（信号与信息处理专业论文）pvr数字电视机顶盒特殊功能的研究与实现.pdf

摘要 摘要 随着我国数字电视产业的飞速发展，以及2 0 0 8 年北京奥运会的临近，数字电 视机顶盒也迈开了崭新的步伐。带硬盘的p v r 机顶盒已经成为高端数字电视机顶 盒新的发展趋势。 本课题针对p v r 机顶盒的特点，对其中的特殊功能进行了研究，具体来说， 完成了其中两个模块的研究和设计，一个是加密硬盘中所存放的节目数据，另一 个是对所存储的节目进行特技播放。该课题以d v b s 卫星数字电视机顶盒系统为 基础，选用意法半导体公司( s t m i c r o t r o n i c s ) 提供的s t i 7 1 0 9 芯片作为嵌入式解码主 芯片，同时采用了s t - o s 2 1 嵌入式实时操作系统作为软件开发平台。作者在其中 主要完成的工作及创新点包括： 1 、以往的p v r 机顶盒不具备对硬盘中所存放的节目数据进行保护的功能， 而本课题通过软件实现了对所存储节目的加密保护。详细阐述了a e s 算法的设计 原理和流程，在分析和研究算法的基础上对a e s 算法进行了一定的优化，使其更 加适合资源有限的嵌入式环境。并且在p c 和s t - o s 2 1 嵌入式系统两个平台上完成 了该算法的性能测试。 2 、传统的快进快退操作仅针对码流中的帧内编码图像进行了提取，本文根据 p v r 机顶盒基于硬盘存储的特点，分析了目前国际数字电视领域主要使用的 m p e g 2 视音频码流，完成了基于帧内编码图像浏览机制的快退和分级快退操作； 改进了快进算法，实现了以帧内编码图像和预测编码图像为基础的快进和分级快 进操作。同时完成了循环播放的流程设计。 关键词：机项盒；p v r ( p e r s o n a lv i d e or e c o r d e r ) ；a e s ( a d v a n c e de n c r y p t i o n s t a n d a r d ) ：m p e g - 21 快进快退 a b s t r a c t a b s t r a c t d i g i t a lt vi sm o v i n gf o r w a r dq u i c k l yi nc h i n an o w a d a y s p v r - s t bw h i c ho w n h d d b e g i n st os t r i d ew i t ht h ec o m i n go l y m p i cg a m e si nb e i j i n g , 2 0 0 8 t h i sd i s s e r t a t i o ni sr e s e a r c hi nt h es p e c i a lf u n c t i o n sa b o u tp v r - s t b s p e c i a l f i c a l l y , a c c o m p l i s ht w ot a s k s ：o n ei st h eh a r d - d i s kd a t ae n c r y p t i o nm o d u l ea n dt h eo t h e ri st h e s p e c i a lp l a y b a c km o d u l e i t lt h i ss u b j e c tt h es t i 7 1 0 9p r o v i d e db ys t m i c r o e l e c t r o n i c si s s e l e c t e da st h ee m b e d d e dd e c o d e rm a i nc h i pa n dt h er t o ss t - o s 21 i su s e da st h e s o f t v c a r ee n v i r o n m e n tc o r r e s p o n d i n g l y t h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do nt h ed v b st e l e c a s t c r i t e r i o na n ds a t e l l i t ed i g i t a ls t bs y s t e m t h ea u t h o rh a sa c c o m p l i s h e dt h ef o l l o w i n g m i s s i o n sw i t hs o m ec r e a t i v ep o i n t s ： 1 t h et r a n d i t i o n a lp v r s t bd o n th a v ei n d e p e n d e n ts a f e g u a r dm o d u l et op r o t e c t d i g i t a lp r o g r a m m es t o r e di n t h eh a r d - d i s k b u tt h i ss u b j e c tp