（计算机软件与理论专业论文）基于dvb的数字电视中间件的研究及其实现.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 数字电视是电视技术、通信技术、和计算机技术的跨学科综合产物，被称为 中国2 1 世纪前景最广阔的产业之一。在数字电视系统中，如何解决异构平台和 操作系统对上层应用支持的问题，是实现数字电视普及的关键。原本用于计算机 领域的中间件技术作为一种采用构件思想设计的软件，恰好符合数字电视系统对 资源的要求和限制，成为数字电视技术中的关键技术之一。数字电视中间件是位 于应用程序和操作系统之间的一种系统软件，通过定义一组支持数字电视应用功 能的标准程序接口，使应用程序具有与底层硬件平台无关的特点，使众多节目提 供商在不考虑硬件环境的情况下开发数字电视的交互式应用，大大降低开发成 本。目前，数字电视中间件受到越来越多的国内外厂家的关注，国外的研究已经 取得了一定的进展，而国内的研究才刚刚起步，我国的数字电视中间件标准也尚 未出台。因此，研究和开发具有自主知识产权的数字电视中间件平台具有重要的 理论意义和广泛的应用价值。 本文主要研究了基于d v b 数字电视系统的中间件技术。首先，通过对当前 国际上现有的中间件标准进行比较，着重深入分析了欧洲数字电视中间件标准 d v b m h p 的体系结构、构成特点、交互模型。其次，结合以上分析，提出了基 于d v b m h p 的符合我国现状的数字电视中间件模型，给出了该模型的设计方案 以及模块划分。随后，针对这一数字电视中间件设计，深入分析了j 2 m e 、j a v a t v 、 j a v a 虚拟机的体系结构、程序接口包及其各部分功能。针对s u n 公司提供的j 2 m e 的个人基本简表( p b p ) 的层次结构，提出更为实用的类库裁剪方案。最后，实 现了一个简单的交互应用电子节目指南( e p g ) 。 本文的主要目标是为数字电视的各类应用系统建立高效可靠的软件平台，其 研究对我国数字电视中间件标准的制定与推广有重要的参考价值。 关键词：d b ；中间件；m h p ；j a v a 虚拟机 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed i g i t a lt vi sar e s u hw h i c hc o l l e c t st h ei n t e g r a t e da p p l i c a t i o no fh i g h t e c h n o l o g y , s u c ha st e l e v i s i o nt e c h n o l o g y , n e t w o r kt e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g y i t sr e g a r d e do n eo ft h ei n d u s t r i e sw i t hb r i g h t e s tf u t u r ei nt h e2 1 s tc e n t u r yc h i m li n t h ed t v s y s t e m ，i ti sak e yp r o b l e mh o wt ol e ta p p l i c a t i o n sr u ni nan a n s p a r e n t e n v i r o n m e n tw i t h o u tc a r i n ga b o u tt h ed e t a i lo ft h ei n f r a s t r u c t u r e ，s u c ha sd i f f e r e n t o p e r a t i o ns y s t e m sa n dh a r d w a r e t h em i d d l e w a r et e c h n o l o g y , w h i c h i su s e di n c o m p u t e rr e s e a r c ha r e ao r i g i n a l l y , i sas o f t w a r eu s e dc o m p o n e n t st e c h n o l o g y i t a l l o w sm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n st or u ni nd i f f e r e n ti n f r a s t r u c t u r ea n dh a sb e c a m eo n e o f t h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e so f d t v i ti sak i n do f s y s t e ms o f t w a r et h a tr e s i d e s b e t w e e nt h ea p p l i c a t i o na n dt h eu n d e r l y i n go p e r a t i o ns y s t e m b yp r o v i d i n gs o m es e t s o fs t a n d a r di n t e r f a c ef o rd t va p p l i c a t i o n 。