（通信与信息系统专业论文）iptv机顶盒自修复机制.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 i p t v 之所以成为关注的焦点，最主要的一点在于它的宽带服务模式已 形成了一个极具前景的产业。i p t v 这种在互联网时代更为灵活的传媒方式 对于未来电信运营商、内容运营商、i t 服务提供商的增值都有着巨大的影 响。机顶盒设备在i p t v 业务的实现过程中起着承上启下的作用，一方面需 要接收业务系统传送的节目内容媒体流，另一方面需要实现用户对业务播 放过程的控制。在i p t v 软件系统中，升级系统占有极其重要的地位，它提 供i p t v 软件系统的更新换代，实现机顶盒大规模、远程升级。因此，对作 为i p t v 软件系统核心之一的升级系统的研究、开发、设计和实现具有重要 的研究价值和实际意义。 本课题结合中国电子科技集团三十所与上海电信集团合作的i p t v 项 目，从i p t v 机顶盒终端和升级服务器两个方面入手，详细地研究了i p t v 升 级系统。本文首先分析了i p t v 以及升级技术的国内外市场现状和发展状 况，通过研究i p t v 机顶盒的业务需求以及相关文档，对i p t v 机顶盒的软硬 件环境的选取进行了分析接着，在分析了机顶盒启动流程和升级原理的 基础上，针对现有i p t v 机顶盒自恢复机制的不足之处，通过重新划分f l a s h 存储器空间和设计相应的引导加载程序，提出了一套行之有效的机顶盒自 修复机制方案，并对设计方案进行了实现。然后，针对机项盒的自修复机 制进行测试，经广大用户实际使用结果表明该自修复机制运行稳定可靠， 达到了设计的预期目标。最后，在对升级服务器软件开发平台进行分析后， 设计并实现了i p t v 机项盒升级服务器，分析其性能的瓶颈所在，根据市场 需求和实际使用情况，提出优化方案，经测试，表明该方案有效可行。 关键词：i p t v ，机项盒，升级系统，自修复 a bs t r a c t i p t vb e c a m et h ef o c u so fa t t e n t i o n ，t h em a i nr e a s o ni si t sb r o a d b a n d s e r v i c em o d eh a sf o r m e dav e r yp r o m i s i n gi n d u s t r y i p t va sam o r ef l e x i b l e w a y i nt h ei n t e r n e tt i m eh a v ea ng r e a te f f e c to nt e l e c o m m u n i c a t i o no p e r a t o r s m e d i ac o n t e n t e ra n di ts e r v i c ep r o v i d e r s e t - t o pb o xp l a y sa ne s s e n t i a lr o l ei n t h er e a l i z a t i o np r o c e s so fi p t vs e r v i c e ，o nt h eo n eh a n d ，i tn e e d st or e c e i v e m e d i as t r e a m s ，o nt h eo t h e rh a n d ，i tn e e d st oc o n t r o lt h ep r o c e s so f b u s i n e s s b r o a d c a s t i nt h ei p t vs o f t w a r es y s t e m ，t h eu p g r a d es y s t e mo c c u p i e sa n e x t r e m e l yi m p o r t a n ts t a t u s ，i tr e a l i z et h es e t t o pb o xt ou p g r a d em a s s i v e l ya n d r e m o t e l y t h e r e f o r e ，a st h ec o r eo fi p t vs o f t w a r es y s t e m ，i p t vu p g r a d e s y s t e m s sr e s e a r c h m e n t ，d e v e l o p m e n t ，d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nh a v e i m p o r t a n tr e s e a r c hv a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i st o p i ca r ef r o mt h ec o o p e r a t i o np r o j e c to fc h i n ae l e c t r o n i c s t e c h n o l o g yg r o u pa n ds h a n g h a it e