（信号与信息处理专业论文）sdtv机顶盒视频解码的研究及人机界面的实现.pdf

中文摘要 数字电视以其潜在的广阔市场和巨大的经济效益，已经成为国际高科技领域 研究开发的热点之一。 本论文的内容是关于如何使用国外的专用i c 来实现s d t v ( 标准清晰度数字 电视) 机顶盒( s t b ) 视频解码及其显示的研究。本论文介绍了机顶盒的系统设 计( 软件和硬件) 、视频解码及其显示的原理和实现、人机交互界面的设计以及 整个机顶盒电路的调试。 机顶盒的视频解码和显示包括三个部分：解码电路、外围存储器( s d r a m ) 和后处理电路。s t i 5 5 1 8 集机顶盒传输流解复用、视频解码、音频解码和系统微 控制器的功能于一身，它还可以实现不同显示格式之间的转换。解码电路的核心 是一条流水线，以解码一幅图像为单位周而复始的运转，用户通过设置指令操作 流水线。s d r a m 是用来存放解码帧、显示帧、o s d 数据和压缩码流的。后处理电 路将数字视频信号进行垂直滤波和水平滤波，然后通过混合单元将视频流、o s d 数字信号和s u b p i c t u r e 数字信号混合在一起。经由数字编码器转换为c v b s 或 y c 信号送到电视接收机。 软件包中含有强大的o s d 人机交互界面开发函数库。文中对这个功能强大的 a p i 有较详尽的论述。同时本文还讨论了较为底层的字库处理技术。 此外，本文介绍了机顶盒所使用的实时操作系统0 s 2 0 。详细介绍了0 s 2 0 的 任务间通信机制以及它的中断系统。 总之，本项研究推动了数字电视视频解码与显示的实用开发进程。 关键词： 标准清晰度数字电视( s d t v )视频解码 覆盖屏幕显示( o s d )了图 象( s u b p i c t u ie ) s t i 5 5 1 8 0 s 2 0 机顶盒( s t b ) a b s t r a c t d i g i t a l t e l e v i s i o ni sb e c o m i n go n eo ft h em o s ti m p o r t a n t r e s e a r c h f i e l di na i i t h ei n t e r n a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g y r e s e a r c hf i e l d st o d a y b e c a u s eo ft h eh u g ep o t e n t i a le c o n o m i cp r o f i tb e h i n d i t t h i s t h e s i s i sa b o u th o wt or e a l i z ed i g i t a lv i d e od e c o d i n ga n d d i s p l a y i n gi ns d t v ( s t a n d a r dd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) s t b ( s e tt o pb o x ) w i t h t h es p e c i a l i z e di c t h ec o n t e n to ft h i st h e s i sm a i n l yi n c l u d ef o u rp a r t s ： f i r s t ，t h es y s t e md e s i g no fs t b ( s o f t w a r ea n dh a r d w a r e ) ：s e c o n d ，t h e p r i n c i p l e o f d i g i t a l v i d e od e c o d i n g & d i s p l a y i n ga n d t h em e t h o do f r e a l i z i n gt h e m ：t h i r d ，t h ew a yt od e s i g nt h ei n t e r f a c e ：f o u r t h ，t h em e t h o d t od e b u gt h es o f t w a r ea n dt ot e s tt h ec i r c u i t t h e r ea r et h r e e p a r t s i n c l u d e di nt h es e c t i o nf o rd i g i t a lv i d e o d e c o d i n g & d i s p l a y i n gi nt h es t b ：d e c o d i n gc i r c u i t 、e x t e r n a ls d r a m 、p o s t p r o c e s s i n gc i r c u i t s t i 5 5 1 8i sa na d v a n c e dm i c r oc h i pw h i c hc a nc o n v e r t m u l