（信号与信息处理专业论文）pvr系统中的关键技术研究与开发.pdf

摘要 摘要 随着数字电视技术的发展，数字电视接收机数字电视机顶盒将面对一个 广阔的发展空间；同时，数字录放机随着人们对节目存储要求的逐步提高也渐渐 呈现出取代模拟录放机的势头。而将两者结合在一起，实现一盒多用，在数字电 视机顶盒中集成数字录放机的功能，必然有其广阔前景。 本论文基于“d v b c 数字电视机项盒p v r 功能的扩展 项目，该项目采用的 是s t m i c r o t r o n i c s 公司提供的s t i 7 1 0 9 芯片作为嵌入式主芯片，并同时采用 s t - o s 2 1 嵌入式实时操作系统作为软件开发平台，本论文首先介绍了这种拥有硬 盘节目录放功能的p v r 数字电视机项盒的结构。其中对于硬盘节目录放功能相关 的模块作了比较详细的介绍。 硬盘节目录制与硬盘节目回放功能中存在功能相同的模块，例如：硬盘驱动 模块、文件系统模块、o s d 菜单显示模块。通过分别介绍上述三个共用模块的硬 件基础、软件结构和性能，为硬盘节目录放功能的实现做准备。文件系统模块是 整个p v r 数字电视机顶盒的关键模块，在充分研究嵌入式环境的前提下，根据系 统功能，结合p v r 系统中存储文件的单一性，应用环境的特殊性，设计开发了一 套适合本系统环境的文件系统，并通过了系统测试。 在本论文中分别讨论了基于机顶盒的硬盘节目录制功能和回放功能。对于节 目录制功能，讨论了数据提取、节目录制的实现方案和软件的实现；对于节目回 放功能，讨论了节目t s 流的传输路径、定时模式、视音频同步等问题及其具体实 现。 在硬盘节目录放功能的实现过程中，对一些基础模块提供了标准的a p i 接口， 这对于将来新功能的开发提供了基础；硬盘节目回放中用到的一些方法，适用于 更加广泛的用途。 关键词：数字电视，机顶盒，个人视频录像，文件系统 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ea d v a n c e m e n to ft v t e c h n o l o g y , t h er e c e i v e ro fd i g i t a lt e l e v i s i o n ( d i g i t a lt v s e t t o pb o x ) w i l lf a c eaw i d e l yd e v e l o p i n gs p a c e a tt h em e a nt i m e , t h ed i g i t a lv i d e o r e c o r d e rw i l ls u b s t i t u t et h ea n a l o gv i d e or e c o r d e r 、) l ，i mt h ep e o p l e si n c r e a s i n gd e m a n d o ft h er e c o r d i n gq u a l i t y i ts h o w sab r o a df o r e g r o u n do fi n t e g r a t i n gt h ed i g i t a lv i d e o r e c o r d i n ga n dp l a y i n gf u n c t i o n si nt h ed i g i t a lt vs e t - t o pb o x t h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do nt h ep r o j e c to f t h ed e v e l o p m e n to fd v b cp v r d i 醇a lt vs t b ”i nt h i sp r o j e c tt h es t i 7 10 9p r o v i d e db ys t m i c r o e l c c t r o n i c si s s e l e c t e da st h eh a r d w a r ep l a t f o r ma n dt h er t o ss t - o s 2 1i su s e da st h es o f t w a r e e n v i r o n m e n tc o r r e s p o n d i n g l y i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ep r i n c i p l e ，a r c h i t e c t u r eo ft h ep v r d 1 vs e t - t o pb o xs y s t e m ，i sd i s c u s s e dg e n e r a l l y t h em o d u l e so nt h ec h i p su s e df o r v i d e or e c o r d i n ga n dp l a y i n gf u n c t i o n sa r ep r e s e n t e di nd e t a i l s t h e r ea r es e v e r a lm o d u l e sb o t hu s e di nv i d e or e c o r d e ra n dv i d e op l a y e r , s u c ha s h a r dd i s kd r i v e rm o d u l e ，f i l es y s t e mm o d u l ea n do s dm o d u l e i nt h i