（管理科学与工程专业论文）基于嵌入式linux机顶盒的网络通讯平台研究.pdf

基于嵌入式l i n u x 机顶盒的网络通讯平台研究 摘要 随着互联网的发展和人们对信息交流的需求不断的提高，涌现出一大批网 络通讯平台，为广大网络用户之间的交流提供了极大的便利。但是目前这些基 于互连网的通讯平台都必须在电脑上运行，而对于我国这样一个发展中国家， 计算机的普及率远不能满足其作为通讯平台终端要求。另外，我国是电视大国， 电视普及率十分高。如何使电视成为通讯平台的终端以满足更多人通过更便捷 的方式进行信息交流正是我们要解决的问题。因此本论文探讨利用嵌入式系统 和互联网对家用电视机进行功能上的扩展，形成新的通讯平台终端，来满足人 们日常生活中对信息交流的需求。 本论文主要研究网络机顶盒的软硬件设计以及网络通讯平台的设计实现。 首先分析国内外流行的网络通讯软件的功能和应用，重点对腾讯q q 的通讯平 台、增值服务、网络应用等各个方面进行考察，提炼出适合于网络机顶盒平台 的通讯功能。然后介绍网络机顶盒的设计方案，硬件设计部分主要包括机顶盒 的硬件结构框架设计，嵌入式主板、存储设备的选型，机顶盒视频输出接口的 设计，以及采用无线鼠标键盘的人机交互设计。系统软件设计包括定制嵌入式 l i n u x 内核、小型文件系统、嵌入式图形界面、小型s h e l l 程序等；最后是网络 通讯平台的实现，包括服务器端和客户端软件、通讯协议的设计以及对通讯流 程的详细分析。 关键字：机顶盒，即时通讯，l i n u x ，嵌入式 r e s e a r c ho ni n t e r n e tc o m m u n i c a t i o np l a t f o r mb a s e do n e m b e d d e dl i n u xs e tt o pb o x a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e m e ta n dt h eg r o w i n gr e q u i r e m e n tf o ri n f o r m a t i o n c o m m u n i c a t i o n ，t h e r ee m e r g e dal a r g en u m b e ro fc o m m u n i c a t i o np l a t f o r m s ，i tp r o v i d ea g r e a tc o n v e n i e n c ef o rt h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e nu s e ro fn e t w o r k h o w e v e r , t h e c u r r e n tt o o lt ou s et h ei n t e m e tc o m m u n i c a t i o np l a t f o r mi sm a i n l yc o m p u t e r f o ra d e v e l o p i n gc o u n t r ys u c ha so b r s ，t h ec o m p u t e rc o v e r a g ei sf a rf r o mb e i n ga b l et om e e tt h e r e q u e s to fb e i n ga sa c c e s st e r m i n a l st ot h ec o m m u n i c a t i o np l a t f o r m f u r t h e r m o r e c h i n ai s ab i gc o u n t r yf o rt e l e v i s i o n ，t h et vc o v e r a g ei sv e r yh i g h s o ，h o wt om a k et e l e v i s i o n b e c o m e i n g an e wc o m m u n i c a t i o nt e r m i n a lt o e x c h a n g ei n f o r m a t i o nt h r o u g hm o r e c o n v e n i e n tm e a n sf o rm o r ep e o p l ei se x a c t l yw h a tw eh a v et or e s o l v e t h e r e f o r e ，t h i sp a p e r d i s c u s sh o wt oe x p a n dt vs e ti n t on e wc o m m u n i c a t i o n sp l a t f o r mt e r m i n a lt h r o u g h e m b e d d e ds y s t e ma n dt h ee x i s t i n gn e t w o r k ，t om e e tt h en e e d so f e x c h a n g i n gi n f o r m a t i o ni n d a i l yl i f e t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c