（通信与信息系统专业论文）数字电视环境下jvm在fpga上的实现.pdf

摘要 数字电视( d t v ) 是继黑白电视和彩色电视之后的第三代电视产品，是集 数字技术、微电子技术、网络技术、软件技术等高新技术综合应用的产物。 其中中间件技术是关键技术之一，该技术可以使众多的厂商在不考虑硬件 环境的情况下开发数字电视的交互式应用。 本文通过对当前国际上现有的数字电视标准和数字电视中间件标准进 行比较，根据我国市场的实际情况，选择了欧洲数字电视( d v b ) 中间件标准 d v b m h p ，深入分析了基于m h p 的数字电视中间件模型。 j a v a 平台是基于m h p 中间件模型的核心，本文通过深入分析j a v a 平台 的构成和j a v a 虚拟机( j ) 的结构和运行原理，并结合适合嵌入式环境的 k v m 的原理及体系结构，提出了将k v m 以f p g a 的硬件方式实现的方案。根 据数字电视的实际需要对k v m 进行适当剪裁，以适应数字电视的嵌入式环 境，并设计了相应的功能模块，最后在设计基础上用v h d l 加以实现，对于 核心模块做了仿真和验证。 此外，本文还综述了e d a 技术和f p g a 器件的发展概况，并较为详细的 介绍利用e d a 技术进行设计开发的一般流程，最后在f p g a 上实现j v m 。 本文的研究对于我国数字电视的推广和j 嘲技术在嵌入式环境中的应 用有一定的参考价值。 关键字：数字电视，中间件，j a v a 虚拟机，可编程门阵列 a b s t r a c t t h ed i g i t a lt v ( d t v ) i st h et h i r d g e n e r a t i o n o f p r o d u c t sf o l l o w i n g b l a c k a n d - w h i t et va n dc o l o rt v , i ti sar e s u l tw h i c hc o l l e c t st h ei n t e g r a t e d a p p l i c a t i o no fh i g ht e c h n o l o g y , s u c ha sd i g i t a lt e c h n o l o g y , m i c r o e l e c t r o n i c s t e c h n i q u e ，n e t w o r k t e c h n o l o g y , s o f t w a r et e c h n o l o g y , e t c m i d d l e w a r e t e c h n o l o g yi so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si nt h es o f t w a r et e c h n o l o g ya n dc a n m a k en u m e r o u ss o f t w a r ep r o v i d e r sd e v e l o pd i g i t a lt v i n t e r a c t i v e 印p l i c a t i o n s i nc a s eo fn o tc o n s i d e r i n gt h eh a r d w a r ee n v i r o n m e n t n i st h e s i sc h o o s e st h em i d d l e w a r es t a n d a r df o rd v b a st h ea n a l y z i n g o b j e c t a f t e r c o m p a r i n gt h e m a i n s t r e a md t vs t a n d a r da n da c c o r d i n gt ot h e s i t u a t i o ni nt h em a r k e to fo u rn a t i o n a f t e rt h a tt h et h e s i sm a i n l yf o c u s e so n d v b m h p , w h i c hi sa na c t u a ld t v m i d d l e w a r es t a n d a r di nt h em a r k e t ，a n d m a k e sa ni n d e p t ha n a l y z eo nm o d e lo fd v b m h e j a v ap l a t f o r mi st h ec o r ef o rt h em o d e lo fd v b - m h p t h r o u g h a n a l y z i n gi nd e p t hj a v ap l a t f o r m c o m p o s i t i o na n do p e r a t i o np r i n c i p l eo f j a v a v i r t u a lm a c h i