l e c o m i p t vu p g r a g es y s t e mh a s t w o a s p e c t s ，t h es t bt e r m i n a la n du p g r a d es e r v e r t h i sp a p e r f i r s ta n a l y z e st h e i p t va n du p g r a d et e c h n o l o g yf r o mm a r k e ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n ta th o m e a n da b r o a d ，b a s eo nt h es t u d yo fb u s i n e s sn e e d sa n dr e l e v a n td o c u m e n t s ， a n a l y z e st h es e l e c t i o nf o rt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ee n v i r o n m e n to fi p t v s t b t h e n ，b a s eo nt h ea n a l y s i so fs t bs t a r t - u pp r o c e s sa n dt h ep r i n c i p l eo f e x i s t i n gs e l f - r e s t o r em e c h a n i s m ，r e d e v i d et h es p a c eo f f l a s hm e m o r y a n d d e s i g nc o r r e s p o n d i n gb o o t l o a d e r ，p u t sf o r w a r das e to f e f f e c t i v es t b s e l f - r e p a i r i n gm e c h a n i s m ，a n dr e a l i z e di t t t e s t e db yt h em a s s e so fu s e r s ，t h e a c t u a lu s eo fr e s u l t ss h o wt h a tt h es e l f - r e p a i r i n gm e c h a n i s m i ss t a b l ea n d r e l i a b l e ，m e e tt h ed e s i g na n t i c i p a t eg o a l f i n a l l y ，a n a l y s i st h ep l a t f o r mo f s o f t w a r ed e v e l o p m e n tf o ru p g r a d es e r v e r ，d e s ig na n dr e a l i z et h ei p t v u p g r a d es e r v e r ，a n a l y z e si t sp e r f o r m a n c eb o t t l e n e c k s ，a c c o r d i n g t ot h e m a r k e td e m a n da n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，p r o p o s eo p t i m i z a t i o ns o l u t i o n k e yw o r d s ：i p t v , s e t t o pb o x ，u p g r a d es y s t e m ，s e l f - r e p a i r i n gm e c h a n i s m h 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 论文的背景和意义 第一章绪论 随着通信与信息技术，尤其是i p 技术的不断发展以及国家信息化战略 大力的推进，我国的互联网技术得到了极大发展。互联网上的多媒体业务 和应用，如i p 电话、可视电话、视频会议、电子商务、电子政务、网络电 视、音视频下载、互动游戏、视频点播、旅游咨询、数字博物馆、数字图 书馆、搜索引擎等都得到了蓬勃发展。i p 多媒体业务的繁荣，正在改变着 经济增长方式，进一步满足人民群众对通讯网络、信息技术和信息服务的 需要，成为互联网向下一代网络( n g n ) 发展的战略目标的重要组成部分。 在i n t e r n e t 技术及其业务和应用的发展过程中，出现了将传统广电业 务和传统电信业务融合在一起的网络电视( 或称i p t v ) 业务。所谓的i p t v 是指交互式网络电视，是一种使用宽带i p 网络向用户提供影视节目在线观 看的崭新业务【1 1 网络电视与传统的有线电视相比有着实质性的改变，它 的接收终端不再仅仅是电视机，而可以是任何连接到i p t v 机顶盒的显示 终端或是具有i p t v 机顶盒模块的数字电视。