（通信与信息系统专业论文）数字机顶盒以太网接入模块的设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着数字电视、宽带网络和多媒体技术的发展，有线电视综合业务网显示 出强大的资源优势。数字机顶盒作为综合业务推广入户的平台，已经得到了越 来越广泛的应用。电信、电视、互联网三网融合是信息技术发展的趋势，将数 字机项盒接入以太网，除了能实现对电视信号进行解码并呈现其内容，使用户 可以收看到高品质数字电视节目外，还可以享受视频点播、上网浏览、电子邮 件、游戏互动等综合业务服务，使家庭用户可以享受到更多的交互式数字多媒 体服务。 基于此需求，本文在数字机顶盒上设计实现了以太网接入功能，主要研究 工作如下： ( 1 ) 硬件部分的设计是采用d a v i c o m 公司以太网控制器d m 9 0 0 0 a 的嵌入 式以太网接入方案，从硬件电路连接、地址空间及控制时序的配置两方面来具 体进行以太网接入模块硬件的设计和实现。 ( 2 ) 软件部分的设计包括d m 9 0 0 0 a 驱动的实现、l w l p 协议栈的移植以及应 用层软件的设计。其中对l w l p 协议栈的移植作了详细分析，包括协议栈和驱动、 o s 2 0 操作系统的接口的代码实现和修改。应用层软件主要实现了网络接口升级 下载应用程序的应用。 ( 3 ) 对整个以太网接入系统进行集成和测试。提出了系统测试方案，给出测 试结果并对系统的性能进行了分析。 该以太网接入系统在开发过程中利用了开源t c p i p 协议栈l w l p 与o s 2 0 操作系统相结合实现基于网络协议的数据收发，使数字机顶盒不仅能收到下行 的电视信号数据，还能传输用户发出的上行数据，实现了双向传输功能。这样 的研究对于扩展v o d 视频点播以及浏览器等功能的多媒体交互应用具有较高的 实用价值。 关键词：数字机顶盒，s t i 5 1 0 5 ，d m 9 0 0 0 a ，l w l p 协议栈 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e l e v i s i o n ，w i d eb a n da n dm u l t i m e d i a t e c h n o l o g y ，c a t vi n t e g r a t e ds e r v i c e sn e t w o r ks h o w ss t r o n gr e s o u r c e sa d v a n t a g e s a sap l a t f o r mt oe x t e n dt h ei n t e g r a t e ds e r v i c e s ，d i g i t a ls e t t o pb o xh a sb e e nb e c o m i n g m o r ea n dm o r ew i d ea p p l i c a t i o n t h ei n t e g r a t i o no ft e l e c o m m u n i c a t i o n ，t e l e v i s i o n a n di n t e m e ti st h et r e n do fd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y d i g i t a ls e t t o p b o xw i t he t h e m e ta c c e s sf u n c t i o nn o to n l yc a nd e c o d et h et e l e v i s i o ns i g n a la n d s h o w si t sc o n t e n ta n du s e r sc a nw a t c ht h ep r o g r a m sw i t hah i g nd e f i n i t i o n ，b u ta l s o c a nm a k eu s e r st oe n j o yv o d ( v i d e o o n - d e m a n d ) ，s u r fo n l i n e ，e m a i l ，i n t e r a c t i v e g a m e sa n ds oo n b a s e do nt h e s er e q u i r e m e n t s ，d i g i t a ls e t t o pb o xw i t he t h e m e ta c c e s sf u n c t i o ni s i m p l e m e n t e d t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fd i g i t a ls e t t o pb o xw i t he t h e m e t a c c e s sf u n c t i o nm a i n l yi n c l u d et h r e ep a r t sa sf o l l o w ： ( 1 ) t h ed e s i g no fh a r d w a r ei st oa d o p tt