t h em i d d l e w a r ec a ns h i e l ds o f t w a r e d e v e l o p e r sf r o ml o w - l e v e lp l a t f o r md e t a i l s ，s ot h a tr e d u c et h ed e v e l o p m e n tc o s t g r e a t l y n o w , d t vg e t sm o r ea n dm o r em a n u f a c t u r e r sa t t e n t i o n t h er e s e a r c ho n d i g i 切dt e l e v i s i o nm i d d l e w a r ei nt h eo v e r s e ah a sg a i n e ds o m ee v o l v e m e n t h o w e v e r , i t h a sb e e nd o n el i t t l ei no u rc o u m r y t h es t a n d a r do f d t vm i d d l e w a r ei nc h i n ah a sn o i s s u e d s o ，t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fo u ro w nd t vm i d d l e w a r eh a v ea n i m p o r t a n ta c a d e m i ca n da p p l i e ds i g n i f i c a n c e t h et h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e st h et e c h n o l o g yo fd t vm i d d l e w a r e f i r s t l y , b y c o m p a r i s o no ft h ec u r r e n tp r e v a l e n tm i d d l e w a r es t a n d a r d s , t h i st h e s i sa n a l y s e st h e a r c h i t e c t u r e ，c o n s t i t u t i o n , i n t e r a c t i v em o d e lo fd v b - m h pd e e p l y s e c o n d l y , c o m b i n i n gw i t h t h es t a t e da b o v e ，t h i st h e s i sr a i s e st h em i d d l e w a r em o d e lo fd t vb a s e do nd v b - m h p w h i c hf i t st h ec h i n a sd t v d e v e l o p m e n ts t a t e ，g i v e st h ed e t a i ld e s i g no ft h i sm o d e l t h e na i m i n ga tt h i sd e s i g no f d t vm i d d l e w a r e ，j 2 m e ，j a v at va n dt h ea r c h i t e c t u r e s ， i n t e r f a c ea p i sa n df u n c t i o n so fj a v av i r t u a lm a c h i n ea r ea n a l y s e sd e e p l y a i m i n n l n ga tt h e a r c h i t e c t u r e so fs u nj 2 m et h ep e r s o n a lb a s i cp r o f i l e ( p b p ) t h eh i g h e re f f i c i e n c yc l a s s l i b r a i i e sp l a ni sp r o v i d e d , a tl a s t ，as i m p l ei n t e r a c t i o na p p l i c a t i o n ，e l e c t r o n i cp r o g r a m g u i d e ( e p g ) i sb e e ng i v e n i i 山东大学硕士学位论文 t h e r ei si m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u