（信号与信息处理专业论文）idtv数字电视接收模块的软件设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着数字电视产业的发展，机卡分离的数字电视一体机将逐渐成为数字电视 接收设备的主流产品。所谓数字电视一体机( i d t v ) 是一种能够进行数字视频信号 和模拟视频信号处理，同时进行高清晰度显示，具有友好的人机交互界面的消费 电子产品。它通过数字电视的解码系统与模拟电视系统的完美融合，真正意义上 实现了电视接收机从信道传输到信源解码的全数字化，彻底解除了人们在购买高 清晰数字电视后还要再购买外置机顶盒才能收看数字节目的束缚，是未来数字电 视的发展方向。 本论文基于“d v b c 机卡分离数字电视一体机”项目，依据我国的有线数字 电视传输标准，结合数字电视一体机的系统原理以及有线数字电视接收模块的软、 硬件特性，采用了s t m i c r o t r o n i c s 公司提供的q a m i 5 5 1 6 芯片作为主芯片，选用 s t 2 0 作为系统开发平台，在数字电视一体机环境中实现了数字电视接收模块的用 户界面和电子节目指南等应用软件的设计。 本论文首先介绍了d v b c 数字电视一体机的系统原理，并详细阐述了i d t v 数字部分与模拟部分的通信协议。然后，根据系统功能和用户需要，利用屏幕显 示图形库提供的应用编程接口，实现了i d t v 数字电视接收模块用户界面的功能， 并结合m p e g 2 标准和中文业务信息规范，完成了有关p s i s i 信息的提取和分析， 实现了i d t v 数字电视接收模块e p g 的功能。最后，深入分析了w i n d o w s 操作系 统中f a t 3 2 文件系统的体系结构，设计了一种基于d v r 功能的嵌入式音视频文件 系统的实现方案，为在i d t v 数字电视一体机上实现d v r 功能做准备。 关键词：数字电视一体机，m e p g 一2 ，d v b ，电子节目指南，数字视频录像 a b s t i a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f d i g i t a lt e l e v i s i o ni n d u s t r y , i d t v ( i n t e g r a t e dd i g i t a l t e l e v i s i o n ) ，w i t hs e p a r a t e dc am o d u l ea n dh o s t ，b e c o m e st h em a i n s t r e a mo fd t v r e c e i v i n gp r o d u c t i d t vi sak i n do fe l e c t r o n i cp r o d u c tt h a tc a np r o c e s sd i g i t a la n d a n a l o gv i d e os i g n a l ，w i t hh i g hd e f i n i t i o nd i s p l a ya n df r i e n d l ym a n m a c h i n ei n t e r f a c e i n c o n j u n c t i o nw i t ht h es y s t e mo ft h ed t vd e c o d e ra n da n a l o gt vi d t vr e a l i z e st h e c o m p l e t ed i g i t a l i z a t i o nf r o mc h a n n e lt od e c o d i n gi nt vs y s t e m i ta l s oe n a b l e sp e o p l e t ow a t c hd t vp r o g r a m sw i t h o u tn e e dt ob u ys e t t o p b o x w h i c hi st h et e n d e n c eo f d t v d e v e l o p m e n t t h i st h e s i si sb a s e do nt h ep r o j e c t “d v b cs e t c a r ds e p a r a t i o ni d ”t h i s p r o j e c tt a k e st h es t sq a m i 5 5 1 6c h i pa st h em a i nc h i p ，s t 2 0a sd e v e l o p i n gp l a t f o r mt o c a r r yo u tt h ed e s i g no nu s