h ee m b e d d e de t h e m e ta c c e s ss o l u t i o no f n i c ( n e t w o r ki n t e r f a c ec a r d ) d m 9 0 0 0 ap r o v i d e db yd a v i c o mc o m p a n y t h e h a r d w a r ed e s i g na n di m p l e m e n to ft h ee t h e m e ta c c e s sm o d e li sd e s c r i b e df r o m c i r c u i td e s i g na n dt h ec o n f i g u r a t i o no fa d d r e s sa n db u st i m i n g ( 2 ) t h ed e s i g no fs o f t w a r ei n c l u d e st h ei m p l e m e n to fd m 9 0 0 0 ad r i v e r , t h e t r a n s p l a n t a t i o no fl w l pp r o t o c o ls t a c ka n dt h ed e s i g no fs o f e w a r eo na p p l i c a t i o nl a y e r t h et r a n s p l a n t a t i o no fl w l pp r o t o c o ls t a c ki s a n a l y s e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h e i m p l e m e n ta n dm o d i f i c a t i o no fi n t e r f a c ec o d eb e t w e e np r o t o c o ls t a c ka n dd r i v e ra n d b e t w e e np r o t o c o ls t a c ka n do s 2 0 s o f e w a r eo na p p l i c a t i o nl a y e rr e a l i z e st h eu p g r a d e o fa p p l i c a t i o nd a t av i ae t h e m e t ( 3 ) i n t e g r a t i o na n dt e s tt ot h ew h o l ee t h e m e ta c c e s ss y s t o m t h i sp a r tp r o p o s e sa s y s t e mt e s t i n gs o l u t i o n ，g i v e st h et e s tr e s u l ta n da n a l y s e st h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h e e t h e r n e ta c c e s ss y s t e mi sb a s e do nt h ec o m b i n a t i o no ft h eo p e ns o u r c et c p i p p r o t o c o ls t a c kl w l pa n do p e r a t i n gs y s t e mo s 2 0t or e a l i z et h er e c e i v i n ga n ds e n d i n g o fd a t a t h ed i g i t a ls e t t o pb o xn o to n l yc a nr e c e i v et h et e l e v i s i o ns i g n a ld a t ao f l l 武汉理工大学硕士学位论文 d o w n l i n k ，b u ta l s oc a nt r a n s p o r tt h ed a t ao fu p l i n ks e n to u tf r o mu s e r s ，w h i c hr e a l i z e s t h ef u n c t i o no fb i d i r e c t i o n a lc o m m u n i c a t i o n t h i sr e s e a c hh a sah i g hu t i l i t yv a l u et o e x t e n dt h em u l t i m e d i ai n t e r a c t i v ea p p l i c a t i o n ，s u c ha st h ev o d ( v i d e o o n d e m a n d ) a n db r o w s e r k e yw o r d s ：d i g i t a ls e t t o pb o x ，s t i 5 10 5 ，d m 9 0 0 0 a ，l w l p p r o t o c o ls t a c k i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。