（计算机软件与理论专业论文）数字电视实时系统研究与用户接口模块实现.pdf

数字电视实时系统研究及用户接口模块实现 摘要 电视技术的数字化使电视、电信和电脑的三网合一成为可能，所以数字电视技 术是电视技术的发展方向。数字电视技术也是嵌入式技术在电视领域的典型应用。 国内数字电视技术研究起步比较晚，在市场需求的引导下，研究更多关注于具体功 能模块的研究，如条件接收系统。因此，研究数字电视的内核技术成为迫切需要。 传统模拟电视中通常只采用控制命令来调度程序，而数字电视的功能和任务相 对增多，需要实时系统来控制。数字电视系统主要处理屏幕定时刷新、节目周期更 新和键盘事件处理等实时任务。本文只把实时操作系统中必需的部分放入数字电视 的内核中，根据数字电视实时系统周期性任务和事件性任务的特点进行修改，从而 提高了数字电视实时系统的性能。 由于数字电视在国内还没有确定的统一标准，导致数字电视系统各不相同，因 此需要提高数字电视实时系统的可移植性。本文引入嵌入式系统分层结构方法，用 硬件抽象层把硬件驱动层和应用层分开，使应用软件脱离硬件的限制。在不同硬件 上移植系统时，只需要修改硬件抽象层的接口参数即可，从而提高了系统的可移植 性。由于数字电视各功能相对独立，本文提出了基于对象的组件处理方法，把各功 能模块作为相对独立的组件，从而系统的可重构性和可扩展性。最后，本文介绍关 键模块一用户接口具体实现过程。 关键词：实时系统、数字电视、用户接口、周期任务、事件任务。 r e s e a r c ho nt h er e a l t i m es y s t e mo fd i g i t a lt e l e v i s i o na n d i m p l e m e n t a t i o no f t h eu s e ri n t e r f a c em o d u l e a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo f 谢每t a lt e l e v i s i o nm a k e st h ed i 舀t a ls o c i e t yt ob ep o s s i b l e s ot h e t e c h n o l o g yo fd i g i t a lt e l e v i s i o nw a st h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n ，w h i l ei ti sa l s ot h et y p i c a l a p p l i c a t i o no ft h ee m b e d d e ds y s t e mi nb r o a d c a s tf i e l d i no u rc o u n t r y , t h er e s e a r c h e so f d i g i t a lt e c h n o l o g ys t a r tl a t e rt h a no v e r s e a sc o u n t r y a n df o l l o w i n g 。l h er e q u e s to ft h e m a r k e t , d o m e s t i cr e s e a r c h e sf o c u so nt h ea p p l i c a t i o nm o d u l eo fd i 酊t a lt e l e v i s i o n ，s u c ha s t h ec o n d i t i o n a la c c e s ss y s t e m t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ho nr e a l - t i m es y s t e m o fd i g i t a lt e l e v i s i o n t h e r ei sn oo p e r a t i n gs y s t e mi nt r a d i t i o n a lt e l e v i s i o n w h i c hu s ec o n t r o lc o m m a n d st o m a n a g es y s t e m t h ed i g i t a lt e l e v i s i o nh a sm o r ef u n c t i o n sa n dt a s k s ，s oi tn e e d st h e r e a l - t i m es y s t e mt oc o n t r 0 1 t h ed i g i t a lt e l e v i s i o ns y s t e mh a n d l e sr e f r e s h i n gt h es c r e e n ， u p d a t i n gt h ep r o g r a ma n dr e s p o n d i n gt h ek e y p a de v e n t ，a n ds oo n s ot h i sp a p e ru s e st h e m i c r o - k e r n e lt oc o n t r