网络电视有效地将电视、通 信和个计算机三个领域紧密结合在一起，不但能够接收广播信号，而且能 够实现用户与内容提供商之间的互动，这个颠覆性的技术给日新月异的电 信市场带来了革命性的影响。宽带互联网的迅猛发展和用户群的日益扩大 是网络电视引起格外重视的最为直接原因，i p t v 使得宽带应用成为备受 电信运营商瞩目的主要问题，同时，i p t v 被运营商认定为最具潜力的增 值业务 在网络电视系统中，i p t v 机项盒是一个十分重要的设备，它在一定 程度上决定了网络电视的发展i p t v 机顶盒的软件系统是一种基于嵌入 式操作系统的嵌入式软件系统。在实际使用过程中，为了解决i p t v 机顶 盒软件系统中存在的问题，增强机顶盒的运行性能，进一步扩展它的功能， 需要对机顶盒的软件系统及时进行更新。由于市场上的i p t v 机顶盒终端 产品数量庞大并且分布分散，不可能由客户服务人员逐一地进行人工升 级，所以一般采用远程、大规模、自动升级的方法。因此，制定一套安全 可靠的机项盒远程升级策略意义重大。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 2ip t v 的发展现状 由于i p t v 巨大的商业空间和潜在价值，所以众多发达国家都不遗余 力地追捧i p t v ，希望能够在i p t v 的发展过程中占据有利的地位。从美国 的发展情况来看，早在2 0 0 5 年9 月，总部位于纽约市的v e f i z o n 率先宣布， 在得克萨斯的k e l l e r 推出i p t v 服务，再逐步推广到得克萨斯的其他城市 和附近的佛罗里达州。这项名为f i o s 的服务，可以提供1 8 0 多个数字和音 乐频道，每个月的费用为3 9 9 5 美元其中有2 0 多个频道是高清电视； 同时可以提供1 8 0 0 多部录像节目用于点播。内容提供商则都是 s h o w t i m e n e t w o r k s 、n b c u n i v e r s a l 有线公司和a e 这样的老牌电视娱乐 集团。 在全球i p t v 市场，欧洲、亚洲的i p t v 用户数量以及服务提供商的收 入都在稳步增长，北美地区也呈现适度增长态势。在亚洲地区，中国、中 国香港和日本发展势头迅猛。在北美地区，i o c ( 独立运营商) 、v e r i z o n 等是主要的增长动力。在2 0 0 8 年上半年，欧洲网络电视业务的高速增长 推动了全球i p t v 市场的发展，尤其是法国、意大利、西班牙、比利时和 东欧等地区和国家。欧洲是全球最大的i p t v 市场，通过运营商法国电信 旗下的n e u f c e g e t e l 以及o r a n g e 的免费服务，网络电视在法国呈现爆炸性 增长。法国已经成为目前这一市场的领先国家。 与全球i p t v 迅速发展的大趋势相同，随着国内电信运营商i p t v 试商 用的地区与规模逐渐扩大以及广大消费者对i p t v 的认知程度不断提高， 在用户规模偏小的基础上，我国i p t v 保持了稳步快速增长态势，i p t v 用 户总数已经从2 0 0 3 年的1 8 万、2 0 0 4 年的4 6 万增长到2 0 0 7 年的1 2 0 8 万。进入2 0 0 8 年以来，虽然处于电信业产业重组的诸项事宜度迟迟未 定而造成不利影响的背景下，我国i p t v 用户总数仍然保持了持续快速增 长。截至2 0 0 8 年底，全国i p t v 用户数突破3 0 0 万，与上年同比增长超过 1 5 倍。截至2 0 1 0 年底，我国i p t v 用户数已突破1 0 0 0 万。据估计，截 至2 0 11 年底，我国i p t v 用户数将达到15 0 0 万 1 3 升级技术的现状 互联网已经进入一个崭新的时代，它成为了我们日常生活中不可或缺 的一部分。无论是在办公室在家中或者其他地方，都能够通过电脑方便地 连接到互联网上。众所周知，计算机系统软件和应用软件的升级方式已经 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 从原来的使用传统邮政邮寄升级包的方式过渡到使用电子邮件邮寄升级 包的方式，再到如今的基于互联网络的自动升级方式。例如，国产杀毒软 件江民杀毒王、瑞星等的升级，软件升级只需用户在程序中设置自动升级 或者在软件中点击升级按钮，就会自动完成。鼎鼎有名的p c 机操作系统 w i n d o w s 的自动更新体现了使用网络自动升级的优势。 目前，软件升级的形式有四种：第一种是设备供应商将软件升级包发 给用户，通过p c 机及串口做为媒介下载升级包，对产品进行升级；第二种 是维护人员通过更换产品的存储器芯片进行升级；第三种是产品直接连接 i n t c r n e t ，按照对话框的提示按键进行升级；第四种是产品具有远程诊断和 远程维护的能力，并且能够跟踪产品的使用状况进行升级。第三种是目前 流行的一种方式，第四种形式是软件升级的一种趋势【2 】 传统的互联网应用是以p c 机为中心，而当代的互联网应用已转向以 嵌入式设备为中心据业界专家的分析和预测，将来在互联网上传输的信 息中，将有7 0 的信息来自于小型嵌入式系统【3 】。目前，电子产品升级技 术正兴起于电子电路的研制生产、功能不全、故障诊断、设备更新能力差 等方面。