下WINCE本身自帶了較為優(yōu)秀的圖形界面，只需對(duì)其進(jìn)行顯示驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)就能擁有一個(gè)優(yōu)秀的圖形界面。詳細(xì)闡述了WINCE顯示驅(qū)動(dòng)原理和在DM6446上的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)啟動(dòng)后WINCE圖形界面運(yùn)行穩(wěn)定，表明驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)良好。

　　作為一款多媒體處理芯片，TI公司推出的DM6446 采用ARM+DSP 的雙內(nèi)核架構(gòu)，有著豐富的外設(shè)資源和強(qiáng)大的計(jì)算能力，因此一般通過(guò)操作系統(tǒng)對(duì)其復(fù)雜資源進(jìn)行有效管理。DM6446現(xiàn)有平臺(tái)操作系統(tǒng)主要基于嵌入式linux 系統(tǒng)，但同時(shí)也有支持其他主流嵌入式操作系統(tǒng)的能力。

　　由于多媒體應(yīng)用常常需要有圖形界面，而現(xiàn)有平臺(tái)操作系統(tǒng)Linux其內(nèi)核和圖形界面是分離的，需要進(jìn)行另外移植，相比之下Windows CE本身自帶了較為優(yōu)秀的圖形界面，只需對(duì)其進(jìn)行顯示驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)就能擁有一個(gè)優(yōu)秀的圖形界面。因此選擇在DM6446進(jìn)行其他系統(tǒng)的移植開(kāi)發(fā)無(wú)疑能使該平臺(tái)程序開(kāi)發(fā)具有更多的選擇余地和更高的性價(jià)比。

　　Windows CE是Microsoft公司專(zhuān)門(mén)針對(duì)嵌入式產(chǎn)品領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)，具有圖形用戶界面出色、多任務(wù)處理能力、可裁剪性和可移植性、應(yīng)用軟件支持豐富、實(shí)時(shí)性良好等特點(diǎn)。本文選用的Windows CE版本為Windows CE.NET 5.0,以下簡(jiǎn)稱(chēng)為WINCE.

　　1 DM6446芯片及其顯示模塊介紹

　　1.1 DM6446芯片簡(jiǎn)介

　　DM6446 芯片，如下圖1所示，由ARM子系統(tǒng)、DSP子系統(tǒng)、VICP協(xié)處理器、視頻處理子系統(tǒng)和眾多的芯片外設(shè)組成。其中ARM 核用作整個(gè)系統(tǒng)的控制功能，DSP 子系統(tǒng)用于復(fù)雜的數(shù)據(jù)和圖像處理功能，視頻處理子系統(tǒng)用于和圖像輸入和輸出。這些模塊的聯(lián)系通過(guò)中心資源交換通道（Switch CentralResources,SCR） 進(jìn)行管理。

圖1 DM6446 芯片總體架構(gòu)

　　1.2 芯片顯示模塊功能介紹

　　DM6446 顯示模塊又稱(chēng)為視頻處理后端（VPBE,Video Processing Back End），為芯片視頻處理子系統(tǒng)的一部分。VPBE 總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。由圖2 可以看出，VPBE主要由1 個(gè)OSD （On Screen Display）引擎和1 個(gè)視頻編碼器（VENC,Video ENCoder）組成。OSD引擎可以處理2個(gè)獨(dú)立的視頻窗口和兩個(gè)獨(dú)立的OSD窗口，VENC視頻編碼器則能提供四路視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，工作頻率高達(dá)54MHz,兼容NTSC/PAL制式視頻和S-Video.

圖2 DM6446 顯示模塊總體架構(gòu)。

　　DM6446 視頻編碼器還能夠向RGB888 的顯示設(shè)備提供24 bit的數(shù)字視頻輸出接口，支持8/16為的BT.656 輸出和垂直/水平同步分離的CCIR.601.