o ls y s t e m ，w h i c ht a k e st h en e c e s s a r yp a r to fr e a l - t i m eo p e r a t i n g s y s t e ma si t sk e r n e l a n da c c o r d i n gt h ec h a r a c t e r so fd i g i t a lt e l e v i s i o nt om o d i f yi t s k e r n e l a tt h ep r e s e n tt i m e t h e r ei sn ou n i o n i z e ds t a n d a r di nd i g i t a lt e l e v i s i o nf ：i e l di no u r c o u n t r y , w h i c hm a k e st h ed i f f e r e n td i g i t a lt e l e v i s i o nh a v ed i f f e r e n ts y s t e m s t h e r e f o r e ， t h ep o r t a b i l i t yo fd i g i t a lt e l e v i s i o ns y s t e mn e e d st ob ei m p r o v e d t h i sp a p e ru s e st h e m e t h o do fe m b e d d e ds y s t e m w h i c hu s e st h eh a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e rt os e a r a t e 也e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea p p l i c a t i o n i fy o uw a n tt oc h a n g et h eh a r d w a r es y s t e m y o un e e d n o tt om o d i f yt h ea p p l i c a t i o nl a y e r b e c a u s eo ft h ei n d e p e n d e n c yo fs o f t w a r e ，t h i sp a p e r u s e st h em o d u l e sw h i c hb a s e do no b j e c t i o n a n dt h e ya r ei nd e p e n d e dw i t hc a c ho t h e r a t t h ee n do ft h i sp a p e r , w ei n t r o d u c et h ed e s i g n i n go ft h eu s e ri n t e f f a c em o d u l e ，w h i c h h a n d l et h ek e y p a de v e n t s k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m s ，r e a l - t i m es y s t e m s ，d i g i t a lt e l e v i s i o n ，p e r i o dt a s k , e v e n tt a s k 第一章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 随着嵌入式技术、数字信号处理技术和电视技术的发展，但是工业正酝酿着一 场大的变革数字电视变革。数字电视是未来的发展趋势，广播电视行业的数字 化将会促进三网合一( 电信网、计算机网、广播电视网) 和三电合一( 电脑、电视、 电信) ，推动数字化社会的实现。世界各国数字化进程逐步确定，我国的数字电视 进程也已启动，并已经在很多城市成功实施，如青岛、杭州等地。人们坐在电视机 前可以上网、打可视电话、点播节目。数字电视作为多媒体的发展趋势正在向r r 业靠拢，已经成为业界新的热点和重点研究方向。数字电视作为嵌入式系统的典型 应用，其中核心的实时系统更是主流研究方向。 嵌入式系统一般嵌入在机器或设备内部运行，它以应用为中心，以计算机技术 为基础，其软硬件可配置，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格约束的专用 系统。狭义而言，人们一般将埋藏在宿主设备中的专用、使用者不可见的微处理器 系统成为嵌入式系统。常见的单片机系统就是一种典型的初级嵌入式系统。 实时性是嵌入式系统的重要特性。本质上讲，嵌入式系统中的计算机总是处于 一种实时计算模式，可以认为嵌入式系统应具有某种实时特性，而大多数实时系统 都是嵌入式应用。为了保证嵌入式系统执行的实时性、可靠性，以及台理的调度多 任务和利用系统资源，嵌入式系统一般采用成熟的实时操作系统为开发平台。但在 某些特殊领域则不采用操作系统，而只采用实时操作系统的内核完成程序的调度， 从而节省了大量系统资源。