t i p l e x e dt s ( t r a n s p o r ts t r e a m ) t od i s c r e t ev i d e o s t r e a ma n da u d i 0 s t r e a m s t i 5 5 1 8c a na l s od oag o o dj o bi nv i d e od e c o d i n g 、a u d i 0d e c o d i n g 、 s y s t e mc o n t r o l l i n ga n dd i s p l a yf o r m a tc o n v e r t i n g t h ed e c o d i n gc i r c u i t i sa p i p e l i n e w h i c h o p e r a t e sa c c o r d i n g t ot h ei n s t r u c t i o n ss e t b y p r o g r a m m e ra n da l w a y sd e c o d e s o n ep i c t u r ee a c ht i m e t h es d r a mi st h ep l a c e w h e r et h ed e c o d e df r a m e s 、t h ed i s p l a y e df r a m e s 、o s dd a t aa n dc o m p r e s s e d s t r e a md a t aa r es t o r e d t h ep o s tp r o c e s s i n gc i r c u i ti n c l u d e sv e r t i c a l f i i t e r 、h o r i z o n t a lf i i t e ra n dm i x i n gu n i tw h i c hc a nm i xt h ed i g i t a lv i d e o s i g n a l 、s u b p i c t u r es i g n a l 、o s ds i g n a lt o g e t h e r o u t p u to fm i x i n gu n i t i st h ei n p u to fd e n cw h i c hp r o c e s s e st h ei n p u td i g i t a ls i g n a la n d p r o d u c e s t h ec v b so ry cs i g n a lt h a tc a nb er e c e i v e db yt h et e l e v i s i o n t h es o f t w a r ep a c k e tw ed e v e l o p e di n c l u d e st h eo s di n t e r f a c ef u n c t i o n 1 i b r a r yw h i c hi sd e s c r i b e di nd e t a i li nm yt h e s i s ia l s oi n t r o d u c et h e t e c h n o l o g yt od e a lw i t ht h ef o n tl i b r a r yi nm yt h e s i s i n a d d i t i o n ，i n t r o d u c ea b o u tt h er e a l t i m ee m b e d d e d s y s t e m0 s 2 0 e s p e c i a l l y t h em e e h a n i s mf o rc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt a s k sa n dt h e i n t e r r u p ts u b s y s t e mc a nb ef o u n di nt h et h e s i s a b o v ea ll ，o u rr e s e a r c hp r o m p t st h ed e v e l o p m e n t ind i g it a lt e l e v is i 。n r e s e a r c hf ie i d k e yw o r d s ：s d 1 1 v ( s t a n d a r dd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) v i d e o d e c o d i n go s d ( o n s c r e e nd i s p l a y ) s u b p i c t u r es t i 5 5 1 80 s 2 0s t b ( s e t t o pb o x ) 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 竣撰写过的羲毋究成果，也不包含为获褥基壅盘茎戴其毡教嘉机构戆学位或证 书雨使用过斡材料。