（计算机应用技术专业论文）基于数字电视机顶盒的java平台研究与实现.pdf

硕t 论文基于数亨电视机顶盒的j a v a 平台研究与实现 摘要 随着数字电视的发展。交互式电视已经成为当前数字电视发展的趋势，要实现交 互式电视的功能，数字电视中问件技术是必不可少的，它已成为交互式电视的核心技 术。我国已制定了数字电视中间件标准，利用该标准开发具有自主知识产权的中阃件 系统是非常必要的。 本文首先介绍了数字电视机顶盒的相关技术特别是其中的中间件技术，接着重点 研究了j a v a 虚拟机的整体结构。在此基础上，根据我国已经制定的数字电视中间件 标准，同时借助于国内外已有数字电视中间件产品的开发经验和特定的数字电视机顶 盒软、硬件平台，研究了基于有线数字电视机顶盒中闻件实施方案。该机顶盒上操作 系统为o s 2 0 操作系统。将基于l i n u x 系统的连接设备配置( c d c ) 移植到该机顶盒。 在数字电视机顶盒平台上实现j a v a 平台移植，主要包括c d c 与编译器、c p u 、操作 系统相关代码的移植。最后通过测试，所移植的c d c 平台在该数字电视机项盒上运 行基本正常。 关键词：机顶盒，中间件，j a v a 虚拟机，j 2 m e ，c d c 硕 论文基于数字电视机项盒的_ i a v 8 、f 台研究- j 4 实现 a b s t r a c t w i t ht h ed 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 ，i n t e r a c t i v et e l e v i s i o nh a sb e c o m et h ec u r r e n t d e v e l o p m e n to fd i g i t a lt v t r e n d t oa c h i e v et h ef u n c t i o no fi n t e r a c t i v et e l e v i s o n ，d i g i t a l t vm i d d l e w a r et e c h n o l o g yi se s s e n t i a l ，i th a sb e c o m et h ec o l eo fi n t e r a c t i v et e l e v i s i o n t e c h n o l o g y c h i n ah a sd e v e l o p e dad i g i t a lt vm i d d l e w a r es t a n d a r d ，t od e v e l o p e dw i t h i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sm i d d l e w a r es y s t e mb yt h es t a n d a r d i s v e r y n e c e s s a r y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed i g i t a lt vs e t t o pb o xt e c h n o l o g y , p a r t i c u l a r l yr e l a t e dt ot h e m i d d l e w a r et e c h n o l o g y , t h e nf o c u s e so nt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo fj a v a v i r t u a lm a c h i n e ，o n t h i sb a s i s ，c h i n ah a se n a c t e dt h ed i g i t a lt vm i d d l e w a r es t a n d a r d s ，m e a n w h i l ea th o m ea n d a b r o a dh a v e b e e nu s i n gd i g i u dt vm i d d l e w a r ep r o d u c td e v e l o p m e n te x p e r i e n c ea n d s p e c i f i cd i g i t a lt vs e t - t o pb o xh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r m ，ar e s e a r c h b a s e dd i g i t a l c a b l et vs e t t o pb o xm i d d l e w a l ei m p l e m e n t a t i o no ft h ep r o g r a m ，t h es e t - t o pb o xi so n t h eo s 2 0o p e r a t i n gs y s t e mf o ro p e r a t i n gs y s t e m s ，l i n u x b a