n eo v m ) ，t h et h e s i sh a sp u tf o r w a r dt h es c h e m eo fr e a l i z i n gk v m b yw a y o fh a r d w a r eo ff p g a c o m b i n i n gt h ep r i n c i p l ea n ds y s t e ms t r u c t u r eo f k v mw h i c hi ss u i t a b l ef o re m b e d d e d e n v i r o n m e n t a c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n t o fd t v , w e c l i pk v mp r o p e r l y t of i tt h ee m b e d d e de n v i r o n m e n to f d t v t h e n ，f i v em o d u l e s ，w h i c ha r ef u l f i l l e db y t h ev h d 乙a r ea l s od i s c u s s e d w ea l s op r e s e n ts o m eb a c k g r o u n di n f o r m a t i o no fe d a ，p l dd e v i c e si nt h i s t h e s i s a n dt h ep a r t i c u l a rd e s i g n & d e v e l o pf l o wi se x p l a i n e di nt h ec h a p t e r 4 k e yw o r d s ：d 1 、m i d d l e w a r e ，j w ，f p g a i i 1 1 数字电视概述2 1 第1 章绪论 数字电视( d i g i t a lt v ) 是指包含了从电视信号的发送、传输到接收全 过程的数字化的电视系统。由电视台送出的图像及声音信号，经数字压缩和 数字调制后，形成数字电视信号，经过空中无线方式或电缆有线方式传送， 由数字电视接收机接收后，通过数字解调和数字视音频解码处理还原出原来 的图像及伴音。由于电视节目从摄制、编辑、播送、传输、接收到显示的全 过程均采用全数字化的技术处理，因此，信号在整个过程中的损失比起模拟 电视大大减小，接收到的电视节目质量可以达到与演播现场一样的水平，由 于数字技术的采用使得电视设备不仅能获得比模拟电视更高技术性能，而且 还具有模拟电视系统不能提供的诸如w e bt v ，v o d ( 视频点播) ，电子节目指 南( e p g ) ，高速数据广播等新功能。 数字电视技术由两大部分组成，即系统技术和应用技术。系统技术主要 包括条件接收技术( c a s ) 、复用解复用技术、用户管理技术( s m s ) 、节目管 理技术( p m s ) 四大部，其中，c a s 、s m s 、p m s 是构成可管理、可控制数字电 视播出系统的技术核心。应用技术是支持v 0 0 、e p g 、数据广播、交互游戏和 交互证券等业务的软件技术。应用软件在系统前端和用户端设备中运行时， 需要建立一个开放的运用环境，需要与系统软件进行接口，这个运用环境和 程序接口的建立由中间件系统来完成，因此，中间件系统在结构层次上位于 系统技术和应用技术之间，是系统平台对综合业务( 综合性和交互性) 开放 的支撑技术。也是本文后面将要说明的一个关键技术。 1 1 i 数字电视的分类 数字电视根据不同分类方法，可以分为以下几种： ( 1 )按照信号传输可以分为地面无线传输( 地面数字电视) 、卫星传 输( 卫星数字电视) 、有线传输( 有线数字电视) 。 ( 2 )按照图像质量和信道传输所占带宽可以分为低清晰度数字电视 ( l d t v ，图像水平清晰度大于2 5 0 线) 、标准清晰度数字电视( s d t v ，图像水 平清晰度大于5 0 0 线) 、高清晰度数字电视( h d t v ，度大于8 0 0 线) 。 ( 3 ) 按照接收终端类型可以分为：模拟电视+ 数字机顶盒和数字电视 机两种方式。 ( 4 ) 按显示屏幕幅型比分类，数字电视可分为4 ：3 幅型比和1 6 ：9 幅型比两种类型。 1 1 2 现有数宇电视标准 数字电视作为一种新的电视技术受到世界各国的重视，纷纷投入大量人 力、物力、财力开发数字电视的技术标准。现在世界上的数字电视标准有一 下几个阵营： ( i )欧洲数字电视标准d v b 欧洲数字电视标准为d v b ，即d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ，数字视频 广播。从1 9 9 5 年起，欧洲陆续发布了数字电视地面广播( d v b t ) 、数字电视 卫星广播( d v b - s ) 、数字电视有线广播( d v b c ) 的标准。欧洲数字电视首先考 虑的是卫星信道，采用q p s k 调制。欧洲地面广播数字电视采用c o f d m 调制， 8 m 带宽。欧洲有线数字电视采用o a m 调制。 