（信息与通信工程专业论文）基于smartmpeg机顶盒软件模块的设计与实现.pdf

摘要 摘要 相对于模拟电视，数字电视在许多方面都具有压倒性的优势。无论是国内还 是国外，电视数字化已经成为不可逆转的趋势。在向数字电视过渡期间，使用数 字电视机顶盒收看数字电视节目是性价比最佳方案。设计一款好的机项盒是比较 复杂的，它是一个完整的系统的设计过程，而在这个系统中软件起着不可或缺的 作用，没有软件系统，机顶盒只是一堆废铁。 在机顶盒软件的设计过程中，图形用户界面和电视节目信息列表的维护和操 作是很重要的。尤其是图形用户界面，软件都是在后台运行的，客户是看不到的， 也更加不会关心它。可以这么说，一个好的图形用户界面便可以直接把很多用户 吸引住。而电视节目信息列表维护的好坏直接影响机顶盒的服务质量。 本文采用了先系统后模块的研究方法，先简单介绍系统，后主要介绍基于 f u j i t s u 公司s m a r t m p e g 平台的有线电视机顶盒的几个软件模块的设计与实现的 过程。它主要包含以下几个方面： ( 1 ) t t c o s l i 实时内核的工作原理和使用方法。该内核提供任务调度、内存管 理、消息队列服务、信号量服务、中断管理等功能。 ( 2 ) 图形用户界面设计与实现。本项目的菜单设计主要包括主菜单、节目搜 索、系统设置、节目列表等。 ( 3 ) s p a n s i o ns 2 9 g l 0 3 2 af l a s h 驱动程序的设计与实现。 ( 4 ) 电子节目指南的设计与实现。 大部分机顶盒硬件系统功能类似，主要区别在机顶盒软件，通过本课题的研 究，较快的实现了一个具有电子节目指南，图形用户界面，音视频播放，节目列 表技术等功能，性价比高的，带实时操作系统的机项盒软件。出色的完成了服务 于实验室d v b 解调芯片的测试任务，且具有很好的市场前景。 关键词机顶盒；实时操作系统：电子节目指南；图形用户界面 北京工业大学丁学硕十学位论文 a bs t r a c t c o m p a r e dt oa n a l o gt v ，d i g i t a lt vh a sg r e a ta d v a n t a g e a th o m ea n da b r o a d ， d i g i t a lt e l e v i s i o nh a sb e c o m ea l li r r e v e r s i b l et r e n d b e f o r et h ec o m i n go fd i g i t a lt v p e r i o d ，u s i n gs e t - t o p b o xt ow a t c hd i g i t a lt vp r o g r a m si st h eb e s tc h o i c e i t s d i f f i c u l tt od e s i g nag o o ds e t - t o p b o x ，i ti sac o m p l e xs y s t e md e s i g np r o c e s s ，a n di n t h i ss y s t e mt h er o l eo fs o f t w a r ei s i m p o r t a n t ，i ft h e r ei s r i os o f t w a r es y s t e m ， s e t t o p b o xi sj u s tap i l eo fs c r a pm e t a l t h eg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ea n do p e r a t i n go ft h ei n f o r m a t i o nl i s to ft e l e v i s i o n p r o g r a mi sv e r yi m p o r t a n t e s p e c i a l l yt h eg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ，t h es o f t w a r ei s n m n i n gi nt h ec o n s o l e ，c u s t o m e r sc a nn o ts e ei t , a n dt h e ym a yn o tc o n c e r na b o u ti t i tc a nb es a i dt h a tag o o dg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ec a na t t r a c tm a n yu s e r sd i r e c t l y a n d m a i n t a i n i n gt h el i s to ft e l e v i s i o np r o g r a m sa n di n f o r m a t i o ni si m p a c t i n go nt h e q u a l i t yo fs e r v i c e ss e t - t o p