（计算机应用技术专业论文）数字电视机顶盒节目导航系统的设计与实现.pdf

首都师范大学硕士学位论文 数字电视机项盒节目导航系统的设计与实现 摘要 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。机项盒包 括硬件系统和软件系统，其中软件系统是机顶盒的灵魂，数字电视节目的接收、呈现以 及其他业务的实现，都需要软件系统来完成。 电子节目指南和马赛克导航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。通过使用节目导航系统，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。 本论文是课题“有线数字电视单向机项盒”的组成部分。该课题的整体任务是研制 和开发基于s t 公司s t i 5 5 1 8 芯片方案的有线电视机项盒，为有线电视运营商定制开发 ，以推进数字电视的整体平移工作。经过一年多的开发，该机顶盒现已经投入到实际运 营中。本论文主要完成机顶盒软件系统的研究和开发。 论文的研究工作主要包含以下几个方面： 1 、深入研究了i p e g 一2 的p s i 信息以及d v b 。s i 的业务信息。这些信息构成电子节 目指南和马赛克导航应用的数据来源。 2 、研究了s t l i t e o s 2 0 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 、设计并实现了电子节目指南( e p g ) 的实现方案。通过对比e p g 的各种实现方 案和界面方案，针对本课题的实际情况，选择合理的实现方案。设计了e p g 的整体实 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 、深入研究了马赛克导航业务的工作原理。针对本课题的实际情况，提出了马赛克 导航业务的设计方案和实现方法。 关键词：数字电视，机顶盒，实时内核，电子节目指南，马赛克导航 首都师范大学硕士学位论文 数字电视机顶盒节目导航系统的设计与实现 a b s t r a c t t h ea d v a n t a g e so fd i g i t a lt vm a k ei tac e r t a i nt 1 _ e n dt h a tt h ed i g i t a lt vd i s p l a c e st h e a n a l o g u et v d u r i n gt h et r a n s i t i o n , i t st h eb e s tm e t h o dt h a tr e c e i v e st h ed i g i t a lt vp r o g r a m s u s i n gt h es e t t o p b o x ( s t s ) t h es t b i sc o m p o s e do f h a r d w a r es y s t e ma n ds o f t w a r es y s t e m , a n dt h es o f t w a r es y s t e mi so ft h em o s ti m p o r t a n c e ，b e c a u s eo n l yb yt h es o f t w a r e , t h et vc a n r e c e i v ea n dd i s p l a yt h ep r o g c a ma n do t h e ri n f o r m a t i o ns e r v i c e sc a n r u n n o r m a l l y t h ee l e c t r o n i cp r o g r a mg u i d e ( e p g la n dt h em o s a i cn a v i g a t i o na r ev e r yi m p o f t a n tt o d i g i t a lt v , a n dt h e ya r et h ed o o ro fe n t e rt h ed i g i t a lp r o g r a m u s i n gt h en a v i g a t i o ns y s t e m ， y o uc a nb r o w s ea n ds e a r c ht h ep r o g r a my o un e e d , a n dc a nk n o wm o r ei n f o r m a t i o na b o u t p r o g r a ma n do t h e rs e r v i c e s t h i sp a p e ri sa p a r to fr e s e a r c hp r o j e c th i g hd e f i n i t i o nd i g i t a lc a b l e ivs e t - t o p - b o x t h em a i nt a s ko ft h i sp r o j e c ti st od e v e l o pah i 曲d e f i n i t i o nd i g i t f lc a b l et vs t bb a s e do n t h es t i 5 518c h i pf r o mc o m p a n yo fs t m i e r o e l e c t r o n i c s t h es t bi sd e s i g n e df o rac a b l et v m a n a g e m e n td e p a r t m e n t t h es t b i su s e di ns e v e r a lc