（计算机应用技术专业论文）基于arm_linux的嵌入式浏览器的研究与实现.pdf

西华大学硕士学位论文 基于a r ml i n u x 的嵌入式浏览器的研究与实现 计算机应用技术 研究生肖霞指导教师李兵 嵌入式浏览器是i n t e m e t 技术在嵌入式系统中的关键应用，是嵌入式信息 设备的核心技术之一。不仅可以实现嵌入式信息设备的上网邀游，还可以作为 一种中间件，集成更多的功能。同时，嵌入式浏览器多样化、多极化和系统定 制的特点，使得嵌入式浏览器的开发需要针对不同的设备细分市场，以满足不 同的市场需求。 本文的主要任务是在一款数字机顶盒上实现嵌入式浏览器中间件，目标是 让数字电视具备浏览w e b 网页的功能，实现增值服务；在此基础上，发挥中 间件的作用，实现系统软件在线升级、音视频字幕同步显示功能，并且通过预 留接口为系统以后的扩展做了准备。 本文从整体上研究了嵌入式系统的组成、讨论了嵌入式处理器和嵌入式 l i n u x 操作系统所具有的优势。在此基础上，分析了一款具体的嵌入式信息设 备一数字机顶盒系统的特点、体系结构、关键技术，以及开发平台的搭建和程 序调试方法。将上述理论、方法、技术应用到嵌入式浏览器的开发中，分析了 嵌入式浏览器的系统架构，以及各模块之间的关系；深入研究了h t t p 传输、 h t m l 解析器的实现方法；引进了一种适用于家庭多媒体设备的d i r e c t f b 图 形系统，并把它移植到开发平台上；设计开发了基于此图形系统的嵌入式浏览 器u i 模块，实现了嵌入式浏览器的图形界面显示；按照市场需求，设计开发 了系统软件在线升级、音视频字幕同步显示功能，实现了基于h t m l 规范的 数字机顶盒浏览器中间件系统。最后对浏览器的实现情况做了总结和展望。 关键词：嵌入式系统，嵌入式浏览器，h t t p ，d i r e c t f b ，数字机顶盒 r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fe m b e d d e d b r o w s e r b a s e do na r m l i n u x c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y m d c a n d i d a t ex i a ox i a s u p e r v i s o rl ib i n g 蜘1 b e d d e db r o w s e r ，a sac r i t i c a l a p p l i c a t i o no f1 n t e m e tt e c h n o l o g yi nt h e e m b e d d e ds y s t e m s ，i so n eo ft h e c o r et e c h n o l o g i e so f 锄b e d d e di n f 0 姗a t i o n e q u l p m e n t s t h r o u g he m b e d d e db r o w s e r , n o to n l yi n t e r n e tc a l lb e a c c e s s e dt o e m b e d d e dm f o r m a t i o n e q u i p m e n t s ，b u ta l s oa sam i d d l e w a r e ，i tc 趴i n t e 野a t em o r e m i l c t l o 璐a tt h es a n l et i m e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f d i v e r s i f i c a t i o n ，m u l t i - p o l a r i z a t i o n a n ds y s t e r nc u s t o m i z a t i o nm a k e t h ed e v e l o p m e n to ft h ee i n b e d d e db r o w s e rf l e x i b l e t o rt h ed i f f e r e n ts e g m e n t so f t h ei n f o r m a t i o ne q u i p m e n tt om e e tt h ed i f f e r e n tn e e d s o ft h em a r k e t t h em a l nt a s ko ft h ep a p e ri st od e s i g na l le m b e d d e d b r o w s e rm i d d l e w a r ei na m 9 1 t a is e t - t o p b o x ，t h e r e b yt h ed i g i t a lt vw i l lh a v ea c c e s st ot h em u l t i m e d i aw e b p a g e ss oa st oa c h i e v ev a l u e - a d d e ds e r v i c e s ；o nt h e b a s i s ，a c ta sab r i d g ei nt h e s e t t o p - b o x ，t h e ne x t e n di t sf u n c t i o n a l i t y ，s oa st or e a l i z et h ef u n c t i o no f s v s t 锄 s o 撕a r e0 n 。