et ot h ef o r m u l a t i o n 弧dp o p u l a r i z a t i o no fo u r c o u n t r y sd t v m i d d l e w a r es t a n d a r di nt h er e s e a r c ho f t h i st h e s i s k e yw o r d s ：d v b ；m i d d l e w a r e ；m h p ；j v l v l i i i 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：煎互三 日期：型：! ! ：笪 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盘导师签名： 山东大学硕士学位论文 1 1 课题提出的背景 第1 章绪论 ( 1 ) 交互式电视是数字电视发展的方向 随着数字电视近几年的发展，人们对电视娱乐的要求越来越高，使得交互式 电视受到越来越多的重视。所谓交互式数字电视，就是按照人们的要求在普通数 字电视节目中加入各种各样的增值服务，它融合了数字电视技术、计算机技术、 多媒体技术和网络通信技术，可以实现许多传统电视系统所不具备的功能： 收发电子邮件：用户可在交互式数字电视系统上收发e - m a i l ，随着技术 的发展甚至可以收发带音视频的电子邮件。 即时消息通信：用户可在交互式数字电视系统上进行即时消息通信，如 q q 聊天。 可视电话通信：用户可在交互式数字电视系统上进行实时可视化的视频 流、音频流的交互通信。 互动广告：互动广告服务使电视观众可以使用遥控器对广告做出迅速回 应，请求关于服务或产品的信息，甚至订购特定产品的免费样本。 数据广播：交互式数字电视系统通过数据广播向用户播出大量的图文信 息，用户通过对机顶盒的操作可以浏览互联网站、查询财经信息等等。 互动游戏：系统运营商开发基于互动数字电视的游戏并在网络中传输， 让用户在数字电视上实现交互实时游戏。 视频点播( v o d ) ：网络运营商在网络上建立媒体资源存储库，让用户 随意点播视频流。 电视商务：用户可在交互式数字电视系统上进行商业贸易活动，实现电 子支付。 ( 2 ) 数字电视中间件在交互式电视中的作用 在设计开发数字电视接收端( 机顶盒) 过程中，由于硬件生产厂家众多，许 多产品标准仍未制定，因此备厂家的机顶盒软硬件平台结构不尽相同，这给接收 端上层应用软件的开发带来很多问题，通用性差，开发成本高。如何解决异构平 山东大学硕士学位论文 台和操作系统对上层应用支持的问题，是实现数字电视普及的关键。为了屏蔽机 顶盒底层软硬件平台多样性、提高应用软件的可移植性、实现跨平台性，原本用 于计算机领域的中间件技术作为一种采用构件思想设计的软件，恰好符合数字电 视系统对资源的要求和限制，成为数字电视技术中的关键技术之一。 各级网络运营商只需要专心开发技术平台上的互动应用，而无需考虑技术平 台和机顶盒的升级换代问题，因而可以保证互动电视的应用开发可以做到平滑的 升级。数字电视中间件使得交互式电视的业务功能更加强大，内容更加丰富多彩， 使得应用程序可以“一次开发，多次使用”。 数字电视中间件技术的发展必定能带动一大批企业的发展，包括芯片提供 商、电视机和机顶盒生产商、软件设计与开发商、应用程序提供商、电视运营商 等。 ( 3 ) 开发自主知识产权的数字电视中间件的必要性 虽然我国的数字电视技术发展较快，但是与国外的数字电视发展相比，历史 还很短。国外，尤其是欧美，在数字电视标准以及中间件系统的研发上走在我国 的前头。目前国内的数字电视中间件系统大多采用国外的中间件产品。然而，电 视作为大众媒体，涉及面之广大是众所周知的，采用国外的中间件产品不能对国 家舆论和媒体安全作出必要的保证。因此，控制和掌握数字电视中间件技术，开 发具有中国特色的、具有自主知识产权的中间件系统是中国数字电视开发的战略 重点。 我国已经制定了统一的数字电视规范，我们应该借鉴欧美的开发经验，利用 这个规范开发具有自主知识产权的中间件系统，提高软硬件的设计和开发能力， 从而更好地带动一大批数字电视硬件和软件的发展，极大地提高民族企业软件地 设计和开发能力，促进我国数字电视产业的发展。 1 2 主要研究内容和特色 1 论文研究的主要内容 基于以上的背景，本文主要研究了基于d v b c 的数字电视中间件标准、中 间件软件平台模型；深入研究了目前国际上最先进的数字电视中间件d b v - m h p 标准的基本结构、运行原理；分析了j a v a 跨平台技术在数字电视领域的优势。 2 山东大学硕士学位论文 在此基础之上，本文提出了一种j 2 m e 和j a v at va p i 的具体裁剪和应用方案， 并在此基础上实现了数字电视的典型应用电子节目指南( e p g ) 。 本文的研究成果不仅为进一步研究和实现j a v a 技术在数字电视领域的互动 应用提供了基础，而且提出的基于d v b m h p 的e p g 的改进方案对开发具有自 主知识产权的中间件应用产品有着借鉴意义。 2 研究的主要特色： ( 1 ) 详细分析了m h p 标准的架构、软件平台模型。 ( 2 ) 根据m i - i p 的标准，提出了一种j 2 m e 和j a v a t v a p i 的具体裁剪和应 用方案。 ( 3 ) 根据m h p 的标准，对传统的e p g 开发进行了改进。 山东大学硕士学位论文 第2 章数字电视中间件 2 1 数字电视中间件概念 从广义的角度讲，中间件可以划分为“数据库访问”、“远程过程调用”、“面 向消息”、“对象请求代理“分布式事务处理”五种形式。数字电视中间件得益 于分布式计算中间件的发展。d v b 的中间件指的是一类软件，而不是一种软件， 是作为一个独立的软件层运行在数字电视系统的接收终端( 通常是机项盒) 上， 位于机项盒操作系统和业务应用之间传递信息的软件。它使开发者能使用一种脚 本语言来选择和连接已有的服务，从而生成简单程序的软件开发工具，为数字电 视业务应用提供运行支撑环境，可以跨越技术、标准等复杂的内容，用简单的方 法定制具有自己特色的应用软件，从而在提高开发效率、减少开发成本的同时能 够跟上技术的发展，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。 与计算机软件开发中的中间件概念不同的是，d v b 的中间件以应用程序接 口( a p i ) 的形式存在，整个a p i 集合存储在机顶盒的闪存( f l a s h ) 中。d v b 的中 间件要通过定义和规范数字电视系统的传输协议、内容格式和系统应用框架，实 现数字电视业务系统的互操作性。d v b 的中间件有助于实现数字电视交互式功 能的标准化，同时使以应用程序的形式通过传输信道下载到机顶盒中的服务项目 的数据量减d , n 最低限度。d v b 的中间件是交互电视业务全面展开的重要技术 手段，表现出电视媒体重要的智能优势。 2 2 中间件软件平台模型 在构建对业务或应用支持的平台模型时，大多遵循国际标准化组织的 i s o o s i 开放系统互联的七层参考模型( o s i 瓜m ) 的思路，根据自身系统的特 点，建立层次化的模型结构。 按照分层模型结构的思路，一个完整的数字电视中间件软件模型，可以分为 四层，从下向上分别为硬件层、内核层、中间件层、应用软件层。硬件层提供机 4 山东大学硕士学位论文 顶盒的硬件平台；内核层提供操作系统内核以及各种硬件驱动程序；应用软件包 括本机存储的应用和可下载的应用；中间件将应用软件与依赖于硬件的底层软件 分隔开来，使应用不依赖于具体的硬件平台。一个通用的数字电视中间件系统结 构如图2 - 1 所示： l 嵌入武操作系统及设蘩骄动( 内梭联)l i 数字电视硬件平俞( 馒 寸层) 图2 - 1 数字电视机顶盒软硬件体系结构 下面对各个部分进行简要描述： ( 1 ) 硬件层 通常的数字电视机顶盒硬件主要有解调器、解复用器、音视频解码器、音视 频编码器、c p u 、遥控器、f l a s h 、内存等部件。 ( 2 ) 内核层 内核层主要是一个位于硬件层之上的嵌入式操作系统，能在较小的内存空间 中运行并满足实时性要求。嵌入式操作系统完成系统的软硬件资源的管理，为中 间件平台及用户应用提供基本的运行环境。这一层还包括机顶盒的驱动程序，取 决于硬件的功能定义，由硬件制造商提供。 ( 3 ) 中间件层 中间件层的内容并不统一，目前流行的中间件一般包括以下功能模块，内存 管理、通信管理、图形系统管理、s i 数据装载、系统资源管理以及与前端系统 间的通信及控制等。中间件在结构上的核心是两个引擎。一是运行引擎，即虚拟 机，它提供一整套软件技术作为嵌入式的跨平台和多业务支持的核心软件。二是 内容引擎，主要符合m p e g - 2 音视频格式和常用图片、文字，还包括节目制作、 播出、管理等，使得业务功能更强大，内容更丰富多彩。 ( 4 ) 应用层 应用层是一些建立在中间件层之上的应用程序，实现与数字电视有关的应 山东大学硕士学位论文 用。当前很多中间件提供商把很多应用的核心功能在中间件中实现，应用程序只 做一些定制和界面组织的工作，使得数字电视应用的开发变得十分简单。典型的 应用程序有电子节目指南( e p g ) 、在线投票、电子游戏、网上购物等。 数字电视中间件的软件系统的构成具有如下几个特点： 移植性；要求中间件软件的平台无关性，一方面独立于任何硬件平台，另 一方面它所提供的与硬件层的接口应该是能够在大多数硬件平台上方便的使用。 互操作性：要基于开放的标准，如m p e g ，d v b ，j a v a ，h t m l 等现有 开放的国际标准，从而保证应用程序的通用性。 采用通用的a p i ：采用统一的应用程序接口形式，要考虑：支持传输流( t s 流) 的应用、下载、本地存储等应用；支持业务信息( s i ) 的提取；使广播商和 应用提供商能够自己开发应用程序，允许实现由广播和应用提供商可以方便把握 的人性化交互界面。 交互性：支持双向交互和不需要回传的本地交互，这是现代机顶盒的重要 标志，如何在已有的硬件平台和网络基础上最大限度的延展机顶盒的交互能力， 包括频道浏览、网络交互、应用下载等功能，是中间件开发的核心内容之一。 可塑性和可组合性：根据不同的市场需要和用户的特殊情况，中间件提供 的服务应该是可以组合的，可以制定不同的产品特性来满足不同层次的需求，这 将方便新功能的加入便于用户升级。