（通信与信息系统专业论文）数字电视机顶盒及人机交互功能的研究与设计.pdf

中文摘要 在模拟电视广播向数字电视广播过渡的进程中，模拟电视机不可能即时淘 汰，数字电视机顶盒将是这一过渡期间最好的解决方案。 s t x 5 1 0 5 平台是意法半导体公司( s t ) 推出的数字电视机顶盒解决方案。它 采用o s 2 0 实时操作系统，其多线程管理增强了系统实时处理的能力，也为实现 丰富多彩的用户功能提供了平台。s t x 5 1 0 5 的核心是s t v 0 2 9 7 和s t x 5 1 0 5 两块 芯片ts t v 0 2 9 7 负责接收数字电视信号，进行0 a m 解调，将电缆传输来的电视 信号进行中频采样再转换为m p e g - 2 传输流；s t x 5 1 0 5 内部含有s t 2 03 2 一b i tc p u 内核，可通过其外部接口接收s t v 0 2 9 7 发来的m p e g h 传输流，并完成音视频 解码，图像缩放，数模转换等功能。此外，其内部特有的b l i t t e r 引擎以及图像合 成器( 用于各图层的叠加) ，使其可提供全新概念的用户菜单。 论文介绍了数字电视机顶盒的设计方案( 包括硬件和软件) ，实时操作系统 o s 2 0 ，系统软件的层次化、模块化结构，模块之间的依赖关系和通信方式，开 机启动和正常工作时软件的工作流程。重点介绍了机顶盒各项功能规范的制订、 机顶盒菜单的软件构架及菜单与底层软件接口函数的编写、中文智能拼音输入法 的算法编写及其程序化、机顶盒开机音乐的实现以及整机调试方法。 数字电视机项盒提高了图像质量，增加了用户功能，易于实现智能化和普及。 当前，在模拟电视向数字电视过渡的阶段，数字电视机顶盒将是电视行业的发展 重点。 关键字： 数字电视机顶盒 实时操作系统 智能拼音输入法 开机音乐s t x 5 1 0 5 a b s t r a c t i ti si m p o s s i b l et oe l i m i n a t ea n a l o gt vi m m e d i a t e l yi nt h et r a n s i t i o n a lc o u r s eo ft h e t v b r o a d c a s t i n gd e v e l o p m e n tf r o ma n a l o gm o d et od i g i t a lm o d e d i g i t a l1 、，s e tt o p b o xi st h eb e s ts o l u t i o ni n 也et r a n s i t i o n a lc o u r s e s t x 510 5p l a t f o r mi st h ed i g i 伽t vs e tt o pb o xs o l u t i o np r o v i d e db y s t m i c r o e l e c t r o n i c si n c ( s t ) o s 2 0r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e mi su s e di nt h es o f t w a r e s y s t e m t h er t o si sm u l t i t h r e a d i n ga n dm u l t i t a s k ，w h i c he n h a n c e st h ea b i l i t yo fr e a l t i m ep r o c e s s i n ga n dp r o v i d e st h ep l a t f o r mf o ra b u n d a n tu s e rf u n c t i o n s t h ec o r eo f s t x 510 5i ss t v 0 2 9 7a n ds t x 5l0 5 ：s t v 0 2 9 7r e c e i v e st h ed i g i t a lt vs i g n a l ，q a m d e m o d u l a t e sl a t e r , s a m p l e st h et vs i g n a lf r o mc a b l ea ti n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ya n d t h e nc o n v e r t st om p e g - i it r a n s p o r ts t r e a m s s t x 510 5h a sas t 2 03 2 - b i tc p uc o r e i n s i d ei t ，a n dc a nr e c e i v et h em p e g nt r a n s p o r ts t r e a m sf r o ms t v 0 2 9 7t h r o u g h e x t e r n a li n t e r f a c e 、h a t sm o r e ，s t x 51 0 5h a sm a n yf u n c t i o