l i n e u p d a t ea n ds y n c h r o n o u s d i s p l a yo fa u d i o v i d e o c a p t i o n a d d i t i o n a l l y ，t h ea d e q u a c yc o n d i t i o nf o rs y s t e me x p a n s i o nh a sa l s ob e e ns u b m i t t e d t h r o u g ht h es p a r ei n t e r f a c e t h ep a p e rd e s c r i b e st h e c o m p o s i t i o no ft h ee m b e d d e ds y s t e m ，d i s c u s s e st l l e a r me m b e d d e dp r o c e s s o r s a n dt h ea d v a n t a g e s 。fe m b e d d e dl i n u x 。p e r 池g s y s t e m , w h i c ht h ef e a t u r e s ，a r c h i t e c t u r e ，k e yt e c h n o l 。g i e s ，t h ec o n s t r u c t t e c h n o l 。g y o fd e v e l 。p i n gs o f t w a r e p l a t f o r m ，t h ep r o g r a m m ed e b u gm e t h 。d s 。fm ed i g i t a l i i 西华大学硕士学位论文 s e t t o pb o xs y s t e ma r ea n a l y z e db a s e do n a l la b o v et h e o r i e s ，m e t h o d s ，a n d t e c h n o l o g i e sw e r ea p p l i e dt ot h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e db r o w s e r ，a n a l y s e st h e e m b e d d e db r o w s e r sa r c h i t e c t u r e ，a n dt h em o d u l e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e m o d u l e si nab r i e f t h et r a n s m i s s i o nm o d u l eo fh t t pa n dt h ei m p l e m e n t a t i o n m e t h o do fh t m lp a r s e rw e r er e s e a r c h e dd e e p l y al ( i n do ff a m i l ym u l t i m e d i a e q u i p m e n td i r e c t f bg r a p h i c ss y s t e mw a si n t r o d u c e dt ot h ed e v e l o p m e n to f p l a t f o r m s b a s e do nt h es y s t e m ，e m b e d d e db r o w s e ru im o d u l e sw e r ed e s i g n e dt o a c h i e v et h ef u n c t i o no ft h ed i s p l a yo ft h eg r a p h i ci n t e r f a c e 。