与我一丽工作的同恚对本研究繇骰的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：缸i 阿签字日期：+ 铆；年月髟目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼拯堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘凌基茎可以将学位论文鲍念部或部分内签编入有关数据疼进行梭 索，并采瘸影印、缩印或扫疆等复割手段保存、汇编以供查阕和鬻溯。同意学校 向国家有关部门或机构送爱论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作纛签名：南 i 、1 9 签字f 1 期：协7 年f 月计日 导薅签名；溯 签字日期：c 2 哆年月节网 一 笺：二兰整堡 _ _ _ m _ _ _ _ _ _ _ _ 一 i i 弓| 富 第一章绪论 超大栽模集成电路( v l s i ) 、计簿枫霸通信技术的迅速发最与结合，促邋了 视频技术的进步与广泛应用。围绕着如何有效地交流视频信息，陆续如现了多媒 体通信、宽带综合业务数字网( i s d n ) ，以及我们正在研究的数字电视等等。 数字愈视包挺标准涛敷凄邀援( s d t v ) 秘裹渍激发电巍( h d t v ) 。标礁渍襄i 发电 视的图像和伴音质量都比目前模拟电视有所提高，并且其频道利用率商，在目前 模拟逄褪驹一个频道蠢可以裁时撂4 套( 鬣更多) 标准潢辩凄节蠢。赢清巅凌逮 视，画面可提供相当于标准清晰度电视画面5 倍的信息量，因此具有更高的圈像 分辨率和清晰度。 1 2 数字电视技术的发展 1 2 。1 国际上数学电视技术的发展“儿虬 日本的毫清躜度电援起步铰早，睾在七十年代翘期n h k 藏疯c c i r 提爨过 h i v i s i o n 建议，并于1 9 7 8 年进行了h d t v 的传输和接收实验。虽然实验的结果 还令人溱意，瞧囊予赞竣囊占愆瓣繁赛太大，因我鞭裁7 这种系统懿盛蔫。为魏， n h k 又对能压缩传输频带的新系统进行了研究，于1 9 8 4 年正式公布了研究方案， 命名为m u s e 镪j 。m u s e 隶l 袋霜了时分多骆传输技术帮带宽聪缩技术，它能以8 i m h z 的视频带宽在一个卫星信道中进行宽高比为1 6 ：9 的1 1 2 5 行的h d t v 广播：同时 传邀两路数字编码的高僳真伴音信号和其他数据信号。日本在1 9 8 8 年成功也运 用其h d t v 系统对汉城奥运会遴抒了实况传援，并予1 9 8 9 年开媲了h d t v 憨实验 广播。1 9 9 1 年开始正式广播，目前每天大约搔出1 4 个小时的节目。 欧测不嚣心全部 # l ￥市场蠹酲本独占，设计了一条簌| 睚矗e 翻h d 一瑟矗e 的逐 步过渡到i i d t v 的道路，并于1 9 9 2 年成功实现了对巴塞罗那奥运会的h d t v 卫星 实况转疆。僵欧泖l 矗汲为h d t v 的市场尚远，因此当前敛力于数字标准清晰度 电视的研究开发。相继出台了卫星数字电视广播传输标凇( d v 沪s ) 、真线数字电 视广播传输标准( d v b c ) 和地面数字电视广播传输标准( d v b 一1 u ) 。 ，。笙= 登鐾笙。 一 同日本和欧洲相比，裳国在t l d t v 的研究方面起步较晚，但却是发展最快 懿。美嚣联邦暹讽委员会( f c c ) 予1 9 8 8 年9 男键出裹清矮黢嘏视要与现褥瓣 n i 、s c 割蒙褰。美戮在1 9 9 1 1 9 9 2 年霹萎摹孛建议豹h d t v 地嚣广疆豢l 式送行t n 试， 睦l 于被溅试盼西i 孛全数字潮式在技术衽经漭一k 静谎劣段裔显著麓麓臻，为了墩长 短，同时统一阉内市蛹，四个数字系统的提出荫于1 9 9 3 年5 月组成了“大联 盟”( g a ) ，合终提出了个统一豹拣撼。1 9 9 5 年4 月a t s c 逶道了“a t s c 巍字曦 撬稼准”，澍年8 月强襻稳研湖残功，1 8 胃“a t s c 鼗字窀援稼难”装箍交绘f c c 审议。1 9 9 6 年1 2 月2 6 国，f c c 终于批准了该标凇。1 9 9 7 年4 月f c c 盥布：以4 嚣? 基为糕点，1 8 令舅内蠢2 2 痊电援台转搀鼗字滚壤撵窭；2 4 个胄内，嚣丈囊 业邈程飕壅全美卡丈麓蕊逡牙数字电褫攘爨( 其中三大毫巍霹援瘩数字i 固t v ) ； 3 0 个胃内有1 7 0 0 个电麓静在3 e 个城市转为数字憩橇：鬣终计划在2 0 0 6 年联消 模拟电视| j 勺播出。美国计划用9 年左右的时间来完成由模拟电视向数字电视的历 史性转孰过程。 当蘸穗莽上豢本形成了掰释数字广播黩溪系统猿猴：黏是荧漤瓣a t s c 添 统，一种魁欧洲的d v b 系统，两者的图像编码都深用m p e g 2 标准，系统锚构 氇镶禳餐。声密编羁上，a t s c 采薅a c 3 篷缩技术嚣d v b 聚耀m p e g - 2 瓣声 音压缝蠢港。 1 , 2 2 我刚数字电视的发展。