e ri n t e r f a c ea n de p go fd t v r e c e i v i n gm o d u l ei ni d t v t h i s d e s i g na c c o r d sw i t ht h et r a n s m i s s i o ns t a n d a r do fc a b l ed i g i t a lt e l e v i s i o ni no u rc o u n t r y a n dt h es y s t e mp r i n c i p l eo fi d t v f i r s t l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e st h es y s t e mp r i n c i p l eo fi d t v , a n dd e s c r i b e st h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o ri t sd j i g i t a lm o d u l ea n da n a l o gm o d u l ei nd e t a i l t h e n ， a c c o r d i n gt ot h es y s t e mf u n c t i o na n dr e q u i r e m e n to fc o n s u m e r s ，i tu s e st h ea p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n gi n t e r f a c ep r o v i d e db yt h eo s dg r a p h i c sl i b r a r yt or e a l i z eau s e ri n t e r f a c e o fd t v r e c e i v i n gm o d u l ei ni d t v b a s e d0 nm e p g 2s t a n d a r da n dc h i n e s es e r v i c e i n f o r m a t i o n ，i te x t r a c t sa n da n a l y z e st h ep s i s ii n f o r m a t i o n r e a l i z e se p gf u n c t i o no f d t v r e c e i v i n gm o d u l ei ni d t v f i n a l l y , t h i st h e s i sa n a l y z e st h ea r c h i t e c t u r eo ff a t 3 2 f i l e s y s t e mi nw i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m ，a n dd e s i g n sai m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo f e m b e d d e da vf i l es y s t e mb a s e do nd v r f u n c t i o n ，t op r e p a r ef o ri m p l e m e n t a t i o no f d v rf i l n c t i o ni ni d l v k e yw o r d s ：i d t v ，m e p g - 2 ，d v b ，e p g ，d v r 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：兰：l 茎 日期：砌占年4 月对日 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：主! l 茎 导师签名： 日期：加占 第一章引言 第一章引言 电视发展到今天，它的使用范围早已超越了广播娱乐界，广泛地扩展到文化 教育、科研管理、工矿企业、医疗卫生、公安交通、军事宇航和人们日常生活地 各个领域。随着信息时代的到来、信息和数字技术的飞跃发展，电视技术在经历 了黑白电视到彩色电视的革命性转变后，自然而然地进入了从模拟电视到数字电 视的革命。 1 1 数字电视概述 数字电视是数字化信息技术革命的产物。所谓数字电视，是将传统的模拟电 视信号经过量化和编码转换成二进制数代表的数字式信号，然后进行各种功能的 处理、存储和记录，也可以用电子计算机进行处理、监测和控制。 数字电视可以提高电视清晰度，提供更高质量的画面，提高视频点播效果， 它是今后电视业发展的一个方向。