r o v i d ee n c r y p t i o na n d d e c r y p t i o nf o rd i g i t a lp r o g r a m sb ys o f t w a r e e l a b o r a t et h ed e s i g np r i n c i p l ea n dp r o c e s s a b o u ta e sa r i t h m e t i ci nd e t a i l ，a n a l y z ea n do p t i m i a z et h i sa r i t h m e t i c ，m a k ei tf i ti nw i m t h ee m e b e d e ds y s t e mw h i c ho w nl i m i t e dr e s o u r c e s i na d d i t i o n ，c o m p l e t ep e r f o r m a n c e t e s ti nt w od i f f e r e n tp l a t f o r m s ：w i n d o w sx pa n ds t - o s 2 1e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m 2 t h et r a n d i t i o n a lm e t h o d sf o rf f f ri sm e r e l ye x t r a c ti n t r a - c o d e dp i c t u r e s f r o mm p e g 一2s t r e a m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，i nv i e wo ft h eh a r d - d i s ks t o r a g em e c h a n i s m o fp v r - s t b ，t h ea u t h o ra n a l y z e st h em p e g 一2v i d e o a u d i os t r e a mw h i c hi sw i d e l yu s e d i nt h er e g i o no fd i g i t a lt vb r o a d c a s tn o w a d a y sa r o u n dt h ew o r l d ，a c c o m p l i s ht h ed e s i g n p r o c e d u r ea b o u tt h es p e c i a lp l a y b a c km o d u l ea n do p t i m i z et h ef fa r i t h m e t i c a c h i e v e f i v ek i n d so fs p e c i a lp l a yf u n c t i o n so i lt h ep v r - s t b ，w h i c hi n c l u d i n gf f , f r , c y c l i c p l a y b a c ka n ds oo n k e y w o r d s ：s t b ( s e t - t o p - b o x ) ；p v r ( p e r s o n a lv i d e or e c o r d e r ) ；a e s ( a d v a n c e d e n c r y p t i o ns t a n d a r d ) ；m p e g - 2 ；f f f r ( f a s tf o r w a r d f a s tr e w i n d ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：丞萤 日期：矽口孑年歹月；fe t 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 墓交 导师签名： 日期：妒o ql | 镪二 i v 年f 月；日 第一章引言 第一章引言 我国的数字电视产业研发及产业化工作已经经历了整整1 5 年。在2 0 世纪8 0 年代末进行了高清晰度电视课题的研究，1 9 9 4 年国务院成立了“h d t v 总体组”， 负责我国h d t v 方面的技术研究和开发工作，开始了我国第一台h d t v 样机的研 制。1 9 9 8 年，总体组完成了我国第一套h d t v 电视功能样机系统。1 9 9 9 年初国务 院批准设立了“数字高清晰度电视研究开发与产业化专项”，同年1 0 月1 日采用 我国自主研发的第二代h d t v 功能样机系统成功转播了五十周年国庆典礼【l 】；2 0 0 1 年3 月国家计委通过会议认为中国已掌握数字电视的关键技术，并决定在北京、 上海、深圳三个城市成立数字电视试验区。2 0 0 2 年，全国数字电视用户达到了9 万。2 0 0 3 年，全国新建有线数字电视示范网4 9 个，用户数达到了2 7 万。