3 我国对数字奄援静舔踪耢褒簌黪 鼓纪鼬年健卷麓嚣经牙始了，在“a 轰” 期间，国务院组织成立了图家高清晰度电视研究开发协调领导小缀，图家科藤缎 织娥立7t t d t v 发瀑羧蜷专家缀，组织安旋了“焱五”藏豢重点辩羧袭荧瑗嚣“麓 溃糍废电鼹鼓零鹾突”，慰数字蔗清磺度惫巍透露了瑷谂磺究窝诗箨摭攘撂。1 9 9 5 年，经营凑鬻潘晰发怒褫磷究开发蓊调矮嚣小组懿嘏，成立了鬣索篱清额炭曦褫 ( h d t v ) 研裳总体组，1 9 9 6 年7 月，豳总体缀负责，组织实施了“九五”国象藏 大秘援产业工程颂馨“蕊港巅度电视功熊襻枫鲍研究”，经惑体终鞠全国多所大 学、瑟变所以及企监斡共黼努力，予1 9 9 8 年6 月，艨功逮磅额出了我国繁代 数字高清晰度电视功能样机系统，1 9 9 8 年9 月，利用该功能样机系统在北京中 央电视台避行了开路演示，最褥了缀好黥效袋。在t 9 9 9 年1 0 月1 曩，中华久涎 共鞠蘑建溪鞠瘸年之黪，对天安门广绥鼹疆痰大莛逶行t g g 场_ 蠹矮，获缛了成 功。雷家广 乇i 总髑在卡五规翘和2 0 1 0 年远景蕊戈中楗出：我醋将程叠星和有线 也视中采用幽际媳用的d w 3 标准两在2 0 0 3 年完成具有我国自t 知识产权的地 灏数字电携广播标准制定工搏，并在2 0 0 5 年全西推进地覆数字电缆广据。 第一篷绪论 在数字化时代到采之际，数字电枫产业漫示出了明显静知识缀济特征。雨此， 我们应滚缀姆她秘羁已澎溅虼辩磅基戮，以科技积趣主知识产救湾核一舀，协调爝 范挺准的制定工捧，如速产、监准备，以使我国的数字慧裰产、韭戚为一个其蠢溪 力，麓繁动行盐臻长，对鞴强经滚有熬要贡敷蠢在嗣鼯上爨舂缓强港争力豹产鼗。 1 3 本论文魏强务 在过去几年中，本学科已经有很多名研究生围绕数字h d t v 谶行了论文工作。 蚀缃鼹工 磐为我能蜃来粒萋嚣发打下7 整实懿技零蕊璐。 我们豹谍繇楚“搽壤澹矮疫数字毫粳掇l 燹鑫豹磷裁”。经避收集炎趱、分搴厅 秘镶磷，谦题组最终暴掰s g s - t h o m s o n 公司生产斡s t i 5 5 t 8 为梭一如芯片，它黎系 统控制和解篾用、视频解码、音频解碣功能于一身。 本课避鹣主娶工终楚完成视频熬褥擎元静控制帮入梳交互莽瓣静设计。诧静 还完成标穗滂磺发数字惫程瓿顼鑫整瓤溪终、软佟静瀵试。其体国容蹩： t 全丽、深入地研究m p e g 一2 标准的相关部分，熟悉和零凝标准中的各项 技术蕊定； 2 熟悉s t i 5 5 1 8 翅户芋臻，掌浆s t i 5 5 1 8 兹羧僻缡程技本( 毽搪筏额瑟鹚、 撼示稻o s d ) ； 3 负费视频解码鹧元控制软件的修改和整个人机交互界糊软件模块的缡 霹工作； 4 。参黝黠熬个辊预焱缒凝斧、较释黪调试。 1 4 零课题麓磁麓进艟与戏采 奉课题予2 0 0 1 年下半年开始准备，2 0 0 2 年4 弼份正式启动。由于前期獭铸 豹比较充分，课题进展麴比较顺利。予2 0 0 2 年8 冀，宠成音视凝解鹳款调试工 作。之螽，又逐步完善了餐能卡接暖叛调试、数字茁像掇、节曩数瓣淳彝久瓿交 誊莽嚣等劝怒。 2 0 0 2 年1 2 月此项目转让给天津潺倍广播集团脊限公司。 第二章m p e g - 2 篱分 第二章m p e g 2 简介 m p e g ( m o v in gp ic t u r e se x p e r tg r o u p ，即活动图像专家组) 予i9 8 8 年设立， 其疑标是薅意溪魏塑像缡鹤及其趣关誊频缡碣酌鼷姆栋维。m p e ( ；2 瓠准是瓣 菠爨量麴裰频瑟缀梅准，瞧旁入拣它筠蠲予广播邀嫒戆褪频压缭标准。 m p e g - 2 檬准鑫醴下4 部分缝成： 1 3 8 1 8 - 1 系统一寇义规范的系娩编码。它定义了复台视频剃音频数据的复 爝鼹鞫，滗义了实辩应鲻中蒙蔽同多膨鳓灏蔫抟表示定辩信息豹方法。 1 3 8 1 8 - 2 筏频一一滗义了凌频数掇豹壤鹤表示稻差建蚕豫掰要求鹣解碣过 程。 1 3 8 1 8 - 3 营频一定义了毒凝数攒熬鳊璐表示。 1 3 8 1 8 4 一羧牲霆义确定绽鹈筠浚戆特霞巍经耀1 3 8 1 8 - i 、1 3 8 1 8 - 2 、 1 3 8 1 8 3 陈述鹣簧求一致懿瓣试静避麓。 2 1m p e g 。2 筏频钵鬟嘲淘 m p e g 纳了种称之为工具箱ct o o l k i t ) 的方法，将视频编码规范中摁定 懿谖法子集建：义为类( 群。f i l e ) ，英特患楚霹壤器嚣饕获王其藉审遮逡令予焱， 以滚是赞悫戆疲臻需要。 通常簿一类镪括几个罄缴( 1 e v e l ) ，1 个等级为n 的解码器能辩鬣高为该等 缎( 包括该辫级) 的数掇鹕漉进行勰粥。两个类为n 的解码器激对最高为该炎 ( 趣括该豢) 瓣数摆码滚遴雩亍瓣码。 魏了逶廉广摇、逶稽、诗算撬帮家邀獯褥工鼗静广瓣需要戳袋不同懿数字 h d t v 体系，i s o i b c1 3 8 1 8 2 ( 即m p e g - 2 视频部分) 指定了5 淡、4 个等级。 + 蔼擎( s i m p l e ) 黉。除了没存斑撇图豫颧茨辨，与主( m a i n ) 娄裙霞，以 繁雀r a m 。 主菸。没有可分缀髓，健质量黉尽量好。 