（信号与信息处理专业论文）高清数字机顶盒用户界面及hdcp通信协议的实现.pdf

摘要 电视技术发展到今天，已经从黑白电视发展到彩色电视，从模拟电视发展到 数字电视。它的使用早己超越了广播娱乐界，广泛地扩展到人们生活的各个领域。 当前，作为数字电视的最高标准高清晰度电视，正在进入人们的生活。我国已经 为此制定了相虑的发展时问表，预计2 0 1 0 年全部实现数字化，2 0 1 5 年停止模拟 信号的播出。 作为数字高清电视机有一体机和分体机两种类型，由于我国的数字电视标准 尚未正式公布，市场上所谓的高清电视，其实都是分体机。作为分体机也就是要 在高清电视机前加一个高清机顶盒，才能接收高清信号。 本文是以s t 公司提供的7 7 1 0 高清机顶盒为参考。在高清数字机顶盒用户界 面实现中，按照央视的要求进行设计：首先，在7 7 1 0 上设训和开发了g f x 图形 模块；接着，利用图形模块g f x 和贴位图方法，按照菜单显示的逻辑实现其o s d 用户界面。为了对数字节目信号进行保护，防止其非法的复制，研究了h d c p 规 范，设计了h d c p 通信过程中的状态，编写代码实现了h d c p 通信过程，并通过 设计动态验证来保证通信过程的持续性。最终实现了h d c p 通信协议。 本论文首先介绍了高清数字机项盒相关知识，包括：有线高清数字机顶盒简 介，o s 2 0 嵌入式实时操作系统，s t 2 0 嵌入式开发工具，o s d 相关的驱动模块和 高清机顶盒中的图形显示层g d p ；然后，阐述了g f x 图形模块的开发和高清数 字机项盒用户界面的实现；最后，考虑数字版权保护，设计和实现了机顶盒h d m i 接口的h d c p 通信协议。 关键词：高清机顶盒，用户界面，高带宽数字内容保护 a b s t r a c t a b s t r a c t t o d a ya l o n gw i t ht h es c i e n c et e c h n o l o g ya d v a n c e m e n t ，t vh a sd e v e l o p e dn o to n l yf r o m b l a c k w h i t ei n t oc o l o rb u ta l s of r o mt h ea n a l o gi n t od i g i t a lm o d e i t su s a g eh a sa l r e a d ye x c e e d e d t h eb r o a d c a s t i n ge n t e r t a i n m e n tf i e l da n dw i d e l ye x t e n d e di n t oe v e r yd o m a i no fp e o p l e sl i v i n g c u r r e n t l y , a st h et o ps t a n d a r do fd t v , t h eh i g h d e f i n i t i o nd i g i t a lt e l e v i s i o ni se n t e r i n gi n t ot h e p e o p l e c h i n ah a sa l r e a d ye s t a b l i s h e dac o r r e s p o n d i n gd e v e l o p m e n ts c h e d u l et h a tw i l lh o p e f u l l y i m p l e m e n td i g i t i z et i l l2 0 1 0a n dt e r m i n a t et h ea n a l o gb r o a d c a s tu n t i l2 0 1 5 t h eh d t vh a st w ot y p e s ，i n t e r g r a t e da n ds e p a r a t e d n o w a d a y st h es o c a h e dh d t vi nt h e m a r k e ti sa c t u a l l yt h es e p a r a t e dt y p ed u et ot h eu n r e l e a s i n gs t a n d a r df o rh d t vo fc h i n a d i g i t a l s i g n a lc a no n l yb er e c e i v e db ys e t t i n gas t bi nf r o n to ft h et v c o n t e n t si nt h i sp a p e rr e f e r st ot h e7 7 1 0s t bp r o v i d e db ys tc o t h eu s e ri n t e r f a c ei s d e s i g n e da c c o r d i n gt oc c t v sr e q u i r m e n