sa r t i c l e ，i t i n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o nm e t h o d so ft h e s em o d u l e s ，a n ds u p p l i e ss t a n d a r da p i sf o ra l l o ft h e m ，w h i c hc a l lb eu s e dt od e v e l o ps o m en e wf u n c t i o n s f i l es y s t e mm o d u l ei st h e k e ym o d u l eo fp v rd t vs e t t o p - b o x a c c o r d i n gt ot h eo n e n e s so fd o c u m e n ta n dt h e p a r t i c u l a r i t yo fa p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t , as u i t a b l ef i l es y s t e mi sd e v i s e d a n dt h e p r o j e c tf i n a l l yp a s s e st h es y s t e mt e s t t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h em e t h o d st or e a l i z et h ev i d e or e c o r d i n gf u n c t i o n s ， i n c l u d i n gd a t ae x t r a c t i o n , r e c o r d i n gp r o g r a ma n dt h er e a l i z a t i o n i ta l s op r o v i d e st h e w a y st oi m p l e m e n tt h ev i d e op l a y i n gf u n c t i o n , s u c ha st h et ss t r e a mt r a n s p o r t i n g d i r e c t o r y , t i m i n gm o d ea n da vs y n c h r o n i z a t i o n t h e s em e t h o d sa r es u i t a b l ef o rs e v e r a l o t h e rp u r p o s e s d u r i n gt h er e a l i z a t i o nt h ep v rf u n c t i o n , l o t so fs t a n d a r da p if u n c t i o n sa r e p r o v i d e df o rt h eb a s i cm o d u l e s i tb u i l d su pf o u n d a i o no ft h ed e v e l o p m e n to fn e w f u n c t i o n s k e yw o r d s ：d t v , s e t - t o pb o x ，p v r , f i l es y s t e m i i 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：蔓庶幽期：游朔泊 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) 第一章引言 第一章引言 我国计划在近几年的时间内，逐渐使用数字信号代替模拟信号，机顶盒作为 收看数字电视的必要设备，会得到大力的推广，研究数字电视扩展业务也正好顺 应了这一发展趋势。 1 1 课题研究的背景和国内外动态 自二十世纪四十年代电子计算机的出现开始，信息技术革命对全球各个领域 的影响就越来越迅速，越来越深远，特别是对多媒体通信、计算机网络、数字电 视和宽带综合业务数字网等领域有着巨大的影响。随着大规模集成电路( v l s i ) 、计 算机和通信技术的迅猛发展，这些领域相继成为全球经济的新兴行业，并进一步 发展成为国民经济的重要产业，日新月异地改变着人们的日常生活，逐渐使整个 世界跨入一个高度发达的信息社会。 通信、计算机网络和广播电视是信息社会多媒体处理技术得到广泛应用的三 个重要领域，也是个人信息获取和交互的主要途径；另一方面，三者在信息处理、 传输通道、发送和接收方面有着自己鲜明的特点。现在p c 机不但能够轻松地实现 多媒体信息的实时处理，而且能够通过网络和全世界的计算机相互连接。基于o s i 七层协议建立的计算机网络是一个端对端开放式的互联网。目前除了高质量视频 和个人通信等少数实时性要求很高的业务外，大部分传统业务，如新闻、报纸、 杂志、聊天、书籍等都可以通过计算机网络快速方便的实现。通信技术的发展， 也极大地方便了人与人之间的信息交流， 通信，再到多媒体通信和移动无线网络， 缩短了世界的距离。从固定电话到移动 移动通信给人们提供了一台口袋里的多 媒体电脑，只是道路还不够宽，无法让所有的业务都实现。广播电视是三者中发 展时间最长、多媒体技术影响最迟的领域。初期，人们在接收模拟电视信号的情 况下，对信号进行a k d 转换，然后对数字信号进行处理，以便改进图像清晰度。 随着多媒体技术的飞速发展，视频压缩领域出现了多种高效的编码算法。