如现在的数字电视系统中就普遍采用这种方案，因为数 字电视实时系统只关注周期性任务和事件性任务，所以针对这种要求而定制实时内 核。【1 】 1 1 1 嵌入式实时系统概述 实时就是要求系统及时响应外部事件的要求，在规定的时间内完成对该时间的 处理，并能控制所有实时设备和实时任务协调一致的运行。实时系统对其实时眭的 要求包含两层含义：时间上的同时发生和过程上的同时响应，也就涉及了它的两类 基本属性：可预测性和可靠性。对实时系统的第一个要求是数据识别、数据建立和 青岛大学硕士学位论文 正确响应必须在规定的时间内完成。单纯的处理速度并不是决定因素，必须考虑预 计的响应时间界限。第二个要求是对外部事件处理的同时性，即实时系统必须能进 行分布式或并行处理。这些都决定了一个系统的可靠性，对那些可能会导致数据丢 失甚至危及人身安全以及导致巨大损失的应用尤为重要。实时系统并非指“快速” 的系统，实时系统有限定的响应时间，从而使系统具有可预测性。它首先考虑的是 系统的实时性和可靠性。 实时操作系统作为一种特殊的操作系统，具有很多操作系统的共同特征：支持 多任务，基于优先级调度，要快速响应中断，进程间可以相互通信，内核尽可能地 小，保证快速得上下文切换。此外，还有一些自己的特征：任务有截止时间限制， 设计要考虑尖峰负荷，系统运行可预测，系统性能要稳定。 嵌入式实时系统的发展过程中，结构发生了很大变化。近期提出了微内核的方 法：把实时系统运行必须的部分作为内核，不可缺少，然后把其他功能作为独立的 模块，可以随意裁减。这使得核心小巧而可靠，易于r o m 固化，并可模块化扩展。 微内核体系结构中，服务模块在独立的地址空间运行，所以不同模块的内存错误被 隔离。缺点是，进程间通信和上下文切换的开销增加，对于大型内核系统来说，它 需要靠更多的系统调用来完成相同的任务。【2 】 嵌入式系统的多媒体化和网络化随着多媒体技术的发展，视频、音频信息的处 理水平越来越高，为嵌入式系统的多媒体化创造了良好的条件，嵌入式系统的多媒 体化将变成现实。它在网络环境中的应用已是不可抗拒的潮流，并将占领网络接入 设备的主导地位。嵌入式系统的智能化嵌入式系统与人工智能、模式识别技术的结 合，将开发出各种更具人性化、智能化的嵌入式系统。 1 1 2 数字电视概述 数字电视不是指模拟电视的简单数字化，它是指电视节目的采集( 摄录机、演播 室、转播车) 、后期制作( 编辑) 、发送( 播控系统) 、传输( 广播系统包括卫星传输、有 线传输和微波传输) ，到接收和显示( 数字电视机) 全过程的数字化。 数字电视( d i g i t a lt v ) 包括数字h d t v 、数字s d t v 和数字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，数字 h d t v ( 1 0 0 0 线以上) 为高清晰度电视( h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 的简称，图象 质量可达到或接近3 5 m m 宽银幕电影的水平；s d t v ( 5 0 0 6 0 0 线) 即标准清晰度电 视，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；l d t v ( 2 0 0 3 0 0 线) 即普通清晰度电视，主要是对应现有v c d 的分辨率量级。因为电视全数字化 是今后的趋势，所以目前提h d t v 以及s d t v 、l d t v 如无特别说明，均指全数字 2 第一章绪论 体制。【3 】 全数字电视系统首先是发射端实现信号数字化，经过传输系统发送到用户端， 用户端用相应的数字设备进行接收，从而收看到数字电视节目。由于电视节目数字 化后，信息量剧增，所以信源编码以及传输复用的方法都与原来的模拟方式不同。 整个广播系统如下图所示，发送端首先对视频和音频信源信号进行编码、打包和复 用，并对信号进行加扰。通过传输系统对信道编码调制发送到接收端，接收端通过 解码、解复用来恢复信号并显示。我国采用d v b 标准规范数字广播系统。对于用 户端，需要在普通模拟电视机上加用解码器( 机顶盒) 来接收数字电视信号。 l 匝叫对懂r 卧 业 i 童塑竺翌卜+ 1 嚣雾扭 务 发 i 童塑竺翌卜叫三荔墨卜叫堑皇卜+ 复 多 传输系统 射 i = ：l 用 ( l 圈- 圈 路 卫 + 道 4制1 - 星， 节 编 发 地 l 匾叫i 藿p 业 码射 面， 目 务 有 ；圈 盛陋乎 复 线 用 复 ) 圈- 圈 用 发射端 ；：至互鲤：j l + 一视频解码器1 解 电视接收机 + 一音频解码器i 复 解 调 接收端q l - - 用 器 = = i i _ 器 兰! 竺兰三 1 1 图1 1 数字电视广播系统图 青岛大学硕士学位论文 1 2 论文研究的必要。眭和意义 1 2 1 数字电视及其标准发展趋势 数字电视不是商家广告言传的数码电视、多媒体电视，数码电视，它们实际上 是采用了数字处理电路的普通电视。真正的数字电视是将传统的模拟电视信号经过 抽样、量化和编码转换成用二进制数表示的数字式信号，然后经过各种功能的处理、 传输、存储和记录，也可以用计算机进行处理、监测和控制。数字信号改变了信号 处理方式，使信号质量大大提高改变了传输方式，使传输效率大大提高。