d v b t ( e t s3 0 07 4 4 ) 为数字地面电视广播系统标准。这是最复杂的d v b 传输系统。地面数字电视发射的传输容量，理论上与有线电视系统相当，本 地区覆盖好。采用编码正交频分复用( c o f d m ) 调制方式，在8 m h z 带宽内能传 送4 套电视节目，传输质量高；但其接收费用高。 d v b s ( e t s3 0 04 2 1 ) 为数字卫星广播系统标准。卫星传输具有覆盖面广、 节目容量大等特点。数据流的调制采用四相相移键控调制( q p s k ) 方式，工作 频率为i i 1 2 g h z 。在使用m p e g 一2 f f p o m l 格式时，用户端若达到c c i r6 0 1 演 播室质量，码率为9 m b s ；达到p a l 质量，码率为5 m b s 。一个5 4 m h z 转发器 传送速率可达6 8 m b s ，可用于多套节目的复用。d v b s 标准几乎为所有的卫 星广播数字电视系统所采用。我国也选用了d v bs 标准。 d v b c ( e t s3 0 04 2 9 ) 为数字有线电视广播系统标准。它具有1 6 、3 2 、 6 4 q a m ( 正交调幅) 三种调制方式，工作频率在i o g h z 以下。采用6 4 q a m 时，一 个p a l 通道的传送码率为4 1 3 4 m b s ，可用于多套节目的复用。系统前端可 从卫星和地面发射获得信号，在终端需要电缆机顶盒。 ( 2 ) 美国数字电视标准a t s c 美国地面电视广播迄今仍占其电视业务的一半以上，因此，美国在发展 高清晰度电视时首先考虑的是如何通过地面广播网进行传播，并提出了以数 字高清晰度电视为基础的标准一一a t s c ( a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e m c o m m i t t e e 先进电视制式委员会) 。美国h d t v 地面广播频道的带宽为6 m h z ， 调制采用8 v s b 。预计美国的卫星广播电视会采用o p s k 调制，有线电视会采 用q a m 或v s b 调制。 a t s c 数字电视标准由四个分离的层级组成，层级之间有清晰的界面。最 高为图像层，确定图像的形式，包括象素阵列、幅型比和帧频。接着是图像 压缩层，采用m p e g 一2 压缩标准。再下来是系统复用层，特定的数据被纳入不 同的压缩包中，采用m p e g 一2 压缩标准。最后是传输层，确定数据传输的调制 和信道编码方案。对于地面广播系统，采用z e n i t h 公司开发的8 - v s b 传输模 式，在6 心z 地面广播频道上可实现1 9 3 m b s 的传输速率。该标准也包含适 合有线电视系统高数据率的1 6 一v s b 传输模式，可在6 m h z 有线电视信道中实 现3 8 6 m b s 的传输速率。 ( 3 )我国数字电视标准 我国数字电视标准现状是： 对于卫星数字电视，由于我国限制个人直接接收卫星数字电视节目，所 以目前是由有线电视台集中接收数字电视信号，并将其转化为模拟信号通过 有线网络传输给广大用户收看的卫星电视。因此，事实采用的是欧洲的 d v b s 。对于有线数字电视：虽然采用的标准还再报批当中，但各地方有线电 视台正在积极推行，欧洲的d v b c 已经成为事实的标准。对于地面数字电视 标准：数字电视地面广播与数字卫星广播相较，有容易普及、接收价格低廉 的特点：与数字有线电视广播相较，贝q 较不易受城市施工建设、自然灾害、 战争等因素造成的网络中断影响。因此，在传输状况、应用需求等方面，地 面传输方式更加复杂，全球各地在地面数字电视传输系统方案的选择上争议 也最大。 自2 0 0 1 年4 月起，中国国家广电总局便开放数字电视广播系统的规格建 议书的提交；并己在2 0 0 1 年1 0 月开始在北京、上海及深圳三地进行数字地 面广播标准的测试工作，在2 0 0 2 年至2 0 0 3 年间测试完成之后，开始进行最 后标准的制定，目前还在制定过程之中。 1 1 3 数字电视的优点 数字电视技术与模拟电视技术相比有以下优点： ( 1 )信号杂波比与连续处理的次数无关。电视信号进过数字化后在连续处 理过程中或者在传输过程中会引入杂波，只要杂波幅度不超过某一额定电平， 通过数字信号再生，都可以把它清除掉，即使某一杂波电平超过额定值，造 成误码，也可以利用纠错编码，解码等技术纠正误码。 ( 2 )可避免系统的非线性失真的影响。 ( 3 )数字设备输出的信号稳定可靠。 ( 4 )易于实现信号的存储，且存储时间与信号的特性无关。 ( 5 )数字技术可实现时分多路复用，充分利用信道容量。 ( 6 )很容易实现加解密和加扰解扰技术，便于专业应用以及广播应用。 ( 7 )具有很高可扩展性，分级性和互操作性，便于在各类通信信道特别是 异步传输模式( a t m ) 网络中传输，也便于与计算机网络联通。 ( 8 )可以开展各种交互业务，广电增值业务，如远程教育，电视会议等。 1 2 数字电视用户终端系统构架 完整的数字电视系统由三个部分构成：数字电视前端系统、传输网络和 用户终端系统。