s n r 可分级( s e a l a b l e ) 类。毒孛对主类的改进，绘出按僚曝比麴可分缀 牲。 + 空闽两分缓( s p a t i a t l y s c a l a b l e ) 类。支持骚德空藏藏分瓣率静可势级 一阵。 。赢( h i g h ) 粪。支赘4 ：2 ：2 及全部可分缀瞧。 等缀粥岛簿类撩关鼗。d i s l 3 8 1 8 2 确试4 令等级： 一一一茎三萋避墼：! 塑坌。 。 j 一_ - 一一 。低( 。o w ) 缓。懿似i t 争罩 f 2 s l 建议翡c i f 或m p e g - 1 的s j 。 主( m a i n ) 级。与常规电视对应。 赢t 4 4 0 ( h i g h1 4 4 0 ) 缓。糕赡速与每据猕行1 4 4 0 取襻豹h d t v 对应。 离( t i g h ) 级。灏貉缝与每季萎籀行1 9 2 0 取榉魏h d t v 对应e 类等级的组合将缭出2 0 种不同舰格，但并非所有组合都有实际精义。融前 允许谴强翁缀合始表2 l 所示。在袭审下秘4 转技零援菠 较蕊溪： m p m l ，郅主类主缀。m p m l 可麓豹痊弱毽糖数字褪菝广攘( d v b ) ，效字 视盘( d u d ) 、数字霄线奄税霸交鬣式亳税等。篾匿貔1 5 0 踌翌庭纛播电橇肄 业务都采用m p m l 。 s p m i ，鄂麓单擞主级。s p o m l 姆褥子数字鸯线窀视稆数字浸蘩撬。 - m p h l ，辞主类离缀。鼹予全数字h d t v 。美潮懿解￥最麓醚p l 。 s s p h 1 4 4 0 ，即窳间可分级类商1 4 4 0 级。用于h d t v ，欧洲的h d t v 系统 颓囱予祭麓s s p 鸯h 1 4 。 袭2 - im p e g - 2 戆类等级缀台 ；等缀炎简荦类主黉s n r 可分缎类空阍可分缀离炎 必 | 低级( 3 5 2 x 2 8 8 ) m p l ls n r l l | 主缓( 7 2 0 5 7 6 ) s p 辅l鹱饿s 瓣r 勰l m p m l 1高1 4 4 0 级m p h 1 4 4s s p h 1 4 4 0h p o h l 4 4 l( 1 4 4 0 x 1 1 5 2 )0o l | 簿缀( t 9 2 0 ( 1 1 5 2 )猃 b潆h l 2 2m p e g 2 标准视频部分篱介湖 本谦熊掰鞭锅酶拣滚清蹶度数字瞧褫梳顶窳中耩频解鹃的部分应遵德 m p e g 2 标准的视频部分，即i s o i e c1 3 8 1 8 2 标准。 m p e g 一2 标掇充分利用羧字巨豫鲶爨技零的最灏发展寒压缭数字裰频售号。 它较霾莲麓辫豫髂特点鞭a 羧麓视觉将往，铡熏下捌援零对耍豫数攘避行压缭： 1 ，采用帧内编码巾负( i 帧) 、预测编码帧( p 帧) 和双向预测帧( b 帧) 三种帧 拣擒模式，p 犊秘8 枣龚莱翅了运裁颥 鬓蟊避秘睾 楼。去滁序列踅豫在瞄 阉域上夔褪关羲，仅传送缀小熬囊羹差信号，丈太压终了图像数撂； 2 。对按闯预测诿蕊或赣内原始蕊像数精进行8 x 8 像素块的离敝余弦交换， 以溺除图像在空蚓域 ：= 的相关性： 3 。在离散余弦变换中对8 x 8 的o c t 系数滏餮驭邂应鲎纯戮，以充分稳弼太 第二章m p e g 2 简介 腱特性，量化后的系数再利用一定的扫摘方式送行排序，以便迸行变字 长编码： 4 对量化厨的d c t 系数采用h u f f m a n 变字长编码，实现熵编码：即：对于 密瑗概率，j 、魏系数可以采滔长字长翡码予，薅予是魂穰率太鲶羁予粼采 用短字长的码子。这样就可以消除图像中的统计相关 ! 生； 5 诧外对d c t 系数的游程编码、色度分量的水平垂壹亚取样黻及编码嚣总 体上采纳的防止码率上下滋的编碣控制策略都极大地提高了系统的编 码效率。 p i “”“1 “。 l 回国回国 v i d e os e q u e n c e g r o u po fp i c t u r 圜回国圜凰凰圉翟回国 圈2 - i 视频序列多层缩梅 编码视频比特滚中的最高语法结构是视频序列。一个视频序列包撼序列头， 每个序列头后可以有多个图像组层，而每个图像躐层又w 以包含多个编码帧。 m p e g 一2 的视频数据绩褐采用多层终擒。它嬲扶蹇到假是序裂层( s e q u e n e e l a y e r ) 、网像组朦( g r o u po fp i c t u r e sl a y e r ) 、图像滕( p i c t u r el a y e r ) 、条 屡( s l i c el a y e r ) 、宏浚层( m a c r o b l o c kl a y e r ) 、浚屡( b l o c kl a y e r ) ，螽圈2 - l 所示。 甄 酉 目 旨 第三章标准清晰度数字电视机顶盒概述 第三章标准清晰度数字电视机顶盒概述 根据本次课题的任务和内容，选择的整体系统方案是以s t 公司生产的j 芯片 s t i 5 5 1 8 为基础的标准清晰度数字电视机顶盒系统解决方案。本方案的特点是： 1 技术成熟。 2 集成度很高，核心芯片仅用一片，其功能包括系统控制、解复用、视频 解码、音频解码、视频后处理等。 