AM335x渠道在全彩LED显现墙异步控制卡的使用

摘要

全彩LED显现墙异步操控卡以本钱低，会集办理等特色，逐步成为全彩LED显现墙操控卡的干流。AM335x具有丰厚的硬件外设，依据Linux的软件计划，包括GPU Composition模块能供给完好的多图层叠加缩放等功用，非常合适全彩LED显现墙的异步操控卡运用。本文将从硬件和软件两个方面介绍依据AM335x供给的相应解决计划。

1 全彩LED显现墙操控卡简介

全彩LED显现显操控卡依据操控方法，能够分显两大显：同步操控卡和异步操控卡。

1.1 同步操控卡

全彩LED同步显现墙首要由PC，同步操控卡和LED显现模块组三部分组成，其衔接方法如下：

图1 同步操控模块图

同步操控卡将DVI信号转成LED显现模组所需求的视频信号格局，并且用以太网的方法传输给LED显现模组。同步操控卡自身不做视频解码等处理，仅做格局转化。因而，一般选用FPGA完成该功用。

1.2 异步操控卡

全彩LED异步显现墙由异步操控卡和LED显现模组组成，其衔接方法如下：

图2 异步操控卡模块图

由上图，异步操控卡首要由两个大的部分组成：

• 视频处理模块。

在此模块中，SOC从网口得到视频流以及UI的材料，进行视频解码和UI 制作，终究经过LCD接口传送给 FPGA。

• 视频信号转化模块。

在此模块中，FPGA将视频信号转化成LED显现模组所需的信号，并经过网口输出，该功用和同步操控卡的 功用相同。

比照两种计划，可见异步操控卡详细有本钱低，便于会集办理的特色。

2 异步操控卡体系剖析

下面从硬件和软件两个方面剖析其主芯片的体系需求。

2.1 硬件部分

从硬件上看，视频处理模块部分首要由最小体系和外围模块两大部分组成。

• 最小体系

1. 最小体系由主芯片，电源体系，DDR和存储四部分组成。
2. 不同等级的全彩屏对SOC的处理才能有不同要求，详细的要求在软件部分有阐明。

• 外围模块

1. 音频接口，LCD接口。即LED显现墙的根本需求。
2. 网络接口。百兆乃至千兆网口能够有用确保显现内容更新的高效性。
3. USB接口。便于体系升级，以及扩展依据USB各种外设。
4. SD卡/TF卡支撑。便于体系升级以及内容的本地更新。

此外，异步卡一般和LED显现墙一同放置于室外，所以需求可作业在宽温度规模的工业级芯片。

2.2 软件部分

软件部分首要由操作体系和运用软件两大部分组成。

2.2.1 操作体系

在异步操控卡职业中，干流体系挑选了Linux。

2.2.2运用软件

运用软件首要包括三个部分：

• 多媒体部分。

用于对音视频码流的解码。

全彩屏首要分为高端和中低端两个层次：

1. 高端，视频分辨率以及显现分辨率要求在720p分辨率以上。
2. 中低端，视频分辨率以及显现分辨率在640×480以内。

因为LED墙一般显现物理面积大，并且亮度高，所以对视频流的帧率要求较高，要求在每秒25帧以上。因而，关于高端产品，一般需带有视频硬解码模块的主芯片，其价格一般较高；关于低端产品，运用软解码可完成，所以需求运算功用较强的主芯片，本钱优势较好。

• UI 部分。

用于显现字幕，图片等，并处理UI 元素和视频层的叠加。叠加部分。因为触及到通明度，尺度改换等，运 算需求也很大，所以需求主芯片具有相关的硬件加快模块。

• 长途操控部分。

该部分首要完成上位机对各操控卡的长途操控，内容更新等功用。该部分一般经过网络运用层完成，各控 制厂家有自己的协议。

3 AM335x的解决计划

AM335x是TI新近推出的依据ARM Cortex-A8 的SOC，外设丰厚，首要针对工业运用领域。针对异步操控卡运用，TI也供给了依据Linux的解决计划。下面将从硬件和软件两方面别离介绍该计划。

3.1 硬件计划

AM335x具有一个微弱的中心Cortex-A8，该核的运算才能可达2.0DMIPS/MHz, 并且AM335x的主频可到1GHz，即运算总的才能可达2000DMIPS，可流通解码640×480的MPEG4视频流，并且有满足的运算余量制作各种UI。

此外，AM335x还有一个3D图形加快核，SGX530，可支撑OpenGL ES2.0。TI 在OpenGL ES2.0之上供给了相应的软件计划，将SGX530用于视频帧的尺度缩放以及完成对UI 层和视频层的通明叠加的加快，后边软件部分会详细介绍该计划。