t f i r s to fa l l ，ag f x ( g r a p h i ci n t e r f a c e ) i sd e v e l o p e do n 7 7 1 0d e v i c e t h e na no s du s e ri n t e r f a c ei si m p l i m e n t e da c c o r d i n gt ot h em e n ud i s p l a y i n gl o g i c t h ew a yg f xa n db i t m a pw o r k s i no r d e rt op r o t e c tt h ed i g i t a lp r o g r a m sa n dp r e v e n ti l l e g a l c o p i e s ，t h i sp a p e rs t u d i s t h eh d c ps p e c i f i c a t i o n ，d e s i g n s as t a t em a c h i n et od e s c r i b et h e c o m m u n i c a t i o np r o c e s s ，a n dm a k e st h ep r o c e s si m p l e m e n t e di ncc o d e ，a l s o ，ad y n a m i cv a l i d a t i n g p r o c e s si sd e s i g n e dt ok e e pt h ec o n t i n u i t yo ft h eh d c pc o m m u n i c a t i o n b a s i n go nt h e s ew o r k s ，t h e h d c pp r o t o c a li sr e a l i z e da tl a s ti nt h i sp a p e r f i r s t l yt h i sp a p e ri n t r o d u c e sr e l a t i v ei n f o r m a t i o no fh d t v - s t b ，i n c l u d i n gt h eb r i e f i n t r o d u c t i o no fc a b l eh d t v , t h ee m b e d d e dr t o ss t 2 0 ，t h ed e v e l o p m e n tk i tf o rs t 2 0 ，t h ed r i v e r m o d u l er e l a t e dw i t ho s da n dt h eg d pl a y e ri nh d t v - s t b t h e nt h et h ew a yg f xi m p l e m e n t e d i se x p o u n d e d f i n a l l yt h eh d c pc o m m u n i c a t i o np r o t o c a lo nh d m ii sd e v e l o p e dc o n s i d e r i n gt h e d i g i t a lp a t e n tp r o t e c t i o n k e yw o r d s ：h i g h - d e f i n i t i o nt e l e v i s i o ns e t - t o p - b o x ，u s e ri n t e r f a c e ， h i 曲b a n d w i d t hd i g i t a lp a t e n tp r o t e c t i o n 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j 蔓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 确的说明荠表示谢意。 签名： j 兰：鱼j日期：二。，年午月掰日 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，有权保留并向国家祷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：虚垒l 导师签名： 日期：二。6 第一章引言 第一章引言 当今时代被誉为信息时代，科学技术飞速发展，为此同时，广播电视领域也 在发生一场深刻的革命，电视的数字化和网络化则集中体现了这场革命的深刻内 涵。科学技术的巨大进步、用户对高品质视听生活的不断追求正加速推动着模拟 电视的数字化进程，模拟电视向数字电视转变已是大势所趋。数字电视代表着现 代电视技术的发展潮流，因而正日益成为现代系统的主流。 1 1 研究的背景 ( 1 ) 清晰度数字电视及其发展前景 高清晰电视也即h d t v ，是一种电视业务，国际电信联盟的定义是：“高清晰度 电视应是一个透明系统，一个正常视力的观众在距该系统显示屏高度的三倍距离 上所看到的图像质量，应具有观看原始景物或表演时所得到的印象。”