（计算机应用技术专业论文）基于嵌入式linux的iptv机顶盒显示系统的设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着信息业的迅猛发展，目前国内电信网、计算机网和广电网三网正逐渐 走向融合，i p t v ( 即网络电视) 是一种新兴的网络应用，它利用宽带互联网的 基础设施，以家用电视机和机顶盒作为主要终端，通过i p ( 互联网协议) 向用 户提供视频点播、电视节目指南( e p g ) 、网页浏览及互动游戏等多种业务。机 项盒是一种典型的嵌入式系统，由硬件和软件构成，它使用户利用原有的模拟 电视机收看数字电视节目和高清数字电视节目，提供数模信号转换功能、音视 频的编解码功能、图形图像的显示功能及流媒体传输控制功能等。在其软件模 块中，显示系统占有重要的地位，它提供用户与机项盒之间的人机交互界面。 本文给出了口t v 机顶盒的系统软件平台、嵌入式显示系统( 包括图形用户 界面和浏览器) 的解决方案。采用成都博睿嵌入式系统工作室开发的基于a r m 9 $ 3 c 2 4 1 0 的开发板作为硬件平台，选用最新的l i n u x2 6 内核作为系统软件平台， 选用挪威t r o l l t e c h 公司公开源码的针对高端嵌入式系统的q t e m b e d d e d 库作为 图形界面类库。系统的实现包括：l i n u x2 6 1 4 操作系统向目标平台的移植、嵌 入式文件系统的构建、网卡c s 8 9 0 0 a 驱动程序的设计、u s bh o s t 和l c d 驱动 程序的设计、q t e m b e d d e d 类库的移植、图形界面q t o p i a 平台及k o n q u e r o r 浏览 器的移植。实验表明，本文实现的显示系统能为用户提供生动、直观的人机交 互图形界面，具有广泛的应用前景。 全文分为七章，第1 章简要介绍了i p t v 机顶盒，第2 章介绍了口t v 机顶 盒显示系统的设计，第3 章介绍了l i n u x 2 6 1 4 操作系统的移植，第4 章介绍了 驱动程序的设计，第5 章介绍了q t o p i a 开发环境的搭建，第6 章介绍了 k o n q u e r o r e m b e d d e d 的移植，最后章给出了系统的总结与展望。 关键词：p t v 机顶盒，嵌入式l i n u x ，s 3 c 2 4 1 0 ，q t o p i a ，k o n q u e r o r 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t t lt h ef a s td e v e l o p m e n to f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi n d u s t r y , t h r e en e t w o r k so f t e l e c o m m a n i c a t i o n ，c o m p u t e ra n dc a t vf c o m m u n i t ya n t e n n at e l e v i s i o n ) h a v eb e e n c o m b i n i n gt o g e t h e rr e c e n t l y i p t v ( i n t e r n e tp r o t o c o lt e l e v i s i o n ) i san e wa p p l i c a t i o n w h i c hi sb a s e do nn e t w o r k , i tp r o v i d e sv i d e oo nd e m a n d 。e l e c t r o n i cp r o g r a mg u i d e b r o w s eo fw e bp a g e sa n di n t e r a c t i v eg a m e ss e r v i c e st h r o u g hi n t e r a c tp r o t o c o lb y u s i n gi n f r a s 仃u c t l l r eo f w i d eb a n di n t e m e t ，t e l e v i s i o na n ds e t t o pb o x ( s t b ) s t bi sa t y p i c a le m b e d d e ds y s t e m ，c o n s i s t so fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，i tp r o v i d e sf u n c t i o n sa s f o l l o w i n g ，c o n v e r s i o no fd i g i t a l a n a l o gs i g n a l s ，e n c o d i n ga n dd e c o d i n go fa u d i oa n d v i d e o ，d i s p l a yo fi m a g e s ，c o n t r o la n dt r a n s p o r to fs t r e a m i n gm e d i