2 0 0 4 年， 广电总局加强了数字节目内容的建设。截止到2 0 0 4 年1 2 月3 l 号，付费电视频道 数达9 2 套，付费广播1 6 套，付费集成运营机构为5 家。2 0 0 5 年数字电视用户超 过3 0 0 0 万户。2 0 0 6 年8 月1 8 日期待已久的国家标准g b 2 0 6 0 0 数字电视地面广 播传输系统帧结构、信道编码和调制等相关标准相继发布了，我国成为世界上 继美国的a t s c 、欧洲d v b 和日本i s d b 等系列标准之后，第四个制定完整的数 字电视广播系统标准的国家。2 0 0 7 年1 月1 日起高清晰度数字电视标准正式实施， 这意味着我国数字电视广播开始全面进入从模拟到数字电视整体转换的商业化时 代。 根据国家数字电视发展计划的时间表，2 0 0 3 年开始在有线电视网( c a t v ) 上播 出s d t v 和h d t v ，并于2 0 0 5 年正式播出；“十五 期间全面推进卫星数字电视 传输，2 0 0 5 年停止了上星节目的模拟传送，同年省级以上广播电台、电视台基本 实现采、编、播数字化，节目传输、交换网络化；2 0 0 8 年的北京奥运会，将向世 界用高清晰度数字电视节目转播奥运会；2 0 1 0 年我国广播电视将基本全面实现数 字化；2 0 1 5 年中国的电视台将全面停止模拟广播电视的播出，完成从模拟制式向 数字化制式的过渡【1 】。 随着我国对数字电视领域数字压缩技术、通信技术和超大规模集成电路技术 等关键技术的掌握和国内数字电视产业的快速发展，很多数字电视的高端产品应 运而生。围绕数字电视机顶盒的数字视频、数字信息与交互式应用三大核心功能 已开发了多种增值业务。在数字电视节目的制作设备方面已有很大一部分实现了 电子科技大学硕士学位论文 数字处理；在节目的传输方面，人们已经可以从卫星上接收到多套数字压缩编码 的节目；随之而来的就是电视节目数字存储，这其中p v r 机顶盒凭借其独特的功 能赢得了大多数消费者的青睐。 1 1 课题研究的意义 众所周知，电视节目的播放是广播式的，已播出的节目是一去不复返的。所 以我们必须即时收看。然而有了p v r 机顶盒后，我们就可以不必与电视台的播放 时间保持同步来收看我们想要收看的电视节目，而是可以在它播放出后的任何时 间观看。并且p v r 机顶盒还赋予了用户更多的观看权利，将被动接收变为主动收 看。 p v r 机顶盒的突出特点是外置硬盘，并且可以将数字电视节目存储在通用硬 盘中，这就使得对节目的非法复制、传播成为可能。由此，对内容提供商的节目 版权形成挑战。硬盘上的节目是以数字格式被录制的，而硬盘有可能并且很容易 被拆卸下来，连接到通用p c 机上，节目就很容易被复制并广泛传播，而且还保持 原来的高清晰质量。无疑，这将给节目提供商带来巨大的经济损失。针对这种情 况，本设计对高级加密算法a e s 算法进行了研究和优化，并将其应用到p v r 机顶盒 中。对即将存储的节目数据，先进行a e s 力i ：i 密再保存到硬盘中；相应的，在回放硬 盘中所存储的节目时，先对节目数据进行解密，再进行回放。由此，实现了对硬 盘中所存储节目数据的加密保护，维护了运营商的合法权益。 随着数字电视机顶盒技术的不断发展，人们已经不满足于简单被动地观看节 目，而是希望参与对节目播放的一些操作。为了方便用户观看和定位节目，本文 对节目的特技播放进行了研究，在对目前广泛使用的m p e g ，2 视音频压缩码流分析 和研究的基础上，设计和实现了基于帧内编码图像检索的慢进和分级慢进；改进 了快进算法，实现了以帧内编码图像和预测编码图像为单位的快进和分级快进操 作；并在正常回放的基础上设计了循环播放功能。实现了数字电视的部分交互式 访问。 p v r 机顶盒在数字电视网络中的应用，带来了电视生活的新概念，能够极大 地促进数字电视业务的开展。硬盘、p v r 技术与机顶盒的结合，将成为数字电视 机顶盒的一种发展方向【2 】。本课题的研究正是适应了这样的发展需求，具有积极的 现实意义，并为p v r 数字电视机顶盒进一步的功能完善和智能化奠定了基础。 2 第一章引言 1 2p v r 数字电视机顶盒功能介绍 p v r ( p e r s o n a lv i d e or e c o r d e r ) 即个人视频录像机，但它的实际功能远远超出了 上述名称的表述。p v r 机顶盒的突出特点是以硬盘作为存储媒介，建立本地的海 量缓冲区和巨大的节目存储库，利用数字化处理技术实现对节目的控制和管理。 数字化和存储技术是p v r 技术的核心，在这个基础上对节目进行灵活的编辑和录 放控制，可以一改过去看电视的被动和无奈，带来了数字化的精彩纷呈和互动的 随心所欲。 p v r 机顶盒将数字电视技术和硬盘录像技术完美结合起来，不仅使机顶盒增 加了录像的功能，更是通过时移技术、智能录像技术、w a t c h & r e c o r d 等技术为观 众提供了一种全新的观看电视的方式。p v r 机顶盒的主要功能如下【2 】f 3 】【5 】： ( 1 ) 增强的手动录放功能：带p 之功能的机顶盒可采用的存储介质有可擦写光 盘、硬盘等，目前以采用硬盘者居多。