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由 FreeBSD 驱动的中国 LCD 广告显示屏

2011 年，在上海至徐州的高速铁路沿线 11 个候车室中安装了 101 台独立式 LCD 广告显示屏。2013 年，在沈阳至大连的高速铁路沿线 4 个候车室中安装了 7 座 LCD 广告显示塔。在这些设备中，运行的是定制的 FreeBSD 镜像，配合 Xorg，在 Intel CPU 和闪存上工作。 FreeBSD 强健而稳定的体系结构，确保广告图片和视频能够稳定播放，并且在广告程序的控制下，显示塔中的电机能够正确运行。

自 2000 年以来，LCD、LED 等电子显示设备已在全球范围内被广泛用于广告。在这些广告设备内部，为嵌入式系统编译的开源软件负责支持音频和视频播放、访问 SD 卡或 USB 存储设备，以及网络连接和远程控制。

自 2000 年以来，中国建成了世界上最长的高速铁路线路 [1]。为了开发这些高速铁路沿线车站候车室的经济价值，安装了 LCD 和 LED 显示设备，用于播放商业广告图片和视频。

从 2011 年到 2013 年，我曾作为其中部分场所的广告设备提供商，并在我的产品中采用了 FreeBSD 配合 Xorg 作为操作系统。 FreeBSD 以及我所开发的软件产品的稳定性，使许多客户感到惊讶，因为软件故障极为罕见。

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产品与安装

我分别在 2011 年和 2013 年获得了两份设备供应合同，分别用于京沪高速铁路的一段线路以及哈大高速铁路的一段线路。上方的地图展示了这两条线路在中国大陆上的地理位置 [17]。

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京沪高速铁路线路

在京沪高速铁路线路（全长约 1318 公里 [6]）中，上海至徐州这一段（约 626 公里 [6]）[2–3]，客户订购了第 10 页插图照片 [9] 所示的独立式 LCD 广告显示屏。这些设备安装在图 1 所列各铁路车站的候车室中。

用于运行 FreeBSD 的硬件配置如表 1 所示 [7–8]。在 2011 年，以太网和音频控制器已经分别由 FreeBSD 的 re(4) 和 snd_hda(4) 驱动完全驱动。但对 FreeBSD 来说，GPU 仍属较新的硬件，需要更新的 Xorg 驱动 xf86-video-intel29，而该驱动并不属于 FreeBSD Ports 中 Xorg 依赖的主线。

当时，Xorg 已在 GNU/Linux 社区中引入了 kernel mode setting（KMS）机制，但 FreeBSD 尚未跟进。幸运的是，x11-drivers/xf86-video-intel29 能够在 user mode 下与 Xorg 7.5.1 以及板载 GPU 良好配合。显示模式可以平滑设置为 1920×1080p@60Hz，完全符合显示器的最佳性能要求。此外，Xorg 的 XVideo 扩展也能够正常工作。该驱动防止了在播放视频时 CPU 负载过高。

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图 1. 京沪高速铁路主线。自 2016 年起，我的一些产品已从部分铁路车站撤除，例如南京南站。

组件
规格

主板

Intel Desktop Board D410PT 或 D425KT

CPU

Intel Atom D410 或 D425

GPU

Intel GMA 3150

芯片组

Intel NM10

以太网

Realtek 8103EL 或 8105E

音频

Realtek ALC662

内存

1 GB 或 2 GB

存储

8 GB，USB 存储设备

表 1. 用于京沪高速铁路线路的我方产品的硬件配置。

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图 2. 哈大高速铁路线路中的沈阳—大连区段。

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LCD 广告显示塔。正在播放由新华社定制的广告内容。

组件
规格

主板

GIGABYTE GA-B75-D3V

CPU

Intel Core i5（LGA1155）

GPU

Intel HD Graphics 2500（板载） NVIDIA GeForce 210（PCI-E，双卡）

芯片组

Intel B75

以太网

Atheros GbE（板载，未使用） Realtek RTL8139（PCI）

音频

Realtek ALC887

内存

2 GB

存储

SATA SSD 120 GB，Intel

表 2. 用于哈大高速铁路线路的我方产品的硬件配置。

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哈大高速铁路线路

在哈大高速铁路线路（全长约 918 公里 [6]）中，沈阳至大连这一段（约 380 公里 [6]），客户订购了左侧照片 [16] 所示的 LCD 广告显示塔。这些设备安装在图 2 [4–5] 所列各铁路车站的候车室中。