i na c c o r d a n c ew i t ht h e n e e d so ft h em a r k e t ，t h es y n c h r o n o u sd i s p l a yo fa u d i o v i d e o c a p t i o na n do n l i n e u p g r a d em o d u l ew e r ed e s i g n e dt oe n r i c hm i d d l e w a r ee m b e d d e db r o w s e rf u n c t i o n s ， i m p l e m e n tam i d d l e w a r es y s t e mo fd i g i t a ls e t t o pb o x e sb r o w s e rb a s e do nt h e h t m ls t a n d a r d f i n a l l y ，t h es u n u n a r ya n do u t l o o kw e r ep r e s e n t e dt ot h eb r o w s e r k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，e m b e d d e db r o w s e r , h t t p , d i r e c t f b ， d i g i t a ls e t - t o p - b o x i 西华大学硕士学位论文 9 声明 本人申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及取得 的研究成果。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，也不包含为获得西华大学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谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此申明。 作者签名：乍弦) - 岔年月弓日 翩签名荔二钿牌阳牛日 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 嵌入式浏览器的应用与前景 近几年，嵌入式市场迅速崛起，嵌入式系统成为计算机领域的一个重要组 成部分，产品广泛地应用于人们的生活和生产中，成为近年来新兴的研究热点。 从技术层面看，在目前和未来，最具时代特征的嵌入式产品应该是因特网 上的信息设备，如w e b 可视电话、网络机顶盒、p d a 、手机、导航设备等。 嵌入式系统接入i n t e m e t 是其发展的必然趋势【l 】，而i n t e r n e t 上被应用最广泛的 是w w w ，用户要访问w w w 上的资源，实现嵌入式信息设备上网邀游，那 么嵌入到嵌入式系统里的浏览器软件是不可或缺的。 同时，嵌入式设备的多样性使得中间件技术焕发出新的生机。当嵌入式浏 览器技术执行h t m l 、x m l 、j a v as c r i p t 等解析功能，提供对p l u g 的支持，in 生成丰富高效的g u 界面时，就形成了中间件，这一技术使嵌入式浏览器的 应用更加灵活有效。 从市场情况看，嵌入式浏览器会出现多样化、多极化和系统定制的发展趋 势。针对不同的信息设备细分市场，会有不同的定制的浏览器出现【6 。这些 浏览器不仅可能在显示方式、优化处理等方面存在差异，还可能在支持的协议、 标记语言方面存在差异。由于嵌入式信息设备市场空间巨大，这种定制式的嵌 入式浏览器都会有存在和生存的空间。所以软件开发商必须对市场进行进一步 细分，对特定信息设备如掌上电脑、机顶盒、手机进行更有针对性的设计开发， 灵活地根据具体应用进行定制开发自己的浏览器产品，才有可能赢得市场、得 到推广。 因此，本文立足于嵌入式系统之上，对嵌入式浏览器进行研究，不仅是顺 应了时代的需要，还具有实际的经济效益。 1 2 嵌入式浏览器的特点 嵌入式浏览器并没有一个统一、准确、严格的定义，但从其可以完成的功 能来看，可以从两个方面进行描述。第一，它必须是一个网络信息浏览器，必 西华大学硕士学位论文 须支持h t t p 等传输协议，支持h t m l 、j a v as c r i p t 或扩展x m l 等标记语言， 完成网页的浏览功能；第二，这个浏览器必须适合在非p c 的嵌入式信息设备 中存在、运行，并完整实现通讯传输协议、标记语言所规定的功能，必须能够 根据嵌入式设备的多样性需要而方便地进行裁减和修改，并满足信息设备使用 者对获取文字、图像、声音、视频等信息的需求【l7 1 。 在通用p c 中，浏览器仅仅是运行于操作系统之上的一个应用软件。常见 的浏览器有微软的皿、网景的n e t s c a p e 、开放源码的m o z i l l a 、以及m a x t h o n 、 f a n t a s i a 、n e t c a p t o r 等等。其显示效果完美，功能丰富，支持多种媒体格式和 音视频插件，但是体积庞大，对机器配置的要求上【5 4 】。 而嵌入式浏览器与一个普通的通用p c 应用软件不同，在嵌入式系统，特 别是大家普遍关注的可以作为i n t e m e t 网络终端的嵌入式系统中，嵌入式浏览 器可能成为嵌入式操作系统最主要的应用软件，甚至有可能是唯一直接支持的 应用软件。其它应用如m p 3 播放机、m p e g 视频、交互式游戏、p 电话、i c q 、 股票接收分析、甚至远程教育办公软件都可以通过p l u g接口或者直接用in h t m l ，x m l 及其扩展语言来实现。