与传统的录像机相比，p v r 机顶盒具有明 显的优势：首先是存储容量巨大，能够进行更长时间的节目存储，以本设计中使 用的1 6 0 g 硬盘为例，能录制1 0 0 多个小时码率为3 m b p s 的m p e g 2 节目；其次由于 硬盘属于随机存储设备，定位非常快并且准确，能够快速找到已录制的节目，省 去倒带的烦恼，同时硬盘的这一特点也便于实现快进快退和时间定位，有效地降 低了存储和读取过程中可能出现的误码现象。 ( 2 ) 时移播放( t i m e s h i f t i n g ) ：时移是指利用硬盘作为一个巨大的缓存区，从硬 盘播放实时广播的一个延迟版本。当用户在观看节目需要暂时离开时，可按下暂 停键，这样节目就自动保存入硬盘，用户再回来时，可以从离开时的画面看起， 这样所看到的节目就与实时节目有一个固定的延迟。当然用户也可以通过快进赶 上实时播放进行正常地观看。 ( 3 ) 定时录像：p v r 机顶盒具备浏览和保存e p g 的功能，从而可以将电视台的 播放列表保存下来，使用户可以随时在本地检索并可以根据此节目单来预定录像。 到了预约的时间，p v r 就会自动把用户想要录制的节目录下来。并且操作简单， 录制精确哺j 。 ( 4 ) 边看边录：节目数据流一边在电视屏幕上显示，一边灌入硬盘。两边的节 目可以是同一节目也可以是不同节目。 ( 5 ) 画中画：配置两个n m e r 将成为主流，这样不但可实现“画中画 功能， 还可在观看一路节目的同时录制其他路的节目或者同时录制两路节目并观看其中 的一路节目。 3 电子科技大学硕士学位论文 带p v r 功能的机顶盒是数字电视的发展方向，它带来了电视生活的新观念， 极大地促进了高清数字电视业务的开展。随着数字电视的不断进步，它将具有越 来越多的功能。p v r 数字电视机顶盒作为一种极具特色的电视终端产品，具有广 阔的市场前景并将带给我们更多的生活享受。 1 3 课题研究的背景和国内外动态 来自市场分析公司i n s t a t m d r 的调查显示，最近几年个人录像机( p v r ) 产品在 市场中显示出强劲的发展动力。据i n f o r m a m e d i a 公司预测，至u 2 0 1 0 年全球所有电视 家庭中将有近一半拥有某种类型的p v r 服务；在发达国家，p v r 功能在有线数字电 视家庭的普及率将达至f j 9 5 训。 美国是开展高清数字电视较早和发展较快的国家，其发展方式主要是以卫星 直播为主。其最大的卫星运营商d i r e ct v 已在美国2 6 个市场推出了本地高清电视服 务，总订户达至1 j 1 5 3 9 万户；另一主要卫星运营商e c h o s t a r 至l j 今年4 月的总用户数为 1 2 2 6 5 万，约占电视家庭总户数的l1 1 5 【6 j 。 欧洲的高清电视起步较晚，但借助2 0 0 6 年德国世界杯足球赛，欧洲各国都加 快了推进高清电视服务的步伐。英国的b s k y b 、法国的c a n a l + 和t p s 、意大利的s k y i t a l i a 等运营商都在当年先后开播高清电视频道，并转播了世界杯。截至2 0 0 6 年6 月， 欧洲各运营商通过1 4 颗通信卫星共推出2 0 多个数字高清电视频道。根据相关机构 的预测，2 0 0 8 年将有8 0 万户的欧洲家庭能够收看到高清数字电视。 日本的高清普及率很高，拥有大约4 5 0 0 万的电视家庭用户，数量和美国的差 不多，其中有1 7 属于高清用户，约占全球高清用户的2 7 。在其所提供的高清频 道中，7 个是地面广播传送，18 个是通过卫星传送。 我国目前拥有中央电视台的“央视、 香港“凤凰卫视 等多套高清电视节目， 会，将用高清格式向全球转播全部比赛， 高清影视 、上海文广的“中数传媒”、 发展潜力巨大。2 0 0 8 年举办的北京奥运 这将极大地促进我国高清电视的发展。 高清电视的蓬勃发展必将带来对各种接收终端的大量需求。同时，由于用户 需求的不断增加以及运营商推出新业务的需要，作为接收终端的高清机顶盒的功 能也需要越来越强大。在美国，推动数字电视快速发展有两个主要推动力：高清 和p v r ( p e r s o n a lv i d e or e c o r d ，个人录像机) ，由此可见带录像功能的高清机顶盒必 将成为机顶盒的发展趋势。 目前国外的p v r 产品主要有：t w o ，s o n i c b u l e 公司的r e p l a yt v ，微软的 4 第一章引言 u l t i m a t et v 和e c h o s t a rd i s h n e t w o r k 的d i s h p v r 等。 t i v o 不同档次的产品，可以提供3 0 - 4 5 0 个小时的录制容量。t i v o 有针对于模拟 节目，带有数字编码压缩功能的机顶盒产品，也有用于数字卫星电视网和数字有 线电视网的产品。t i v o 的特点在于它可以通过电话线下载e p g 和节目预告等信息， 提供名为“t i v os e r v i c e ”的服判7 。 s o n i c b u l e 公司的r e p l a yt v ，其产品依不同档次提供2 0 - - 3 2 0 个小时的录制容 量。