它的出现大大提升了电子产品的质量水平，缩减了电子设备的维 护时间，大幅度降低了电子设备的更新、检修费用。据了解，国内外正在 研究使电视、冰箱等都具有远程升级、远程监控和远程管理功能，还有汽 车、仪表、工控单元等也在朝网络自动升级的方向发展。并且国外有部分 公司正在研制具有网络接口的微处理器 嵌入式设备的优势是：源代码完全公开，无需交纳版权费，有大量免 费的开发工具和应用软件可供使用；拥有遍布世界各地的开发群体，使得 技术交流极为方便，软件开发和维护的成本相对低廉；系统占用资源少， 内核精悍等 2 , 3 1 。因此，实现小型嵌入式设备远程在线升级的技术难点在于： 如何利用嵌入式系统有限的资源制定升级策略和自修复机制，使之安全、 可靠、稳定地升级。 1 4 论文课题的来源 本课题来源于中国电子科技集团三十所与上海电信集团合作项目 “i p t v 业务运营及产品化一的子课题。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 5 本论文的主要工作和章节安排 本文的主要工作是研究i p t v 升级系统，从i p t v 机顶盒和i p t v 升级 服务器两个方面着手。一方面，研究i p t v 机顶盒的软硬件及其自修复机 制，针对现有自修复机制存在的不足，重新设计一套自修复机制，保证其 稳定、可靠升级。另一方面，设计i p t v 机顶盒升级服务器，并针对其性 能方面的不足，进行优化，提出解决方案，针对优化后的升级服务器性能 进行测试，验证其有效性、可行性。 本文共分为五章： 第一章是绪论，介绍课题的背景，课题的来源及研究意义，i p t v 的 发展现状，升级技术的现状，最后指出了本论文的主要工作和章节安排。 第二章分析机顶盒的标准，研究根据标准及具体需求构建的机顶盒软 硬件平台，研究与机顶盒升级实现相关的硬件选型和软件模块，并对与机 顶盒自修复机制密切相关的嵌入式引导加载程序进行具体分析。 第三章分析目前用于i p t v 升级系统的自修复机制的现状，针对其不 足，通过重新划分f l a s h 存储空间并且加入相应的引导加载程序，实现一 套新的自修复机制，并进行针对性地测试。 第四章针对i p t v 升级服务器的应用需求，根据其实现原理，选择开 发平台及架构，设计并实现i p t v 升级服务器，并对实现后的升级服务器 提出性能优化的解决方案，经过测试，证明其有效可行。 第五章是总结，总结本论文的工作，并讨论下一步的研究工作和改进 方向。 重庆邮电大学硕士论文第二章嵌入式口t v 机顶盒的研究 第二章嵌入式ip t v 机顶盒的研究 2 1 lp t v 机顶盒概述 2 1 1lp t v 机顶盒的概念 机顶盒( s e tt o pb o x ，s t b ) 起源于2 0 世纪9 0 年代初，当时在欧美 国家它是一种被有线电视台用来解决有线电视收视费问题而设计的解扰 设备。运营有线电视的经营商给每台电视机安装一个密钥盒，用户只有先 交纳费用才能够解密电视信号，收看到电视节目。这是最早的机顶盒。2 0 世纪末，数字电视和高清数字电视的出现，掀起了机顶盒的又一次高峰。 它的主要作用是进行数字模拟信号的转换，使用户直接用原有的模拟电 视机就能够收看到数字电视节目和高清晰度数字电视节目，通常这类机项 盒被称为数字电视机顶盒f 2 ，3 1 。 近年来，随着宽带网络的发展，互联网应用越来越宽泛，网络电视的 出现带动了终端市场的活跃机顶盒从原来专门用来解扰或数模转换的 专用机顶盒，发展成为i p 网络与电视之间的桥梁，把宽带网络上丰富多彩 的节目展现在电视机上，给予电视观众全新的数字生活感受。网络电视机 顶盒支持包括i p 接入在内的多种接入方式，具备多种编解码能力和图形浏 览器功能，同时支持包括数字电视在内的视频点播、时移电视、网络浏览、 信息服务、互动游戏及远程教学和医疗等业务功能。在不久的将来，i p t v 机项盒将成为一种大众的家用数字平台，使人们足不出户就能够身临其境 般遍历世界各地，尽享购物娱乐快感，体验i p t v 业务带来的跨时空享受。 2 1 2ip t v 机顶盒标准 i p t v 作为一种新兴宽带网络业务正在向着系统化、产业化发展，它 越来越被业界所高度重视，特别是i p t v 机顶盒作为i p t v 发展的关键设备， 更加被迫捧。各大电信设备制造商、电视设备制造商以及家用电器制造商 在市场广阔的发展前景和丰厚的利润驱动下争相投入到机顶盒终端的研 发和生产中。由于行业之间对i p t v 及其业务的理解各异，产品设计理念 也不尽相同，导致i p t v 机顶盒终端在功能、性能和应用环境要求等方面 存在很大的差异，缺乏应有的互通性，这种状态长此下去不利于整个产业 重庆邮电大学硕士论文第二章嵌入式球t v 机顶盒的研究 的发展。为此，中国通信标准化协会于2 0 0 5 年8 月成立了i p t v 业务特别 工作组，重点研究i p t v 业务系列标准。此标准对于i p t v 机顶盒的业务能 力要求、功能要求、硬件接口、通信协议和安全等方面做出了具体的技术 要求和规范。 1 业务能力要求。 i p t v 机顶盒支持基本业务功能和扩展业务功能。基本业务功能是指 支持基本业务的能力；扩展业务功能是指支持可选择业务的能力。基本业 务包括直播电视业务、时移电视业务和点播电视业务。