在这种情况下，嵌入式操作系统的核心 地位就被浏览器所取代，蜕变成浏览器与硬件系统之间的驱动和底层管理模 块，完成基本的内存管理、进程管理、硬件驱动等工作。甚至一些设计性能优 良的嵌入式浏览器已经超越操作系统，可以直接对硬件、内存进行管理以提高 系统效率。 和通用p c 的浏览器相比，嵌入式浏览器具有如下特点【3 3 】： 硬件要求低，占用空间小 嵌入式系统一般体积较小，与p c 机相比其c p u 的数据处理速度较低， 系统程序、应用程序一般装在f l a s h 或r o m 中，无存储量大的硬盘等设备， 特别对手持式嵌入式系统而言，要求低功耗。这些特点决定了在开发嵌入式系 统的浏览器时，必须将浏览器所占的存储空间限制在定的范围内，否则，开 发出的浏览器将无法在实际的嵌入式系统中使用。例如：现在p c 机上所使用 的微软公司的m 、网景公司的n e t s c a p e 等都对系统的c p u 速度、内存、存储 空间和功耗有着很高的要求，至少需要几十兆的存储空间，内存要求至少3 2 m 或更高，这些要求都是嵌入式系统所不能达到的。虽然可以增加系统的f l a s h 2 西华大学硕士学位论文 或r o m 的容量，但这将使产品的成本大幅度提高，从而失去市场的竞争力。 根据嵌入式系统对c p u 速度、存储空间和功耗的限制，在不增加硬件成本的 前提下，采用一种新的构建嵌入式浏览器的方法，从软件的角度来充分考虑、 挖掘和利用系统资源，是目前被广泛采用的一种可行的办法。 与嵌入式系统结合紧密 现有的通用p c 浏览器最常用的功能大约只占到其设计功能的三分之一。 同时，浏览器在设计时是按照所有用户的共有要求来进行设计的，没有考虑到 各个用户之间的不同要求，特别是完全没有考虑嵌入式系统的要求。因此，必 须对其功能进行重新划分，保留其最常用的部分功能，同时使其能够按照嵌入 式系统及用户的要求进行个性化设计，并满足嵌入式系统对系统资源开销和 c p u 时间开销两方面的要求。 丰富、可定制的功能 实际使用嵌入式浏览器的用户对其实现的功能可能有着不同的定制需求， 这就要求嵌入式浏览器提供丰富的功能，并能通过方便的手段增加或裁减一些 特性以适应嵌入式系统的特定要求。 1 3 当前主流嵌入式浏览器分析 综观目前国际上的嵌入式浏览器产品，已经有一些成熟的商业化产品。而 大多基于开源代码的嵌入式浏览器，则由于缺乏足够的技术支持，一般都不够 成熟，实用化程度不高。不过目前随着嵌入式浏览器越来越得到广泛的应用， 己经有许多的开源浏览器在不同平台上得到了成功的移植和应用。总的来说， 主要有以下相关嵌入式浏览器【3 7 】： a c c e s sn e t f r o n t 1 8 】 n e t f r o n t 是i n t e m e t 设备最流行的嵌入式浏览器之一。自它1 9 9 5 年问世以 来，已被用在了5 0 多种不同的i n t e m e t 设备中，包括：i n t e m e t 电视、p d a 、 机顶盒( s t b ) 、汽车导航系统、迷你电话、w e b s c r e e n 电话、视频游戏控制台 世 寸o n e t f r o n t 在有限的空间里，有很高的运行效率。它由许多的标准模块组 成，包括：w e bb r o w s e r ，i n t e m e tm a i l ，p p p 驱动，t c p i p 模块，及其他i n t e m e t 西华大学硕士学位论文 访问模块。通过添加可选模块，可以扩展n e f f r o n t 的功能，包括：j a v a - v m 、 手写识别模块、s s l 模块、动画模块、流视频音频模块等。n e t f r o n t 的内核 小于2 2 0 k b ，它的模块化和可升级的设计，使得设备制造商可以只选择特定 需要的功能，这使得他们拥有了一个具有全部功能、且高性能的嵌入式浏览器 系统。它只要2 0 m b 的r a m 和1 0 m b 的r o m 。n e f f r o m 2 5 完全支持 h t m l 3 2 ，部分h t m l 4 0 ，f r a m e s ，j a v as c r i p t ，c o o k i e s ，w e b - p r i n t i n g 。采 用独立的用户界面o n ) 层，设备制造商可以设计自己独特的界面，使浏览器看 起来象是专为他们的产品而设计的。 e w m l v i e w m l ( v i e w a b l em a r k u pl a n g u a g e ) 浏览器是第一个免费的的w r e b 浏览 器，专门针对嵌入式l i n u x 平台而开发的。v i e w m l 的源代码是公开的，任何 人都可以为它开发新的功能、或是对它进行维护。嵌入式l i n u x 的研究成果也 会对它的发展产生促进作用。它的产生加快了带有浏览器的设备的开发和应 用，例如，掌上电脑、导航系统、迷你电话和机顶盒等。现在，包括界面的 v i e w m l 浏览器需要2 1m b 的r a m 。当有磁盘镜象时，仅需要7 6 0 k 。它的 第一个版本支持h t m l 3 2 、用户界面和基本的j a v as c r i p t 解释器。