（计算机系统结构专业论文）单机家庭影院中人机交互子系统的研究与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 单机家庭影院( h o m e t h e a t e ri nab o x ) 是把m p e g 编解码、多通道音频编解码、 声音处理d s p 、功放、喇叭、单芯片a m f m 以及音频d a c 等功能有效地整合在一 起、以一个d v d 播放器为基础的新型家庭消费电子产品。 h t i b 的目标开发板是一套典型的嵌入式开发系统，具备嵌入式系统开发的所有特 征，包括交叉编译环境、片上调试、目标代码下载等。系统开发过程中所面对的重要 任务之就是，借助于h t i b 目标开发板的软硬件及其专有串行总线，在交叉编译环 境下实现并定制人机交互子系统( h u m a n - c o m p u t e r i m e r a c t i o ns u b s y s t e m ) ，主要包括 红外遥控、真空荧光显示屏、图形用户界面引擎及设置菜单等。 采用分层机制实现人机交互子系统，是最为有效的解决手段之一。整个人机交互 子系统，其输入包括前面板机械按键输入和红外遥控输入；而其输出则主要包括v f d 、 0 s d 和设最菜单等。 实现并定制红外遥控模块在整个项目开发中处于极其重要的地位。针对不同的盘 片和不同的红外按键，从分层的角度对红外按键进行定制并实现其功能是红外遥控模 块的突出特点。 真空荧光显示屏v f d 是h t i b 产品中必不可少的显示器件。在项目的开发过程中， 要针对前面板控制芯片所控制的具体v f d 器件在系统f i r m w a r e 的支持下采用分层机 制实现并定制v f d 底层例程和高层a p i ，以便为用户提供友好的系统信息显示界面， 如盘片播放时间、曲目清单等。 h t i b 图形用户晃面引擎以及设置菜单的重要性在于它极大地影响了最终用户的 使用。在系统f i r m w a r e 的私有图形引擎基础上，针对菜单基础设旌和菜单管理实现 并定制设置子菜单是开发的重要任务之一，尤其是针对环绕立体声控制子菜单。 这一人机交互子系统顺利地通过了生产厂商的综合测试，整个h t i b 产品也成功 地推向了市场。 关键词：嵌入式系统，单机家庭影院，人机交互，总线，红外遥控 真空荧光显示屏，设置菜单 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t h t i b ( h o m et h e a t e ri nab o x ) i san e w l yh o m ec o n s u m e re l e c t r o n i c sw h i c h e f f e c t i v e l yi n t e g r a t e s t h em p e g c o d i n g d e c o d i n g ，t h e m u l t i - c h a n n e la u d i o c o d i n g d e c o d i n g , t h ea u d i ot r a n s a c t i o nd s p , a m p l i f i e r , s p e a k e r , t h es i n g l ea m f mc h i p a n dt h ea u d i od a ci n t oo n es i n g l eu n i t ，c o m p r i s i n go n ed v d p l a y e r a si t sb a s i c h t i b s t a r g e tb o a r d i sas u i to f t y p i c a le m b e d d e dd e v e l o ps y s t e m , a n dc o m p r i s e sa l lo f t h ee m b e d d e dd e v e l o pc h a r a c t e r i s t i c ，i n c l u d i n gc r o s s c o m p i l i n g ，o n c h i pd e b u g g i n ga n d o b j e c tc o d ed o w n l o a d o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt a s k sd u r i n gi t sd e v e l o p m e n ti s t o i m p l e m e n t a n dc u s t o m i z et h e h u m a n - c o m p u t e ri n t e m c t i o ns u b s y s t e m b a s e do nt h e h w s wo ft h eh t i bt a r g e tb o a r dw i t hi t sn a t i v es e r i a l b u s ，t h r o u g hc r o s s c o m p i l i n g e n v i r o n m e n