　　OSD 模塊的視頻信號(hào)在輸出之前會(huì)經(jīng)過(guò)合成然后送到VENC最終轉(zhuǎn)變成YCbCr格式輸出。視頻數(shù)據(jù)是建立在外部存儲(chǔ)器DDR2的，并直接送到顯示設(shè)備作顯示。從DAC出來(lái)就可以通過(guò)RCA端子接上LCD液晶電視。更詳細(xì)的硬件說(shuō)明可參考TI 的官方數(shù)據(jù)手冊(cè)TMS320DM644x DMSoC Video Processing BackEnd （VPBE） User‘s Guide.pdf.

2 WINCE驅(qū)動(dòng)架構(gòu)分析

　　將WINCE 移植到DM6446 上面除了需要進(jìn)行OAL層的代碼和源碼配置文件的編寫(xiě)以外，還需進(jìn)行大量的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)。

　　2.1 WINCE驅(qū)動(dòng)原理

　　設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序作為一個(gè)抽象物理設(shè)備或虛擬設(shè)備的功能程序，它管理設(shè)備的操作，并將設(shè)備的功能導(dǎo)出給應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)。因此用戶程序訪問(wèn)這些硬件設(shè)備只需要通過(guò)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序提供的接口函數(shù)。

　　WINCE 的所有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都是以用戶態(tài)下動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（Dynamic Linkable Library,DLL）文件形式存在的。像所有的Windows DLL一樣，DLL是無(wú)法單獨(dú)被加載和運(yùn)行的。如果要運(yùn)行DLL 中的代碼，必須有一個(gè)EXE 進(jìn)程首先把該 DLL 加載到自己的地址空間內(nèi)，然后才可以執(zhí)行DLL 中的代碼。WINCE 下的驅(qū)動(dòng)程序也必須被其他EXE加載。

　　2.2 WINCE驅(qū)動(dòng)分類(lèi)

　　基于WINCE的驅(qū)動(dòng)程序有兩種模型：本地設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（Native Device Driver） 和流接口驅(qū)動(dòng)（ Streams Device Driver） 程序。本機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序適用于集成到WINCE平臺(tái)的設(shè)備，總是在WINCE的平臺(tái)啟動(dòng)時(shí)被加載；流接口驅(qū)動(dòng)程序也稱(chēng)為可安裝的驅(qū)動(dòng)程序，它們使用流接口驅(qū)動(dòng)并借助于文件系統(tǒng)調(diào)用（如Createfile,DeviceIoControl等）從設(shè)備管理器或應(yīng)用程序獲得命令。本文討論的顯示驅(qū)動(dòng)屬于本地設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

　　而從驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方式來(lái)區(qū)分，無(wú)論流接口驅(qū)動(dòng)還是本地驅(qū)動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，都可以采用兩種實(shí)現(xiàn)方式：?jiǎn)误w結(jié)構(gòu)方式和分層結(jié)構(gòu)方式，它們都向上提供DDI （Device Driver Interface）調(diào)用，供其他模塊或應(yīng)用程序調(diào)用。無(wú)論采用哪種結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)程序都必須與其控制設(shè)備的DDI 相一致。DDI是與WINCE 系統(tǒng)的接口，流接口設(shè)備的DDI 都是流接口函數(shù)。

　　3 顯示驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

　　3.1 顯示驅(qū)動(dòng)的加載管理

圖3 WINCE顯示驅(qū)動(dòng)主體架構(gòu)示意圖。

　　WINCE下的驅(qū)動(dòng)程序必須被其他EXE加載，顯示驅(qū)動(dòng)也不例外。WINCE 顯示驅(qū)動(dòng)在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)由GWES.exe 加載和管理，并駐留在GWES 的進(jìn)程地址空間內(nèi)。如圖3 所示，GWES 子系統(tǒng)，由GDI 和DirectDraw兩部分組成，為運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序提供圖形功能的系統(tǒng)調(diào)用，例如CreateDC,ReleaseDC等等。GWES加載顯示驅(qū)動(dòng)的具體過(guò)程如下：GWES啟動(dòng)時(shí)將去訪問(wèn)候選顯示設(shè)備列表（該列表在注冊(cè)表HKEY_LOCAL_MACHINESystemGDIDisplayCandidates下面），看看是否有驅(qū)動(dòng)程序已經(jīng)在本機(jī)上實(shí)例化，如果有的話GWES 會(huì)使用它找到的第一個(gè)已經(jīng)實(shí)例化的驅(qū)動(dòng)；如果驅(qū)動(dòng)程序沒(méi)有在本機(jī)上實(shí)例話或者找不到合適的驅(qū)動(dòng)程序，接下來(lái)GWES嘗試加載Ddi.dll.默認(rèn)情況下加載的是Ddi.dll,但如果存在KEY_LOCAL_MACHINESystemGDIDriversDisplay項(xiàng)，GWES會(huì)加載此注冊(cè)表項(xiàng)所指定的顯示驅(qū)動(dòng)。[!--empirenews.page--]