r e p l a yt v 的机顶盒都带有m p e g 2 编码器，对输入的复合电视信号进行数字 编码压缩后，再存储到硬盘。r e p l a yt v 的特点在于它的机顶盒上带有以太网接口， 通过网络连接，r e p l a y t v 的用户间可以互相交换已录制的节目。此外用户通过登 录r e p l a yt v 的用户服务网站，可以在因特网上远程预定录制节引3 1 。 微软的u l t i m a t et v 提供3 5 个小时以上的录制时间。它是针对数字卫星电视的 服务，用户只能录制d i 删的节目。u l t i m a t et v 还向用户提供微软的w e bt v 互 动服务。它的机顶盒带有双t u n e r ，可以实现播放时的“画中画【3 】。 e c h o s t a rd i s h n e t w o r k 的d i s h p v r 提供3 5 9 0 个小时的录制时间，它也是一种用 于数字卫星电视的录制产品，用于录带l j e c h o s t a r 的节目。 中科院声学所开发了一种用于d v b 数字电视系统的带有p v r 功能的机顶盒， 它采用了l s il o g i c 的s c 2 0 0 5 单芯片解码方案。s c 2 0 0 5 在一片硅片上集成了 d e m u x 、a vd e c o d e r 和c p u 等部件，并提供了a t a 接口和d m a 引擎，以便加挂硬 盘和进行p v r 录放操作。 现在的p v r 产品，与磁带录像机( v c r ) 不一样，它不再是一种单纯的具有录放 功能的硬件产品，而是一种由电视网提供的整体服务。p v r 数字电视机顶盒作为 一种非常有特色的数字电视终端设备，具有广阔的市场前景。目前，一些国际性 的大公司都加快了对这种具有大容量存储能力的p v r 机顶盒的研制，芯片厂商和 硬盘厂商也加大了对该类产品的投入，并且有专用于p v r 机顶盒的芯片和硬盘投 入生产。国内的高科技公司也看准了p v r 机顶盒的优势和美好前景，永新同方、 长虹、大洋等国内公司已经研制并推出了具备强大功能的p v r 数字电视机顶盒。 随着数字电视的迅速崛起，p v r 数字电视机顶盒必将得到迅猛发展。 1 4 课题完成的主要工作 1 ) 基于s t - o s 2 1 嵌入式开发平台，对p v r 机顶盒的特殊功能进行了研究。相对 于以前对硬盘中所存储的节目数据没有进行加密保护的缺点，本课题在p v r 5 电子科技大学硕士学位论文 机顶盒中添加了a e s 加解密模块，实现了对数字电视节目的加密和运营商版 权的保护。重点完成了对a e s 算法的研究与优化，用c 语言实现了该算法， 并将其应用到p v r 机顶盒中。 2 ) 在分析m p e g 2 视音频码流的基础上，实现了一种基于帧内编码图像检索的视 频快退浏览机制；并且改进了快进播放算法，设计了一种以帧内编码图像和预 测编码图像为基础的快进算法。通过对视频部分编码图像的提取，实现了视频 分速率的快速进退。同时完成了节目的循环播放。 1 5 论文的主要内容和结构安排 本论文是根据作者在“s t i 7 1 0 9 一p v r 机顶盒 项目开发中所做的工作完成的。 本文总共分为五章，结构安排如下： 第一章：引言。介绍课题研究意义，p v r 机项盒的功能以及国内外研究状况。 第二章：p v r 机顶盒软硬件开发平台的介绍。介绍了本项目所使用的主芯片 s t i 7 1 0 9 ，调试环境和嵌入式实时操作系统s t - o s 2 1 。 第三章：简单介绍了高级加密标准a e s 算法的数学基础，详细介绍了a e s 算 法的设计原理和实现步骤；在分析a e s 算法结构的基础上对算法轮变换中的某些 步骤进行了优化；提出了a e s 算法基于3 2 位嵌入式环境的设计方案，用c 语言 完成了方案设计；在p v r 机顶盒中实现了a e sj j n 解密模块的应用，并在两个不 同的平台上进行了性能测试。 第四章：研究了m p e g 2 视频码流的特点，完成了p v r 机顶盒特技播放模块 中基于帧内编码图像检索的快退、分级快退播放；改进了快进算法，设计了以帧 内编码图像和预测编码图像为基础的快进算法；实现了节目的循环播放。 第五章：结束语。对本论文完成的工作进行了总结并提出了下一步的工作。 6 第二章p v r 数字电视机项盒开发环境介绍 第二章p v r 数字电视机顶盒开发环境介绍 2 1 硬件平台介绍 本次设计采用了s t m i c r o t r o n i c s 公司最新的增强型s t - o s 2 1 系列高清多标准 视音频解码芯片s t i 7 1 0 9 作为主芯片。s t i 7 1 0 9 在一个芯片上集成了两个频率为 2 6 6 m h z 的s t 2 3 1 c p u ，v c 1 、m p e g 2 和h 2 6 4 视音频解码器，p a i 价汀s c s e c 舢 编码器，一个1 6k b 的i - c a c h e 和一个3 2k b 的d c a c h e ，传输过滤解扰、解复用 模块，显示和图形引擎功能模块。