t t i f f ss u b s y s t e mi n c l u d e si n f r a - r e dc o n t r o l ，v a c u u mf l u o r e s c e n td i s p l a y s ， g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e se n g i n e a n di t ss e t u pm e n u , c t c a d o p t i n gl a y e r e d - m e c h a n i s m t o i m p l e m e n t t h e h u m a n - c o m p u t e r i n t e r a c t i o n s u b s y s t e mi s o n eo ft h em o s te f f e c t i v ea p p r o a c h f r o mt h ep o 缸f oi n p u to ft h ew h o l e h u m a n c o m p u t e r i n t e m c f i o ns u b s y s t e m ，i tc o m p r i s e st h em e c h a n i c a lk e y so nf r o n tp a n e l a n dt h ei n f r a - r e dk e y s ，w h i l ei t so u t p u tc o n s i s t so f v f d ，o s da n ds e t u pm e n u t oi m p l e m e n ta n dc u s t o m i z et h ei n f r a - r e dc o n t r o li so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t m o d u l e sd u r i n gt h ew h o l eh t i b p r o j e c t f r o mt h ep o i n to f v i e w o f t h el a y e r e d m e c h a n i s m t oc u s t o m i z et h ei n f r a - r e dk e y sa n di m p l e m e n ti t sf u n c t i o ni st h eo u t s t a n d i n gf e a t u r eo f i n f r a - r e dm o d u l e ，谢t 1 1r e s p e c tt od i f f e r e n td i s kt y p e sa n dd i f f e r e n ti n f r a r e dk e y s t h ev a c u u mf l u o r e s c e n td i s p l a y s ，v f di st h ea b s o l u t e l yn e c e s s a r yd e v i c et oh t i b p r o d u c t s d u r i n gt h ed e v e l o pp r o c e s s ，m u s ti m p l e m e n ta n dc u s t o m i z et h eb o t t o ml a y e r r o u t i n ea n dh i g h e rl e v e la p ia d o p t i n gl a y e r e d - m e c h a n i s mw i t hr e s p e c tt ot h es p e c i f i c v f dd e v i c et h ef r o n tp a n e ls u p p o r t e d ，s oa st op r o v i d ef r i e n d l ys y s t e mm e s s a g ei n t e r f a c e ， s u c ha sd i s cp l a y i n gt i m e ，t r a c kl i s te t c t h ei m p o r t a n c eo fh t i b sg u ie n g i n ea n di t ss e t u pm e n ur e s t sw i t ht h a th a sg r e a t i n f l u e n c eo nt h ef i n a lc u s t o m e r w i t ht h ea s s i s to fn a t i v eg u ie n g i n ei nt h es y s t e m f i r m w a r e ，t oi m p l e m e n ta n dc u s t o m i z et h es e t u pm e n u i so n eo ft h em o s tv a l u a b l e d e v e l o p t a s k sf r o mt h ep