n s ，s u c ha sa u d i oa n d v i d e od e c o d i n g ，p i c t u r ez o o m ，a d ca n ds oo n i na d d i t i o n ，s t x 510 5c a nb eu s e dt o p r o v i d et h ei n - e - n e ww o n d e r f u lu s e rm e n ub e c a u s eo f i t so w nb l i t t e rd i s p l a ye n g i n e a n dp i c t u r ec o m p o s i t o r ( m i x i n gf o u rp l a n e s ) t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e ss y s t e md e s i g n ( s o f t w a r ea n dh a r d w a r e ) o fd i g i t a lt v s e tt o pb o xb a s e d - o nt h es t x 510 5p l a t f o r m , o s 2 0e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m , t h e l a y e ra n dm o d u l eo ft h es y s t e ms o f t w a r e ，t h er e l a t i o n s h i pa n dc o m m u n i c a t i o n m e t h o d sa m o n gm o d u l e s ，a n dt h es o f t w a r ef l o wo fp o w e ro na n dn o r m a lw o r k i n g e s p e c i a l l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec r i t e r i o no ft h ef u n c t i o no fs e t t o pb o x ，t h e f r a m eo fg u i ，a n dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e ng u ia n dt h eo t h e rp a r t s ，t h ea r i t h m e t i co f s m a r ts p e l li n p u tm e t h o da n dr e a l i z i n gi ti n t op r o g r a m ，p l a y i n gm u s i cw i t hl o g oa n d s oo na n da l s oi n t r o d u c e st h ed e b u gm e t h o d so ft h es y s t e m d i g i t a lt vs e tt o pb o xe n h a n c e st h ep i c t u r eq u a l i t y , i n c r e a s e st h eu s e rf u n c t i o n ， e a s yt or e a l i z ei n t e l l i g e n ta n dp o p u l a r i z a t i o n d u r i n gt h et i m ew h e na n a l o gr vi s t r a n s f o r m i n gt od i g i t a l d i g i t a lt vs e tt o pb o x w i l la t t r a c tm o r ed e v e l o p m e n ti n t vi n d u s t r y k e yw o r d s ：d i g i t a lt vs e tt o pb o x a r i t h m e t i co fs m a r ts p e l li n p u tm e t h o d s t x 5 1 0 5 r t o s p l a y i n gm u s i cw i t hl o g o 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己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂或其他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。 学位论文作者签名：夕磐施心 签字同期：跏1 年月时日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权：丞洼太堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交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) 学位论文作者签名： 虏式 签字日期：凶7 年 月逝同 导师签名： 签字同期： 第一章绪论 1 1 引言1 3 第一章绪论 数字电视是继黑白电视与彩色电视之后的第三代电视，是电视发展史上的一 个新的里程碑。