（计算机科学与技术专业论文）基于tms320dm6446的数字机顶盒研究与开发.pdf

贵州大学硕士学位论文 基于t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的数字机顶盒研究与开发 基于t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的数字机项盒研究与开发 摘要 随着数字信息技术的飞速发展，由传统的模拟电视到数字电视的数字化革命已 成为必然。数字电视将带给我们全新的视觉冲击和前所未有的大容量信息资源。我 国目前也正在经历着电视数字化的转变。但根据我国国情，数字电视机顶盒将在 段时期内作为模拟电视向数字电视的过渡。因而有线电视数字机顶盒 1 ( d v b c ) 必将成为我国数字电视机顶盒中的主导产品。因此对作为有线电视数字机顶盒核心 之一的软件系统的研究、开发和设计实现具有重要的研究价值和实际意义。 嵌入式系统是继i t 网络技术之后，又一个新的技术发展方向，由于嵌入式系统具 有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特征，目前嵌入式 技术己经广泛地应用于消费电子、网络通信、工业控制等各个领域。信息家电融入 了计算机技术、通信技术、半导体技术、数据传输处理技术甚至传感器技术，成为 嵌入式系统应用最为耀眼的领域，而机顶盒系统是信息家电中嵌入式技术最为典型 的应用。本文基于t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的数字多媒体片上系统数字机顶盒开发项目，详细 地研究了嵌入式系统的相关理论，以及机顶盒中嵌入式系统的软件开发。 本文首先全面介绍了数字电视机顶盒的工作原理和软件技术，其中包括嵌入式 开发过程、a v s i 0 复用解复用技术、有条件接收技术等。然后介绍t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的数字多媒体片上系统的结构。最后详细的介绍我所完成的几个应用子系统的设计 方案，包括电子节目指南e p g ( e l e c t r o n i cp r o g r a mg u i d e ) 设计，o s d 驱动设计， u i 接口系统设计，解码器中的e s 流的提取。本文结合a v s i 0 和d v b c ( d i g i t a l v i d e ob r o a d c a s t i n go fc a b l e ) 的国际标准，提出了一套行之有效的数字机顶盒的 开发设计方案。在国内a v s i 0 和a v s m 音视频编解码标准尚未出台之前，具有很好 的参考和实用价值。 关键词：数字机顶盒，t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 ，片上系统应用，嵌入式系统，在线屏幕显示 电子节目单 贵州大学硕士学位论文 基于t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的数字机顶盒研究与开发 r e s e a r c ha n dd e s i g no fd i g i t a ls e tt o pb o xb a s e do n t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6m e d i as o c a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y 。t h er e v 0 1 u t i o n h a sb e c o m ei n e v i t a b l ef r o mt h et r a d i t i o n a ls i m u l a t i o n t e l e v i s i o n t ot h e d i g i t a lt e l e v i s i o n t h ed i g i t a lt e l e v i s i o nw i i it a k eu st h eb r a n d n e wv i s u a l i m p a c ta n dt h eu n p r e c e d e n t e dl a r g ec a p a c i t yi n f o r m a t i o nr e s o u r c e 0 u r c o u n t r yi sa l s oe x p e r i e n c i n gt h et e l e v i s i o nd i g i t i z a t i o nt r a n s f o r m a t i o na t p r e s e n t a c c o r d i n gt oo u rn a t i o n a lc o n d i t i o n ，t h ed i g i t a lt e l e v i s i o ns e t t o p b o xb e c o m ei ns e c t i o no ft i m e st ot h ed i g i t a lt e l e v i s i o nt r a n s i t i o n s ot h e c a b l et vn u m e r a ls e t t o pb o xw i l lc e r t a i n l yb e c o m et h el e a d i n gp r o d u c ti n o u rc o u n t r yd i g i t a lt e l e v i s i o n s e t t o pb o