o i n to fv i e wo ft h em e n ui n c t u r ea n dt h em e n um a n a g e m e n t ， l i 华中科技大学硕士学位论文 e s p e c i a l l yw h e n i tc o m e st ot h ew a l k a r o u n ds t e r e oc o n t r o l l i n gs u b - m e n u t h i sh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o ns u b s y s t e mh a sw a l t z e d t h r o u g h t h ec o m p r e h e n s i v e t e s t i n go f t h em a n u f a c t o r ya n dt h ew h o l eh t i b p r o d u c th a ss u c c e s s f u l l yl a u n c h e di n t ot h e m a r k e t p l a c e a l s o k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，h o m et h e a t e ri nab o x ，h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ， b u s ，i n f r a - r e dr e m o t ec o n t r o l ，v a c u u mf l u o r e s c e n t d i s p l a y , s e t u pm e n u 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 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结果由本人承担。 学位论文作者签名：掾君酮 日期：) 口。驴年业月订日 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，即：学校 有权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a 本人授权华中科技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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密留。 ( 请在以上方框内打4 ) 学位论文作者签名：j 孑君岘 日期：y 。中年印月、7 日 指导教师签名她翌 日期； d 牛年牛月2 1 日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 以数字化为特征的科技进步和技术创新正在社会生活的各个领域扮演着越来越重 要的角色，起着举足轻重的作用。数字化的意义，绝对不是简单意义上的技术革新， 更重要的是，它正对人类思维方式和生活模式产生越来越深远的影响。 基于数字技术的家庭型消费电子产品，正以越来越个性化、整合化、集成化的形 式走进人们的日常生活中，数字化家庭( d i g i t a lh o m e ) 已初见端倪。因此，毫无疑 问，作为数字化家庭的重要组成部分，以d v d 播放机为中心的家庭型消费电子产品 一定会在家庭数字化的这一过程中占有越来越大的比重。 1 1 课题研究的背景 本论文是在“华中科技大学一唯冠集团联合研究中心”的h t i b 项目基础上撰写 的。该项目采用了基于美国e s s 公司e s 6 0 2 8 系列芯片的f i t i b 目标开发平台；项目 开发的重点是根据用户的需求，在目标开发平台的基础上对系统的软件和硬件进行定 制，以使该产品满足用户需求，按期顺利投放市场，另外也对这一目标开发平台中存 在的诸多软硬件“臭虫”进行了修改。 通过整个项目的开发，笔者深刻体会到在诸如h t i b 这样的家庭型消费电子类产 品开发过程中，无论对于学术研究机构还是对于生产厂商，要完全独立自主地去实现 这样一个系统尤其是要将其成功地推销到用户面前难度非常大：因此，目前 消费电子类产品研发通常采用的开发模式是：由方案提供商提供目标开发平台软硬件 解决方案，然后由生产厂商根据自身需要和用户需求对其进行定制。 但是，这并非意味着生产厂商及其工程师无事可做或者只是简单地生产。实际上， 工程师除了消除解决方案中的诸多“臭虫”之外，对目标开发平台软硬件进行定制、 维护也要耗费大量的时间和精力，尤其是涉及到一些底层核心技术细节解决方案 提供商是不愿意公开这些内容的。 “华中科技大学一唯冠集团联合研究中心”的这一h t i b 项目就是在这种情况下 进行的。 1 2 家庭型消费电子产品的趋势 科学技术的发展，一方面推动了人类的文明和社会的进步，另一方面也对人类日 1 华中科技大学硕士学位论文 常生活赋予了新的内涵和定义。