a u s e rc a nw a t c h d i g i t a la n dh i g hd e f i n i t i o nt vp r o g r a m st h r o u g hs t ba n da n a l o gt e l e v i s i o n s t b d i s p l a ys y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h es o f t w a r eo fs t b i tp r o v i d e sa g r a p h i c a l u s e ri n t e r f a c e ( g u i ) b e t w e e nu s e ra n ds t b t h et h e s i s g i v e s af u ns o l u t i o na b o u ts t bd i s p l a ys y s t e m i n c l u d i n gt h e d e v e l o p i n ge n v i r o m e n t 、g u ia n dw e bb r o w s e r , i tu s e st h eb o a r d b a s e do n s a m s u n ga r m 9 $ 3 c 2 4 1 0c p uw h i c hw a sd e v e l o p e db yb r i g h t i d ee m b e d d e d s y s t e mw o r k s h o pi nc i t yo fc h e n g d ua sh a r d w a r ep l a t f o r m s e l e c t se m b e d d e dl i n u x ( k e m e l2 6 1 4 ) a st h es o f t w a r ep l a t f o r m ，a n du s e so p e ns o u r c eq t e m b e d d e dl i b r a r y r b e l o n g st ot r o l l t e c hc o m p a n yi nn o r w a y ) w h i c ha i ma th i g hp e r f o r m a n c ee m b e d d e d s y s t e m t h er e a l i z a t i o ni n c l u d i n gt h et r a n s p l a n to f l i n u x2 6 1 4t ot h et a r g e ts 3 c 2 4 1 0 p l a t f o r m ，c o n s t r u c t i o no fe m b e d e df i l es y s t e m 。d e s i g no f n i cc s 8 9 0 0 ad r i v e r , u s b h o s td r i v e ra n dl c dd r i v e r , t r a n s p l a n to fq t e m b e d d e dl i b r a r y , q t o p i ag u ip l a t f o r m a n dk o n q u e r o rb r o w s e r a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ed i s p l a ys y s t e mc a n p r o v i d eav i v i d ，d i r e c ta n du s e r - f r i e n d l yi n t e r f a c ew h i c hh a sab r o a dp r o s p e c t t h e r ea r es e v e nc h a p t e r si nt h et h e s i s t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e si p t vs t b t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no fi p t vs t bd i s p l a ys y s t e m t h et l l i r d c h a p t e ri n t r o d u c e st h et r a n s p l a n to fl i n u x2 6 1 4o p e r a t i n gs y s t e m t h ef o u r t hc h a p t e r i n t r o d u c e st h ed e s i g no fd r i v e r s t h ef i = f l h c h a p t e ri n t r o d u c e st h ec o n s t r u c t i o no f q t o p i ad e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t ，t h e s i x t h c h a p t e r i n t r o d u c e