i t i e s t h em a i nt a s ko ft h i sp a p e ri st o r e s e a r c ha n dd e v e l o pt h es o f t w a r ew h i c hr o l l si ns t b t h ew o r k so f t h i sp a p e ri n c l u d e ： 1 r e s e a r c ht h ep s ii n f o r m a t i o no fm p e g 2a n dd v b s i t h ei n f o r m a t i o ni st h ed a t a s o u r e 它o f e p ga n dm o s a i c 2 r e s e a r c ht h ew o r ka n du s em e t h o do fs t l i t e o s 2 0r e a l - t i m ek e r n e l t h ek e r n e lc a l l p r o v i d et h es e r v i c es u c ha st a s km a n a g e m e n t , m e m o r ym a n a g e m e n t ，s e m a p h o r e s , m e s s a g e q u e u e s ，a n dt i m e r s ，i n t e r r u p th a n d l i n g 3 d e s i g na n dd e v e l o pt h ee p gs e l e c tt h eb e s ts c h e m ef o rt h ep r o j e c tf r o mt h es e v e r a l s c h e m e s d e s i g nt h es y s t e m i cs e l l w a r e , a n dd e v e l o pt h em o d u l e s 4 r e s e a r c ht h em o s a i cn a v i g a t i o n ，a n db n gf o r w a r das c h e m et od e v e l o pt h em o s a i c n a v i g a t i o ns o f t w a r e k e y w o r d s ：d i g i t a lt v , s e t - t o p b o x ，r e a l t i m ek e m e i ，e p qm o s a i cn a v i g a t i o n i l 首都师范大学硕士学位论文数字电视机顶盒节目导航系统的设计与实现 第一章引言 1 i 数字电视的概念和特点 数字电视( d t v ，d i g i t a lt e l e v i s i o n ) 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 f 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“1 。 按图像清晰度划分，数字电视可以分为高清晰度电视( h d t v ) 、标准清晰度电视( s d t v ) 和普通清晰度电视( l d t v ) 三种。三者区别主要在于图像质量和信道传输所占带宽的不 同。从视觉效果来看，高清晰度电视的图像达到1 0 0 0 线以上，图象质量可达到或接近 3 5 m m 宽银幕电影的水平；标准清晰度电视的图像在5 0 0 - - 6 0 0 线之间，主要是对应现有 电视的分辨率量级，其图象质量为演播室水平；普通清晰度电视的图像在2 0 0 - - 3 0 0 线 之间，主要对应现有v c d 的分辨率量级”1 。 与传统的模拟电视相比较，数字电视的特点主要体现在以下几点： l 、数字电视的图像更加清晰，声音效果更加逼真。因为数字信号在传输过程中基 本不产生新的噪声，即信噪比基本不变，所以在数字信号传输过程中，不会降低信噪比。 而模拟信号在传输过程中噪声逐步积累，每次都可能引入新的杂波，为了保证最终输出 有足够的信噪比，就必须对各种处理设备提出较高信噪比的要求。 2 、更丰富的频道内容。原来的模拟电视一个频点只能对应一个模拟电视节目，而 由于采用了复用技术和先进的数字压缩技术，可以在以往一套节目8 i h z 的频道带宽内 传输6 - 8 套数字电视节目，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。1 。 # 3 、由于运用了数字技术，可以较容易的对节目进行加解密和加解扰，便于拓展各 项需要收费的业务和其他信息服务。 4 、因为数字信号只有0 和1 两种电平，易于实现信号的存储，而且存储时间与信 首都师范大学硕士学位论文 数字电视机顶盒节目导航系统的设计与实现 号的特性无关。大规模集成电路的发展，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，可靠性增强而且成本降低。 5 、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。 这些优点使得数字电视具有强大的生命力和光明的前景。数字电视必将在不远的未 来最终取代现有的模拟电视。 1 2 数字电视的发展现状 1 2 1 国外数字电视的发展 自上世纪9 0 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。他们对我国的数字电 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。