由此，消费电子的范畴也随着科技的发展不断地更新， 从最初的广播、黑白电视、收音机到彩色电视机、影碟机( 主要是v c d 、s v c d ) ， 从录像机、d v d 播放机、摄录机到数字收音机、数码电视、数码相机、数码摄影机、 家庭影院、组合音响，再到最新的单机家庭影院( h o m et h e a t e ri nab o x ，h t i b ) 、 智能数字录像机( d i g i t a l v i d e or e c o r d e r ，d v r ) 、m p 3 、p d a 等。 1 2 1 家庭型消费电子产品当前状况 根据l d c ( 国际数据资讯) 公司的最新报告，消费音频视频产品市场呈指数增长。 i d c 预计，到2 0 0 5 年全世界d v d 录像机、单机家庭影院系统h t i b 和汽车d v d 设 备的收入将超过1 1 0 亿美元。 自二十世纪九十年代后期以来，以计算机、通讯与信息、消费电子为三大支柱的 信息家电逐渐融入人们的日常生活中。从狭义上讲，信息家电正以前所未有的姿态展 现在人们的面前：内置高性能嵌入式处理器，具备嵌入式操作系统及其嵌入式软件， 有效地支持诸如显卡、c f 存储卡、i c 卡或信用卡、u s b 1 3 9 4 存储设备这样的特定硬 件，等等。从广义上来讲，借用网络为媒介，信息家电越来越呈现出跨媒介可交互化 特征，如单板电脑、机顶盒、无线数据通讯设备、视频游戏、附网刻录机、w e b t v 等。尽管视频、音频和通讯器材是当前信息家电的主要组成部分，但在可以预见的将 来，随着技术的不断进步，有理由相信：诸如冰箱、洗衣机、微波炉这样的传统家电 产品必将以网络化的形式融入数字家庭中。 1 2 2 家鹰型消费电子产品的总体发展趋势 综观消费电子的发展历程，家庭型消费电子产品的总体发展趋势可以概括为以下 三个方面。 1 ) 数字产品家电化 先前只见诸于电脑上的设备正以不同的形式向传统家电产品渗透。 电脑市场已经走出了“膨胀式”的高速发展阶段，逐渐进入相对平缓的发展时期， 为了寻求新的增长点，电脑厂商把许多注意力投向个人用户和家庭用户的需求。这种 注意力的转变从当年商用电脑到家庭多媒体电脑的转变可见一斑。并且，伴随着互联 网的普及化、有线电视网络的不断完善，诸如电脑这样的数字产品的家电化步伐越来 越快，越来越明显，已初具取代电视、收音机、影碟机等传统家电的趋势。数字产品 家电化的另外一个突出例子是手机功能的推陈出新、不断完善。 2 ) 家电产品网络化 显而易见，传统的家电市场早已进入市场饱和时期，进入低利润、低增长的处境。 2 华中科技大学硕士学位论文 传统家电厂商只能靠打价格战、靠大批量售货来提高企业利润。这种竞争方式，对这 些家电企业来说无异于雪上加霜、长期处于亏损境况。 只有通过更新产品，才能激活家电市场，进而促进消费电子产品的研发。 网络的出现，为消费电子市场的复兴提供了契机，为传统家电厂商创造了新的利 润增长点，这就是家电产品网络化。其技术实质也就是把现有的移动通讯设备和传统 p c 中的一些与日常应用密切相关的功能剥离出来，再把这些功能与数字技术和网络 技术进行有效地融合，使之以一种更为便捷、更为便宜、更为高效、更趋于精巧的分 体形式渗透到诸多的消费电子实体中，将p c 和家电设备完美地融合为一体。这类产 品包括机顶盒、数字电视、交互电视、附网刻录机等。 3 ) 数字家庭一体化 计算机、家电与通信正在日趋融合成为一个新的行业，该行业必须推出一个基于 统一平台的解决方案才能满足消费电子用户的三大需求。第一，必须使数字家庭的体 验变得更加轻松简捷，消费电子用户应该可以享受即购即用的设备，这些设备必须 具备易于安装、易于开关、易于操作与易于访问的特性。第二，消费电子用户希望他 们的所有设各都能进行无线地连接与沟通，线缆和诸多遥控器将不应该再成为障碍。 第三，消费电子用户需要获得高质量的影音娱乐体验，期望优质的内容得到优质的视 频及音频的支撑。 致力于消费电子市场的众多厂商推出了很多解决方案来实现数字家庭( d i g i t a l h o m e ) 一体化。如方正科技携方正p c 伴侣和卓越新锐s 推出了国内首套“数字家庭” 解决方案，由以卓越新锐s 为代表的方正家用电脑、p c 伴侣和电视三个主要产品构 成，具有联接简便，易于操作，系统稳定，品质可靠，遥控操作，简单易用等特点。 在实施过程中，只需要把三个产品通过有线或无线的方式进行互连，就可实现电脑与 电视的互联，利用遥控器对方正p c 伴侣进行控制就能实现电脑中的音频、视频在电 视里呈现在消费者面前。 1 3 单机家底影院的概况 单机家庭影院( h t i b ) 是在传统家庭影院系统基础上，以d v d 播放机为中心， 把m p e g 编码解码、多通道音频解码( 如杜比定向逻辑、杜比数字a c 一3 和d t s 环 绕立体声) 、声音处理d s p 、单芯片a m f m 以及音频d a c 等功能有效地整合在一起 的新一代家庭型消费电子数码产品。而传统的家庭影院及其产品，实际上是指“由环 绕声放大器( 或环绕声解码器+ 多通道声频功率放大器) 、多个( 4 个以上) 扬声器、 大屏幕电视( 或投影电视) 及高质量a n 节目源( 【，d 、d v d 、h i f i - v c r 、d t v 、数 华中科技大学硕士学位论文 字电缆电视及数字卫星广播等) 构成的具有环绕声影院视昕效果的视听系统”【i 】。 