特别是数字压缩编码技术与音视频技术的结合，一方面使电视广 播以崭新的面貌出现，从根本上提高了图像和声音的质量，并以业务上的灵活性 与多样性，使消费者获得全新的视听感受。另一方面，电视广播的本质正在改变， 数字技术促进了广播电视、通信和计算机网络技术的会聚和融合，同时也促进了 音视频产品与通信及计算机的结合，形成了一系列交互式的多媒体产品。因此， 数字电视的影响广泛而深远，已经得到全世界电视广播、通信与计算机界以及各 有关行业的广泛关注。 随着电视广播的数字化技术的不断发展，模拟电视机最终将被数字电视机所 取代。但从我国国情来看，目前老百姓家中有将近3 亿台的模拟电视机，在我国 逐步从模拟电视广播向数字电视广播过渡的进程中，这些模拟电视机不可能即时 淘汰。数字机顶盒将是这一过渡期间最好的解决方案，将一台模拟电视机与数字 机顶盒结合，就可以构成一台完整的数字电视机。 1 2数字电视的发展现状 自2 0 世纪9 0 年代中期开始，美国、西欧、日本等工业发达国家便致力于发 展卫星数字电视或有线数字电视服务业务。目前卫星和有线数字电视广播的基本 传输体制已确定，世界技术先进的国家在系统设计和芯片开发上已有相当的技术 积累，其相关市场应用和产品也极为丰富。 日本的数字电视起步最早，于1 9 9 4 年开始试播高清晰度电视节目，直到1 9 9 7 年9 月成立了数字广播专家组( d i b e g ) ，并提出了“综合业务数字广播i s d b ” 系统标准；美国1 9 8 7 年成立了高级电视业务顾问委员会( a c a t s ) ，策划美国高 级电视，并于1 9 9 6 年1 2 月，通过了a t s c 数字电视标准作为美国国家标准；欧 洲1 9 9 3 年组织了有2 0 0 多个组织参加的d v b 项目，即数字视频广播系统，它包 括了卫星、有线电视、地面电视等多种传输方式的普通数字电视和高清晰度电视 广播；我国也已于1 9 9 7 年元旦开始，采用d v b 。s 标准播出卫星数字电视；随后， 采用d v b c 信道编码和调制方式的有线数字电视正式启动，并开始制定自己的 地面数字电视传输标准。 第一章绪论 1 3 机顶盒的基本概念和分类 机顶盒，英文名称为s e tt o pb o x ，简称s t b ，其含义是置于电视机顶上的盒 子。数字电视机项盒的专业名称应是综合解码接收机( i r d ) 。机项盒是一个人 们习惯的称谓，所以本文仍称为数字电视机顶盒。 1 3 1 数字电视机顶盒主要分类 数字电视机顶盒主要分为三类：d v b 机顶盒、流媒体机顶盒( s m 机顶盒) 、 d v b 与s m 兼容的机顶盒。 d v b 机顶盒与s m 机项盒的最大差别在于：d v b 是广播性质的，信号送到 各用户端；而流媒体是寻址的，用户点播了某个节目，这个节目信号只送到该用 户，而不送至其他用户，即具有路由和寻址功能。 d v b 与s m 兼容的机项盒已经出现，但目前还没有形成市场。s m 机项盒也 还未形成市场，本文介绍的是d v b 机顶盒。 1 3 2d v b 机顶盒的分类 按系统分类有：卫星数字电视s t b ( d v b s ) 、地面数字电视s t b ( d v b - t ) 、 有线数字电视s t b ( d v b c 1 ，这是欧洲标准，美国采用的是a t s c 标准，日本是 i s d b 标准。 按输入信号分类有：载波调制的数字信号，如有线电视采用的是q a m 调制 信号；基带输入数字信号，如以太网的口信号，可以通过口机顶盒用电视机来 观看节目。 按回传通道来分类有：电话线回传通道的s t b ；同轴电缆回传通道的s t b ， 如通过c m 经双向h f c 网的有线电视回传通道：双绞线回传通道的s t b ，如以 太网的i p 机顶盒。 1 4 数字机顶盒的功能2 1 数字机项盒的基本功能是接收数字电视广播节目，同时具有所有广播和交互 式多媒体应用功能，如： 电子节目指南( e p g ) 。给用户提供一个容易使用、界面友好、可以快 速访问想看节目的一种方式，用户可以通过该功能看到一个或多个频道 甚至所有频道上近期将播放的电视节目单； 高速数据广播。能给用户提供股市行情、票务信息、电子报纸、热门网 第一章绪论 站等各种消息； 软件在线升级。软件在线升级可看成是数据广播的应用之一。数据广播 服务器按d v b 数据广播标准将升级软件广播下来，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； 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。同时机顶盒也可以提供各种接口与p c 相连，用p c 与因特 网连接； 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。总之，到目前为止，围绕数字机项盒的数字视频、数字信 息与交互式应用三大核心功能开发了多种增值业务。 