x t h e r e f o r ei th a v ei m p o r t a n t s i g n i f i c a n c et or e s e a r c ht h es o f t w a r es y s t e mo fc a b l et vn u m e r a ls e t t o d b o x ，t h ed e v e l o p m e n ta n d t h ed e s i g nr e a li z a t i o n e m b o d i e ds y s t e mb e c o m ean e wt e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n td i r e c t i o na f t e r t h en e t w o r kt e c h n o l o g y ，b e c a u s ei t st h ev o l u m es m a l1 ，t h ep e r f o r m a n c e s t r o n g ， t h ep o w e rl o s s l o w ，t h er e l i a b i l i t ya n d t h ep r o f e s s i o n a p p l i c a t i o n p r o m i n e n tc h a r a c t e r i s t i c ，a tp r e s e n t ，e m b o d i e ds y s t e ma p p l yw i d e l ye l e c t r o n ， t h en e t w o r kc o r r e s p o n d e n c e ，t h ei n d u s t r yc o n t r o la n ds oo n t h ei n f o r m a t i o n c o n t a i n s c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h ec o m m u n i c a t i o n ，t h es e m i c o n d u c t o r t e c h n o l o g y ，t h ed a t at r a n s m i s s i o np r o c e s s i n g t e c h n o l o g y ，e v e ns e n s o r t e c h n o l o g y ，i b e c o m e st h em o s td a z z l i n gi nt h ea p p l i t i o n a ld o m a i no fe m b o d i e d s y s t e m s ot h es e t t o pb o xs y s t e mi st h em o s tt y p i c a la p p l i c a t i o ni nt h e i n f o r m a t i o nd o m e s t i c e l e c t r i c a p p l i a n c e s t h i sa r t i c l eb a s e do nt h e t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6d i g i t a lm u l t i m e d i as o c ss e t t o pb o xd e v e l o p m e n tp r o j e c t ， 5 贵州大学硕士学位论文 基于t i l s 3 2 0 蹦6 “6 的数字机顶盒研究与开发 r e s e a r c h e dt h er e l a t e dt h e o r yo fe m b o d i e ds y s t e m a n d t h ed i s i g na n d d e v e l o p m e n to ft h es o f t w a r es y s t e m f i r s t t h ea r t i c l ei n t r o d u c e dc o m p r e h e n s i v e l yt h ep r i n c i p l ea n ds o f t w a r e t e c h n o l o g yo ft h ed i g i t a lt e l e v i s i o ns e t t o pb o x ，i n c l u d i n gt h eh i s t o r yo f e m b o d i e ds y s t e m ，a v s l 0d e c o d e rp r i n c i p l e ，a n dc a st e c h n o l o g ya n ds oo n t h e ni n t r o d u c e st h es y s t e ms t r u c t u r eo ft h ed i g i t a lm u l t i m e d i as o cb a s e do n t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 f i n a l l yi n t r o d u c e ds e v e r a ls u b s y s t e m st h a tih a v ec o m p l e t e d ， i n c l u d i n ge l e c t r o n i cp r o g r a mg u i d e ( e p g ) ，t h ed e s i g no fo s dd r i v e r ，t h eu i s u b s y s t e ma n de sf l o w sw i t h d r a w i n gi nd e c o d e r t h i sa r t i c l eu n i f i e sa v s i 0 a n dd v b c ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n go fc a b l e ) t h ei n t e r a c t i o n a ls t a n d a r d ， p r o p o s e das e to fe f f e c t i v ed e s i g no f d i g i t a ls e t t o pb o x e sd e v e l o p m e n tn o t y e ta v s l 0a n dt h ea v s ms t a n d a r da r er e l e a s e d 。i th a st h ev e r yg o o dr e f e r e n c e a n dt h ep r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：s t b ，t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 ，s o ca p p l i c a t i o n ，e m b o d i e ds y s t e m ，o s d ，e p g 6 贵州大学硕士学位论文 基于t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的数字机顶盒研究与开发 第一章绪论 1 i 课题研究的背景及意义 i i i 数字电视技术的发展现状 1 ，2 ，3 随着音视频编解码技术的迅速发展，相继推出m p e g 2 ，m p e g 4 ，h 2 6 4 等视频压 缩标准，并在世界范围内推动电视技术的发展，高清晰度电视也蕴意而生。日本的 高清晰度电视起步较早，1 9 7 2 年就向c c i r 提出h d t v 提案，首先开发了i 1 2 5 行高 清晰度电视系统。1 9 8 8 年又用高清晰度电视成功地对汉城奥运会进行了实况转播。 日本处理高清晰度电视和普通电视关系的方法是使用单独的卫星通道传送高清晰度 电视节日，使用被称为多重亚取样编码( 删s e ) 的传输方式，基本上是模拟传输。 起先欧洲不甘心全部h d t v 市场由日本独占，设计了一条从m a c 到h d m a c 的逐步过渡 到h d t v 的道路，但m a c 和h d m a c 也都是模拟传输。最终不得不因美国先进的数字 方案而放弃h d m a c 转而推动d v b 4 。由德国通信部建议成立了欧洲开发小组，由 1 7 0 多个组织共同开发全数字电视系统，包括地面广播、卫星广播和有线电视传输 的数字标准清晰度( s d ) 电视和高清晰度( h d ) 电视。并于1 9 9 3 年9 月创建了数字视频 广播项目( d v b ) 。但欧洲一直认为h d t v 的市场尚远，因此当前致力于数字标准清晰 度电视的研究开发。相继出台了卫星数字电视广播传输标准( d v b s ) 、有线数字电 视广播传输标准( d v b c ) 和地面数字电视广播传输标准( d v b t ) 。欧洲的策略是：利 用s d t v 在目前便于普及的优势，抢占数字电视的世界市场，加速在全世界普及d v b 标准，以此来与美国的数字电视标准相抗衡。同日本和欧洲相比，美国在数字电视 的研究方面起步较晚，但却是发展最快的。尽管美国曾支持过日本推出的1 1 2 5 行 h d t v 规格作为统一的世界标准，但当意识到h d t v 潜在的巨大市场之后，美国加速 了这方面的研究，并从一开始就采用了全数字化的方案。美国在1 9 9 1 1 9 9 2 年对五 种建议的h d t v 地面广播制式进行了测试，由于被测试的各种全数字制式在技术和经 济上的优劣没有显著的差别，为了取长补短，同时统一国内市场，其中四个数字系 统的提出者于1 9 9 3 年5 月组成了“大联盟”( g a ) ，合作提出了一个统一的标准。1 0 0 5 年4 月a t s c 通过了“a t s c 数字电视标准”，同年8 月g a 样机研制成功，1 0 月“a t s c 数字电视标准 5 ”被提交给f c c 审议。1 9 9 6 年1 2 月2 6 日，f c c 批准了该标准。1 9 9 7 贵州大学硕士学位论文基于t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的数字机顶盒研究与开发 年4 月f c c 宣布：以4 月7 日为起点，1 8 个月内有2 2 座电视台转为数字电视播出：2 4 个月内，四大商业电视网在全美十大城市进行数字电视播出( 其中三大电视网播出数 字h d t v ) ：3 0 个月内有1 7 0 0 个电视台在3 0 个城市转为数字电视：最终计划在2 0 0 6 年取消模拟电视的播出。 我国为适应发展的需要，由国家信息产业部科学技术司批准，于2 0 0 2 年6 月 成立了数字音视频编解码技术标准化工作组。并于2 0 0 4 年制定了a v s ( a u d i ov i d e o c o d i n gs t a n d a r d ) 标准 6 ，a v s 是信息技术先进音视频编码系列标准的简称， 是由我国自主提出的数字音视频编解码技术标准，达到了当前国际先进水平。a v s 标准是信源编码标准，是数字音视频系统的基础标准。