1 9 9 6 年1 2 月，美国联邦通信委员会( f c c ) 正式确定采用a t s c 作为美国数字电视地面广播标准。1 9 9 8 年美国开始试播全数字高清 晰度彩色电视。f c c 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n t s c 频道增加一个h i ) t v 。从1 9 9 8 2 0 0 3 年，美国的数字电视发展己初具规模。 现有有线数字电视用户2 0 0 0 万户，卫星数字电视用户1 5 0 0 万户，地面数字电视覆盖率 达9 9 瑚。 。 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d v b ，这为 世界其他各国制定相关标准提供了依据和参考。d v b 标准规定数字电视系统使用统一的 m p e g - 2 压缩方法和m p e g - 2 传输流及复用方法；在调制方式上，卫星广播采用q p s k ，有 线电视采用q a m ，而地面广播则倾向于c o f d m 。1 。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1 0 0 0 万户，计划2 0 1 0 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i ) v b 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i s d b ， 首都师范大学硕士学位论文数字电视机硕盒节目导航系统的设计与实现 并确定为日本今后的数字电视地面广播标准。日本计划到2 0 1 1 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2 0 0 1 年开始 正式开播数字电视，韩国在汉城进行地面数字电视试验之后，决定采用美国的a t s c 标 准。并已于2 0 0 3 年在6 个城市开展地面数字电视业务，到2 0 0 4 年推广到全部省会城市。 韩国计划2 0 1 0 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备工作，计划2 0 0 8 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嘲。 1 2 2 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。 我国自2 0 世纪8 0 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h d t v 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。 1 9 9 5 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 ( h d t v ) 研究总体组，1 9 9 6 年7 月启动詹九五”国家重大科技产业工程项目”h d t v 功能 样机研究。1 9 9 8 年6 月，成勃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h d t v 系统。1 9 9 9 年国庆利 用h o t v 系统成功地进行了5 0 周年大庆活动的实况h d t v 转播。 数字电视的技术研究、标准制订是一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”】。2 0 0 6 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 8 12 0 0 7 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。 首都师范大学硕士学位论文数字电视机顶盒节目导航系统的设计与实现 目前，我国有线电视数字化工作已经从试点阶段到全面推广的新阶段。全国已有2 5 个城市完成了有线电视数字化整体转换，有线数字电视用户1 2 6 6 万叫。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，分2 0 0 5 年、2 0 0 8 年、：2 0 1 0 年、2 0 1 5 年四个阶段： 。第阶段：到2 0 0 5 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2 0 0 8 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2 0 1 0 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2 0 1 5 年，西部地区县级城市的有线电视基本完成向数字化过渡“。 1 3 课题的来源和意义 1 3 1 课题来源 本课题来源于学校与某有线电视运营商共同设计研发的一款有线电视数字机顶盒 项目。本方案机顶盒主芯片采用s t i 5 5 1 8 ，内部集成有s t 2 0 c 2 + 主c p u 、d v b 解复用解扰 模块、音视频解码单元、数字视频编码器、各种接口等。s t i 5 5 1 8 是一款集成了高性能 3 2 位c p u ，专门用于d v b 传输解复用、解扰和m p e g - 2 音视频解码的专用集成电路，它 支持a n s i c 编译器和多线程，指令集简单，支持高级语言1 。该方案最大的特点是成本 低，性价比高“”，适合于城市数字电视的整体平移。其结构框图如图1 1 所示。在本课 题中，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。本人主要参与了 机顶盒软件系统的研究和开发。