1 5 数字机顶盒关键技术乜3 数字机顶盒集中反映了多媒体、计算机、数据压缩编码、加解扰算法、加解 密算法、通信技术和网络技术发展水平，因此技术含量非常高，其关键技术主要 有： 复用和解压缩技术：模拟信号数字化后，信息量剧增，数据压缩必不可 少。m p e g 一2 ( i s o i e c1 3 8 1 8 ) 视频压缩标准在交互式电视中广泛采用， 适用于多种清晰度图像质量：m p e g - 4 ( i s o f i e c1 4 4 9 6 ) 则采用基于对象 的压缩编码方法，它把图像和视频分割成不同的对象分别处理，不仅提 高了数据压缩比，还能实现许多基于内容的交互功能，为多媒体数据压缩 编码提供了更为广阔的平台。 随着大规模集成电路技术及嵌入式系统技术的广泛应用，数字机项盒硬 件实现多采用专用芯片或数字信号处理( d s p ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 芯片，将c p u 内核与m p e g - 2 、m p e g - 4 传输流解复用器、d v b 通用 解扰器、m p e g 音频视频解码器和n t s c p a l 编码器集成，形成s t b 的 核心芯片，以实现实时解复用和实时数据信息处理。 下行数据解调与信道解码技术：压缩后的数据不能直接在信道上传输， 还需进行信道编码和调制。国际、国内标准均规定，在有线网络中传输 数字电视及增值业务采用q a m ( q u a d r a m r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 调制 方式及r s ( r e e ds o l o m o n ) - e q 错编码。 上行数据的调制编码：在交互式应用中，需要考虑上行数据的调制编码 第一章绪论 问题，目前普遍采用3 种方式，即采用电话线传送上行数据，采用以太 网传送上行数据和通过有线网络传送上行数据。由于上行数据相对于下 行数据要少很多，故多使用q p s k ( q u a d m t u r ep h a s es h i f tk e y i n g ) 或 1 6 q a m 方式进行调制。 网络浏览技术：为实现真正意义上的网络浏览，有线电视网与因特网连 接除了考虑上行和下行数据之外，还必须考虑在其上运行i p ( i n t e m e t p r o t o c 0 1 ) 。 实时操作系统：数字机顶盒中的操作系统采用实时操作系统( r t o s ， r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) ，如目前流行的v x w o r k s 、w i n d o w sc e 等。 r t o s 可在实时环境中工作，并占用较小的内存空间，它负责管理本地资 源和网络资源，提供基本的操作功能以及设备的访问控制。 冲间件技术：中间件( m i d d l e w a r e ) 技术，即开放式业务平台，已成为 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，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，以保证机顶盒的扩展性和投资的有效回 收。 1 6 本论文的工作内容 本课题内容是对天津通广联合通信实验室“基于s t x 5 1 0 5 平台的d v b - c 数 字电视机顶盒 项目中软件部分的研究，本人工作主要包括机项盒菜单的设计， 嵌入式系统中应用层与底层软件的结合以及机顶盒上智能拼音输入法的算法编 写，机顶盒开机音乐的实现，机顶盒各项功能规范的制订等。详细的任务介绍如 下： 全面了解机项盒的工作原理、硬件结构及m p e g i i 、d v b - c 的基本知识。 参与机顶盒系统设计和软、硬件调试。 制订机项盒菜单的软件构架及菜单与底层软件接口函数的编写。 实现中文智能拼音输入法的算法编写并使其程序化。 实现机顶盒的开机音乐。 参与机顶盒各项功能规范的制订，包括遥控器外观及菜单操作流程。 第二章基于s t x 5 1 0 5 的数字电视机项盘硬件结构 第二章基于s t x 5 1 0 5 的数字电视机顶盒硬件结构 21 $ t x 5 1 0 5 的硬件结构 s t x 5 1 0 5 平台是s t 公司推出的一款数字电视机顶盒软硬件平台，它主要由 主芯片s t x 5 1 0 5 、高频头、f l a s h 、d d rs d r a m 组成，预留$ 1 2 1 a r tc a r d 接口，还 包括了相应的软件，为广大机顶盘制造商提供了一个集成度高，低成本的解决方 案。 s t x 5 1 0 5 平台典型应用的整体硬件设计结构框图如图2 一l 所示： 6 卤一 图2 - 1s t x 5 1 0 5 硬件系统结构 s t x 5 1 0 5 是藏低成本、高性能的集成芯片，它是s t x 5 1 0 5 方案的核心部分， 包括c p u 、外存储罂接1 ：3 、位图引擎、m p b g _ 2 视频解码器、音频解码器( m u s i c a m 或d o l b yd i g i t a l ) 和p a l n t $ c p 3 e c a m 数字编码器及一些片上外围设备如p i o 等。