其中较 为有代表性的有m p e g 1 、m p e g 2 、h 2 6 1 、h 2 6 3 和小波视频编码算法。m p e g 1 和m p e g 2 都是由i s o 的运动图像专家组( m o v i n gp i c t u r ee x p e r tc , r o u p ) n 定的运动 图像编码标准，至今已在各个领域获得了广泛的应用，并直接推动数字电视的快 电子科技大学硕士学位论文 速发展。m p e g 1 标准带来了全世界范围内v c d 机的迅速普及，使很多人第一次 领略到了数字视频技术的魅力；m p e g 2 标准中m p m l 和m p h l 分别应用于 标准清晰度数字电视( s d t v ) 和高清晰度数字电视( h d t 。 数字电视广播系统作为一个数字信号传输平台，不仅使整个广播电视节目制 作和传输质量得到显著改善，信道资源利用率大大提高，还可以提供很多其他增 值业务，使传统的广播电视媒体从形态、内容到服务方式发生革命性的改变，为 “三网融合 提供了技术上的可能性，从而带动一系列的相关产业的高速发展。 数字电视技术的发展将诱发整个广播电视产业链的深刻变革，因此已经被世界各 国普遍视为信息时代的一项“战略技术 ，从某种意义上来说，数字电视将影响着 国家产业结构的升级与发展。 数字电视被各国视为新世纪的战略技术，新的经济增长点，为此世界各国都 在大力研究开发数字电视和高清晰度电视。到目前为止，国际上已经形成了欧洲 的数字视频广播d v b 、美国的高级电视制式a t s c 、日本的综合业务数字广播i s d b 三大标准共存的局面，其中前二者应用较为广泛，包括欧洲大多数国家和我国在 内的3 0 多个国家采用d v b 标准，而北美、韩国、以及我国台湾省则采用a t s c 标准。 国家广播电影电视总局在2 0 0 0 年组织众多专家，历时一年编制完成了广播 影视科技“十五 计划和2 0 1 0 年远景规划并于2 0 0 1 年初颁布实施，这是今后 1 0 年指导我国广播影视科技发展的纲领性文件，其内容可概括为“两化 、“三系 统 和“一平台 。其中“两化是指全面启动广播影视数字化，基本实现广播影 视节目传输、交换网络化；“三系统是指建设强大的广播电视覆盖及实验系统、 卫星数字传输与直播卫星系统、广播电视监测系统；而“一平台则指建设数字 广播影视节目平台，开展交互式业务。 根据国家数字电视发展计划的时间表，2 0 0 3 年正式在有线电视网( c a t v ) 上播 出s d t v 和h d t v ；2 0 0 3 年起有计划地在一些重点城市进行了标准清晰度电视试 验播出，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、电视台基本实现了采、 编、播数字化，节目传输、交换网络化；2 0 0 8 年在北京奥运会上将向全世界转播 数字高清晰度电视节目；2 0 1 0 年我国广播电视全面实现数字化；2 0 1 5 年停止模拟 广播电视的播出，完成从模拟制式向数字化制式的过渡【l 】。 目前机顶盒与d v d 相结合的趋势并不明显，主要因素是市场正在向h d t v 过渡。此外，用户的消费习惯也是进行这种产品开发决策的重要考虑因素。事实 2 第一章引言 上，部分开发商此前推出的像t v + d v d 的产品并没有得到用户的响应，而p v r 功能集成已经成为主流方案提供商的共识。尽管目前在国内，机项盒+ p v r 并没有 得到开发商的十分关注，但在欧美地区机顶盒+ p v r 已成为标清和高清电视广播应 用中一个增长很快的市场。据i n s t a t m d r 调查显示，2 0 0 4 年美国市场售出的有 线数字机顶盒中，每五台机项盒就有一台具有p v r 功能。据i n f o r m am e d i a 公司 预测，到2 0 1 0 年全球所有电视家庭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9 5 。b r o a d c o m 公司机顶盒 产品高级行销经理n i c h o l a sd u n n 认为，机顶盒正在向具有p v r 功能的趋势发展， p v r 可为用户提供真正的节目收看和节目录制功能，b r o a d c 0 m 等公司都为此推出 了可支持p v r 的系列双解码解决方案。这样的方案通常要求c p u 处理能力强大、 支持多通道解码以及先进的接口功能，同时，由于需要采用双调谐器，需要增加 整机成本和改变前端设计 2 1 。 目前，一些国际性的电视设备公司都加快了p v r 机项盒的研制，芯片厂商和 硬盘厂商也加强了对该类产品的投入，并生产专用于p v r 机顶盒的芯片和硬盘。 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、大洋的国 内公司正致力于中、高档机数字电视机顶盒的研制，并推出了多种p v r 数字电视 机顶盒【3 j 。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更加迅猛的 发展。 1 2p v r 系统简介 p v r 的英文全称是p e r s o n a lv i d e or e c o r d e r ( 个人视频录像机) 。p v r 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 系统中的关键 技术，在这个基础上对节目进行灵活的录放和回放控制，可以一改过去看电视的 被动和无奈。p v r 技术和数字电视机顶盒结合而产生的p v r 机顶盒，将两种先进 的技术完美结合，带来了数字化的精彩纷呈和互动的随心所欲。 