一起，AM335x具有丰厚的外设，如下图所示：

图3 AM335x异步操控卡硬件模块图

由上图可见AM335x可彻底包括一切异步操控卡的外设需求，不需求其他扩展。因而，整体本钱具有很强竞争力。

TI的开发板GP EVM（可查阅参阅文档[1]）都能够很便当的进行LED运用的评价和开发，下文中的软件计划是以GP EVM为渠道进行开发的。

3.2 软件计划

软件计划首要分为操作体系和运用软件两大块，详细介绍如下。

3.2.1 操作体系

如前所述，Linux是异步操控卡的干流操作体系，因而，本计划也挑选了Linux作为渠道。AM335x EZSDK供给了Linux的完好开发包，包括板级支撑包，穿插编译器，文件体系等，可查阅参阅文档[2]。

3.2.2 软件模块

• UI

在依据Linux的异步操控卡渠道上，QT以免费，开源，开发材料全以及在嵌入式体系上运转功率高级特 点，已经成为异步操控卡厂商开发UI首要的渠道。在EZSDK中已包括对QT4的移植，可查阅参阅文档[3]。 QT在开源网站上也有很丰厚的资源，可查阅参阅文档[4]。

• 多媒体

在EZSDK中供给Gstreamer+ffmpeg的多媒体解决计划，可查阅参阅文档[5]和参阅Gstreamer文档（参阅文档 [6])。在多媒体中，因为格局比较多，各种编码的复杂度以及编码质量差异较大是一个难点。而在LED显现 墙的运用场景中，多媒体码流可接受转码方法，所以可指定码流的格局。这儿，引荐的多媒体格局 MP4（MPEG4+AAC），其间MPEG4挑选simple profile，对此种码流，若分辨率为640×480，AM335x可流通解 码每秒25帧以上。

• 显现后端

AM335x只要一个功用简略的LCD操控器，该操控器只支撑RGB格局，其在Linux中的驱动为framebuffer，可 查阅参阅文档[7] 。相应的上述两个模块的显现后端也以framebuffer为根底：

1. Gstreamer的后端显现插件选用fbdevsink。因为视频解码后的格局为YUV格局，而AM335x自带的LCD操控器只支撑RGB格局，因而此处可运用Gstreamer的插件ffmpegcolourspace进行色度空间的转化
2. QT 默许以framebuffer为显现后端。

Framebuffer会接纳来自QT和Gstreamer的图画帧数据，然后进行OSD的叠加和缩放等操作，数据流如下图所示：

图4 默许软件计划数据流程图

3.2.3软件复杂度剖析

在图4中，深色模块为运算较密布模块，详细剖析如下：

• Gstreamer的解码和ffmpegcolourspace（CSC plugin）两个模块。ARM虽然有较强的运算才能，但关于较大分辨率的视频解码，视频解码的宏块运算等需较大运算量。别的，色度空间触及浮点运算，并且为逐点运算，所以运算量需求也不小。以640×480分辨率的MP4(MPEG4 simple profile+AAC)为例，若帧率为30fps时，ARM核的loading在91%左右，其间ffmpegcolourspace模块约占运算量的50%。
• Framebuffer模块。在该模块中的OSD叠加指的是UI图层和视频图层之间的叠加，并且是包括带通明度的叠加，而图层的缩放是指对原图等比例的缩放，因而需对每一帧数据的每个像素点进行浮点乘加运算，参阅ffmpegcolourspace的运算量，该部分运算量也应较大。可见，ARM核无法单独担任体系所需的悉数运算。

3.2.4 依据GPU的优化计划–GPU Composition

GPU Composition软件模块，调用SGX530模块进行颜色空间转化，OSD叠加，图层缩放功用，分管A8的运算负载使其专心于QT，视频解码等运用，下面将详细介绍。

• GPU Composition模块的编译和装置。在TI Wiki上有清晰阐明，可查阅参阅文档[8]。
• GPU Composition规划剖析

A.各功用模块

图5 GPU Composition软件模块图

SGX530完成的功用模块标记为深色，详细功用如下：

a. gpuvsink该模块规划为Gstreamer视频显现后端插件，将视频解码器解出的YUV 数据帧，传送给SGX530模块。依照规范的Gstreamer视频显现后端插件规划，可选用规范的显现后端接口编程。关于视频输入的尺度，要求其宽（width）为4个像素点的倍数。其输出视频帧数据这儿可称为Video Plane。

b. linuxfbofs该模块规划为QT架构中的显现后端，将QT的帧数据发送到SGX530模块中处理。linuxfbofs和framebuffer有相同的接口，关于QT运用开发是通明的。其输出界面帧数据为Graphics Plane。

GPU Composition

该模块依据Open GL ES 2.0接口规划，对输入的Video plane和Graphics Plane进行颜色空间转化，图层缩放，OSD叠加等操作，将终究的帧数据推送到Framebuffer中显现。