其水平和垂 直清晰度是常规电视的两倍左右，配有多路环绕立体声。从视觉效果来看，数字 h d t v ( 1 0 0 0 线以上) 为高清晰度电视，图像质量可达到或接近3 5m m 宽银幕电影 的水平。 作为数字电视中级别最高的一种，h d t v 带给的将是完全不同于传统模拟电视 的视听享受。( a ) 从节目效果来看，数字电视节目的清晰度高、音频效果好、抗干 扰能力强。这是因为数字电视信号的传输过程几乎完全不受噪声干扰，图像质量 没有变化，在接收端收看到的电视图像与电视台播出的效果几乎没有差别。此外， 数字电视的音频效果很好，可支持杜比数码( a c - 3 ) 5 1 环绕立体声家庭影院效果。 相对来说，目前使用的普通电视清晰度差，甚至有时候会出现雪花的困扰，这也 是抗干扰能力差的表现。( b ) 从画面质量来看，数字电视的节目质量远远超过了传 统的模拟电视。由于h d t v 的分辨率基本上相当于传统模拟电视的4 倍，因此其画 面清晰度、色彩还原度都要远胜过传统的模拟电视。( c ) 从直观的感觉来看，这种 画质的提升就好比从传统的天线收看时代提升到d v d 播放时代，在传统模拟电视 上可能出现的图像模糊、画面抖动等现像基本消失怠尽。( d ) 从节目资源来看，数 字电视的频道数量将成倍增加。在跟模拟电视频道相同的发射频率条件下，数字 电视可传输6 “8 套d v d 质量或1 5 1 8 套v c d 质量的数字电视节目，这无疑将大大 电子科技大学硕士学位论文 丰富节目的可选性。( e ) 从附加功能看，数字电视还可开展多功能业务，实现观众 和电视台之间真正的互动。随着有线电视传输和用户接收的数字化，以往用模拟 方式无法提供的服务都将变成可能，电视网站、交互电视、实时股票行情与分析、 视频点播等新业务的开展将变得更加容易，用户将从被动的收视者变成积极的参 与。 高清晰度数字电视( h d t v ) 是美国首先提出的，经过八年的技术开发，美国联 邦委员会( f c c ) 终于在1 9 9 5 年正式确定h d t v 地面广播方式和产品的规格。1 9 9 8 年，美国已正式开播数字高清晰度节目，到2 0 0 6 年美国将完全淘汰模拟电视，取 而代之的是数字高清晰度电视。欧洲、澳大利亚也先后于前年、去年开播了数字 电视节目。 未来几年内中国政府将加快数字电视研究发展的进程，并决定将在2 0 0 8 年在 我国主要城市普及数字高清晰度电视的商用播出，2 0 1 5 年基本实现我国由模拟电 视向数字电视过渡。 ( 2 ) h d c p 高带宽数字内容保护在数字电视中的作用 数字电视重要的领域之一就是内容保护。这是因为数字电视的内容如果没有 保护，就很容易被盗用。由于采用d v i h d m i 规范进行纯数字视频格式的传输连接， 计算机中或其他数字视频内容供应商提供的数字视频内容可以无穷多次的复制， 播出。而源信号质量不会出现任何降格或退化，因而国际运动图像组织( m p a ) 非 常担忧高价值数字视频内容著作版权的保护，迫切的希望能阻止使用计算机利用 d v i h d m i 接口进行播放和拷贝的行为，出于此目的，i n t e r 组织制定了h d c p 即 高带宽数字内容保护规范。 1 2 研究的内容和意义 基于以上的背景，本论文主要任务是根据我国对有线高清数字电视的要求， 利用基于s t i 7 7 1 0 芯片的高清数字机顶盒，进行用户界面的开发。并实现高清用 户界面在标清电视上的输出。另外，参考h d c p 规范，设计和实现了高清数字机 顶盒h d m i 接口的h d c p 通信协议。 本文的研究成果为进一步研究和实现高清机顶盒的其它功能打下了基础。 2 第一章引言 1 3 论文的组织 本论文包括六章，如下： 第一章：引言，即本章，介绍了数字电视及其发展方向，数字电视中的数字 内容保护的重要性和本论文研究的内容。 第二章：高清数字机顶盒相关知识介绍，介绍了高清数字机顶盒的硬件结构、 0 s 2 0 嵌入式实时操作系统、0 s d 相关的驱动模块、高清机顶盒中的图形显示层和 s t 2 0 嵌入式开发工具。 第三章：高清数字机顶盒用户界面o s d 的实现。 第四章：高清数字机顶盒h d m i 接口的h d c p 通信协议实现，参考h d c p 规范，设计和实现了高清数字机顶盒的h d c p 通信协议。 第五章：结束语。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章高清数字机顶盒相关知识介绍 2 1 有线高清数字机顶盒的简介 数字机顶盒是交互式电视系统中不可缺少的组成部分，用户通过数字机顶盒 可实现v o d ( 视频点播) 、数字电视广播、i n t e r n e t 访问、远程教学、会议电视、 电子商务等多媒体服务，同时还可实现多媒体宽带接入。机顶盒 ( s t b ，s e t t o p b o x ) 的发展经历了从模拟机顶盒到数字机顶盒的历程，模拟机顶 盒由于只具备电视调谐和解码功能，已不能适应现代电视技术的发展要求，因此 数字机顶盒应运而生。 