它基于k d e 的k f m ( k d ef i l em a n a g e r ) 和f l t k ( f a s tl i g h tt o o lk i t ) ，可以在标准的x 窗口系统 和m i c r o w i n d o w s 嵌入式窗口系统下运行。它给o e m 厂商提供了高质量的， 小尺寸的浏览器。 z e n 1 9 1 一个并不知名的嵌入式浏览器，但却十分优秀，开放源码项目，不仅支持 表格，支持多种图像格式( g i f , p n g , j p e g 三种) ，而且在设计上很有特色，z e n 浏览器基于非常理想的模块化结构而设计，根据功能将z e n 清晰地分为网络 模块、解析模块、布局模块、u i 接口模块等。其中，还将涉及到g u i 平台的 部分独立出来，支持g t k 、o f b i s 两种图形g u i ，用户可以通过配置采用不 同的g u i 平台运行，而无须对整个软件进行修改。z e n 的代码量很小，其内 核编译后的二进制版本可以达到3 0 0 k 左右，运行速度快。缺点是网络功能比 较弱，没有缓冲功能。另外下载显示同步的技术，所以用户等待时间可能较长。 i p a n e l 4 西华大学硕士学位论文 i p a n e l 嵌入式浏览器由深圳茁壮网络公司开发，得到包括国内外众多专业 芯片供应商、设备厂商的测试和移植使用，被认为是世界上最优秀的嵌入式浏 览器之一。i p a n e l 支持h t m l 4 0 、h t t p l 1 、j a v as c r i p t l 3 、s s l 3 0 和d h t m l 、 t v h t m l 等格式。针对电视显示设计了特有的字体识别优化显示和抗闪烁算 法，完全支持包括中文、日文、韩文等双字节语言。占用存储空间小，全部主 体4 0 0 k b ，只需1 m b 的f l a s h ，1 5 - 2 m b 的r a m 。对硬件要求低，c p u 的速 率可低至2 0 0 m i p s ，一般可在3 3 m h z 主频以上的c p u 环境下运行。另外由 于i p a n e l 浏览器是完全基于嵌入式系统环境设计的，因而有非常好的可移植 性。 。 i n t e m e te x p l o r e rf o r ，i n c e i n t e m e te x p l o r e rf o rw i n c e ，是的w i n d o w sc e 版，这也意味着用户 为了使用它，必须选用基于w i n c e 平台的产品，随着微软势力在掌上终端领 域的蔓延，w i n c e 版的必将大行其道。 d i l l o d i l l o ，是基于l i n u x ，使用g t k 作为g u i 平台开发的浏览器，其开发 目的也包含嵌入式的应用，是开放源码项目。该浏览器的缺点是不支持表格， 布局过于简单，不支持中文，浏览效果比较差，优点是网络功能完善，支持 c a c h e 缓冲，能够支持多种图片格式。 此外，还有其它商用嵌入式浏览器：s p y g l a s sd e v i c em o s a i c 、p l a n e t w e b 、 t h r i v e i p a n e l 、中科院的c a s s 、t e k n e m ab r o w s e r 、e b s n e tm i c r o b r o w s e r 、 e n r e a c h e b r o w s e r 、l i g h to f a d a m a s 、i c eb r o w s e r 、 e s p i a le s c a p e 等等，上述 产品除c a s s 和t h r i v e i p a n e l 外，大都还不支持汉字显示。 1 4 论文的主要工作 本论文的工作主要有： ( 1 ) 查阅相关的资料，了解国内外关于嵌入式浏览器的研究现状和发展趋 势，深入研究了嵌入式浏览器的关键技术以及嵌入式浏览器作为数字机顶盒中 间件的实现方法。 ( 2 ) 了解了嵌入式系统的系统架构，并深入到具体一款嵌入式产品数字 西华大学硕士学位论文 机顶盒设备，分析了它的软硬件系统和关键技术，并介绍了开发平台的具体搭 建方法。 ( 3 ) 研究了嵌入式系统的一种图形用户界面d i r e c t f b ，介绍了d i r e c t f b 在数字机顶盒上的移植过程，并结合浏览器，详细介绍了基于d i r e c t f b 图形 系统的u i 模块的开发。 ( 4 ) 研究了音视频字幕同步显示的方法，并作为嵌入式浏览器中间件的插 件实现了字幕同步显示功能。 ( 5 ) 研究了嵌入式软件的升级机制，并作为嵌入式浏览器中间件的插件实 现了机顶盒的系统软件在线升级功能。 1 5 本文的组织结构 绪论 n u 嵌入式系统研究 嵌入式浏览器的设计 ! 开发平台的搭建 嵌入式浏览器在数字机项盒上的实现 c7 v 总结与展望 f i g 1 1t h et h e s i sf r a m e 图1 1 论文内容结构框图 6 西华大学硕士学位论文 2 嵌入式系统研究 2 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统一般指非p c 系统，是以应用为中心，以计算机技术为基础， 软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要 求的专用计算机系统阻1 。