a v s 标准作为数字音视频产 业的共性基础标准，广泛应用于高清晰度和标准清晰度数字电视广播、激光视盘机、 移动多媒体通信、视频会议与视频监控、宽带网络流媒体、数字电影等产业群a v s 通过简洁的一站式许可政策，它解决了m p e g 一4 ，a v c h 2 6 4 被专利许可 7 问题缠身、 难以产业化的死结，与一些公司提出的标准相比，a v s 是开放式制订的国家、国际 标准，易于推广，a v s 标准是针对中国音视频产业的需求，得到相关国际组织和企 业的广泛参与，按照国际开放式规则制定的标准。a v s 标准将通过信息产业部科学 技术司标准化程序提请国家标准主管部门作为国家标准发布。 我们所开发的数字机顶盒既是a v s 标准的首个实际应用，其意义不言而语，同时 也面临很多新的挑战，本系统采用t i 公司2 0 0 5 年1 2 月推出的最新的一款达芬奇 ( 肪v i n c if v m ) 双核( t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 ) 8 片上系统为硬件基础进行开发，充分利 用a r m 核的多任务处理能力和d s p 核的高速流媒体处理性能，使得机顶盒具有实时编 解码能力，同时具有很好的实时响应能力。 i 2 本文主要的研究工作和章节安排 i 2 i 主要的研究工作： 研究嵌入式系统和基于u c l i n u x 2 6 x 的开发过程。 研究t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的体系结构 研究a v s i 0 的解码器的实现过程。 b o o t l o a d e r 系统引导程序的实现原理和实现。 e p g 的研究，设计和开发。 贵州大学硕士学位论文 基于t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的数字机顶盒研究与开发 研究o s d 的原理，实现其驱动程序开发。 1 2 2 章节安排 本文第二章主要介绍数字机顶原理和关键技术。第三章集中介绍嵌入式系统的 定义、分类、应用领域、发展现状和趋势以及课题研究的背景、意义和内容。第四 章主要介绍了a r m 处理器的基础知识。第五章主要探讨了a v s 的编码解码原理及其 解码器的设计。第六章和第七章分别详细介绍嵌入式系统的设计、调试和软件平台 的设计与应用。最后给通过参与这样一个大型项目，给出本人对数字机顶盒技术的 认识和将来的发展趋势。 第二章数字机项盒原理和关键技术 2 i 数字电视机顶盒的概念和功能 数字电视机顶盒是信息家电之一，它是种能够让用户在现有模拟电视机上观 看数字电视节目，并进行交互式数字化娱乐、教育和商业化活动的消费类电子产品。 数字电视机顶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，包括： ( 1 ) 电子节目指南( e p g ) ：它为用户提供一种容易使用、界面友好、可以快速访 问想看节目的方式，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。 ( 2 ) 高速数据广播：它能为用户提供股市行情、票务信息、电子报纸、热门网 站等各种信息。 ( 3 ) 软件在线升级：它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。 ( 4 ) 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，使用p c 接入因特网。支持交互式应用如： 视频点播、互动游戏等。 贵州大学硕士学位论文 基于t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的数字机顶盒研究与开发 ( 5 ) 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。 2 2 数字电视机顶盒的原理与结构 数字电视机顶盒接收各种传输介质来的数字电视和各种数据信息，通过解调、 解复用、解码和音视频编码( 或者通过相应的数据解析模块) ，在模拟电视机上观看 数字电视节目和各种数据信息。以有线数字电视机顶盒为例，其工作原理如下： 有线数字电视机顶盒接收数字电视节目、处理数据业务和完成多种应用的解析。信 源在进入有线电视网络前完成两级编码，一是传输用的信道编码，另一级是音、视 频信号的信源编码和所有信源封装成传输流与前端相应，接收端机顶盒首先从传输 层提取信道编码信号，完成信道解调：其次是还原压缩的信源编码信号，恢复原始音、 视频流，同时完成数据业务和多种应用的接收、解析。根据接收数字电视广播和互 联网信息的要求，个数字电视机顶盒的硬件结构由信号处理( 信道解码和信源解 码) 、控制和接口几大部分组成。本机顶盒采用的( e v m ) t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 ，是德州仪 器( t i ) 公司提供一种基于达芬奇( d a v i n c i ) 技术的产品。整个机顶盒的结构图如图 2 1 所示。其中粉红色的菱形框为我所研究的内容。 1 0 贵州大学硕士学位论文 基于1 1 6 3 2 0 蹦6 “6 的数字机顶盒研究与开发 r 谲瓣j -_一一一一-一-一一_一-一一_一-一一-一-一一_一_一一-一-_-一一一一一一_一-一一- 图2 1 基于双核s o c 的数字机顶盒原理图 表示d s p 处理器的数据路线。 