s e ds y s t e m sc d c ( c o n n e c t i n g e q u i p m e n tc o n f i g u r a t i o n ) i st r a n s p l a n t e do nt h es t bp l a t f o r m t h e ni n t r o d u c et h ed i g i t a l t vs e t t o pb o xe n v i r o n m e n tj a v ap l a t f o r m ( c d c ) ，p a r to ft h ew o r kf o r , w h i c hm a i n l y i n c l u d e st h ec d cw i t hc o m p i l e r s ，c p u ，o p e r a t i n gs y s t e m sc o d er e l a t e dt r a n s p l a n t f i n a l l y , t e s t ss h o wt h a tt h ec d cp l a t f o r mo ns t bb a s i c a l l yc a r lo p e r a t e k e yw o r d s ：s e t - t o pb o x ，m i d d l e w a r e ，j a v a v i r t u a lm a c h i n e ，j 2 m e ，c d c i i 学位论文独创性声明 本学位论文是我个人在导师指导下进行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，也不包含我为获得任何其 它学位而使用过的材料。其他人员对本学位论文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。 作者签名 否，l 虱园 关于本学位论文使用授权的声明 南京理工大学有权保留本学位论文的复印件和电子文档，有权送 交给有资质的信息档案机构存档。除在保密期内的保密论文外，本论 文允许被查阅和借阅，可以公布论文的全部或部分内容。上述事项授 权南京理工大学研究生院办理。 作者签名 磊因国 硕t 论文基于数字电视机顶盒的j a v a 平台研究与实现 1 绪论 1 1 研究背景 数字电视是当前i t 产业的一个热点，作为一项即将在全国范围内推广的信息服 务，它融合了计算机、多媒体、通信网络等众多技术。 随着数字电视近几年的发展，交互式电视越来越受到人们的关 - e i l 】。数字电视， 将不再是简单的个人娱乐工具，而会成为观众互动参与的工具。利用数字电视的交互 功能，传统电视广播的完全被动式接收服务将转变为观众可以控制的主动式服务，由 此带来节目的多样性和人们生活质量的提高。 交互式电视可以为用户提供丰富的互动功能，例如：电子节目指南、视频点播、 股票信息、互动游戏等，而数字电视机顶盒是基于有线电视网络传输的模拟电视机接 收数字电视节目和数字信息的主要按入平台。 要进行交互电视服务，除了要有交互式的节目服务外，在数字电视接收机和电视 机顶盒上还必须有支持这些交互式功能的应用程序，而目前这种应用程序和支撑平台 往往被设计为中间件结构，许多厂商设计了自己特有的中间件，并推出了自己的中间 件产品及相应工具产品。 但是，各厂商的专有系统中问件是难以相互兼容的。这样一来，如果数字电视运 行商使用某个厂商的专有系统中问件，就有可能被这个厂商“绑定”，以后几乎只能 使用该厂商的产品。同时，开发应用或服务的节目开发商只能从中间件厂商那里获得 程序或服务的开发工具，为机顶盒开发专用服务程序或节目。这就意味着同一网络中 采用多个不同系统，而且机顶盒和节目互不兼容。 j a v a 技术以其特有的优势，成为交互式数字电视的标准平台，正越来越多地被电 视产业界、电视广播界以及有关标准化组织所接受。位于欧洲的数字电视标准化组织 d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 经采用j a v a 技术作为其数字交互式电视广播标准， 即d v b - m l i p ( m u l t i m e d i a h o m e p l a t f o r m ) 规范：位于美国的a t s c ( a d v a n c e d t e l e v i s i o n s y s t e m sc o m m i t t e e ) 和c a b l c l a b s 数字电视标准化组织都把j a v a 技术作为其中白j 件 或交互式数字电视的基础i ”。 在2 0 0 5 年j a v a 中国开发者大会上s u n 公司宣布，中国数字电视中l 日j 件标准：工作 组成员单位以及相关企业委托中国电子技术标准化研究所与s u n 签订了谅解备忘录， 中国数字电视中间件标准将考虑采纳j a v a 技术，s u n 公司将协助中国数字电视中间件 标准应用的推广和中国数字电视标准符合性测试能力的建立，并根据中国国情确定知 识产权使用费。利用该标准开发具有自主知识产权的中1 臼j 件系统是非常必要的 2 j 。 