st h e t r a n s p l a n t o f k o n q u e r o r e m b e d d e d ，a n dt h el a s tc h a p t e rg i v e st h es u m m a r ya n dp r o s p e c to ft h e s y s t e m k e yw o r d s ：i p t vs t b ，e m b e d d e dl i n u x ，$ 3 c 2 4 1 0 ，q t o p i a ，k o n q u e r o r i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1i p t v 机顶盒概述 1 1 1i p t v 概述 第1 章绪论 i p t v ( i m e m e tp r o t o c o lt e l e v i s i o n 或i n t e r a c t i v ep e r s o n a lt e l e v i s i o n ，网络电视 或交互式网络电视) 利用宽带网的基础设施，以家用电视机或计算机作为主要 终端设备，集互联网、多媒体、通信等技术于一体，通过互联网络协议( i p ) 向 家庭用户提供视频点播、电视节目指南( e p g ，e l e c t r o n i cp r o g r a mg u i d e ) 、网页 浏览及互动游戏等多种业务。i p t v 的终端系统有如下三种。 ( 1 ) 基于p c 的终端系统 它沿用互联网视频的形式，利用网络流媒体技术传送某种格式的数据流， 用户在p c 上利用相应的播放器( 如：w i n d o w sm e d i ap l a y e r 、a p p l e 公司的 q u i c k t i m e 和r e a l n e t w o r k s 公司的r e a lp l a y e r 等) 对压缩的音视频流媒体文件 解压后进行播放。该终端系统具有简单、投资小、上网方便等优点，用户只需 一台具有以太网卡并安装相应播放器软件的p c 机即可播放音视频节目和上网浏 览。其缺点有如下三方面，首先，每种播放器软件都局限于播放厂商私有的文 件格式，通用性差；其次，利用p c 显示器观看电视节目相对于用电视机观看屏 幕小且舒适度差；再次，不会使用电脑的人就无法利用该终端享受i p t v 业务。 因此，基于p c 的i p t v 终端系统只能是临时或在不适于摆放电视机的场所使用， 不适于大范围推广。 ( 2 ) 基于机顶盒的终端系统 基于机顶盒( s t b ，s e t - t o pb o x ) 的终端系统既有p c 的处理能力，又有电 视机的观看效果，它以电视机作为显示器，利用专用的i p s t b 对网络音视频媒 体数据进行接收和解压，转换为电视信号格式输送给电视机播放。s t b 具备的 功能包括如下方面： 支持视频点播、组播，电视节目指南，i n t e m e t 信息服务，网络游戏等； 1 武汉理工大学硕士学位论文 支持目前应用较多的l a n 、x d s l 和w l a n 等多种宽带接入方式，支持 t c p u d p i p 协议族，完成互操作信息的网络传输、接收及处理i p 数据和视频流 媒体数据； 支持对多媒体码流的解码能力，电视屏幕显示和数字版权管理； 支持内容缓存、交互控制、接入鉴权和业务及网络管理功能。 ( 3 ) 移动终端系统 3 g 手机作为i p t v 的移动终端系统，能处理图像、音乐、视频流等多种媒 体，利用无线通信网络和互联网提供网络电视、视频电话、网页浏览、电视会 议、电子商务等多种服务。在目前的应用中，i p t v 移动终端还存在很多问题。 首先，在观看效果上，播放图像的速度受到网络速度的制约，很难达到像电视 一样实时传输的平滑效果。虽然目前利用手机观看网络视频的效果还不错，其 原因是目前移动视频业务还限于少数高端用户使用，但随着i p t v 业务的发展和 普及、用户量的上升，网络带宽和手机处理能力将会是i p t v 移动终端系统的瓶 颈。其次，目前手机电源技术无法与i p 下v 移动终端的强大功能相匹配，一部电 影至少9 0 分钟，耗电量十分惊人，看完一部电影就需要不断地更换电池，这对 i p t v 业务来说无疑是很大的障碍。 鉴于上述对各种i p t v 终端系统的分析与比较，不难看出，s t b + t v 是口t v 业务的主流终端，它是最实用且能被广大消费者接受的方式。首先，该方式保 持了用户的休闲习惯，从人体生物学角度来说，最舒适的观赏姿势是后仰3 0 度， 而用户在使用基于p c 的显示终端时，需要操作电脑，姿势要保持前倾，长时间 下来人们容易疲劳，且易患颈椎病、肩周炎等。其次，利用s t b + t v 方式不仅 保留了电视节目，还将互联网的内容从书房搬到了客厅，使不会操作电脑的人 也能上网，利用互联网收发邮件、聊天。将宽带用户从上网族扩展到非上网族， 将宽带娱乐市场从2 2 0 0 多万宽带用户、8 7 0 0 多万网民，延伸到十几亿电视观众 【l 】【2 】。 1 1 2 机顶盒概述 机顶盒s t b ( s e t - t o pb o x ) ，顾名思义就是放在电视机上的盒子，是一种将 数字电视信号转换成模拟信号的变换设备。