b o x i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , i n t r o d u c et h es y s t e mo fs e t t o p b o x s e c o n d l y ，i n t r o d u c e t h em a i nt a s ki st od e s i g ns e v e r a lm o d u l e so fd v b cs e t - t o p b o xb a s e do nt h e f u j i t s us m a r t m p e gp l a t f o r m i tm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) r e s e a r c ha n du s et h er e a l t i m eo so fl l l c o s l i t h ek e r n e lc a np r o v i d et h e s e r v i c es u c ha s t a s k m a n a g e m e n t ，m e m o r ym a n a g e m e n t , s e m a p h o r e s ，m e s s a g e q u e u e s ，a n di n t e r r u p th a n d l i n g ( 2 ) d e s i g na n dd e v e l o pg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e t h ed e s i g no fm e n um a i n l y i n c l u d e st h em a i nm e n u ，p r o g r a ms e a r c h ，s y s t e ms e n i n g sa n dp r o g r a ml i s ta n ds oo n ( 3 ) d e s i g na n dd e v e l o ps p a n s i o ns 2 9 g l 0 3 2 af l a s h d r i v e r ( 4 ) d e s i g na n dd e v e l o pt h ee l e c t r o n i cp r o g r a mg u i d e m o s th a r d w a r eo fs e t - t o p - b o xi sn od i f f e r e n t ，t h ek e yi ss o f t w a r e t h r o u g ho u r r e s e a r c h , i m p l e m e n ts o f t w a r ew h i c hi s l o wp r i c ea n dh a v em a i n l yf u n c t i o no f s e t t o p - b o x ，s u c ha se p g , g u i ，a u d i o ，v i d e o ，p r o g r a ml i s ta n ds oo n i th e l p st e s t i n g d e m o dc h i pv e r ym u c h a n dh a sav e r yg o o dm a r k e tp r o s p e c t s k e y w o r d ss e t - t o p - b o x ；r t o s ；g u i ；e p g ； i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得北京工业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了谢意。 关于论文使用授权的说明 上伽9 s 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：主塑宝 导师签名： 日期：雌 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 数字机顶盒市场与产业发展概况 近年来，数字电视服务在全球范围内得到大力推广，各国都制定了基于本 国发展现状的数字化转换时间表，广播电视数字化的浪潮不可逆转。伴随着整 个电视产业的升级，从制播、传输到接收的多数设备都将更新换代。由于数字 电视价格昂贵且一体机标准不统一，市场推广严重受阻，而机顶盒加电视机的 组合方案则形式灵活，成为目前数字电视接收的主要方式。据有关部门统计， 我国模拟电视机拥有量已经高达4 亿余台，这些模拟电视不可能在短期内都换 成数字电视，如果要接收数字信号，就必须购买机顶盒。假设中国在2 0 1 5 年完 成数字电视的整体平移，机顶盒的市场价值将达数千亿元。 随着电视产业数字化的不断深入，用户对机顶盒的需求会越来越旺盛，在 2 0 0 8 年举办的“第四界数字新媒体高峰论坛”上，国家广电总局科技司司长王效 杰透露，我国将投入2 5 亿元财政资金，在全国全面覆盖地面数字电视【lj 。