s t x 5 1 0 5 是一颗带有s t 2 0 系列3 2 位c p u 内核的m c u ，2 0 0 王z 的处理速 度，负责m p e g - 2 视频解码、音频解码 扰，支持p a l n t s c s e c a m 数字编码 输出。s t 0 2 9 7 ，是主要的信道解调芯片 m p e g - - 2 传输流解复用，d v b 通用解 支持复合输出、s - v i d e o 输出和y c 负责将接收的数字信号流恢复成m p e g 第二章基于s t x 5 1 0 5 的数字电视机顶盒硬件结构 一2 传输流。可以看到，此方案的最大特点是单芯片处理，将解扰、解复用、解 码都集于一个芯片，对数字电路板的设计无疑是一大优势。本方案同时支持地面、 有线及卫星接收，同一软件平台可以满足不同硬件平台的需要，增加了该方案的 应用范围。 总的来说，s t x 5 1 0 5 平台的软硬件技术相对成熟，s t 作为世界范围内机顶 盒与t v 市场主流芯片及解决方案的提供商，在长期开发研究中，已形成其技术 上的领先地位并在市场方面取得了巨大成功。本方案集成度高，核心芯片仅一片， 设计更为简单、可靠，并且引入了p e g 技术，使得机顶盒界面的设计简单有效， 将视觉效果提升到一个新的高度。同时为o s d 层的设计、使用赋予了新的意义， 在与国内其他机顶盒解决方案的比较中，始终处于领先地位。其嵌入式操作系统 o s 2 0 对用户透明，且使用方便，运行稳定，该系统在不同的基于s t 2 0 系列c p u 的硬件平台上具有可移植性。还有一点最重要的是它是一个低成本的解决方案， 这一点在今天日益激烈的国内机顶盒市场的竞争中，显得尤为重要。s t x 5 1 0 5 平 台是跨越模数鸿沟的过渡型平台，此平台的成功开发可为今后的d t v 开发打下 很好的技术基础。 2 2 主要芯片的介绍 2 2 1s t x 5 10 5 芯片介绍 s t x 5 1 0 5 是一款低成本的o m e g a 2m p e g 装置，它提供了高性能的表现及集 成特性，能够在整个系统的层面上降低成本。该芯片运用了一个统一的基于 s d r a m 的存储结构，并且集成了o m e g a 2 视频解码器、位图引擎和一个多通道 的d m a 控制器。以提供增强的图像和实时数据流传输性能。使用s t x 5 1 0 5 的 d m a 可以有效地传输诸如象素映射，音频流，静止图像和p e s 数据。s t x 5 1 0 5 的真彩模式还可为o s d 图像提供r g b l 6 格式的显示：r g b 5 6 5 ，a r g b l 5 5 5 和 a r g b 4 4 4 4 这样就可以直接在区域中支持6 5 5 3 6 种颜色。a l p h a 混合可通过区域 或象素实现来应用于视频层与背景层的混合。以下就是芯片s t x 5 1 0 5 的结构框 图： 第二章基于s t x 5 1 0 5 的数字电视机顶盒硬件结构 图2 2 芯片s t x 5 1 0 5 结构框图 如图2 2 ，下面对s t x 5 1 0 5 内部的各个部分做一个大致的介绍： 在s t x 5 1 0 5 片内采用的是一种称为o m e g a 2 的总线，在模块间进行访问 时，它具有带宽高，延迟小的优点，并且它采用分级操作，对延迟敏感 的模块被放在最高的等级上。同时多路径的路由访问允许对不同模块同 时进行访问，这使可用带宽的利用率最大化。 s t 2 0 c 1 0 6 处理器核包括了一个2 0 0 m h z 的s t 2 0 c 1 + 的c p u ，一个用于 实时调试的诊断控制单元( d c u ) ，内存( 4 k b y t e 的指令缓存，4 k b y t e 的数据缓存和2 k b y t e 的s r a m ) 和一个包括1 6 个优先级的中断控制器。 s t x 5 1 0 5 具有一个内存接口和一个外设f l a s h 接口。它的本地接口( l m i ) 是用于一些统一的内存应用如图像、视频和音频缓存。它支持1 6 比特 的s d 删( d d r 或s d r ) 。f m l 支持1 6 比特的外设，f l a s h 或同步f l a s h 。 可以在f l a s h 中运行程序，也可以将程序先拷贝到s d r a m 中再运行。 l m i 是一个1 6 比特的s d r a m 接口，具有5 3 2 m b y t e s 的峰值带宽( 1 3 3 m h zd d r ) 。它支持6 4 m b i t ，1 2 8 m b i t ，2 5 6 m b i t ，或者5 1 2 m b i t 的s d r a m ( d d r 或s d r ) 。f m i 为s r a m ，f l a s h ，s f l a s h 和外设提供1 6 比特的 接口，它有多达4 个可配置的寄存器组，并可编程适应不同速度的外设， 还支持对d v b c i 的控制。 p t i 用于对传输流进行解扰、解复用和数据过滤。