（计算机应用技术专业论文）数字电视机顶盒应用的研究与实现.pdf

中南民族大学硕士学位论文 i 摘摘 要要 数字电视的优越性使得数字电视取代模拟电视成为必然的趋势。在目前模拟 电视向数字电视的转换期间，使用数字电视机顶盒收看数字电视节目是最佳的方 案。伴随数字产业的发展，数字电视的业务也日益丰富，数字电视机顶盒也不再 仅仅只是数模转换，它提供的服务将满足更多不同用户的需求，数字电视机顶盒 势必在推动信息资源数字化，推动“三网融合”方面起重要作用。 电子节目指南是数字电视中极其重要的应用，是用户进入数字电视的门户， 也最能体现其朝数字化、交互式方向发展的趋势。通过使用电子节目指南系统， 用户可以方便地浏览和查询节目，了解节目信息，快速定位节目的位置，并获得 丰富的信息服务；通过交互功能，用户可以改变传统的收视习惯，随时选择自己 需要的资源。 论文工作基于采用 st 公司 sti7109 芯片方案的有线电视机顶盒，该机顶盒 已经研制完成，取得了预期的效果。 论文的研究工作主要包含以下几个方面： l、深入研究了 mpeg-2 的 psi 信息以及 dvb-si 的业务信息。这些信息构成 了电子节目指南导航应用、视频点播等上层应用的数据来源。 2、研究了 stlite/os21 实时内核的工作原理和使用方法。该内核提供任务管 理、内存管理、消息队列服务、信号量服务、时钟和定时器管理、中断管理等功 能。 3、设计并实现了 epg。通过对底层解复用模块的研究，分析了 epg 的实现 原理，针对本文的实际情况，选择合理的实现方案。设计了 epg 整体实现框架， 并对整体框架进行了分解，设计并实现了其中的各个模块。 4、在实现传统 epg 应用的基础上，提出了交互式 epg 的实现方案，介绍了 基于交互式 epg 的主要应用，并提出了一种家庭数码机顶盒模型。 关键字关键字：数字电视，机顶盒，交互式 epg, 实时内核，解复用 数字电视机顶盒主要应用的研究与实现 ii abstract the advantages of digital tv make it an inexorable trend that the digital tv replaces the analogue tv. during the transition, its the best method that digital tv programs are received through set-top-box (stb). according to development of digtal services,service of digital tv become more plentiful,and stb not only plays a role in d/a,but promotes development of digitazation of information resources and development of next generation networks. the electronic program guide (epg) navigation is very important for digital tv, and it is the door entering digital programs. using the navigation system, you can browse and search the program you need, and can know more information about programs and other services.by interacion operation,user can select what he want. this paper is apart of the research project “high definition digital cable tv set-top-box”. the works of this paper include: 1、research on psi information of mpeg-2 and dvb-si. the information is the data source of epg. 2、research on principles and applications of stlite/os21 real-time kernel. the kernel can provide services such as task management, memory management, semaphores，message queues, timers, and interrupt handling. 