这里应该稍作解释的是，国内学者对家庭影院、家庭剧院以及单机家庭影院的定 义界定上存在不少差异，有些学者力图以严格的界限对上述概念进行划分吐但本论 文主要是从目前主流的以d v d 播放机为中心的家庭型消费电子的实际应用角度来阐 述单机家庭影院的相关技术，尽量避免语义上的争论，毕竟实际市场应用不会因定义 的争论而停止前进的步伐，相反，市场应用决定产品语义上的真实情况。 1 3 1 单机家庭影院的市场概况 以d v d 为中心的消费电子产品，如d v d - r o m ，d v dp l a y e r , d v dr e c o r d e r 等 已经取代v h s 和v c d 成为基于光存储的消费电子市场的主导产品。其中d v d p l a y e r 和d v dr e c o r d e r 分别是现在和将来家庭消费电子的主流，在这两类产品的基础上， 伴随着各种最新技术的不断集成，未来新型消费电子产品种类肯定层次不穷，产品性 能也会日新月异。 全球d v d 播放器的产量将由2 0 0 2 年的5 ，3 1 3 万台攀升到2 0 0 6 年的8 ，3 7 0 万台， 平均每年以1 2 的速度递增。而中国大陆无疑已经成为全球最大的d v d 播放器生产 制造基地，仅2 0 0 2 年就生产4 ，0 0 0 万台，市场占有率高达7 5 。 展望未来的基于光存储的电子消费市场，先前有关d v d 播放机能够播放 d v d - v i d e o 还是d v d - a u d i o 的争论早已不复存在1 3 】，并且以d v d 播放机为中心光盘 播放设备必将取代v c d 、c d - r o m 等，成为家庭和p c 机上的主流配置设备。 h t i b 对于d v d p l a y e r 和d v dr e c o r d e r 产品的意义在于，未来家庭型消费电子 产品不仅仅是单纯的单机家庭影院h t i b 或智能数字录像机d v r ，消费者的任何新需 求都意味着消费电子i c 新商机的出现，应用于d v dp l a y e r 或d v dr e c o r d e r 上便有 可能就是内置读卡机、j u k eb o xc d p l a y e r 、无线通讯、个性化传感器模块等功能的新 型家庭型消费电子设各。未来的这些新应用都是i c 制造商们比较关注的问题，相应 地他们对这类i c 无论是在市场还是在技术上都会投入大笔资金和大量人力。 坦白地讲，现在家庭型消费电子产品包括h t i b 在内，核心技术都掌握在国 外大公司手里，他们通过转让技术专利嫌取高额专利费，而国内诸多公司仅仅处在整 个生产链的下线，只能靠低雇工、高销量赚取一点辛苦费而已。例如这些家庭型消费 电子产品大量采用的音频、视频解码芯片，大多依靠从国外公司进口 4 】。 l - 3 2 单机素鏖影院存在的问曩和不足 国内家庭影院市场的发展在2 0 0 3 年表现得尤其突出，据估计超出两百万台f 5 1 。 但这并不是说国内这类消费电子产品市场可以令人欣慰了。实际上，除了上面谈到的 4 华中科技大学硕士学位论文 核心技术问题之外，国内家庭型消费电子市场还存在很大的问题。主要表现在以下几 个方面【6 】： 1 ) 媒体、厂商的宣传上有些“功利”倾向，缺乏对消费者的正确引导； 2 ) 产品质量参差不齐，消费者消费心理也缺乏鉴别性； 3 ) 生产厂商分布不合理，供过于求现象仍然比较突出。 另外就目前在市场上已经出现的单机家庭影院产品来看，其销售价格还稍高于普 通消费者消费水平。随着单机家庭影院产品的下一代产品智能数字录像机( d v r ) 的推出，相信单机家庭影院产品在价格上还是有很大的下调空间。 除了上述表现在市场方面的问题之外，国内消费电子产品的生产厂商对技术创新 的力度上也存在不少问题。当然，这个问题不是个别厂商的问题。但是，无论如何， 业界不应该放弃从核心技术层次上紧跟国外生产厂商。 1 4 单机家庭影院的关键技术 单机家庭影院的关键技术，包含三个层次：核心芯片级的关键技术，主要包括光 盘机( l d 、v c d 、d v d 等) 的伺服控制系统芯片以及a v 编解码芯片；与用户密切 相关的人机交互子系统：单机家庭影院系统中的总线技术及其驱动芯片。 1 ) 核心芯片级关键技术 核心芯片级关键技术主要掌握在国外比较大的芯片公司手里，国内主要通过支付 专利费的方式获得相关核心技术，如视频音频编解码芯片、伺服控制系统等。当然， 国内也有一些光存储产品生产厂商力图开发自主知识产权的这方面核心技术，也取得 了一些成绩。但是，从整个市场占有率情况看，国内光存储产品的这些核心关键技术 仍旧掌握在国外大公司手里。 单机家庭影院的环绕立体声系统也是这个层次核心技术的重要内容。d t s ( 数字家 庭影院系统) 环绕声、杜比数字( d o l b y d i g i t a l ) a c 3 环绕立体声、杜比定向逻辑( d o l b y p r o l o g i c ) 环绕立体声等在内的环绕声放大器技术i 7 】可以说，没有环绕立体声， 就没有家庭影院的概念；这些技术一般以服务提供商的解决方案的形式集成到目标开 发平台里了，由生产厂商在此基础上进行定制开发。 其中，d t s 技术是由美国环球电影公司在1 9 9 3 年6 月侏罗纪公园中首次采 用数字环绕声格式【8 】。