与模拟电视相比，数字电视有以下优点： 1 图像质量高 恢复图像的效果不受传输、转播的影响，在接收端可达到发射端的水平。 2 音频质量高 支持5 1 声道的数字环绕声节目源，可以通过电视节目获得家庭影院的效果。 3 抗干扰 数字视频不受干扰、增益、相位错误和串音的影响，同等传输条件下的抗干 扰能力明显优于模拟电视。 4 传输效率高 进行地面方式发送时，每个模拟电视频道只对应一个节目，而数字电视中多 个节目复用到一个码流中，在一个频道中可包含6 8 套节目，极大的提高了频道的 传输效率。 5 提供全新的多业务应用 通常的模拟电视一般只能是电视台按预定的节目表播放节目，用户只能被动 地接收。数字电视网与电信网及计算机网相结合，实现三网融合，不仅使信息源 1 电子科技大学硕士学位论文 更为丰富，还便于增加用户与各种信息提供源之间地交互性，实现用户自由点播 节目、自由选取网上的各种信息。可以提供多种数据业务服务，使电视机可以真 正融入到信息网络中去，可以实现多种新的功能，例如：家长可对电视节目选择 设定密码，以防止未成年人收看限制级节目等。 在继模拟电视出现不同的制式标准后，数字电视再次出现不同标准共存的现 象。当前，数字电视传输方式分为三种，即有线传输、卫星传输和地面传输。国 际上有线传输和卫星传输都采用欧洲的d v b 标准，而地面传输目前主要有三种标 准，即欧洲的d v b 标准、美国的a t s c 标准和日本的i s d b 标准。 数字电视经过信息的数字化传输方式，提供更大的屏幕，更清晰的图像和光 盘质量的立体声音响。同时，数字电视又是计算机化了的电视，它与计算及技术 融为一体，数字化地处理、传输、接收和显示信息。数字电视将逐步淘汰模拟电 视，成为电视发展的必然趋势。 1 2 数字电视接收 尽管“数字电视”的概念已深入人心，但是目前国内市场上还没有一台真正 的数字电视机。我们看到的只是一个数字机顶盒和一台支持a v 输出的模拟电视 机。 从我国国情看，目前老百姓家中有3 亿台左右的模拟彩色电视机，在我国逐 步实现从模拟电视广播向数字电视广播过渡性的进程中，模拟广播电视转向数字 广播电视需要经历一个较长的过渡时期，数字机顶盒是这一过渡期间最好的解决 方案，是数字电视产业发展中出现的临时性、补救性的过渡产品，是为解决模数 转换问题而存在的产品。 数字电视解码器( 俗称数字电视机顶盒) ，是一种将数字电视信号转换成模拟 信号的变换设备，对经过数字化压缩的图像和声音信号进行解码还原，产生模拟 信号，送入显示器显示和播放，从而实现了模拟电视的数字化接收，如图1 - 1 所示。 图1 - 1 模拟电视的数字化接收 2 第一章引言 目前，数字电视机顶盒已经在开展数字电视广播的地区开始使用，根据用户 需求和消费水平的差异，机顶盒支持的业务也不同，存在着多种类型的产品。 1 普及型机顶盒：主要以接收基本的付费数字电视节目为主、满足大多数 用户需求，并且具有良好的性能价格比。 2 增强型机顶盒：在普及型机顶盒基础上增加基本中间件软件系统，基于基 本中间件可以实现数据信息浏览、准视频点播、实时股票接收等多种应用。这款 机项盒已经超越了以观看数字电视为主的需求，增加了多种增值业务且具有可升 级性。 3 交互式机顶盒：集成了符合m h p ( m u l t i m e d i ah o m ep l a t f o r m ，多媒体家庭 平台) 标准的中间件软件系统，除提供增强型机顶盒主要功能外，还可以基于m h p 提供交互式应用、网页信息浏览等多种增值业务。 总的来说，现在的数字电视机顶盒已不止单纯用来接收数字电视节目，还要 接收大量的数据，实现电视节目与电视台之间的互动，因此要求电视接收机具有 一定的信息处理功能和网络通信的能力。目前，数字电视机顶盒已经逐步向信息 家电的方向发展，并且有可能成为家庭网络中的核心设备。 1 3 我国数字电视的发展趋势 当你买了一台电视，还要再买一台数字电视机顶盒才能收看数字电视节目时， 你不觉得太麻烦了吗? 是的，相信大多数人有这样的感觉。但是，这种状况将随 着数字电视一体机即“全数字电视”的问世而改变。 目前市场上销售的数字电视，从严格意义上讲，不是数字电视，而是数字电 视信号显示器。因为这样的数字电视并不能直接收看数字电视节目，还需再接上 一个数字电视机项盒，接收并转换信号格式，才能在电视上显示出数字电视节目， 如果没有这台机顶盒，你的数字电视分辨率再高也没有用。但是，数字电视一体 机就不同了，因为它把机顶盒的硬件设施做进了电视机内部，所以无需另外再购 买机顶盒。这样一来，我们只需要接上电视信号线就可以收看数字电视节目了。 i d t v ( i n t e g r a t e dd i g i t a lt e l e v i s i o n ，一体化数字电视接收机) 被认为是“真正意 义上的数字电视”，其核心技术是将数字电视的解码系统( 包括数字电视信道和信 源解码模块) 与模拟电视系统实现无缝拼接，通过相关的应用软件进行完美的融 合，从而在消费者需要的时候能够在模拟电视和数字电视模式间相互转化，真正 3 电子科技大学硕士学位论文 实现了电视接收机从信道传输到信源解码的全数字化，从而使得一体机能够广泛 的应用于家庭模拟数字有线电视节目的接收和显示。