摘 要： DM6446是一款有著(zhù)豐富外設資源和強大計算能力的多媒體處理芯片，一般需要通過(guò)操作系統對其復雜資源進(jìn)行有效管理。由于多數多媒體應用需要有圖形界面，但現有平臺操作系統Linux 其內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，只需對其進(jìn)行顯示驅動(dòng)的開(kāi)發(fā)就能擁有一個(gè)優(yōu)秀的圖形界面。詳細闡述了WINCE顯示驅動(dòng)原理和在DM6446上的設計與實(shí)現。系統啟動(dòng)后WINCE圖形界面運行穩定，表明驅動(dòng)程序實(shí)現良好。
作為一款多媒體處理芯片，TI公司推出的DM6446 采用ARM+DSP 的雙內核架構，有著(zhù)豐富的外設資源和強大的計算能力，因此一般通過(guò)操作系統對其復雜資源進(jìn)行有效管理。DM6446現有平臺操作系統主要基于嵌入式linux 系統，但同時(shí)也有支持其他主流嵌入式操作系統的能力。
由于多媒體應用常常需要有圖形界面，而現有平臺操作系統Linux其內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，只需對其進(jìn)行顯示驅動(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)行其他系統的移植開(kāi)發(fā)無(wú)疑能使該平臺程序開(kāi)發(fā)具有更多的選擇余地和更高的性?xún)r(jià)比。
Windows CE是Microsoft公司專(zhuān)門(mén)針對嵌入式產(chǎn)品領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的嵌入式操作系統，具有圖形用戶(hù)界面出色、多任務(wù)處理能力、可裁剪性和可移植性、應用軟件支持豐富、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、DSP子系統、VICP協(xié)處理器、視頻處理子系統和眾多的芯片外設組成。其中ARM 核用作整個(gè)系統的控制功能，DSP 子系統用于復雜的數據和圖像處理功能，視頻處理子系統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
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的一部分。VPBE 總體結構如圖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)獨立的視頻窗口和兩個(gè)獨立的OSD窗口，VENC視頻編碼器則能提供四路視頻數據轉換，工作頻率高達54MHz,兼容NTSC/PAL制式視頻和S-Video.
圖2 DM6446 顯示模塊總體架構。
DM6446 視頻編碼器還能夠向RGB888 的顯示設備提供24 bit的數字視頻輸出接口，支持8/16為的BT.656 輸出和垂直/水平同步分離的CCIR.601.
OSD 模塊的視頻信號在輸出之前會(huì )經(jīng)過(guò)合成然后送到VENC最終轉變成YCbCr格式輸出。視頻數據是建立在外部存儲器DDR2的，并直接送到顯示設備作顯示。從DAC出來(lái)就可以通過(guò)RCA端子接上LCD液晶電視。更詳細的硬件說(shuō)明可參考TI 的官方數據手冊TMS320DM644x DMSoC Video Processing BackEnd （VPBE） User's Guide.pdf.
2 WINCE驅動(dòng)架構分析
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)行大量的設備驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)。
2.1 WINCE驅動(dòng)原理
設備驅動(dòng)程序作為一個(gè)抽象物理設備或虛擬設備的功能程序，它管理設備的操作，并將設備的功能導出給應用程序和操作系統。因此用戶(hù)程序訪(fǎng)問(wèn)這些硬件設備只需要通過(guò)調用驅動(dòng)程序提供的接口函數。
WINCE 的所有設備驅動(dòng)程序都是以用戶(hù)態(tài)下動(dòng)態(tài)鏈接庫（Dynamic Linkable Library,DLL）文件形式存在的。像所有的Windows DLL一樣，DLL是無(wú)法單獨被加載和運行的。如果要運行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，然后才可以執行DLL 中的代碼。WINCE 下的驅動(dòng)程序也必須被其他EXE加載。
2.2 WINCE驅動(dòng)分類(lèi)
基于WINCE的驅動(dòng)程序有兩種模型：本地設備驅動(dòng)程序（Native Device Driver） 和流接口驅動(dòng)（ Streams Device Driver） 程序。本機設備驅動(dòng)程序適用于集成到WINCE平臺的設備，總是在WINCE的平臺啟動(dòng)時(shí)被加載；流接口驅動(dòng)程序也稱(chēng)為可安裝的驅動(dòng)程序，它們使用流接口驅動(dòng)并借助于文件系統調用（如Createfile,DeviceIoControl等）從設備管理器或應用程序獲得命令。本文討論的顯示驅動(dòng)屬于本地設備驅動(dòng)程序。