改变了信 号传输系统，可实现多种业务融合。数字解码器也是嵌入式系统在家电领域的应用， 它可以实现模拟电视向数字电视的跨越。 1 数字电视分类 数字电视的种类很多，我们平时所用的数字电视只是其中的一部分。数字电视 的分类如下： ( 1 ) 按信号传输方式可以分为：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) 类； ( 2 ) 按产品类型可以分为：数字电视显示器、数字电视机顶盒伪 码器) 、一体化 数字电视接收机； ( 3 ) 按清晰度可以分为：低清晰度数字电视l b t v ( 图像水平清晰度大于2 5 0 线) 、 标准清晰度数字电视s d t v ( 虱像水平清晰度大于5 0 0 线) 、高清晰度数字电视( 图像 水平清晰度大于8 0 0 ，即h d t v ) 。v c d 的图像格式属于低清晰度数字电视( l d l 水平、d v d 的图像格式属于标准清晰度数字电视( s d t v l 水平 ( 4 ) 按显示器屏幕幅型可以分为4 ：3 幅型比和1 6 ：9 幅型比两种类型； ( 5 ) 按扫描线数( 显示格式) 可以分为h d t v 扫描线数( 大于1 0 0 0 线) 和s d t v 扫 描线数( 6 0 0 8 0 0 线) 等。 4 】 2 数字电视发展趋势 由于从模拟电视转向数字电视需要很长的过渡时期，所以要求对原来的模拟电 视进行改装，实现接收数字信号电视，这就产生了机顶盒( s e t t o p b o x ) 。机顶盒也 就是数字电视接收解码器，它承担接收数字电视信号并将信号解码为图像的作用。 此解码器主要有两个功能，一个是将数字信号转化为模拟信号，使普通的电视能接 收数字节目；另一个功能是将数字节目实现用户管理，实现电视网、电话网、互联 网三网融合，以及视频点播，这些是它的扩展功能。 数字电视的主要发展趋势是实现交互数字电视( i d t v - i n t e r a c t i v ed i g i t a l t e l e v i s i o n ) ，现在主要实现方法是使用i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 机顶盒。它可以实现视 4 第一章绪论 频点播( v o d ) 、电视购物、电子银行、交互游戏等，解码器中通过增加中间件模 块来实现各种增值业务。这种通过上网实现交互的电视又叫口t v ( i n t e r n e tp r o t o c o l t e l e v i s i o n ) 。 i p r v 是数字电视的一种表现形式，是集互联网、多媒体、通信等多种数字技术 于一体，利用w e b 技术、通过宽带i p 网络，向家庭用户提供包括数字电视在内的 多种互动式数字媒体的一种信息服务业务。支撑其运行的是一个综合服务平台f 包括 多媒体内容平台、宽带网络平台和数字电视平台) 。i p t v 最大的特点是使电视图像 业务在高速互联网上的应用成为现实。即给宽带业务注入了电视服务内容。 i p t v 可以充分利用宽带资源，用宽带平台整合有线电视资源，为用户提供更多多 媒体信息服务的选择。 3 数字电视标准 目前数字电视还没有统一的国际标准，现行的主要有：美国的a t s c ( a d v a n c e d t e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e ) 、欧洲的d v b f d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) ：和日本的 i s d b ( i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a lb r o a d c a s t i n g ) 。d v b 标准应用最广泛，我国采用的就 是d v b 标准，已发布广电系统行业标准g y z 1 7 4 - - 2 0 0 1 。而a t s c 则只有美国等 少数国家采用，并且在a t s c 中规定了标准使用惯例，以确保与d v b 协调使用。 i s d b 则主要被日本采用，现在主要用于地面传输。 1 0 】 d v b 为数字电视广播系统提供了一个广义的技术解决方案，其核心系统可以简 单概括为：( 1 ) 系统运载m p e g - - 2 音频、视频和数据的灵活的组合：( 2 ) 使用通用的 m p e 2 传送流复用；( 3 ) 有一个通用的业务信息系统来提供节目的详细内容；( 4 ) 选 择调制与信道编码系统来满足不同的传输媒介的需要；( 5 ) 可使用通用的加扰系统和 通用的条件接收接口。d v b 标准全局构成见图1 青岛大学硕士学位论文 视频e s 阻二讪向用l ”( “- ，息卜动应丌 心丌 j 下找程j j ：i f 载程亭 l 双向应用特征l 音频e s 数据e s 匪i i 蠢：| 姗彬i 攀 铡| | | | | | | | | | i 黔! ； 瓣| | 多 d s m c c u u 协 议 i 对象集f 封 数数c 国国 传输 装 j 数据集j d v n 州井圈e m m ! “l钥 固圜 毪毪辩m p e g p e s n _ p 道 i c l ，u c p m p e g 一2p e s m pj g ss巳(：t 1 0 n 叫络层 |m p e g 垃t s ” “i i 王l 一点曩l k 二 信道编码 a t m ” p p p s d h 信道训制 = c ll p s t n i l 行部分下行部分l 旦! 