　　3.2 顯示驅(qū)動(dòng)主要組成部分

　　WINCE 的顯示驅(qū)動(dòng)程序如圖3 所示，由DDI（Display Device Interface） 和HAL（Hardware Abstraction Layer）兩部分組成。

　　HAL 主要為DirectDraw 服務(wù)，只需要在驅(qū)動(dòng)中向GDI 導(dǎo)出HALinit（）即可，因此本文研究的重點(diǎn)是DDI 部分，即通常的顯示驅(qū)動(dòng)部分。由于在顯示中存在大量硬件無(wú)關(guān)操作，顯示驅(qū)動(dòng)通常采用分層結(jié)構(gòu)，采用分層結(jié)構(gòu)有助于降低代碼復(fù)雜度提高代碼效率，其中MDD 層實(shí)現(xiàn)缺省的繪圖功能，由微軟提供的圖形原語(yǔ)引擎模塊（GPE , GraphicsPrimitive Engine）組成，如果要支持Directdraw,則要使用DDGPE模塊；而PDD層與硬件具體相關(guān)，則是顯示驅(qū)動(dòng)的主要內(nèi)容，一般由OEM 廠商或獨(dú)立硬件商實(shí)現(xiàn)。

　　WINCE 上層程序通過(guò)一組（約20 多個(gè)）顯示驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)同顯示驅(qū)動(dòng)打交道，因此顯示設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序必須實(shí)現(xiàn)這些顯示驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)，GDI 通過(guò)調(diào)用這組函數(shù)初始化顯示設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和將圖形輸出到顯示設(shè)備上。由于采用分層結(jié)構(gòu)，顯示驅(qū)動(dòng)由MDD 層負(fù)責(zé)對(duì)上層的GWES模塊提供函數(shù)接口，但是這些函數(shù)并不是直接提供出來(lái)的，實(shí)際上只是通過(guò)一個(gè)DrvEnabLEDriver（ ）函數(shù)來(lái)完成的。作為DDI部分的一個(gè)導(dǎo)出函數(shù)，DrvEnableDriver會(huì)在GDI初始化時(shí)被調(diào)用。

　　DrvEnableDriver 在MDD 層中沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，所以需要在PDD層中定義，主要代碼如下：

　　BOOL APIENTRY DrvEnableDriver

　?。║LONG engineVersion,ULONG cj,DRVENABLEDATA *data,PENGCALLBACKS engineCallbacks）

　　{

　　BOOL fOk = FALSE;

　　if（gszBaseInstance[0] != 0）

　　{

　　fOk =

　　GPEEnableDriver（engineVersion, cj, data,engineCallbacks）；

　　}

　　return fOk;

　　}

　　這里GPEEnableDriver 是微軟預(yù)先編寫(xiě)的一個(gè)MDD層函數(shù)。該函數(shù)位于源文件ddi_if.cpp里， 因此我們只需簡(jiǎn)單調(diào)用就可以了。