嵌入式系统应具有的特点是口3 ： 高可靠性，在恶劣的环境或突然断电的情况下，系统仍能够正常工作； 实时性，要求嵌入式操作系统具有实时处理能力； 结合性，嵌入式系统和具体应用应有机地结合在一起，它的升级换代也是 具体产品同步进行； 固态化存储，软件代码一般都固化在只读存储器或闪存中，而不是存储在 磁盘等载体中； 软件代码高质量、高可靠性，由于软件要求固态化存储，因此一旦出现b u g ， 就很难进行恢复。 嵌入式系统通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌 入式应用软件四大部分组成。一个典型的嵌入式系统的架构如下图2 1 所示。 f i g 2 1t h ea r c h i t e c t u r eo ft h ee m b e d d e ds y s t e m 图2 1 嵌入式系统的架构 软 件 系 统 硬 件 系 统 嵌入式处理器和嵌入式外围设备共同组成了嵌入式系统的硬件载体，通常 称之为目标板。嵌入式操作系统和嵌入式应用软件共同组成嵌入式系统的软件 7 t丫一lv 西华大学硕士学位论文 部分，它们通常一同被编译连接并下载到目标板上，从而完成嵌入式系统预定 的功能池1 。 2 1 1 嵌入式处理器 各种类型的嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件，据不完全统计，到 2 0 0 0 年全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有 3 0 几个系列。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的 公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从6 4 k b 到 1 6 m b ，处理速度从o 1 m i p s 到2 0 0 0 m p s ，常用封装从8 个引脚到1 4 4 个引 脚乜引。根据现状，嵌入式处理器可以分成下面几类h 1 。 ( 1 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 嵌入式微处理器的功能与标准的微处理器基本上是一样的。只是在某些方 面( 如工作温度、稳定性、功耗等) 要求比较严格。嵌入式微处理器的特点主要 有：体积小、重量轻、可靠性高和能耗低等。其代表产品主要有p o w e rp c 、 m p s 、a r m 、s t r o n g a r m 、x s c a l e 以及5 1 9 8 单片机系列。 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru i l i t ，m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一 块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成 r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、w a t c h d o g 、i o 、串 行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要功能模 块。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小， 从而使功耗和成本下降、可靠性提高。比较有代表性的通用系列包括8 0 5 1 、 p 5 1 x a 、m c s 2 51 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 、m c 6 8 h c 0 5 11 1 2 1 6 、6 8 3 0 0 世 专手o ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算 法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面 应用广泛。比较有代表性的产品是t e x a si n s t r u m e n t s 的t m s 3 2 0 系列和 m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。 西华大学硕士学位论文 ( 4 ) 嵌入式系统s o c 芯片( s y s t e m o nc h i p ) 顾名思义，s y s t e mo nc h i p ( s o c ) 就是利用集成电路技术，把几十万门或 者是几百万门的电路放在一个芯片上，然后把嵌入式软件，甚至是c p u 本身 以d 核的方式集成到芯片内部中，使得应用系统电路板变得很简单，这对于 减小整个应用系统的体积和功耗、提高可靠性非常有利。