用于运行 FreeBSD 的硬件配置如表 2 所示 [10–11]。在 2013 年，以太网控制器 Atheros GbE 尚未被 FreeBSD 支持。但我没有足够的时间自行修改驱动，只能在主板上额外安装一块使用 RTL8139 的 PCI 以太网卡。

在该应用场景中，每一台主机被设计为通过 VGA 接口驱动 5 块 LCD 显示屏。除板载 GPU 之外，我还必须在每块主板上安装两块带有 VGA 和 DVI-I 接口的 PCIe 显卡。当时，NVIDIA 的 GPU 能够通过其闭源驱动正常工作 [12]，而 Intel GPU 只能由 xf86-video-vesa 驱动。所幸，由于使用了 Xorg 的 Xinerama 扩展，将 5 块 LCD 显示屏组合为一个虚拟显示器，XVideo 扩展并非必需（实际上，Xinerama 会禁用大多数硬件渲染）；在这种情况下，xf86-video-vesa 已经足够使用。

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技术要点

定制的 FreeBSD 镜像，连同 Xorg 以及我自己的软件，被写入 USB 存储设备或 SATA SSD 中。

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定制的 FreeBSD 文件集

为简化工作，在每个 USB 存储设备或 SATA SSD 上都创建了一个 MBR 分区表。每个存储设备只创建一个分区，并在该分区中创建一个 BSD label “a”。切片 /dev/da0s1a（用于 USB 存储设备）或 /dev/ada0s1a（用于 SATA SSD）被格式化为启用软更新和日志功能的 FreeBSD FFS2 文件系统。

在实际使用中，对存储设备的写入操作并不频繁，每天不超过约 100 MB。但异常断电的情况每天可能发生 10 次。因此，健壮的文件系统能够有效降低启动失败的概率。得益于启用软更新和日志的 FreeBSD FFS 2，近年来我产品的启动失败仅由硬件损坏导致。

切片 /dev/da0s1a 或 /dev/ada0s1a 被用作 FreeBSD 的根文件系统，其层次结构如表 3 所示。自从我发现 Martin Matuška [13] 制作的 “mfsBSD” 之后，便参考并研究了他的相关工作。

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定制的 Xorg 文件集

为了运行 GUI，需要将一套 Xorg 文件集写入文件系统，其层次结构如表 4 所示。

我并未将任何典型的 X11 工具包（例如 GTK）集成到闪存中。

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使用 wxWidgets

wxWidgets [14] 已被收录在 FreeBSD Ports 中，默认是基于 GTK 2 编译的，但 wxWidgets 也可以直接与 X11 配合工作。基于 X11 的 wxWidgets Port 称为 wxX11。尽管目前 wxX11 仍不完整且存在一些缺陷，但它已经能够很好地支持图片文件处理以及基本的子窗口管理，这些功能正是播放广告内容所必需的。

在我的产品中，wxWidgets 2.8.x 可以配置为：

在编译 wxX11（需要 GNU make）之后，可以使用脚本 wx-config 来获取用于 wxX11 头文件和库文件的 C++ 编译与链接参数。相关命令形式如下：

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通过 RS-232-C Port 进行电机控制

为简化程序，在我的程序打开 /dev/ttyu0 之前，先对 /dev/ttyu0.init 使用 stty(1) 来设置默认波特率、位数以及其他选项。

板载串行 Port 连接到我自行设计的一块印刷电路板（PCB），用于设定电机的行为：启动与停止、旋转方向以及转速。同时，PCB 上传感器采集到的一些物理量（例如环境温度和角位移）也通过该串行 Port 发送到 FreeBSD。