3 嵌入式多任务实时操作系统0 s 2 0 对用户不透明，且使用方便，运行稳定。 4 提供软件开发工具，拥有友好的i d e ( 集成开发环境) 、功能强大的a p i ( 应用程序接口) 及与各个硬件模块相联的驱动程序( d r i v e r ) ，并拥有一套功 能强大而通用的命令语言接口。 3 1 机顶盒硬件结构 本次课题所研制的标准清晰度数字电视机顶盒符合欧洲d v b c 标准。数字电 视信号从电视台经过有线电缆传输到接收者所在位置后，还需要经过多个处理 + + + + + + + + yp r p bc v b syc rll sr scl f e 图3 一l 机顶盒功能方框图 7 图 第三章标准清晰度数字电视机顶盒概述 过程。首先要进行信道解调与解码。然后，对输出的传输流( t r a n s p o r t s t r e a m ) 进行售源勰玛，渡部分包括瓣复用、酱频嬲码、携频解磁、视频磊处理等等e 当 然机顶盒还应包括自己的电源，配备红外遥控接收和手动控制板。此外，还应有 憨漉输入接墨及瘸子系统较馋秀缓蠲蠡每r s 一2 3 2 接口。裰据用户静霰求，还霹以 选配用来泶像的硬盘，用来解密的智能卡等。机顶盒功能方框闰见图3 1 。 如图所示，输入解褐板的信号经过前鞴，输出t s 流。俗流在信源解码缀进 行处理。在这里，t s 漉被解复用。分为音、视频p e s 流，然后音频送交音频船 码器，视频送交视频解码器。最后，褥将音、视频数字信号进行数摸转换，输出 即爵。镶源鳃羁援，不艇完成酱、视频的瓣妈，蔼基迄焱露援玲段完成对翦端及 主控芯片的初始化。此外，该部分硬件还具有运行软件、实现系统控制、进行节 磊蛰理、输密模式选择、节嚣搜索、疆盘访海等功能。 3 2s t i 5 5 1 8 会绍 s t i 5 5 1 8 是s t 公司生产的功能强大的视频解码芯片，它最系统的核心。它 褰楗顶鑫臻羧漉瓣复蠲、稷鞭解疆、音频释鹳霹系统徽控制器翡动畿子一囊。 s t i 5 5 1 8 的c p u 怒s t 2 0 的3 2 位处理器核，它包含指令处理逻辑、指令和数据指 针藕个操作数寄存器，它可以直接访薅用于数攒和程黪存贮的高速片内c a c h e 和s r a m ，也可以通过可编程外部存锵器接蹦( e m i ) 、共潦存锉器接口( s m i ) 访 问外部存储空间。 s t i 5 5 1 8 内爨了一个实对熬视频瓣码爨。这个瓣羁器支持耱合m p e g l 蠢 m p e g 2 标准的视频码流，可实时解码m p e g 一2m p m l 视频。同时它还集成了囊直 蠢东乎滤波器舔予图豫懿盖憝灌，集成7 覆盖羼攀嚣示模涣( o s d ) 嗣于叠蕊用 户自定义的位图。 该视颓解码器的显示单元在设计上将显示于用户面前的图像分为四层：背景 层、m p e g 视频层、o s d 艨、子图像层。通卷情况下鸳景屡在最底层，聪予銎像层 在最表层，多用来显示鼠标。程序可以控制显示层次的顺序，将予图像层骶于 0 s b 瀑之蜃，起弼镳韵键0 屡显示之塌。 s t i 5 5 1 8 内置的a t a p i 接口可和标准硬盘驱动器无缝连接。这样s t i 5 5 1 8 就可 良实糯实时电视录像、暂停藏时移( t i m e s h i f t i n g ) 等功能。通道集成的c i 羧口 和智能卡接口可以实现条件接收。 商度鬃成、p q f p 一2 0 8 封装，这便s t i 5 5 1 8 非常适合应用于i 肯场广阔的低成 本扒顶盒。 第三肇标准清新度数字电视机项愈概述 3 3 数字电视机顶盒的软件系统1 7 】 数字电援税顶鑫具有笈象熬软 孛系缝。在一定意义上谤，裁怒一个复杂谤 算机系统，因此操作系统越必不可少的。相对通常意义上的计算枫操作系统，数 字电视机顶盘操作系统应舆有更高的稳定性和实时性。机顶盒采用的操作系统都 璺实时嵌入式操作系统，髫前常用的机项盒操作系统主要有s t l i t e 0 s 2 0 ， v x w o r k s ，p s o s y s t e m ，w i n d o w s c e 等。s t i 5 5 1 8 采餍s t l i t e 0 s 2 0 佟为数字梳璎 禽的操作系统。s t l i t e 0 s 2 0 是一种高效率的实时多任务操作系统，适用于所有 s t 2 0 微处理器。操作系统内核对于芯片内核都进行了重新实现，这样就充分利 髑了芯片本巍豹特淫，扶瑟为s t 2 0 开发戆嵌入式系绞提供了裹效熬多彳壬务环鬓， 包括任务管瑗、内存管理、消息队列服务、信号灯服务、时钟和定时器管理、中 断实现服务等内容。两大主要软件部件逡行于数字电视机顶盒目标硬件之上，它 们分别是s t l i t e 0 s 2 0 操作系统和应用稷序代码。此灏部分经过链接可生戒可执 行软件，蒋它下载妥鼗字惫凌橇顼盒上，使完成了数字电视税疆鑫的软释稳造王 作。 s t 公司掇供了基于s t i i 5 5 x x 系列芯片的s t a p i ( s t a p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n g i n t e r f a c e ) 软馋魁。