在数字电视应用中，根据传输网络 的不同，可将数字电视机顶盒分为三类：用于有线电视网的s t b c 、用于卫星 2 武汉理工大学硕士学位论文 电视网的s t b s 和用于地面广播网的s t b t ，它们分别满足数字电视的相应标 准d v b c 、d v b s 和d v b t 。随着i p t v 的发展，近几年出现的基于i p ( i m e m e t p r o t o c 0 1 ) 的i p t v 机顶盒获得了极大的发展动力。i p 机顶盒不仅能提供与大多数 有线或卫星电视机顶盒相同的功能，还能使用当前低成本的互联网和基于i p 的 网络设施，而且立足于双向的口网络还可以本能地支持一系列的应用和交互式 服务。 ( 1 ) 机顶盒的发展历程 机顶盒起源于2 0 世纪9 0 年代初，当时在欧美它作为收取有线电视费用的 重要手段。有线电视经营者在每台用户的电视机前安装一个密钥盒，只有交了 费的用户才能对电视信号解密，正常收看电视。这是最初的机顶盒。 2 0 世纪9 0 年代中期，i n t e m e t 在全世界迅速发展和不断普及，人们萌发了 利用电视视上网的想法，开始研究能上网的枧顶盒，在当时，计算机和网络设 备厂商都期望可以上网的机顶盒能成为新的家用电器，但由于各方面技术不成 熟，最终未成气候。 2 0 世纪末，在欧美开始试播数字电视( d t v ，d i g i t a lt e l e v i s i o n ) 和高清晰 度数字电视( h d t v ，h i 曲d e f i n i t i o n t e l e v i s i o n ) 后，又一次掀起了机顶盒的高 潮。此时机顶盒的主要作用是对数字电视信号进行模拟转换，使用户利用普通 模拟电视机能收看数字电视或数字高清晰度电视。 i p t v 的出现使机顶盒又有了迸一步发展，机顶盒不仅用于数字电视，还作 为i p 网络与电视的桥梁，使宽带网络上丰富多彩的节目内容通过机顶盒展现在 电视机上，为广大电视观众带来了全新的数字生活感受。 ( 2 机顶盒的功能 i p t v 终端无论采用s t b + t v 、p c 还是3 g 手机，都应具有如下功能：模拟 信号的输出、外设的控制、音视频的编解码，通过终端设备用户能进行业务请 求、音视频数据的接收及网络服务等。i p t v 机顶盒负责接收数字电视节目，除 了具有上述功能外，包括如下功能： 电子节目指南( e p g ，e l e c t r o n i cp r o g r a mg u i d e ) ：使用户以界面友好、 易于操作的方式快速访问节目。用户通过e p g 能看到所有频道上近期将播放的 电视节目及可供用户点播的节目内容索引等。 3 武汉理工大学硕士学位论文 交互式应用：为用户提供视频点播、组播和互动游戏，人们在点播时能 像操作家用d v d 一样进行快进、快退、暂停，在组播时可以快速切换电视频道。 软件在线升级：利用机顶盒中间件插件提供机顶盒能力探测，当自身软 件的版本比服务器提供的软件版本低时，便下载并在线更新机顶盒存储器中的 软件。 互联网浏览和电子邮件：用户可通过机顶盒内置的i n t e r a c t 浏览器上网， 发送电子邮件。 ( 3 ) 口t v 机顶盒的软硬件构成 i p t v 机顶盒由硬件和软件两部分组成，i p t v 机顶盒的硬件组成如图1 1 所 示，i p t v 机顶盒的软件组成如图1 2 所示。不同档次的机顶盒采用的系统平台 和软件架构均不同，因而它们实现的功能也不同。在硬件平台方面，i p t v 机顶 盒常用的三种架构是：基于专用芯片架构、基于多媒体数字信号处理器( d s p ) 架构和基于x 8 6 架构。其软件结构大多采用层次化、模块化结构，也有采用中 间件结构。 图1 1i p t v 机顶盒的硬件组成【i l 杌顶盒的硬件由核心控制单元( c v u ) 、媒体处理单元( 编解码器) 及各类接 口组成。核心控制单元一般采用嵌入式微处理器，支持实时操作系统的运行， 媒体处理单元一般根据机顶盒的成本选用a s i c 专用解码芯片或数字信号处理 器，也可以采用软件解码实现。口t v 机顶盒接口比其他机顶盒要丰富得多，根 据网络接入方式的不同，网络接口可配置成高速以太网接口、a d s l 接口、无线 4 武汉理工大学硕士学位论文 局域网接口、e p o n ( e t h e m e t p a s s i v e o p t i c a l n e t w o r k ，无源光纤网络) 或电缆接 口。媒体播放接口基本配置有复合音视频端子和s 端子，较高配置可有y p b p r 、 y c b c r 和数字音频输出接口。控制接口是指用户操作控制机顶盒的接口，一般 以红外遥控器为主，或采用红外遥控键盘、w i f i 技术。除以上基本业务所必需 的接口外，可根据业务需要配置u s b 接口、串行接口、z 接口、智能卡接口等 扩展接口。 机顶盒的软件大多采用分层结构，一般分成三层：应用层、中间解释层和 资源层，每一层都包括诸多程序和编程接口。其中资源层软件包括实时操作系 统及机顶盒硬件的驱动程序，主要用于完成对硬件设备的操作。解释层的主要 功能是将机顶盒应用程序翻译成c p u 能识别的指令，调动硬件设备完成相应的 操作。应用层可以分成内置应用程序和下载应用程序两部分，实现诸如t v 播放、 视频点播、e p g 、d r m ( 数字版权管理) 、游戏下载等业务应用i l l 。 