型 图1 , 2 d v b 标准全局结构 目前国际上使用的三种标准的比较如下表所示。 美国a t s c 欧洲d v b日本飓d b 地面卫星 有线地面卫星有线地面 卫星有线 调制方式 8 v s b 1 6 v s b i o p s 蚓o a mz w 8 kc o f d m b p s 球a m分段c o f d 州o p s 蚓o a m 视频编码 m p e g 2呼e g 2m 呼e g 2 音频编码a c 3 m p e g 2 d 呼e g 一2 复用 m p e g _ 2m p e g 2 m 呼e g 2 最1 1 三种广播标准比较 m p e g ( m o v i n g p i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 标准 虽然各种标准不同，但是视频编码都采用m p e g 标准。m p e g 是运动图像专家 组的简称，其实质上的名称为国际标准化组织( i s o ，i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o n f o r s t a n d a r d i z a t i o n ) 和国际电工委员会( i e c ，i n t e r n a t i o n a le l e c t r ot e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 联合技术委员会( j t c ) 1 的第2 9 分委员会的第1 1 工作组，即i s o i e c j t c l s c 2 9 w g l l ，成立于1 9 8 8 年。其任务是制定世界通用的视音频编码标准。因 为，广播电视数字化所产生的海量数据对存储容量、传输带宽、处理能力及频谱资 第一章绪论 源利用率提出了不切合实际的要求，使数字化难以实现。该专家组，基于帧内图像 相邻像素间及相邻行间的空间相关性和相邻帧问运动图像的时间相关性，采用压缩 编码技术，将那些对人眼视觉图像和人耳听觉声音不太重要的东西及冗余成分抛 弃，从而缩减了存储、传输和处理的数据量，提高了频谱资源利用率，制定了如表 1 所示的一系列m p e g 标准，使数字化正在变为现实。 m p e g 一2 是一组用于视音频压缩编码及其数据流格式的国际标准。它定义了编 解码技术及数据流的传输协议；制定了m p e g ，2 解码器之间的共同标准( m p e g 2 编码器之间尚无共同标准) ，电视系统中广泛使用这个标准。m p e g 标准做为音视 频编码的国际标准，一直在不断的更新升级中。现在的m p e g 家族中有：m p e g 一1 、 m p e g 2 、m p e g 4 、m p e g 7 以及m p e g 2 1 。它们各有侧重，下表列出了他们的 功能和适用对象。 标准简称标准全称功能 目的 最高约1 5 主要包括系统、视频、音频等3 达到家用录像系统( v h s l 质 m b p s 数字存量，对于不激烈的动作图像画面 k 球e g 1 储媒体的运动 部分，具有随机存取、快速正向 视频信号能获得较好的图像质 图像及伴音编 逆向搜索、逆向重播、视听同步、 量，但如果图像对象动作激烈 容错性、编码解码延迟等功能 码标准时，图像有可能产生马赛克现象 运动图像及伴可以支持固定比特率传送、可变克服并解决m p e g 1 不能满足 音编码标准比特率传送、随机访问、信道跨日益增长的多媒体技术、数字电 n 心b g 2 ( 视频码率：4 越、分级编码、比特流编辑等功视技术对分辨率和传输率等方 1 0 m b p s ) 能面的技术要求的缺陷 视音频对象的 编码( 视频码 针对a v 对象f 自然的或合成实现低比特率下的多媒体通信， m 咿e g _ 4 的1 制定高效率的编码、组织、 以及多工业的多媒体通信的综 率： 5 k b p s ，存储、传输a v 对象 台 - 5 m b p s ) 通过定义的一组描述符与多媒 多媒体内容描体信息的内容本身相连接，支持对日渐庞火的图像、声音信息进 咿e g 7 述接口标准用户快速有效地搜索其感兴趣行管理和迅速搜索 的信息 多媒体框架标 实现多媒体组件的整合，促进数 建立一个开放的多媒体传输和 m p e g 。2 1 字对象创建、管理、传输、操作、 消费的框架，实现具有知识产权 准 管理和保护能力的数字多媒体 发布和使用中的技术协调 内容的技术标准 表1 2 m p e g 系列标准 青岛大学硕士学位论文 1 2 2 实时系统研究的必要性和意义 数字电视是嵌入式系统在多媒体领域的应用。多媒体技术是利用计算机技术把 声、文，图像等多媒体集合成一体的技术。它具有如下的主要特征：( 1 ) 交互性；( 2 ) 复合性； ( 3 ) 集成性；( 4 ) 实时性。由于多媒体系统需要处理各种复合的信息媒体， 决定了多媒体技术必然要支持实时处理。接收到的各种信息媒体在时间上必须是同 步的，其中语声和活动的视频图像必须严格同步，因此对实时性要求很高。