而從驅動(dòng)實(shí)現方式來(lái)區分，無(wú)論流接口驅動(dòng)還是本地驅動(dòng)設備驅動(dòng)，都可以采用兩種實(shí)現方式：?jiǎn)误w結構方式和分層結構方式，它們都向上提供DDI （Device Driver Interface）調用，供其他模塊或應用程序調用。無(wú)論采用哪種結構，驅動(dòng)程序都必須與其控制設備的DDI 相一致。DDI是與WINCE 系統的接口，流接口設備的DDI 都是流接口函數。
3 顯示驅動(dòng)的實(shí)現
3.1 顯示驅動(dòng)的加載管理
圖3 WINCE顯示驅動(dòng)主體架構示意圖。
WINCE下的驅動(dòng)程序必須被其他EXE加載，顯示驅動(dòng)也不例外。WINCE 顯示驅動(dòng)在系統啟動(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。如圖3 所示，GWES 子系統，由GDI 和DirectDraw兩部分組成，為運行在操作系統之上的應用程序提供圖形功能的系統調用，例如CreateDC,ReleaseDC等等。GWES加載顯示驅動(dòng)的具體過(guò)程如下：GWES啟動(dòng)時(shí)將去訪(fǎng)問(wèn)候選顯示設備列表（該列表在注冊表HKEY_LOCAL_MACHINESystemGDIDisplayCandidates下面），看看是否有驅動(dòng)程序已經(jīng)在本機上實(shí)例化，如果有的話(huà)GWES 會(huì )使用它找到的第一個(gè)已經(jīng)實(shí)例化的驅動(dòng)；如果驅動(dòng)程序沒(méi)有在本機上實(shí)例話(huà)或者找不到合適的驅動(dòng)程序，接下來(lái)GWES嘗試加載Ddi.dll.默認情況下加載的是Ddi.dll,但如果存在KEY_LOCAL_MACHINESystemGDIDriversDisplay項，GWES會(huì )加載此注冊表項所指定的顯示驅動(dòng)。
3.2 顯示驅動(dòng)主要組成部分
WINCE 的顯示驅動(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)，只需要在驅動(dòng)中向GDI 導出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，顯示驅動(dòng)通常采用分層結構，采用分層結構有助于降低代碼復雜度提高代碼效率，其中MDD 層實(shí)現缺省的繪圖功能，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)，則是顯示驅動(dòng)的主要內容，一般由OEM 廠(chǎng)商或獨立硬件商實(shí)現。
WINCE 上層程序通過(guò)一組（約20 多個(gè)）顯示驅動(dòng)接口函數同顯示驅動(dòng)打交道，因此顯示設備驅動(dòng)程序必須實(shí)現這些顯示驅動(dòng)接口函數，GDI 通過(guò)調用這組函數初始化顯示設備驅動(dòng)程序和將圖形輸出到顯示設備上。由于采用分層結構，顯示驅動(dòng)由MDD 層負責對上層的GWES模塊提供函數接口，但是這些函數并不是直接提供出來(lái)的，實(shí)際上只是通過(guò)一個(gè)DrvEnabLEDriver（ ）函數來(lái)完成的。作為DDI部分的一個(gè)導出函數，DrvEnableDriver會(huì )在GDI初始化時(shí)被調用。
DrvEnableDriver 在MDD 層中沒(méi)有實(shí)現，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 是微軟預先編寫(xiě)的一個(gè)MDD層函數。該函數位于源文件ddi_if.cpp里， 因此我們只需簡(jiǎn)單調用就可以了。
GPEEnableDriver 函數通過(guò)執行語(yǔ)句memcpy（pded, &pDrvFn, cj） 將一個(gè)預先定義好的DRVENABLEDATA 結構體變量pDrvFn 的地址傳給一個(gè)上層結構體指針pded.而在結構體變量pDrvFn 中預先已包含了20 多個(gè)底層顯示驅動(dòng)函數指針，這樣GWES 就可以通過(guò)這些指針操縱底層顯示硬件了。例如應用程序想創(chuàng )建一個(gè)到圖形設備的連接時(shí)可以通過(guò)GWES.exe 調用CreateDC（），而該函數會(huì )調用DrvEnablePDEV（）函數，當應用程序需要從顯示設備上斷開(kāi)時(shí)則會(huì )調用DeleteDC（） , DeleteDC（） 則會(huì )調用DrvDisablePDEV（） .DrvEnablePDEV（） 和DrvDisablePDEV（）就屬于這20 多個(gè)被GWES 調用的底層顯示驅動(dòng)函數。
以上這些底層顯示驅動(dòng)函數大部分跟硬件密切相關(guān)，因此需要進(jìn)一步調用PDD層函數。由于不同的顯示硬件特點(diǎn)都不盡相同，因此勢必造成PDD層暴露給MDD層的接口函數各不相同，這樣勢必會(huì )增加代碼的復雜性。為此微軟設計了一個(gè)GPE類(lèi)，一個(gè)GPE類(lèi)實(shí)例代表一個(gè)顯示設備硬件，其所有數據成員都對應于一個(gè)顯示設備的屬性數據，并設計了多個(gè)成員函數用以操縱這些數據成員?？紤]到硬件的多樣性，GPE 類(lèi)的有些函數并為全部實(shí)現，或為空函數或者虛函數，需要其子類(lèi)實(shí)現或者覆蓋。因此不能直接定義GPE類(lèi)型的變量，只能以先構造GPE類(lèi)為父類(lèi)的繼承類(lèi)，然后才能定義實(shí)例。