硕 论文基于数字电视机项盒的j a v a 平台研究与实现 1 2 论文所做的工作 在论文工作期间，作者参加了江苏省银河电子股份有限公司南京研发中心的有线 数字电视机顶盒软件研发项目，从而有机会在实践中更加深入了解机顶盒中j a v a 平 台的实现方案，使研究和实践相结合。 根据课题的研究内容安排，整个设计的工作主要分为两个部分。首先是完成数字 电视机顶盒和j a v a 虚拟机的相关研究，在这个阶段主要涉及对机顶盒相关原理、数 字电视中间件、j a v a 虚拟机结构的相关原理与源代码的研究，同时根据s u n 公司提供 的相关代码连接设备配置( c d c ) ，完成在l i m i x 、p c 环境下c 虚拟机( c v m ) 的 生成；第二阶段根据现有的数字电视机顶盒软、硬件平台，完成c d c 的移植。 1 3 论文结构 第二章首先介绍了数字电视机顶盒的基本概念及发展趋势，接着介绍了数字电视 机顶盒的相关技术，最后重点介绍了有关数字电视机顶盒的中间件知识。 第三章主要介绍了j a v a 虚拟机的相关原理。其中首先介绍了j a v a 语占的相关知 识、j a v a 虚拟机结构及工作原理和j a v a 虚拟机的体系结构等，然后在此基础上重点 介绍了j 2 m e 、c d c 和个人简表( p e r s o n a lp r o f i l e ) 相关知识。 第四章首先研究了基于数字电视机顶盒j a v a 平台实现的整体方案，其中包括对 c d c 平台、j a v a 应用程序标准接口的介绍。 第五章是在第四章的基础上，重点介绍了c d c 移植的相关细节，主要涉及到c d c 源码中与编译器、c p u 以及操作系统相关代码的移植技术介绍，最后又介绍了c d c 移植的部分测试，通过测试表明，c d c 在数字电视机顶盒上基本移植成功。 第六章总结了本课题所傲的主要工作以及对将来工作的展望。 硕士论文基于数字电视机项盒的j a v a 平台研究与实现 2 数字电视机顶盒及其中间件 2 i 数字电视机顶盒概述 随着数字电视的不断发展，模拟电视机最终将被数字电视机取代。但从我国国情 来看，老百姓家中目前有将近3 亿台的模拟电视机，在从模拟电视向数字电视过渡过 程中。这些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，将一台模拟电视机与数字电视机项盒相结合，就可以构成一台完整的数字电 视机f 3 】。 2 1 1 数字电视机顶盒的基本概念 数字电视机项盒是一种将数字电视信号转换成模拟信号的变换设备。它对经过数 字化压缩的图象和声音信号进行解码还原，产生模拟信号，通过电视屏幕和音响设备 传送给观众。 根据传输媒体的不同，数字电视机顶盒分为卫星数字电视机顶盒( d v b s ) 、地 面数字电视机顶盒( d v b t ) 和有线数字电视机顶盒( d v b c ) 3 种，应用较为广泛 的是卫星数字电视机顶盒与有线数字电视机顶盒。这两种机顶盒的主要区别在信道解 调上，前者采用q p s k 解调，后者采用q a m 解调【4 j 。 2 1 2 数字电视发展方向 数字电视近几年的发展，人们对电视娱乐的要求越来越高，使得交互式电视越来 越多的受到关注。所谓交互式数字电视，就是按照人们的要求在普通数字电视节目中 加入各种各样的增值服务，它融合了电视机技术、计算机技术、多媒体技术和网络通 信技术。 交互式数字电视系统是在传统电视系统的基础上发展过来的，它保持原有的电视 系统的各种功能，如单向多路视频广播，在此基础上增加了许多传统电视系统所不具 备的功能：如收发电子邮件，即时消息通信，互动广告，互动游戏，视频点播( v o d ) 等i 5 1 。 2 2 有线数字电视机顶盒技术 有线数字电视机项盒结构如图2 1 所示。 硕论文基于数字电视机顶盒的j a v a 平台研究与实现 军阜 图2 1 有线数字电视机顶盒结构图 视频 音媚 普通有线数字电视机顶盒是传统 礤c ( h y b r i df i b e r - - c o a x i a l ) 网络与传统模拟 电视之问的数字桥梁。在h f c 网络的前端，数字复接器将各种已编码的数字电视节 目信号与数据广播信号复接，经过组帧、q a m 调制和载波调制成d v b ，c 信号流， 通过h f c 网络向用户广播。用户则通过数字电视机顶盒锁定电视节目频道，经过q a m 解调、解复用、解压缩、解密和收费控制等过程完成节目接收。机顶盒的核心模块是 数字电视解码器，它是一个嵌入式系统，一般有以下硬件模块：m i p sc p u 、解调器、 解复用器、a v 解码器、模拟a n 编码器等【l 】。 数字电视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、解扰算法、加解密算法、通信技术和网络技术发展水平。 2 2 1 嵌入式实时多任务操作系统 嵌入式实时操作系统相对于桌面计算机操作系统而言，它可以不安装在硬盘中， 系统结构紧凑，功能相对简单，资源开支较小，便于固化在存储器中。嵌入式操作系 统的作用与p c 机上的d o s 和w i n d o w s 相似，用户通过它实现人机对话，完成用户 下达的指定。其输入方式有多种：键盘、鼠标、语音、触摸屏、红外遥控器等。 