甚至是 硬实时( h a r d w a r e r e a l t i m e ) 。例如视频会议系统的声音和图像不允许存在明显的停 顿，必须严格同步，包括“唇音同步”，否则传输的声音和图像就失去意义。 实时系统的研究分为几个方向：任务调度、任务间的同步和通信、内存管理、 中断管理、时钟管理、设备驱动等。其中实时系统的时间性能与任务的优先级有很 大关系，大部分工作集中在任务调度算法上，合理调度任务的执行以保证任务满足 截至时间要求。随着嵌入式技术和半导体技术的发展，嵌入式系统的资源越来越丰 富，从而使嵌入式系统的实时系统越来越庞大。为了便于在不同的嵌入式系统中实 时系统的移植，提出了实时操作系统，国内主要有v x w o r k s 、p s o s 、w i n c e 、q n x 等。但在数字电视领域，由于控制系统相对简单，一般采用微内核技术，把经典实 时操作系统中需要的内核部分移植到系统中，如u c o s i i ，作为控制系统。 但是，使用嵌入式实时操作系统还需要额外的r o m 瓜a m 开销，2 5 的c p u 额外负荷以及内核的费用；同时如果任务之间抢占c p u 控制权处理不好，会产生 系统崩溃、死机等严重后果；而且随着对嵌入式实时操作系统需求的增长，将越来 越多的功能添加到系统中，使其变得越来越臃肿。对许多小型或中等嵌入式设备， 尤其是对成本敏感的小型设备，使用嵌入式实时操作系统会大大增加设备的成本， 因而在本文中提出一种替代嵌入式实时操作系统的设计方法，采用简单的方法和代 码来建立一个快速、有效地系统。而且，未来是否需要实时系统将不再是一个令人 头痛地选择，因为可以将系统设计成为白包含的工作。该系统主要包括主控循环系 统，事件驱动任务，周期循环任务及软件计数器。 5 】【6 】 数字电视实现了广播网、电信网和电脑网络的互连，推进了社会的数字化，是 信息产业的未来发展方向。随着国家广播电视总局制定的我国广电行业的数字化进 程，数字电视在我国正逐步推广使用。研究嵌入式系统在数字电视中使用，提高数 字电视的性能，并为数字电视以后拓展其他业务提供服务，成为一个亟待解决的问 题。本论文的目的是架设嵌入式系统和数字电视之间的桥梁，使数字电视中使用嵌 入式系统，并扩大嵌入式系统的应用领域。 随着现代电视技术的发展，由原来的模拟标清电视已经发展到数字高清电视， 高清电视主要以平板电视为主，包括背投、液晶、等离子等。数字电视的实现不能 第一章绪论 一蹴而就，要经过一个过渡时期，从而让技术和市场成熟，这就出现了数字电视机 顶盒。所以，论文中数字电视部分包括两部分：数字电视机顶盒和平板电视。 数字电视的软件实时系统迫切需要提升性能，现在我国的数字电视软件实时系 统的研究很少。虽然国内已经生产出数字化芯片，但数字电视解码芯片的性能以及 相应的实时系统性能很弱，只能用在卫星解码器等低端产品。而我国数字电视软件 实时系统的研究更少，现在国内数字电视的生产厂家只能根据需要修改国外软件模 块的部分功能，从而实现数字电视产业化。因此，数字电视软件实时系统的研究很 有意义。 1 3 论文的内容和安排 本文主要研究嵌入式实时系统在数字电视系统中应用，通过研究数字电视实时 系统的特性及要求，分析数字电视实时系统的设计，并在用户接口实例中设计实现。 由于数字电视包含的范围很广，本文只研究数字电视接收机部分。本文中除特别声 明外，数字电视均指数字电视接收机。 论文首先论述了嵌入式系统的特性，尤其使嵌入式操作系统一实时操作系统实 时系统。然后分析数字电视和数字电视解码器的基本原理和软件系统，并分析实时 系统系统的具体应用以及软件特性。最后通过电视典型事件一按键事件，具体实现。 论文的章节安排是： 第一章绪论。概述嵌入式实时系统和数字电视的特点，并分析它们的 现状和发展方向。提出本文的研究意义和方案。 第二章数字电视实时系统研究。这部分作为论文的理论基础部分，详 细分析研究了数字电视中实时系统的要求和架构。首先论述了嵌入式实 时系统设计的特点、设计中容易存在的问题以及设计的要求和原则。然 后通过分析数字电视的硬件系统和软件系统，了解数字电视实时系统要 求和特点。最后根据数字电视实时系统的特点，阐述实时系统的架构。 第三章实时系统设计。这部分是论文研究的主体部分，具体阐述了实 时系统设计的具体实现。先分析了实时系统的整体系统设计，然后阐述 了实时系统中各关键机制，最后分析实时系统的主控制程序。 第四章用户接口模块实现。这部分是论文的研究实现部分，具体实现 了数字电视中典型任务一键盘任务的实现。键盘任务属于用户接口的一 部分，通过用户接口模块来控制实现该任务。这部分介绍了用户接口模 块和按键处理模块的实现，并通过伪代码和流程图的方式给出了具体实 现。 青岛大学硕士学位论文 第五章总结和展望。总结了论文的研究，并对以后研究方向做了论述。 第二章数字电视实时系统研究 第2 章数字电视实时系统研究 实时系统最关键的部分是实时多任务内核，它的基本功能包括任务管理、定时 器管理、存储器管理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理( 队列管理) 、信 号量管理等，这些管理功能是通过内核服务函数形式交给用户调用的，也就是实时 系统的系统调用。