GPEEnableDriver 函數(shù)通過(guò)執(zhí)行語(yǔ)句memcpy（pded, &pDrvFn, cj） 將一個(gè)預(yù)先定義好的DRVENABLEDATA 結(jié)構(gòu)體變量pDrvFn 的地址傳給一個(gè)上層結(jié)構(gòu)體指針pded.而在結(jié)構(gòu)體變量pDrvFn 中預(yù)先已包含了20 多個(gè)底層顯示驅(qū)動(dòng)函數(shù)指針，這樣GWES 就可以通過(guò)這些指針操縱底層顯示硬件了。例如應(yīng)用程序想創(chuàng)建一個(gè)到圖形設(shè)備的連接時(shí)可以通過(guò)GWES.exe 調(diào)用CreateDC（），而該函數(shù)會(huì)調(diào)用DrvEnablePDEV（）函數(shù)，當(dāng)應(yīng)用程序需要從顯示設(shè)備上斷開(kāi)時(shí)則會(huì)調(diào)用DeleteDC（） , DeleteDC（） 則會(huì)調(diào)用DrvDisablePDEV（） .DrvEnablePDEV（） 和DrvDisablePDEV（）就屬于這20 多個(gè)被GWES 調(diào)用的底層顯示驅(qū)動(dòng)函數(shù)。

　　以上這些底層顯示驅(qū)動(dòng)函數(shù)大部分跟硬件密切相關(guān)，因此需要進(jìn)一步調(diào)用PDD層函數(shù)。由于不同的顯示硬件特點(diǎn)都不盡相同，因此勢(shì)必造成PDD層暴露給MDD層的接口函數(shù)各不相同，這樣勢(shì)必會(huì)增加代碼的復(fù)雜性。為此微軟設(shè)計(jì)了一個(gè)GPE類(lèi)，一個(gè)GPE類(lèi)實(shí)例代表一個(gè)顯示設(shè)備硬件，其所有數(shù)據(jù)成員都對(duì)應(yīng)于一個(gè)顯示設(shè)備的屬性數(shù)據(jù)，并設(shè)計(jì)了多個(gè)成員函數(shù)用以操縱這些數(shù)據(jù)成員?？紤]到硬件的多樣性，GPE 類(lèi)的有些函數(shù)并為全部實(shí)現(xiàn)，或?yàn)榭蘸瘮?shù)或者虛函數(shù)，需要其子類(lèi)實(shí)現(xiàn)或者覆蓋。因此不能直接定義GPE類(lèi)型的變量，只能以先構(gòu)造GPE類(lèi)為父類(lèi)的繼承類(lèi)，然后才能定義實(shí)例。

　　MDD 層的底層顯示驅(qū)動(dòng)函數(shù)通過(guò)實(shí)例化一個(gè)GPE 繼承類(lèi)的實(shí)例就可以直接調(diào)用PDD 層代碼了，這一般是通過(guò)SafeGetGPE 函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

　　SafeGetGPE 由微軟設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，位于MDD 層的ddi_if.cpp,一般無(wú)須改動(dòng)。在SafeGetGPE 函數(shù)中調(diào)用了GetGPE 函數(shù)，這個(gè)函數(shù)MDD 層沒(méi)有，需要我們?cè)赑DD 層實(shí)現(xiàn)。GetGPE 函數(shù)可以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)如下：

　　這里代碼利用了C++的多態(tài)性和繼承性。在C++中父類(lèi)或更上一級(jí)的類(lèi)的指針可以引用繼承類(lèi)中相同的變量，并且對(duì)數(shù)據(jù)成員和成員函數(shù)的引用以繼承類(lèi)的實(shí)現(xiàn)或定義優(yōu)先。這樣在MDD 中使用指針gGPE 所指向的數(shù)據(jù)或函數(shù)時(shí)得到的都是類(lèi)DM6446VPBE 的成員變量和成員函數(shù)。由此可以看出GetGPE 函數(shù)是顯示驅(qū)動(dòng)中聯(lián)系MDD和PDD 的橋梁，通過(guò)它MDD 可以直接調(diào)用PDD的代碼。

　　3.3 GPE繼承類(lèi)的實(shí)現(xiàn)

　　通過(guò)上面的分析可以看出，WINCE 的顯示驅(qū)動(dòng)主要部分在于PDD 層，而PDD 層除了向MDD導(dǎo)出一些接口函數(shù)外如DrvEnableDriver,其余主要是構(gòu)建一個(gè)GPE 或是DDGPE 的子類(lèi)（如果要實(shí)現(xiàn)DirectDraw）。由于DDGPE 的父類(lèi)是GPE,因此無(wú)論是DDGPE 還是GPE 的子類(lèi)差別并不大。