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，也不包含为获得武汉理工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。 签名：洫缝缝日期：塑堕：皇：f 呈 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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：迹避 导师签名： 期： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 随着计算机技术和互联网技术的不断发展，各种信息的数字化程度越来越 高，互联网成为信息传递最为方便和快捷的手段。互联网上的多媒体业务和应 用，如i p 电话、视频会议、可视电话、音视频下载、电子商务、电子政务、互动 游戏、视频点播、网络电视、旅游咨询、数字图书馆、数字博物馆、搜索引擎 等都得到了蓬勃发展。在互联网及其业务和应用的发展过程中，出现了网络电 视( 或称i p t v ) 这种融合了传统电信和传统广电业务的新型业务。i p t v ( i n t e r n e t p r o t o c o lt vo ri n t e r a c t i v ep e r s o n a lt v ) 也叫交互式网络电视，是利用宽带网的基 础设施，以“电视机+ 机顶盒”或计算机作为主要终端设备，集互联网、多媒体、 通信等多种技术于一体，通过互联网络协议向家庭用户提供包括数字电视在内 的多种交互式数字媒体服务的崭新技术i l l 。 随着网络技术和嵌入式技术的迅速发展，嵌入式系统与以太网的结合是一 项很具有吸引力的项目，嵌入式以太网接入技术的研究成为目前研究的热点吲。 嵌入式以太网接入技术的实质是在嵌入式系统的基础上实现网络化，使嵌入式 系统能够实现网络通信协议，接入以太网。将嵌入式系统与以太网相结合的想 法由来已久，主要的困难在于当时的以太网在速度和确定性等方面都有很大欠 缺，不能满足工业通信网络要求，另外各种网络通信协议对于嵌入式系统存储 器容量和运算速度等要求比较高，当时的嵌入式系统中除部分3 2 位以上的处理 器外，都无法达到这一要求。国外对嵌入式以太网的研究已从理论阶段过渡到 开发阶段，许多大公司包括e m w a r e 、m i c r o c h i p 、p h i l i p s $ 1 m o t o r o l a 等在内的数 十个公司联合成立了“嵌入式i n t e m e t 联盟( e t i ) ”，来专门讨论和制定嵌入式 i n t e r n e t 领域的标准和开发相关的技术，共同推动这一市场。目前美国e m w a r e 公 司已开发出了针对嵌入式设备因特网解决方案e m i t ( e m b e d d e dm i c r o i n t e r n e t w o r k i n gt e c h n o l o g y ，嵌入式微型网络技术) ，m i c r o c h i p 公司在i n t e r n e t 接 入应用领域开发出i p i c 系列单片机，同时女 i s i i 公司开发的t c p i p 协议栈芯片、 t d k 公司的i m o d e m 等都为嵌入式i n t e m e t 的实现和应用系统的开发提供了切实 武汉理工大学硕士学位论文 可行的途径。在工业控制领域，美国o p t 2 2 公司采用嵌入式以太网研制开发了“以 太网i o 系统”s n a pi o 系统，通过以太网对分布在远程设备现场的i o 进行 访问，从而实现对远程设备的监测和控制1 3 】。目前国内在基于嵌入式以太网方面 的研究并不多见，对工业通信网络领域的理论研究局限于现场总线网络上，但 是各种现场总线之间不能互相兼容，不仅通信介质是专用的，而且通信协议、配 套软件和硬件都要专门设计。与之相比，若采用嵌入式以太网，只要将嵌入式 设备连接到以太网，就能很方便的实现监控功能，其意义如下： ( 1 ) 监控设备集网络服务器、信号转换、采样及通信功能于一体、结构简单、 体积微小，因而系统具有更加优良的性价比； ( 2 ) 不需要专用的通信线路，可以使用现成网络资源； ( 3 ) 由于采用t c p i p 等网络协议，传输数据多，速度快； ( 4 ) 不仅可以传递数据信息，还可以传递声音及图像信息； ( 5 ) 协议公开统一，监控信息可以使用任意一种w e b 浏览器读取。 嵌入式以太网技术具有广阔的应用前景，在以下领域有极好的应用前景 4 1 ： ( 1 ) 智能公路，包括交通管理、车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务； ( 2 ) 信息家电的网络化，如机顶盒上网等： ( 3 ) 家政系统，如水、电、煤气表的自动抄表，安全防火、防盗； ( 4 ) 工业自动化领域，如制药工业过程控制、电力系统、电网安全、电网设 备监测、石油化工系统； ( 5 ) p o s 网络及电子商务，如公共交通无接触智能卡( c o n t a c f l e s s s m a r t c a r d ，c s c ) 发行系统，公共电话卡发行系统，自动售货机； ( 6 ) 环境工程与自然，如水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤 坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。 