雳户可以透过s t a p i 遴嚣痤鬟穗黪戆开发，这糖会缜短舞发 的周期。同时s t a p i 可以支持s t i 5 5 1 8 的下一代芯片，这样应用稔序就可以很方 便地移植到新代芯片上。s t a p i 还提供了面向中间件的接口，通过这些接口可 以使应用程序方便地与o p e n t v 、l i b e r a t e 、m e d i a h i g h w a y 等串阀传程痒结合实 境更藤丰富豹凌髓。解弱嚣的整体软锋终梅如霞3 2 所示： 图3 2 软件层次图 辍图中可戬蓍嚣，软赞整俸上获下至上可潋分为弱蒺：s t l i t e o s 2 0 实时操 作系统层、硬件抽象层( h a r d w a r e a b s 仃a c t i o nl a y e r ) 、s t a p i 硬件驱动层、应用程 序层。i - n 具体描述一下各个层的功能： 、s t l i t e o s 2 0 实时擐份系统层： 第三章标准清晰度数字电视机顶盒概述 在机顶盒一擞的实时系统中，由于c p u 要同时对音频解礴、视频解码、解 复燃等多令方蘧黥事 牛进行处理，其中既有通信闼题，又有同步等闽题，镬熙 个简单的单线程的处理方式是很困难的。因而在处理实时系统时，多任务多线程 承方式被广泛采；= 薅。应掰程彦霹强被分害l 或多个穰慰独立貉任务，它们共享系统 资源，如c p u 时间、内存和系统设镥等。来自外部设备的事件可以通过中断通 知系统。s t l i t e o s 2 0 实时搽作系统核能够箍供的复杂的多任务服务如下： 多个任务之间的同步和通值可以通过信号灯( s e m a p h o r e ) 秘消息队到 来实现； 事件处理戳中数豹方式进萼亍，著邋过爨号灯与任务邋傣； 任务所需内存的分配，既可以通过操作系统来管理，也可以由用户自 己管瓒； 任务可以被分配不同的优先级，并根据优先级进行调度； 提供时间函数，用于实现时闯计算、延迟等操作。 实时操作系统层作为所鸯上滢程序代码运行的基础，可以进行多任务调度、 系统资源管理、中断处理、通信操作和同步处理等。 二、瑷舞撼象层： 硬件抽象层是与硬件联系最紧密的软件层，它主要完成通过读写各个模块 靛专焉寄存器实蠛最底簇的控箭。硬件插象罄可以蕊商不葡的硬件平台，通过硬 件抽象层可以实现上层软件与不同硬件平台的结合，为上层的应用软件提供更广 的应用范麟。硬件抽象滕本身包含了多种芯片的底层控制，通过在编稷时参数的 设置来选撵应用鲍芯片。因嚣使溺在s t i 5 5 1 8 上豹驱动理枣霹以攫容易建移攘到 下代芯片( 例如s t i 5 5 1 4 ) 上，而光需做很大的修改。 三、s t a p i 疆俸驱动层； 硬件驱动层主要是针对不同的硬件功能模块，提供相应的驱动穰序。它主 要彀括以下几个部分： 1 接口模块：包括了s t u a r t 、s t l 2 c 、s t s m a r t c a r d 、s t a t a p i 、 s t c l k r v 等，分别实现r s 2 3 2 串l = = | 控制、1 2 c 控制、智能卡驱动、硬盘 驱动、时镑恢复。 2 系统控制模块：包含s t b o o t 、s t p i o 、p t i 、s t a v m e m 分别对系统 瘵动、p i o 设嚣、饕输漉静解复胡及系统内存管瑾进行控割。 3 音频处理模块：s t a u d 实现对刁i 同格式的音频流的解妈、后处理等控 制。 4 ，视频解码摸块：s t v i d 实现基本勰码的控制。 5 视频后处理模块：s t d e n c 将视频信号编鹤成n t s c p a l s c e a m 制 第三章标准清嘶度数字电视机顶纛摄述 的电视信号。s t v o u t 和s t v t g 实现视频信号的输出和间步信号的产 生。 6 。 翳失性存建嚣控赣摸袭：s t f l a s h 、s t e 2 p 实疆f l a s t t 鞠e z p r o m 的韧始化、读写、擦除等功能。 7 硬盘文件系统模块：s t a v f s 实现硬盘上数据的管理。 8 翦端控制模块：s i q i r n e r 完戏控制信道勰调芯片s t v 0 2 9 7 、高频头 靛工作。 9 o s d 控制：通过s t o s d 、s t l a y e r 等模块实现o s d 的图形显示。 四、应用程序层 应援程黪层是援户痰耀软舞戆主髂爨分，遣是软 孛开发戆主蘩罄分之一。 与数字电视解码器有关的所有上层功熊的实现都在这层完成，如关于用户界面、 前面板键盘和红外遥控的接受与处理、节目信息的分析处理和节目操作的管理、 硬盘录像机驰控制和录像节弱的管理等。 姨软件来讲在硬俘平台的基礁上，需要实现各个功能模块的控剃。本课题开 发的应用程序主要包含： ( 1 ) 前端的控制 垂予目一个信源舞璐嚣霹暖琵台不瓣类鍪窝凌麓豹黪溃送行王佟，瑟强蔻臻 控制软件的设计要根据具体的前端硬件的不同而有所不同。 ( 2 ) 0 s d 用户界面( 人机交互界面) 主要处理慕叁兹面板或遥控器的用声输入售惑，确定当收到菜个铸惑时进行 怎样酶操作，始0 s d 画面或菜单的显示镣。同时该部分扮演了一个任务统筹调度 者的角色。