目前该课题的软硬件系统已经设计开发完毕，并得到了 实际的应用。 4 首都师范大学硕士学位论文数字电视机顶盒节目导航系统的设计与实现 1 3 2 课题意义 图1 ，1s f i 5 5 1 8 方案结构框图 我国2 0 0 0 年制定的广播影视科技“十五”计划和2 0 1 0 年远景规划明确提出： 到2 0 1 0 年全面实现数字广播电视，2 0 1 5 年停止模拟广播电视的播出“。而按照北京奥 组委对国际奥委会的承诺，2 0 0 8 年北京奥运会将采用高清数字电视技术进行转播。按照 国家广电总局的规划，我国将于2 0 0 8 年全面推广数字高清电视的地面传输。目前，数 字电视节目在我国的许多省市已经开始试播并逐步推广。 我国现有有线电视用户i 亿户，模拟电视4 7 亿台。我国主要大中城市有线广播电 视网已经基本实现了节目采集、制作、播出的数字化，卫星和光缆干线也基本实现了数 字信号的传输。但是在接收环节，由于用户电视机还是模拟的，无法直接接收数字节目 已经成为影响广播电视数字化的瓶颈。目前，要将所有的模拟电视都改换成能够直接接 收数字信号的电视接收机还需要一段过渡时期。在当前阶段，实现有线电视数字化，最 好的办法就是将接收环节的电视机上装上机顶盒，能够接收数字信号，从而使数字电视 信号畅通无阻，实现全程数字化。 1 4 论文的主要研究内容和组织结构 1 4 i 论文的主要研究内容 本课题的总体任务是研制和开发符合d v b c 标准的高清晰数字电视机顶盒。在本课 题中，使用s t 公司的s t i 5 5 1 8 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。本课题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、马赛克导航等功能。本课题研制的机顶盒已经投入运营。 首都师范大学硕士学位论文 数字电视机顶盒节目导航系统的设计与实现 本论文的主要研究工作包括： l 、深入研究数字电视机顶盒的工作原理，软件系统中各层次的关系和作用。 2 、分析和研究s t 公司提供的多任务实时操作系统内核s t l i t e o s 2 0 。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m p e 6 2 中的p s i 信息规范以及d v b - s i 信息规范。重点分析其中各个 信息表和它们之间的关系。 4 、根据本课题的实际情况，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e p g 的数据结构和操作函数，并在系统中实现该方案。 5 、提出马赛克应用的实现方案，并实现该方案，从而证实了该方案的可行性。 1 4 2 论文的组织结构 本论文共分为七章，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工作原理、软件体系结构以及本课题的软件开发环境。 第三章分析了软件系统中使用的多任务实时内核s t l i t e o s 2 0 的原理。重点讨论了 与本课题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。 第四章探讨了电子节目指南的功能、信息组成等。其中重点分析了m p e g 一2 的p s i 信息规范和d v b - s i 信息规范。 第五章结合本课题实际情况，提出电子节目指南的设计方案。设计了e p g 的整体实 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 第六章重点讨论了本课题中的马赛克导航业务的原理以及在系统中的实现方法。 第七章对全文的总结及以后工作的展望。 6 首都师范大学硕士学位论文数字电视机项盒节目导航系统的设计与实现 第二章机顶盒体系结构和软件开发环境 2 1 数字电视机顶盒的功能 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的解析。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，接收端机项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o ”。机顶盒外观如图2 1 所示。 图2 1 机顶盒外观 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 功能，包括： 电子节目指南( e l e c t r o n i cp r o g r a mg u i d e ，e p g ) ：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方式。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：d v b 的数据广播规范具有很强的数据业务支持能力，机项盒实现对数据 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 f 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。也可以提供各种接 口与p c 相连，使用p c 接入因特网。 准视频点播( n e a rv i d e o0 nd e m a n d ，n v o d ) ：可以让用户能在所希望的时间收看 7 首都师范大学硕士学位论文 数字电视机顶盒节目导航系统的设计与实现 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，数字电视机顶盒只具有解扰和解密的功 能使前端电视台发送的加扰和加密节目能正常播放。 