2 2 2 中间件 中间件( m i d d l e w a r e ) 是一种将应用程序与低层的操作系统、硬件隔离开来的软 件环境，它通常由各种虚拟机构成，如h t m l 虚拟机、j a v a s c r i p t 虚拟机、j a v a 虚拟 机、m h e g 一5 虚拟机等。一个完整的数字电视机顶盒由硬件平台和软件系统组成，可 分为4 层，从底层向上分别为：硬件、底层软件、中间件、应用软件。硬件提供机顶 盒的硬件平台；底层软件提供操作系统以及各种硬件驱动程序：应用软件包括本机存 储的应用和可下载的应用；中间件将应用软件与依赖硬件的底层软件分隔开来，使应 硕士论文基于数字电视机顶盒的j a v a 平台研究与实现 用不依赖于具体的硬件平台 d v b m h p ( m u l t i m e d i ah o m ep l a t f o r m 多媒体数字家庭娱乐平台一欧洲 标准) 是一个数字电视的中间件标准，它为数字电视机项盒实现了公共的、 以1 a v a 为基础的应用程序接口。 2 2 3 加解扰技术 加解扰技术用j ：对数字话h 进行加密解密，其肇本原鲤r 足泵1 j 】| j 扰榨制 加街传输的力浊，刚，端利用i ck 解街。舀! m p e g 传输浼i f l ，0 挖制。c f 输十| | 灭的 有2 个数据流：授权控制信息t e c m s ) 和授权管理信息( e m m s ) 。出业务密钥( s k ) 加密处理后的控制字在e c m s 中传送，其中包括节目来源、时间、内容分类和节目价 格等节目信息。对控制字加密的业务密钥在授权管理信息中传送，并且业务密钥在传 送| j i 要经过用户个人分配密钥( p d k ) 的加密处理。e m m s 中还色括她址、用户授权 信息，如用户呵以看的节目或时日j 段，用户付的收视费等。 同密技术是将随家或两家以上的条件接收( c a ) 系统应用于问嘲络平台之中， 多密技术要求机顶盒采用c i 技术，实现同一机顶盒可接收不同c a 系统加密节目。 从用户角度束讲，不会l 冒购买一家c a 的机顶食而受到限制，嗣户还彳| 选择其c a 服 务阱j 叮能竹i6 i 。 2 3 数字电视中间件 2 3 1 基本概念 数字电视中间件一般是建在数字电视接受设备驱动层之上，为交互应用提供完整 的应用编程接口的软件系统。它提供一系列的功能，如内存管理、通信管理、图形系 统管理、s i ( s e r v i c ei n f o r m a t i o n ) 数据装载、系统资源管理以及与前端系统间的通信 及控制等。 电视运行商将各种服务项目以应用程序的形式通过传输信道发布，用户打开电视 机通过机顶盒浏览。用户的需求信息通过上传信道传输到视频服务器，它会根据用户 的请求选择相应的服务项目，以应用程序的形式通过传输信道下载到机顶盒中，然后 执行应用程序，完成用户的请求。应用程序执行时调用机顶盒的中问件提供的a p i 。 使用中间件可以使机项盒的通用功能以应用程序接口a p i 的形式提供给机顶盒 生产厂家，以实现数字电视交互功能的标准化。中问件提供了一个以a p i 定义的软件 管理框架，它屏蔽了底层操作系统和硬件的异构性，使注意力集中在自己的核心业务 上，不必因程序在不同系统上的移植丽重复编码。 总之，采用中间件不仅降低开发的难度，缩短开发周期，提高软件的可重用性， 堡兰：堡塞： 墨三鍪! 皇堡垫堡垒塑! 竺! 鱼堕垄兰兰翌 减少系统维护、管理的工作量，还能够实现不同硬件和操作系统平台上的数据共享和 应用互操作性【剞。 2 3 2 数字电视中问件软件平台 数字电视中间件软件平台采用分层模型，如图2 2 所示。它由硬件抽象层、内核 层、中间件层和应用层组成。采用分层模型使底层硬件对高层软件透明，增加与替换 硬件时不必修改高层软件，而且高层软件修改时不必了解硬件结构，从而有利于今后 的升级与扩展。其中硬件抽象层和自举程序位于数字电视机顶盒的系统r o m 中，操 作系统和应用程序等则在开机和选用时，从服务器或本地硬盘中下载到系统r a m 中。 1 硬件抽象层 硬件抽象层提供与硬件设备的底层接口，类似于b i o s ，程序员可通过硬件抽象 层来访问和控制视频、音频、图形、网络等子系统，硬件抽象层将所有的硬件特性都 屏蔽起来，从而使高层软件不必修改即可与新增加的硬件相兼容，但是引用硬件抽象 层降低了系统运行速度，所以在数字电视机顶盒的软件结构中，为提高系统的运行速 度，操作系统中的某些函数原型并不经过硬件抽象层，而是直接在硬件中进行处理。 应用层 中h j 件层 内核层 硬件抽象层 图2 2 数字电视中间件软件平台 2 内核层 内核层是位于硬件抽象层之上的一个小型实时操作系统，用来完成进程创建与执 行、进程间通信、资源分配与管理，由操作系统管理的资源包括内存、信道以及外围 设备的访问权等，d a v i d 、p o w e r t v 、o p e n t v 、p s o s 是实时操作系统的典型代表， 数字电视机顶盒内核层应具有以下功能： 支持实时操作能力与多任务控制； 为用户提供一个友好的界面，为程序开发者提供一个面向对象、事件驱动的环 境： 为用于交互的数据链接提供一个综合接口，其中一个可行办法是：操作系统支 持所有的数据通信底层协议，并建立一个数据库对交互数据进行存储与调度，应用程 序通过数据库进行数据输入与输出，而且数据链接的实现与应用程序无关： 6 硕士论文基于数字电视机顶盘的j a v a 平台研究与实现 提供控制内部与外部视频、音频设备的能力。 