实时操作系统中的任务( t a s k ) 等同于分时操作系统中的进程 ( p r o c e s s ) 的概念，是操作系统调度最基本的单位。 实时操作系统的首要任务是调动一切可利用的资源完成实时控制任务，其次才 着眼于提高系统的工作效率，其重要特点是通过任务调度来满足对于重要事件在规 定时间内做出正确的响应。实时操作系统具有以下几个特点：实时性和可预知性； 多任务；可维护性和可测试性；容错性和高可靠性。 2 1 实时系统研究 2 1 1 实时系统的功能和分类 实时操作系统应具有如下的功能： 1 1 任务管理 实时操作系统，操作系统内核调度的基本单位就是任务。任务般由任务控制 块、程序区、数据区、堆栈区组成，对于多数实时操作系统来说，堆栈一般又分为 系统堆栈和用户堆栈，系统堆栈用于任务做系统调用访问系统核心时用到的堆栈， 把它从用户堆栈中独立出来，是为了保证系统核心的安全性。实时操作系统中的任 务有四种状态：运行( e x e c u t i n g ) 、就绪( r e a d y ) 、挂起( s u s p e n d e d ) 、冬眠( d o r m a n t ) 。 实时系统的最关键部分就是实时多任务内核，内核的基本服务就是任务切换。 当多任务内核切换任务时，它保存正在运行的任务的当前状态到任务栈区中，并要 运行任务的状态从栈中调入c p u 寄存器，开始运行。 2 ) 任务间同步和通信 目前，主要的实时操作系统的任务间同步和通信的机制有：消息、事件、信号量， 而部分实时操作系统仍然在沿用邮箱机制，另外一些实时操作系统提供了共享内存 的任务间通信机制。 消息机制的基本思想是任务通过系统公用的数据交换区( 包括私有消息缓冲区和 1 1 青岛大学硕士学位论文 共用消息缓冲池) 来交互任务间需要通信的信息。消息机制的系统调用一般包括消息 队列的创建、删除、接收消息、发送消息、广播消息、紧急消息。目前，大多数实 时操作系统支持的消息队列既可以是定长的，也可以是变长的。 事件机制适用于任务间需要同步，并通信的数据量不大的情况，一般说来，任 务之间的事件通信机制是可以覆盖的，即任务a 先后发送三次事件给任务b ，如果 b 还没有来得及处理的话，任务b 只需要处理一次事件就行了。事件机制的系统调 用一般包括发送事件、接收事件。目前大多数实时操作系统支持的1 6 3 2 个事件。 实时操作系统提供的信号量机制也是为了解决对于临界资源共享的加锁机制。 信号量机制提供了信号量的创建、信号量的删除、信号量的p 操作、信号量的v 操 作。实时操作系统与分时操作系统在信号量机制上有一个明显的区别，那就是优秀 的商用实时操作系统要解决信号量机制的优先级倒置的问题。 3 1内存管理 实时操作系统会借用c p u 的内存管理单元( m m u ) 来完成内存管理，实时操作系 统内存管理模式可以分为实模式与保护模式。目前主流的实时操作系统一般都可以 提供两种模式，让用户根据应用自主选择。一般说来，实时操作系统的内存管理， 还有对于内存的优化分配，以尽量减少整个系统的内存占有量的要求。 钔实时时钟服务 实时操作系统在硬件的硬时钟中断的基础上，提供了实时时钟服务。实时时钟 是系统调度的基础，也是系统定时服务器的基础。实时时钟服务一般包括定时唤醒、 定时事件机制。另外部分优秀的实时操作系统提供了定时消息机制，即应用任务f 比 喻说任务a ) 向系统定时服务器中请定时器，当定时时间到后，定时服务器返回任务 a 一条消息。相应的系统调用一般有定时器申请，定时器删除、定时器布置、定时 消息的接收一般采用消息队列的接收机制。是否提供灵活的、高精确度的定时器服 务是衡量实时操作系统功能完整性的一个重要指标。 5 1中断管理服务： 实时操作系统的中断管理有自己的特殊的要求，那就是中断处理程序要更加短 小、精悍，以减少中断禁止时间和中断延迟时间。7 1 实时系统的分类 由于实时系统在设计时与应用的关系非常强，所以有许多分类的方法。各种分 类的侧重点不同。 方法一是分为周期性的和非周期性的( p e f i o d i c 和a p e r i o d i c ) 。周期性的就是系 统通过传感器或其他设备周期性的探测外部环境的变化，在周期内对探测到的变化 作出反应，比如电视系统循环检测和定时更新。非周期性的就是外部事件是循环性 第二章数字电视实时系统研究 的发生的但不是有规律的或者是突发事件，如电视系统中的按键事件。 - 馒町限争仟不葸 效 一 盆 时间 ；时间 时限 j。 !灭时限争仟不)暮图 效 盈 l f r 寸间 千f抬时间时r 日 图2 1 硬时限事件示意图和软时限事件示意图 方法二是分为硬实时和软实时( h a r dr e a l t i m e 和s o f tr e a l t i m e ) ，如上图所示。硬 实时系统就是系统必须及时的对事件作出反应，绝对不能发生错过事件处理的截止 期( d e a d l i n e ) 的情况。在硬实时系统中一旦发生了这种情况就意味着巨大的损失和灾 难。而在软实时系统中，当系统在重负载的情况下允许发生错过截至时间。实时系 统对逻辑和时序的要求非常严格，如果逻辑和时序出现偏差将会引起严重后果。软 实时系统仅要求事件响应是实时的，并不要求限定某一任务必须在多长时间内完 成，而是提供高速的响应和大的系统吞吐率；而在硬实时系统中，不仅要求任务响应 要实时，而且要求在规定的时间内完成事件的处理。