用户终端是由硬件平台和软件系统构成，从底层往上依次为 硬件层、底层软件、中间件，应用软件“1 。 硬件层由调解器、解调器、m p e g 解码器、音视频和图形处理器、c p u 、 存储器和各种接口电路组成；底层软件提供操作系统内核和各种硬件驱动程 序：中问件将应用软件和依赖硬件的底层软件分开，使得应用软件不依赖具 体的硬件平台，通常由虚拟机和a p i 组成；应用软件包括本机存储在r o m 中 应用软件和可下载的应用软件。其结构如图卜一1 ： ：。： l 匝困回匝圃i ；硬件层； - 图1 1 数字电视系统结构框图 1 3 j v m 在数字电视中间件中的运用 如图l 一1 所示，数字电视中间件是指位于数字电视嵌入式操作系统和应 用软件之间的软件部分。由于它所处系统位置，中间件的运用可以隔离上层 应用软件和底层硬件，使得开发上次应用软件不必面对种类繁多，技术复杂 硬件层，从而提高了开发的效率，减少了开发成本。同时也将增强了产品的 开放性和克移植性。 j a v a 语言以其独立于平台、面向对象、安全性、结构中立等特点，成为 一种在网络上主流的程序语言，而且在消费电子( 数字电视机顶盒，移动电 话、p d a 等) 领域也得到内日益广泛使用。因此将j a v a 技术引入数字电视是 有现实意义。而j a v a 虚拟机( j a v av i r t u a lm a c h i n e ，简称j v m ) 是j a v a 程 序运行的平台。j h v 程序通过j v m 生产宿主机上机器码，在宿主机上运行。 可见j w 是作为数字电视中间件非常合适的技术。但由于数字电视中嵌入式 系统自身特性： ( 1 ) 资源有限，数字电视的计算能力，存储空间都受成本原因限制不如通 用计算平台那样充裕： ( 2 ) 专用性强，数字电视中的嵌入式系统设计和实现都以数字电视应用为 核心，因此必须根据其应用做设计，适量剪裁； ( 3 ) 实时性，电视节目对实时性要求虽然不如工业控制，通信，航天等领 域要求高，但也有较高的实时性要求； 因此，传统的j v m 不能直接作为数字电视的中问件，必须做相应剪裁减 少存储空间，提高运行效率。本文提出在f p g a 上以硬件的方式实现j v m 是一 种新颖可行的解决方式。 1 4 相关研究现状和动态 1 4 1 数字电视的市场前景 根据国家广电总局的规划，20 03 年我国将全面推广有线数字电视， 力争到2o05 年实现有线数字电视接收用户超过30 00 万户；到200 8 年全国部分地区实现高清晰数字电视播放；到20 10 年全国基本实现数 字电视播放；到20 l 5 年全国停止模拟电视的播放。但现在的电视机都为 模拟系统，而数字电视机现在难以普及。尽管数字电视机普及中国百姓家相 当困难，但是，作为提高频率利用率的数字电视节目传输技术将提前采用， 形成电视节目传输数字化的局面。在模拟电视机向数字电视机过渡的过程中， 为了让模拟电视机不作任何改动就能接收数字电视节目，数字电视机顶盒将 受到热烈欢迎，数字电视机顶盒将作为过渡手段获得空前的发展机会。我国 拥有3 2 亿电视用户，其中有线电视用户有7 6 0 0 万户，而且每年还以5 0 0 万户的速度递增。按现有有线电视用户7 6 0 0 万户的2 5 计算，以每台1 0 0 0 元价格计，就有约2 0 0 亿元的市场。以l o 年为机顶盒的生存期估计，每年市 场规模平均为2 8 5 亿元。每年增长5 0 0 万户，同样以2 5 计算，市场为1 8 7 5 亿元。二者合计为4 7 2 5 亿元，十年合计为4 7 2 5 亿元，由此可见数字电视 机顶盒的市场潜力是巨大的。 作为数字电视中间件中一项重要技术的j w 技术是有重大的研究意义的。 1 4 2 研究现状 目前，比较成熟的商用中间件产品有o p e nt v 的e n 2 ，l i b e r a t e 的t v n a v i g a t o rf o rd t v ，c a n a lp l u s 的m e d i ah i g h w a y 以及n d s 的n d sc o r e 等， 我国已经有定市场份额的中间件生产厂商有c a n a lp l u s ，o p e nt v 和n d s 等。 法国c a n a lp l u s 的m e d i ah i g h w a y 是欧洲中间件系统的代表，最早它采 用的编程语言是一种解释执行的私有语言，后来，采用j av a 语言重新设计 系统和定义编程接口，成功将j a v a 引入数字电视中。英国n d s 中间件方案是 基于t f f m l ，利用 仃m l 浏览器实现一定的交互性，目前，n d s 正在研究基于 j a v a 的解决方案。 许多国际标准组织着手建立公开的中间件标准，例如欧洲的d v b 组织提 出了基于j a v a 虚拟机的多媒体家庭平台( m t l p ，m e d i ah o m ep l a t f o r m ) ，美 国a t s c 组织提出了d t v 应用软件环境( d a s e ，d t va p p l i c a t i o ns o f t w a r e e n v i r o n m e n t ) 。