可以看出，嵌入式以太网接入技术有着广阔的应用空间和发展前景，研究 意义重大。嵌入式设备网络化的根本原则就是要将t c p i p 协议栈嵌入到系统中， 围绕这个原则，目前大体有以下几种方案岭j ： ( 1 ) 高档微处理器片上系统( s o c ) ( 2 ) 高档嵌入式微处理器+ 实时多任务操作系统( r t o s ) ( 3 ) 嵌入式微处理器+ 虚拟软件包 ( 4 ) 嵌入式微处理器+ e m i t 协议+ e m g a t e w a y 协议 ( 5 ) 嵌入式微处理器+ 网络接口控制器 2 武汉理工大学硕士学位论文 由于本系统的研发是在已有数字机顶盒平台上进行，无论从成本、方便性 等考虑，都应该采用“嵌入式微处理器+ 网络接口控制器这种实现方案。其中 嵌入式微处理器为s t m i c r o e l e c t r o n i c s 公司s t b 5 1 0 5 内嵌3 2 位r s i cc p u ，网络接 口控制器使用d a v i c o m 公司n o n p c i 以太网控制芯片d m 9 0 0 0 a 。 数字机顶盒可利用网络基础设施，通过网络协议向家庭用户提供多种交互 式数字媒体服务。通过数字机项盒以太网接入，除了能实现对电视信号进行解 码并呈现其内容，使用户可以收看到高品质数字电视节目外，还可以享受视频 点播、上网浏览、电子邮件、游戏互动等综合业务服务。 1 2 相关领域国内外研究现状 当今世界i p t v 发展较快的国家是美国和日本。日本的高清晰度电视起步较 早，19 7 2 年就向c c i r ( i n t e r n a t i o n a lr a d i oc o n s u l t a t i v ec o m m i t t e e ，国际无线电 咨询委员会) 提出h d t v 方案，首先开发了1 1 2 5 行高清晰度电视系统。1 9 8 8 年又用高清晰度电视成功的对汉城奥运会进行了实况转播。日本处理高清晰度 电视和普通电视关系的方法是使用单独的卫星通道传送高清晰度电视节目，基 本上是模拟传输。 起先欧洲不甘心全部h d t v 市场由日本独占，设计了一条从m a c 到 h d m a c 逐步过渡到h d t v 的道路，但m a c 到h d m a c 也都是模拟传输，最 终不得不因美国先进的数字方案而放弃h d m a c 转而推到d v b 。1 9 9 5 年，欧 洲l5 0 个组织合作开发数字视频广播( d v b ) 项目，并成立了d v b 联盟。d v b 联 盟是一个由3 0 多个国家的2 3 0 多个成员组成的国际机构，该机构的首要目标是 在全球范围内发展和推广共同的数字电视广播标准。由于欧洲一直认为h d t v 的市场尚远，因此在当时一直致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准( d v b s ) 、有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 t ) 。欧洲的策略是：利用s d t v 在目前便于 普及的优势，抢占数字电视的世界市场，加速在全世界普及d v b 标准，以此来 与美国的数字电视标准相抗衡。 同日本和欧洲相比，美国在数字电视的研究方面起步较晚，但却是发展最快 的。尽管美国曾支持过日本推出的1 1 2 5 行h d t v 规格作为统一的世界标准，但 当意识到h d t v 潜在的巨大市场之后，美国加速了这方面的研究，并从一开始 就采用了全数字化的方案。美国在1 9 9 1 年至1 9 9 2 年间对五种建议的h d t v 地 面广播制式进行了测试，由于被测试的全数字制式在技术和经济上的优劣没有 显著差别，为取长补短并同时统一国内市场，其中四个数字系统的提出者于1 9 9 3 3 武汉理工大学硕士学位论文 年5 月组成了“大联盟”( g a ) ，合作提出了一个统一的标准。1 9 9 5 年4 月a t s c 通过了“a t s c 数字电视标准”，同年8 月g a 样机研制成功，1 0 月“a t s c 数 字电视标准”被提交给f c c 审议。1 9 9 6 年1 2 月2 6 日，f c c 批准了该标准。1 9 9 7 年4 月f c c 宣布：以4 月7 日为起点，18 个月内有2 2 座电视台转为数字电视 播出：2 4 个月内，四大商业电视网在全美十大城市进行数字电视播出( 其中三 大电视网播出数字h d t v ) ；3 0 个月内有1 7 0 0 个电视台在3 0 个城市转为数字电 视：最终计划在2 0 0 6 年取消模拟电视的播出。 我国一直非常关注数字电视技术的发展，从上个世纪的8 0 年代开始跟踪国 际技术发展动态，9 0 年代完成数字电视关键技术的理论储备。