w 撩拨，筏领点播l 落览嚣 e p cl i 扩屣应雕 街置应用整垮l _ f 髋斑用程謦 中阃件a m 中婀徉迁就撄 缣体系统( t i 撇、v x w o r k ，w i n d o w s c e 稹块缝瑾稷缪以疑接口驱动程序 痘用璎 解释疆 资滁屡 图i - 2 机项盒的软件组成【1 】 1 1 3i p t v 机顶盒显示系统 在i p t v 机顶盒的软件中，显示系统占有重要的地位，它提供了用户与机顶 盒之间的人机交互界面，从用户角度看，用户通过g u i 与系统进行交互，g u i 必须是易于使用且可靠的。从开发者角度看，它必须简洁轻便，以便能工作于 资源受限的嵌入式平台，有较强的专用性。 1 2 嵌入式系统概述 随着计算机、网络技术的飞速发展与广泛应用，目前人们已从p c 时代过渡 到以个人数字助理、个人手持电脑和信息家电为代表的后p c 时代。在后p c 时 5 武汉理工火学硕士学位论文 代，嵌入式系统扮演了重要的角色，它是将先进的计算机、半导体、电子技术 与各行业的应用相结合的产物，已被广泛地应用于信息家电、移动计算机设备、 网络设备和工控仿真等领域。 关于嵌入式系统，目前在国内被普遍认同的定义是：以应用为中心、以计 算机技术为基础、软硬件可裁剪、适用应用系统对功能、可靠性、体积、成本 功耗严格要求的专用计算机系统【3 j 。 1 2 1 嵌入式系统的特点 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，归纳起来它有如下特点： 软硬件一体化、集计算机技术、微电子技术和行业技术于一体： 需要操作系统支持、代码占有空间少、执行速度快： 专用紧凑、用途固定、成本、体积敏感； 可靠性、实时性要求高； 多样化，应用广泛【3 】【4 】。 1 2 2 嵌入式系统的组成 嵌入式系统一般由硬件和软件组成，其中硬件包括微处理器、存储器、外 设、i o 端口和图形控制器等，软件部分包括操作系统和应用程序。嵌入式系统 的硬件组成如图1 - 3 所示。 ( 1 ) 嵌入式系统的硬件 嵌入式系统硬件的核心部件是嵌入式处理器。目前，世界上具有嵌入式功 能的处理器已超过1 0 0 0 种，主要分为四类： 嵌入式微处理器( m i c r o p r o c e s s o ru n i t ，m p u ) ； 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) ； 嵌入式( d s p ) 控制器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) ； 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。 嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变而来的，它是具有3 2 位 以上的处理器，性能、价格高。在实际应用中，它只保留与嵌入式应用紧密相 关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，以最低的功耗和资源实现嵌入式应 用的特殊要求。目前主要的嵌入式微处理器类型有a m l8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c - 4 0 0 、 6 武汉理工大学硕士学位论文 p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m s g o n g a r m 系列等。 嵌入式微控制器的典型代表是单片机，它是目前嵌入式系统工业的主 流，单片机芯片内部集成了r o m e p r o m ( e r a s a b l ep r o g r a m m a b l er e a d o n l y m e m o r y ，可擦除可编程只读存储器) 、r a m ( r a n d o ma c c e s sm e m o r y ，随机存 储器) 、总线、总线逻辑、定时计数器、看门狗、i o 、串行口、脉宽调制输出、 a d 、d a 、f l a s h 、e e p r o m ( e l e c t r i c a l l ye r a s a b l ep r o g r a m m a b l er e a d o n l ym e m o r y , 电可擦写可编程只读存储器) 等各种必要功能与外设。与嵌入式微处理器相比， 它的最大特点是单片化，体积大大减小，从而功耗与成本下降。 嵌入式d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器； 嵌入式片上系统是追求产品系统最大包容的集成器件，它实现了软硬件 的无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块【3 】口 | 慧l 外聃路固i 棋块l l = ：j 营圜嚣 i 复位jir o ml jc l 回回固圈撇 图1 3 嵌入式系统的硬件组成【3 1 ( 2 ) 嵌入式系统的软件 嵌入式系统的软件由嵌入式操作系统和基于操作系统的应用程序组成。