3、research on the principle of epg. change the order of receiving epg tables, skip pat and pmt, and receive nit directly. the design can save time and system resource. finally, epg architecture is designed and all modules are implemented. 4、propose an interactive epg model,discuss main applications on interactive epg,and a multi-function stb model is presented. keywords: digital tv, set-top-box, interactive epg, real-time-kernel, demutiplex 中南民族大学中南民族大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权中南民族大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密，在_年解密后适用本授权书。 2、不保密。 （请在以上相应方框内打“” ） 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 中南民族大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 项目背景 1.1 项目背景 在以数字化为中心的信息时代发展浪潮的推动下，数字化技术得到了极其充 分的应用。在通信、医疗卫生、工业、军事、科研教学、金融、商贸、交通运输、 新闻出版等领域，数字化技术充分展示了其抗干扰性强、保密性好、传输性能佳 和融合性强等优势。数字化技术已经应用到经济、社会和人们生活的各个领域。 但据有关资料显示，数字化技术最大的市场还是在通信设备和消费类电子产品领 域。数字电视(dtv，digital television)是消费类电子产品的核心和集成，因而 目前已成为国际社会竞争的焦点 1。 1.2 数字电视的概念和特点 1.2 数字电视的概念和特点 数字电视是指从电视节目的摄制、制作、编辑、存储、发射、传输，到信号 的接收、处理、显示等全过程实现数字化的电视系统。具体来讲，数字电视使用 数字摄像机、数字录象机等数字设备完成节目的制作、编辑和处理，电视台发射 传输和电视接收机接收到的信号均为数字信号，电视接收机内部则采用数字信号 处理技术来实现。数字电视的最大特点是电视信号是以数字形式进行广播的，其 制式与传统的模拟电视广播制式有着本质的不同 2。 为什么要用数字电视替换传统模拟电视？我们通过与传统的模拟电视相比 较，可以发现数字电视的优点主要体现在以下几点： （1） 信号杂波比和连续处理的次数无关。 电视信号经过数字化后是用若干位 二进制的两个电平来表示，因而在连续处理过程中或在传输过程中引入杂波后， 其杂波幅度只要不超过某一额定电平，通过数字信号再生，都可能把它清除掉， 即使某一杂波电平超过额定值，造成误码，也可以利用纠错编、解码技术把它们 纠正过来。所以，在数字信号传输过程中，不会降低信噪比。而模拟信号在处理 和传输中，每次都可能引入新的杂波，为了保证最终输出有足够的信杂比，就必 须对各种处理设备提出较高信噪比的要求。模拟信号要求 s/n40db，而数字信 号只要求 s/n20db。模拟信号在传输过程中噪声逐步积累，而数字信号在传输 过程中，基本上不产生新的噪声，也即信噪比基本不变 3。 （2）可避免系统的非线性失真的影响。在模拟系统中，非线性失真会造成图 像的明显损伤。 （3）数字设备输出信号稳定可靠。因数字信号只有0、l两个电平，l电 平的幅度大小只要满足处理电路中可能识别出是l电平就可，大一点、小一点无 数字电视机顶盒应用的研究与实现 2 关紧要。 （4）易于实现信号的存储，而且存储时间与信号的特性无关。近年来，大规 模集成电路(半导体存储器)的发展，可以存储多帧的电视信号，从而完成用模拟 技术不可能达到的处理功能。例如，帧存储器可用来实现帧同步和制式转换等处 理,获得各种新的电视图像特技效果。 （5）压缩后的数字电视信号经数字调制后，可进行开路广播，在设计的服务 区内(地面广播)， 观众将以极大的概率实现无差错接收(发0收0， 发 l收l)， 收看到的电视图像及声音质量非常接近演播室质量。 （6） 更丰富的频道内容。 由于压缩技术的突破和多种新的高效通道编码方法 和调制技术的出现，使得高清晰度数字电视能在原来的普通电视频带内传输；原 来只能传一路模拟电视的卫星或其它通道经数字化处理后能传四套甚至八套标清 数字电视节目， 成了一条大容量的数字通道， 大大提高了频道带宽资源的利用率， 丰富了用户的节目选择，降低了成本。 （7）数字电视可以实现用户与电视系统的互动性。用户不仅可以浏览电视节 目和信息服务，可以进行节目点播、电视购物等服务。 （8） 可以与计算机、 手机等终端设备， 融合而构成一类多媒体计算机系统， 促进“三网融合”产业的发展。 总体的说，数字电视的发展类似与计算机网络的发展。