由于我国d v b c 是事实上的标准，因此我国的数字电视中间 件的标准是参照d v b 组织的m h p 制订，这也是本文研究j v m 在f p g a 上实现的 现实背景。 另一方面有鉴于当前f p g a c p l d 器件性能的高速发展速度可见，在f p g a 中嵌入j v m 的软核或硬核是一种必然趋势，所以，本课题要在这方面做一种 尝试，用f p g a 来实现j v m 的设计，希望能为f p g a 的进一步应用和快速的发 展提供一种借鉴和方法。 1 5 论文框架和主要内容 本课题的研究工作主要是参照m h p 标准，深入分析j v m 技术，根据m h p 技术规范的要求对j v m 做适当剪裁，最后在f p g a 上实现以硬件的方式实现了 为m h p 定制的j v m 。 本文章节内容依次为： 第一章绪论。介绍了数字电视的分类、标准，以及j v u 在数字电视中间 件的运用，最后概述了相关的研究现状。 第二章介绍了数字电视中间件系统功能和现行的几种标准和产品，然后 以欧洲的d v b - m h p 为实例较为详细的数字电视中间件的结构及相关核心技 术。 第三章详细分析d v b - m h p 的核心技术一j a v a 平台中的j v m 技术。 第四章介绍f p g a 技术及e d a 开发步骤和流程。 第五章详细介绍了在f p g a 上以硬件方式实现简单j v m 的原型，并对重要 模块做了仿真验证。 第六章总结所作的工作成果，指出工作中的不足之处，并提出下一阶段 的研究设想。 7 第2 章数字电视中间件结构及实例 数字电视中间件系统一般是指嵌入在电视接收端、基于接收设备驱动层 软件之上，隔绝交互应用与系统资源的一层软件。中间件使得应用程序独立 于接收机硬件平台，这样在同一电视网络中，不同硬件组成和设计架构的数 字电视机顶盒均能使用；同时，不同的软件公司可以基于同一编程接口开发 应用程序，且在不同的数字电视机顶盒上运行。这可使电视运营商大大降低 机顶盒和应用软件的成本，增强市场推广力和数字电视普及率。 2 1 数字电视中间件功能及结构 数字电视中间件是数字电视业务系统中的一个重要软件平台，它提供了 数字电视业务应用的运行环境。运行环境包含了对数字电视的内容格式和传 输协议的支持，并为数字电视业务的应用提供软件接口。数字电视中间件系 统一般包含下列模块： ( 1 ) 机顶盒驱动层及c a 接口( s t bd r i v e rl a y e r ) 此层的功能由系统移植接口定义，它提供m p e g - 2 表格数据提取、条件 接收和智能卡控制、信道参数设定、音视频流控制、m o d e r n 管理、f l a s h 存储管理以及其他功能。 ( 2 ) 核心系统模块( c o r es y s t e mm o d u l e s ) 它由一系列模块组成，包括内存管理、线程调控、事件管理、安全性 控制、数据下载管理及网络协议管理( t c p i p 、p p p 、h t t p ) 等。在核心模块 中，典型的有图像与多媒体处理模块以及s i 引擎模块。 ( 3 )图像与多媒体模块( g r a p h i c s a vs y s t e m ) 此模块与下层平台 接口，提供高级函数用于绘图、多视窗管理以及音视频控制等。 ( 4 )s i 引擎( s ie n g i n e ) 此模块用于管理服务信息( s i ) 数据库，它负责提取事件信息表( e i t ) 、 节目映射表( p m t ) 等常用s i 表格数据，并且具有监察功能。它可提供频道 搜寻时已储存的数据，如频道名称等。 ( 5 ) 虚拟机( j v m ) 这个虚拟机用来解译执行j a v a 应用程序，并提供j a v a 程序调试、寻 错( d e b u g ) 等功能。 ( 6 ) 网页浏览器( w e be x p l o r e r ) 它支持t i t m l3 2 4 0 、x m l 、 d o m c s s 等，显示h t m l 网页，提供上网功能。 ( 7 ) 应用编程接口( j a v aa p i s ) 式应用软件。它包括一些j 2 m e 的 程序包和一系列用于数字电视的专用程序包，如图形。这里面包含有多个 j a v a 程序包，用于开发交互显示、多媒体控制、si 数据装载和存取、回 路控制及系统资源管理等，此外还提供控制w e b 浏览器和运行j a v a a p p l e t 的程序包。 ( 8 ) 交互应用程序( i n t e r a c t i v ea p p l i c a t i o n s ) 应用程序并不属于接收端中间件系统，它建立在中间件系统标准界面 之上，用来提供各种各样的交互功能，如电子节目指南、游戏、网上购物、 电子银行等。内置于接收端中间件系统的应用控制器( a p p l i c a t i o n m a n a g e r ) 是协调各种交互式应用程序不可或缺的管理模块。 2 2 数字电视中间件平台的类型 根据应用领域和网络状况，数字电视接收设备可分为两种业务档次：单 向业务类型( b r o a d c a s t s e r v i c ep r o f i l e ) ：将音频、视频和可广播下载的交 互应用程序综合到一起，不但提供传统电视的音视频信息，还提供各种交互 业务。