表示两个处理器之间通讯 表示a r m 9 处理器的数据线路 机顶盒从功能上看是计算机和电视机的融合产物，但结构却与两者不同，从信 号处理和应用操作上看，机顶盒包含以下层次 1 0 ： 物理层和连接层：包括高频调谐器，q p s k ，q a m ，0 f d m ，v s b 解调，卷解码去 交织，里德一索罗门解码，解能量扩散。 贵州大学硕士学位论文基于t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的数字机顶盒研究与开发 传输层：包括解复用，它把传输流分成视频、音频和数据包。 节目层：包括m p e g 一2 ，h 2 6 4 a v c ，a v s l 0 视频解码，m p e g a c 一3 音频解码。 用户层：包括服务信息，电子节目表，图形用户界面( g u i ) ，浏览器，遥控，有条件 接收，数据解码。 输出接口：包括分模拟视音频接口，数字视音频接口，数据接口，键盘，鼠标等。 数字电视机顶盒的工作过程大致如下：高频头接收来自有线网的高频信号，通 过q 州解调器完成信道解码，从载波中分离出包含音、视频和其它数据信息的传送 流( t s ) 。传送流中一般包含多个音、视频流及一些数据信息。解复用器则用来区分 不同的节目，提取相应的音、视频流和数据流，送入a v s ，m e p g 2 等解码器和相应的 解析软件，完成数字信息的还原。对于付费电视，条件接收模块对音、视频流实施 解扰，并采用含有识别用户和进行记账功能的智能卡，保证合法用户正常收看。a v s ， m e p g 2 等解码器完成音、视频信号的解压缩，经视频编码器和音频d a 变换，还原 出模拟音、视频信号，在常规彩色电视机上显示高质量图像，并提供多声道立体声 节目。机顶盒通常还提供了丰富的外部接口，例如r s 2 3 2 接口、以太网接口、高速 串行接口i e e e l 3 9 4 、通用串行接口u s b 以及i d e 接口等。通过u s b 接口可以实现和 数码相机的连接，通过i d e 接口可以挂接硬盘实现节目存储。 2 3 数字电视机顶盒的关健技术 1 1 ( 1 ) 解调和信道解码技术 数字电视机顶盒中的信道解码电路相当于模拟电视机中的高频头和中频放大 器。在数字电视机顶盒中，高频头是必须的，不过调谐范围包含卫星频道、地面电 视接收频道、有线电视增补频道。根据d t v 目前己有的调制方式，信道解码应包括 q p s k ，q a m ，o f d m ，v s b 解调功能。 ( 2 ) 解复用和信源解码技术 模拟信号数字化后，信息量激增，必须采用相应的数据压缩标准。数字电视广 播采用m p e g 一2 ，a v s ，n 2 6 4 等视频压缩标准，适用多种清晰度图像质量。音频目前 则有a c 一3 和m p e g 一2 两种标准。信源解码器必须适应不同编码策略，正确还原原始 音、视频数据。 ( 3 ) 上行数据的调制 贵州大学硕士学位论文基于t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的数字机顶盒研究与开发 开展交互式应用，需要考虑上行数据的调制编码问题。目前普遍采用的有3 种 方式，采用电话线传送上行数据，采用以太网卡传送上行数据和通过有线网络传送 上行数据。 ( 4 ) 嵌入式c p u 嵌入式c p u 是数字电视机顶盒的心脏，当数据完成信道解码以后，首先要解复 用，把传输流分成视频、音频，使视频、音频和数据分离开，在数字电视机顶盒专 用的c p u 中集成了3 2 个以上可编程p i d 滤波器，其中两个用于视频和音频滤波，其 余的用于p s i ，s i 和p r i v a t e 数据滤波。c p u 是嵌入式操作系统的运行平台，它要 和操作系统一起完成网络管理，显示管理、有条件接收管理( i c 卡和s m a r t 卡) 、图 文电视解码、数据解码、o s d 、视频信号的上下变换等功能。为了达到这些功能，必 须在普通3 2 - 6 4 位c p u 上扩展许多新的功能，并不断提高速度，以适应高速网络和 三维游戏的要求。 ( 5 ) 音视频解码 音视频解码是数字电视中的关键技术之一，目前实用的视频数字处理技术基本 上是建立在m p e g 一2 ，h 2 6 4 ，a v s 技术基础上，它们是包括从网络传输到高清晰度电 视的全部规范。电路是由r i s c 处理器为核心的a s i c 电路组成。m p e g 一2 ，h 2 6 4 ，a v s 解压缩电路包含视频、音频解压缩和其它功能，一般由专门的d s p 来完成。在视频 处理上要完成主画面、子画面解码，最好具有分层解码功能。图文电视可用a l p h a 迭显功能选加在主画面上，这就要求解码器能同时解调主画面图像和图文电视数据， 要有很高的速度和处理能力。o s d 是一层单色或伪彩色字幕，主要用于用户操作提 示。在音频方面，由于欧洲d v b 采用m p e g 一2 伴音，美国的a t s c 采用杜比a c 一3 ，因 而音频解码要具有以上两种功能。 ( 6 ) 数字电视机顶盒软件 电视数字化后，数字电视技术中软件技术占有更为重要的位置。除了音视频的 解码由硬件实现外，包括电视内容的重现、操作界面的实现、数据广播业务的实现， 直至机顶盒和个人计算机的互联以及和i n t e r n e t 的互联都需要由软件来实现，具体 如下： 硬件驱动层软件：驱动程序驱动硬件功能，如射频解调器、传输解复a n 解 贵州大学硕士学位论文基于t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的数字机顶盒研究与开发 码器、o s d 、视频编码器等。 嵌入式实时多任务操作系统：实时操作系统负责本地资源和网络资源的管理， 提供基本的操作功能和设备的访问控制。 