3 中间件层 中间件层主要由一些驱动与库函数组成，屏蔽了底层硬件和操作系统的差异，为 各个应用程序提供共同、常用的应用编程接口。它的功能主要包括： 与业务相关的网络通信控制： 。 视频控制； 导航控制； 应用协议处理； 用户业务管理： 图形显示以及用户界面的编程接口。 4 应用层 应用层位于数字电视机顶盒软件结构的最上层，不同的应用程序可以提供不同类 型的数字交互式电视服务，典型的应用程序包括电视节目指南、视频播放器、电子游 戏、家庭购物等。 根据用户的不同需求，数字电视机项盒软件主要划分为应用软件，中间软件与基 本软件三大类，如表2 1 所示。， 表2 1 数字电视机顺盒软件 应用软件应用处理 控制能力： 通信能力 视频控制 导航控制 中间软件用户界面控制 管理功能： 用户业务管理 用户信息管理 机密管理 费用管理 要求： 基本软件实时 多任务 存储容量小 7 颟t 论文 基于数字电视机硕盒的j a v a 平台研究与实现 2 3 3 数字电视中间件系统的特点 从数字电视中间件系统结构来看，中间件所处的地位决定了其软件系统的构成具 有如下特点： i 交互性：支持双向交互和不需回传的本地交互，能支持由低端的基本业务到 高端的交互业务。 2 移植性：就是要求中间件软件具有平台无关性，一方面能够独立运行于任何 硬件平台，另一方面它所提供的驱动层的接口能够在大多数硬件平台上使用。 3 稳定性：一个成功的平台在技术和市场上必须具备稳定的生命周期，基本的 业务平台应稳定持续而且具有良好的可扩展能力。 4 统一性：通用a p i ：采用统一的应用程序接口方式，要支持实时流的应用、下 载和本地存储等；广播商和应用提供商能够自己开发应用；支持业务数据提取；使用 户终端制造商能够以体现自身特点的方式使用【4 1 。 2 3 4 数字电视中问件标准 由于不同的中i 日j 件系统会提供不同的与下层驱动资源模块接 j 以及上层应用编 程接口，因此不同的系统之间是不能互通的。指定统一的应用程序接【 成了数字电视 业务拓展中的当务之急。中间件技术的发展与中f 日j 件标准的制定进程是同步的。数字 电视领域的两大标准化组织欧洲的d v b 和美国的a t s c 在制定数字电视广播标 准、数据广播和交互业务标准之后，开始制定中间件的标准。 1 美国“大联盟的”a t s c 提出的d a s e 标准【7 】 美国a t s c 的应用软件环境d a s e 包括四个组成部分： ( i ) 应用执行引擎( a p p l i c a t i o n e x e c u t i o n e n g i n e ，a e e ) 应用执行引擎a e e 直接在接受机的操作系统和库之上实现，以平台无关的方式 解释或执行应用代码中的程序部分，为内容解码器和呈现引擎提供插件平台，作为底 层软硬件平台的抽象，扮演d a s e 环境集成者的角色，同时负责管理多个应用可能 竞争的资源。 ( 2 ) 呈现引擎( p r e s e n t a t i o ne n g i n e ，p e ) 呈现引擎p e 的功能是：执行描述屏幕显示操作的代码；提供屏幕的空间布局； 提供屏幕上小部件或对象的时间同步：允许小部件或对象在屏幕上合成；在屏幕上对 己知的小部件或对象进行实例化。 ( 3 ) 内容解码器( c o n t e n td e c o d e r , c d ) 内容解码器c d 在d a s e 接受机中可有多个c d 。其功能是解释一种媒体类型 的线性或流式内容。它不控制空间布局，也不进行任何合成。c d 可以依赖接受机平 8 坝 论文基于数字电视机顶盒的j a v a f 台研究与实现 台，也可下载平台无关的c d 。 ( 4 ) 应用程序接1 ：3 ( 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 ) 面向系统服务的应用程序接口( a p i ) 是d a s e 为应用程序提供的接口标准， 应用通过它访问下层操作系统和接受机硬件提供的系统服务。这是操作系统自由库之 上的抽象层，使用a p i 必须通过应用执行引擎a e e ，所以a p i 是各方关注的核心。 2 欧洲d v b 系统提出的多媒体家用平台m h p 标准【” 欧洲d v b 提出的m h p 标准是基于j a v a 虚拟机的中间件标准，采用市场驱动 的框架。 一 在标准制定初期的工作重点是广播基础设施，在大量的数字广播传输取得成功之 后，d v b 的工作重点转移到交互业务这一层次，代表成果是数据广播标准和交互业 务标准。由于看到广播、计算机和消费电子在家庭中的聚合，d v b 又迈出了第三步， 即建立多媒体家庭平台( m u l t i m e d i a h o m e p l a t f o r m ，m h p ) 标准。 d v b 内部关于m h p 定义了一套兼容j a v a 的应用编程接口( a p i ) ，以三个类别 ( p r o f i l e ) 的形式定义，或者说三个层次，其中每个上层类别都包含下层类别。 ( 1 ) 增强电视类别( e n h a n c e dt vp r o f i l e ) ：它是基于j a v a 的，而且其中不包括 h t m l 兼容。 ( 2 ) 带反向通道的交互电视：定义为两种可选格式：一种是“纯j a v a ”方案源自 s u n 的p e r s o n a l j a v a 规范和j a v at v 规范，这种方案定义为缺省类别；另一种可选的 格式是在缺省类别的基础上增添兼容h t m l 。 ( 3 ) i n t e m c t 接入，在交互电视类别的基础上增加p 和兼容h 1 m l 。 现在d v b m h p 标准已经成熟，它已经实现了第一次应用：德国在此标准被世 界更广泛采用之前率先采用了这种技术。d v b m h p 为零售横向市场走向繁荣提供了 支持。它还是为电视价值链的所有参与者提供的强大技术平台，通过技术的合理化， 为互用性带来了很多的好处。在这种环境中，数字电视运营商、广播公司以及消费类 电子产品制造商将有机会致力于真正的服务增值和品牌管理。d v b m h p 是支持差别 化的基础。它能够促进竞争，为电视观众带来最好的产品和服务。 d v b m h p 的核心元素包括：个通用的体系结构：传输协议：内容格式；j a v a t m 虚拟机( j a v a v m ) 和一套d v b j a p i ：应用生存期和信令；安全；配置定义。 其中的许多组件都是直接从d v b 规范中提取的，另一些组件( 特别是针对 d v b j 平台的组件) ，是专门为m h p 定义的。图2 3 详细地显示了内嵌在m h p 中 间件中的不同组件。 9 硕t 论史基于数字电视机顶盒的j a v a 平台研究与实现 l 一一塑塑型堕一一 s a nj a v a a p i ( j m f ，j a v a wp e r s o n a i j a v a ) i 一广一1 厂一一 | h a v ! ! d a v i ci d v b u l i ia p i s a p i s l j l j l 二二j 臣习e 三窭兰 硬件 图2 3 m h p 中间件的不同组件 2 3 5 我国数字电视中间件标准的制定 今天，老百姓家中的消费电器产品，以其低廉的价格、高可靠性、操作简便赢得 了消费者的信赖。如何在保存传统使用功能的同时，以人为本歼发面向网络的综合新 型应用，为老百姓营造个更轻松、自然、个性化的服务环境已经成为当前社会创新 的一个热点。 数字电视机顶盒作为收看数字电视的用户终端吸引着众多人的目光，而业务的多 样化决定了数字电视机项盒软件平台具有多功能、经济而且可靠的特性。建立新一代 的交互电视服务，使数字电视交互应用也能面向j a v a 语言，使其可在各式各样不同 机器、不同种操作平台的网络环境中开发应用节目软件“一次编译，到处运行”。 数字电视在当今的信息化社会中占有极其重要的位置，我国政府高度重视数字电 视产业的发展，已将数字电视技术的研发列入国家“十五计划”中优先发展的十大产 业之一。 中间件标准的确定对启动数字电视市场至关重要。我国的中| - 白j 件标准应是机顶盒 制造商、中间件技术供应商、条件接收系统供应商、前端系统歼发商和应用开发商以 及科研单位共同研究制定，制定符合中国国情的标准。 m h p 的目的就是基于j a v a 应用的，为s t b 中的软件程序和中间设备以及播送 服务的方式提供相关标准，使这些设备和服务在整个电视工业中可以通用。 我国的数字电视业务的开展与国外的电视网络相比，历史还很短，我国的有线电 视网络运营商应该吸取国外的经验和教训，选择世界上真正先进的技术。作为数字交 互业务的基础平台，中间件的选择至关重要。 在我国，数字电视市场并没有大规模启动，虽然有几家数字电视厂家在开发自己 的中间件，但目前并没有成熟的商业产品，这为我国直接开发符合自己标准的通用中 间件提供了契机。我国的数字电视中间件标准主要参考m h p ，但同时应充分考虑我 0 堡苎堡苎 董主整羔皇堡墨堡垒塑! 竺! 兰鱼竺壅皇壅墨 国数字电视领域的技术水平和研发能力以及我国的经济和文化现状，计算机界、广播 电视界和通讯界应通力合作，制定一个简洁实用符合我国国情的标准m 。 2 4 小结 本章首先介绍了数字电视机项盒的基本概念，交互式电视必将是数字电视发展的 方向。接着介绍了数字电视机顶盒的相关技术，主要包括对嵌入式实时多任务操作系 统、中间件以及加解扰等相关技术的介绍。最后详细介绍了数字电视的中间件技术， 包括对数字电视中间件的基本概念、数字电视中间件软件平台以及系统特点的介绍， 在介绍了国际相关数字电视中间件标准的同时，重点介绍了我国数字电视中间件标准 的制定。我国的数字电视中间件标准主要参考m i - i p ，同时根据国情，制定一个简洁 实用符合我国国情的标准。 硕t 论文基于数字电视机顶盒的j a v a 平台研究与实现 3 j a v a 虚拟机 1 9 9 1 年s u nm i r e o s y s t e m si n c 的绿色计划原本使用c 、c + + 来开发消费性电子 产品，但后来发现该语言的功能与效果，无法达到程序设计的目的，加上那时互联网 开始蓬勃的发展，s u n 设计出一套完全面向对象，而且不受平台限制的语言，这就是 j a v a 编程语言的由来【引。 