我国对数字电视 的跟踪研究从2 0 世纪8 0 年代末就已经开始了，在“八五”期间，国务院组织 成立了国家高清晰度电视研究开发协调领导小组，国家科委组织成立了h d t v 发展战略专家组，组织实施了“八五”国家重点科技攻关项目“高清晰度电视 技术研究”，对数字高清晰度电视进行了理论研究和计算机模拟。1 9 9 5 年，经 国家高清晰度电视研究开发协调领导小组批准，成立了国家高清晰度电视 ( h d t v ) 研究总体组。1 9 9 6 年7 月，由总体组负责，组织实施了“九五”国 家重大科技产业工程项目“高清晰度电视功能样机系统研究与开发工程”。经总 体组和全国多所大学、研究所以及企业的共同努力，于1 9 9 8 年6 月，成功地研 制出了我国第一台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进行了开路演示，取得了很好的效果。在1 9 9 9 年1 0 月1 日，中华人民共和国建国5 0 周年之际，对天安门广场的国庆大典进行了现 场直播，获得了成功。目前我国中央电视台和众多省市、地方电视台都已实现 了电视节目的数字卫星传输，电视台的发送和接收设备正在逐步实现数字化。 国家广电总局在十五规划和2 0 1 0 年远景规划中提出：我国将在卫星和有线电视 中采用国际通用的d v b 标准，在2 0 0 3 年完成具有我国自主知识产权的地面数 字电视广播标准制定工作，并在2 0 0 5 年全面推进地面数字电视广播。清华大学 地面数字广播系统方案( d m b t ) 和上海交通大学研制的( a d t b t ) 标准都已 确立通过。北京政府已经承诺：2 0 0 8 年奥运会将实现数字电视的现场转播。 与美国、欧洲等西方发达国家不同的是，我国城市人口居住相对集中，9 0 以上的人是通过有线电视收看电视节目的，城市居民物质生活水平较高，这为 发展数字电视创造了条件。同时，有线数字电视传输、条件接收系统等标准已 经颁布实施，为有线数字电视试验提供了良好的技术标准支持。另外，全长3 7 0 0 0 多公里的国家广播电视光缆干线网的开通，为全国有线数字电视开展创造了网 络条件。2 0 0 1 年1 0 月，广电总局明确提出：到2 0 0 5 年我国有线数字电视用户 超过3 0 0 0 万户，2 0 1 0 年全面实现数字广播电视，2 0 15 年停止模拟广播电视的 4 武汉理工大学硕士学位论文 播出1 6 1 。去年5 月2 0 日，广电总局又发布了我国有线电视向数字化过渡时间 表，采取“在有线切入”的方式，在沿海发达地区率先进行停播模拟有线电视 的试点。在这个过渡期间，机顶盒是实现这样的“整体平移”战略的跳板1 7 1 。为 此，广电总局在关于开展有线数字广播影视业务试点工作的通知中指出“数 字电视机顶盒是实现有线电视数字化的标志”。随着下一代网络的发展和电信、 电视、互联网三网融合的大趋势，数字机顶盒在这个过程中将有着举足轻重的 作用。 1 3 本文主要研究内容及结构安排 本课题的总体目标是在基于s t i 5 1 0 5 平台数字机顶盒系统中，增加以太网接 口的硬件支持和嵌入式t c p i p 协议栈的支持，并基于完成的硬件平台和t c p i p 协议栈移植，开发上层应用软件。系统所采用的t c p i p 协议栈为l w l p 协议栈， 它支持a r p ( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l ，地址解析协议) 、i p ( i m e m e tp r o t o c o l ，网际 协议) 、i c m p ( i m e m e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ，网际控制报文协议) 、u d p ( u s e r d a t a g a r a mp r o t o c o l ，用户数据报协议) 、t c p ( t r a n s a c t i o nc o n t r o lp r o t o c o l ，传输控制 协议) 等子协议，并提供了较完整的函数接口，可以很好的移植到其它方案数字 机顶盒系统中。在应用软件的开发上，针对目前的需要，要求开发通过以太网 口升级下载应用程序的应用。 以太网接入部分的设计主要从三方面展开：硬件接口电路及驱动的设计、 嵌入式t c p i p 协议栈l w i p 的移植、网络应用程序的设计，其中难点和关键在于 嵌入式t c p i p 协议栈l w l p 的移植。 ( 1 ) 硬件接口电路及驱动的设计 这部分主要是硬件平台的搭建，只有搭建好硬件平台，才能进行下一步协 议栈和应用层软件的开发。针对系统对传输速度的要求，选用目前市场上流行 的1 0 1 0 0 m 自适应以太网控制器，其驱动程序借鉴厂商提供的应用手册开发完 成。完成这一步之后，相当于完成了网络中数据收发功能，但对数据的处理还 需要协议栈的支持。 ( 3 ) 嵌入式t c p i p 协议栈l w l p 的移植 在资源相对有限、实时性要求高的嵌入式系统中要求选择合适的t c p i p 协 议栈，以支持嵌入式设备接入网络。在开发过程中，从性能、协议栈丰富程度、 空间容量和文档完备程度角度考虑选择l w l p 协议栈。l w i p 协议栈的移植是整个 武汉理工大学硕士学位论文 系统开发的难点及关键所在。