这将使 地面数字电视标准在全国得到应用，我国数字电视的真正普及从此开始。2 0 0 8 年我国数字电视进入蓬勃发展期，从整体行业来看，有线数字电视步入“后平移” 时代，各种增值业务开始在部分城市应用；地面数字电视借助2 0 0 8 年奥运会的 契机以及国家2 5 亿元的资金支持，开始从标准过渡到产业化的推进阶段；直播 卫星的升空也为2 0 0 9 年卫星数字电视的发展提前预热。据中国电子报联合格兰 研究调查公司，对近3 0 家主流机顶盒企业和主流运营商进行采访后得出的综合 数据显示：到2 0 0 8 年底，中国数字机顶盒的出货量已达到7 0 0 0 万台，相比2 0 0 7 年增长有了很大的增幅，占全球市场份额的一半左右，中国已成为全球机顶盒 市场的制造中心。从产品来看，2 0 0 8 年的机顶盒市场仍旧以有线机项盒为主， 卫星机顶盒仍以出口为主。而一体机市场主要以“全模式”为主，销量很小。在 整个数字电视产业链上，机顶盒产品无疑是最先实现市场化的一个环节，其竞 争程度甚至已经大大超过了整个产业的平均发展水平。因此，伴随着我国电视 数字化浪潮的持续推进以及数字机顶盒出口潜力依然巨大，可以预见在未来两 三年内中国机顶盒市场将依然呈现火爆局势。 北京工业大学丁学硕十学位论文 1 2 国内外发展现状 到1 9 9 9 年底，全球约有2 5 0 0 万台卫星数字电视机项盒，7 0 0 万台有线网 数字机顶盒和4 0 万台地面数字电视机顶盒和接收机，主要分布于欧洲、美国和 日本。由于客观情况、标准、制式等不同，各国的数字电视发展状况也不尽相 同，其中美国、欧洲、日本的数字电视发展比较迅速，己经逐步实施数字电视 的普及，对我国的数字电视发展模式、技术标准的选择有一定的指导和借鉴意 义f 2 1 。 我国从2 0 世纪9 0 年代末启动数字电视。2 0 0 4 年我国开始全面推进有线电 视从模拟向数字整体转换，在2 0 0 5 年开展数字卫星直播业务，计划在2 0 0 8 年 全面推广地面数字电视，2 0 1 5 年关闭模拟电视网络【3 】。数字化是未来发展的趋 势，而数字化的核心技术是m p e g 2 编解码技术【4 】。随着中国数字电视的发展， 国内数字电视机顶盒市场将迅速扩大。 1 3 机顶盒的关键技术 ( 1 ) 信道解调技术 国际、国内标准均规定，在有线网络中传输数字电视及增值业务采用q a m 调制方式，其中1 6 q a m 、3 2 q a m 、6 4 q a m 必选，1 2 8 q a m 和2 5 6 q a m 可选。 由于有线网络信道质量好，只用r s 编码作为纠错编码。 ( 2 ) 信源解码技术 模拟信号数字化后，信息量激增，必须采用相应的数据压缩标准。数字电 视广播采用m p e g 2 视频压缩标准，适用多种清晰度图像质量。音频目前则有 a c 3 和m p e g 2 两种标准。信源解码器必须适应不同编码策略，正确还原原 始音、视频数据。 ( 3 ) 大规模集成芯片技术 为实现实时的解复用和数据信息处理，目前的系统大多采用专用芯片，将 c p u 内核与m p e g 2 传输流解复用器，d v b 通用解扰器，m p e g 音视频解码 器，n t s c p a l 编码器集成，形成s t b 的核心芯片。 ( 4 ) 上行数据的调制编码 开展交互式应用，需要考虑上行数据的调制编码问题。目前普遍采用的有 3 种方式，采用电话线传送上行数据，采用以太网卡传送上行数据和通过有线 网络传送上行数据。 ( 5 ) 实时操作系统 与桌面操作系统不同，机顶盒中的操作系统采用实时操作系统( r t o s ) ，可 2 第1 章绪论 以在实时的环境中工作，并能在较小的内存空间中运行。目前流行的实时操作 系统有v x w o r k s 、l ac o s l i 、o s 2 0 、w i n d o w sc e 等。这些操作系统各有所长， 在机顶盒中都有应用。 ( 6 ) 中间件 在开发机顶盒上层应用中常常会面对如下问题：实时多任务操作系统，硬 件平台原理细节，复杂的行业标准，繁杂的用户界面以及实用功能等各项跨行 业的难题。为了解决上述问题，中间件技术应运而生，并成为数字电视核心技 术，也就是开放式业务平台。它通过定义一组完整的标准应用程序接口，使应 用程序独立于操作系统和硬件平台，从而简化了应用程序的开发，增强产品的 开放性和可移植性，保证机顶盒的可扩展性【5 】。 1 4 机顶盒的发展趋势 ( 1 ) 机顶盒的核心芯片的性能的提升。必然的趋势是c p u 处理速度越来越快， 核心数量从单核到多核。存储器容量越来越大，功耗越来越低。 ( 2 ) m p e g 解码器将同时支持多路节目的解码，提高解码速率。 ( 3 ) 芯片集成度越来越高，提高性能，减小体积，降低成本。 ( 4 ) 外部接口更加丰富，可以与个人电脑等家用电器直连。 ( 5 ) 实现各种交互式应用。比如视频点播、视频下载、网上冲浪、交互游戏 等增值业务。双向传输方案将成为机顶盒发展的主流。 ( 6 ) 图形界面从2 d 平面向3 d 立体转换。 ( 7 ) 应用程序越来越多，功能越来越广。如电子节目指南、p p v 节目、i p p v 节目、视频点播、数据广播、i n t e m e t 接入、电子邮件、i p 电话和可视电话等。 