3 1j a v a 平台结构 j a v a 本质上就是s u nm i r c o s y s t e m si n c 所研发的软件技术，整体平台结构如图3 1 所示。 a p p l e t sa n da p p l i c a t i o n j a v a b a s e a p ij a v as t a n d a r de x t e n s i o na p i j a v ab a s gc l a s s e s j a v as m a d a r de x t e n s i o nc l a s s e s j a v a 虚拟机 移植界面层 a d a p t e ra d a p t e ra d a p t e r 浏览器 小型操作系 j a v a o s 操作系统 统 操作系统 硬件硬件硬件硬件 图3 1j a v a 系统结构图 由图3 1 可知，j a v a 的整体架构主要由两部分组成，即虚拟机( v i r t u a lm a c h i n e ) 和应用程序接口( a p i ) 。虚拟机是一套虚拟的计算机，有一个标准的规格可以用软件 或硬件来实现。位于j a v a 虚拟机下层的移植接口层和a d a p t e r 则是为了使j a v a 虚拟 机能够方便的移植到不同的操作系统之上开发的。位于j a v a 虚拟机之上的j a v aa p i 部分包含了基本型的a p i 类与标准延伸的a p i 类降j 。 3 2j a v a 语言 j a v a 的最大的特色优点，用s u nc e os c o t tm c n e a l y 的话就是：“w r i t eo n c e ，1 1 1 1 a n y w h e r eo na n y t h i n gs a f e l y ”。从技术角度来看，j a v a 有以下几个特性： 硕士论文基于数字电视机项盒的j a v a 平台研究与实现 跨平台的语言：j a v a 语言是可以跨平台运行的，只要在j a v a 虚拟机支持的平台 上都可以运行j a v a 应用程序。 。 极佳的安全性：j a v a 语言具有多个层次的安全防护措施，可以阻挡病毒和其它 入侵行为，以免造成j a v a 系统内的不稳定。它的安全性措施主要由以下三类： ( 1 ) j a v a 编译器内建有b y t ec o d e 验证器，在j a v a 源代码编译成j a v a 字节码时 就会做安全性检查，例如运算溢出等。 ( 2 ) 类加载器在加载类时会指定其安全属性。 ( 3 ) 一些s c r i p t 和a p p l e t 可能会造成系统的安全性疑虑。在此问题上j a v a 采取 安全管理器的沙箱模型，j a v a 虚拟机会针对可能的危险作出认证要求。 适合网络应用：j a v a 语言一开始发展的目的就是为了解决软件在公共网络上不同 平台间的流通性，可以说是为了i n t e m e t 而发展的计算机语言。 容易编写应用程序：除了具备面向对象的特性外，从某种程度上来说，j a v a 就 是简化的c + + 。因此用户不需花费很多时间去学习，而且编写应用程序并不需要实 际了解硬件平台和操作系统。 人们觉得j a v a 的运行效率不是很高，主要原因是执行j a v a 程序的j a v a 虚拟机 ( j v m ) 本身是以堆栈机器的概念做成的，即先把操作数放入堆栈，再一一由堆栈顶 端拿出来做运算，运算结果再放进堆栈中。近几年针对j a v a 效率不高的问题已有较 佳的解决方案。例如j u s ti nt i m ec o m p i l e r ( j i t 编译器) 针对字节码在需要运行时才 去翻译；用硬件芯片实际操作出j a v a 虚拟机内部的解释器，使其负担最重的部分由 硬件去解决，即常说的j a v ac h i p 。另外s u n 的h o t s p o t 技术也被采用在新的j a v a 虚拟机上哺1 。 ， 3 3j a v a 虚拟机结构及工作原理 j a v a 不仅仅是一种语言，更重要的是一种区别于传统系统，遵循“网络就是计 算机”信条的平台技术。j a v a 平台将面向系统扩展成包括程序和数据的网络计算机 ( n c ) ，而这个平台的核心就是j a v a 虚拟机，许多使j a v a 成为万能开发平台的属 性都源于j a v a 虚拟机的概念和实现。 ， 3 3 1j a v a 体系结构 j a v a 体系结构包括四个独立但相关的技术 9 1 ： 1 j a v a 程序设计语言。 2 j a v ac l a s s 文件格式。 3 j a v a 应用编程接口( a p i ) 。 硕上论文基于数字电视机顶盒的j a v a f 台研究与实现 4 j a v a 虚拟机。 ， 当编写并运行一个j a v a 程序时，就同时需要这四个技术。用j a v a 编程语言编 写源代码，把它编译成j a v ac l a s s 文件，然后再在j a v a 虚拟机中运行c l a s s 文件。 