一般的数字电视机顶盒是接收数字电视广播节目，使用户能够在现有模拟电 视机上观看数字电视节目，并进行交互式数字化娱乐、教育和商业化活动的消费 类电子产品。而作为高清数字机顶盒不仅能够在现有的模拟电视机上观看高清数 字节目，也能够直接在高清数字电视接收机上观看。目前的高清数字机顶盒与一 般的数字机顶盒一样同样分为卫星高清数字机顶盒、地面高清数字机顶盒和有线 高清数字机顶盒。本实现方案中选用的是有线高清数字机顶盒。 方案中的有线高清数字机顶盒芯片采用s t i 7 7 1 0 ，该芯片集成了嵌入式c p u 、 传输流解复用解码、视频解码、图像处理、音频解码、视频编码和外围接口高速 u s b 2 0 接口、数字视频接口f o v 0 、高清多媒体接口f h d m i ) 等于一体。 s t i 7 7 1 0 c p u 核心是一个高性能的s t 2 0 c 1 ，工作频率为2 0 0 m h z ；支持目前 机顶盒市场上所有的中间件，同时能够支持未来的软件升级；支持统一的存储器 d d rs d r a m 接口，提高了r a m 芯片的利用率和性能；嵌入的高性能图像引擎 支持图像密集型任务。显示接口方面，s t i 7 7 1 0 具有数字视频接口( d v i ) 和高清 多媒体接i ( h d m i ) ，以确保s t b 以最小的系统成本获得最高的输出灵活性；通 过嵌入的高级音频编码o 蚣c ) 解码器，提高了在低位率时的音频功能。内置高速 u s b h o s t 主控制器，数据传输率可达4 8 0 m b p s ，比u s b 标准1 1 版快4 0 倍，使 许多外设可以连接到一台基本型高清机顶盒上，提供了更多的附加功能。如增加 一个硬盘驱动器( h d d ) ，把机顶盒变成一个数字录像机( d t ) ；允许机顶盒制造 商为用户提供一个低成本的软件升级途径；连接数码相机或储存卡等多种外设。 有线高清数字机顶盒的构成示意图如图2 1 所示。 4 第二章高清数字机顶盒相关知识介绍 前端单元：数字高清有线机顶盒的前端单元支持t h o m s o n 公司d c f 8 7 2 8 、 p h i l i p s 公司c u l 2 1 6d v b c 高频头，主要完成输入信号的下变频和q a m 解调功 能。 道 图2 1 高清数字机顶盒的构成图 存储单元：该机顶盒使用1 片1 6 m bf l a s h 、2 片3 2 m bd d rs d r a m 以 及1 片8 k be e p r o m 。f l a s h 闪存用于存储机顶盒运行程序；e e p r o m 用于存 储用户开机状态、频道参数；d d rs d r a m 用于实时的存储解码后的音视频数据、 o s d 位图，同时还存储应用程序运行时的数据。 输出单元：基于s t i 7 7 1 0 的高清有线机顶盒的设计提供输出单元包括视频 输出、音频输出、u s b 2 0 接口、r s 2 3 2 接口等部分。 软件部分：软件开发是基于s t i 7 7 1 0 参考软件方案，s t a p i 软件包可以简化 早期产品的软件移植工作。s t a p i 是s t 开发的一个全面技术支持、说明详细的 接口，利用此稳定的接口作为基础可创建相应的应用程序。实现广播式的交互电视 功能，为高清数字电视提供增值服务；实现电子节目指南饵p g ) ，方便用户收看节目。 数字机顶盒的软件结构采用分层模型，如图2 2 所示。它由硬件抽象层、内 核层、中间层和应用层组成。采用分层模型使底层硬件对高层软件透明，增加与 替换硬件时不必修改高层软件，而且高层软件修改时不必了解硬件结构，从而利 于今后的升级和扩展。 5 电子科技大学硕士学位论文 硬件抽象层提供与硬件相关设备的底层接口，类似于b i o s ，程序员可以 通过硬件抽象层来访问和控制视频、音频、图形、网络等子系统。 应用层 中间层 内核层 硬件抽象层 图2 2 高清数字机顶盒软件结构 内核层是位于硬件抽象层之上的一个小型实时操作系统，用来完成进程创 建与执行、进程间通信、资源分配与管理，由操作系统管理的资源包括内存、信 道以及外围设备访问权等。 中间层主要由一些驱动与库函数组成，为各个应用程序提供共同、常用的 服务程序，其功能主要包括：与业务有关的网络通信控制；视频控制；导航控制； 应用协议处理；用户业务管理；图形显示以及用户界面的编程接口。 应用层位于机顶盒软件结构的最上层，不同的应用程序可以提供不同类型 的数字交互式电视服务，典型的应用程序包括电子节目指南( e p g ) 、视频播放器、 电子游戏、家庭购物等【1 】【3 1 。 高清有线数字机顶盒的工作过程大致如下： 高频头的调谐模块接收有线网络的射频信号并下变为中频信号，然后进行 a d 转换变为数字信号，再送入解调模块进行解调，输出m p e g 传送流( t s 流) 。 解复用模块收到m p e g 传送流，从中解析出一个节目的p e s 数据，包括视频p e s 、 音频p e s 和其它数据的p e s ，送入m p e g 2 解码器。