s o c 可以分为通用 和专用两类。通用系列包括m o t o r o l a 的m c o r e ，某些a r m 系列器件，e c h e l o n 和m o t o r o l a 联合研制的n e u r o n 芯片等。专用s o c 一般专用于某个或某类系 统中，不为一般用户所知。一个有代表性的产品是p h i l i p s 的。s m a r tx a ，它将 x a 单片机内核和支持超过2 0 4 8 位复杂r s a 算法的c c u 单元制作在一块硅 片上，形成一个可加载j a v a 或c 语言的专用的s o c ，可用于公众互联网如 i n t e m e t 安全方面。 嵌入式处理器种类如此之多，没有一种微处理器和微处理器公司可以主导 嵌入式系统，仅以3 2 位的c p u 而言，就有1 0 0 种以上嵌入式微处理器。由于 嵌入式系统设计的差异性极大，因此选择是多样化的。设计者在选择处理器时 要考虑的主要因素有h u ； ( 1 ) 处理器的处理速度 _ 个处理器的性能取决于多个方面的因素：时钟频率，内部寄存器的大小， 指令是否对等处理所有的寄存器等。对于许多需用处理器的嵌入式系统设计来 说，目标不是在于挑选速度最快的处理器，而是在于选取能够完成作业的处理 器和i o 子系统。 ( 2 ) 技术指标 当前，许多嵌入式处理器都集成了外围设备的功能，从而减少了芯片的数 量，进而降低了整个系统的开发费用。开发人员首先考虑的是，系统所要求的 一些硬件能否无需过多的胶合逻辑( g l u el o g i c ) 就可以连接到处理器上。其次 是考虑该处理器的一些集成芯片，如d m a 控制器，内存管理器，中断控制器， 串行设备、时钟等的配套。 ( 3 ) 处理器的低功耗 嵌入式微处理器最大并且增长最快的市场是手持设备、电子记事本、p d a 、 手机、g p s 导航器、智能家电等消费类电子产品，这些产品中选购的微处理 9 西华大学硕士学位论文 器典型的特点是要求高性能、低功耗。许多c p u 生产厂家已经进入了这个领 域。 ( 4 ) 处理器的软件支持工具 仅有一个处理器，没有较好的软件开发工具的支持，也是不行的，因此选 择合适的软件开发工具对系统的实现会起到很好的作用。 ( 5 ) 处理器是否内置调试工具 处理器如果内置调试工具可以大大的缩短调试周期，降低调试的难度。 ( 6 ) 处理器供应商是否提供评估板 许多处理器供应商可以提供评估板来验证你的理论是否正确，验证你的决 策是否得当。 2 1 2 嵌入式操作系统与嵌入式l i n u x 操作系统 随着微处理器的产生，价格低廉、结构小巧的c p u 和外设连接提供了稳定 可靠的硬件架构，那么限制嵌入式系统发展的瓶颈就突出表现在了软件方面 【2 3 1 。尽管从八十年代末开始，陆续出现了一些嵌入式操作系统，比较著名的 有p s o s 、n e c u l e u s 和w i n d o w s c e 。但这些专用操作系统都是商业化产品，其 高昂的价格使许多低端产品的小公司望而却步；而且，源代码封闭性也大大限 制了开发者的积极性。另外，结合国内实情，当前国家对自主操作系统的大力 支持，也为源码开放的l i n u x 的推广提供的广阔的发展前景。还有，对上层应 用开发者而言，嵌入式系统需要的是一套高度简练、界面友善、质量可靠、应 用广泛、易开发、多任务，并且价格低廉的操作系统 6 0 1 。而l i n u x 的开放性， 使得业界一致认为l i n u x 非常适合多数i n t e m e t 设备。并且它可以支持不同的设 备，支持不同的配置。 l i n u x 这种对厂商不偏不倚的态度，以及十分低廉的成本，使得它很快成 为了各种设备的操作系统。如今，业界已经达成共识：即嵌入式l i n u x 是大势 所趋，其巨大的市场潜力与酝酿的无限商机必然会吸引更多的厂商进入这一领 域【3 5 】。 嵌入式l i n u x 是将l i n u x 操作系统进行裁剪修改使之能在嵌入式计算机系 统上运行的一种操作系统。选择l i n u x 操作系统和嵌入式系统相结合的原因具 1 0 西华大学硕士学位论文 体来说有以下几点【2 】： ( 1 ) 可应用于多种硬件平台。l i n u x 已经被移植到多种硬件平台，这对受 开销、时间限制的研究与开发项目是很有吸引力的。原型可以在标准平台上开 发然后移植到具体的硬件上，加快了软件与硬件的开发过程。 ( 2 ) l i n u x 可以随意地配置，不需要任何的许可证或商家的合作关系。、 ( 3 ) 它是免费的，源代码可以得到，而这是最吸引人的。毫无疑问，这会 节省大量的开发费用。 ( 4 ) 它本身内置网络支持。 ( 5 ) l i n u x 的高度模块化使添加部件非常容易。 ( 6 ) l i n u x 在台式机上的成功，使大家看到了l i n u x 在嵌入式系统中的辉煌 前景。 2 2 数字机顶盒研究 2 2 1 数字机顶盒概述 机顶盒是信号传输介质与模拟信号电视机之间的一种接口，并提供附加服 务，是一种中间电子设备【56 1 。