它将p e s 经由d m a 送往音视频解码器，将s e c t i o n 数据经由d m a 送往缓存做进一步处理， 第二章基于s t x 5 1 0 5 的数字电视机项盒硬件结构 并可对p i d 进行过滤以选择处理音视频及数据包。 视频解码器( v i d e od e c o d e r ) 基于o m e g a 2 ，并以内存到内存的方式将 码流解码为y c4 ：2 ：0 的宏块格式，它还可提供简单的2 和o 5 的尺 寸变换。 数字编码器( d i g i t a le n c o d e r ) 处理来自位图引擎的y c b c r4 ：4 ：4 4 ：2 ：2 并 产生标准的模拟基带p a l s e c a m n t s c 信号，其集成四通道d a c 可 以输出4 路模拟电视信号：c v b s + r g b 或c v b s + y u v 或s - v h s ( y c ) + c v b s l + c v b s 2 ) 。 音频子系统( 包括a u d i od e c o d e r 、s p d i fp l a y e r 、p c mp l a y e r 等) 支持 m p e g 1 层一、层二的解码，能够在解码的同时在s p d i f 输出压缩的 杜比音频流。音频采样率有3 2 k h z ，4 4 1 k h z 以及4 8 k h z 。 中央d m a 控制器用于2 d 图形加速及实时流传输，另外还有一些片内 专用设备如u a r t 接口、智能卡控制器等以及时钟生成器。 2 2 2s t v 0 2 9 7 芯片介绍 s t v 0 2 9 7 是一个完全的单芯片q a m 解调方案，它将从电缆传输来的电视信 号进行中频采样再转换为m p e g - 2 传输流。它符合d v b c 标准或i t uj 8 3 a ， 可以解码i t u j 8 3 c 的比特流。该芯片集成了一个a d 转换器，在直接中频采样 结构中可处理高达2 5 6 q h m 的信号，因此可以取消对外部下采样的要求。即使 是在高频率偏移的情况下，它也可以适应大范围的符号率，从最高的可用符号率 到最低o 8 7 m s p s 。因此，s t v 0 2 9 7 是有线机顶盒应用中一款优秀的备选解调芯 片。下面介绍一下这款芯片的特点： 支持1 6 ，3 2 ，6 4 ，1 2 8 和2 5 6 星座图。 全数字解调，无需外围环路，低功耗。 可变符号率：0 8 7 - 1 1 7 m b a u d 。 集成匹配滤波器。 集成自适应均衡器。 。 片上前向纠错，配有两个a g c 输出，适用于延迟的自动增益控制应用。 系统时钟可由片上晶振产生，节省了外围电路，且时钟可编程设定，可 用于外部应用。 既可支持串行输出，也可支持并行输出。支持d v bc o m m o ni n t e r f a c e 。 高频头的主要作用是接收射频信号，然后从输入的多个8 m h z 数字调制频道 中选择一个所需的信道，下变频为中频信号，经q h m 解调器解调，也即s t v 0 2 9 7 的信道解调，输出m p e g 传输流( 并行或串行) ，送至s t x 5 1 0 5 芯片进行处理。 第二章基于s t x 5 1 0 5 的数字电视机顶盒硬件结构 所以，高频头的性能的好坏直接影响到整个数字电视机顶盒的性能，本项目 中根据对解调质量的实际需要及成本考虑，选用s t v 0 2 9 7 作为解调芯片。 2 2 3 其他芯片介绍 除了核心芯片s t x 5 1 0 5 外，本设计中还用到几个比较重要的芯片有：d d r s d r a m ，为现代公司的2 5 6 m b 的h y 5 d u 5 6 1 6 2 2 d ( l ) t ；f l a s h ，为s t 的 m 2 9 w 3 2 0 e t ；音频功放芯片，为l m 3 5 8 d ；智能卡接口芯片s t 8 0 0 4 c d 。 d d rs d ra m 是存储器，也叫d u a ld a t ar a t es d 蝴，可以这样理解，在 时钟的上升沿和下降沿，d d r 都读取或者写入数据，所以，其真正的工作速率 是普通s d r a m 的两倍。我们采用的存储器的时钟速率是1 3 3 m h z ，所以主处理 芯片和存储器之间的数据的传输速率高达2 6 6 m h z 。 f l a s h 用于存储应用程序及数据库，数据库包括e p g 信息中的节目列表、节 目名称及其他应用中需要保存的信息，在开机时先将f l a s h 中的程序导入d d r s d r a m 中再运行，在运行过程中有什么需要存储的信息也是保存到f l a s h 中的。 另外本机顶盒还提供了在线升级功能，运营商能在任何时候将新软件下载到 f l a s h 中。s t b 软件包含处理该过程的一个固定程序，它保证只接受有效的软件。 在正常关机或者掉电的情况下，f l a s h 能够存储关机或者掉电之前的信息，以便 开机的时候重新调入，这有点像是以前的e e p r o m 的功能。 其他的芯片，如音频功放芯片和智能卡接口芯片都是s t x 5 1 0 5 的必不可少 的外围芯片，当然，它们所实现的功能也可以用其它的芯片代替。