p v r 机顶盒把数字电视技术和硬盘录像技术完美结合，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 技术等为观众提 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f 4 】如下： ( 1 ) 录制与回放功能。机顶盒通过高频头、解调和解复用模块，解复用后得到 用户所选中的数字电视节目，将得到的音视频p e s 流送到硬盘进行存储。在进行 3 电子科技大学硕士学位论文 回放时，将硬盘中的音视频数据读出，再送入解码器解码播放。 ( 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。当用户正在观看节目因急事要处理需要暂时离 开时，可按下暂停键，这样节目自动保存入硬盘，用户再回来时，可以从离开时 的画面看起。 ( 3 ) 预约录制。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约录像， 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。 ( 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。 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 机项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 课题研究的意义 数字电视技术和数字录放机都有了较大的发展。目前，市场上的数字录放机 并不少见，但是，这些数字录放机都是针对模拟电视信号的，还没有全数字的数 字录像机出现；对于数字电视的接收机数字电视机顶盒而言，多数还在试验 阶段。而将两者有机的结合在一起，还是一个空白。在数字电视机顶盒上集成数 字录放机的功能，可以使数字电视用户在一个终端设备上使用两种设备的功能， 这在很大程度上降低了设备的成本，同时也方便了用户。 对于p v r 数字电视接收系统来说，处理和记录都采用数字方式，存储介质为 硬盘等非线性存储介质。p v r 系统就是以硬盘为信息存储介质，采用实时编解码 技术，实现了对图像、声音信息的大容量、长时间的数字化存储，并提供了预约 录像、时移及节目播放、编辑等功能。硬盘相对于传统的存储介质拥有以下四个 显著优点： 硬盘的容量巨大，能够进行长时间的信息存储； 存储在硬盘上的信息可以一次刻录，多次播放，并可实现无损耗播放； 存储在硬盘上的信息资源可灵活掌握，不需要的可随时删除而不会影响其 它信息，节省的空间可以再次用来记录有用的信息，这既继承了磁带式记 4 第一章引言 录系统的优点，又避免了光盘类记录系统的缺点； 硬盘载体数据的存储和读取速度非常快并且准确，有效地降低了存储和读 取过程中可能出现的误码现象。 因此，与模拟式相比，数字录放机记录的视频信息图像质量好，便于保存， 而且也利于后期处理。随着人们对录放机提出了更高的要求，种种因素使模拟录 放机退出录放机的大舞台。 现阶段数字电视正处于发展的过程中，视频点播( v o d ) 还没有开始在网络中应 用，只是引入了准视频点播( n v o d ) 。虽然数字电视机顶盒的引入使人们的电视接 收方式发生了改变，但观看电视的方式并没有得到改变。节目的播出时间是由电 视台决定的，用户只能在固定的时间点接收观看。节目的播出过程也无法进行控 制，用户必须自始至终地守候在屏幕前。另外如果没有录制设备，大多数节目只 能看一次。人们不满足于这种被动的信息接收方式，希望能够自主地随心所欲地 观看电视节目，但目前的数字电视还缺乏这种交互性。解决这一问题的最终途径 有赖于对传输网络的改造，但由于完全改造现有线路代价太高，一时难以实现【5 】。 因此当前需要一种代价不高的过渡方案，本课题的研究正是适应了这样的要求， 即在现已有的机顶盒中加入存储设备使其可以象v c r 一样对节目进行录制、回放。 结合电子节目指南进行节目预约录制，在用户端可以实现某种程度的交互。带个 人录像( p e r s o n a lv i d e or e c o r d 0 1 ，p v r ) 功能的机顶盒不仅有录制、回放的功能，还 具有时移播放，特技播放的功能。实际上在已具备交互功能的宽带应用中，带p v r 功能的机顶盒也能发挥其长处，如结合视频点播( v o d ) 存储点播的节目，便于以后 多次观看。因此加入p v r 功能的机顶盒为数字电视机顶盒进一步的功能多元化和 智能化奠定了基础。 1 4 课题完成的主要工作 本论文所完成的主要工作如下： 根据拥有硬盘节目录放功能的p v r 数字电视机项盒的功能需求，提出基 于s t i 7 1 0 9 的p v r 数字电视机顶盒实现方案。并设计实现了硬盘驱动接 口。 在硬盘驱动接口的基础之上，根据系统功能，结合p v r 系统中存储文件 的单一性，应用环境的特殊性，设计开发一套适合本系统环境的文件系统。 文件系统是整个p v r 数字电视机顶盒的重要模块，为实现p v r 功能奠定 5 电子科技大学硕士学位论文 基础。 在硬盘接口，文件系统建立的基础上，根据p v r 数字电视机顶盒内部模 块工作原理，实现节目录制、回放功能，以及节目预约录制、时移播放等 p v r 功能。 1 5 论文的主要内容和结构安排 本论文内容包括六章，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：介绍具有硬盘节目录放功能的p v r 数字电视机顶盒的开发主芯片， 以及系统开发环境。 第三章：介绍p v r 数字电视机顶盒的结构，提出基于s t i 7 1 0 9 的p v r 数字电 视机顶盒实现方案。