1 5 课题来源及研究意义 数字电视是指从演播室到发射、传输、接收的所有环节都是使用数字电视 信号或对该系统所有的信号传播都是通过由0 、l 数字串所构成的数字流来传播 的，数字信号的传播速率是每秒1 9 3 9 兆字节，如此大的数据流的传递保证了 数字电视的高清晰度，克服了模拟电视的先天不足，而且相对于模拟电视，数 字电视在各方面都具有压倒性的优势，无论是国内还是国外，电视数字化已经 成为不可逆转的趋势【6 j 。从模拟技术到数字技术的转变，是一场重大的技术革 命。从中国国情看，目前老百姓家中有4 亿台左右的模拟电视机，在中国逐步 实现从模拟电视广播向数字电视广播过渡的进程中，数字机顶盒是这一过渡期 间最好的解决方案。我们认为，在这场全球性的从模拟技术到数字技术的转变 过程中，机顶盒是产业的聚焦点。有线机顶盒已从最初单纯的数字电视信号接 北京工业大学工学硕十学位论文 收向包括h t m l 浏览器和条件接收等更多的功能特性转变。然而，由于业务 发展模式和整个机顶盒产业现状的制约，目前国内机顶盒产品在功能开发、 业务提供等方面落后于国外，但总体上具有分别向入门级和高端多功能特性 发展的两极化趋势。一方面，政府推动的整体平移将极大地促进入门级机项 盒发展，此类产品具有基本的接收、电子节目指南( e p g ) ，部分还具有条件接 收功能，整机成本在5 0 0 元以内。另一方面，有线运营商从业务发展和利润 上考虑，希望采用更多具有增值业务的机顶盒产品。意法半导体公司多媒体 事业部机顶盒业务中国区市场经理叶菁华表示，从运营商角度来讲，希望采 用高端方案。机顶盒不只单纯用于接收数字电视节目，还要接收大量的数据， 而且用户和电视机之间、电视节目和电视台之间还要实现互动，要求电视接收 机具有一定的信息处理能力和网络通信能力。因此，提出了本课题的研究。 本课题取材于北京市嵌入式系统重点实验室的d v b 项目。实验室开发了 具有自主知识产权的d v b 解调芯片。为了方便测试芯片的性能，实验室与 f u j i t s u 合作设计开发了d v b c 机顶盒。因此迫切需要开发出一个具有基本功 能的机顶盒软件。本项目自主开发了一个基于l ac o s l i 实时操作系统的机项盒 软件，出色的完成了服务于实验室d v b 解调芯片的测试任务，且具有很好的 市场前景，高性价比。 1 6 论文的组织结构 本论文一共分为7 章，各章主要内容如下： 第l 章为绪论，介绍了机顶盒在国内外的发展现状，以及数字电视机顶盒 的发展趋势和关键技术。最后介绍了课题的来源及其意义。 第2 章为s m a r t m p e g 开发平台介绍。介绍了平台的系统体系结构，机顶 盒的工作流程，接着进一步详细描述了软件的结构，并且给出了机顶盒要实现 的全部功能。 第3 章介绍了嵌入式操作系统的概念，进一步举了ue o s l i 的例子。重点 论述了进程管理，内存管理，以及线程间的同步与通讯。 第4 章介绍了软件架构，系统与模块之间的关系。 第5 章介绍了如何写f l a s h 驱动，并且介绍了f l a s h 分类以及它们的特 点。 第6 章提出了图形用户界面的人性化设计理念，以及s m a r t m p e g 平台实 现界面的方法，并且详细介绍此平台的g u i 系统。 第7 章介绍了电子节目指南的概念，传输流的组成。以及如何从传输流中 提取节目信息。 4 第2 章s m a r t m p e g 软硬件平台介绍 第2 章s m a r t m p e g 软硬件平台介绍 2 1 传输流格式介绍 m p e g 2 的传输流是一种比特流。这种码流里面包含了所有的节目信息。 这其中包括视频数据，音频数据，节目特殊信息( p s i ) 和其他辅助数据。 2 1 1 码流结构 传输流的基本传输单位是传输包( t r a n s p o r tp a c k e t ) 。传输包的包长为18 8 个字节。如图2 1 所示。 包头负载包头负载 、 l 同步1 譬地瓦诣负载单元传输优传输加扰自适应连续计自适应 i 字节指刁开始指示先级 p i d 控制控制数器字段 一 。 一 ， 自适应字不连续随机接入基本流优附加字段附加填充 段长度指示指示先指示标志位字段 字节 一一 一 切换倒传送用户用户扩展自适扩展自适应段扩展自 p c ro p c r 计数数据长度数据应段长度标志位适应段 图2 1 传输包结构 f i g 2 - 1t r a n s p o r tp a c k e t sf o r m a t ( 1 ) 同步字节 每个包的包头都有一个字节的同步标示符0 x 4 7 ，这个同步标示表示从这开 始要传送一个传输包。当然数据中也有可能出现0 x 4 7 ，不能也把它当作是一个 传输包的开始。这就要求必须采用一种方式来找出传输包头，可以通过连续检 查5 个传输包的同步标识符来确定包头。如果连续5 个1 8 8 字节，首字节都是 0 x 4 7 ，即可认为已经找到传输包的包头了。 ( 2 ) 传输错误标识符 这是个只占一位的标识符，如果该位为高，说明在这个传输包里至少有一 位是不正确的数据。 ( 3 ) 负载单元起始标识符 这是个只占一位的标识符，表示p e s ( p a c k e te l e m e n t a r ys t r e a m ) 和 5 北京工业大学t 学硕十学位论文 皇暑曼量曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼鼍皇鼍曼曼鼍i |i i 曼曼曼罾量量量曼量皇量量量曼曼曼曼皇曼皇曼皇曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼量置曼鼍量皇曼曼量 p s ( p r o g r a ms p e c i f i ci n f o r m a t i o n ) 数据的开始。 ( 4 ) 传输优先级标识符 这是个只占一位的标识符，当此位为高，那表示在拥有相同节目标识符 p i d ( p r o g r a mi d e n t i f i e r ) 的传输包中，它的优先级高于那些此位被设置为o 的那 些传输包。 ( 5 ) 节目标识符 节目标识符是非常重要的，一共有1 3 位。每一个视频，音频流和报文流都 有一个独一无二的节目标识符值。这就是说，每一个基本码流都有其唯一的节 目标识符值。 ( 6 ) 传输加扰控制符 这是2 位的状态指示控制符，指示传输包中负载的加扰模式。( 注意，如果 传输包的包头中有适配域，就没有加扰。) 如果其值为0 ，说明没有加扰。如果 其值为1 ，2 或者3 ，就意味着有加扰，也就意味着有条件接入( c a ) 系统在使用。 ( 7 ) 适配域控制符 这是2 位的状态指示控制符，指明传输包中在包头后面是否紧跟着有适配 域或负载。 ( 8 ) 连续计数器 这是一个4 位的连续计数器，用来区分拥有相同节目标识符的传输包。一 旦有相同的节目标识符，就会增加计数。如果计数到最大值，就重新变成0 。 然后再增加计数值。 ( 9 ) 适配域 这个域可有可无。大小从1 个字节到1 8 4 个字节。 2 1 2 传输流构成 ( 1 ) p e s 包( p a c k e te l e m e n t a r ys t r e a m ) 符合一定标准的数字视频数据和数字音频数据分别通过图像编码和声音编 码之后，生成了视频e s 和音频e s 。音视频e s 流以及辅助数据必须复用在一 起才能构成一路实际的电视节目传输流( t s ) 。由于一路节目的传输流的速率是 与节目密切相关的，体育节目的传送流速率远高于采用同样编码器的新闻节目 的传送速率，因此在电视节目传输和交换时，将多路节目复用在一起传输，根 据节目内容动态分配其传输带宽，从而大大节省了实际所需的传输频带。音、 视频e s 流首先打包成p e s ，再由t s 包封装。如果传输流是由具有一个相同时 间基准的多路e s 流复用构成的，为单路节目复用；如果传输流是由具有几个 独立时间基准的多路e s 流复用构成的，称为多路节目复用或系统级复用。 6 第2 章s m a r t m p e g 软硬件平台介绍 ( 2 ) p s i 表与s l 表 在m p e g 2 标准中定义的节目信息p s i ，是对单一码流的描述，由于系统 存在多个码流，为了使使用者能在码流中快速地找出自己需要的业务，对 m p e g 2 的p s i 进行了扩充，在p s i 四个表的基础上再增加了九个表，形成s i 。 s i 是对整个系统所有码流的描述，它包括了p s i 信息。p s i 由节目关联表( p a t ) 、 条件接收表( c a t ) 、节目映射表( p m t ) 和网络信息表( n i t ) 组成，这些表插入到 传输流中传输。p s i 指定了如何从一个携带多个节目的传送流中正确找到特定 的节目，当接收机要接收某一个指定节目时，首先从节目关联表中取得这个节 目的节目映射表的p i d 值，然后从t s 中找出与此p i d 值相对应的节目映射表， 从这个节目映射表中获得构成这个节目的基本码流的p i d 值，根据这个p i d 值 滤出相应的视频、音频和数据等基本码流，解码后复原为原始信号，删除含有 其余p i d 的传送包。 ( 3 ) 节目映射表( p m t - p r o g r a mm a pt a b l e ) p m t 包含了与单路节目复用有关的控制信息。其典型构成包括l 路视频 e s 流、2 到5 路音频e s 流以及1 路或多路辅助数据，当然也可以仅由上述e s 流中的一种构成。在进行传输流复用时，各路e s 流被分配了唯一p i d ，e s 流 与被分配的p i d 值之间的关系构成了一张表，成为节目映射表p m t 。p m t 完 整描述了一路节目是由哪些传输流组成的，它们的p i d 分别是什么等等。为了 使得解复用器能够根据p i d 恢复各路e s 流，需要在传送节目前将p m t 表传送 给解复用器。在m p e g 2 传送层中，传送p m t 表的码流称为控制码流，它与 其他e s 流一样，作为一个独立码流，被承载在t s 包里进行传送，并且被分配 了一个唯一的p i d 。承载p m t 的t s 包有自己独特的p i d 值。p m t 表的内容包 括表标识号( 以区别于p a t ) 、表的长度指示、所描述节目的编号、用于提供本 节目收发同步参考的p c r 所在的e s 流的p i d 值、节目描述信息长度标识及随 后的节目描述信息，还有一个或者多个组成该节目的e s 流描述信息，包含了 该e s 流的类型( 音频、视频还是数据) 提示、p i d 值、及具体的描述信息等。 