s t i 7 1 0 9 拥有1 6 个级别的中断控制器，定义了 六个可扩展的8 位可编程输入出端i s i ( g p i o ) 1 l 】。 除m p e g 2 外，该系统芯片解决方案还支持高清h 2 6 4 m p e g 4a v c ，以及 m p e g 4p 2 标清标准。这个创新的单片高清标清产品是业内第一款能够实现下一 代高质量消费视频系统和广播服务的集成电路。s t i 7 1 0 9 系列产品的集成度极高， 单片集成机顶盒的多种功能和多标准解码电路，是成本效益最高的机顶盒解决方 案。由于采用了s t 先进的9 0n l i l 制造工艺，s t i 7 1 0 9 系列产品提供了一个成本更 加低廉的单片设计的高清标清有线i p 双模互动机顶盒，并为支持采用先进编码标 准的h 2 6 4h d s d 视频码流铺平了道路。 p v r 机顶盒系统使用了两片3 2 m b 的s d r a m 作为c p u 的存储器，另外提供 两片3 2 m b 的s d r a m 在解码节目时使用。使用4 m b 的f l a s h 存储器作为程序 存储器。同时还集成了红外遥控接口以及包括存储器接e i ( s m i 、e m i ) 、u s b2 0 、 硬盘接n ( s a t a ) 、数字视频接h ( d v i ) i 高清多媒体接e 1 ( h d m i ) 、数字音视频辅助 输入在内的各种系统外围设备接口模块。本设计的高频头采用了s t 0 2 9 9 立式高频 头，其工作频率范围为c 波段( 3 0 m h z 5 0 m h z ) 。p v r 机顶盒的输入为符合d v b s 规范的射频信号，输出为音频、视频信号。 2 2 调试环境的搭建 p v r 数字电视机顶盒的主板通过j t a g 接口与s tm i c r oc o n n e c t ( 调试盒) 相连， p c 机通过直接线( 网线或u s b ) 与s tm i c r oc o n n e c t 相连，硬盘通过s a t a 接口与 s t i 7 1 0 9 开发板相连，通过视音频输出线可将图像和声音输出到传统的模拟电视 7 电子科技大学硕士学位论文 机。在进行系统开发调试时，主机可以通过j t a g 接口将应用程序下载到开发板中 运行，或者使用芯片中集成的诊断控制单元( d c u ) 进行跟踪调试运行。开发完成之 后，可将应用程序生成的烧写文件( ：一c b i n ) 写到f l a s h 之中，完成烧写文件的烧写 后，程序将由f l a s h 加载到r a m 中开始引导执行。本项目中基于s tm i c r o c o n n e c t 的p v r 数字电视机顶盒实际调试运行环境如图2 1 。 图2 - 1 基于s tm i c r oc o n n e c t 的p v r 机顶盒调试运行环境 s t - o s 2 1 微调试器是一个跨越式的开发系统，可以在s t - o s 2 1 系列的嵌入式 系统中用c 和c + + 语言进行程序的开发和调试。所有的s t - o s 2 1 设备包括用户调 试界面，都可以通过j t a g 接口连接到主机上，提供片上仿真功能。这些功能包括： 编写代码，添加数据断点，查看并改变所关注变量的当前值，读取寄存器中指定 地址的值等；对于程序中的函数，既可以逐个运行，也可以进入函数内部跟踪调 试 12 1 。s t - o s 2 1 微调试器提供了一系列集成的工具来支持嵌入式应用的开发。进 行跟踪调试时的s t - o s 2 l 调试界面如图2 2 。 第二章p v r 数字电视机顶盒开发环境介绍 u np l a ，s t a r t ：i 扣u _ c 喇c翻溺d翻辫籀夏辘鑫碧誊裁瓣藤爨魏麓囊燃i 缢z 缀糕黧蠛鬻囊囊l s 仰r c e刿i ， 图2 2s t - o s 2 1 调试界面 2 3s t - o s 2 1 实时操作系统 本课题采用了s t - o s 2 1 嵌入式实时操作系统，该操作系统的内核提供了高效 的多任务环境，包括任务管理、信号量服务、消息队列服务、时钟管理、定时器 管理、中断服务和内存管理等内容。在s t - o s 2 1 的多任务系统中，应用由多个独 立的任务组成，任务之间可以共享系统资源，如存储器、c p u 时间等 1 0 】 1 2 】 1 3 1 。 1 内核 s t - o s 2 1 实时内核的基本功能是提供一个多任务环境。它负责管理各个任务， 并提供全面的多任务服务，包括：各个任务之间可以通过信号量和消息队列进行 同步和通信；外围事件通过中断处理，并利用信号量与任务进行通信；任务的内 存分配可由用户或s t - o s 2 1 来管理；各个任务被赋予不同的优先级并根据优先级 的大小进行调度；通过时间函数实现延时操作等。 s t - o s 2 1 采用了一个很小的调度内核，其任务是确保当前运行的任务总是系 统中具有最高优先级的任务。 0 电子科技大学硕士学位论文 内核维护着两个重要信息： 当前正在执行的任务及其优先级； 当前准备就绪的任务列表。 