当然，这一点是建立在中间件软件系统架构 的稳定性之上。 数字电视中间件的应用开放性和平台无关性是其发展的必然方向，所以中间 件通常由虚拟机构成，如j a v a s c r i p t 虚拟机、j a v a 虚拟机等。采用虚拟机的概念， 可以避免为一个平台特别重建内容。一个虚拟机也可称作驱动程序，它可定义为 一个独立的工作环境，因此，程序员在开发机顶盒的应用程序时可以不必关心底 层的硬件结构。中间件产品一般由非节目提供商和机顶盒厂家的第三方提供，这 对于节目提供商制作节目和厂家生产机项盒的进一步简化和标准化都是非常有 利的。 2 3 数字电视中间件标准 在数字电视业务的不断发展过程中，人们认识到了制定统一的应用程序接口 6 山东大学硕士学位论文 的重要性。可以说，中间件技术的发展与中间件标准的制定进程是同步的。目前 国际上中间件的标准主要有五种，欧洲的d v b m h p ( m u l t i m e d i ah o m e p l a f f o n h 日本的a r i b ( a s s o c i a t i o n o f r a d i o i n d u s t r i e sa n d b u s i n e s s e s ) ，美国的 a t s c ( d t va p p l i c a t i o ns o f t w a r ee n v i m n m e n t ) 、a t v e f ( a d v a n c e dt e l e v i s i o n e n h a n c e m e n tf o r u m ) 和c a b l e l a b s - o c a p ( o p e n c a b l ea p p l i c a t i o np l a t f o r m ) 等。 我国的中间件标准发展很慢，到目前为止，国家广电总局仍没有正式公布，暂行 的是由广电总局提出的数字电视接收设备中间件功能性能规范。 欧洲的d v b - m h p 标准是目前应用最广的数字电视中间件标准，由欧洲d v b 组织提出。该标准以j a v a 技术为核心，主要定义数字电视接收端的整体结构、 传输协议、内容格式、j a v a 虚拟机、d v b ja p i s 、安全性以及各层细节。m h p 明确提出数字电视中间件系统中必须包含一个j a v a 虚拟机，为不同的硬件、软 件提供公共接口，交互式应用使用j a v a 语言进行编程，同时建议采用h t m l 。 日本制定的是a r i b 标准。a r i b 标准主要是基于b m i x m l 的一种形式， 作为内容的播发格式) 和d s m - c cd a t ac a r o u s e l ( 数据轮播) ，并增加扩展了 j a v a s c r i p t 以便更好地编写交互式应用。b m l 是一种规范的语言，符合未来电子 商务的要求；d s m c c 数据轮播是一种数据传输国际标准，因此该标准有一定的 适用性。目前日本的一些软件企业和数字电视机顶盒企业，如p i o n e e r 、f u j i t s u 等都在研发符合r i b 标准，以便解释b m l 的中间件系统。 美国制定了一系列的中间件标准。a t v e f 是一种将h t m l 作为数字电视内 容的主要格式的标准，它与目前的互联网在较大程度上兼容。a t s c 组织的标准 d a s e ( d t v a p ps o f t w a r ee n v i r o n m e n t ) 主要以s u n 公司的j a v at v 为基础，力图 制定出一个以j a v a 为核心的标准，目前也还没有完全结束。o p e n c a b l e 是以 c a b l e l a b s 为核心的网络公司组成的一个标准化组织，旨在制定一个用于网络数 字电视的标准o c a p ( o p e n c a b l e a p p l i c a t i o n p l a t f o r m ) 。最近他们采用了不少m h p 标准中内容作为o c a p 标准。 2 4 国内外中间件产品 目前国内外已有多种中间件系统，它们在产品性能、应用等方面各有千秋。 国外的主要有：o p e n t v ；l i b e r a t e ；a l f i c a s t ：c a n a l + m e d i a h i g h w a y 。国内的 山东大学硕士学位论文 主要有中视联的u p s y s 和上海高青的媒体烽火台。 n d s 中间件 n d sc o r n 是一套应用于机项盒、可升级的交互数字电视中间件解决方案。 它基于d v b 和i n t e m e t 标准，1 9 9 6 年面世以来，运行于一个实时操作系统，是 一个既适用于增强电视、又符合d v b - - m h p 标准的中间件。n d sc o r e 的基本 特点包括：提供预定服务功能、三层图像；支持m p e g - 2i 帧；可选择支持h t m l 引擎和j a v a 。