并设计实现了硬盘驱动接口。 第四章：根据系统功能，结合p v r 系统中存储文件的单一性，应用环境的特 殊性，设计开发一套适合本系统环境的文件系统。 第五章：根据p v r 数字电视机项盒内部模块工作原理，实现节目录制、回放 功能，以及节目预约录制、时移播放等p v r 功能。 第六章：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 数字电视接收系统开发环境 第二章p v r 数字电视接收系统开发环境 录放机在人们的日常生活、学习和工作中起着重要的作用，其用途主要涉及 消费电子、工业监控等领域。现有的录放机从信号处理的角度看分为两类：模拟 式和数字式。模拟录放机从视频的接收、处理到记录采用的都是模拟方式。9 0 年 代初，模拟录放机是录像行业的主流。模拟录放机的录像介质是磁带。对于模拟 录放机而言，其优点是价格便宜，缺点是图像质量较差，无法长期保存。而对于 数字录放机来说，处理和记录都采用数字方式，存储介质为硬盘等非线性存储介 质。p v r 数字电视接收系统就是以硬盘为信息存储介质，采用实时编解码技术， 实现对图像、声音信息的大容量、长时间的数字化存储，并提供预约录像、时移 及节目播放、编辑等功能。 p v r 数字电视接收系统除数字电视接收机本身的功能外，该机顶盒在设计过 程中增加了硬盘接口的扩展，为硬盘节目录放功能提供了硬件的支持。本章将详 细介绍机顶盒的解码芯片和系统开发环境。 2 1 解码芯片 本课题设计采用了s t m i c r o t r o n i c s 公司的s t i 7 1 0 9 单片型p v r 专用主芯片。 作为s t m i c r o t r o n i c s 公司最新的低功耗解码芯片，s t i 7 1 0 9 是一款增强型s t 4 0 系 列3 2 位超长精简指令集的c p u ，拥有1 6k b 的i - c a c h e 和3 2k b 的d c a c h e ，拥 有1 6 级的中断控制器，功能非常丰富和强大，集成了c p u 内核、传输过滤解扰、 图形引擎、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 包括u s b2 0 、d v i h d m i 、数字音视频辅助输入在内的各种接口模块。本芯片包 括传输子系统、视频图形子系统、2 d 3 d 图形处理子系统，g a m m a 合成与视频处 理器、音频子系统、版权保护、外部接口、片上外设等多个子系统。其内嵌的a t a p i 接口实现了与硬盘的无缝连接，为机顶盒实现p v r 功能提供了条件【5 1 。在芯片的 外部辅以存储器、高频头、a 输出、智能卡等模块，加以软件控制，就可以完 成数字电视的接收。在此基础之上加入外部存储模块，就可以实现p v r 功能。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 2 系统开发环境 2 2 1 调试环境的搭建 本项目中基于s t 微连接器( m i c r oc o n n e c t ) 的数字电视机顶盒的宏观调试运行 环境如图2 1 所示 6 】： 数字电视机顶盒的目标板( t a r g e t ) 通过j t a g 接口与连接器( s tm i c r oc o n n e c t ) 相连，主机通过网线或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 可以将编译链接好的应用程序通过j t a g 接口下载到目标板中直接试运行，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。在程序开发完成之后，通 过j t a g 接口可将指定格式( 如宰h e x 或拳b i n 等) 的应用程序烧写到目标板上的 f l a s h 之中，此后机顶盒开机后程序将从f l a s h 中开始引导执行。 图2 1 调试环境 s tm i c r oc o n n e c t o r 是主机和目标芯片的连接接口。具有以下基本特性 7 1 ： 用于开发交互的高性能主机一目标机连接口；支持各种的断点调试； 支持宽范围的第三方工具；可通过各种调试工具调试程序的实际运行； 通过以太网口下载速度可高达7 0 0 k b s ；可以通过m s b 、p a r a l l e lp o r t ) 多种 方式同时进行连接； 易于安装和使用；是一种即插即用的p c 外设； 与调试主机的高速接口，可以进行程序的高速调试，发现软件仿真所不及 的问题，跟踪程序、中断、变量值，再也无需打印函数来监测程序的运行。 发现脱机运行所不能发现的问题； 具有片上系统的仿真能力； 8 翮豳 一赣豢瓣一 一 第二章p v r 数字电视接收系统开发环境 可以更新的固件，方便在固件性能优化时的随时更换。 2 2 20 s 2 1 实时操作系统 本课题选用了s t m i c r o t r o n i c s 公司的基于优先级抢占方式的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、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 o s 2 1 多任务系统中，应用被划分成任意多个具有各自优先级的独立任务，各个任 务之间可以共享系统资源( 如存储器、c p u 时间等) ，可以通过信号量和消息队列 进行同步和通信，每个任务在内存中都拥有独自的数据区域，广泛的实时事件是 通过中断处理程序来处理的i s 。 ( 1 ) 实时内核 o s 2 1 实时内核的基本功能是提供一个基于优先级抢占方式的多任务环境。