直播电视既是通常 大家理解的电视业务，通过i p t v 机顶盒用户可以接入i p 网络在线观看各 种电视节目、订阅个性化节目，通过直播电视业务，用户可以随时获得自 己定制的服务提供商提供的电视节目而点播业务类似于互联网上的视频 点播服务，通过i p t v 平台提供的e p g 检索页面，用户可以对想要收看的 节目进行选取并播放，在播放中用户可以像看d v d 一样进行快进、快退、 停止等操作。而时移业务类似于录像机功能，可以允许用户存储一定时间 段内的电视节目，并随时可以进行调用【4 5 6 】。 对于i p t v 机顶盒的扩展业务，在行业标准中没有规定为必选项，是 一个可选项。这样的规范主要是考虑到在i p t v 部署的初期，主要业务还 是集中于传统的电视、视频等业务。而且，只提供基本业务对于实现设备 的互通更加容易。扩展业务只是作为发展到一定阶段向用户提供的附加增 值业务。扩展业务往往包括信息服务业务、网络游戏业务、视频实时通信 业务、文本信息业务等。信息服务业务是指机顶盒需要提供对基本的信息 浏览功能和接收服务器的信息的支持，这样用户能够利用电视机以及遥控 器登录提供相关业务的网站浏览信息，或者定制相关内容，由服务提供商 自动推送。这里的端对端可视业务可以理解为通过机顶盒和相关的视频设 备支持视频实时通信业务，通过在机顶盒上增加不同的管理软件并提供对 相关的编码格式的支持，这样一来i p t v 机顶盒能够支持可视电话业务等 实时视频通信业务功能。对于网络游戏业务，在现有机顶盒的基础上需要 添加图形处理能力，以提供对游戏的支持。用户也可以通过另外购置附加 的机顶盒游戏设备实现更丰富的游戏体验。当然，在现有机顶盒的基础上 也可以开展一些较为简单，资源消耗不大的游戏业务，通过机顶盒软件升 级就可以简单地获得这样的功能。文本信息业务在很多现有的i p t v 系统 中都已实现，它主要是通过在屏幕上进行文字滚动显示信息内容【5 6 1 。 2 功能要求。 机顶盒作为网络与用户的中间媒介，对下需要负责从业务服务系统接 重庆邮电大学硕士论文第二章嵌入式d t v 机顶盒的研究 收节目内容，对上需要将接收的数据通过解码等步骤实现播放和控制。此 外，机顶盒还应具备一些相关功能。按照我国的机项盒标准，i p t v 机项 盒需要具备管理功能、通信协议支持、业务功能等相关功能。他们还可细 分为系统管理、应用管理、电源管理、安全管理；流媒体协议、接入认证 协议、传输层协议；d r m 、浏览器、e p g 、媒体播放等【6 7 1 。这里对交互 功能、安全防护功能、媒体处理功能、管理规范等做一些介绍。 ( 1 ) 媒体处理功能要求。不论是i p t v 基本业务或者是扩展业务都需 要机顶盒具备媒体处理功能。为了实现基本功能，可提供将a v s 视频、 m p e g 一4 p a r t l o h 2 6 4 或m p e g - 2 等作为视频解码标准：与之相应的可采 用m p e g - 2 音频、杜比a c3 5 1 、m p e g - 2 4a a c 、m p 3 等作为音频解 码规范。当基础业务已成熟后，可以提供对h 2 6 3 等视频编解码标准和各 种图像显示格式的支持，同时也可支持g 7 l l 等音频标准 6 , 7 , s 1 。由于i p t v 还处于起步阶段，考虑到各种音视频编解码标准的收费标准不一，所以并 未对使用某一种标准进行硬性规定。 此外显示方面，机顶盒最少需支持3 5 2 x2 8 8 分辨率。当然也有 7 2 0x5 7 6 、6 4 0 4 8 0 、图形显示方式，色位至少达到1 6 位色；无论采用平 铺或叠加图像方式，机顶盒必须需要提供多层显示的支持；支持显示符号 和符合g b l 8 0 3 0 要求的汉字。 ( 2 ) 交互功能要求。机顶盒的交互功能可以分为两类，内容交互控 制和交互内容选择。交互内容选择功能是指为用户提供节目检索、利用门 户导航菜单选择内容、与认证系统交互认证信息等过程。内容控制功能是 指在实现点播业务过程中，通过机顶盒和i p t v 服务器之间的信息交互达 到控制内容信息的功能 g a o a h 。 ( 3 ) 管理功能要求。 软件升级功能。机顶盒的中间件插件具备机顶盒当前系统版本探测 功能，当发现机顶盒的系统软件版本低于服务器中的系统升级软件版本， 便通过h t t p ( s ) 或f t p 获取最新版本文件，并进行升级。一旦升级失败， 必须保证机顶盒仍能正常工作，免去用户手动升级的困扰 1 2 , 1 3 l 。 日志功能。机顶盒需要将当前的状态、操作、错误等信息记录入日 志进行保存，并对本机版本和系统管理信息进行错误诊断。在必要时将日 志上传至服务器，以便维护人员能及时定位1 1 4 , 1 5 。 远程配置功能。通过服务器与认证中心，必须能远程登录到机顶盒 上并进行操作。需要实现重启、恢复设置、设置参数值、下载、最小内核 恢复、删除设备注册等功能 1 4 , 1 5 。 重庆邮电大学硕士论文 第二章嵌入式口t v 机顶盒的研究 本地配置功能。可以通过遥控器或者局域网进入机顶盒的配置页面 对机顶盒进行配置。常用的配置信息有网络接入方式、d n s 服务器、i p t v 业务管理系统域名、网络接入账号密码、静态i p 、用户业务编号密码 和网关等d 4 , 1 s 。 3 硬件接口要求。 