当用户要求增加服务 数量，创新服务类型，提高服务质量时，势必加大传输的信息量。而受到传输线 路带宽限制，使用传统的模拟信号传输远远不能满足要求。即使加大带宽，也不 利于电视系统实现交互性，更别说以后与计算机以及计算机网络的“融合” ，这样 电视系统将会越来越孤立。所以，目前发展数字电视是大势所趋。我们可以充分 利用数字信号传输的优点，在已有带宽的基础上，提供更多更好的服务，通过有 线网络的双向改造，实现简单的交互，这也为与计算机，移动终端通信以及“三 网融合”打下基础 4。 1.2.1 数字电视的分类 1.2.1 数字电视的分类 数字电视可以按以下几种方式分类： （1）按信号传输方式分类：可以分为地面无线传输(地面数字电视)、卫星传 输(卫星数字电视)、有线传输(有线数字电视)三类。目前北京、上海和重庆公交车 上的移动电视就是数字电视地面广播中的一种， 手持无线终端设备大多是 地面数 字电视或在此基础上发展起来的。现在比较主流的数字电视传输标准为 dvb-t/dvb-h、dvb-s/dvb-s2 和 dvb-c。我国的数字电视地面传输标准 （dmb-th）采用上海交通大学，浙江大学和西安电子科技大学提出的 adtb-t 中南民族大学硕士学位论文 3 方案和清华大学提出 dmb-t 方案的融合技术。 （2）按产品类型分类：可以分为数字电视显示器、数字电视机顶盒、一体 化数字电视接收机。 （3）按清晰度分类：可以分为低清晰度数字电视(图像水平清晰度大于 250 线)、标准清晰度数字电视(图像水平清晰度大于 500 线)、高清晰度数字电视(图像 水平清晰度大于 800 线，即 hdtv)。vcd 的图像格式属于低清晰度数字电视 (ldtv)水平，dvd 的图像格式属于标准清晰度数字电视(sdtv)水平。 （4） 按显示屏幕幅型分类： 可以分为 4： 3 幅型比和 16： 9 幅型比两种类型。 1.3 国外发展现状国外发展现状 自上世纪 90 年代以来，随着计算机、数字处理、图像压缩等技术的发展，数 字电视在全球范围内迅猛发展。目前美国、欧洲、日本的发展最为迅速，并各自 形成了自己的标准。许多国家确定了详细的推进计划和全面数字化的时间表。这 些对我国的数字电视发展模式、技术标准的选择有重要的指导和借鉴意义。美国 是世界上较早发展数字电视的国家，在技术领域不仅完成了数字电视三大标准的 制订工作，而且已经率先实现了商用播出。1996 年 12 月，美国联邦通信委员会 (fcc)正式确定采用 atsc 作为美国数字电视地面广播标准。1998 年美国开始试 播全数字高清晰度彩色电视。fcc 制定了从模拟到数字电视的过渡计划，在过渡 期间采用同播方式，给每个原 ntsc 频道增加一个 hdtv。从 1998-2003 年，美 国的数字电视发展已粗具规模。 现有有线数字电视用户 2000 万户， 卫星数字电视 用户 1500 万户，地面数字电视覆盖率达 99%。欧洲的数字电视兴起比较早，目 前无论从技术上还是用户规模上都处在稳定的成熟时期。以英、法、德为代表的 西欧国家制定了欧洲地区统一的数字电视标准 dvb（digital video broadcasting， 数字视频广播） ，这为世界其他各国制定相关标准提供了依据和参考。dvb 标准 规定数字电视系统使用统一的 mpeg-2 压缩方法和 mpeg-2 传输流及复用方法。 在调制方式上，卫星广播采用 qpsk，有线电视采用 qam，而地面广播则倾向于 cofdm。 在数字电视推进过程中， 最成功的是英国， 英国数字电视用户超过 1000 万户，计划 2010 年停止模拟电视节目。在亚洲，日本的数字电视研究与开发进展 较快，继欧、美之后，日本在欧洲 dvb 技术的基础上，研制出了世界上第三个 拥有独立知识产权的数字电视地面广播标准 isdb，并确定为日本今后的数字电 视地面广播标准。 日本计划到 2011 年全国范围内的所有电视台都将采用数字信号 发送， 彻底结束模拟信号发送的历史。 韩国政府从 2001 年开始正式开播数字电视， 在汉城进行地面数字电视试验之后，决定采用美国的 atsc 标准。韩国已于 2003 年在 6 个城市开展地面数字电视业务， 到 2004 年推广到全部省会城市， 计划 2010 年停播模拟电视节目。此外，澳大利亚和新加坡也在抓紧进行数字电视广播的准 数字电视机顶盒应用的研究与实现 4 备工作， 计划 2008 年停播模拟电视。 澳大利亚正在利用首都各大电视台播出地面 数字电视。新加坡也已经开始进行付费电视频道的筹备工作 5。 1.4 数字电视在中国的发展数字电视在中国的发展 根据我国的基本国情，我国的数字电视采取了与其他国家不同的发展策略： 从有线切入，全面实施有线数字电视试验工程。由于我国不同于西方发达国家的 客观条件，城市有线电视用户集中且生活水平较高，为有线数字电视的发展创造 了条件；有线数字电视标准的颁布实施，为有线数字电视试验提供了良好的技术 标准支持；全国广电干线网的开通，为全国开展有线数字电视试验提供了硬件基 础 6。 我国自 20 世纪 80 年代末开始进行数字电视系统的研究， 并将其列入 “八五” 国家重点项目。