d t s 系统采用了所谓相关声学编码来利用音频信号和人类听觉 的基本特性【9 j ，采用更为灵活的编码方式来压缩线性p c m 下的音频码率，它的整个 编解码过程是很简洁的。但它所涉及的技术很全面，且其复杂度是没有限制的：杜比 数字a c - 3 环绕立体声是多声道声音系统【l0 1 ，它是由六只独立的声音声道和扬声器来 5 华中科技大学硕士学位论文 组成的，包括中置c 、左声道l 、右声道r ，这三个声道主要用于重建二维立体声声 场，左后环绕l s 、右后环绕风则与l 、c 、r 一起协调组成逼真的三维空间立体声声 场卧1 2 】，而低音炮l e f 则用来弥补声场中低频部分的不足。 2 ) 人机交互子系统 单机家庭影院中的人机交互子系统，主要包括与人机交互密切相关的红外遥控设 计、v f d 显示及控制、图形用户界面及设置菜单、o s d 等内容。之所以把这些技术 算在关键技术里面，主要是因为对于生产厂商和用户来说，这些功能的完善与否决定 了产品的市场占有状况，进而决定了产品的销量和厂商的效益。毕竟，无论系统所采 用的底层硬件技术怎么优越，如果用户使用起来很不方便，系统运行起来极不稳定， 产品照样没有市场。这个层次的技术一般由解决方案提供商和生产厂商的软硬件工程 师协同完成。本论文的技术出发点主要在于此。 3 ) 总线技术及其驱动芯片 这个层次的h t i b 关键技术主要包括单机家庭影院设备中的总线技术及其驱动芯 片。该系统中的总线技术主要包括两个方面：一是针对特定控制芯片的总线技术，主 要包括人机交互子系统中的红外遥控控制芯片、真空荧光显示屏v f d 控制芯片以及 前面板控制芯片三者与d v d 处理器之间的专用总线；二是消费电子产品中普遍使用 的通用局部总线技术。如i 2 c 、i 2 s 、c c b 等。与p c 机中从低端到高端纷繁多杂的总 线系统一样【l ，这款基于v i b r a t t o sd v d 处理器的h t i b 目标开发板也采用了多种 总线架构以适应不同的用户需求，例如通过1 2 c 总线实现对p s 9 7 0 2 b 、m 5 2 9 7 0 e 、 a t 2 4 c 0 1 等芯片的支持，通过1 2 s 总线实现对p c m l 6 0 6 、p c m l 8 0 0 音频芯片的支持， 通过c c b 总线实现对t u n e r 的l c 7 2 1 3 l 芯片的支持等等。上述总线技术为这套h t i b 开发板的功能扩展奠定了坚实的基础。 1 5 课题研究的主要内容及意义 作为典型的嵌入式系统开发，在交叉编译开发环境的支持下，该h t i b 项目最为 重要的任务之一就是在h t i b 目标开发板的总线的基础上，对人机交互子系统进行定 制、开发及维护，主要包括实现并定制红外遥控模块、真空荧光显示屏v f d 、g u i 引擎及设置菜单等内容。 1 5 1 课叠研究的主要内容 本论文围绕着h t i b 的人机交互子系统，展开对单机家庭影院讨论和研究。全文 主要包括以下内容： 6 华中科技大学硕士学位论文 第1 章是本论文的绪论部分，主要对课题的研究背景、家庭型消费电子的发展趋 势以及单机家庭影院的概况进行了简要介绍： 第2 章介绍了该h t i b 项目的硬件平台，主要是指基于美国e s s 公司e s 6 0 2 8 芯 片的h t i b 硬件环境，包括系统d v d 处理器及其外围功能模块，并对该目标开发板 中与人机交互子系统密切相关的总线技术进行了简要总结： 第3 章介绍了这套开发平台的f i r m w a r e 架构及其开发工具，主要结合该项目开 发流程对目前国外大公司在进行嵌入式项目开发过程中所普遍采用的代码级规程迸 行了总结； 第4 章介绍了该h t i b 系统红外遥控模块的软硬件实现，笔者根据客户需求，对 红外遥控按键的处理流程进行了重新归并，并对诸多按键进行了定制和功能实现，最 后以定制左右声道控制按键为例给出实现并定制红外按键功能的一般步骤； 第5 章介绍了v f d 的显控机制，在前面板控制芯片的控制下，针对日本f u t a b a 公司的一款v f d 器件，设计出v f d 的分层实现机制，对v f d 模块的底层例程和高 层a p i 的进行了实现和定制工作，并给出实例代码： 第6 章首先深入分析了该h t i b 系统g u i 引擎的基本架构及关键数据结构，在项 目开发过程中，主要在图形引擎基础上针对环绕立体声控制子菜单进行了设计，通过 定制环绕立体声音响测试子菜单这一实例总结了定制设置菜单的一般步骤； 第7 章对该h 伽系统的人机交互子系统进行了总结。 经过开发定制之后的这套h 噩b 产品具有以下特点：人机交互系统更加友好，用 户操作更为简易，运行更加稳定可靠，系统整体性能得到了大幅提高。目前，这一产 品已经投放市场。 来自市场的反馈信息也表明，这款单机家庭影院产品非常受消费者欢迎，与市场 同类产品相比具有非常好的市场潜力。目前，由“华中科技大学一唯冠集团联合研究 中心”主持开发的单机家庭影院h t i b 的后继产品智能数字录像机d v r ( d i g i t a l v i d e o r e c o r d e r ) 正在开发中，不久也将投放市场。 