机顶盒硬件基本配置应具有网络接口、音视频接口和红外遥控接口3 类物理接口，实际情况中还可以配置多种辅助接口。 ( 1 ) 网络接口：网络接口可以为单一的以太网或多种接口并存的方 式。常用的接口类型包括a d s l 接口、以太网接口1 0 l o o b a s e t 、无线局 域网接口、无线局域网接入标准的接口 t 3 , t s 。 ( 2 ) 音视频接口：视频输出接口有s 端子、复合视频输出端子以及 h d m i 接口等；音频输出接口有数字音频输出接口和模拟音频输出接口 【1 2 ，l3 1 。 ( 3 ) 红外接口：此接口主要是用于接收红外遥控器的信号，其标准 应满足i r d a l 1 协议( 快速红外协议) 的要求。其中规定了红外信号的最 小角度、遥控有效距离等参数【1 2 】。 ( 4 ) 辅助接口：包括u s b 接口、z 接口、串行接口和下行以太网接 口等可选接口1 1 5 4 通信协议要求。 作为接入i p 网络的终端设备，i p t v 机顶盒必须支持一系列i p 协议以 便对业务的支持。i p t v 机顶盒所涉及的i p 协议有：接入过程的相关协议 包括d h c p 、p p p o e 、i e e e 8 0 2 1 x ；文件文本传送协议包括f t p 、t f t p 、 h t t p ；网络时间同步协议可在简单网络时间协议( s n t p ) 或网络时间协 议( n t p ) 中选择；媒体传送协议包括符合i s o i e c l 3 8 1 8 1 2 0 0 0 规定的 传输协议和实时传输协议( r t p ) ；媒体播放控制协议包括实时流r t s p ( 符 合r f c2 3 2 6 规定) ；i n t e r n e t 组管理协议为支持组播的i g m p ( 符合r f c 2 2 3 6 规定) 【1 引。 5 安全要求。 ( 1 ) 安全认证要求：我国的i p t v 机顶盒必须支持a a a 认证。在接 入i p 网络时，经过对必要信息的认证授权后才可以接入i p t v 业务平台并 定制各类业务；同时i p t v 机顶盒还需支持机卡分离，利用硬件加密方式 的智能卡技术存储用户信息 1 5 , 1 6 。 ( 2 ) 数字版权管理安全要求：在机顶盒中有对应业务平台的d r m ， 通过它提供内容版权的保护。数字版权保护通常由业务提供商或内容提供 重庆邮电大学硕士论文第二章嵌入式p t v 机顶盒的研究 商实现，用户端接收到的信息应是具有d r m 的信息【1 6 】。 2 2 机顶盒操作系统的分析 2 2 1 嵌入式系统介绍 嵌入式系统就是以应用为中心( 量体裁衣) ，以计算机技术为基础，软 件硬件可裁剪，适合应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要 求的专用计算机系统【1 7 】。在电子技术、计算机技术和通信技术迅猛发展的 今天，嵌入式系统已经被广泛应用于信息、通讯、军事、工业、家电等各 个领域。i p t v 机项盒是实现电视机接收加密模拟电视节目、数字电视节 目和实现用户通过电视机上网、进行视频点播的重要设备，它是迄今为止 除计算机以外的电子类产品中软件含量最大的产品之一。实际上，i p t v 机顶盒就是一个带有通信接口并且面向特定应用的嵌入式系统【l 引。 任何一个嵌入式系统都由硬件和软件两个部分组成。硬件部分包括嵌 入式微处理器数字信号处理器、存储器、输入输出i o 端口和图形控制器 等。软件部分包括嵌入式操作系统软件和应用软件，应用软件控制着嵌入 式系统的运作和行为，而嵌入式操作系统控制着应用程序与硬件之间的交 互，通过提供应用编程接口( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ，a p i ) 为应用 程序提供必要的底层支持d t , t 8 。 因为嵌入式系统是针对各种应用、不同产品和用户的，所以不可能开 发出一个像个人电脑一样通用的嵌入式系统而不去研究应用特性。在嵌入 式系统中，硬件和软件的具体需求取决于具体的应用，需要根据不同的应 用制定相应的芯片、存储器、输入输出扩展和操作系统、应用程序等。与 通用计算机系统相比不同的是，嵌入式系统的硬件和软件都必须提高设计 效率，以应用为核心，去除冗余。要想使这样的产品具备竞争力，就要尽 量以最小的系统、最低的成本去实现目标功能。因此，嵌入式系统通常都 具有体积小、集成度高、低功耗等特点。 作为嵌入式系统( 包括硬、软件系统) 极其重要的组成部分，嵌入式操 作系统( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，e o s ) 是一种支持嵌入式系统应用的 操作系统软件。一个完整的嵌入式操作系统通常包括与系统内核、设备驱 动接口、硬件相关的底层驱动软件、通信协议、标准化浏览器b r o w s e r 和 图形用户界面等。嵌入式操作系统负责嵌入式系统所有软件和硬件资源的 分配和调度工作，控制并协调可能发生的并发行为。同时，嵌入式操作系 重庆邮电大学硕士论文 第二章嵌入式p t v 机顶盒的研究 统必须体现其所在嵌入式系统的特性，能够通过安装和卸载某些模块来达 到系统所要求的功能。