交互业务的数据通过业务信息表格方式或者数据轮播方式，它并不需 要一个交互通道或回传通道。典型的非交互应用有：电子节目指南、天气预 报、本地新闻、股票信息等。 双向业务类型( r e t u r n c h a n n e ls e r v i c ep r o f i l e ) 端发出各种请求，通 过服务器便能进行电子商务。这需要一个回传通道，它可以是双向有线电视 网、x d s l 、i s d n 等。利用具有回传通道的网络使得数字电视接收设备能够 向播发交互数据。典型的业务有：电视股票交易、电子购物、体育搏彩等。 由于并不是每个技术供应商所提供的数字电视中间件( d t v m ) 平台都能支 持整个应用领域的需要，同时随着时间的推移d t v m 规范需要进一步的发 展，这种发展涉及到d t v m 的各个层面。 2 3 数字电视中间件标准 不同的中间件系统会提供不同的与下层驱动资源模块接口以及与上层应 用编程接口，因此，不同的系统之间是不能互通的。因而，人们在数字电视 业务的不断拓展过程中认识到了制定统一的应用程序接e 1 的重要性。可以说， 中间件技术的发展与中间件标准的制定进程是同步的。总的来说现存的数字 电视中间件标准也是和数字电视标准相关联的。 2 3 1 欧洲数字电视中问件标准 欧洲人对数字电视交互式业务重要性的认识和对交互式数字电视技术 的研发早于世界上其他地方。数字电视商业运营在欧洲的迅速发展使人们认 识到制定一个共同标准的重要性。在d v b 的倡导和资助下，欧洲于i998 年成立中间件标准工作组( t a m ) ，致力于数字电视通用家庭平台的研究，这 就是后来的删p 标准。 m h p 标准明确地提出了数字电视中间件系统中必须包含一个j a v a 虚拟 机，用以解译执行j a v a 程序，也就是说，交互式应用使用j a v a 语言进行 编程，同时也倡导使用h t m l 。m h p 标准目前的版本是1 0 1 ，在欧洲影响较 大。n 4 p 为中间件标准的制定提供了一个范例，并已经被一些国家借鉴，例 如我国的数字电视中间件的标准就是参照它制订的。 2 3 2 美国数字电视中间件标准 美国也是数字电视发展较早的国家之一，但过去美国人不太重视数字电视 的交互性，认为只要能收看电视就行了。因此在较长的一段时问里，他们用 数字电视机项盒只是收看电视节目，而交互式应用除了一个电子节目指南 ( e p g ) 外，其他就没有什么了。 同样在美国，标准的重要性也早就为人们所认识。美国制定了一系列标准， 如a t v e f 、d a s e 等。a t v e f 是一种旨在将h t m l 作为数字电视内容的主要格 式的标准，它比较简单，与目前的互联网在较大程度上兼容。l i b e r a t e 就符 合a t v e f 标准。d a s e 主要以sun 公司的j a v at v 为基础，力图制定出 一个以j a v a 为核心的标准，目前还没有完全正式发布。o p e l ic a b l e 是以 c a b el a b s 为核心的网络公司组成的一个标准化组织，旨在制定个用于网 络数字电视的标准o c a p ( o p e n c a b l ea p p l i c a t i o np l a t f o r m ) 。最近，o p e n c a b l e 采用了不少m h p 标准的内容作为 ) c a p 标准。 2 3 3 日本数字电视中间件标准 同本在数字电视标准制定方面并不落后。日本的a r i b 标准主要是基于 b m l ( x m l 的一种形式，作为内容的播发格式) 和d s m c c d a t a c a r o u s e l ( 数据转盘) ，并增加扩展了j a v as c r i p t 以便更好地编写交互式应用。日本并 不像欧洲和美国那样大肆向外宣传他们的标准，主要是日本各数字电视企业 能够团结一致，制定标准是他们用来拾高门槛，阻止外国公司进入日木市场 的主要手段。日本的一些软件企业和数字电视机顶盒企业，如p10nee r 、fujitsu 等都在研发符合日本的a r i b 标准。目前，尚未在国 际性展会上见到日本企业介绍他们的中间件技术。但日本的a r i b 标准有其 参考借鉴意义。因为b m l 语言很规范，符合未来电子商务的要求，而 d s m c c 数据转盘是一种实现起来也不复杂的数据传输国际标准。 2 3 4 中国数字电视中间件标准 为了促进中国数字电视技术的发展，推动数字电视的产业化和市场化， 国家计委早在20 00 年就专门立项，组织研究和制定具有自主知识产权的 数字电视标准，它涉及数字电视的前端播发系统、接收机的关键元器件与接 口以及中间件软件系统等方面。其中，中间件标准为接收设备的生产以及交 互电视应用的开发提供统一的规范。它主要规范三个方面的内容： ( 1 )数字电视节目以及数据的格式； ( 2 )统一的数据传输协议； ( 3 )应用程序编写所采用的语言及其接口库。 众所周知的m hp 标准便是d v b 为推动欧洲市场的竞争而制定的， 但对欧洲市场来说它出台有点晚。