1 5 2 课曩研究的主要意义 单机家庭影院作为先前传统家庭影院和未来智能数字录像机的产品纽带，对其进 行研究的重要意义不言而喻。 首先，传统上的以电视为主题的家电市场处于饱和状态，市场低迷，技术革新滞 后，这就迫切需要新的消费电子增长点的出现以d v d 播放机为中心的单机家庭 影院h t i b 及其后继产品智能数字录像机d v r 便应运而生。 其次，随着系统芯片s o c 、嵌入式处理器及嵌入式操作系统等核心技术的不断发 华中科技大学硕士学位论文 展【l ，一方面以单机家庭系统为核心的消费电子设备有了坚实的技术基础，另一方 面这类消费电予产品的开发也为这些新兴技术的应用提供了实践平台。 第三，消费电子产品已经从传统意义上的信息家电步入信息化、网络化、集成化 的数字家庭阶段，作为消费电子核心产品的单机家庭影院无疑起到了承前启后、继往 开来的作用。 第四，以单机家庭影院为主流的大型消费电子产品的开发绝非某一个公司或研究 机构能够单枪匹马、一蹴而就便能将其推向市场的，因此对以产品投放市场为目标的 产品开发流程进行探讨无疑会对技术产业化提供非常积极的借鉴意义。 第五，从世界范围消费电子市场来看，我国消费电子技术和市场一直处于整个生 产链的下线，技术含量不高，利润度比较低，因此如何从核心层次上来对消费电子技 术和产品进行研究就极具现实意义了。 第六，单机家庭影院中的人机交互子系统是用户评价h t i b 产品外观和总体性能 的最直接的基础。对于绝大部分用户而言，他们所关心的不是产品底层具体所采用的 芯片和技术，而是产品是否好用。而人机交互子系统则为展现产品的总体性能扮演了 关键角色。 8 华中科技大学硕士学位论文 2h t i b 的目标开发板 本章主要介绍该h t i b 项目所采用的基于美国e s s 公司的e s 6 0 2 8 系列芯片的 v i b r a t t o s 硬件开发平台，包括e s 6 0 2 8 开发平台系统总体特征、硬件系统基本组织结 构、h t i b 中的总线技术以及该系统中音频流、视频流处理过程。 2 1 基于v i b r a t t o s 的开发套件特征 e s s 公司位于美国加州，是一家专门设计、销售p c 机和消费电子用高集成度多 媒体半导体软硬件产品的高科技公司。目前，该公司在p c 音频方寨、视频芯片产品 和高速通讯芯片组的开发方面居世界领先地位，主要提供d v d 播放机、d v d 刻录机、 v c d 播放机、数字多媒体播放器、数字音频系统以及便携式摄像机等产品的解决方 案。e s s 公司结合这些技术实力和强大的软件开发实力，为p c 和消费电子o e m 用 户提供了高性价比的多媒体方案。 2 1 1v i b r a t t o - sd v d 处理嚣 e s 6 0 2 8 的v i b r a t t o s 是一款高性能单芯片m p e g 视频解码解决方案，集成了最 新的图像顺序扫描( p r o g r e s s i v e s c a n ) 技术以向显示器输出逼真、清晰、无闪烁的高 质量输出视频，内置了可录载体的内容保护功能( c o n t e n tp r o t e c t i o no nr e e o r d a b l e m e d i a ，c p r m ) ，珈玛校正( g a m m a c o r r e c t i o n ) 技术以及s p d i f 输入输出支持。e s 6 0 2 8 主要完成音频视频数据流处理、t v 编码、m a c m v i s i o n 防拷贝保护支持、d v d 系统 导航、系统控制以及辅助管理功能等。 这款v i b r a t t o sd v d 处理器建立在e s s 公司的双c p up m p ( p r o g r a m m a b l e m u l t i m e d i a ) 专利技术基础之上，包含了一个3 2 位r i s c 处理器和一个6 4 位d s p ， 为d v d 高品质播放提供了可靠保障，数据处理单元允许系统命令和数据处理功能的 同时并行进行以完成专门的解码、编码任务【l ”。 其中r i s c 处理器完成位流分解，控制音频数据输出，把音频、视频数据传给向 量引擎( v e c t o re n g i n e ，主要指d s p 模块) 、服务系统控制及辅助管理模块。而d s p 模 块则完成a v 标准( 主要是杜比数字、d t s 环绕声，m p e g 和j p e g 成像等) 所需要 的音频、视频微码级处理任务( 包括视频动态补偿和估计，回路滤波，离散余弦变换 d c t ，反离散余弦变换，量子化及逆量子化等) 。 这款v i b m t t o sd v d 处理器串行和并行d v dl o a d e r 接口，业界标准1 2 s 音频数 华中科技大学硕士学位论文 据输入输出，p r o m 和d r a m 访问以及音频视频数据缓冲等。另外，它还支持 l e t t e r b o x 和p a na n ds c a n 的显示模式，子画面覆盖及o s d ( o ns c r e e nd i s p l a y ) 。并 且还可以播放卡拉0 k 、h d c d 、c d d a 以及m p 3 。 