解复用模块中包含一个解扰 引擎，可对加扰的数据进行解扰，解复用器输出的是已解扰的视音频p e s 流。 m e p g 2 完成视音频信号的解压缩，解压缩后的视频数据输出到视频编码器，再 经视频处理电路输出高清、标清格式的视频信号。解压缩后的音频数据经音频处 理电路输出模拟、数字音频信号【4 】【1 3 】。 6 第二章高清数字机顶盒相关知识介绍 2 20 s 2 0 嵌入式实时操作系统 如前所述，本实现方案中选用s t 公司的s t i 7 7 1 0 芯片，该芯片的c p u 为 s t 2 0 c 1 。s t 公司为所有s t 2 0 微处理器提供的操作系统为o s 2 0 嵌入式实时操 作系统。o s 2 0 是一种高效率的实时多任务操作系统，控制应用程序的执行，是 硬件和应用程序的接口。在o 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，比如：存储器，c p u 时间。各种外围事件通过中断 告知系统。o s 2 0 充分利用芯片本身的特性，为s t 2 0 嵌入式系统的开发提供了高 效的多任务环境，包括任务管理、内存管理、消息队列服务、信号量服务、时钟 管理和定时器服务、中断服务等内容。 ( 1 ) 内核 o s 2 0 实时内核基本功能是提供一个多任务环境。它负责管理各个任务，或 者说为每个任务分配c p u 时间，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o s 2 0 或者用户来管理；各任务被赋予不 同的优先级并根据优先权进行调度；通过时间函数实现时间和延时操作。o 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。内核维护的两个重要的信息是当前正在执行的任务及其优先级和 当前准备就绪的任务列表。 内核调度有以下三种情况： ( a ) 当任务需要被调度时，调度程序先判断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，保存当前任务的状态，载入新任务的状态，并开 始运行。这就是“抢占式”，新任务抢占旧任务。 m ) 当任务等待调度时，比如等待一个消息队列，调度程序会检查当前准备就 绪的任务列表，并运行列表中优先级最高的任务。 ( c ) 当任务正在执行时，调度程序会被周期性地调用，如果有和当前任务优先 级相同的任务，那么保存当前任务状态，载入排在当前优先级队列前面的任务。 通过这种时间片轮转方式，具有相同优先级的任务都有机会执行。 程序运行前，首先要初始化和启动内核。通常，如果编译连接时，加入了选 项s t 2 0 c c - m n t i m e0 s 2 0 ，内核的初始化和启动会自动执行。如果没有，需要手动 执行。 ( 2 ) 任务 7 电子科技大学硕士学位论文 任务也可称作线程，描述了应用程序的一个离散的、独立的、部分的行为， 它可以认为c p u 完全只属于自己。当程序启动时，有一个主任务( m a i nt a s k ) 执 行，其他的任务被看作是独立于主任务而运行的，但是共享c p u 和存储器。 每个任务拥有自己的上下文，其中包含在内核调度使该任务执行时它所看到 的c p u 环境和系统资源。任务除了能与其它任务通信外，其它行为与独立的应用 程序差不多，新的任务可以被已存在的任务动态创建。 每个任务在内存中有它自己的数据区，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0 s 2 0 从系统分区中分配或者由用户来分配。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 ) ，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 。 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，任务堆栈大小。当任务运行时，此结构中的值不会被改变。 0 s 2 0 划分优先级为1 6 级( 0 1 5 ) 。优先级0 为最低优先级，优先级1 5 为 最高。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方式运行，以保证每 个任务都可以获得运行机会，每一个任务轮流运行1 秒到2 秒时间。各个任务问 可以通过信号量进行同步，通过消息队列进行通信。 0 s 2 0 提供了一系列管理任务的功能，包括：动态创建任务、锁定任务、挂 起任务、终止任务、删除任务、重新设定任务优先级、查询任务状态等。 ( 3 ) 信号量 0 s 2 0 信号量提供快速的任务间通信机制，它主要解决任务间的同步和互斥， 同时也解决中断处理程序和任务之间的同步。s e m a p h o r et 结构中不仅包含信号 量的值，信号量的所有者，下一个信号量的指针，还包含等待获取信号量的 任务队列。 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。