当编写程序时。通过调用类( 这些类实现了j a v a a p l ) 中的方法来访问系统资源( 比 如i o ) 。当程序运行的时候，它通过调用c l a s s 文件中实现了j a v a a p i 的方法来满 足程序的j a v a a p i 调用。 j a v a 虚拟机和j a v aa p i 一起组成了一个“平台”，所有j a v a 程序都在这上面 编译。j a v a 虚拟机和j a v a a p i 的组合除了被称为j a v a 运行时系统之外，还被称为 j a v a 平台( 从版本1 2 开始，称为j a v a2 平台) 。j a v a 程序可以在不同的计算机上 运行，这是因为j a v a 平台自己可以用软件实现。 3 3 2j a v a 虚拟机结构及工作原理 j a v a 虚拟机处在机器和编译器之间，在任何平台上都提供给编译程序一个共同 的接1 ：3 。j a v a 源程序( * d a v a ) 经过编译器编译后变成字节码( c l a s s ) ，字节码由虚 拟机解释执行，虚拟机将每一条要执行的字节码送给解释器，解释器将这些字节码翻 译成特定机器上的机器码，然后在特定的机器上运行。该过程就是编译后的j a v a 程 序的运行过程。 j a v a 虚拟机的主要任务是装载c l a s s 文件( 经过编译j a v a 文件得到的) 并且执行 其中的字节码。j a v a 虚拟机包括一个类装载器1 9 ，它可以从程序和a p i 中装载c l a s s 文件。字节码由执行引擎【9 j 来执行。具体过程如图3 2 。 类装载器的体系结构是j a v a 虚拟机在安全性和网络移动性上发挥重要作用的一 个方面。图中所示的类装载器可以包括多个类装载器的子系统，j a v a 应用程序能够在 运行时决定需要安装的类，并且将被不同的类装载器装载的类存放在不同的命名空 日j 。执行引擎处于j a v a 虚拟机的核心位置，它的行为是由指令集所决定，其主要作 用就是解释字节码( 即运行经过编译后的j a v a 程序的c l a s s 文件) ，不同的执行引擎 实现可能非常不同。由软件实现的虚拟机的执行引擎分为一次性解释! 尹节码，即时编 译器和自适应优化器；由硬件芯片构成的虚拟机用本地方法执行j a v a 字节码，它的 执行引擎是内嵌在芯片里。 4 硕t 论文 基于数字电视机顶盒的j a v a 平台研究与实现 编译时环境 程序的源代 码 。a v 丑 t 之上一 j a v a 编译器l 之上， d 3 4j a v a 虚拟机的体系结构 运行时环境 拧序的c l a s s 文件 ：i 竺 j a v a a p l 的c l a s s 文件 一1 。一 ：! 竺： 主机操作系统 图3 2j a v a 虚拟机执行环境 在j a v a 虚拟机规范中，一个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的。这些组成部分一起展示了抽象的虚拟机的内部 抽象体系结构。规范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 a v a 虚拟机实现都必须遵守的行为。具体的实现依赖于不同的虚拟机的实现机制。 每个j a v a 虚拟机都有一个类装载子系统，它根据给定的全限定名来装入类型 ( 类或接口) 。同样，每个j a v a 虚拟机都有一个执行引擎，它负责执行那些包含在 被装载类的方法中的指令。具体的流程如图3 3 所示。 3 4 1 类装载器的体系结构 类装载器的体系结构是j a v a 虚拟机在安全性和网络移动性上发挥重要作用的一 个方面。j a v a 虚拟机拥有灵活的类装载器体系结构，从而使j a v a 应用程序得以用自 定义的方式来实现类的装载。 一个j a v a 应用程序可以使用两种类装载器：“启动”类装载器和用户自定义的类 装载器。启动类装载器是j a v a 虚拟机实现的一部分，它通常使用某种默认方式从本 地磁盘装载类，包括j a v a a p i 的类。 硕1 ：论文 基于数字电视机顶盒的j a v a 平台研究与实现 1 c - * s 文件一蓁萎载器子 叫 彳 之多 ；图口医区囝引 气：n 乡i a l f 执行引擎 一本舫法接口一麓 i 图3 3j a v a 虚拟机的内部体系结构 j a v a 应用程序能够在运行时安装用户自定义的类装载器，这种类装载器能够使用 自定义的方式来装载类。用户定义的类装载器能够用j a v a 编写，能够编译成c l a s s 文 件，能够被虚拟机装载，还能够像其他对象一样实例化。它们实际上只是运行中的 j a v a 应用程序可执行代码的一部分。图3 4 描述了这种体系结构。 j a v a , 虚拟机实现的一部分 图3 4j a v a 类装载器的体系结构 允许实例化用户定义的类装载器知道如何从网络上下载c l a s s 文件，这样j a v a 类 装载器的体系结构提供了对网络移动性的支持；允许使用不同的用户定义的类装载器 装载不同来源的c l a s s 文件，这样j a v a 类装载器的体系结构提供了对安全性的支持。 6 硕论史基于数字电视机顼盒的j a v