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实 时的高效性、硬件的相互依赖性、软件的固化性以及应用的专业性等方面 具有较为突出的优势。 2 2 2 嵌入式l in u x 作为操作系统的优势 面对各式各样的操作系统，需要考虑到各个方面进行选择，依据的标 准主要有以下几点： 1 实时性。强实时性系统能够及时响应所要求的任务，在限定时间 内批处理作业。机顶盒中的操作系统占用空间不大，但要求具备实时处理 能力，并且能够运行在较小的内存空间中。嵌入式操作系统的实时性一般 比较强，能够用于控制各类设备。 2 统一的接口。操作系统负责向用户程序提供一个统一的接口用以 保证设备的独立性。 3 可伸缩性。操作系统在面对各种类型的系统和负荷都能够良好的 工作，有足够的扩展能力，保证初期不作无谓的投资，今后还能够适应发 展。 4 图形用户界面。用户能够通过屏幕上多个窗口方便地实现与计算 机的交互，界面友好且简单。 5 网络通信。提供高效、可靠的网络通信能力，支持多种网络服务 功能及通信协议，为各种移动计算设备预留接口。 6 稳定性。系统一旦开始运行，即使在干扰或是压力环境的条件下 仍能正常运行，而不需要用户过多的干预。 7 移植性。随着技术和消费者需求的变化，即使是同一类型的产品 也需要硬件平台的更新换代，软件平台的升级。为了适应快速变化的市场 需求，在产品的实际开发过程中开发人员更加倾向于移植操作系统，这样 不但比重新开发操作系统节约时间，而且能够大大提高产品开发的效率。 嵌入式操作系统结构紧凑，功能相对简单，资源开销较小，目前主要 有三种lw i n d o w sc e 、p a l mo s 、l i n u x 这三种主流嵌入式操作系统各有 不同的特点和用途。w i n d o w sc e 是为新一代非传统的p c 设备而设计，基 于w i n d o w sc e 的嵌入式系统通常工作在不联机的情况下。p a l mo s 是一 套专门为掌上电脑开发的操作系统，p a l m 产品的最大特点是使用方便、机 体轻巧。l i n u x 比起w i n d o w sc e 和p a l mo s 来更加轻巧、更加稳定，而 重庆邮电大学硕士论文第二章嵌入式p 机顶盒的研究 且l i n u x 是开放源代码的操作系统，在价格方面极具竞争力。目前开发的 嵌入式系统中，4 9 的产品选用l i n u x 作为嵌入式操作系统，l i n u x 已经成 为嵌入式操作系统的理想选择。据市场调查公司s t r a t e g ya n a l y t i e s 发布的 一份报告，全球范围的机顶盒市场上，l i n u x 操作系统已成为i p t v 机顶盒 操作平台的主要选择。 l i n u x 是一套在u n i x 的基础上发展而成的可供免费使用和自由传播 的操作系统。它主要用在基于i n t e lx 8 6 系列c p u 的计算机上并且充分运 用了x 8 6 c p u 的任务切换机制，实现了真正意义上多用户、多任务的能力。 l i n u x 对硬件配置的要求很低，能够在仅有4 m 内存空间的3 8 6 微处理器 上运行得很好，并且支持从p c 到大型服务器包括嵌入式系统在内的各类 硬件设备。在应用嵌入式系统方面，l i n u x 用户能够无偿地获得它的源代 码，并可以根据自己的需求对它进行修改和补充。 之所以选择嵌入式l i n u x 作为操作系统，它的优势主要体现在以下几 方面： 1 可应用于多种硬件平台和外围设备。l i n u x 并不仅仅基于i n t e l 平 台，它还可以移植并运行在p o w e rp c 之上，例如a p p l e 机( p p c l i n u x ) ， c o m p a q 基于a l p h a 的机器、基于m i p s 的机器、m o t o r o l a 的基于6 8 0 0 0 的机器、各种6 4 位系统以及i b m 的s 3 9 0 机。嵌入式l i n u x 支持很多 外围设备并且能够很快支持新的外围设备。l i n u x 经常比其他公司更早 地提供对接口板卡和外围设备的支持。 2 丰富的软件开发环境。嵌入式l i n u x 提供其他计算机语言的编译器 和解释器，如a d a 、f o r t r a n 、j a v a 、l i s p 、p a s c a l 、p e r l 和p y t h o n 等。b i s o n 实用工具生成的解析代码使编译器的开发工作变得更加容易。m a k e 实用 工具和g n u 中进行自动配置的c o n f i g u r e 工具使复杂项目的开发管理变得 简单。源代码管理系统( 例如c v s ) 简化了版本控制的流程。除了u p s 和 g d b 以外，还有一些调试工具也可以帮助追踪和修复软件的瑕疵。g n uc 编译器g c e 与进行信息剖析的实用工具g p r o f 协同工作，能够帮助程序员 识别影响程序性能的潜在瓶颈。c 编译器中还包含是否进行c 代码深入检 查的选项用以提高代码的可移植性和减少调试的时间。 3 固化代码。在嵌入式l i n u x 系统中，应用软件被固化在嵌入式系统 计算机的r o m 中，而不是存储于磁盘中。因此，嵌入式操作系统的文件管 理功能能够很容易地拆卸，而且提高软件的执行速度和系统可靠性。 