信号量的计数值为0 和 第二章高清数字机顶盒相关知识介绍 1 ，用于同步和互斥，它被设置成在给定时间只允许一个任务访问某个资源。当用 作互斥时，信号量被初始化成1 ，当用作同步时，信号量被初始化成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，它被初始化为n 。 针对等待获取信号量的任务队列，信号量可以分为： f i f o 类型的信号量：通常任务是按顺序排队，相应的信号量先进先出。 这类信号量的创建为s e m a p h o r e ， 。create f i f o s e m a p h o r ei n i t f i f o 优先级类型的信号量：有时候，为了使高优先级的任务受阻塞的时间最短， 允许高优先级的任务先跳出队列。信号量是基于任务优先级的。对于这种类型的 信号量，首先基于它们的优先级排列任务，然后再发送或接收。它们的创建为 s e m a p h o r e _ c r e a t e _ p r i o r i t y ，s e m a p h o r e _ i n i t _ p f i o r i t y 0 。 0 s 2 0 提供的信号量服务包括：信号量初始化，等待信号量，释放信号量， 删除信号量等。 ( 4 ) 消息队列 消息队列用于给任务发消息，它为任务提供了一种缓冲通信的方法，就是通 信时不用拷贝数据，这样可以节省时间。在中断处理程序中，为了防止中断处理 函数在请求消息的时候被阻塞，只能使用带有超时设定的消息队列。消息队列包 含有两个队列，一个为当前没有被使用的，被称作“空闲”队列，另一个是已经 发送但还没有被接收的，被称作“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。 图2 - 3 消息队列 9 f r e e q u e u e c l a i m o 电子科技大学硕士学位论文 通过m e s s a g e 等函数可以开创一个消息队列。按照如图所示的createq u e u e 方式调用响应的函数，可以实现任务间的通信。如图2 3 所示。 o s 2 0 提供的消息队列服务包括：消息队列初始化，等待消息队列，释放消 息队列，删除消息队列等。 ( 5 ) 时钟 时钟对于实时系统来说是非常重要的。0 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。 s t 2 0 c 1 没有它自己的时钟，所以需要一个时钟外围设备。 ( 6 ) 内存管理 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，允许应用程序的不同部分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c 语言的m a l l o c ，f r e e 函数分配、释放内存的方式相同。 在此分区中，内存块的大小不确定，分配释放内存消耗的时间不确定，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 ) 。在此分区中，只是简单地对指针进行累加，使其指向下 一段可被分配的内存。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。但是，不能再释放已分配的内存，所以此分区用于片上内存的分配。 使用内存分区的一个重要作用就是为了给对象分配空间。o s 2 0 使用两个预 定义的内存分区，系统分区和内部分区来进行其内存管理。系统分区为大多对象 包括信号量、消息队列以及任务数据结构中的静态部分和栈部分分配空间。此分 区要求是堆分区。内部分区只为任务数据结构中的动态部分分配空间。为了提高 任务上下文切换的时间，这一分区最好是简单分区。 ( 7 ) 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 的使用权，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。这样，只要发生外部事件，应用程序就 会立即知道。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 1 0 第二章高清数字机顶盒相关知识介绍 度是很快的。同样，当中断处理程序完成后，c p u 将恢复被中断任务的运行，因 此被中断的任务根本就感觉不到它曾被中断过。 s t 2 0 系列处理器处理中断的基本硬件单元是一个中断控制器，用以接收中断 信号，并将这一事件通知c p u 。部分s t 2 0 处理器中还有一个辅助硬件单元一中 断层控制器，用以控制各个中断源的优先级。0 s 2 0 支持两种中断模式：外围电 路直接连接到中断控制器和外围电路经中断层控制器连接到中断控制器。 o s 2 0 提供了一系列处理中断服务的功能，包括：初始化中断、安装中断、 使能中断、禁止中断、加解锁中断、删除中断等【6 1 【1 2 】。 2 3s t 2 0 嵌入式开发工具 开发s t 2 0 应用程序的要求不仅熟悉0 s 2 0 操作系统而且也要熟练使用s t 2 0 的相应的开发工具。