中间件：中间件是在数字电视接收机的应用程序和操作系统、硬件平台之间嵌 入的一个中间层，定义一组较为完整的、标准的应用程序接口，使应用程序独 立于操作系统和硬件平台，从而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。 上层应用软件：执行服务商提供的各种服务功能，如：电子节目指南、准视频点 播、视频点播、数据广播、i p 电话和可视电话等。上层应用软件独立于s t b 的 硬件，它可以用于各种s t b 硬件平台，消除应用软件对硬件的依赖。 ( 7 ) 加解扰技术 1 2 加解扰技术用于对数字节目进行加密解密其基本原理是采用加扰控制字加密 传输的方法，用户端利用i c 卡解密。加解扰技术分为同密和多密技术。同密技术是 将两家或两家以上的条件接收( c a ) 系统应用于同一网络平台之中，从有线电视台角 度是实现技术的选择和竞争的环境。多密技术要求机顶盒采用c a 技术，实现同一机 顶盒可接收不同c a 系统加密节目。 本章小结 本章介绍数字机顶盒的原理，结构和其关键技术，给出数字机顶盒常用的功能 介绍。重点分析了数字机顶盒相关关键技术，并对各功能模块涉及的关键技术都做 了详尽的讨论。 贵州大学硕士学位论文基于t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的数字机顶盒研究与开发 第三章嵌入式系统概述 3 1 嵌入式系统的概况 随着计算机技术和相关产品对其它行业的广泛渗透，以应用为中心的分类方法 变得更为切合实际，也就是按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用将其分为嵌入式 计算机和通用计算机。通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软 件，以类同面目出现并应用在社会的各个方面，其典型产品为个人计算机( p c ) ：而嵌 入式计算机则是以嵌人式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中。当我们满怀 憧憬与希望跨入二十一世纪的时候，计算机技术也开始进入一个称为后p c 技术的时 代一嵌入式计算机系统时代。到目前为止，嵌入式系统的发展伴随着嵌入式操作系 统的发展经历了以下四个比较明显的阶段 1 3 ，1 4 ，1 5 。 第一阶段是无操作系统的嵌入式算法阶段，是以单芯片为核心的可编程控制器 形式的系统，同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应 用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言 编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。这一 阶段系统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较差：系统开销小， 效率高：一般 配备系统仿真器，操作系统具有一定的兼容性和扩展性：应用软件较专业，用户界面 不够友好：系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。 第三阶段是通用的嵌入式实时操作系统阶段，是以嵌入式操作系统为核心的嵌 入式系统。这一阶段系统的主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微 处理器上，兼容性好：操作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性： 具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功 能；具有大量的应用程序接口( a p i ) ，开发应用程序简单：嵌入式应用软件丰富。 第四阶段是以基于i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的 阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e r n e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展以 及i n t e r n e t 技术与工业测控技术、信息家电等结合日益密切，嵌入式设备与 i n t e r n e t 贵州大学硕士学位论文 基于t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的数字机顶盒研究与开发 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。由于目前嵌入式系统己经渗透到日常 生活的各个方面，其在工业、服务业、消费电子等领域的应用范围都不断扩大，因 此难以给“嵌入式系统”下一个明确的定义。根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协 会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间的装置”( 原文为 d e v i c e su s e dt oc o n t r o l 。m o n i t o r ，o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ， m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。这主要是从应用上加以定义的，并不能充分体现出嵌入式 系统的精髓。