其应用程序可以用h t m l 、j a v a s c f i p t 和j a v a 等开放的标准语言来 编写。 o p e n t v 中间件 o p e n t v 早在1 9 9 5 年就开始从事数字电视中间件技术的研究。o p e n t v 采用 的编程语言是c 语言，同j a v a 相比，它具有编程难度大，调试难度高等缺点。 o p e n t v 还与松下共同开发了支持d v b m h p 的机顶盒，可以同时支持现有的 o p e n t v 应用和d v b - m h p 应用。但是o r ) e n t v 存在很多如双向数据通讯不通等 尚未解决的问题，加上o p e n t v 固有的采用c 语言开发，封闭性较强，应用开 发难度远大于基于j a v a 的系统。 l i b e r a t e 中间件 l i b e r a t e 的中间件解决方案是服务器端基于o r a c l e 数据库，客户端基于开放 的h t m l 和j a v a ，主要是支持网上浏览功能。它最大的优点是基于多级运营商 管理，有利于对多级运营的现状进行多级管理。 a l t i e a s t 中间件 a l f i c a s t 是韩国的数字电视中间件系统，它是目前号称第一家进入商业运营 的基于m i - i p 的中间件系统，a l f i e 笛t 的主要设计方案是在美国制定、韩国开发的， 是完全基于欧洲d v b - m h p 的一种解决方案。 c a n a l + 中间件 c a n a l + 的m e d i a - h i g h w a y 是中间件系统在欧洲的代表，其技术特征是：采用 标准的j a v a 语言，采用标准的数据下载协议d s m c c 对象轮播传输，将j a v a 与 d s m - c c 相结合。1 9 9 9 年，m e d i a h i g h w a y 率先实现了将j a v a 引入d t v 机顶盒。 m e d i a - h i i g h w a y 可支持多种语言，包括j a v a 、h t m l 、j a v a s c r i p t 、m h e g - 5 、p a n t a l k 等；满足多种标准，包括d v b - m h p 、o c a p 。m e d i a - h i g h w a y 中间件提供交互电 山东大学硕士学位论文 视环境所需的所有功能，可以快速地移植到各种操作系统硬件地组合上，并能 够执行任何基于开放或专用技术编写的应用。 中视联u p s y s 中间件 北京中视联u p s y s 是一种开放、嵌入式的机顶盒中间件系统，它既易于移 植，又具有良好的可升级性与扩展性，支持用j a v a 佃r 语言编写的交互式应 用软件。u p s y s 采用国际和国内数字电视标准和协议，给运营商提供了一个开放、 灵活、易扩展、可移植的端到端的增值服务平台。它包括终端机顶盒的中间件、 前端广播服务系统和交互式应用。 媒体烽火台中间件 媒体烽火台中间件由英凯软件系统有限公司和上海高清联合开发。该中间件 系统包括一个j a v a 虚拟机和一个网络浏览器，能够支持j a v a 编程和上网。该系 统符合中国数字电视和d v b - m h p 标准，支持国际标准d s m c c 协议。 9 山东大学硕士学位论文 3 1d v b m h p 的概念 第3 章d v b m h p 原理 目前，最著名的、影响最大的数字电视中间件标准是由欧洲d v b 组织提出 的多媒体家庭平台( m u l t i m e d i a h o m e p l a t f o r m ，简称加肿) 。欧洲的交互式数字 电视的发展领先于世界上其他国家，同时欧洲对交互式应用的重视远胜于北美地 区。在这样一个有多元化国家存在，各个国家既要求相互的独立性，又强调联盟 的欧洲大陆，各工业、商业及科研集团之间形成了一种友好的交流协作关系。这 就为数字电视标准的产生，创造了一种有利的氛围。1 9 9 6 年，欧洲理事会的i s i s 组发布i j n 邛e 卜一通用机顶盒项目，该项目的主要目的是引发人们开发对用户 而言能够透明访问最广泛的多媒体业务的通用平台。m h p 最新版本是m h p 1 2 1 ，已经被许多国家借鉴。 多媒体家庭平台( m h p ) 是指集成接收解码器、计算机、电视机以及通过 家庭数字网络( d n ) 互联的本地集群系统的一整套实现系统。它包含了在家 庭中实现数字交互多媒体业务所需的一整套技术解决方案，包括了协议、通用 a p i 以及接口的描述等。它存在的环境如图所示。 图3 - 1 m h p 存在环境 由图3 1 可见，d v b - m i - i p 在整套系统中扮演着桥接的角色，它从输入接收 各种数据，将数据转换为客户端可以接收的格式展现给用户。 概括的说，m h p 的中间件标准定义了一组较为完整的、标准的应用程序接 口。这些接口对数字电视音频、视频、服务信息( s e r v i c ei n f o r m a t i o n ) 以及数据 广播等应用进行封装，为数字电视广播接收端软件部分的开发提供跨操作系统和 山东大学硕士学位论文 硬件平台的、层次化和模块化的、可扩展接口，使应用程序独立于操作系统和硬 件平台。