B. 模块间的数据流

模块间的数据以Plane的方式传递，详细介绍如下：

a. Plane格局

• Video Plane可支撑YUV422，NV12，I420和YUV420 格局帧数据。
• Graphics Plane可支撑RGB565，RGB888和ARGB8888帧数据。
• GPU Composition接纳这些格局的帧数据，并将其转化为RGB格局，进行图层缩放，OSD叠加等操作。

b. Plane的内存分配

SGX530输入内存（Buffer），只支撑物理地址接连的Buffer。因而，在gpuvsink和linuxfbofs中，运用cmem（详细可查阅参阅文档[9]）据此要求分配内存Pool来存储帧数据，需在Linux启动时经过命令行参数 ”mem=”装备预留给Kernel的内存，而剩余的内存便是给cmem所预备，用于分配物理接连的内存。

其巨细的计算公式如下：

Pool size for Graphics Plane = width * height * Bytes Per Pixel

Pool size for Video Plane = video frame width * height * 2 (Bytes Per Pixel) * 8 (buffers)

关于一个Video Plane或许需求多个Buffer，其详细个数界说在

gpu-compositing/gpuvsink/src/gst_render_bridge.

#define PROP_DEF_QUEUE_SIZE 8

c. Pool传递

Graphics Plane和Video Plane以指针的方式将Pool传递给GPU Composition。

C. 模块间的操控流

a. 装备信息数据结构

关于Graphics Plane，经过命名管道“/opt/gpu-

compositing/named_pipes/video_cfg_and_data_plane_X”其装备信息在下面数据结构中

关于此装备信息中，比较重要的有如下几点：

• 关于QT而言，对入的对对参数来自Linux的FB对对，即对LCD屏的对示分辨率。
• 关于通明度（Alpha），Video plane在底部，因而，Graphics Plane决议Video Plane的可对度。Alpha 可分对：大局Alpha，整个Plane运用同一的一个Alpha对；以像素点（Pixel）对对位的Alpha, 即像素的数据格局对ARGB8888，能够在部分对置Alpha。
• 能够通对对置对出的对构体out_g对对对出Plane的对放。

关于Video Plane, 装备信息如下：

此装备结构体中的输入信息，会经过Gstreamer的规范接口，经过前级的Gstreamer Plugin进行装备。如前所述，输入视频帧的宽（width）的像素点数，需为4的倍数；关于输出信息，和Graphics Plane相同，能够经过装备输出数据结构out，完成缩放功用。

b. 命名管道（named pipe）装备信息

上述装备信息，经过存放于文件体系中的命名管道，传递到GPU Composition模块。关于linuxfbofs，命名管道文件为/opt/gpu-compositing/named_pipes/gfx_cfg_plane_X。关于gpuvsink，命名管道文件为/opt/gpu-compositing/named_pipes/video_cfg_and_data_plane_X。

4 计划试验

笔者依据GPU Composition计划，在AM335x EVM板上，开发了Gstreamer和QT运用程序，以验证整个异步LED显现墙计划的功用。

4.1 代码及编译

代码分红两个运用：

• Gstreamer部分，可在参阅文档[10]下载，为一个视频播映器，可循环播映MP4视频
• QT部分，能够在参阅文档[11]下载，包括一个时钟和翻滚字幕。

能够依据参阅文档[8]进行编译。

4.2 代码运转

在AM335x EVM(AM3358 主频为720MHz)上，运转命令行如下：

这儿播映的视频流为mp4格局，其包括有分辨率为640×480的MPEG4 simple profile码流以及AAC音频流。
运转效果图如下：

图6 示例运转效果图

能够从截图中看到，OSD层和视频层的通明度叠加很清楚。

4.3 功用剖析

关于GPU Composition计划的功用进步，能够参阅下面两个截图。

图7中，没有运用GPU Composition计划，CPU除了要做解码，也需求做颜色空间转化，其CPU占用率到达91%。

图8中，运用了GPU分管了视频叠加，颜色空间转化等运算，在整个体系的总运算量显着大于只是Gstreamer播映视频的情况下，ARM核的CPU占用率只是只要58%，仍给运用程序留下运转的空间。更多的示例可查阅参阅文献[8]。

图7 单Cortex-A8软解视频流的体系负载

图8 GPU Composition计划视频播映的体系负载

5 总结

本文首要介绍了依据AM335x的全彩LED显现墙异步操控卡计划，要点介绍了依据GPU 的软件解决计划，在完成LED显现墙所需的视频层和OSD层叠加，缩放等功用的根底上，仍给客户定制的运用程序供给了满足的开发空间。期望该计划能加快客户进行异步操控卡的开发。