起 初，简单的嵌入式系统不使用操作系统，它只包含一些控制流程，但随着嵌入 式系统日益复杂，简单的流程控制已不能满足系统的要求，为此，7 0 年代末， 嵌入式操作系统e o s ( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m s ) 就应运而生，它具有小巧、可 装卸、代码固化、弱交互性、强稳定性、实时性和具有统一的接口等特点，它 的出现大大简化了应用程序设计，并有效地保障软件质量和缩短开发周期。 目前使用较多的e o s 产品包括有：w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 、q n x 公司 的q n x 、p a l m 公司的p a l m o s 、m i c r o s o f t 公司的w i n d o w s c e 、国内科银京成 ( c o r e t e k ) 公司的d e l t a s y s t e m 、北京凯思软件集团的h o p e no s 等。其中， 7 武汉理工大学硕士学位论文 v x w o r k s 使用最为广泛、市场占有率最高，其突出特点是实时性强( 采用优先级 抢占和轮转调度等机制) ，具有可靠性和可剪裁性。q n x 是一种伸缩性极佳的系 统，其核心加上实时p o s 环境和个完整的窗口系统还不到一兆。相比之下， m i c r o s o f tw i n c e 的核心体积庞大，实时性能也差强人意，但由于w i n d o w s 系列 友好的用户界面和为程序员所熟悉的a p i ，并捆绑i e 、o m c e 等应用程序，正逐 渐获得更大的市场份额。 与商业化的操作系统相比，免费的l i n u x 系统已越来越受到人们的注意。 l i n u x 作为典型的现代网络型操作系统，其中所涉及到的技术实现涵盖了操作系 统技术的最新成果。目前，嵌入式l i n u x 己成为众多商家的选择，它有如下优势： 嵌入式l m u x 开放源代码，文档和技术支持丰富，这使学习、修改、裁 剪l m u x 成为可能，嵌入式系统的设计者可对嵌入式l i n u x 进行二次开发，去掉 操作系统的附加功能，只保留必须的操作系统功能。而目前大多数的商用操作 系统，不提供源代码，或购买源代码要支付高额的版本费用，相比之下，嵌入 式l i n u x 的这一优点对于对成本和功耗极敏感的嵌入式产品来说是十分重要的。 强大的网络支持。嵌入式l i n u x 诞生于因特网时代并具有u m x 的特性， 基本上支持所有的网协议和网络接口，并能利用l i n u x 的网络协议栈将其开发为 嵌入式的t c p ，i p 网络协议栈。此外，l m u x 支持e x t 2 、f a t l 6 、f a t 3 2 、r o m f s 等文 件系统，这为开发嵌入式系统应用打下了坚实的基础。 优秀的开发工具。开发嵌入式系统需要有一套完善的开发和调试工具。 在线仿真器的价格非常昂贵，且只适合做非常底层的调试。使用嵌入式l m u x ， 只需软硬件支持串口，不用在线仿真器就能很好地进行开发和调试工作，从而 降低了开发费用。利用嵌入式l m u x 的一整套工具链，可以很容易地搭建嵌入式 系统的开发环境和交叉运行环境，从而跨越嵌入式系统开发中缺少仿真工具的 障碍。l i n u x 符合i e e ep o s i x1 标准，使应用程序具有较好的可移植性。 广泛的硬件支持。嵌入式l m u x 支持的硬件平台很多，包括x 8 6 、a r m 、 m i p s 、越j h a 、p o w e r p c 等多种体系结构，支持各种主流硬件设备和最新的硬 件技术。 微内核模块化体系结构。l i n u x 本身的微内核体系结构十分简单，网络 和文件系统以模块形式置于微内核的上层，驱动程序和其他部件可在运行时作 为可加载模块编译或添加到内核，这提供了高度模块化的构件方法，使得添加 部件非常容易。 8 武汉理工大学硕士学位论文 系统小巧。一个功能完备的l i n u x 内核占用大约1m b 的内存，而l i n u x 微内核只占用其中很小一部分的内存，包括虚拟内存和所有核心的操作系统功 能在内，需占用系统的1 0 0k b 内存，这使得l i n u x 适用于资源有限的嵌入式硬 件平台【5 】【6 】【7 1 。 1 3 论文的研究内容和意义 本文设计并实现了基于嵌入式l i n u x 的i p t v 机顶盒显示系统，研究内容包 括：口t v 机顶盒的特点与组成，机顶盒显示系统的设计。嵌入式l i n u x 开发环 境的搭建及其向目标板的移植，嵌入式文件系统的构建，c s 8 9 0 0 a 网卡、u s b h o s t 、l c d 驱动程序的编写与移植，q t e m b e d d e d 类库的移植，图形界面q t o p i a 平台及k o n q u e r o r 浏览器的移植。 在i p t v 机顶盒的软件中，显示系统占有重要的地位，它提供了用户与机顶 盒之间的人机交互界面，因此，研发易用可靠的g u i 和全功能的w e b 浏览器具 有十分重要的现实意义。同时，随着嵌入式系统和实时系统应用的迅速增长， 人们对复杂的嵌入式应用的需求在逐渐增加，支持图形显示和网络连接的嵌入 式系统已广泛地应用于信息家电、消费电子和通信领域，研究嵌入式l i n t t x 开发 平台，图形用户界面( g u i ) 和嵌入式浏览器是当今嵌入式系统研究的热点。