在“八五”期间，国务院组织成立了国家高清晰度电视研究开发 协调领导小组， 国家科委组织成立了 hdtv 发展战略专家组， 组织实施了 “八五” 国家重点科技攻关项目 “高清晰度电视技术研究” ， 对数字高清晰度电视进行了理 论研究和计算机模拟。 1995 年， 经国家高清晰度电视研究开发协调领导小组批准， 成立了国家高清晰度电视研究总体组，1996 年 7 月启动“九五”国家重大科技产 业工程项目“hdtv 功能样机研究” 。1998 年 6 月，成功地研制出了我国第一代 数字高清晰度电视功能样机系统，这是世界上继美、欧、日之后第四套完整的从 发射到接收的 hdtv 系统。1999 年国庆利用高清晰度电视系统成功地进行了 50 周年大庆活动的实况高清晰度电视转播。数字电视的技术研究和标准制订是两项 非常重要的基础工作，标准问题一直是制约我国数字电视行业发展的瓶颈。2006 年 8 月，我国颁布了自己的数字电视地面传输标准数字电视地面广播传输系统 帧结构、信道编码和调制 ，2007 年 8 月 1 日我国地面数字电视国家标准将正式 实施。该标准的正式颁布，将推动我国广播电视事业快速、有序地向数字化过渡， 促进我国电视产业的优化升级和对可持续发展发挥积极作用 7。国家广电总局结 合我国国情和有线电视的实际情况，制定我国有线电视向数字化过渡时间表： 第一阶段：到 2005 年，直辖市、东部地区地(市)以上城市、中部地区省会市 和部分地(市)级城市、西部地区部分省会市的有线电视完成向数字化过渡。 第二阶段：到 2008 年，东部地区县以上城市、中部地区地(市)级城市和大部 分县级城市、西部地区部分地(市)级以上城市和少数县级城市的有线电视基本完 成向数字化过渡。 第三阶段：到 2010 年，中部地区县级城市、西部地区大部分县以上城市的 有线电视基本完成向数字化过渡。 第四阶段：到 2015 年，西部地区县级城市的有线电视基本完成向数字化过 渡 8。 中南民族大学硕士学位论文 5 目前，我国有线电视数字化工作已经从试点阶段进入到全面推广的新阶段， 全国已有 25 个城市完成了有线电视数字化整体转换， 最新调查显示全国的有线数 字电视用户数已经达到了 2500 万户。备受关注的央视高清综合频道将于 2008 年 5 月 1 日正式开播，首批开播地面数字电视的有北京、天津、上海、沈阳、青岛、 秦皇岛、广州、深圳八个城市。这几个城市的用户家里只需使用地面接收天线、 高清机顶盒或数字一体机就可以欣赏高清综合频道的节目。 1.5 论文主要研究内容及组织结构论文主要研究内容及组织结构 本文总体任务是研制和开发符合 dvb-c 标准的高清晰数字电视机顶盒。在本 文中，使用 st 公司的 sti7109 芯片方案，通过软、硬件的各自开发和相互配合， 完成机顶盒的研制工作。本文研制的机顶盒除了能够提供基本的数字电视解码功 能以外，还能够提供电子节目指南、视频点播、马赛克导航、电视网站等功能。 本论文的主要工作包括: 1、深入研究数字电视机顶盒的工作原理，软件系统中各层的关系和作用。 2、分析和研究 st 公司提供的多任务实时操作系统内核 stlite/os21。整个 软件系统都是建立在该内核之上，掌握它提供的各种服务和特点、使用方法等， 对于软件开发有着非常重要的意义。 3、 深入研究 mpeg-2 中的 psi 信息规范以及 dvb-si 信息规范， 重点分析其中 各个信息表和它们之间的关系。 4、根据本文的实际情况，基于对底层解复用模块的分析和设计，提出一种电 子节目指南的实现方案，设计软件的整体框架和模块分析、定义相关的数据结构 和操作函数，并在系统中实现该方案。 5、 在实现传统电子节目指南应用的基础上， 提出了交互式电子节目指南的实 现方案，讨论了基于交互式电子节目指南的主要应用，并提出了一种家庭数码机 顶盒模型。 本论文共分为 6 章，各章的主要内容如下: 第一章讨论了选题的背景和数字电视在国内外的发展现状，明确了论文的研 究内容和方向。 第二章介绍了机顶盒的产生、 工作原理、 软硬件体系结构以及软件开发环境。 第三章分析了软件系统中使用的多任务实时内核 stlite/os21 的原理。 重点 讨论了与本文密切相关的任务及其调度、内存分配策略、信号量、消息队列等。 第四章介绍了解复用的工作原理，并提出简易的解复用设计方案，在此基础 上探讨了电子节目指南的功能、 信息组成等。 其中重点分析了 mpeg-2 的 psi 信息 规范和 dvb-si 信息规范，以及电子节目指南设计中的重点问题。 第五章结合本论文实际情况，提出电子节目指南的具体设计，对整体框架进 数字电视机顶盒应用的研究与实现 6 行了分解， 设计并实现了其中的各个模块。 提出交互式电子节目指南的实现模式， 讨论了基于交互式电子节目指南的主要应用， 并提出了一种家庭数码机顶盒模型。 第六章对全文进行总结及提出以后工作的展望。 