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。 根据传输媒体的不同，数字电视机顶盒可分为有线数字电视机顶盒、地面数字电视 机顶盒和卫星数字电视机顶盒三种，三种机顶盒硬件结构的区别主要在解调部分。日前 应用较为广泛的是有线数字电视机顶盒和卫星数字电视机顶盒。 2 2 机顶盒的硬件结构 数字电视机顶盒包括硬件和软件两部分。硬件提供数字电视机项盒的硬件平台，实 现音视频的解码。在数字电视技术中，软件技术比硬件占有更为重要的位置，因为电视 节目内容的重现、操作界面的实现以及数据广播业务的实现等都需要软件系统来实现 i 踟 口 机顶盒硬件结构大体上可以分成两部分：信道解码部分和信源解码部分。信道部分 即前端，负责对数字电视信号进行接收解调和信道解码。针对不同的信道可以配以不同 的信道解调解码器。目前，信道部分主要有三种，即卫星、有线和地面传输。在d v b 标 准中卫星传输采用q p s k 方式调制，有线传输采用q a m 方式调制，地面传输则采用c o f d m 方式。信源解码部分也称后端，它主要完成从t s 流输入到解码后的音、视频输出之间 的所有功能，包括传输流解复用、音频解码和视频解码等，是机顶盒的核心部分。有线 电视机顶盒硬件框架如图2 2 所示“”，硬件实物图如图2 3 所示。 首都师范大学硕士学位论文数字电视机顶盒节目导航系统的设计与实现 图2 2 有线电视机顶盒硬件框架图 图2 3 有线电视机项盒硬件实物图 2 3 机顶盒的工作原理 当电视信号到达数字电视的接收端，机顶盒中鲥调谐模块接收射频信号并且下行变 频为中频信号，然后进行a 9 转换为数字信号，再送入解调模块进行解调，输出i p e 6 - 2 格式的传输流的串行或并行数据。解复用模块接收t s 流，从中分解出某个节目的p e s 数据，包括视频p e s 、音频p e s 和数据p e s 。解复用模块包含一个解扰器，可以将加扰 ； 过的p e s 解扰，输出正常的p e s 。视频p e s 送入i p e g - 2 解码器，解码再经视频输出电路 输出。音频p e s 送入音频解码器，经过音频电路输出 1 7 o 机顶盒的工作原理图如图2 4 所示。 首都师范大学硕士学位论文数字电视机顶盒节目导航系统的设计与实现 射频信号中频信号t s 流 图2 4 机顶盒工作原理 2 4 数字电视机顶盒的关键技术 2 4 1 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 有线电视网络中传输数字电视及各类增值业务采用q a m 信道调制技术。相应地，数字 电视机项盒对信道解调也采用q a m 信道解调技术。 2 4 2 信源解码技术 模拟信号的数字化使信息量激增，必须采用相应的数据压缩标准。数字电视广播广 泛采用m p e g 2 视频压缩标准，音频则有a c 3 和m p e g 2 两种标准。信源解码器必须 适应不同编码策略，正确还原原始视音频数据。 2 4 3 解复用技术 目前的数字电视复用技术般采用m p e g 2 标准。从前端设备信息的流向来看，它 将视频、音频、数据等编码器传送的数据比特流进行数据分组，经处理复合成单路串行的 比特流，送给信道进行编码及调制。接收端处理过程正好与此相反。因为传流中除了包 含节目的音视频数据外，还包含s i 信息和其他信息等。解复用提供两个重要的功能， 一是选择频道，相当于一个数字调谐器；另一个功能是从传输流中提取用户所感兴趣的 数据。 l o 首都师范大学硕士学位论文数字电视机项盒节目导航系统的设计与实现 2 4 4 条件接收技术 条件接收( c o n d i t i o n a c c e s s ，c a ) 的基本原理是对数字电视节目进行加解扰和加解 密处理，采用加扰控制字加密传输的方法，用户端利用l c 卡解密。在m p e g 传输流中， 与控制字( c w ) 传输相关的数据流有两个：授权控制信息( e c m ) 和授权管理信息( e m m ) 。 由业务密钥( s k ) 加密处理后的控制字在e c m 中传输。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前要经过用户个人分配密钥( p d e ) 的加密处理。 e m m 中还包括地址、用户授权信息等。 用户端数字电视机项盒为了再生出解扰伪随机序列，必须获取相关的条件接收信息， 机顶盒从接收到的传输流中滤出e c m 和e m m 数据流后，通过s m a r tc a r d 接口送给 s m a r tc a r d ，s m a r tc a r d 读取p d k ，利用p d k 对e m m 解密，取出s k ，此后利用s k 对e c m 解密，取出c w ，并将c w 通过s m a r tc a r d 接口送给解扰引擎，解扰引擎利用 c w 即可将已加扰的传输流进行解扰“”。 5 机顶盒的软件体系结构 在底层硬件支持下，机顶盒软件系统采用分层结构，如图2 5 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。 应用层 中间层模块 底层驱动 a p i 实时操作系统内核 硬件层 图2 5 机顶盒软件体系结构； 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，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。 首都师范大学硕士学位论文数字电视机顶盒节目导航系统的设计与实现 2 5 1 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，如多线程，内存和中断管理，系统实时性控制等功能。