e s 6 0 2 8v i b r a t t o s 的系统框图如图2 1 所示。 匕竺竺竺卜一 曲o i t a l v i d e o f c c i r 6 5 6 8 0 一 匝 e s 6 0 2 8 三乎 3 ，p d 惟 一 v i b r a t t o 遗 ie e p r o m 卜_ 瓦丽 i _ j t vd i s p l a y d i g j t a ld e “a e s s p e a k a r s 图2 1e s 6 0 2 8 的v i b r a t t o - s 的系统框图 从图2 1 中可以看出，该系统集成了v f d 驱动芯片和i n f i a - r e d 遥控系统，整个 f i r m w a r e 的目标代码存储在f l a s h 中。 2 1 2h t i b 开发套件的特征 概括地讲，基于e s s 的p m p 专利技术的这款v i b r a t t o s 系统主要包括以下特征： 1 ) 单芯片d v d 处理器： 2 ) 集成了n t s c p a l 象素自适应编码； 3 ) 高质量逐行扫描视频输出； 4 ) 支持d v d - v i d e o 、d v d - v r 、v c d l 1 1 2 0 及s v c d ； 5 ) 支持c d r o m 、c d r r w 、d v d r r w 、d v d + r r w 、d v d - r a m 等盘片格 式； 6 ) 支持高达7 1 声道音频输出； 7 ) 包含i d e 、a vd v dl o a d e r 及f l a s h 存储卡( c o m p a e t f l a s h 、m e m o r y s t i c k 、 m u t t i m a d i a c a r d 、s d 和s m a r f l v l e d i a ) 等接口； 8 ) 支持d o l b yd i g i t a l ( a c 3 ) 、d o l b y p r ol o g i c t m 和p r o l o g i c ) ； 9 ) 支持8 1 6 比特d r a m 接口，支持容量高达1 2 8 m b ； 1 0 ) 支持高达4 个b a n d 的8 1 6 比特e p r o m 或f l a s he p r o m ，支持容量可达 4 m b b a n d ； l1 ) 支持同步c o m p o s i t e 、s - v i d e o 和y u v 输出： 1 2 ) o ns c r e e nd i s p l a y 控制器支持8 位2 5 6 色； 1 0 华中科技大学硕士学位论文 1 3 ) s p d i f 数字音频输入和输出。 2 2 基于v i b r a t t o s 的h t i b 硬件平台 h t i b 系统的硬件架构主要包含两个方面的内容，一是v i b r a t t o sd v d 处理器本 身的关键控制模块，二是以这个d v d 处理器为中心的目标开发板外围设备扩展。 v i b r a t t o s 系统的内部功能简图如图2 2 所示。 图2 2v i b r a t t o s 系统的内部功能简图 2 2 1 基于v i b r a t t o - s 的d v d 处理嚣关键控制模块 从图2 ，2 可以看出，v i b r a t t o sd v d 处理器与用户联系比较大的几个关键控制模 块主要包括：p m p 双核结构、d m a 控制器、( 数据) 传输流分解器( t r a n s p o r t s t r e a m p a r s e r ) 、n t s c p a l 视频编码器、o s d 控制器、设备接口等。 1 ) p m p 双核体系结构 v i b m t t o sd v d 处理器的p m p ( p r o g r a m m a b l em u l t i m e d i ap r o c e s s o r ) 结构包含一 个e s sr i s c 处理器核和一个视频处理器( v i d e op r o c e s s o r ，v p ) 核，两者具有各自 的数据通道和总线以并行的方式运作。在设备结构内部，数据通路和数据总线通过内 部电路内联在一起。 其中，r i s c 处理器核可以单独也可以与外部专门d s p 处理器一起来监控内部 s 黜蝴和d r a md m a 控制器的操作。在编码操作过程中，r i s c 处理器核接收已压 缩的视频数据，并把音频数据编制到其中以输出一个压缩了的比特流( 如果相关的 d m a 控制器没有这一操作) ：在解码过程中，r i s c 处理器核分离并处理来自比特流 华中科技大学硕士学位论文 的音频和视频数据。e s sr i s c 处理器核功能框图如图2 3 所示。 t ol o c a l i r 曲a u 3 图2 3v i b r a t t o - s 中砌s c 处理器功能框图 在r i s c 核与v p 之间有个命令队列( c o m m a n dq u e u c ) 模块。该模块用以控 制v p 核，使得r i s c 核通过搭建一个用以控制v p 操作的指令的命令列表便从v p 中 分离出来。这个指令的命