它将彻底解除人们在购买高 清数字电视后还要再购买外置机顶盒才能收看数字节目的束缚，代表了我国目前 数字电视技术领域的顶尖水平，是电视技术从黑白向彩电发展之后的第三代电视 的开山之作，将引领我国数字电视未来的发展方向。 “机”即机顶盒，“卡”则是指含有数字电视计费系统的卡。所谓“机卡分离” 就是将原先机顶盒内的条件接收模块( 包括软件和硬件) 集成在一个独立的有条件 接收功能模块c a m ( c o n d i t i o n a la c c e s sm o d u l e ，俗称大卡) 中，通过标准的 p c m c i a 接口与机顶盒内的信源解码器通信，从而实现了机顶盒和解密模块的完 全分离。如图1 2 所示，将机顶盒内信源解码器的解扰模块和原先的智能卡合并在 一起，移至信源解码器的外部，便实现了机卡分离。 信源解码器 皿雕馏 图1 - 2 “机卡分离”加密技术原理 机卡分离为数字电视一体机的发展开辟了道路。随着国内数字电视整体平移 进度进一步加快，尤其是机卡分离标准的颁布，国内各主要家电厂商都纷纷不遗 余力加大对数字电视一体机市场的投入和研发。 在“中国数字电视产业高峰论坛上”，t c l 率先展出了d v b c 数字高清液晶 电视机卡分离一体机，该一体机采用自主开发的控制通讯协议，应用准视频点播 技术，并采用了机卡分离的条件接收系统，不仅可轻松实现数模转换，还能适应 采用不同加密系统的数字电视运营商。目前康佳推出的数字电视一体机包括了 c r t 和液晶两方面产品，均采用国微机卡分离技术同时支持高清和标清数字电视 信号。除此之外，包括长虹、创维、海信等在内的9 家公司的1 0 种符合p c m c i a 机卡分离行业标准的数字电视一体机也已经通过了兼容性测试。根据国家广电总 4 第一章引言 局的规划，预计到2 0 1 5 年，我国数字电视将全部转换成采用p c m c i a 接口的机卡 分离数字电视一体机。随着数字电视产业的发展，机卡分离的数字电视一体机将 逐渐成为数字电视接收设备的主流产品。 1 4 论文的主要内容和结构安排 本论文的内容及研究成果综合了作者读研期间参加的以下项目或课题： 1 d v b c 机卡分离数字电视一体机软件设计，完成的工作包括： 机卡分离数字电视一体机通信协议的实现。 数字电视用户界面( u i ) 的设计与实现。 m p e g 一2p s i 和d v bs i 信息的提取、节目信息数据库的建立及e p g 的实现。 2 t c l 有线数字电视机顶盒软件设计，完成的工作主要是用户界面的功能实 现，因为完成的工作与前一项目的用户界面重复，所以本论文中不加以讨论。 3 基于s t i 5 1 0 0 数字机顶盒d v r 功能的实现，完成的工作主要是嵌入式音 视频文件系统的设计。 本论文包括六章，结构安排如下： 第一章：引言，即本章，介绍本文的课题背景、研究内容和意义。 第二章：i d t v 数字电视一体机系统及其数模通信协议的实现。本章介绍了数 字电视接收模块的基本原理、软硬件结构及系统开发环境，并详细讨论了i d t v 数 模部分的通信协议，给出了该协议的具体实现过程。 第三章：i d t v 数字接收模块用户界面的设计与实现。本章详细介绍了i d t v 数字接收模块用户界面的设计基础与实现过程。 第四章：i d t v 数字接收模块e p g 的设计与功能实现。本章讨论了p s i 和s i 中各信息表的结构和功能，并详细介绍了i d t v 数字部分e p g 的实现过程，给出 了具体的e p g 接收流程和存储方案。 第五章：基于d v r 功能的嵌入式文件系统设计。本章介绍了d v r 的概念及 工作原理，并简要介绍了几种常见的文件系统，通过详细分析f a t 3 2 文件系统体 系结构，设计了一种基于d v r 功能的嵌入式a v 文件系统的实现方案。 第六章：结束语。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章id t v 数字电视一体机系统及其数模通信协议的实现 在不久的将来，模拟电视信号将要被数字电视信号完全取代。在模拟电视最 终被关闭之前，将会出现模拟电视和数字电视共存的过渡期。在我国，目前即处 于这种状态，但是由于国家机卡分离的标准还没有最终确定，目前收看数字电视 的方法是使用一个单独的机顶盒来完成数字解调和解码，而用模拟电视作为显示 终端。现在在国外，由于普遍采用了基于d v b c i 的机卡分离加密技术，使得数 模兼容一体机的出现成为可能。本章讨论了d v b c 机卡分离数字电视一体机解决 方案的系统设计，并详细讨论了其中数字部分和模拟部分的通信协议。 