2 2 有线数字电视机顶盒的原理 有线数字电视信源在进人有线电视网络前完成两级编码，一级是传输用的 信道编码，另一级是音视频信号的信源编码和所有信源封装成传输流。在接收 端，数字电视机顶盒从传输层提取信道编码信号，完成信道解调；然后还原压 缩的信源编码信号，恢复原始音视频流，同时完成数据业务和多种应用的接收 和解析。 7 北京t 业大学_ t 学硕士学位论文 有线数字电视机顶盒由高频头、信道解调器、信源解复用器、m p e g 解码 器、音频d a 、视频编码器、嵌入式c p u 系统和外围接口、条件接收模块等组 成。具有交互功能的机顶盒则需回传通道。高频头接收来自有线电视网的射频 信号，通过q a m 解调器完成信道解码，从载波中分离出包含音视频和其他数 据信息的传送流。传送流中通常包含多个音视频流及一些数据信息。信源解复 用器则用来区分不同的节目，提取相应的音视频流和数据流，送人m p e g 2 解 码器和相应的解析软件，完成数字信息的还原。对于付费电视，条件接收模块 对音视频流进行解扰，并采用含有识别用户和进行记账功能的智能卡，保证合 法用户正常收看。m p e g 2 解码器完成音视频信号的解压缩，解码后的数字音 频信号和数字视频信号分别经d a 音频数模转换器和d e n c 视频编码器，还原 出模拟音频和模拟视频信号，在模拟电视机显示和输出，从而达到在模拟电视 机上观看数字电视节目和各种数据信息的目的。 2 3s m a r t m p e g 开发平台的系统结构 f u j i t s u 的s m a r t m p e g 平台系统框图如图2 2 所示。在图2 2 中可以看到 f u j i t s u 的s m a r t m p e g 机顶盒平台采用的是a r c 的c p u ，它是一款3 2 位采用 精简指令集计算机架构( p d s c ) 的时钟频率为1 3 0 5 m h z 的低功耗c p u 。f u j i t s u 开发了d v b c ，d v b t ，d v b s 等数个系列多款m p e g 解码器。北京嵌入式 系统重点实验室的d v b c 机顶盒采用的是m b 8 6 h 2 0 b 这一款m p e g 解码器。 此平台具有两路的传输流解复用器并且集成了d v b 解扰功能。加解扰技术是 传输时用加扰控制字加密、用户端利用i c 卡解密的方法对数字节目进行加密和 解密。此平台还有一个p a l n t s c s e c a m 数字视频编码器和一个显示控制器， 它可以显示4 层的图像数据。c p u 和m p e g 解码器共享同一块s d r a m 。根据 需求，可以选择1 6 位或者是3 2 位的总线。s m a r t m p e g 平台提供了很多公共接 口，可以接n o r i n a n d 闪存，i d e 硬盘或者其他设备等等。通过1 2 c 总线可 以连接两块智能卡，智能卡与条件接入是相关的。智能卡中包含有个人分配密 钥，机顶盒通过分析传输流中的条件接入描述信息( c a d e s c r i p t i ) r ) 可以得到条件 接入信息，并把它传给智能卡，智能卡使用密钥来进行解密，解密后解扰器就 可以将加扰的传输流进行解扰了。 第2 章s m a r t m p e g 软硬件平台介绍 曼曼量曼曼曼曼曼皇曼曼皇皇i i i 曼曼曼曼量曼鼍曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼鼍量皇曼曼曼曼量曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼量量曼曼曼曼曼曼曼曼曼罡曼皇量 ”2 7 眦 h j i d e ? c i u a r t t i r i n j i r o u t 刚m ，k e y b o ar d 胁 图2 - 2s m a r t m p e g 机项盒体系结构 f i g 2 - 2a r c h i t e c t u r ef o rs m a r t m p e gs e t - t o p - b o x 2 4s m a r t m p e g 平台软件结构 虽然在实际的代码上未必会有界限分明的层次，但在逻辑上分层可以使设 计更为清晰，更为清楚所构建的软件系统处于哪个层次。 从图2 3 中可以清晰的看到所要开发的软件系统所处的位置。虽然也需要 自己编写一些驱动层的程序，比如f l a s h 的驱动，t u n e r 和d e m o d 芯片的驱 动以及应用这些驱动的逻辑，但大部分工作只需要调用f a p i 进行。f a p i 是对 s m a r t m p e g 硬件平台的抽象。它包含g u i 库，r t o s 适配层库和常用中间件等。 9 北京t 业大学工学硕十学位论文 f u j i t s ua p i 2 5 需求的定义 图2 3 软件层次结构 f i g 2 - 3l a y e ro f s o f t w a r e d v b c 机顶盒软件系统的项目是为了验证北京市嵌入式系统重点实验室 的d v b 解调芯片性能的项目。