将嵌入式l i n u x 用于系统中，一般都不是一成不变地照搬，而是充分 考虑各种嵌入式系统的具体特点，有针对性地对嵌入式l i n u x 内核进行移 重庆邮电大学硕士论文第二章嵌入式p t v 机顶盒的研究 植、裁剪、修改和补充，主要包括以下几个方面： 1 将嵌入式l i n u x 内核移植到目标机的微控制器或s o c 芯片上并根 据具体需要加以改动和补充。 2 对嵌入式l i n u x 内核代码进行裁剪和修改，一来可以减小内核映像、 提高内存空间利用率，二来可以加快系统初始化过程、减少进入系统的等 待时间。 3 嵌入式l i n u x 内核中常常需要增加一些特殊的设备驱动程序来支持 通用系统中少见的外部设备。 4 对于有实时性要求的应用则需要视要求的水平高低，采取不同的 对策。例如提高时钟精度、实现可剥夺调度、按优先级调度、实现硬实时 调和解决优先级倒转问题等。 2 2 3 嵌入式lln u x 系统的启动流程分析 嵌入式l i n u x 系统的软件是由嵌入式操作系统和应用软件两个部分 组成。通常可以分为四个部分：引导加载程序( b o o tl o a d e r ) ，嵌入式操 作系统l i n u x 内核与驱动( k e r n e l & d r i v e r ) ，文件系统( f i l es y s t e m ) ， 应用程序( a p p l i c a t i o n ) 。b o o tl o a d e r 是被固化在目标系统断电非易失存 储器( r o m 或者f l a s h ) 中系统启动或者复位以后最先执行的一段代码， 它主要用来初始化处理器以及外设，然后将内核启动参数传递给嵌入式操 作系统l i n u x 内核，使l i n u x 内核按照设置的参数要求启动。此外，b o o t l o a d e r 还具有将内核代码搬运到内存中并跳转到内核代码起始地址运行 的功能。嵌入式l i n u x 内核在完成系统的初始化之后需要挂载某个文件系 统作为根文件系统( r o o tf i l es y s t e m ) 。根文件系统是嵌入式l i n u x 系统 的核心组成部分，它可以作为嵌入式l i n u x 系统中数据的存储区域，通常 根文件系统还包括系统配置文件和运行应用软件所需要的库。应用程序可 以说是一个嵌入式系统的“灵魂 所在，它所实现的功能才是设计该嵌入 式系统所要达到的目标。假如没有应用程序的支持，任何硬件上设计精良 的嵌入式系统都没有实用意义。 从以上分析可以看出b o o tl o a d e r 和嵌入式系统l i n u x 内核在嵌入式 系统中的作用和关系。b o o tl o a d e r 在运行过程中虽然具有初始化系统和执 行用户输入的命令的作用，但是它最根本的功能还是用来启动嵌入式 l i n u x 内核。 系统加电复位，l i n u x 汇编代码的入口是l i n u x 内核的起始地址，即 重庆邮电大学硕士论文第二章嵌入式口，机顶盒的研究 b o o tl o a d e r 启动l i n u x 时所跳转到的地址。l i n u x 内核一般是放在f l a s h 中的被压缩映像，b o o tl o a d e r 启动l i n u x 时先将内核解压缩到内核编译连 接到的起始虚拟地址对应的物理地址上，然后跳转到所对应的物理地址上 运行。基于a r m 的l i n u x 内核通常都被编译连接到虚拟地址o x c 0 0 0 8 0 0 0 处，所以调用l i n u x 内核的入口时应该跳转到o x c 0 0 0 8 0 0 0 所对应的物理地 址处去取它的第一条指令。因此，通过集成开发环境可以将b o o tl o a d e r 定位在复位地址开始的存储空间内。当b o o tl o a d e r 完成引导任务后，l i n u x 从它们手中接管c p u 的控制权，然后c p u 就开始执行l i n u x 的核心映像 代码，通过调用i n i t ( ) 进程，系统创建第一个内核进程。i n i t ( ) 进程首先继 续完成系统的初始化工作，包括完成外设和驱动程序的加载和初始化，然 后挂载根文件系统并执行根文件系统中的i n i t 应用程序，从而使i n i t 由内 核进程变为普通进程。最后，执行用户s h e l l 应用程序进入与用户交互的 s h e l l 界面等待用户输入用户名和密码来登录系统，登录成功后，设置各种 环境变量，执行用户配置文件，整个l i n u x 启动过程就结束了d 9 , 2 0 。 2 2 4 嵌入式系统引导加载程序 引导加载程序( b o o tl o a d e r ) 的原型就是众所周知的家用电脑中的 b i o s ( b a s ei n p u ta n do u t p u ts y s t e m ) ，即基本输入输出系统，负责对系统 进行基本的初始化，配置系统参数，初始化硬件设备，建立内存空间的映 射图，从而将系统的软硬件环境引导到一个合适的工作状态，以便为最终 调用操作系统内核或用户应用程序准备好适当的环境 2 1 1 。对于嵌入式系统 来说，可能有的包括操作系统，也可能有的小型系统只包括应用程序，但 是在这之前都需要b o o tl o a d e r