中南民族大学硕士学位论文 7 第二章第二章 机顶盒体系结构和软硬件开发环境机顶盒体系结构和软硬件开发环境 2.1 电视机顶盒 2.1 电视机顶盒 对于机顶盒（stb，set-top-box） ，目前没有标准的定义，从广义上说，凡是 与电视机连接的网络终端设备都可称之为机顶盒。过去电视机顶盒主要是基于有 线电视网络的模拟频道增补器和模拟频道解码器。从狭义上说，电视机顶盒是信 息家电之一，它是一种能够让用户在现有模拟电视上，观看数字电视节目，进行 数字化娱乐、教育和商业化活动的消费电子产品。 2.1.1 机顶盒的分类 2.1.1 机顶盒的分类 下面我们讨论机顶盒的分类： 数字电视机顶盒。主要功能是使模拟电视机能够接收数字电视信号，目前主 要包括卫星数字机顶盒，地面数字机顶盒和有线数字电视机顶盒。 网络电视机顶盒。 主要功能是接收 ip 网络的数据， 使模拟电视机能够浏览互 联网，并能获取互联网上的资源。 双模机顶盒。这是数字电视机顶盒和网络电视机顶盒的结合 9。 2.1.2 数字电视机顶盒的产生 2.1.2 数字电视机顶盒的产生 目前全国大部分地区已经开始有线电视的数字化转换，数字电视资源日益丰 富。 但全国大部分用户所使用的电视机依然是模拟电视机， 不能直接处理数字音/ 视频信号，这就需要一个将数字电视信号转换成模拟信号的变换设备。这样既能 有效的利用已有的有线电视网资源，也不用更换终端显示设备，对于用户和广电 运营商来说，无疑是数字电视整体平移的最好方案。数字电视机顶盒就在这种情 况下产生的，它势必在推动信息产业数字化方面发挥举足轻重的作用。 2.1.3 数字电视机顶盒的定义和功能 2.1.3 数字电视机顶盒的定义和功能 数字电视机顶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 过数字化压缩的图像和声音信号进行解码还原，产生模拟的视频和声音信号，通 过电视显示器和音响设备给观众提供高质量的电视节目。目前的数字电视机顶盒 数字电视机顶盒应用的研究与实现 8 已成为一种嵌入式计算设备，具有完善的实时操作系统，提供强大的 cpu 计算能 力， 用来协调控制机顶盒各部分硬件设施； 此外它还提供易操作的图形用户界面， 如增强型电子节目指南系统， 给用户提供图文并茂的节目介绍和背景资料。 同时， 机顶盒具有“傻瓜计算机”能力， 这样通过内部软件功能和对网络稍加改造， 很 容易实现诸如因特网浏览、视频点播、家庭电子商务、电话通信等多种服务，可 谓一网打天下 10。 数字电视机顶盒的基本功能是接收数字电视节目、处理数据业务和完成多种 应用。信源在进入传输网络前完成两级编码，一级是传输用的信道编码，另一级 是音视频信号的信源编码和将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。除了能 够接收数字电视节目外，机顶盒还能够进行数据广播和交互式多媒体的应用，包 括: 电子节目指南:它为用户提供了一种易操作、 界面友好、 可快速搜索访问节目 的服务。同时，电子节目指南提供分类功能，帮助用户浏览和选择各种类型的节 目。 数据广播:dvb 的数据广播规范具有很强的数据业务支持能力。 机顶盒实现对 数据广播业务的支持，其作用类似一个在用户家中的数据通信网关。机顶盒只是 对数据进行解复用实现数据分流，将相应的数据传送给处理终端。通过数据广播 业务，可以为用户提供股市行情、票务信息、电子报纸、天气预报等各种信息服 务。 因特网接入和电子邮件:数字电视机顶盒通过内置的电缆调制解调器便可实 现因特网接入功能。用户可通过机顶盒内置的浏览器上网，发送电子邮件。 nvod (near video on demand，准视频点播)和 vod（video on demand，视 频点播） :可以让用户在所希望的时间收看需要的节目。 有线电视机顶盒利用交互 式的数据信道和广播信道，为实现该功能提供了理想的技术基础。 软件在线升级:数据广播服务器将升级软件发送给机顶盒， 机顶盒识别该软件 的版本号，若发现为较高版本则接收运行该软件进行更新升级。 条件接收:条件接收的核心是加扰和加密， 数字电视机顶盒只需具有解扰和解 密的功能就能接收前端电视台发送的加扰和加密节目并正常播放 11。 随着数字电视和网络技术的发展，数字电视机顶盒的功能将更加完善。交互 式双向机顶盒将成为数字电视机顶盒的主流，用户在电视机上不仅能收看数字电 视，还能实现娱乐和上网，需要的条件是双向 catv（有线电视）网。 中南民族大学硕士学位论文 9 2.2 数字电视机顶盒原理 2.2 数字电视机顶盒原理 数字电视机顶盒的基本功能是接收数字电视节目。 如图 2-1 所示， 调谐模块 接收射频信号并下行变频为中频信号，然后送入 qam 解调模块进行 qam 解调，输 出 mpeg 传输流(ts，transport stream)的串行或并行数据，ts 码流是一种包含 视频、音频和数据信息的多路节目数据流，它们按照 mpeg-2 标准复用而成。解复 用模块接收 mpeg 传输流， 从中抽出一个节目的 pes(packetised elementary stream， 打包的基本流)数据，包括视频 pes、音频 pes 以及数据 pes。