在逻辑层次上它作为最项层的应用程序必须担当其它应用程序模块的 镑理工作。用户界面的设计分三层：0 s d 底层驱动程膨、高级0 s d 程序库、s t w t k 疆亭痒( 谨冤6 垂节) 。 ( 3 ) 节目及其数据库的操作 为了将有关频道和节目的各种信息静机地组织起来，以利于操作，这里设计 了节嚣数据摩，存德节曩躯各秘有用豹瓣经售惠。这郝分疑包括节弱数据疼豹冬 车中操作，如：数据库内容静裙始亿、读霹、更新、校验等，也包括关于频道和节 目的各种操作，如：自动节目搜索、节目删除、恢复、节目选择等。 ( 4 ) 软件瀑级 在硬馋乎台确定嚣其软俘莛在不繇开发稻更瑟蓉麓，繇以为了镶游稃懿橇嚣 能够在原有的基础上不断扩充软件功能，这里设计了软件升级模块。通过一个 r s 2 3 2 串行接门，可以从p c 上将新的程序代码写入机顶盒的f l a s h 存储器中， 实现款 孚静嚣缴功能。 第三章标准清晰度数字电视机顶盒概述 ( 5 ) 个人数字录像机的控制 数字电视节目的数据以文件的方式存入硬盘，为了实现数据的有效管理需要 建立文件系统。数字录像机工作时与解复用模块、解码器之间有紧密的关系，也 需要软件来控制这些模块正常工作。电视节目的录制、回放、删除、更名、特技 播放等都需要编写软件来控制。 本论文主要负责应用程序层中o s d 用户界面的设计以及硬件驱动层中视频 解码模块的修改、调用。 图3 3 给出了机顶盒系统的软件流程： 图3 3 本机顶盒软件流程图 第三章标准清晰度数字电视机顶盒概述 3 4 机顶盒嵌入式操作系统0 s 2 0 简介鸭 本课题的软件包是运行在一个嵌入式操作系统0 $ 2 0 之上。0 s 2 0 是一个多 任务实时操作系统。应用程序可以被分割成若干任务而共享整个系统的资源。 0 s 2 0 提供了完善的中断系统。通过中断，外设以外部事件的形式通知操作系统 执行相应的中断处理任务。 0 s 2 0 的特征如下： 1 高度集成： 2 多优先级任务调度； 3 用于进程间通信的信号灯： 4 用于进程间通信的消息队列； 5 完善的内存管理； 6 完善的中断系统： 7 系统占用内存少； 8 适用于所有s t 2 0 系列微处理器。 3 4 1 操作系统的风格 0 s 2 0 是以面向对象的风格编写的。大多数系统对象由专用的函数创建并可 用通用的函数加以控制。例如，信号灯可以分为有优先级的信号灯和基于f i f o 的信号灯两种，每种都拥有各自专门的创建函数。不论哪种信号灯，其发送和等 待函数却是一样的。这些函数会根据信号灯的类型采取相应的操作。这样的特性 使得在程序开发的过程中修改对象的类型非常容易，应用程序接口在未来的扩展 也会变得十分轻松。 另外，对于系统级对象如任务和信号灯，其创建函数都有两种形式：一种是 以c r e a t e 为其函数名前缀，另一种以i n i t 为其函数名前缀。前者返回新创建对 象的指针，该对象由操作系统为其自动分派内存空间。后者给予用户更多的控制 权，内存分配由用户决定。对象的数量仅取决于可用内存空间的大小。 3 4 20 s 2 0 的内存管理 如何有效利用有限的内存空间是操作系统的重要任务。0 s 2 0 给用户提供了 不同的内存管理方案，增加了系统适应不同任务的灵活性。 内存管理的基本任务是允许应用程序从一个大的内存区间分配和释放内存 第三章标准清晰度数字电视机顶盒概述 块。分配的信息被存储在一个系统结构体p a r t i t i o n 中。p a r t i t i o n 的主要内容 如下： i 本p a r t i t i o n 统辖下的内存块位置及尺寸； 2 p a t t i t i o n 中各内存块当前所处的状态( 已分配或未分配) ； 3 分配或回收内存块时所用的算法。 多样的p a r t i t i o n 机制也可用于提升系统的容错性能。对于一个大的应用程 序，将其划分为不同的部分，在不同的p a r t i t i o n 中加以实现。当有错误在其中 一个p a r t i t i o n 中出现时，它不至于扩散至整个程序。 0 s 2 0 支持以下三种不同类型的p a r t i t i o n ： 1 h e a pp a r t i t i o n ：其使用的内存分配机制类似于标准c 中的m a l i o c 和f r e e 函数。被分配内存块的尺寸可变。当内存块被释放，如果其 前后还有未使用的内存块，这些内存块会合并。虽然这种形式的 p a r t i t i o n 使用起来很方便，但它具有不少缺点。内存分配的时间 不固定，因为分配内存时搜索的内存块列表并不定长；系统自身消 耗也大，每分配一次，就会有额外的若干1 6 比特字存储单元被系统 消耗。 2 f i x e dp a r t i t i o n ：这种p a r t i t i o n 克服了以上p a r t i t i o n 的弱点。 因为它固定了内存块的大小。分配和回收内存的时间不变，同时系 统自身的消耗也小，系统不用记录有关分配内存区间大小的信息。 3 s i m p l ep a r t i t i o n ：这种p a r t i t i o n 的分配策略极为简单，仅将指 针移到下一个可供分配的内存块。这意味着