MDD 層的底層顯示驅動(dòng)函數通過(guò)實(shí)例化一個(gè)GPE 繼承類(lèi)的實(shí)例就可以直接調用PDD 層代碼了，這一般是通過(guò)SafeGetGPE 函數來(lái)實(shí)現的。
SafeGetGPE 由微軟設計實(shí)現，位于MDD 層的ddi_if.cpp,一般無(wú)須改動(dòng)。在SafeGetGPE 函數中調用了GetGPE 函數，這個(gè)函數MDD 層沒(méi)有，需要我們在PDD 層實(shí)現。GetGPE 函數可以簡(jiǎn)單實(shí)現如下：
這里代碼利用了C++的多態(tài)性和繼承性。在C++中父類(lèi)或更上一級的類(lèi)的指針可以引用繼承類(lèi)中相同的變量，并且對數據成員和成員函數的引用以繼承類(lèi)的實(shí)現或定義優(yōu)先。這樣在MDD 中使用指針gGPE 所指向的數據或函數時(shí)得到的都是類(lèi)DM6446VPBE 的成員變量和成員函數。由此可以看出GetGPE 函數是顯示驅動(dòng)中聯(lián)系MDD和PDD 的橋梁，通過(guò)它MDD 可以直接調用PDD的代碼。
3.3 GPE繼承類(lèi)的實(shí)現
通過(guò)上面的分析可以看出，WINCE 的顯示驅動(dòng)主要部分在于PDD 層，而PDD 層除了向MDD導出一些接口函數外如DrvEnableDriver,其余主要是構建一個(gè)GPE 或是DDGPE 的子類(lèi)（如果要實(shí)現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。
構建一個(gè)GPE 的子類(lèi)其實(shí)就是實(shí)現一個(gè)有具體數據和函數并且具體準確的反映了特定顯示設備硬件屬性的GPE 類(lèi)的子類(lèi)，并通過(guò)該子類(lèi)去實(shí)例化一個(gè)對象。
一個(gè)GPE 子類(lèi)通常需要重載GPE 類(lèi)中的同名函數和實(shí)現GPE中的虛函數以及子類(lèi)獨有的一些函數如初始化構造函數[3].子類(lèi)構造函數主要是初始化硬件和子類(lèi)成員變量，譬如視頻處理時(shí)鐘寄存器設置，OSD Window 的大小和坐標，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)中的函數包括GPE 的空函數和虛函數，這些函數實(shí)際上就是MDD 調用PDD 層驅動(dòng)中需要實(shí)現的函數，主要函數包括：SetMode（），用于設置一個(gè)顯示設備能夠支持的顯示模式；GetPhysicalVideoMemory（），用于獲取顯示設備內存的系統基地址和內存大??； 以及AllocSurface（） SetPointerShape（）BltComplete（） SetPalette（）等。這些函數具體可以參考微軟提供的驅動(dòng)示例代碼，它們位于Public CommonOAKDriversDisplay 目錄下[ 1].除了這些函數外PDD 還需實(shí)現一個(gè)MDD 層函數DrvGetMask,但比較簡(jiǎn)單，只需要定義一個(gè)全局數組gBitMasks,該數組內容是代表RGB 的所占的位域，與具體的顯示硬件有關(guān)。
3.4 驅動(dòng)程序與應用程序的通信
不同于其他流式驅動(dòng)可以由應用程序直接調用，顯示驅動(dòng)由操作系統調用，應用程序不能直接訪(fǎng)問(wèn)。具體來(lái)說(shuō)，應用程序不是通過(guò)CreateFile等這些文件系統API接口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)，而是通過(guò)GDI接口間接訪(fǎng)問(wèn)。對于GDI調用而言，對應的后臺服務(wù)進(jìn)程是GWES.exe,然后GWES.exe再進(jìn)一步調用MDD和PDD函數，即WINCE底層顯示驅動(dòng)。例如如果要畫(huà)一個(gè)矩形，則可以調用SetRect、GetDC和FillRect等函數在圖形界面上面進(jìn)行顯示，而要在圖形界面上輸出一段文字只需調用DrawText函數就可以了，至于顯示驅動(dòng)調用就可以交給GDI就可以了。
4 結束語(yǔ)
本文闡述和分析了DM6446 顯示硬件原理和Windows CE驅動(dòng)模型，剖析了顯示驅動(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顯示驅動(dòng)程序在DM6446上的設計實(shí)現，而以往WINCE 的顯示驅動(dòng)都是基于LCD,因此本文對編寫(xiě)同類(lèi)驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)人員將有一定的參考價(jià)值。WINCE啟動(dòng)運行后，圖形界面運行穩定，并可支持Windows CE下的應用軟件運行，表明驅動(dòng)程序設計良好。
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