“操作系统+ 中间件”构成了数字电视系统的应用运行环境。 d v b m h p 开发的目的就在于建立一个标准、开放的平台，使得所有多媒体 业务的一致兼容性，也就是从目前的业务垂直市场向水平市场转化，这种转化是 从一种封闭市场向开放市场的转化。在垂直市场中，每个服务提供商有一套自己 的平台包括自己的播发前端、条件接收系统( c a ) 、传输系统以及接收终端，依 靠这个平台以及它的用户而形成一个相对封闭的业务市场。在水平化的市场中， 每个服务提供商可以直接面对各种各样的用户，从具有各种硬件平台的接受终端 如机顶盒到集成的电视机以及计算机，在同一个平台上可以提供各种各样的业 务，包括付费电视、e p g , 股票信息、交互式数字电视、交互式网络游戏、互联 网接入等等，d v b m h p 是广播与交互的融合，是数字电视与i n t e m e t 网络的融 合。 3 2d v b m h p 中间件的总体模型 3 2 1m h p 的系统架构 从中间件理论的角度出发，数字电视中间件系统是与平台无关的，为此，中 间件系统设计框架会将与平台无关的部分分离开来，形成一种层次化结构。根据 数字电视的实际情况，m h p 的层次化结构可分为三层，如图3 - 2 所示。 成j j 瑶 一一m h p a p l 系统软件层 疑源麒 图3 - 2 m h p 的三个层次 ( 1 ) 资源层：是硬件抽象层。包括机顶盒的硬件( m p e g 解码、输入，输出设 山东大学硕士学位论文 备、c p u 、内存、图形显示等) 、驱动程序和操作系统等，通过调用这些资源实 现交互应用。m h p 标准并没有规定如何实现这些硬件、软件资源。 ( 2 ) 系统软件层：包括m h p 的a p i ( 应用程序编程接口) 、应用管理器( 或称应 用导航) 和j a v a 虚拟机。该层构成了一个抽象的资源层并将它提供给应用层。该 层管理、控制i v i h p 和它上层的应用，支持基本传输协议和虚拟机的功能。m h p 标准明确提出中间件系统中必须包含一个j a v a 虚拟机，用以解释执行j a v a 程序， 也就是说，j a v a 虚拟机为交互应用在不同硬件和操作系统上运行提供了标准接 口，通过它将标准化的a p i 和与特定制造商相关的软硬件平台分开应用只是通 过a p i 来接触平台。同样地，m h p 标准也没有给出实现这一层的方法，而把实 现细节的问题留给了机顶盒和中间件厂商。 ( 3 ) 应用层：包括相互作用、共同运行的j a v a 应用程序和库。这些应用只能 通过m h p 的a p i 访问资源层。由于基于j a v a 规范，因此d v b m h p 的平台命 名为d v b - j 。 根据m h p 的这三个层次，迸一步细化m h p 中间件软件系统的设计，形成 一个层次型架构，由几个系统模块组成，见下图： 图3 - 3 基于m i - i p 的中间件系统架构 系统软件 系统软件包括了所有需要具体实现的部分，包括实时操作系统、驱动程序和 固化软件。该模块提供m p e g - 2 表格数据提取，条件接收和s m a r t 卡控制，信道 参数设定，音视频流控制，m o d e m 管理，t v n c r 控制及其他的功能。 应用管理器 应用管理器是中间件负责调度的很重要的一部分，直接关系到一个中间件产 山东大学硕士学位论文 品的性能。m h p 标准的应用管理模块完成对系统中运行的应用的管理功能。应 用管理器允许数字电视系统中并发运行多个应用。系统在加电启动之后，应用管 理器就自动运行直至系统被关闭。在系统运行的过程中，应用管理器就一直在后 台运行，用来监控前端交互应用播发的状态变化、及时装载应用程序，并启动、 删除应用和协调应用在机顶盒中的运行。应用管理器负责从广播数据中获取j a v a 类文件、数据以及应用程序信息表等信息，并通过接收相应的广播信号或者用户 输入时间来管理应用的运行状态。应用管理器是可执行应用的主入口点，而且只 有应用管理器才能激活一个应用并触发应用的运行状态发生变化。应用管理器包 括一个浏览器( n a v i g a t o r ) ，它可以确保与所有业务的接触、控制m h p 的操作与 配置。 核心：j a v a 虚拟机 d v b j 平台的核心是j a v a 虚拟机( m ) 和许多定义在规范中的核心j a v a 包。核心包有j a v a a a n g ，j a v a 。u t i l ，j a v a i o 。j a v a n e t 的一部分也包括在其中，该 包精确的支持范围取决于口基于的网络和设备所支持的精确范围。同时，核心 包也包括用于支持“轻量级组建”的j a v a a w t 包。另外，这部分还提供j a v a d e b u g 等功能。 w 曲引擎 w e b 引擎支持h t m l 3 2 4 0 、x h t m l 、d o m c s s 等，显示h t m l 网页， 提供上网功能。 h 删 m h p 标准包含了来自h a v i ( h o m ea u t o v i d e oi n t e r o p e r a b i l i t y ) 协会的用户 界面a p i ，这是为了提供对电视特殊的用户界面功能。