2 1id t v 数字电视一体机的基本原理 由于数模混合电视的技术刚刚起步，从目前基本功能的数模混合电视到真正 意义上、全功能的数模混合电视的发展可分为如下三步： 第一步：直接在模拟电视中将数字电视机顶盒内置进去。采用双高频头对数 字电视信号和模拟电视信号分别进行解调，并使用模拟端软件对整个系统进行主 控。 第二步：将模拟端和数字端软件的某些功能进行融合，如：将模拟电视和数 字电视的搜台功能做在同一个安装界面上，使用单个o s d 界面。 第三步：将数字电视解码器的功能和模拟电视解码器的功能集成在一起，做 成单芯片数模混合一体化电视解码器，并使用单处理器对系统进行主控。 d v b c 机卡分离数字电视一体机的设计思想是在模拟电视系统的基础上，采 用数字电视机顶盒内置的方法，使原先的模拟电视系统具有接收数字电视信号的 能力。工作原理为：电视主机m c u 接收遥控按键，当电视处于t v 工作模式下， 则电视主机进行模拟电视信号的接收和显示；当电视处于a v 工作模式下，电视主 机m c u 和数字电视接收模块d t m 之间通过p i o 端口，采用四行串行总线的通信 方式，实现电视主机与数字电视接收模块之间的通信，完成数字电视信号的接收 和显示。系统原理框图如图2 1 所示。限于作者所参与的工作，本论文只针对d v b c 数字电视一体机中的数字电视接收模块作分析。 6 第二章i d t v 数字电视一体机系统及其数模通信协议的实现 厂 数字电视接收模块 图2 - 1 数字电视一体机系统原理框图 2 2 数字电视接收模块的软硬件结构 2 2 1 数字电视接收模块的工作原理及框图 数字电视接收模块的主要功能就是将数字电视信号转换为模拟电视信号，使 用户利用模拟电视机就能收看数字电视节目。其工作原理【1 】 2 】为高频头( t u n e r ) 接收来自有线网的射频信号，并将其变换为中频信号送入q a m 解调器进行解调。 解调后输出的t s 码流是一种包含视频、音频和数据信息的多路节目数据流，按 m p e g 一2 标准复接而成。解复用器接收从q a m 解调器输出的t s 码流，根据包标 识符( p i d ) 提取出一路节目的视频、音频和数据，恢复符合m p e g 2 标准的打包节 7 电子科技大学硕士学位论文 目基本流( p e s ) ，然后将得到的视频和音频p e s 流分别送入视频和音频解码器进 行解码，并将解压缩后的视频和音频数据流分别送到视频编码器和音频d a c ( 数模 转换器) ，按一定电视制式( p a l 或n t s c ) 生成模拟电视信号，供模拟电视机接收。 如图2 2 所示。 智一嚣 图2 - 2 数字电视接收模块的工作原理 2 2 2 数字电视接收模块的软件结构 ( d a c ) 出 出 数字电视接收模块是由软件控制的内嵌式数字接收系统【3 】，它主要由硬件和软 件组成，可将其分为4 层：硬件层、底层软件、中间件和应用软件。如图2 3 所示。 匿巨囝 系统l 粒刎佳印i 二亟口 图2 - 3 数字电视接收模块的软件结构 硬件层提供数字电视接收模块的硬件平台；底层软件提供操作系统内核以及 各种硬件驱动程序；中间件将应用软件与依赖于硬件的底层软件分开，使应用不 依赖于具体的硬件平台；应用软件包括上层应用程序，执行服务商提供的各种服 务功能，如电子节目指南、准视频点播、数据广播等。 8 第二章i d t v 数字电视一体机系统及其数模通信协议的实现 2 3 系统开发环境介绍 2 3 1 解码芯片介绍 本课题设计中，解码器采用了s t m i c r o t r o n i c s 公司提供的q a m i 5 5 1 6 芯片作 为主芯片。该芯片集成了c p u 、存储器、解复用模块、m p e g 视音频解码器、 p a l n t s c s e c a m 编码器以及各种接口模块，功能强大，只需在芯片的外部辅以 存储器、高频头、a 厂v 输出、智能卡等模块，加以软件控制，就可以完成数字电 视接收工作。 2 3 2 调试环境的搭建 数字电视接收模块的调试运行环境如图2 - 4 所示： 图2 - 4 数字电视接收模块的运行环境 数字电视接收模块的目标板通过j t a g 接口与s tm i c r oc o n n e c t ( 连接头) 相 连，主机通过直接线( 网线或u s b ) 与s tm i c r oc o n n e c t 相连。在系统开发调试时， 主机可以将应用程序通过j t a g 接口下载到目标板中运行。开发完成之后，可将应 用程序烧写到目标板上的f l a s h 之中，程序从f l a s h 中引导并执行。 2 3 30 s 2 0 嵌入式实时操作系统 本课题设计采用了o s 2 0 嵌入式实时操作系统，该操作系统的内核提供了高效 9 电子科技大学硕士学位论文 的多任务环境，包括任务管理、内存管理、消息队列服务、信号量服务、时钟管 理、定时器管理和中断服务等内容。