目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基 础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要 求的专用计算机系统 1 6 1 7 。 3 2 嵌入式系统的组成 由嵌入式系统的定义可以看出，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，所以嵌 入式系统可以划分为硬件和软件两大部分，一般的组成框架如图3 1 。目前所提及 的嵌入式系统一般指嵌入式计算机系统，下面对嵌入式计算机系统的组成进行简要 描述。 嵌入式应用程序，g u i 程序 厂赢磊习厂忑而翮 1j i一 l 板级支持软件包( b s p ) 或系统初始化程序 图3 i 嵌入式系统组成框图 ( 1 ) 嵌入式系统的硬件 嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。目前嵌入式处理器的寻址空间可以从 6 4 k b 到2 5 6 m b ，处理速度从0 1m i p s 到2 0 0 0 m i p s 。近年来嵌入式微处理器的主要 发展方向是小体积、高性能、低功耗。专业分工也越来越明显，出现了专业的 i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yc o r e ，知识产权) 1 8 供应商，如a r m ，m i p s 等，他们通 1 6 贵州大学硕士学位论文基于t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的数字机顶盒研究与开发 过提供优质、高性能的嵌入式微处理器内核，由各个半导体厂商生产面向各个应用 领域的芯片川。一般可以将嵌入式处理器分成4 类，如图3 2 所示。 图3 2 嵌入式处理器分类 ( 2 ) 嵌入式处理器 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 ) 嵌入式微控制器又称单片机，它 将整个计算机系统集成到一块芯片中，微控制器的片上外设资源一般比较丰富， 适合于控制，因此称为微控制器。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为 核心典型的应用是在芯片内部集成了r o m e p r o m ，e e p r o m ，r a m ，f l a s hr a m ，总 线总线逻辑、定时计数器、看门狗、u o 串行口、脉宽调制输出、a d ，d a 等 各种必要功能部件和外设。 嵌入式微处g ( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s i n gu n i t ：e m p u ) 嵌入式微处理器是“增强型”的通用微处理器。由于嵌入式系统通常应用于比 较恶劣的环境中，因而嵌入式微处理器在工作温度、电磁兼容性以及可靠性方 面的要求较通用的标准微处理器高。 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 i n g ：e d s p ) 在数字信号处理应用中，各种数字信号处理算法相当复杂，这些算法的复杂度 可能是0 ( n ) 的、甚至是n p 的，一般结构的处理器无法实时的完成这些运算。 由于d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于实时地进行数 字信号处理。在数字滤波、f f t ，谱分析等方面，d s p 处理器正大量进入嵌入式 贵州大学硕士学位论文 基于t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的数字机顶盒研究与开发 领域、d s p 应用正从在通用单片机中以普通指令实现d s p 功能，过渡到采用嵌 入式d s p 处理器。 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ：s o c ) 1 9 随着v l s i 设计的普及化以及半导体工艺的迅速发展，可以在一块硅片上实现一 个更为复杂的系统，这就产生了s o c 技术。各种通用处理器内核将作为s o c 设计公司的标准库并和其他许多嵌入式系统外设一样，成为v l s i 设计中一种标 准的器件，通过标准的v h d l ，v e r i l o g 等硬件语言来描述。 ( 3 ) 存储器与外围设备 传统的r a m 存储器有s r a m ，d r a m ，r o m 存储器有掩膜r o m ，p r o m ，e p r o m ，而新 兴的混合型存储器( 如e e p r o m ，f l a s h ，n v r a m 等) 更符合嵌入式系统的要求。 ( 4 ) 嵌入式实时操作系统( r t o s ) 嵌入式系统中，应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行：但是为了合理地 调度多任务，合理的利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自 行选配r t o s 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间， 保障软件质量。所以嵌入式的r t o s 是整个嵌入式系统软件的核心。目前应用比较广 泛有微软的w i n d o w sc e ，s u n 公司的j a v a o s 朗讯公司的i n f e r n o 和嵌入式u c l i n u x ， v x w o r k s ，u c o s i i 等。尽管这些嵌入式r t o s 形式多样，但一般都具有以下特点： 可裁剪的微内核结构。