视频 pes 送入视频 解码模块，取出 mpeg 视频数据，并对 mpeg 视频数据进行解码，然后输出到 pal/ntsc 编码器，按照一定电视制式，编码成模拟电视信号，再经视频输出电路 输出，供模拟电视机接收。音频 pes 送入音频解码模块，取出 mpeg 音频数据，并 对 mpeg 音频数据进行解码，输出 pcm 音频数据到 pcm 解码器，pcm 解码器输出立 体声模拟音频信号，经音频输出电路输出。其中，解复用模块要从传输流中提取 psi （program specific information， 节目专用信息） 、 si(service information， 业务信息)信息，并对其进行分析，从而决定要对哪一路传输流中的哪些音视频 pes 进行处理 12。 图 2-1 数字电视广播接收解码示意图 2.3 数字有线电视机顶盒的硬件结构 2.3 数字有线电视机顶盒的硬件结构 机顶盒硬件系统一般由主芯片、内存、调谐解调器、各种智能接口、外部存 储控制器、高频头以及视音频输出、电源、机壳等几大部分构成。芯片是机顶盒 解决方案的核心技术部件， 主要进行后端信源解码处理， 通常集成有 mpeg-2 解码 器和一个 cpu。随着芯片技术的发展，越来越多的厂家将机顶盒的功能更多地集 中频 调谐 tuner mpeg 传输流 qam 解调 psi/si 分析 解复用 ram 视频 pes 分组 视频解码 音频 pes 分组 pes 分析 pcm 音频 音频解码 模拟视频 pal/ntsc 编码 模拟音频 pcm 编码 视频输出 音频输出 数字电视机顶盒应用的研究与实现 10 成在一个主芯片里，例如将 cpu、解码器、解复用器、图形处理器与视音频处理 器集成在芯片中，这样一体化的芯片解决方案，有效地降低了器件成本并提高了 可靠性。 主芯片完成的工作有:首先根据传输流所传递的标志信息对接收到的传输 流进行解复用；如果传输中有 ca（条件接收）功能，还要根据 ca 智能卡所传递 的解扰信息对节目流进行解扰， 然后将解扰后的 ts 流送到视音频解码器中分别对 其进行解码，还原成 av 信号进行输出；同时，也分离出复用在 ts 流中的各类系 统数据表，送给机顶盒处理器分别输出。调谐解调器部分的作用是将传输过来的 调制数字信号解调还原成传输流。 调谐解调器的不同就构成了不同的数字机顶盒， 例如用于qpsk解调的卫星机顶盒(dvb-s)， 用于qam解调的有线数字机顶盒(dvb-c) 以及用于 cofdm 解调的地面传输数字机顶盒(dvb-t)。 经调谐解调还原的传输流包 括视频、音频和一些数据。转换之后，再经过前向纠错，传送到解复用器;调制器 用来发送回传信号 13。 内存:机顶盒作为一个计算系统需要内存来存储指令和数据， 目前机顶盒中的 许多部件都需要内存来完成不同的任务。机顶盒中的图形引擎、视频解码和复用 都需要一定数量的内存来实现各自的功能，机顶盒设备的内存可以分为 ram 和 flash 内存。机顶盒中的 ram 均为 sdram，sdram 主要是用来存储应用数据。 flash 用来存贮机顶盒的系统软件、驱动软件、应用程序以及一些大众信息， 在系统断电时内容还可保留，同时 flash 可以通过在线的方式对其上所载的软件 进行更新，达到机顶盒软件升级的目的。 目前国内数字电视机顶盒采用比较多的主芯片是 st-microtronics 公司的 st40 系列的 sti7100 类型和 st20 系列的 sti5100 类型。st20 系列芯片主要应用 于低端机顶盒。本论文设计采用了用于 h.264 和 microsoft wma9 的低成本 hdtv 机顶盒解码主芯片-sti7109。作为 st-microtronics 公司最新的低功耗高清主流 解码芯片， sti7109 是一款增强型 st40 系列 32 位超长精简指令集的 266mhz 主频 cpu。它集成了一个 st40 系列和两个 st231 系列的内核，st40 内核用于控制芯片 的主要功能。st231 内核用于控制音频节目和 h.264 的视频解码，拥有 16 kb 的 i-cache 和 32kb 的 d-cache，拥有 16 级的中断控制器，功能非常丰富和强大，集 成了 cpu 内核、传输过滤解扰、图形引擎、解复用模块、mpeg 视/音频解码器、 pal/ntsc/secam 编码器，以及包括 usb 2.0、dvi/hdmi、数字音/视频辅助输入在 内的各种接口模块。本芯片包括传输子系统、视频/图形子系统、2d/3d 图形处理 子系统，gamma 合成与视频处理器、音频子系统、版权保护、外部接口、片上外 设等多个子系统。只需在芯片的外部辅以存储器、高频头、a/v 输出、智能卡等 模块，加以软件控制，就可以完成高清/标清数字电视的兼容接收。另外系统中配 置了 8mb flash 和 64mb sdram 14。 中南民族大学硕士学位论文 11 2.4 数字有线电视机顶盒的软件结构 2.4 数字有线电视机顶盒的软件结构 在底层硬件支持下，机顶盒软件系统采用分层结构，如图 2-3 所示。