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章i p t v 机顶盒显示系统的设计 2 1 系统的硬件平台 本文采用成都博睿嵌入式系统工作室设计的m c 2 4 1 0 e 开发板作为硬件平 台，m c 2 4 1 0 e 嵌入式开发板由核心板与底板组成，核心板上集成了s a m s u n g 公司2 0 0 m h z 的微处理器$ 3 c 2 4 1 0 a ，6 4 m 的s d r a m ( h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 c ) 和6 4 m 的n a n df l a s h ( k 9 f 1 2 0 8 ) 。底板上集成了一些常规外设接口，电路板集成接口 表如表2 1 所示，电路板实物图如2 1 所示。 表2 - i 电路板集成接口表【9 】 串口 两个异步串行口，波特率高达1 1 5 2 0 0 b p s 网络接口 一个i o m 网口，采用c s 8 9 0 0 c q 3 ，带连接和数据指示灯； u s b 接口二个u s b l 1h o s t 接口；个u s b i 1d e v i c e 接口； 音频 采用i i s 接口芯片u d a l 3 4 1 ，一路立体声音频输出接口，一路麦克风接口； l c d 和触摸集成了4 线电阻式触摸屏接口的相关电路； 屏接口 可支持s t n 液晶屏，6 4 k 色和2 6 万色的t f t 液晶屏 视频输出 一个v g a 接口，可直接接c r t 显示器 接口一个t v 接口，可直接接p a l 或者n t s c 制式的t v ； p s 2 接口一个p s 2 键盘接口； 调试接口一个2 0 芯标准m u l t i - - i c ej t a g 接口： 其他接口一个4 0 芯连接器用作扩展口 存储接口 一个s d 卡接口；一个i d e 接口，可挂接硬盘： 电源5 v 电源供电，带电源开关和指示灯： 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 电路板实物图1 9 】 系统选用的$ 3 c 2 4 1 0 是基于a r m 9 2 0 t 核的1 6 3 2 位r j s c 嵌入式微处理器， 具有体积小、高性能、低功耗等优点。a r m 9 2 0 t 核由a r m 9 t d m i 、存储管理 单元( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ，m m u ) 和高速缓存三部分组成。其中，m m u 可 管理虚拟内存，高速缓存由独立的1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高速c a c h e 组成。 a r m 9 2 0 t 有两个内部协处理器：c p l 4 和c p l 5 ，c p l 4 用于调试控制，c p l 5 用于 存储系统控制及测试控制。目前，$ 3 c 2 4 1 0 己广泛地应用于p d a 、智能手机、 机顶盒、嵌入式网络应用、p o s 机、数字多媒体等方面【1 0 】f l l l l l 2 】。 2 2 系统的软件平台 系统选用最新的l i n u x2 6 内核作为系统的软件平台，选用挪威t r o l l t e c h 公 司开放源码的针对高端嵌入式系统的q t e m b e d d e d 库作为图形界面类库，在其 基础上开发i p t v 机顶盒显示系统。进行嵌入式系统的开发，首先得搭建开发环 境。 2 2 1 建立软件开发环境 嵌入式系统的开发环境包括硬件平台与软件平台，硬件平台包括h o s t ( 宿 主机) 、t a r g e t ( 目标机) 和仿真器等工具，软件开发平台包括操作系统以及含 连接器、编译器、调试器等在内的软件开发工具，嵌入式系统的开发环境如图 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 所示。在系统中，h o s t ( 宿主机) 是一个基于i m e lx 8 6 架构和l i n u x 系统的 p c ( 包括i n t e l 公司的p e m i u m 处理器和a m d 公司的a t h l o n 处理器等，统称为 i 3 8 6 平台) ，t a r g e t ( 目标机) 是基于a r m 9 2 0 t $ 3 c 2 4 1 0 处理器的嵌入式开发板。 跨平台是指从i 3 8 6 到a r m 平台。其中，编译器存放在l i n u x 主机中，开发板上 没有编译器，开发板只负责存放已编译可被a r m 处理器执行的代码。建立软件 开发环境的步骤如下： 准备主机平台； 准备交叉编译工具； 准备跟踪调试等一些主机和目标机协同工作的工具1 1 3 1 1 4 】。 图2 2 嵌入式系统的软件开发环境【1 3 】 ( 1 ) 主机平台 一般地，嵌入式系统首先需要在主机平台上开发，且绝大部分工作都需要 在主机平台上完成。主机平台的操作系统使用r e d h a tf e d o r ac o r e4 ，安装时必 须安装g c c 、b i n u t i l s 、m a k e 、t f t p s e r v e r 、f t ps e r v e r 、m i n i c o m 、t e l n e t 等软件包。 ( 2 ) 交叉编译工具 交叉编译( c r o s s - c o m p i l a t i o n ) 是在一个平台上生成另个平台上的可执行 代码的过程。这里的“平台”包含体系结构和操作系统两个概念。同一个体系 结构可以运行不同的操作系统，同样，同一个操作系统也可以在不同的体系结 构上运行。例如，x 8 6 l i n u x 平台是i n t e l x 8 6 体系结构和l i n u xf o r x 8 6 操作系统 的简称，x 8 6w i n x p 平台是i n t e lx 8 6 体系结构和w i n d o w sx pf o rx 8 6 操作系统的 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 简称。常用的计算机软件，需要通过编译把用高级计算机语言编写的代码( 如c 语言代码) 编译成计算机可识别与执行的二进制代码。例如，在w i n d o w s 中使 用v i s u a lc + 十开发环境，编写程序并编译成可执行程序。这种使用p c 平台上 w i n d o w s 工具开发针对w i n d o w s 本身的可执行程序的过程称为本机编译( n a t i v e c o m p i l a t i o n ) 。然而，在嵌入式系统的开发中，运行程序的目标平台通常具有有 限的存储空间和运算能力，例如a 对订平台的静态存储空间大约是1 6 到3 2 m b ， c p u 主频大约在1 0 0 m h z 到5 0 0 m h z 之间，一般的编译工具链( c o m p i l a t i o n t o o l c h a i n ) 需要很强的c p u 运算能力和很大的存储空间，这就使得无法在a r m 平 台上进彳亍本机编译。为解决该问题，交叉编译工具链( c r o s sc o m p i l a t i o nt o o lc h a i n ) 应运而生。开发者在主机平台上安装相应的交叉编译工具链，就能在c p u 运算 能力强、存储空间足够的主机平台上( 如l i n u xp c 上) 编译出针对目标平台( 如 a i t m 平台) 的可执行程序。 本系统中选用目前网上流行的交叉编译器a n l l l i n u x g c c 一3 ，4 1 t a r b z 2 。安装 方法如下：t a r j x f a r m l i n u x g c c 3 4 1 t a r b z 2 c 。注意安装路径的正确，否则 交叉编译时会出现错误。为方便使用，将工具链路径u s r l o c a l a r m 3 4 1 b i n 加入 系统路径$ p a t h 中”。 ( 3 ) 调试工具 就调试方法而言，嵌入式系统的调试分为硬件调试和软件调试，前者使用 仿真调试器，后者使用软件调试器。其中，嵌入式软件的调试采用包含宿主机 与目标机的交叉调试方法，被调试程序运行于基于特定硬件平台的嵌入式操作 系统上，交叉调试器运行于宿主机中，且它通过串口、并口、网络、j t a g 等方 式连接到目标机上，调试过程的结构如图2 3 所示。 在嵌入式l i n u x 中，常用的三种软件调试方法是：用r o mm o n i t o r 调试目 标机程序、用k d b 调试系统内核和用g d b s e r v e r 调试应用程序，它们的区别在于 目标机远程调试s t u b 的存在形式不同，但其设计思路和实现方法都大致相同。 开发者采用g d b + g d b s e r v e r 方式调试应用程序，尤其是复杂的应用程序， g d b s e r v e r 在目标系统中运行，g d b 在宿主机中运行【1 5 】。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 调试过程的结构 ( 4 ) 交互控制终端 通常情况下，l i n u x 的默认终端是串口，内核在启动时所有的信息都打印到 串口终端( 使用p r i n t k 函数打印) ，因此开发者可以通过串口终端将宿主机与目 标机系统相连以实现交互。在主机平台的l i n u x 环境中，可用m i n i c o m 作为主机 与目标机的交互终端，在主机平台的w i n d o w s 环境中，可用w i n d o w s 自带的“超 级终端”实现主机与目标机的交互。此外，开发者可通过网络实现主机与目标 机的交互。让目标机的l i n u x 启动时启动t e l n e t ( 远程登陆服务) ，开发者通过主 机远程登陆目标机系统，从而实现交互。 2 2 2 嵌入式l i n u x 软件的构成 从软件的角度看，嵌入式l i n u x 的软件平台可分为四个层次： 引导加载程序：包括固化在固件( f i r m w a r e ) 中的b o o t 代码( 可选) 和b o o t l o a d e r 两大部分； l i n u x 内核：特定于嵌入式开发板的定制内核及内核的启动参数； 文件系统：包括根文件系统和建立于f l a s h 内存设备之上的文件系统， 常用r a m d i s k 或c r a m f s 作为根文件系统； 用户应用程序：特定于用户的应用程序。某些情况下，在用户应用程序 和内核之间还包括一个嵌入式图形用户界面( g u i ) 。常