在0 s 2 0 多任务系统中，应用被分成多个独立 的任务，任务之间可以共享系统资源，如存储器、c p u 时间等【4 】。 ( 1 ) 内核 0 s 2 0 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0 s 2 0 来管理；各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。 0 s 2 0 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。 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。 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每隔一定的 时间片轮换着执行。 在程序的开始需要先调用函数k e r n e li n i t i a l i z e o 初始化内核，然后调用 k e r n e ls t a r t 0 启动调度内核。 ( 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 1 0 第二章i d t v 数字电视一体机系统及其数模通信协议的实现 状态。这些数据区可以由o s 2 0 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。 o s 2 0 将任务优先级划分为1 6 级( 0 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。 通过t a s k等函数可以开创一个任务。 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 _ s u s p e n d 0 等函数可以对任务的调度进行 控制。t a s k ( 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 e 结构中不仅包含了信号量的值，信号量的所有者，下一t 个信号量的指针，还包含了等待获取信号量的任务队列。o s 2 0 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 1 1 电子科技大学硕士学位论文 个资源。当用作互斥时，信号量被初始化为1 ；当用作同步时，信号量被 初始化为0 。 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，则它被初 始化为n 。 通过s e m a p h o r e _ c r e a t e _ f i f 0 0 、s e m a p h o r ec r e a t e a a r i o r i t y 0 等函数可以开创一个 信号量。s e m a p h o r e _ w a i t 0 等函数可以使任务等待一个信号量。s e m a p h o r e _ s i g n a l ( ) 等函数可以使任务释放一个信号量。 ( 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。0 s 2 0 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 5 所示。 图2 - 5 消息队列 ( 5 ) 时钟 时钟对于实时系统来说是非常重要的。o s 2 0 提供了一些基本的函数来控制时 钟。s t 2 0 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器溢出后 会重头开始计数。o s 2 0 提供了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。 第二章i d t v 数字电视一体机系统及其数模通信协议的实现 ( 6 ) 中断 o s 2 0 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 2 0 系列处理器处理中断的硬件都是相近的， 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。控制中断的硬件必 须先初始化。中断服务程序需要先安装。 通过i n t e r r u p t数配置中断控制器和中断级别控制器。_ i n i tc o n t r o l l e r 0 1 函 i n t e r r u p t 数初始化每一个中断级。函数安装中断服务程序。_ i n i t o i 函 i n t e r r u p t 数使能中断。