完成这一步之后，相当于完成了网络“世界语”， 使得系统可以与网络中的其它网络设备进行通信。 ( 4 ) 网络应用程序的设计 完成硬件平台及协议栈移植的基础上，网络应用程序是以太网接入功能最 直观的应用与价值体现。然而，这一步依赖于协议栈的丰富程度，协议栈越丰 富，可开发出越丰富的应用。 论文总共分为6 章，结构安排如下： 第l 章绪论，本章主要介绍数字机顶盒的研究背景及国内外发展现状，最 后列出本课题所研究的主要内容。 第2 章数字机顶盒及其相关技术研究，本章介绍了数字机顶盒的功能、组 成、主要关键技术和嵌入式以太网接入技术，详细介绍了t c p i p 协议和嵌入式 t c p i p 协议栈，在对嵌入式t c p i p 协议栈进行分析的基础上选择适合于本设计 的t c p i p 协议栈。 第3 章机顶盒以太网接入模块硬件设计，本章首先对数字机顶盒的硬件平 台和以太网接入所需的以太网控制器d m 9 0 0 0 a 作介绍，在这样的基础上详细分 析以太网接入模块硬件的设计和控制时序的配置。 第4 章机顶盒以太网接入模块软件设计，本章首先对机顶盒的整体软件系 统作简要介绍，其中重点介绍系统平台的实时操作系统o s 2 0 ，接下来进入以太 网接入模块软件设计的分析，包括d m 9 0 0 0 a 以太网控制驱动程序的设计、l w l p 协议栈的移植和应用层软件的设计，其中对l w i p 协议栈的移植进行了详细分析。 第5 章测试与分析，本章简单介绍了本平台的测试环境和工具、测试过程 以及测试结果。 第6 章总结与展望，本章回顾和总结了论文的研究工作，并对今后的研究 方向进行了展望。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章数字机顶盒及其相关技术研究 2 1 数字机顶盒的组成及相关技术 数字机项盒s t b ( s e t t o pb o x ) 是与电视机连接的网络终端设备，用于将数 字电视信号转换成模拟信号供给相应的显示设备，根据传输媒体的不同数字机 顶盒分为卫星数字机顶盒、地面数字机顶盒和有线数字机顶盒三种，目前应用 较为广泛的是卫星数字机顶盒和有线数字机顶盒【8 】，本文的平台是基于有限数字 机顶盒开发的。下面就数字机顶盒的功能、组成和关键技术作简要介绍。 2 1 1 数字机顶盒的功能 i p i 0 l 顶盒的基本功能是接收数字电视节目，由于其基于i p 网络，具有交互 性的特点，它还包括以下功能： ( 1 ) 电子节目指南( e p g ) ：e p g 可为用户提供一种界面友好、易于操作、可 以快速访问节目的方式。用户可以通过e p g 功能看到所有频道上近期将播放的电 视节目以及可供用户点播选择的节目内容索引，主动检索点播。 ( 2 ) 交互式应用：为用户提供视频点播、组播和互动游戏。通过交互功能 的应用，人们在点播时可以像操作家用d v d 一样进行快进、快退、暂停；在组 播时可以快速切换电视频道。通过交互功能的应用，人们还可以进行互动游戏。 ( 3 ) 软件在线升级：利用机顶盒中间件插件可以提供机项盒能力探测，在 线安装和更新机顶盒应用软件。机顶盒能识别该软件的版本号，在版本不同时 接收该软件，并对保存在存储器中的软件进行更新。 ( 4 ) 因特网接入和电子邮件：数字机顶盒可通过内置的电缆调制解调器方 便地实现因特网接入功能。用户可以通过机顶盒内置的浏览器上网、发送电子 邮件。同时机项盒也可以提供各种接口与p c 相连，使用p c 接入因特网。 ( 5 ) 有条件接收：有条件接收的核心是加扰和加密，数字机顶盒应具有解扰 和解密功能。 2 1 2 数字机顶盒的组成及主要关键技术 武汉理工大学硕士学位论文 有线电视数字机顶盒的技术含量非常高，它集中反映了多媒体、计算机、 数字压缩编码、加解扰算法、加解密算法、通信技术和网络技术发展水平。 机顶盒由以下几部分组成：数字电视广播接收前端、m p e g 解码、视音频和 图形处理、电缆凋制解调器、c u p 、存储器以及各种接口电路。数字电视广播接 收前端包括调谐器和q a m 解调器，该部分可以从射频信号中解调出m p e g 传输 流；m p e g 解码部分包括解复用、解扰引擎和m p e g 解压缩，其输出为m p e g 视 音频基本流以及数据净荷。视音频和图形处理部分完成视音频的模拟编码以及 图形处理功能。电缆调制解调模块由一个双向调谐器、下行q a m 解调器、上行 q p s k q m a 调制器和媒体访问控锋j t j ( m a c ) 模块组成，该部分实现电缆调制解调 的所有功能。c p u 与存储器模块用来存储和运行软件系统，并对各个模块进行控 制。接口电路则提供了丰富的外部接口，包括通用串行接 ju b s 、高速串行接口 1 3 9 4 、以太网接口、r s 2 3 2 和视音频接口等桫j 。 目前数字机顶盒的关键技术主要有： ( 1 ) 解调和信道解码技术 数字电视机顶盒中的信道解码电路相当于模拟电视机中的高频头和中频放 大器。在数字电视机顶盒中，高频头是必须的，不过调谐范围包含卫星频道、 地面电视接收频道、有线电视增补频道。根据d t v 目前已有的调制方式，信道 解码应包括q p s k 、q a m 、o f d m 、v s b 解调功能i l o l 。 ( 2 ) 解复用和信源解码技术 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 一2 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 一3 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 ) 上行数据的调制 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【l l j 。 ( 4 ) 嵌入式c p u 嵌入式c p u 是数字电视机顶盒的心脏，当数据完成信道解码以后，首先要解 复用，把传输流分成视频、音频，使视频、音频和数据分离开，在数字电视机 顶盒专用的c p u 中集成了3 2 个以上可编程p i d 滤波器，其中两个用于视频和音频 8 武汉理工大学硕士学位论文 滤波，其余的用于p s i 、s i 和p f i v m e 数据滤波。c p u 是嵌入式操作系统的运行平 台，它要和操作系统起完成网络管理，显示管理、有条件接收管理( i c 卡和 s m a r t 卡) 、图文电视解码、数据解码、o s d 、视频信号的上下变换等功能。为了 达到这些功能，必须在普通3 2 6 4 位c p u 上扩展许多新的功能，并不断提高速度， 以适应高速网络和三维游戏的要求。 ( 5 ) 嵌入式实时操作系统 目前流行的实时操作系统有w i n dr i v e rs y s t e m 公司的v x w o r k s 、i n t e g r a t e d s y s t e m si n c o r p o r a t e d 公司的p s o s 、m i c r o w a r e 公司的d a v i do s 9 、s t 公司的 0 s 2 0 、w i n d o w sc e 以及专为机顶盒开发的p o w e r t v 等。这些操作系统各有所长， 在机项盒中都有应用。其中v x w o r k s 、p s o s 、0 s 9 、0 s 2 0 等是通用的实时操作 系统，在其他的嵌入式系统中也有广泛的应用。当开发机顶盒时，实时操作系 统应与下面将要介绍的中间件结合使用。p o w e r t v 是专为机顶盒开发的，并将中 间件集成在一起的操作系统，在美国应用较广。另外，随着嵌入式l i n u x 的逐渐 成熟，不仅为机顶盒厂商提供了一种选择，而且由于l i n u x 的开放性和先进的结 构，会对现有的实时操作系统构成巨大的威胁。 ( 6 ) 中间件技术 中间件技术即开放式业务平台，这是交互式电视的核心技术。中间件通常 由j a v a 虚拟机、网络浏览器、图像与多媒体模块等组成，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，并使应用程序的 开发变得更加简捷，产品的开放性和可移植性更强【l2 1 ，以保证机顶盒的扩展性 和投资的有效回收。 2 2 嵌入式以太网接入技术原理 2 2 1t c p i p 协议概述 i n t e r n e t 是全球最大的、开放的、由众多网络互联而成的计算机互联网，而 t c p i p 协议就是i n t e r n e t 的“世界语”。t c p i p 协议是人们在网络建设中边实践边 开发研究的产物，它不是由某一国际标准化组织机构提出的标准协议，但它已 经成为人们公认的，在i n t e m e t 上使用的事实的工业标准协议。t c p i p 协议栈是 个分层结构，各层协议之间形成了类似栈结构的依赖关系，通常叫“协议栈”。 为了方便表示，我们经常也将t c p i p 协议栈简称为t c p i p 协议i l 引。下面将从 9 武汉理工大学硕士学位论文 t c p i p 协议栈的层次结构、用户数据的封装与解析、网络字节序与主机字节序 几个方面来介绍t c p i p 协议。 ( 1 ) t c p i p 协议栈的层次结构 t c p i p 协议栈由大量的子协议组成，这些协议在t c p i p 协议栈中一般分为 四层，如图2 1 所示。 t e l n e t 、f t p 、h t t p 、s m t p 等 t c p 、u d p i p 、i c m p 、i g m p 网络接口设备及驱动程序 图2 1t c p i p 协议的层次结构 下面对每一层的功能进行说明 1 4 , 1 5 】： 链路层 链路层在t c p f i p 协议栈的最低层，也称数据链路层或网络接口层，通常包 括系统中的网络接口设备及其驱动程序。链路层的功能是把接收到的网络层数 据报( 也称i p 数据报) 通过改层的物理接口发送到传输介质上，或从物理网络上接 收数据帧，抽出i p 数据报，并交给i p 层。t c p i p 协议栈并没有具体定义链路层， 只要是在其上能进行i p 数据报传输的物理网络( 如以太网、令牌环网、f d d i ( 光纤 分布数据接口) 、i e e e 8 0 2 3 等) ，都可以当成t c p f i p 协议栈的链路层。这样做的 好处是t c p i p 协议可以把重点放在网罗之间的互连上，而不必纠缠物理网络的 细节，并且可以使不同类型的网络互连。