之所以选择它 们，主要是考虑到这些芯片的性价比高和以前我们使用他们的情况比较好的因 素。 2 3s t x 5 1 0 5 软件系统架构 在s t x 5 1 0 5 内部集成了一个3 2 位的r i s cc p u 内核，主频最高可以达到 2 0 0 m h z ，这为软件实现强大功能的提供了基本保证。同时，为协同管理机顶盒 工作时各种操作，在该平台中使用了s t l i t e o s 2 0 嵌入式操作系统。因此，在整 个系统的开发过程中要考虑影响嵌入式系统运行的许多因素，如实时性，系统资 源的合理分配与利用，任务调度，中断设置，应用程序与操作系统的结合等。一 般在比较大型的软件项目中，都是采用模块化的组织结构，分层设计，这样有许 多的优点：各个模块划分相对独立，便于多人协作开发，同时软件也易于维护， 并且具有可同时扩展的特点。本项目中软件层次划分如图2 3 所示： 第二章基于s t x 5 1 0 5 的数字电视机顶盒硬件结构 图2 3软件系统层次图 系统层：提供通用组件的功能，如句柄，链表，软时钟，调试追踪等的管理。 该层还包括操作系统抽象层，使其他层能够独立于操作系统。 驱动层：为上层软件提供硬件的抽象，使上层的开发与底层的硬件无关。 服务层：包括各种功能模块，建立在驱动层之上，为应用层提供更高层的接 口以便于整机功能管理。 应用层：确定整机的功能和效果。接受用户输入( 遥控器，前面板按键) ， 显示，菜单控制，数据广播等。对于硬件完全独立，其又可细分为两个子层：用 户层、控制层。 用户层：负责生成用户需要的机顶盒菜单，实现人机交互的接口作用。 控制层：管理软件系统内部的状态机以及所有与硬件相关的指令，包括 调用其下的服务层和驱动层。 各层都是由不同的模块组成的，软件模块结构将在下一章具体讨论。 第三章s t x 5 1 0 5 的软件系统 第三章s t x 5 10 5 的软件系统 3 1s t x 5 10 5 软件系统的集成开发环境 3 1 1 配合软件开发的硬件开发环境 本项目中集成开发环境包括一个硬件开发平台、套软件开发编译调试系 统、若干台p c 机，一台j t a g 连接器，一台模拟电视机或监视器及有线数字机 顶盒，如图3 - i 所示。 3 1 2 软件开发工具包 图3 - i 集成开发环境示意图 s t 2 0 的集成开发工具包是对其软件进行开发的基础，它支持s t 2 0 软件的 编程及通过诊断控制单元( d c u ) 的调试。主要特点如下： 工具包可以在p cw i i l d o w s 9 5 n t 和s u n 工作站上安装使用 提供开发工具、支持部分库函数 具有可扩展的调试工具，包括： 一个合成的下载和窗口调试器，它可以完成以下工作： 将程序代码下载到s t 2 0 芯片或仿真器，并在其上运行 交互式的调试诊断、跟踪等 在调试中使用断点等 产生和显示程序指令的跟踪信息 调试状态下的文件输入输出工具 s t l i t e o s 2 0 实时多任务核支持s t 2 0 某些特别的性能，并有助于其软件在不 同的s t 2 0 平台上的可移植性 一套强大而通用的命令语言接口，它提供： 第三章s t x 51 0 5 的软件系统 对代码连接的灵活控制 可以产生调试记录 代码和数据的位置的合理安排 两种系统启动的方式： 从r o m 的启动 从诊断接口控制器启动的调试运行方式 3 2s t lit e o s 2 0 实时操作系统 在该项目中，实时操作系统采用的是s t 公司的s t l i t e o s 2 0 。s t l i t e o s 2 0 ( 以下简称o s 2 0 ) 实时操作系统内核提供了完善的多任务服务：多任务之间的 同步和通信可以通过信号量( s e m a p h o r e ) 和消息队列( m e s s a g eq u e u e s ) 来实现。 事件处理以中断的方式进行，并通过信号量与任务通信。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理。任务可以被分配不同的优 先级，并根据优先级进行调度，同时提供时间函数，用于实现时间计算、延时等 操作。 实时操作系统是所有上层程序代码运行的基础，o s 2 0 支持所有的s t 2 0 处 理器内核，并对不同型号的s t 2 0 内核做了重新优化，充分利用了芯片的特性， 为基于s t 2 0 的嵌入式系统开发提供了高效优质的多任务环境。 s t x 5 1 0 5 解决方案中，在系统层设计了一个o s a l 模块，称为操作系统抽象 层，为软件框架中的其他各层提供有关操作系统的公用接口。所有模块均基于 o s a l ，而不是直接基于o s ，这样设计就降低了操作系统的开发难度，提高开 发效率，同样也方便了代码移植到别的o s 上。基于o s 2 0 操作系统的s t x 5 10 5 方案，其o s a l 提供如下管理功能： 任务 时钟 内存 信号量 互斥量 消息 中断 第三章s t x 5 1 0 5 的软件系统 3 2 10 s 2 0 内核 o s 2 0 内核是整个操作系统的核心，实现基于优先级的多任务调度，确保当 前运行任务是优先级最高的任务。所以在系统开始运行前，一定要首先将内核初 始化，0 s 2 0 初始化通常是m a i n ( ) 中的第一个操作。 