在同一个时间段内，内核调度有以下三种情况： 当一个任务需要被调度时，调度程序将首先判断这个新任务的优先级是否 比当前正在执行的任务的优先级高。如果是，那么当前任务的状态信息被保存， 新任务的状态信息被载入，并开始运行； 当前运行的任务进入等待状态时，调度程序将检查当前准备就绪的任务列 表，并运行列表中优先级最高的任务； 调度程序会被周期性的调用，以使具有相同优先级的任务能够按照一定的 时间片轮换执行。 2 任务 任务是独立运行的线程。一个任务描述了应用程序的一个离散的、独立的、 部分的行为。任意一个已存在的任务都可以动态地开创一个新的任务。只要有足 够的内存，应用可以被分成任意多个任务。 每个任务在内存中都有它自己的数据区，包括任务自己的堆栈和任务的当前 状态。这些数据区可以由s t - o s 2 1 从系统分区中分配( 动态) 或由用户来分配( 静态) 。 代码、全局静态数据区域和堆栈区域可以在任务之间共享，两个任务可能使用相 同的代码而不相互影响。 一个任务由数据结构、堆栈和一段代码组成。其任务的数据结构被称作它的 状态，具体的内容与处理器密切相关。任务的数据结构被分为两部分： 动态状态( d y n a m i c ) ：在结构t d e s ct 中定义，由c p u 直接使用。此结构与 处理器密切相关，主要包括状态寄存器( s t a t u s ) ，工作区指针( w p t r ) ，指令指针( i p t r ) 和任务优先级。当任务运行时，i p t r 和w p t r 保存在c p u 寄存器中；当任务没有运 行时，它们被存储在t d e s ct 中； 静态状态( s t a t i c ) ：在结构t a s kt 中定义。此结构主要包括任务当前状态、 任务堆栈起始地址和任务堆栈大小。当任务运行时，此结构中的值不会被改变。 s t - o s 2 1 将任务优先级划分为1 6 级( o 1 5 ) 。优先级0 为最低优先级，优先级 1 5 为最高优先级。当任务被创建时，系统根据给定值分配任务优先级。当前执行 的任务总是具有最高优先级的任务。优先级相同的任务采用时间片轮转的方式运 行，以保证每个任务都可以获得运行机会。各个任务间可以通过信号量进行同步， 通过消息队列进行通信。 1 0 第二章p v r 数字电视机顶盒开发环境介绍 通过t a s kc r e a t e ( ) 等函数可以开创一个任务。t a s kd e l a y ( ) 等函数可以使一个任 务进入等待状态。t a s kr e s c h e d u l e 0 、t a s k 控制。t a s ke x i t ( ) 等函数可以终止一个任务。其余还有一些其它的辅助函数。 3 信号量 信号量提供了一种简单有效的方式来同步多任务。信号量可以用于互斥访问 和任务同步。s e m a p h o r et 结构中不仅包含了信号量的值，信号量的所有者，下一 个信号量的指针，还包含了等待获取信号量的任务队列。s t - o s 2 1 支持优先级类 型的信号量，也支持f i f o 类型的信号量。支持永久等待的信号量，也支持有等待 时限的信号量。 针对不同类型的应用问题，信号量可以分为： 二进制模式信号量：该信号量是最常用的信号量。信号量的计数不是0 就 是1 ，用于同步和互斥，它被设置成在给定时间内只允许一个任务访问某个资源。 当用作互斥时，信号量被初始化为l ；当用作同步时，信号量被初始化为o ； 计数器模式信号量：该信号量的计数可以为任何非负数。它用于控制共享 资源的使用。如果该信号量允许n 个任务同时访问一个资源，那么它将被初始化 为n 。 4 消息队列 消息队列为任务提供了一种缓存通信的方法，通信时不需要拷贝数据。 s t - o s 2 1 的消息队列包含有两个队列，一个为当前没有被使用的，称作“空闲 队列，另一个是已经发送但还没有被接收的，称作“发送 队列。用户调用不同 的消息函数的结果是消息缓冲区在这两个队列中移动。如图2 3 。 s e n d q u e u e f r e e q u e u e 图2 - 3 消息队列 5 时钟 时钟对于实时系统来说是非常重要的。s t - o s 2 1 提供了一些基本的函数来控 制时钟。s t - o s 2 1 处理器通常把时钟看作是一个循环，也就是说代表时钟的计数 1 1 电子科技大学硕士学位论文 器溢出后会重头开始计数。s t - o s 2 1 提供了一系列管理时钟的功能，包括：加减 时钟的数值、判断一个时钟是否在另一个之后、得到当前的时钟。 6 中断 s t - o s 2 1 提供了一套完整的中断处理函数，以便外部事件能够中断当前的任 务并获得c p u 的控制权。通常只要有一个中断发生，c p u 将立即停止执行当前的 任务，转而执行该中断的中断处理程序。从当前任务切换到中断处理程序的过程 全部是由硬件完成的，其速度是很快的。s t - o s 2 1 系列处理器处理中断的硬件都 有一个中断控制器用以接收中断信号，并将这一事件通知c p u 。在有些处理器中 还有一个中断级别控制器，用以控制各个中断源的优先级。外部设备通过中断级 别控制器连接到中断控制器上，如图2 4 。 