它 负责管理系统中所有的任务，并提供全面的多任务服务，具体包括：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o s 2 1 自身来管理；各任务可被赋 予总共1 6 级的不同的优先级并根据优先级的大小进行可抢占式调度。 0 s 2 1 采用了一个小型调度内核来确保当前运行的任务总是系统中具有最高优 先级的任务。该内核始终维护着两个至关重要的信息： 当前正在执行的任务以及其优先级； 当前准备就绪的任务列表。 当出现以下四种情形时，内核会进行任务调度： 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； 当某个中断服务结束后调度程序会被调用以检查是否需要进行重新调度。 所有的内核调度相关库函数均定义在k e r n e l h 文件中，在应用程序的开始就需 9 电子科技大学硕士学位论文 要先调用库函数k c r n e l _ i n i t i a l i z e o 初始化内核，然后调用k e r n e l s t a r t o n 动抢占式 调度内核。 ( 2 ) 任务 一个任务描述了应用程序中的一个独立行为。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，应用程序可以被分解成任意多个 任务。当程序刚刚开始运行后，只有一个单独的主任务在运行，随着程序的深入 其他的任务也陆续开始执行，并共享c p u 和内存资源。 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0 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、堆栈和代码段组成。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 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。 0 s 2 1 共将任务优先级划分为1 6 级( 0 1 5 ) ，其中0 为最低优先级，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或 i 1 1 i t ( ) 函数可以创建一个任务。等函数可以_ c r e a t e ( ) t a s kt a s k d e a y o 使一个任务进入等待状态。t a s kr e s c h e d u l e o 、t a s k 调度进行控制。t a s ke x i t ( ) 等函数可以终止一个任务等。 ( 3 ) 信号量 1 0 第二章p v r 数字电视接收系统开发环境 信号量提供了一种简单有效的方式来实现多任务的同步，和对共享资源的互 斥访问。s e m a p h o r et 结构中不仅包含了信号量的计数值，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。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： 二值信号量：该信号量是最常用的信号量。信号量的计数器值不是0 就是 1 ，用于任务间的同步和对共享资源的互斥访问，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0 。 计数器模式信号量：该信号量的计数器值可以为任何非负数。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 的计数器值被初始化为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 c _ c r c a t c _ p r i o r i t y o 等函数可以开创一个 信号量。s e m a p h o r ew a i t o 等函数可以使任务等待一个信号量，在该信号量计数器 值为非零时此操作会使该信号量的计数器值减1 ，当该该信号量计数器值为零时， 内核会将调用此函数的任务挂起，而s e m a p h o r e 等函数则可以使任务释放 一个信号量，此操作会使该信号量的计数器值加1 s ，i g 从n a 而l o 可以重新激活某些因为等 待此信号量而被挂起的任务。 图2 - 2 消息队列 ( 4 ) 消息队列 消息队列为任务提供了一种缓冲通信的方法，通信时不需要拷贝数据。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 1 1 电子科技大学硕士学位论文 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m e s s a g e _ _ c l a i m 0 、m e s s a g e s e n d 0 、m e s s a g e r e c e i v e 0 、m e s s a g e r e l e a s e 0 的结果 是消息缓冲区在这两个队列中移动。如图2 2 所示。 ( 5 ) 时钟 时钟对于实时系统来说是非常重要的。o s 2 1 提供了一些基本的函数来控制时 钟。s t 4 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 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、得到当前的时钟等。 ( 6 ) 中断 o s 2 1 提供了一套完整的中断处理机制，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( i s r ) 。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，故切换是非常迅速的。s t 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 。而在 s t i 7 7 1 0 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。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 3 所示。 p e r i l h 3。0 i 一 。一j - t 爱 4 l h5。：、j o h7 - ，- 2 i n t e r r u p t 。一 ， c o n t r o l l e r c p u 舫锗手 一， r 。 6 o o 。 7 i n t e r r u p t 。 l e v e l f c o n t r o l l e r i m e r r 哪 n u m b e r s i n t e r r u p t l e v e l s 图2 3 中断模式框图 通过i n t e r r u p t _ i n i tc o n t r o l l e r ( ) 函数配置中断控制器和中断级别控制器。 i n t e r r u p t _ i n i t o 函数初始化每一个中断级。i n t e r r u p t i n s t a l l 0 函数安装中断服务程序。 1 2 第二章p v r 数字电视接收系统开发环境 i n t e r r u p t _ e n a b l e ( ) 函数使能中断。另外还有一些用作禁止中断、加解锁中断、软件 激活中断等方面的库函数。 ( 7 ) 内存和分区 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， 防止过多的内存碎片，0 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。0 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 味着不能再释放已分配的内存，但其优点是不会产生一点的内存浪费，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。 0 s 2 1 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 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0 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。 内部分区( i n t e r n a l ：该分区只被由 函数开创的任务的_partition)taskcreateo 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 t _ s i m p l e o 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 ( ) i 函数可 以删除一个分区。m e m o r y _ a l l o c a t e o 、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 9 1 。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 2 3 小结 本章介绍了开发d v b c 的p v r 数字电视接收系统的解码芯片及开发环境， 详细阐述了系统调试环境的搭建和s t - o s 2 1 嵌入式实时操作系统，为后面的p v r 系统开发工作奠定了基础。 1 4 第三章p v r 数字电视接收系统的结构设计 第三章p v r 数字电视接收系统的结构设计 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。从本章开始，介绍p v r 数字电视接收系统的软件设计过 程。 3 1 基本原理 3 1 1 系统的功能需求 p v r 数字电视接收系统首先必须实现数字电视信号的接收，在此基础之上， 扩展硬盘接口，增加硬盘外设。并设计适应嵌入式系统中的磁盘文件系统，以适 合大容量文件的存储。分析m p e g - 2 解复用、解码的过程，在p v r 机顶盒上实现 电视节目录制和已录制节目的播放。 3 1 2p v r 机顶盒的基本原理 p v r 机顶盒包括硬件平台和软件系统两大部分，除了音视频的解码由硬件实 现外，包括电视内容的重现、用户操作界面的实现、数据广播业务的实现、电子 节目指南e p g 的实现，直至p v r 功能都需要软件来实现。 从功能上看，数字电视机顶盒是计算机和电视机相结合的产物，从信号处理 和应用操作上看它包含以下几个层次【1 0 1 ： 物理层和链路层：包括高频调谐器、q p s k q a m c o f d m v s b 解调、h d d 、 卷积码解码、去交织、r s 码解码、解能量扩散； 传送层：包括解复用，把m p e g 一2 传送流分成视频、音频和数据包； 节目层：包括m p e g 2 视频解码、m p e g 2a a c 音频解码； 应用层：包括业务信息( s d 、电子节目指南( e p g ) 、图形用户界面( g u 0 、 个人录像( p v r ) 、浏览器、遥控、条件接收( c