也可以说，t c p i p 协议支持多种不同 的链路层协议。a r e ( 地址解析协议) 年n r a r e ( 逆地址解析协议) 是某些网络接口 ( 如以太网和令牌环网) 使用的特殊协议，用来进行网络层地址和网络接口层地址 ( 物理地址) 的转换，后面还会讲述。 网络层 网络层也叫互联网层，由于该层的主要协议是i p 协议，因而也可简称i p 层。 它是t c p i p 协议栈中最重要的一层，主要功能是可以把源主机上的分组发送到 互联网中的任何一台目标主机上。我们可以想象，由于在源主机和目标主机之 间可能有多条通路相连，因而网络层就要在这些通路中作出选择，即路由选择。 在t c p i p 协议栈中，网络层协议包括i p 协议( 网际协议) 、i c m p 协议( i n t e m e t 2 z 联 网控制报文协议) 以及i g m p 协议( i n t e m e t 组管理协议、) 。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 传输层 我们通常所说的两台主机之间的通信其实就是两台主机上对应应用程序之 间的通信，传输层提供的是应用程序之间的通信，也叫端到端( e n dt oe n d ) 的通 信。在不同的情况下，应用程序之间对通信质量的要求是不一样的，因此，在 t c p i p 协议栈中传输层包含两个不同传输协议：t c p 协议( 传输控制协议) 和u d p 协议( 用户数据报协议) 。t c p 为两台主机提供高可靠性的数据通信，当有数据要 发送时，它对应用程序送来的数据进行分片，以适合网络层进行传输；当接收 到网络层传来的分组时，它对收到的分组要进行确认；它还要对丢失的分组设 置超时重发等。由于t c p 协议提供了高可靠性的端到端通信，因此应用层可以忽 略所有这些细节，以简化应用程序的设计。而u d p 协议则为应用层提供一种非 常简单的服务，它只是把称做数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但 并不保证该数据报能正确到达目标端，通信的可靠性必须由应用程序来提供。 用户在自己开发应用程序时可以根据实际情况，使用系统提供的有关接口函数 方便地选择是使用t c p 协议还是u d p 协议进行数据传输。 应用层 应用层向使用网络的用户提供特定的、常用的应用软件，如使用最广泛的 远程登录( t e l n e t ) 、文件传输协议( f t p ) 、超文本传输协议( h t t p ) 、域名系统( d n s ) 、 简单网络管理协议( s n m p ) 和简单邮件传输协议( s m t p ) 等。这里有些应用层协议 是基于t c p 协议的( f t p 和h t t p 等) ，有些应用层协议是基于u d p 协议的( 女 i s n m p 等) 。尽管应用层提供了较多的应用程序，但这些程序只能满足普通用户在一般 情况下使用网络的需求，如果用户要在网络上进行一些特殊的应用，如网吧管 理或需要在一个公司内部使用的邮件系统等，应用层并没有提供这样的程序， 这就要求由网络用户根据自己的实际需要开发所需的应用程序。 ( 2 ) 用户数据的封装与解封 当两台主机应用程序间通信时，数据被送入协议栈中，然后逐个通过每一 层直到被当作一串比特流送入物理网络，其中每一层对从它的上层收到的数据 都要增加一些头部信息( 有时还要增加尾部信息) ，这些增加数据头部( 和尾部) 的 过程叫数据封装或打包。数据送到接收方对等层后，接收方将识别、提取和处 理发送方对等层所加的数据头，这个过程叫数据解封或拆包。图2 2 所示是应用 程序使用t c p 协议传送数据时的数据封装与数据解封过程。 武汉理工大学硕士学位论文 0 一应用层数据包一 i p 数据报 。 1，r 1r 1r 以太帧头i p 头 l r c p i j 盟m - & l 用户数据 以太帧尾 以太网数据帧 。 1 ir 数 据 封 装 数 据 解 封 土 以太网 图2 2 数据封装与解封过程 ( 3 ) 网络字节序与主机字节序 在计算机中，最基本的数据长度单位是字节( 8 位) 。整形数根据其能表示整 数范围的不同，有3 2 位整数、1 6 位整数和8 位整数。8 位整数因为能在一个字节 中表示，所以所有的计算机的表示是一样的。但1 6 位整数禾1 1 3 2 位整数必须使用 多个字节进行表示，而不同的计算机中对表示整中的多个字节的解释是不同的。 有的将低内存地址的字节解释为整数中低位的字节，这种字节序成为l i t t l ee n d i a n 序；有的则将高内存地址的字节解释为整数中低位的字节，这种字节序称为b i g e n d i a n 序。因此，如果直接将整数的本机表示复制后发送给目的地址可能会使两 个系统对同一数据包的理解不同。 因此，t c p i p 协议必须规定一种统一的字节序，以保证各种不同的计算机 能对数据包有相同的理解。t c p i p 协议规定了一种网络标准字节序来表示协议 中各种数据的整型数。这样主机或路由器在收到数据包时应先将整型数字段的 网络序转换为本机的主机序后再对数据包进行处理；同样，主机和路由器在发 送数据包之前应先将数据包中整型数字段从主机序转换为网络序。t c p i p 协议 中网络字节序使用b i