鉴于单独的d v b 解调芯片无法直观并且全面的 展示其性能，因此实验室提出了机顶盒的设计方案。采用f u j i t s u 的m p e g 2 解码芯片和实验室自主知识产权的d v b c 解调芯片构造一个经济型d v b c 机 顶盒。软件系统正是这个项目的一部分。可以说，本项目软件系统的真正用户 是d v b c 解调芯片性能的评估者。因此，软件系统无需实现复杂的机项盒功 能，只需较快实现d v b c 机顶盒所需的基本功能即可。 按照上述的原则，最终需求定义如下： ( 1 ) 支持电视广播浏览选择播放，支持9 9 9 个电视广播服务。 ( 2 ) 支持手动和自动两种频道搜索方式。 ( 3 ) 节目信息及用户设置记忆功能。 ( 4 ) 具有密码修改功能。 ( 5 ) 可以查看机项盒版本信息。 ( 6 ) 支持调整菜单透明度、语言、对比度、亮度、饱和度诸项显示参数。 ( 7 ) 支持调整屏幕格式、视频输出、制式诸项视频参数。 ( 8 ) 具有恢复出厂设置功能。 ( 9 ) 支持一周电视节目指南。 1 0 第2 章s m a r t m p e g 软硬件平台介绍 ( 1 0 ) 支持1 6 3 2 6 4 1 2 8 2 5 6 q a m 等不同调制方式下的搜索。 2 6 本章小结 这一章介绍了s m a r t m p e g 开发平台的体系结构以及机顶盒的工作流程和 软件的整体结构。并且详细列出了机顶盒项目所实现的全部软件功能。 第3 章嵌入式操作系统的应用 曼量皇曼曼曼皇曼皇曼i i i_ i 曼 第3 章嵌入式操作系统的应用 3 1 嵌入式操作系统概念 操作系统是嵌入式系统设计的可选部分，也就是说并不是所有的嵌入式系 统都要有操作系统。在嵌入式操作系统中操作系统的作用主要有两个： 一是 为操作系统上层软件( 如应用层软件和中间件) 提供相关编程接口，使之尽量 减少对底层硬件的依赖。这样的好处是开发应用程序和中间件变得更容易，更 快捷。而且它们的可移植性会很高。二是管理系统硬件和软件资源，确保系统 操作更为快捷并且有效。所有的嵌入式操作系统都有一个内核，它包涵了操作 系统的主要功能，主要有以下三个作用： ( 1 ) 进程管理 操作系统会建立一些进程来装载程序的执行所包含的所有信息。比如堆栈， 数据，可执行代码等。而这些进程它们都要通过占用c p u 来运行。执行哪个进 程，不执行哪个进程，哪个进程优先执行，哪个进程稍后执行就是操作系统的 调度工作。操作系统必须通过进程的执行、调度、协同、通讯来合理的为各个 进程分配c p u 资源。为用户提供优质服务。而一般嵌入式系统对操作系统的实 时性要求较高，这就要求嵌入式操作系统的调度尽可能快的响应用户的最新操 作。一般的实时操作系统都是由优先级调度法来实现的。 ( 2 ) 内存管理 嵌入式系统的存储空间是被不同进程共享的，由于代码都是装载在内存中 供c p u 执行的，而内存空间是有限的。如何为正在执行的进程分配内存空间， 而又不被其他的进程所影响。这就是操作系统内存管理的工作。它还包括如下 几项工作： 管理内存物理地址与逻辑地址的映射； 决定把哪个进程装载到内存空间里； 为进程分配和回收内存； 保护内存中进程的安全性； 提供动态分配和回收内存的编程接口。 ( 3 ) i o 系统管理 i o 设备也是由不同进程所共享的，与内存资源一样，对i 0 设备的访问需 要操作系统进行管理。如何让各个进程来合理使用i o 设备呢? 嵌入式操作系 统为i o 设备提供了统一的编程接口，这样用户就可以通过系统调用来访问i o 1 3 北京t 业大学丁学硕士学位论文 设备，广泛地实现i o 设备的功能。这样对于i o 设备来讲，操作系统也为它 们提供了一定的保护作用。 3 2 嵌入式操作系统实例一g c o s l i uc o s l i 是一个免费的源代码公开的实时嵌入式内核，它提供了实时系统 所需的基本功能。它实际上是一个实时操作系统内核，只包含了任务调度、任 务管理、时间管理、内存管理和任务间的通信与同步等基本功能。没有提供输 入输出管理、文件系统、网络之类的额外服务。其包含全部功能的核心部分代 码只占用8 3 k 字节，而且由于uc o s l i 是可裁剪的，所以用户系统中实际的代 码最少可达2 7 k 字节，可谓短小精悍。l ac o s l i 不仅使用户得到廉价的解决方 案，而且由于pc o s l i 的开源特性，用户还可以针对自己的硬件优化代码，以 获得更好的性能。 3 2 1 p , c o s l i 的特点 ( 1 ) 可移植性 绝大部分| le o s l i 的源码是用移植性很强的a n s ic 写的，和微处理器硬件 相关的那部分是用汇编语言写的。汇编语言写的部分己经压到最低限度，使得 uc o s l i 便于移植到其他微处理器上，只要该微处理器有堆栈指针及c p u 内部 寄存器入栈、出栈指令。另外，使用的c 编译器必须支持内嵌汇编o n l i n ea s s e m b l y ) 或者该c 语言可扩展、可连接汇编模块，使得关中断、开中断能在c 语言程序 中实现。l ac o s l i 可以在绝大多数8 位、1 6 位、3 2 位以至6 4 位微处理器、微 控制器、数字信号处理器( d s p ) 上运行。 ( 2 ) 可裁剪 可以只使用l ae o s l i 中应用程序需要的那些系统服务。也就是说某产品可 以只使用很少几个l ac o s l i 调用，而另一个产品则使用了几乎所有uc o s l i 的功 能。这样可以减少产品中的l ac o s l i 所需的存储空间( r a m 和r o m ) ，这种可裁 剪性是靠条件编译实现的。只要在用户的应用程序中定义哪些功能是应用程序 需要的便可。程序和数据两部分的存储用量己被最大限度的压低了。 ( 3 ) 抢占式 pc o s l i 完全是占先式的实时内核，它总是运行就绪条件下优先级最高的 任务。大多数商业内核也是占先式的，l ac o s l i 在性能上和它们类似。 ( 4 ) 多任务 pc o s l i 可以管理“个任务，目前这一版本保留6 个给系统。应用程序最 多可以有5 6 个任务。赋予每个任务的优先级必须是不同的。每个任务有自己单 1 4 第3 章嵌入式操作系统的应用 独的栈，i tc o s l i 允许每个任务有不同的栈空间，以便压低应用程序对r a m 的 需求。使用uc o s i i 的栈空间校验函数，可以确定每个任务到底需要多少栈空 间。 ( 5 ) 可确定性 全部pc o s l i 的函数调用与服务的执行时间具有其可确定性。也就是说， 全部i tc o s l i 的函数调用与服务的执行时间是可知的。进而言之，l lc o s l i 系统 服务的执行时间不依赖于应用程序任务的多少。 ( 6 ) 系统服务 ue o s l i 提供很多系统服务，例如邮箱、消息队列、信号量、块大小固定 的内存的申请与释放、时间相关函数等。 ( 7 ) 中断管理 中断克以使正在执行的任务暂时挂起。如果优先级更高的任务被该中断唤 醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行，中断嵌套层数可达2 5 5 层。 ( 8 ) 可靠性 uc o s l i 是基于“c o s 的，i tc o s 自1 9 9 2 年以来已经有好几百个商业应用。 ue o s l i 与i tc o s 的内核是一样的，只不过提供了更多的功能。 ( 9 ) 公开源码 l ic o s l i 是一个免费的源代码公开的嵌入式实时操作系统内核。这份源代 码易读而且结构清晰。 3 2 2l x c o s l i 进程管理 3 2 2 1 进程、线程及任务的概念 进程包括两个概念，一个是资源的所有权，另一个是程序的执行。进程是 由一些资源( 比如说主存、i o 通道、i o 设备和文件等) 和一些程序执行单元 线程( 在这里也称做任务) 组成的。它是一个简单的程序，该程序可以认为c p u 只属于该程序自己。实时应用程序的设计过程，包括如何把问题分割成多个任 务，每个任务都是整个应用的某一部分，每个任务被赋予一定的优先级，有它 自己的一套c p u 寄存器和自己的栈空间。 一个线程通常是一个无限的死循环。一个线程的建立是靠i tc o s l i 提供的 线程创建函数来实现的： r t o s _ t h r e a dr t o s _ t h r e a d c r e a t e ( r t o s _ t h r e a d f u n c t i o nf u n c t i o n ， v o i d 宰a r g ，r t o s _ p r i o d t yp r i o d t y , r t o sm e m o r ys t a c k ， 北京t 业大学工学硕士学位论文 r t o s s i z es s i z e ) 此函数的参数可以设置线程优先级，栈空间的大小等。 3 2 2 2 线程状态及其相互间的转换 图3 1 是uc o s l i 控制下的任务状态转换图。在任一给定的时刻，一个线程 的状态一定是这五种状态之一。这五种状态分别是就绪态、运行态、等待态、 睡眠态、中断态。 就绪态：可以被调度执行。内核会跟踪所有的就绪线程，并按优先级进 行调度。 运行态：一旦内核处理线程的切换，就绪态线程将进入运行态并开始执 行，其执行过程一直持续到被中断或者被终止。 等待态：当线程被一个事件阻塞、为了同步而情愿等待并暂停执行，该 线程进入等待态。 睡眠态：指线程驻留在程序空间中，还没有交给uc o s l i 管理。 中断态：被中断了的线程即处在中断态。 而这五种状态是可以相互转换的，任何事件的发生都有可能导致线程状态 的转换，以下是线程间可能发生的转换： 就绪态转运行态：需要选择一个新线程运行时，通过o s s t a r t o 函数 可以使得操作系统调用一个处于就绪态最高优先级的线程进入到运行态。 运行态转就绪态：这类转换最常见的原因是，正在运行的线程达到了 时间片最长的运行时间。还有就是如果操作系统给不同的线程分配不同的优先 级，线程就有可能被抢占而进入就绪态。 等待态转就绪态：正在等待事件发生的线程，一旦事件发生就会进入 就绪态队列。 运行态转等待态：正在运行的线程为了等待某事件的发生可以调用 o s t i m e d l y 0 或o s t i m e d i y h m s m 0 这两个函数将自身延迟一段时间。这个线程 于是进入等待状态，等待这段时间过去。下一