因为欧洲市场已经形成，并且被非标准的 中问件系统( 如m e d i a h i g h w a y 、o p e n t v 等) 所瓜分，再加上m h p 太复杂， 一个m h p 的机顶盒需要很多资源，因而m h p 在欧洲近2 3 年普及的 可能性并不大。中国的中间件标准较m i - 1 p 有许多的优点，更符合数字电视 产业的实际情况和中国的市场特点。预计，中国的中间件标准会在年内发布， 这是产业界所期待己久的。 2 4d v b m h p 规范旧 d v b m h p 是以欧洲d v b 规范为基础，在j w 和符合d v b 标准的机顶盒软 硬件资源之间定义了一组j a v aa p i ，主要重点在于规划数字电视广播网与因 特网整合，为用户提供互动服务功能。其解决方案涵盖了i n t e g r a t e d r e c e i v e td e c o d e r s ( i r d s ) ，i n t e g r a t e dt vs e t s ，m u l t i m e d i ac o m p u t e r s 及，h o m en e t w o r kd e v i c e s 等。 d v b m h p 是一个开放的标准，这是它的最重要的特点之一。d v b m h p 定义 了数字交互应用与运行这些应用的终端之间的通用接口。通过这些接口，减 弱了不同交互应用对于由特定硬件和中间件组成的机顶盒的依赖关系，可提 供来自不同的服务业者、设备供货商、软件厂商开发的各类应用中的一个独 立于平台的接口，这个开放的a p i 将有利于开发新的服务。应用d v b m h p ， 广播商不必受限于为私有中间件方案而开发的应用，基于d v b m h p 的交互应 用也可在任何地方、任何遵循d v b m h p 的终端上运行。 2 4 1d v i - m h p 系统基本结构 如图2 1 ，d v b - m h p 结构包括：传输协议( d s m c co b j e c tc a r o u s e l ， d v bo b j e c tc a r o u s e l ，和i p 等) ；内容格式( p n g ，j p e g ，m p e g 一2 ，音视频 等) d v b h t ) a l ( h t m l 4 0 ，e c m as c r i p t ，c s s 2 和d o m 2 ) ；应用模式和信号机制； d v b j 平台( a p i ，j a v aa p i ，j a v at v ) 安全加密；层次定义；互联网访 问等。从图2 一i 可以看到m h p 采用了j a v a 技术，而j a v a 的平台无关性保 证了m h p 平台并不限定特定的硬件设计结构和操作系统。m h p 的软件栈包括4 部分： 图2 1 姗p 结构框图 ( 1 ) 用户界面 由j a v a a w t 包和h a v iu i 组成。 ( 2 ) 应用和应用管理 由j a v a x l e t 的包，应用管理子系统和j a v at v 的业务选择包组成。 ( 3 ) 音视频控制 由j a v a x m e d i a 包，j a v a7 v d v b 的音视频控制包和j a v at v 的业务选 择包组成。 ( 4 ) 传输协议和数据处理 由d s m c c ，m p e g 2s e c ti o n 提取d v b - s i 信息和j a v a 1 0 包组成。 2 4 2p e r s o n a ij a v a 和j a v ai va p p e r s o n a lj a v a 包括j v m 、和需要用到的j a v a 类、国际化支持和面向消 费产品的a w t 。国际化支持使产品使用时候在本地整体包装，以便支持开发 者所选择的语言，因此保证空间和存储器的有效利用。面向消费类产品的a w t 版本提供图形和窗口显示特征，支持低分辨率的显示和可选择的输入设备。 这为数字电视脱离鼠标和键盘等设备提供了保证。 j a v at va p i 是基于p e r s o n a lj a v a 应用环境的应用程序接口，是j a v a 平台面向m h p 终端的扩展，它提供了对m h p 终端特有功能的控制，包括对业 务信息数据库的访问、业务选择、t v 上的媒体播放器控制等。p e r s o n a lj a v a 是针对终端媒体及接收功能的，不含其它电子设备共有的a p i 。由于j a v a t v a p i 是独立于硬件和物理线缆传输协议的更抽象的高层协议，因此也可在一 些现存的标准中使用。 2 4 3 服务和服务选择( s e r v i c as e i e c t i o n ) 服务( s e r v i c e ) 是指呈现在终端上的各种元素，是可选择的。其中，表 示其特征所对应的服务信息( s e r v i c ei n f o r m a t i o n ，s i ) 存放于s i 库中。 在m h p 终端的j a v at va p i 中，由于底层的透明性，各种格式的s i 可通用于 所有的应用。s i 库对象模型为应用提供该库的多视图。通过制定一个特定的 视图，应用可仅涉及到s i 库的一部分。