它包括一个与电视有关的 控件集和一个一般的框架结构，这个框架结构提供对一些需要确定视频和图形关 系的部分的定位。 d v 1 c a p i s 在m h p 标准另一个j a v a 包的来源是d a v i c ( d i 季t m a u d i o v i s u a l c o u n c i l ) 。 这个包主要用于m p e g 传输和相关的主题，比如调谐和条件访问。许多d a v i c 定义的对j m f 的扩展也包括在其中。 应用程序标准接口( a p i ) 山东大学硕士学位论文 m h p 标准定义了一组较为完整的、标准的应用程序接口，包括一些1 2 m e 的程序包，和一系列用于数字电视的专用程序包。这些接口对数字电视音频、视 频、业务信息、多媒体控制、回路控制及系统资源管理等进行封装，为数字电视 广播接收端的软件部分的开发提供跨平台、层次化和模块化、可扩展的接口，另 外还提供控制w e b 浏览器运行j a v a a p p l e t 的程序包。 互操作应用 交互式应用有两种即插( h u g - i n ) 接口。一种是可以在d v b - j 平台上实现， 如p l u g - i na 所示，这样一个互操作的p l u g - i n 可以使用在所有d v b j 平台上。 另外一种方式是直接在系统软件上实现，如p l u g i nb 所示，这需要一个特定平 台的即插( p l u g i n ) 接口。即插功能可以在制造过程中完成。也可以在销售过程 中完成，或者通过智能卡，d v b 公共接口或多媒体卡在以后升级。 3 2 2 硬件抽象层 数字电视接受设备的硬件部分具体实现许多的功能，它们通过软件和硬件资 源来表达和实现。这些资源的组织形式并不固定，不同的设计方案有不同的组织 形式。这种模式可以考虑在整个平台中包含不止一个硬件设备和功能。 抽象来看，逻辑资源映射成一个或多个硬件实体并没有什么不同，重要在于 资源是提供给中间件应用程序的。应用程序应该能够利用所有硬件资源，就像它 们是一个封装的实体，只能通过外在的接口提供服务。在具体实现上，必须考虑 嵌入式硬件平台的资源局限性。以目前主流的机顶盒为例，主芯片使用s t i 5 5 1 8 ， 其中的c p u 运算能力为8 0 m i p s ，s d r a m8 1 6 m b ，f l a s h4 8 m b 。与p c 相 比，这样的系统资源简直低得可怜，但是数字电视中间件系统又是构建于其上的 一个复杂的软件平台。因此，硬件抽象层各模块的实现对于整个系统的性能起着 至关重要的作用。 把资源模块按照活动性划分为“主动模块”和“被动模块”。被动模块是那 些不被外部模块调用时就完全不活动的模块，例如：图形系统等，它们自身并不 活动，只有外部模块调用它们的接口时，才得以运行并在调用完成后迅速返回； 主动模块则是那些本身具有行为能力的模块，它们对实时性要求较高但执行起来 又较为复杂，这些模块是需要线程驱动的。例如：音视频解码、智能卡等等。由 1 4 山东大学硕士学位论文 于被动模块只是一个接口到接口的转换过程，对性能的影响不大。所以实现过程 中，资源模块的设计原则是尽量“被动化”。对于“被动模块”，应严格控制它们 对底层设备资源的占用，尽量采用一一对应的方式将其接口映射到相关设备。对 于“主动模块”，为了提高实时性，利用平台多任务实时操作系统，采用多线程 的结构来实现相关模块，同时尽量限制线程总数量以减少线程对资源的占用。图 3 - 4 显示了主动模块的执行过程。 调j u处理 图3 4 主动模块执行过程 在硬件抽象层中，必须装有一个r t o s ( 实时操作系统) ，决定其任务和线 程调度策略，协调整个系统中各个线程的运行。 3 2 3 资源抽象层 对资源的管理包括两大方面：应用程序的生命周期和系统资源管理。在这一 层中的核心是应用管理器和j v m 。 m h p 为应用的生存周期管理规定了机制。它为确定应用的状态定义了状态 机，应用状态有：加载、暂停、活跃和销毁。 图3 - 5x l e t 生存周期的状态转换 一方面系统支持由终端用户启动的应用，另一方面系统也支持根据服务选择 山东大学硕士学位论文 自动启动的应用。m h p1 1 版还支持本地存储的应用，即已经下载到终端并且启 动的应用，该应用不会因为系统选中了新的服务而被销毁。图中的x l e t 是应用 程序的容器，每个应用程序都是在一个对应的x l e t 中创建的，通过x l e t 可以方 便有效的实施对应用程序的管理。 这里所说的管理包括两大方面：应用程序的生命周期和系统资源管理。为了 管理应用程序的整个生命周期并为其分配资源，m h p 专门设置了一个组件 应用程序管理器( a p p l i c a t m nm 姐a g e r ) 。应用程序管理器是m h p 中间件的重要 组件，可以说是中间件的调度核心。作为m h p 终端系统软件的一部分运行。应 用程序管理器由资源管理器、x l e t 应用管理和系统调整三部分组成。 图3 - 6 应用程序管理器功能图 应用管理器是应用程序执行的主要入口点( e n t r yp o i n