　　構(gòu)建一個(gè)GPE 的子類(lèi)其實(shí)就是實(shí)現(xiàn)一個(gè)有具體數(shù)據(jù)和函數(shù)并且具體準(zhǔn)確的反映了特定顯示設(shè)備硬件屬性的GPE 類(lèi)的子類(lèi)，并通過(guò)該子類(lèi)去實(shí)例化一個(gè)對(duì)象。

　　一個(gè)GPE 子類(lèi)通常需要重載GPE 類(lèi)中的同名函數(shù)和實(shí)現(xiàn)GPE中的虛函數(shù)以及子類(lèi)獨(dú)有的一些函數(shù)如初始化構(gòu)造函數(shù)[3].子類(lèi)構(gòu)造函數(shù)主要是初始化硬件和子類(lèi)成員變量，譬如視頻處理時(shí)鐘寄存器設(shè)置，OSD Window 的大小和坐標(biāo)，VENC 的輸出模式，以及子類(lèi)的成員變量如顯示寬度m_nScreenWidth 和顯示高度m_nScreenHeight 等等。子類(lèi)要GPE 類(lèi)中的函數(shù)包括GPE 的空函數(shù)和虛函數(shù)，這些函數(shù)實(shí)際上就是MDD 調(diào)用PDD 層驅(qū)動(dòng)中需要實(shí)現(xiàn)的函數(shù)，主要函數(shù)包括：SetMode（），用于設(shè)置一個(gè)顯示設(shè)備能夠支持的顯示模式；GetPhysicalVideoMemory（），用于獲取顯示設(shè)備內(nèi)存的系統(tǒng)基地址和內(nèi)存大?。?以及AllocSurface（） SetPointerShape（）BltComplete（） SetPalette（）等。這些函數(shù)具體可以參考微軟提供的驅(qū)動(dòng)示例代碼，它們位于Public CommonOAKDriversDisplay 目錄下[ 1].除了這些函數(shù)外PDD 還需實(shí)現(xiàn)一個(gè)MDD 層函數(shù)DrvGetMask,但比較簡(jiǎn)單，只需要定義一個(gè)全局?jǐn)?shù)組gBitMasks,該數(shù)組內(nèi)容是代表RGB 的所占的位域，與具體的顯示硬件有關(guān)。

　　3.4 驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序的通信

　　不同于其他流式驅(qū)動(dòng)可以由應(yīng)用程序直接調(diào)用，顯示驅(qū)動(dòng)由操作系統(tǒng)調(diào)用，應(yīng)用程序不能直接訪問(wèn)。具體來(lái)說(shuō)，應(yīng)用程序不是通過(guò)CreateFile等這些文件系統(tǒng)API接口來(lái)訪問(wèn)，而是通過(guò)GDI接口間接訪問(wèn)。對(duì)于GDI調(diào)用而言，對(duì)應(yīng)的后臺(tái)服務(wù)進(jìn)程是GWES.exe,然后GWES.exe再進(jìn)一步調(diào)用MDD和PDD函數(shù)，即WINCE底層顯示驅(qū)動(dòng)。例如如果要畫(huà)一個(gè)矩形，則可以調(diào)用SetRect、GetDC和FillRect等函數(shù)在圖形界面上面進(jìn)行顯示，而要在圖形界面上輸出一段文字只需調(diào)用DrawText函數(shù)就可以了，至于顯示驅(qū)動(dòng)調(diào)用就可以交給GDI就可以了。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文闡述和分析了DM6446 顯示硬件原理和Windows CE驅(qū)動(dòng)模型，剖析了顯示驅(qū)動(dòng)程序的工作原理和顯示工作流程。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于完整的闡述了WINCE顯示驅(qū)動(dòng)程序在DM6446上的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，而以往WINCE 的顯示驅(qū)動(dòng)都是基于LCD,因此本文對(duì)編寫(xiě)同類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)人員將有一定的參考價(jià)值。WINCE啟動(dòng)運(yùn)行后，圖形界面運(yùn)行穩(wěn)定，并可支持Windows CE下的應(yīng)用軟件運(yùn)行，表明驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)良好。