在项目的开发中采用s t 2 0 r 2 1 2 版本。其工具集包括如下几 部分： 用作编译连接的工具，通过s t 2 0 c c 访问。 开发时使用的调试工具，通过s t 2 0 r u n 和s t 2 0 s i m 访问。 支持工具，诸如库管理工具和列表工具s t 2 0 l i b r 和s t 2 0 1 i s t ( 1 ) s t 2 0 c c 工具： s t 2 0 c c 是a n s ic 编译器和连接器的一个组合。可对c 源程序和汇编程序进 行编译，然后再将生成的目标文件与其它目标文件和库文件一起连接起来，最后 生成一个可执行的文件，如图2 4 所示。 c o n 竹g u 随硒一f l i 岳l ( 鹱 图2 - 4s t 2 0 c c 程序编译连接图 电子科技大学硕士学位论文 编译连接可产生三巾不同格式的文件1 k u ，r c u 和b i n 或，b e x 。其中i k u 为己 连接的单元文件，可以在运行时装载。这种文件开发时使用，可以装载到s f 2 0 芯片或模拟器上运行；b i n 或，h e x 为r o m 数据文件，采用标准的r o m 数据格式， 可以烧写到r o m 之中。i c 1 为可重定位代码，可以在运行时动态加载。三种文 件都可以使用s t 2 0 r u n 进行调试。 ( 2 ) s t 2 0 r u n 耐程序进行装载、运行和调试的工具 s t 2 0 r u n 是一个多用途的调试工具，可咀用作向芯片或模拟器中装载程序并 运行。同时还提供了一个用作调试的图形用户界面。 当编译连接了应用程序后，主机通过u s b 或直连线和s t 2 0 m i c r oc o r l l r l e c t ( 连接头) 相连，s t 2 0m i c r oc o l 3 f f t e c t ( 连接头) 通过数据线和基于s t 2 0 的目标 硬件块的d c u ( 诊断控制单元) 的j t a g 接r _ 相连，在s t 2 0 r 2 1 2 中调用运行 命令s t 2 0 m n 便町对开发的应用程序进行调试或烧写到r o m 中。调试环境如图 2 5 所示。 图2 - 50 s 2 0 傲人式开发的调试环境 采用s t 2 0 2 1 2 版本的开发工具所得到的调试可视图形界面如图2 - 6 所示。 ( 3 ) s t 2 0 s i m s t 2 0 s i n l 是一个指令集模拟器，用来模拟s t 2 0 处理器。它可以产生跟踪的数 据和统训信息，可以直接被调用，也可以作为s t 2 0 r u n 的目标。 ( 4 ) s t 2 0 1 i b r s t 2 0 1 i b r 可以将多个目标文件和其他库文件生成一个库文件，以便连接器使 用。 第二章高清数字机顶盒相关知识介绍 r 5 ) s t 2 0 1 i s t ，列表器 s t 2 0 1 i s t 是一个文件列表器，可以将工具集支持的各种文件列表显示【1 0 】 n l ， 图2 - 6o s 2 0 嵌入式开发的调试界面 2 4o s d 相关的驱动模块 高清机顶盒上的o s d ( o ns c y e g hd i s p l a y ) 用户界而实现所涉及的a p i 主要包括 三个模块：s t g x o b j ，s t b l i t 和s t l a y e r 。各模块的功能如下： ( 1 ) s t g x o b j 模块定义了位图，调色板和颜色等与图形相关的对象，它被 s t l a y e r 和s t b l i t 使用。它所涉及的主要结构体类型如f ： - 颜色类型结构体s t g x o b jc o l o r l y p et 指定了颜色的类型和精度，包括两 个结构成员： s t g x o b jc o l o r t y p et定义颜色类型 s t g x o b jc o l o r v a l u et定义颜色值 位图类型结构体s t g x o b j 用于描述内存巾位图的格式，包括以_bitmap_t 下结构成员： c o l o r t y p e 指定位图数据被编码的颜色类型 b i t m a p t y p e 指定位图类型 c o l o r s p a c e c o n v e r s i o n 指定r g b y c b c r 转换系数 a s p e c t 指定宽i 幅率 电子科技大学硕士学位论文 w i d t h ，h e i g h t 指定宽度高度 p i t c h 指定被一个位图行所使用的位图内存的大小 o f f s e t 拷贝数据到位图的缓冲区的偏移量 d a t a l 指向像素映射的第一个数据缓冲区的指针19 s i z e l 第一个数据缓冲区的大小 d a t a 2p 指向像素映射的第二个数据缓冲区的指针 s i z e 2 第二个数据缓冲区的大小 s u b b y t e f o r m a t 在一个字节里像素的顺序 位图分配类型结构体s t g x o b jb i t m a p a l l o c a t i o n 给了位图分配的信息，_ t 包括了以下结构成员： s t a v m e mp a r t i t i o n h a n d l et a l l o c b l o c k p a r a m s 包含为一个位图数据缓冲 区内存分配的参数 一 p i t c h 拷贝数据到位图缓冲区的字节的大小 o f f s e t 拷贝数据到位图缓冲区的字节的偏移量 s t g x o b j 模块在o s d 相关的图形模块中的关系如图2 7 所示。 