目录
说明

/boot/

FreeBSD 内核与驱动模块，loader(8) 及其配置文件

/libexec/

运行时链接编辑器，ld-elf.so.1

/bin/、/sbin/、/usr/bin/、/usr/sbin/

命令行工具（例如 /bin/sh、/bin/rm、/usr/bin/killall、/sbin/ifconfig、/sbin/mount）

/dev/

用于 devfs(5) 的空目录

/var/、/tmp/

多用途文件（例如 /var/empty）

/etc/

初始化脚本和配置文件

/lib/, /usr/lib/

共享对象

/usr/local/

Xorg

/root/

我自己的软件文件

表 3. USB 存储设备或 SATA SSD 中的文件系统的概览布局。

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网络

系统中启动了配置为使用公钥认证的 SSH 守护进程。 SSH 能够为各种远程访问提供安全且多用途的通道。通过 ssh(1) 实现类似 rsh(1) 的远程命令执行，使得网络交互可以简化为编写一些小型的 /bin/sh 脚本，从而避免设计繁琐且容易出错的传输协议。

SSH 还可以作为 rsync(1) 的安全传输机制，用于传输大体量文件。

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自定义 /etc/rc 脚本

在 FreeBSD 内核启动之后，通常会执行 /sbin/init，它会尝试运行 /etc/rc 来完成大多数必要的初始化工作 [15]。我定制的 /etc/rc 脚本包含了从完整的 FreeBSD base 和完整的 Xorg 发行中精简出来的初始化步骤。在脚本末尾，它会启动我自己的程序。该脚本的主流程如下：

  1. 等待 USB 设备在数秒内就绪。

  2. 在可能的 /dev/da0s1a 和 /dev/ada0s1a 集合中查找并检查存储设备，并以读写模式挂载。

  3. 在可能的 re(4)、rl(4) 和 em(4) 集合中查找并配置网络接口，同时设置网络路由。在 VirtualBox 中调试文件集时使用 em(4) 驱动。

  4. 通过 adjkerntz(8) 调整内核的时区设置。

  5. 调整音量。

  6. 启动 SSH 守护进程。

  7. 启动 Xorg 服务器。

  8. 启动我自己的程序。

目录
说明

bin/

独立可执行文件（例如 Xorg、xrandr、xkbcomp）

etc/

xorg.conf 以及 font-config 和 pango 的配置文件

lib/

共享对象

lib/X11/fonts/

基本字体

lib/dri/

DRI 驱动

lib/pango/

Pango 模块

lib/xorg/modules/

各类驱动

share/X11/xkb/

与键盘相关的资源文件

表 4. 位于 /usr/local/ 下的定制 Xorg 文件布局。我没有将任何典型的 X11 工具包（例如 GTK）集成到闪存盘中。

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建议

在 FreeBSD 的源代码树中，有个很棒的东西——ndis(4)。它能在 FreeBSD 内核中运行为 Microsoft Windows 编写的网络设备驱动程序。

但这个模块缺乏维护。它往往无法与最新的 Windows 设备驱动配合工作，尤其是无线以太网设备驱动。

此外，ndis(4) 只能覆盖相当有限的一部分网络设备。事实上，在现实中，尽管 FreeBSD 拥有一个非常健壮且设计良好的内核，但由于这些不足，它在某些方面让人更倾向于 GNU/Linux。

对于 FreeBSD 的未来，我的建议与设备驱动有关：

  1. 将 ndis(4) 的 Windows 内核兼容层从 FreeBSD 内核中移至用户态，这意味着该兼容层和设备驱动将作为进程运行。在用户态下，所有程序都比在内核态更容易修改和调试，至少，大多数用户态中的故障不会导致内核崩溃。

  2. 扩展该兼容层的覆盖范围，即支持更多的网络设备驱动，并尝试覆盖其他类型的设备驱动，例如 GPU 的驱动。

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致谢

感谢梁莉（亦称 Kylie Liang）在本文写作过程中给予的帮助。

李潇是一名生活在中国的软件与硬件工程师。他在北京经营着自己的小型公司。他是一位经验丰富的 FreeBSD 开发者。2006 年，他参与了 LaTeX-CJK 以及 Linux 兼容层的 ports 工作。他积极参与中国的 FreeBSD 社区。他对印刷电路板设计以及跨平台软件开发感兴趣。

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参考文献

最后更新于

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