3 2 2 任务( t a s k ) 任务是实时操作系统的主要组成部分，多任务之间由内核根据某种调度算法 分时执行，表现为并发执行。任务描述了应用程序某个离散、独立或部分的行为， 任务之间可以相互通信。当程序刚开始执行的时候，只有一个主任务运行，其他 任务在执行过程中被分别创建。 各任务在内存中有自己的数据区，包括任务的堆栈和当前状态。这些数据区 可以由o s 2 0 从系统分区中动态分配或由用户静态分配。代码、全局静态数据区 和堆栈区可以在任务之间共享，两个任务可以使用相同的代码而不会相互影响。 s t 2 0c p u 内核里有两个时钟寄存器，即高优先级时钟寄存器和低优先级时 钟寄存器。在高优先级时钟计数超过了一个设定数量后，一个时间片周期就认为 结束了。当一个任务( 低优先级进程) 的连续执行期内有两个时间片周期结束， 处理器会将该任务调到任务表的尾部，开始执行其它任务。如果一个低优先级任 务被高优先级的任务剥夺了控制权，那么当低优先级的任务恢复时，它的时间片 周期将继续从时间片周期的开始处计时。 s t x 5 1 0 5 采用的处理器内核是s t 2 0 系列c p u ，它的硬件支持高和低两个优先 级进程。运行于低优先级进程任务的优先级别可以由用户定义，每个任务的初始 优先级是在任务创建时定义的。但是根任务( r o o tt a s k ) 的优先级不用设置，它 固定为最高优先级的任务。o s 2 0 系统共支持1 6 个优先级。 o s a l 提供了如下函数来控制任务的调度和执行： o s a lt a s k s e t c o n f i g ( ) ： 设置任务参数，包括优先级，以及栈和队列的大小等。 o s a i ，t a s k c r e a t e ( ) ： 创建一个新的任务，并开始任务的运行。如果该任务已在 o s a lt a s k s e t c o n f i g ( ) 中说明了，在这里就忽略掉。 o s j 址t a s k d e l e t e ( ) ： 删除一个任务。从任务列表中删除该任务，释放任务状态( 结构) 及栈。 o s a l _ t a s k d e l a y ( ) ： 暂停任务等待所指定的一段时间，然后继续执行。 第三章趴x 5 1 0 5 的软件系统 o s a lt a s k l o c k ( )o s a lt a s k u n l o c k ( ) ： 停止开始任务调度进程。 0 s a l( )o s a l( ) ：_ t a s k s u s p e n dt a s k r e s u m e 挂起恢复任务执行。 o s a lt a s k l d ( ) o s a lt a s k l d s e l f ( ) ： 返回指定或当前任务的d 。 o s a i 。t a s k n a m e ( ) ： 返回指定d 号的任务的任务名。 o s a lt a s k s h o w ( )o s a l ()：_taskdisplay 返回被创建的任务的有关信息。 3 2 3 时钟( tim e r ) 对于实时系统而言时钟是至关重要的，时钟以t i c k 为单位，对于s t x 5 1 0 5 ， 不论c p u 工作频率是多少，一秒钟都为1 5 6 2 5 t i c k s 。在o s 2 0 中提供了如下的 基本函数来管理时钟： t i m em i n u s ( ) ：两个时钟相减。 t i m en o w ( ) ：返回当前时钟。 t i m ep l u s ( ) ：两个时钟相加。 软件定时器在各种应用中都经常用到，o s a l 为软件定时器的使用提供了通 用的接口函数，给定时器的使用带来了方便。 o s a l 提供的控制软件定时器的函数有： o s a l it i m e r l n i t ( ) o s a l it i m e r t e r m i n a t e ( ) ：初始化结束定时器。 o s a lt i m e r c r e a t e ( )o s a lt i m e r d e l e t e ( ) ：创建删除定时器。 o s a l ()：配置一个已创建的定时器。timerconfigure o s a lt i m e r s t a r t ( )o s a lt i m e r s t o p ( ) ：开始停止一个配置好的 定时器。 o s a lt i m e r s t a t e g e t ( ) ：获取指定定时器的状态。 3 2 4 内存管理( m e m o r ym a n a g e m e n t ) 通常嵌入式系统的内存资源很有限，所以内存分配和如何有效利用资源是非 常重要的。o s 2 0 通过o s a l ，为系统提供了很方便的内存管理函数。 对于动态内存管理，内存块的分配和释放是在内存分区中进行的。内存分区 的内容主要包括：管理的内存块、被分配和释放的内存状态以及用于分配的算法。 第三章s t x 5 1 0 5 的软件系统 s t l i t e o s 2 0 支持三种不同的内存分区方式：堆( h e a p ) 、固定的( f i