通常，大多数实时系统是两者 的结合。实时应用软件的设计一般比非实时应用软件的设计困难，实时系统的技术 关键是如何保证系统的实时性。 方法三是实时操作系统还可分为可抢占型和不可抢占型两类。对于基于优先级 的系统而言，可抢占型实时操作系统是指内核可以抢占正在运行任务的c p u 使用 权并将使用权交给进入就绪态的优先级更高的任务，是内核抢了c p u 让别的任务 运行。不可抢占型实时操作系统使用某种算法并决定让某个任务运行后，就把c p u 的控制权完全交给了该任务，直到它主动将c p u 控制权还回来。中断由中断服务 程序来处理，可以激活一个休眠态的任务，u 使之进入就绪态；而这个进入就绪态的任 务还不能运行，一直要等到当前运行的任务主动交出c p u 的控制权。使用这种实 时操作系统的实时性比不使用实时操作系统的系统性能好，其实时性取决于最长任 务的执行时间。不可抢占型实时操作系统的缺点也恰恰是这一点，如果最长任务的 执行时间不能确定，系统的实时性就不能确定。 可抢占型实时操作系统的实时性好，优先级高的任务只要具备了运行的条件， 或者说进入了就绪态，就可以立即运行。也就是晚，除了优先级最高的任务，其他 任务在运行过程中。飞机的飞行控制系统是硬实时系统，因为一次不能及时响应很 青岛大学硕士学位论文 可能会造成严重后果。数据采集系统往往是软实时系统，偶尔不能及时响应可能会 造成采集数据不准确，但是没什么严重后果。都可能随时被比它优先级高的任务中 断，让后者运行。通过这种方式的任务调度保证了系统的实时性，但是如果任务之 间抢占c p u 控制权处理不好，会产生系统崩溃、死机等严重后果。 2 1 2 实时系统设计原则 根据上述的关于实时系统的应用有关的特点，导致在实时系统的设计时面临着 与原来的通用系统不同的考虑因素。 首先在实时系统中最基本的是系统应该能够提供对时间正确性进行指定的方 法。也就是在实时系统中不管是用户还是开发人员都需要系统提供一种指定时间尺 度的方法。比如在有的实时系统中指定每隔一段时间就运行一段程序，或者是提供 指定程序必须在某个时间点之前完成的方法等等。在实时系统中这是最基本的要 求。这时通用系统中的功能就完全的不适用了。 第二是实时操作系统的设计或选用。在现代的实时系统中一般都有实时操作系 统，或基于实时操作系统的微内核。因为操作系统使系统的设计更加的简便，保证 系统的质量以及能够提供其他通用操作系统所提供的服务，所以实时的控制系统就 面临着更高的设计要求。 第三是实时系统的体系结构设计。实时系统的体系结构必须满足：1 高运算速 度，2 高速的中断处理，3 高的i 0 吞吐率，4 合理的处理器和i o 设备的拓扑连接， 5 高速可靠的和有时间约束的通信，6 体系结构支持的出错处理，7 体系结构支持的 调度，8 体系结构支持的操作系统，9 体系结构支持的实时语言特性。另外由于实 时系统很多应用于一些关键性的场合，因此系统的稳定性和容错性也非常重要。还 有实时系统很多在自然的形态上有分布式的特点，所以还要考虑到实时的分布式应 用。此外实时的通信也是实时系统的一大要求，很显然在分布式实时系统中实时的 通信是最基本的。实时通信必须满足：1 逻辑正确；2 要有确定的延迟时间( 或通信 延时时间的上限1 ，其中包括建立通信的延迟和消息传递的延时。 以上是系统设计时的要点问题。此外还有从计算机科学角度出发的实时系统必 须解决的问题：1 时间特性的指定和正确，这点与实时系统设计相同。2 实时的调 度理论。主要要求是满足时间的正确性，然后提供高度动态的，满足实时调度。3 实时操作系统的设计和实现。在设计上首要目标是提供保证实时性的方法，实现上 述要求操作系统的低开销，而且必须保证内核以及其他关键的可重入性。4 实时的 编程语言和设计方法。在编程语言级完成或提供实时应用所需要的方法。6 系统的 容错。7 实时时钟的同步。8 实时系统中的人工智能。 第二章数字电视实时系统研究 作为实时系统其特性决定了传统的性能衡量标准对其是不适用的。实时系统中 一切动作都以实时任务为中心，实现过程中涉及到一些需要研究的热点问题，包括 中断延迟、进程的优先级调度、任务之问的通信、内存管理等。对硬实时应用的优 先响应取代了对每个用户的恰当的反应速度。系统的计算资源和其他外设资源必须 优先满足实时应用的要求。针对实时系统新的要求，必须以实时的进程调度为核心， 在实时操作系统中是一个关键性的问题。实时操作系统的实时进程调度的根本要求 是保证实时任务的时间正确性。此外实时操作系统的进程调度算法必须保证系统是 可以事先定义的和易维护的。 评价一个实时操作系统一般可以从任务调度、内存管理、任务通讯、内存开销、 任务切换时间、最大中断禁止时间等几个方面来衡量。 1 1 处理能力：实时系统的处理能力在很大程度上取决于它的任务调度机制。 从任务调度策略上来讲，分优先级调度策略和时间片轮转调度策略；从调度方式上 来讲，分可抢占、不可抢占、选择可抢占调度方式；从时间片来看，分固定与可变 时间片轮转。 内存管理：硬件设计时必须充分估计内存的需求，并留有扩展的余地；软 件设计时必须紧凑及模块化，并提高可配置性和可裁减性。基于降低成本的考虑， 实时系统的设计中内存开销是一个重要的指标。这是实时系统设计与其它操作系统 设计的明显区别之一。 3 ) 中断延迟时间：任务问的切换