p i n t e r r u p ti n t e r r u p t n u m b e r sl e v e l s 图2 4 中断模式框图 7 内存和分区 由于嵌入式系统中的存储器通常很小，而且需要较好的访问效率，所以嵌入 式系统中的内存管理是非常重要的。为了有效地利用有限的存储器空间，防止内 存碎片问题，s t - o s 2 1 把连续的大块内存按分区来管理，允许应用程序从不同的 内存分区中得到不同大小的内存块。s t - o s 2 1 支持3 种不同的内存分区： 堆分区( h e a p ) ：和传统c 语言运行时环境中的“堆”风格相同。在此分区 中，内存块的大小和分配释放内存消耗的时间都是不确定的，存在内存碎片问题； 固定分区( f i x e d ) ：在此分区中，内存块的大小是固定不变的，分配释放内 存消耗的时间是确定的，从而克服了内存碎片问题； 简单分区( s i m p l e ) ：对于这种分区中的内存分配采取了一种简单的策略，每 次只是对一个指针进行累加，使其指向下一段可被分配的内存。这就意味着不能 再释放已分配的内存，但其好处是不会浪费一点内存，各种大小的内存都可以分 1 2 第二章p v r 数字电视机顶盒开发环境介绍 配，每一次分配消耗的时间也是固定的。所以，非常适合用于宝贵的高效的较小 的片上内存。 s t - o s 2 1 不会自动地去分配内存，从而使用户可以管理所有的内存分配，构 造完全确定的系统。但是操作系统的很多函数需要进行分配内存的操作，在这种 情况下，s t - o s 2 1 要求定义两个预定义分区： 系统分区( s y s t e mp a r t i t i o n ) ：该分区被s t - o s 2 1 中的大多数模块使用，包 括信号量、消息队列以及任务的数据结构中包含的静态部分和栈。这一分区要求 是堆分区； 内部分( i n t e r n a l _ p a r t i t i o n ) ：该分区只被由t a s k _ c r e a t e o i 蚕l 数开创的任务的 数据结构中包含的动态部分使用。为了提高上下文切换的时间，这一分区最好从 片上的内存中分配，最好是简单分区。 本章介绍了本设计开发的软硬件环境及s t - o s 2 1 实时操作系统，对本设计的 最后实现，做好了准备。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 第三章p v r 机顶盒硬盘数据加解密模块的设计与实现 p v r 机顶盒的突出特点是外置硬盘，并且可以将高清节目数据存储在通用硬 盘中，这就使得对节目的非法复制、传播成为可能。由此，对内容提供商的节目 著作权形成挑战。针对这种情况，本设计对a e s 加密算法进行了研究和优化，并 将其应用到p v r 机顶盒中，实现了对硬盘中存储的节目数据的加密保护。下面首 先介绍高级加密算法一a e s 算法。 1 9 9 7 年，美国国家标准和技术研究所( n i s t ) 发布一项公告，目的是在高级加 密标准的名义下征集用于对称加密的一项新的国家标准( 联邦信息处理标准， r i p s ) 。新标准f i p s l 9 7 应建立一个满足今天所有安全需求的算法，其设计和实现 的所有方面是开放的并且在全世界可免费使用。n i s t 最后选择a e s 算法的原因是 出于以下理由【1 6 j ： 安全性：它能抵御所有的已知攻击。它在抵御基于硬盘的时间行为的测量( 所 谓的时间攻击) ，或对所用电流变化的测量上的攻击( 所谓的能量或差分能量分析攻 击) ，具有最低的费用。与这种保护性措施相结合的性能损耗对a e s 最小。 速度：在候选者中，a e s 能最快的实现。在所有的备选平台中，包括3 2 位处 理器、8 位微控制器、智能卡上的实现，都表现得很突出。而且允许最快速地产生 轮密钥。 内存需求：a e s 使用非常有限的r a m 和r o m 存储资源，这使它成为在资源 受限环境下应用时的一个出色候选者。特别地，算法对每一轮变换分别计算轮密 钥( “即时式) 。这些性质对应用是极为有利的。 3 1a e s 算法的数学基础 a e s 算法中的许多运算是按字节定义的，一个字节为8 位，每个字节都可看 作有限域g f ( 2 8 ) 中的一个元素。还有一些运算是4 个字节的字定义的，一个4 字 节的字为3 2 位，每个字可以看成是系数在g f ( 2 8 ) 中并且次数小于4 的多项式。接 下来，我们首先介绍本章所需的基本数学概念【1 4 1 。 域由一个非空集合f 组成，在集合f 中定义了两个二元运算符“+ ( 加法) 和 “ ( 乘法) 。如果域f 只包含有限个元素，则称其为有限域，有限域中元素的个 1 4 第三章p v r 机顶盒硬盘数据加解密模块的设计与实现 数称为有限域的阶。有限域g f ( 2 8 ) 中的元素可以用许多不同的方式来表示，所有 的表达式都是同构的，但是不同的表示方式对实现复杂度的影响是不同的。a e s 选择用经典的多项式来表示有限域g f ( 2 8 ) 中的元素。 一个字节b ，由八位b 7 b 6 b 5 b 4 b 3 b 2 b l b o 构成，是系数值为 o ，1 ) 的多项式： b