# 由 FreeBSD 驱动的中国 LCD 广告显示屏 * 原文：[FreeBSD-powered LCD Advertising Displays](https://freebsdfoundation.org/wp-content/uploads/2017/03/FreeBSD-Powered-LCD-Advertising-Displays.pdf) * 作者：李潇 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。 ## 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]。 ### 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。 ![O3CI5B@ET09\_J(L({KJ2F 5](https://github.com/user-attachments/assets/f79d72f1-4401-4829-9493-f9b18fc387ac) **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。** ![OGK4FBU L$XE0O(C 1KV)QY](https://github.com/user-attachments/assets/f64faef7-3ae8-4e37-8d93-e923c2ca298d) **图 2. 哈大高速铁路线路中的沈阳—大连区段。** ![T31DS{G AY50B B\~1WSFM)U](https://github.com/user-attachments/assets/828ebd7a-0ac5-40b8-b593-e310d36cc29e) 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。** ### 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。 ## 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。 ### 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。 ### 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。 ### 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： ```sh ./configure --with-x11 --with-opengl\ --disable-shared --enable-unicode ``` 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： ```sh # 编译 C++ 源文件 ~/wxWidgets-2.8.12/wx-config --cxxflags # 链接 object 文件 ~/wxWidgets-2.8.12/wx-config --libs ~/wxWidgets-2.8.12/wx-config --gl_libs ``` ### 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。** ### 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。 ### 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。** ## 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。 ## 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。 ## 参考文献 * \[1] “High-speed rail in China,” 维基百科，在线访问： * \[2] “Beijing–Shanghai High-Speed Railway,” 维基百科，在线访问： * \[3] （仅中文）“京沪高速铁路，”百度百科，在线访问： * \[4] “Harbin-Dalian High-Speed Railway,” 维基百科，在线访问： * \[5] （仅中文）“哈大高速铁路，”百度百科，在线访问： * \[6] （仅中文）高铁网，在线访问： * \[7] “Intel® Desktop Board D410PT 技术产品规格，”Intel，在线访问： * \[8] “Intel Desktop Board D425KT/D425KTW 技术产品规格，”Intel，在线访问： * \[9] Mega-info Media 有限公司，官方网站： * \[10] GA-B75-D3V 用户手册，技嘉科技有限公司，在线访问： * \[11] Intel Core i5-3450 介绍，Intel，在线访问： * \[12] FreeBSD 版 GeForce 驱动，NVIDIA，在线访问： * \[13] Martin Matuška，“mfsBSD”，在线访问： * \[14] wxWidgets，跨平台 C++ GUI 库，在线访问： * \[15] “内核初始化，”《FreeBSD 架构手册》，在线访问： * \[16] 中国新华社，官方网站： * \[17] 中国大陆重新制作的地理概览图，参考政府数字地图网站“天地图”，在线访问：中文： 英文： --- # Agent Instructions: Querying This Documentation If you need additional information that is not directly available in this page, you can query the documentation dynamically by asking a question. Perform an HTTP GET request on the current page URL with the `ask` query parameter: ``` GET https://book.bsdcn.org/qi-kan/ji-wang-jing-xuan/freebsd-powered-lcd-advertising-displays.md?ask= ``` The question should be specific, self-contained, and written in natural language. The response will contain a direct answer to the question and relevant excerpts and sources from the documentation. Use this mechanism when the answer is not explicitly present in the current page, you need clarification or additional context, or you want to retrieve related documentation sections.