硬件层 以上分别为实时操作系统内核、 接口驱动程序和硬件/图形驱动层、 中间层模块和 上层的应用程序层。 图 2-2 机顶盒软件体系结构图 理想状态下，中间层模块往上应该和底层硬件平台隔离。开发者只需要针对 不同的硬件平台，来铺设硬件的驱动程序，操作系统接口和中间层模块。中间层 模块往上的应用可以在不同的平台之间移植。开发者也可以基于中间层模块开发 不同的新的应用 15。 实时操作系统内核 机顶盒软件系统中的嵌入式操作系统要求内核要小，要能满足机顶盒对嵌入 式操作系统的常用要求，如多任务，内存和中断管理，系统实时性控制等功能。 本文中采用的嵌入式操作系统是 32 位的 stliteos21，这是一种高效率的实时多 任务操作系统，是 st 公司为基于 st40 微处理器系列的嵌入式系统应用定制的一 个小型的实时内核， 它在 st40 系列处理器上是通用的， 从而方便了应用代码的移 植。操作系统内核充分利用了 st40 芯片本身的特性，从而为基于 os21 嵌入式系 统提供了高效的多任务环境。 硬件 api 函数 api 函数指的是在不同的硬件平台方案上提供的供开发者调用的与硬件相关 的驱动函数，这些 api 函数隔离了底层硬件和上层的软件，在 st 平台上，提供了 支持底层驱动的 stapi 函数。 这些函数主要包括硬件驱动的 api， 如 tuner， flash， sdram，eeprom，smart-card 的驱动 api 函数，还包括音视频驱动的 api 函数， 图形的 api 函数以及传输层的 api 函数等。 应用层 中间层模块 底层驱动 api 实时操作系统内核 硬件层 数字电视机顶盒应用的研究与实现 12 底层驱动 driver driver 是基于底层的 api 函数之上的硬件的驱动程序，内存管理程序等。这 些程序都是合理调用和封装底层的 api 函数，驱动整个底层硬件相互配合协调工 作。作为中间层需要的底层的接口，应该让 driver 层接口的定义尽量规范，以便 在不同的平台实现。 中间层模块 中间层模块在整个软件体系中处于十分重要的地位，在概念和作用上和中间 件有些类似。这就需要中间层模块的设计重点考虑平台无关性、体系结构的合理 性、充分的可扩展性和可维护性，尽量做到为适应不同的硬件平台所做的修改尽 可能的少，针对不同的运营商的要求所作的修改尽可能的少。 在本论文中，中间层模块主要设计了以下几个子模块: app 管理调度的系统程序(maintask)； epg 管理调度模块 (epgtask)； 播放及搜索管理调度模块(posttask)； tuner 管理调度模块(dmdtask)。 上层应用模块 上层应用程序指在中间层模块之上，利用中间层模块的接口来开发的针对用 户要求的不同的应用程序。上层应用和中间层模块一样，都是隔离于不同的硬件 平台之上的，可以随着中间层模块移植到不同的硬件平台之上。 在本论文中，为机顶盒软件系统设计的上层应用程序主要有: 日常节目观看应用程序(dtv)； 电子节目指南应用程序(epg)； 系统信息设置的应用程序 (systemse setting)； 马赛克导航的应用程序(mosaic)； 浏览器移植的应用程序(browser)； 软件自动升级程序(loader)。 2.5 软件系统开发环境 2.5 软件系统开发环境 机顶盒软件的开发环境包括一台高清数字电视接收机、 一台数字电视机顶盒、 一套软件编译调试系统、一台开发用 pc、一个 pc 到机顶盒的 jtag 接口设备及数 字电视信号源。在开发环境所需要的硬件设备中，数字电视接收机用来检测机顶 中南民族大学硕士学位论文 13 盒系统音视频解码的输出结果。使用 pc 机进行软件开发，机顶盒软件的下载、运 行、调试等都在 pc 机上进行操作。pc 机与一个接口器件(jpi)相连，通过该设备 与机顶盒上的调试诊断接口 (jtag 接口)连接，并进行通信，完成程序的下装和 在线调试。pc 与机顶盒开发平台的接口，一方面，可以将来自主机的命令、数据 等经过转换传送到开发板，另一方面，也可以从开发平台的诊断控制接口读出数 据，反馈给主机，达到程序调试的目的。 图 2-3 开发环境连接图 st 公司提供的 st40 集成开发工具包是软件开发的基础， 它支持 st40 软件的 编程及通过诊断控制单元(dcu)的调试。主要特点如下: 工具包可以在 window 操作系统下进行安装使用； 提供开发工具、支持部分库函数； 提供一个可扩展的调试和代码编辑工具，通过该调试工具，可以对软件代码 进行交互式的调试诊断、跟踪等，可以在调试过程中使用断点。 stlite/os21 实时操作系统内核支持 st40 某些特殊的性能， 并有助于其软件 在不同的 st40 平台上的可移植性。 本文软件系统的开发采用模块的方式组织， 利用 make 工具来完成自动编译工 作。使用 make 工具编译的优点是:如果修改了某几个源文件，则只需要重新编译 这几个源文件;如果某个头文件被修改了，则重新编译所有包含该头文件的源文 件。这种自动编译可大大简化开发工作，避免不必要的重新编译。