高效的多任务优先级管理，微秒级的中断处理，更加有 利于工业控制效率的提高： 支持多处理器并行处理及任务间通信： 共享内存，有利于实时数据库的实现： 灵活的引导方式( 支持从r o w f l a s h 本地盘网络引导) 。引导操作系统事 件更短，甚至可以一上电在秒级的时间内就跳转至用户程序处； 支持多种信号灯( 二进制互斥的、计数的、有优先级的) 等等。 3 3 嵌入式系统的一般设计方法 2 0 在嵌入式系统的应用开发中，整个系统的开发过程如图3 3 所示的过程。可见， 在应用嵌入式系统开发的过程中，因为对应于每一个处理器的硬件平台都是通用的、 固定的、成熟的。所以，在开发过程中减少了硬件系统错误的引入机会：同时，因为 贵州大学硕士学位论文 基于t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的数字机顶盒研究与开发 嵌入式操作系统屏蔽掉了底层硬件的很多复杂信息，使得开发者通过操作系统提供 的观函数就可以完成大部分工作，大大地简化了计发过程，提高了系统的稳定性。 图3 3 嵌入式开发流程 3 4 嵌入式系统的应用领域及发展趋势 2 1 嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括： 工业控制：基于嵌入式芯片的工业自动化设备具有很大的发展空间，目前已经 有大量的8 1 6 3 2 位嵌入式微控制器应用在工业过程控制、数控机床、电力 系 统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统等领域。 交通管理：在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技 术己经获得了广泛的应用，内嵌g p s 模块、g s m 模块的移动定位终端已经在各种 运输行业成功使用。 信息家电：这将成为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智 能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。 p o s 网络及电子商务：公共交通无接触智能卡发行系统、公共电话卡发行系统、 自动售货机、各种智能a t m 终端将全面步入人们的生活，到时手持一卡就可以行 遍天下。 信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，为嵌入式市场展 现了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战。未来嵌入式系统的几 贵州大学硕士学位论文 基于t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 的数字机顶盒研究与开发 个发展趋势是为适应网络发展的需求，必然要求硬件上提供各种网络通信接日：软件 方面，系统内核支持网络模块，甚至可以在设备上嵌入式w e b 浏览器，真正实现随 时随地用各种设备。精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。未来的嵌入式 产品是软硬件紧密结合的设备，为了降低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统内 核，只保留和系统功能相关的软硬件，利用最低的资源实现最适当的功能，这就要 求设计者选用最佳的编程模型，不断改进算法，优化编译器性能。提供友好的多媒 体人机界面。嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素就是它能提供非常友好 的用户界面、图像界面和灵活的控制方式少，使得人们感觉嵌入式设备就像是一个 熟悉的老朋友。 本章小结 本章首先简介了嵌入式系统的发展概况，分析了嵌入式系统的特点：重点分析了 一般嵌入式系统的组成及开发技术。然后，说明了嵌入式操作系统的一般开发方法： 最后，展望了嵌入式系统的发展趋势。总之，本章不仅有概念性的知识介绍，更有 本人的实际项目经验体会和总结。 贵州大学硕士学位论文 基于t m s 3 2 0 删6 4 4 6 的数字机顶盒研究与开发 第四章t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 数字多媒体s o c 理论 数字视频技术无疑将重塑整个电子行业的面貌，当然，数字视频技术也正在使 我们的视频体验、传输以及交互方式发生着深刻的变化，开始进入汽车、计算机、 移动电话及网络。，t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 2 2 是德州仪器( t i ) 公司提供一种基于达芬奇 ( d a v i n c i ) 技术的产品。包括两个基处理器( d s p 和a r m ) 的片上系统( s 。c ) 以及多媒体 编解码器、应用编程接口( a p i ) ，能大幅降低整体系统开发成本。t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 8 m c 图4 1t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 f u n c t i o n a ib l o c kd i a g r a m 由结构图可以看出，整个片上系统的核心是采用低功耗、高性能的3 2 位 t m s 3 2 0 c 6 4 x d s p 内核和a r m 9 2 6 e j - s 内核，工作频率分别高达5 9 4 m h z 和2 9 7 m h 2 ； a r m 9