a p p l i c a t i o n 1r 1r s 1 1 一a y e rs t b l 【t 、r 1 r s t g x o b g 图2 7s t g x o b j 在7 7 1 0 的o s d 相关模块中的关系 ( 2 ) s t b l i t 提供了一个简单有效的软件接口到b l i t t e r ( 允许位图数据快速的操 作和显示的硬件) ，用于实现其上的o s d 。 ( 3 ) s t l a y e r 提供了对具有显示功能硬件进行抽象的软件接口【9 】o 1 4 第二章高清数字机项盒相关知识介绍 2 5 高清机顶盒中的图形显示层 高清机顶盒的o s d 实现在高清机顶盒的图形显示层上，高清机顶盒7 7 1 0 芯 片上图形显示层g d p 包括两个独立的，具有相同特性的图形显示层g d p i 和 g d p 2 ，每一个图形显示层都能从内存中接收像素数据，它们的特点如下： 具有多视口的显示性能 支持a r g b a r g b 格式，包括a r g b l 5 5 5 ，a r g b 4 4 4 4 ，r g b 5 6 5 ，r g b 8 8 8 ， a r g b 8 5 6 5 ，a r g b 8 8 8 8 支持y c b c r 4 ：2 ：2 ，y c b c r 8 8 8 格式 通过对其显示，合成和输出的分析，可以看到图形显示层在信号输出的工作 过程中有着重要的作用。从主视频处理器输出的主视频信号到达主视频层v i d l ， 然后和g d p 2 图形显示层的o s d 在主合成器m i x e r l 中以一定的顺序结合，最 后通过主输出级输出；从辅助视频处理器输出的辅助视频信号到达辅助层v i d 2 ， 然后和g d p 2 图形显示层的o s d 在辅助合成器m i x e r 2 中以一定的顺序结合， 最后通过辅助输出级输出【引。 电子科技大学硕士学位论文 第三章高清数字机顶盒用户界面实现 3 1 基于s ti - 7 7 10 的0 s d 实现基础 3 1 1s ti - 7 7 10 的图形显示功能和特性 s t 提供了性能强大的图形显示模块s t b l i t ，该模块允许用户定义一块位图 区域( b i t m a p ) 来开发图形界面，然后调用s t 提供的v m i x 模块将用户开发的 图形界面混合视频输出，从而实现高清电视上的o s d 菜单。 所谓位图区域，就是在内存中定义的一个大小固定的矩形显示块，所开发的 用户界面就在该显示块上调用s t 提供的图形接口，画出各种需要的用户菜单界 面，位图区域主要包括三个部分： ( 1 ) b i t m a p 位图数据头和位图数据 位图b i t m a p 使用s t g x o b j 模块里的标准结构来定义，结构里包括位图数据 头和位图数据两部分：位图数据头包含显示的矩形区域在显示屏上的起始位置、 大小，以及与显示相关的颜色、数据类型；位图数据包括两个指向存放颜色值的 内存块的指针。 ( 2 ) 位图显示的透明度加权 本课题开发的o s d 是在视频层之上显示的，s t 提供了一个加权值来控制o s d 的显示透明度，该值与颜色显示模式有关，由于在高清7 7 1 0 里面使用的是r g b 颜色显示模式，因此用到的透明加权值范围是0 - 1 2 7 ，其中o 和1 2 7 分别对应o s d 显示的完全不透明和完全透明。 ( 3 ) 位图的数据格式 s t i 7 7 1 0 支持r g b l 5 5 5 、r g b 4 4 4 4 、r g b 8 8 8 8 等几种真彩色的显示模式，因 为h d t v 位图区域较大( 1 9 2 0 1 0 8 0 ) ，权衡色彩丰富度和物理内存容量，本课 题选取r g b l 5 5 5 的数据格式。 第三章高清数字机顶盒用户界面实现 3 1 2 高清界面实现的软件基础图形库的开发 由于高清电视机顶盒是一套全新的系统，s t 并未提供一套现成的完整o s d 开发工具，其与画图相关的主要模块s t b l i t 仅仅提供了高清机顶盒的图形驱动 以及最基本的点、线的勾勒，所以需要首先开发出一套比较完备的图形库用户 a p i ，这也是进行用户界面开发的基础。 图形库的开发就是通过封装s t 提供的图形驱动进而来提供给用户更加友好 和功能强大的图形操作a p i 来实现高清机顶盒上的各种较为复杂的o s d 界面。 因为s t i 7 7 1 0 高清机顶盒上图形的显示都是基于s t 提供的s t g x o b j 、s t b l i t 和s t l