其基本功能是对经过数字化压缩的图像和声音 信号进行解码还原，产生模拟信号，从而把数字信号转换成模拟电视机可以接 收的信号，使现有的模拟电视机用户分享数字化革命带来的科技成果，实现电 视广播从模拟信号向数字信号的平稳过渡。 目前，模拟电视向数字电视转化的进程不断加快，这不仅仅是视频传输和 显示的一场变革，更重要的是由于采用了先进的数字压缩技术、多媒体技术和 宽带网络技术，从而使电视广播不再限于单向发送音频视频信号，而是需要服 务提供商能够根据用户的选择来提供相应的服务】。模拟机顶盒只具备电视 调谐和解码功能已不能满足要求，新型的数字机顶盒因此应运而生。 2 2 2 数字机顶盒体系结构 数字机顶盒是一种典型的嵌入式系统，一个完整的数字机顶盒由硬件平台 和软件系统组成。它大体上可以分为一个4 层结构，从底向上分别为：硬件、 西华大学硕士学位论文 底层软件( r t o s + 底层驱动) 、中间件( m i d d l e w a r e ) 和应用软件。硬件层提供了 数字电视接收机顶盒的硬件平台。底层软件层提供实时操作系统( r t o s ) 以及 驱动程序。r t o s 主要作用是控制各种资源，包括各种硬件的控制、系统资源 的分配等，这部分往往简单而高效。驱动程序主要实现对机顶盒硬件平台中的 相关硬件的初始化、监控、读写操作等。中间件层是指数字机顶盒内部实时操 作系统与应用软件中间部分，或者是用来替代操作系统部分功能而直接与硬件 交互的软件层。中间件将应用软件与依赖于硬件的底层软件分隔开来，使应用 软件不依赖于具体的硬件平台。应用软件层执行服务商提供的各种服务功能， 如电子节目指南( e p g ) 、视频点播( v o d ) 、数据广播、条件接收( c a ) 等等。此 外，用户可编程接1 ：3 由操作系统提供( 中间件或实时操作系统) ，使用户能够对 软件进行修改【4 引。 2 2 3 数字机顶盒关键技术 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，因此涉及面很广，技术含量也相当 高，其关键技术主要有【3 】： 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 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； m p e g 一4 ( i s o i e c1 4 4 9 6 ) 贝u 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，数字机顶盒硬件 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 ) ；签, 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 1 2 西华大学硕士学位论文 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 t u 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 ) 宝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 r a t u r ep h a s es h i rk e y i n g ) 或1 6 q a m 方式进行调制。 网络浏览技术 一 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 tp 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 、l i n u x 、u c i n u x 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。 中间件技术 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。 2 3 嵌入式浏览器作为数字机顶盒中间件的研究 2 3 1 数字机顶盒中间件概念 在开发数字机顶盒上层应用中常常会面对如下问题【5 5 】：实时多任务操作 系统，硬件平台原理细节，复杂的行业标准，繁杂的用户界面以及实用功能等 西华大学硕士学位论文 各项跨行业的难题。为了解决上述问题，中间件技术应运而生，并成为数字电 视核心技术。 中间件【5 9 】位于数字机顶盒内部实时操作系统与应用程序之间的软件部 分，它以应用程序接口( a p d 的形式存在，整个a p i 集合被存储在数字机顶盒 的闪存( f l a s h ) 中。采用中间件系统，可以跨越技术、标准等复杂的内容，用简 单的方法定制具有自己特色的应用软件，从而在提高开发效率、减少开发成本 的同时能够跟上技术的发展，将应用的开发变得更加简捷，使产品的开放性和 可移植性更强【2 5 】。虽然中间件对数字机顶盒硬件资源的要求较高，但在开发 大量应用时成本大大下降。 在数字机顶盒上运行的中间件，一般都会有两层接口 5 1 ，一层是中间件跟 底层平台驱动的接口，这一层接口基本上都是c 语言实现，不管是s t 、v u j i t s u 、 n e c 、s i g m a 还是其他芯片平台，也