本课题中采用 的嵌入式操作系统是3 2 位的s t l i t c _ o s 2 0 ，这是一种高效率的实时多任务操作系统，是 s t 公司为基于s t 2 0 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 s t 2 0 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 s t 2 0 芯片本身的特性，从而为基于s t 2 0 嵌入式系统提供了高效的多任务环境。 2 5 2 硬件a p i 函数 a p i 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硬件相关的驱动函 数，这些a p i 函数隔离了底层硬件和上层的软件。在s t 平台上，提供了支持底层驱动 的s t a p i 函数。这些函数主要包括硬件驱动的a p i ，如t u n e r ，f l a s h ，s d r a m ，e 2 p ，s m a r t c a r d 的驱动a p i 函数等。还包括音视频驱动的a p i 函数，图形的a p i 函数以及传输层的a p i 函数等。 2 5 3 底层驱动d r i v e r d r i v e r 是基于底层的a p i 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a p i 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d r i v e r 层接口的定义尽量规范，以便在不同的平台实现。 2 5 4 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层件有 些类似。这就需要中间层模块的设计上，要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。 在本课题中，中间层模块主要设计了以下几个子模块： a p p 的管理调度的系统程序( a p pm a n a g e r ) 。 首都师范大学硕士学位论文数字电视机顶盒节目导航系统的设计与实现 频道搜索和节目信息的数据库的管理模块( s id b ) 节目切换的调度和管理模块等( s s ) 用户界面支持( u i ) 其他还包括多语言管理模块、e e p 和f l a s h 的文件系统，系统资源的存储和管理 模块等。 2 5 5 上层应用程序 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， 可以随着中问层模块移植到不同的硬件平台之上。 在本课题中，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( d t v ) 电子节目指南应用程序( e p g ) 系统信息设置的应用程序( s y s t e ms e t t i n g ) 马赛克导航的应用程序( m o s a i c ) 浏览器移植的应用程( b r o w s e r ) 益智游戏的应用程序( g a m e ) 软件自动升级程序( l o a d e r ) 2 6 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p c 、一个p c 到机顶盒的j t a g 接口设备及数字电视信 号源。如图2 6 所示。 图2 6 机顶盒软件开发环境 首都师范大学硕士学位论文数字电视机顶盒节目导航系统的设计与实现 在开发环境所需要的硬件设备中，数字电视接收机用来捡测机顶盒系统音视频解码 的输出结果。使用p c 机进行软件开发，机顶盒软件的下载、运行、调试等都在p c 机 上进行操作。p c 机与一个接口器件( j p i ) 相连，通过该设备与机顶盒上的调试诊断接口 ( j t a g 接口) 连接，并进行通信，完成程序的下装和在线调试。p c 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。 s t 公司提供的s t 2 0 集成开发工具包是本课题软件开发的基础，它支持s t 2 0 软件 的编程及通过诊断控制单元( d c u l 的调试。主要特点如下： 工具包可以在w i n d o w 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， 行交互式的调试诊断、跟踪等，可以在调试过程中使用断点。 s t l i t e o s 2 0 实时操作系统内核支持s t 2 0 某些特殊的性能， 不同的s t 2 0 平台上的可移植性。 可以对软件代码进 并有助于其软件在 本课题软件系统的开发采用模块的方式组织，利用m a k e 工具来完成自动编译工作。 使用m a k e 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。m a k e 工具通过一个称为m a k e f i l e 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。 2 7 数字电视机顶盒的发展趋势 硬件方面，机顶盒内置的c p u 性能将越来越强大；存储器容量越来越大；音视频解 码器将支持同时解码多个节目；图形功能越来越强大，将从简单的o s d 显示发展为强 ： 大的2 d 、3 d 图形引擎；电缆讶制解调器功能更加完善，以支持高速因特网接入和电子 邮件，并将w e b 页面与视频有机地融合。 机顶盒将支持越来越多的应用软件，并且可下载的应用越来越多。这些应用包括电 子节目指南、按次付费收看、立即按次付费收看、准视频点播、数据广播、因特网接入、 1 4 首都师范大学硕士学位论文数字电视机顶盒节目导航系统的设计与实现 电子邮件、视频点播及口电话和可视电话等。