make 工具通过 一个称为 makefile 的文件来完成并自动维护编译工作， 这个文件含有构成程序的 各种模块或文件的依赖及要采取的适当动作，特别是它含有用于编译或再编译程 序的指令。使用这种编译方式，大大提高了软件开发的速度 910。 开发板网络调通后，设置一个 ftp 服务器，通过命令设置升级模式，如： set bootcmd tftp 0x* root.pkg; bootm 0x*设置自动从 network 拷贝 pkg, 0xxxxxxxxx 为指定程序加载的地址 set bootcmd bootm 0x*设置自动从 flash 运行模式 应用程序可直接通过网络拷贝到开发板的指定flash区域,开机boot启动后， 会直接到指定的 flash 区域加载程序。 计 算 机 usb 或网线 st micro connect jtag 接口 目 标 板 数字电视机顶盒应用的研究与实现 14 2.6 本章小结 2.6 本章小结 本章介绍了数字电视机顶盒的功能、工作原理和软硬件结构。结合本论文的 研究重点，详细剖析了软件系统的体系结构，最后介绍了软件开发环境。 中南民族大学硕士学位论文 15 第三章 stlite/os21 实时内核的研究 第三章 stlite/os21 实时内核的研究 数字电视机顶盒具有复杂的软件系统。在一定意义上讲，就是一个复杂的计 算机系统，因此操作系统是必不可少的。相对通常意义上的计算机操作系统，数 字电视机顶盒操作系统应具有更高的稳定性和实时性。 机顶盒采用的操作系统都是实时嵌入式操作系统，目前常用的机顶盒操作系 统主要有 uclinux、stlit/os21、vxworks 等。os21 功能没有 vxworks 和 uclinux 强大，但它是 st 公司为基于 st40 微处理器系列的嵌入式系统应用定制的一个小 型的实时内核，能更好的兼容硬件，并且在 st40 系列处理器上是通用的，从而方 便了应用代码的移植。其次该内核提供任务管理、内存管理、消息队列服务、信 号量服务、时钟和定时器管理、中断管理等功能，能满足我们一般的开发需求。 所以，我们这里选用它作操作系统。 os21 操作系统，是一个免费、轻量级、基于 os20 设计的多任务实时操作系 统（os20 针对 st20 cpu 进行开发，os21 则针对 st40 cpu 进行开发，二者在 bsp 部分存在较大不同） 。 该操作系统的内核提供了高效的多任务环境， 包括任务管理、 内存管理、消息队列服务、信号量服务、时钟管理、高精度定时器和中断处理等 内容。 在 os21 多任务系统中， 应用被划分成任意多个具有各自优先级的独立任务， 各个任务之间可以共享系统资源（如存储器、cpu 时间等） ，可以通过信号量和消 息队列进行同步和通信，每个任务在内存中都拥有独自的数据区域，广泛的实时 事件是通过中断处理程序来处理的 16。 3.1 实时内核 3.1 实时内核 os21 实时内核的基本功能是提供一个基于优先级抢占方式的多任务调度环 境。它负责管理系统中所有的任务，并提供全面的多任务服务，具体包括：各个 任务可以通过信号量和消息队列进行同步和通信；外围事件通过中断处理，并利 用信号量与任务进行通信； 任务的内存分配可由用户或 os21 系统自身来管理； 各 任务可被赋予总共 256 级的不同的优先级并根据优先级的大小进行可抢占式调 度。os20 提供了两种方式来启动内核：手动和自动方式（在编译时通过添加 -runtime os20 实现） 。os21 通常只使用手动方式来启动内核，尽管也可实现自动 启动 17。 stlite/os21 内核具有如下特点: (l)高度的硬件集成。因为 stlite/os21 内核是专门为 st40 系列微处理器设 计的，不如一般的操作系统通用，但是它充分利用了处理器的特性，使得内核得 到优化。 (2)基于 256 个优先级的多优先级抢先式调度方式。 stlite/os21 提供 256 个 数字电视机顶盒应用的研究与实现 16 任务优先级，允许为不同的任务定义不同的优先级，调度程序根据任务的优先级 别来调度。 (3)提供信号量机制。 信号量机制可以用来同步多个任务， 也可以实现系统资 源控制。 (4)提供消息队列。消息队列提供了一种任务间缓冲通信的机制。 (5)实时时钟。实时时钟为用户控制延时和定时提供了方便。 (6)中断处理。 (7)所需的内存小。stlite/os21 只需要很少的内存就可以运行。 (8)现场切换(context-switch)的时间为 6us 或更少。 (9)stlite/os21 内核在所有的 st40 处理器上都是通用的。 所有的内核调度相关库函数均定义在 kernel.h 文件中， 在应用程序的开始就 需要先调用库函数 kernel_initialize()初始化内核，然后调用 kernel_start() 启动抢占式调度内核。 3.2 任务 3.2 任务 stlite/os21 内核的基本功能是提供一个多任务环境。 多任务使得许多程序在 表面上表现为并发执行，而事实上内核是根据基本的调度