多种服务使m h p 提供适合不同用户 需求的应用。 服务选择a p l 支持应用以简单高级的方式控制服务的呈现，而不需了解 服务的内部细节。它将多个繁琐的操作封装在简单的方法调用中。服务呈现 环境用s e r v i c ec o n t e x t 来表达，其中的选择方法可用来呈现一个服务。 2 4 4 广播数据a p i j a v at va p l 支持以下几种基本访问格式访问广播数据：d s m c c 对象和 数据轮盘，这是对j a v a i o 的扩展。j a v at va p i 通过j a v a i 0 中的文件访 问机制支持对d c m c c 对象轮和数据轮盘的访问。与d c m c c 协议的交互基本 上是由j a v at va p i 完成的，非常便于移植。i p 数据报封装是j a v a n e t 的 扩展。如果底层支持j a v at va p i 可通过j a v a n e t 包中的传统数据报机制 提供对封装在广播流中的i p 包得访问。 第3 章j v m 技术分析 由第二章介绍可知，m b p 技术的核心就是用j a v a 技术实现数字电视中间 件。而j a v a 技术的核心是j v m ( j a v a 虚拟机) 。j v m 可指三种概念：抽象的 技术规范，具体的技术实现，运行的虚拟机实例。j v m 技术规范仅是个抽象 的概念，在t i ml i n d h o l m 和f r a n ky e l l i n 的 t h ej a v av i r t u a lm a c h i l 3 e s p e c i f i c a t i o n 中详细的描述了它。具体实现可以用软件或者硬件实现。大 多数j v m 的实现是用软件，也有少数的厂商推出了j a v a 芯片。当运行一个 j a v a 程序的时候，也就运行了一个j v m 的实例。 在本文中术语”j v m ”都可能表述这三种情况，视上下文易于区别。 3 1 j a v a 平台 在j a v a 平台的结构中，j v m 处在核心的位置。它的下方是移植接口。移 植接口由两部分组成，其中依赖于平台的部分称为适配器。j v m 通过移植接 口在具体的平台和操作系统上实现。在j v m 的上方是j a v a 的基本类a p i 。利 用j a v a a p i 编写的应用程序( a p p l i c a t i o n ) 和小程序( j a v a a p p l e t ) 可以在任 何j a v a 平台上运行而无需考虑底层平台，从而实现了j a v a 的平台无关性。 图3 一lj a v a 程序执行过程图 14 如图3 1 所示，j a v a 程序的执行过程是：首先，源程序( j a v a ) 经过编 译器编译后生成由字节码组成的类文件( c l a s s ) 。然后由类装载器装入来自 类文件的字节码，经过检验器安全验证后，由j w 读取字节码，转换为特定 平台的指令，并在相应的c p u 中运行。 3 。2 j v g 体系结构 j w 是j a v a 程序运行的心脏。j a v a 的许多优异特性都来源于j v m 的概念 和实现。j v m 是一种建立在实际处理器基础上的抽象的计算机。j v m 运行的是 从c l a s s 类文件中读入的字节码，所以j 也可以看成是以j a v a 字节码为指 令集的软件c p u 。类文件( c l a s s ) 称为j a v a 跨平台的核心结构，同一个c l a s s 类文件可以运行在实现了j v m 的不同平台上。 在j v m 规范中，虚拟机实例的行为是分别按照子系统，内存区，数据类 型以及指令这几个术语来描述虚拟机内部的体系结构。但规范中对它们的定 义并非强制规定j v m 实现内部体系结构，更多是为严格定义这些实现的外部 特征，规范本身通过定义这些抽象的组成部分以及它们之间的交互，来定义 任何j v m 实现都必须遵守的行为。 图3 - 2j w 体系结构图 图3 - 2 是j v m 体系结构图，规范中描述的主要子系统和内存区。每个 j v m 都有一个类装载器子系统，它根据给定的权限来装入类。同样，每个j v m 都有一个执行引擎，它负责执行那些包括被装载的方法中的指令。当j w 运 行一个程序时，需要内存存储很多东西。例如，字节码，从已装载的c l a s s 文件q t 得到其他信息，程序创建的对象，传递给方法参数，返回值，局部变 量，以及运算中间结果等等。j v m 把这些数据都以某种形式存储在每一个j v m 的实现中，但j v m 的规范对它们的描述却是相当抽象的。不同j v m 实现可能 具有f i 同的内存限制，有的实现需要大量内存，有的却有内存限制。所以规 范本身对运行时数据区只有抽象的描述。这就使得j v m 可以很容易在各种计 算平台上实现。 某些运行时数据区足由程序中所有线程共享的，还有一些只能由一个线 程拥有。每个j v m 实例都有一个方法区及一个堆，他们是由该虚拟机实例中 所有线程共享。当虚拟机装载一个c l a s s 文件时，它就从这个c l a s s 文件包 含的二进制数据中解析类信息。然后，它把这些类型信息放到方法区中。当 个新线程创