ho nt h ed e s i g no fi p s t b ss o f t w a r ea n dh a r d w a r ea n d r e s e a r c ho nd e s i g na n dr e a l i z a t i o no fi n t e m e tc o m m u n i c a t i o n sp l a t f o r m f i r s t ，t h ep a p e r a n a l y s et h ec u r r e n tp o p u l a rc o m m u n i c a t i n gs o f t w a r e sf u n c t i o n sa n da p p l i c a t i o n s m a i n l y i n v e s t i g a t et h ec o m m u n i c a t i o n sp l a t f o r m ，v a l u e a d d e ds e r v i c e sa n dn e t w o r ka p p l i c a t i o n f i e l d so ft e n c e n tq q ，e x t r a c tt h e b a s i cf u n c t i o n so fac o m m u n i c a t i o n sp l a t f o r m ；t h e n i n t o d u c et h ed e s i g np r o g r a m r n e so fi p s t b ，m a i n l yi n c l u d ed e s i g n i n gt h eh a r d w a r e s t r u c t u r ef r a m e w o r k s ，c h o o s i n gt h ee m b e d d e dm a i n b o a r da n ds t o r a g ee q u i p m e n t a c c o r d i n g ， s u m m i n gu pt h es i g n a lt r a n s m i s s i o ni n t e r f a c e so ft vs e tw h i c hs h o u l db es u p p o r t e db y i p - s t b ，a n dd e s i g nt h ew i r e l e s sm o u s ea n dk e y b o a r d s y s t e ms o f t w a r ei n c l u d i n gl i n u x k e r n e lc u s t o m i z i n g ，m i n if i l e s y t e m ，e m b e d d e dg u i ，s m a l ls h e l lp r o c e d u r e s f i n a l l y , r e a l i z e t h ei n t e r a c tc o m m u n i c a t i o n sp l a t f o r m ，i n c l u d es e r v e ra n dc l i e n t ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ， a n dd e t a i lo f c o m m u n i c a t i o np r o c e s s e s k e yw o r d s ：s e tt o pb o x ( s t b ) ，i n s t a n tc o m m u n i c a t i o n ，l i n u x ，e m b e d d e d 插图清单 图1 1 网络机顶盒作为中间设备扮演的角色 图2 - 1 硬件结构原理图 图2 - 2 嵌入式主板 图2 3 机顶盒系统架构图 图3 - 1 通讯平台整体架构 图3 2 服务器端功能模块分解 图3 - 3 客户端功能模块分解 图3 4 协议体系 图3 5 新用户注册 图3 - 6 用户登录 图3 7 取联系人列表 图3 - 8 系统消息传递过程 图3 - 9 用户状态转换 图3 1 0 客户端通讯 图3 - 1 1 客户端x m l 文件( 联系人x m l ) 图3 1 2 链表数组l i v i n g l i s t 图4 - 1 朗强l k v 2 0 0 0 视频转换器 图4 - 2 无线鼠标键盘接收器( p s 2 ) 一 图4 - 3 利用q v f b 来显示m i n i g u i 图4 _ 4 面向连接的t c ps o c k e t 图4 5 面向无连接的u d ps o c k e t 图4 6 服务器端实现 图4 7 客户端实现 图4 8p 2 p 之u d p 穿透n a t 的原理 图4 9m i n i g u i 的默认界面 图4 - 1 0 使用m i n i g u l 自带的图形界面 图4 - 11 动态按钮效果 j m ” 他 饽 加 丝 m 筋 撕 凹 如 舛 乾 钙 卵 档 盼 如 甜 致谢 本文是在我的导师马溪骏副教授的悉心指导下完成的。