其它许多新的应用也会不断涌现。 在机顶盒的软件方面，标准化的中间件产品将进一步发展，用户将可以共享丰富的 应用软件。 外部接口将更加丰富，可以利用机项盒建立家庭网络，将机顶盒与p c 、打印机、 d v d 机等数字设备连接起来，并通过内置的电缆调制解调器与因特网相连，真正地成 为信息家电。 机顶盒将给用户提供更具个性化和方便的导航系统，机顶盒将可以跟踪用户的观看 习惯，扫描宽带网络中的各种数字服务，给用户显示节目和服务的建议时间表。 2 8 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。结合本课题的研究重 点，详细剖析了软件系统的体系结构，最后介绍了本课题的软件开发环境，并分析了机 项盒的发展趋势。 首都师范大学硕士学位论文数字电视机顶盒节目导航系统的设计与实现 第三章s t l i t e o s 2 0 实时内核的研究 数字电视机项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，数字电视机项盒 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u c l i n u x 、s t l i t e o s 2 0 、y x w o r k s 等“”。本课题中使用的是s t 公司的s t l i t e o s 2 0 实时内核，这是一种高效率的实时多任务操作系统，是s t 公司为基于s t 2 0 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s t 2 0 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s t 2 0 芯片本身的特性，从而为 基于s t 2 0 嵌入式系统提供了高效的多任务环境。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 1s t l i t e o s 2 0 内核的特点 s t l i t e o s 2 0 内核具有如下特点： ( 1 ) 高度的硬件集成。因为s t l i t e o s 2 0 内核是专门为s t 2 0 系列微处理器写的，因 此它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1 6 个优先级的多优先级抢先式调度方式。s t l i t e o s 2 0 提供1 6 个任务优先 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。s t l i t e o s 2 0 只需要很少的内存就可以运行。 ( 8 ) 现场切换( c o n t e x ts w i t c h ) 的时间为6 u s 或更少。 ( 9 ) s t l i t e o s 2 0 内核在所有的s t 2 0 处理器上都是通用的。 1 6 首都师范大学硕士学位论文数字电视机顶盒节日导航系统的设计与实现 3 2s t l i t e o s 2 0 内核的启动 在机顶盒软件系统启动前，s t l i t e o s 2 0 内核必须首先被启动，内核启动时使用函数 k e r n e l _ i n i t i a l i z e 0 和k e r n e l _ s t a r t 0 。因此需要在m a i n 0 函数的最前面执行以下代码： i f ( k e r n e l _ i m t i a l i z e0 净o ) p r i n t f ( e r r o r ：i n i t i a l i s e k e r n e l _ i n i t i a l i z ef a i l e d n 3 ；，内核初始化 e x i t ( e x i tf a i l u r e ) ； i f ( k e m e l _ s t a r t01 = o ) 内核启动 p r i n t f ( e r r o r ：i n i t i a l i z e 。k e r n e l _ s t a r tf a i l e d 、n 3 ； e x i t ( e x i t _ f a i l u r e ) ； 3 3 任务及其调度 s t l i t e o s 2 0 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算法使它们分段执行。一个任务描 述了应用程序中的一个离散的、独立的代码段的行为。任务除了能与其他的任务通信外， 其他行为与独立的程序类似。新的任务可以由已存在的任务动态创建。 3 3 1 任务的组成 在s t l i t e o s 2 0 中一个任务由数据结构，一个堆栈和一段代码组成。一个任务的数 据结构称作它的状态。堆栈用作函数的局部变量和参数空间。在s t l i t e 0 s 2 0 中，任务 的状态被分成两部分，它们包括以下元素啪1 ： ( 1 ) 动态状态( d y n a m i cs t a t e ) ：定义在任务描述子数据结构t d e s c t 中，c p u 直 接用这些数据来控制任务。这个结构中最重要的元素是m a c h i n er e g i s t e r s ，尤其是 i p t r ( 指令指针) 和w p t r ( 工作区指针) 。当任务运行的时候，i p t r 和w p t r 是由c p u 来维 护的，当任务没有运行的时候，它们就存储在t d e s c t 中。 酋都师范大学硕士学位论文 数字电视机顶盒节目导航系统的设计与实现 ( 2 ) 静态状态( s t a t i cs t a t e ) ：定义在t a s k t 数据结构中。s t l i t e o s 2