另外还有一些用作_in禁st止all中0interrupt_enableoi垂i 断、加解锁中断、软件 激活中断等方面的函数。 ( 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，o s 2 0 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。o s 2 0 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。 固定式分区( 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 味着不能再释放己分配的内存，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。 o s 2 0 不会自动动态地分配内存，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，0 s 2 0 要求定义两个预定义分区： 电子科技大学硕士学位论文 系统分区( s y s t e m _ p a r t i t i o n ) ：该分区被o s 2 0 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。 内部分区( i n t e r n a lp a r t i t i o n ) ：该分区只被由t a s k _ c r e a t e 0 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。 通过p a r t i t i o n i n i ts i m p l e ( ) 等函数可以开创一个分区。p a r t i t i o n d e l e t e 0 函数可 以删除一个分区。m e m o r y a l l o c a t e 0 、m e m o r y d e a l l o c a t e ( ) 等函数可以从分区中开 辟、释放内存。 2 4id t v 数字电视一体机通信协议的实现 2 4 1 数字电视一体机通信协议 i d t v 数字电视一体机的数字部分与模拟部分的通信是通过并行输入出接口 ( p i o ) 来实现的。电视主机m c u 和数字电视接收模块d t m 之间通过四行总线 ( s t b 、c l o c k 、d a t a o u t 、d a t a i n ) 进行双向串行通信，电视主机m c u 为主 控。由t v 发s t b 信号，当t v 产生低电平s t b 信号时开始串行传输数据到d t m ， 同时t v 产生串行时钟信号给d t m ；当d t m 收到该时钟信号后开始传送数据。 t v 向d t m 发送数据通过d a t a o u t 数据线完成，t v 接收d t m 数据通过d a t a i n 数据线完成。 ( 1 ) 通信时序图( 如图2 - 6 ) c l o c kf r e q u e n c y ：4 1 6 7 k ( 2 4 u s ) ，上升沿开始触发进行数据传送。 s t b ：从高电平变为低电平2 m s 后开始传送数据，直到每个数据包( 4 个字节， 传送每个字节间隔2 m s ) 传送完以后s t b 才变为高电平，并保持高电平6 m s ，然后 才开始传送下一个数据包。 d a t a w f i t e ：t v 通过四行串行总线方式将数据传送给d t m ，一个s t b 周期 传送一个数据包，每发送一个字节等待2 m s ，第6 个数据包发送完以后再发送第1 个数据包。 d a t a r e a d ：t v 通过四行串行总线方式从d t m 中获取数据，个s t b 周期 接收一个数据包，每接收一个字节等待2 m s 。 1 4 第二章i d t v 数字电视一体机系统及其数模通信协议的实现 s t b ( 由t v j = 生) 厂 + | 2 m s | + 一2 + 4 m s - 一6 m s - - , q c l k ( 由t c c x 件产生) 门门门门门门厂 m 厂一 叫2 4 u sl + 一 d a t a w r i t e ( t v 一 d t m ) ( 从高位到低位) d a t ar e a d ( d t m - - t v ) ( 从高位到低位) 图2 - 6t v m c u 与d t m 通信时序图 每个数据包在传送过程中通过c h e c k s u m ( b y t e l + b y t e 2 + b y b ) 来检 测，如果有错则自动重传；若t vm c u 有故障，传送一个数据包后过6 m ss t b 没 有变为低电平，则将其强制置为低电平；如果d t m 有故障，则显示d t m 通信故 障。 ( 2 ) 通信数据包 电视主机m c u 与数字电视接收模块d t m 通过数据包的形式传送数据。每个 数据包占4 个字节，其中第一个字节是数据包的内容标识符，第二、三个字节是 有效数据，最后一个字节是校验字节。通过数据包的第一个字节，可以判断当前 传输的是第几个数据包。 t v 向d t m 依次传送6 个数据包，即p a c k e t l 至p a c k e t 6 。其中p a c k e t 6 是空包，预留为将来功能扩充时使用，其余各数据包的内容如下： p a c k e t l ： 表2 - 1p a c k e t l b y t e lb y t e 2b y t e 3 b y t e 4 0 0 hf f hk e y c o d ec h e c k s u m ( b y t e i + b y t e 2 + b y t e 3 ) 1 5 电子科技大学硕士学位论文 该数据包传送的是遥控按键的键值。在i d t v 数字电视一体机系统中，电视主 机m c u 接收所有来自遥控按键的键值，只有当电视处于a v 状态时，m c u 才需 将接收到的键值通过p a c k e t l 传送给d t m 。 p a c k e t 2 表2 2p a c k e t 2 b y t e lb y t e 2b y t e 3b y t e 4 0 l hf f hd t m s mc h e c k s u m ( b y t e l + b y t e 2 + b y t e 3 ) 该数据包传送的是d t m 模块各子菜单打开标志字节，如打开手动搜索子菜 单、打开频道列表子菜单等。 p a c k e t 3 表2 - 3p a c k e t 3 b y t e lb y t e 2 b y t e 3 b y t e 4 0 2 hf f hs y s t e 瑚t a t u sc h e c k s u m ( b y t e l + b y t e 2 + b y t e 3 ) 该数据包传送的是d t m 模块系统状态信息，包括声道选择( 左右立体声 道) 、o s d 语言选择、电视制式选择等信息。 p a c k 王n 、4 表2 4p a c k e t 4 b y t e lb y t e 2b y t e 3b y t e 4 0 3 h峭x a p hn 1 a x 岛p l c h e c k s u m ( b y t e l + b y t e 2 + b y t e 3 ) 该数据包传送的是模拟电视的最大频道号。b y t e 2 存放的最大频道号的高8 位，b y t e 3 存放的是最大频道号的低8 位。因为在i d t v 系统中，模拟信号节目 和数字信号节目采用统一节目编号的方式( 如模拟节目为1 5 0 ，则数字节目则从5 1 开始编号直到结束) ，所以d t m 必须知道模拟电视节目的最大节目号，这样才能 准确的为数字节目进行编号。 p a c k e t 5 1 6 第二章i d t v 数字电视一体机系统及其数模通信协议的实现 表2 5p a c k e t 5 b y t e lb y t e 2b y t e 3 b y t e 4 0 4 hc u r p n hc u r p n l c h e c k s u m ( b y t e l + b y t e 2 + b y t e 3 ) 该数据包传送的是当前节目号。b y t e 2 存放的是当前节目号的高8 位，b y t e 3 存放的是当前节目号的低8 位。在切换节目时，t v m c u 要将所要切换的节目号 传送给d t m ，d t m 根据收到的节目号将数字节目切换到与之对应的节目中去。 d t m 向t v 依次发送1 1 个数据包，即p a c k e t 7 至p a c k e t l 7 。除p a c k e t l 7 为空包外，其余各包的结构与t v 向d t m 发送的数据包结构类似，分别用来传送 d t m 系统状态信息( 包括d t m 菜单是否打开、当前节目是电视还是广播等) 、当 前日期( 年、月、日) 、当前时间( 小时、分钟、秒) 、最大数字节目号和当前数字 节目号等信息。 2 4 2 通信协议的具体实现 s t q a m i 5 5 1 6 芯片中定义了六个8 位并行输入出端口( p i o ) ，每个端口由一 系列8 位寄存器组成，并且端口的每个引脚都可编程为输入或是输出模式。这些 寄存器的每一位对应于p i o 端口的一个引脚( 即0 至7 位对应p i o 的1 至8 引脚) ， 因此可以通过控制寄存器的方式来控制p i o 端口。 在本课题设计中，i d t v 数字电视一体机数字部分和模拟部分的通信是通过 p 1 0 5 端口实现的。指定该端口第二个引脚用来传送d t m 向t v 发送的数据。该端 口第四个