三年来，马老师无 论是在学习上还是生活上都给了我极大的关心和帮助。从进入实验室开始，马 老师就在学习方面督促我，在研究方面启示我，在实践方面指引我，我的论文 也得到马老师的细心指正。马老师一心育人，既是严师又是慈母，她对我的谆 谆教导和无微不至的关怀让我感怀至深。马老师严谨的治学态度和广博的学识、 精益求精的工作态度、诲人不倦的师者风范必将使我终身受益。马老师，您的教 诲学生终生难忘! 特别感谢计算机网络系统研究所的杨善林教授。杨老师在学术上的高深造 诣、学风上的严谨求实、对科学前沿敏锐的洞察力、勇往无前的开拓精神以及 对我的严格要求都使我受益匪浅，在此谨向杨老师致以衷心的感谢和崇高的敬 意l 还要特别感谢的是计算机网络系统研究所的褚伟老师。褚老师对我的课题 研究上的悉心指导，给我研究的道路上指引了方向，并且适当地给予压力，培 养我独立思考的能力，其扎实的技术实力和丰富的项目经验让我受益良多。 感谢网络所的左春荣、潘若愚、余本功、梁昌勇、胡笑旋、靳鹏、潘申、 毛雪岷等老师和管理学院李兴国、刘业政、刘心报、袁建明、何建民等老师对 我学业上及生活上的关心、帮助和指导，感谢管理学院所有老师的培养和帮助。 感谢孙建、石建国、徐王权、楼旭涛、李伟、杨永升、王毅、柏昊、王素 风、杜娟、刘佳、程经纬、姚原、李光成等同学和朋友对我的关心和帮助。 深深感谢我的父母，虽然不在身边，但是总在挂念着我，在我遇到困难的 时候开导我，在我取得进步的时候鼓励我。他们无私的爱和深切的期望是我求 学路上的强大精神力量! 最后，再次感谢所有帮助过我的领导、老师和同学! 作者：陈宣义 2 0 0 6 年5 月 第一章前言 1 1 论文的背景和意义 互联网在我国发展迅速，网络用户的数量变的十分巨大，网络的发展和普 及也改变了用户的通讯习惯，广大网络用户更加倾向于利用便捷的网络通讯软 件进行交流。网络通讯软件的使用突破了传统的通讯方式，如信件、电报、电 话、短信等响应时间长、费用昂贵、操作复杂等缺点，促进了人与人之间的交 流。 但是，目前使用这些通讯软件需要用户熟练的操作电脑，而电脑设备的价 格昂贵、操作复杂，需要操作者掌握一定的知识技能，这就在一定程度上限制 了广大用户在电脑上使用这些便捷的通讯软件。因此有必要设计开发一种价格 低廉、操作简便的通讯方式，来满足人们对网络通讯交流的需求。 我国电视机的普及率十分高，即便在相对落后的农村，也几乎是家家都有 电视。因此本论文设计一种嵌入式网络机顶盒，对电视机进行功能上的扩展使 其可以方便的用来进行网络通讯，突破电脑的价格和操作方面的限制，使普通 用户也可以使用网络进行通讯。极大的方便普通百姓的日常交流。 本论文探讨如何在符合我国当前社会环境下，根据互联网上通讯软件的常 见应用，构建一种廉价便捷的通讯网络机顶盒。论文描述了该嵌入式网络机顶 盒的软硬件设计，以及基于该网络机顶盒的通讯平台的设计和实现。该网络机 顶盒属于智能家电系统，作为中间设备联结互联网和普通电视，对普通电视的 功能进行拓展，使其能够借助网络进行通讯，网络机顶盒在实际应用中所处的 具体位置如图1 1 。 图卜l 网络机顶盒作为中间设备扮演的角色 基于网络机顶盒的通讯平台的使用，使普通电视不再局限于原有简单被动 的收视功能，同时为广大用户提供一种简便而且经济的通讯方式，拉近了人与 人之间的距离，使利用网络进行通讯变得更加经济快捷。 1 2 机顶盒的发展现状 机顶盒，又称顶置盒，英文名称为s t b ( s e tt o pb o x ) 。它是一个体积不大 ( 相当于笔记本电脑大小或更小) ，可以放在电视机顶上的小盒子，并因此而得 名。机顶盒于1 9 9 6 年问世，随着i n t e r n e t 和点播电视v o d 的发展而发展。机顶 盒在一些发达国家已经十分普及，国内市场在1 9 9 7 年就有机顶盒产品出现，但 是由于本身的价格昂贵，而且面向的数字电视服务不到位，因此机顶盒在国内 并没有得到普及。 机顶盒是一个很广泛的概念，从广义上说，凡是与电视机连接的网络终端 设备都可称为机顶盒，但是我们平时理解的机顶盒主要有四种，分别为数字电 视机顶盒( d v b c ) ，主要功能是使模拟彩电能够接收数字电视信号；卫星数 字机顶盒( d v b s ) ，用来接收数字卫星广播节目；v o d 数字机顶盒，基于宽 带网，可实现上网和双向视频点播功能；网络电视机顶盒，主要功能是使模拟 彩电能够浏览互联网。 本论文讨论的面向通讯平台的机顶盒属于网络机顶盒，目前存在的网络机 顶盒已经具有很好的网络功能，能够利用i p 电视固有的双向天性实现如w e b 浏览、电子邮件、即时信息等服务。但是这些网络电视机顶盒功能比较复杂， 价格十分昂贵，从本质上来看仍然类似电脑设备。因此构建一种价格低廉，操 作简便的面向单一的网络通讯功能的机顶盒设备，仍然是具有很好的市场和社 会意义。 本论文设计的机顶盒采用嵌入式l i n u x 系统作为操作系统。在机顶盒的操作 系统方面，目前主要有弧种，一种是微软的w i n c e ，另一种是l i n u x 。采用微软 的w i n c e 系统为将来机顶盒和p c 等设备联网带来了方便，但机顶盒生产商将为 此付出一笔不菲的费用，大大的提高了机顶盒生产成本，不符合我们最初的设 计需求。采用l i n u x 平台具有源码开放的特点，同时l i n u x 平台可支持许多高级 功能，如录像与i p 传输等，目前在全球机顶盒市场上，l i n u x 操作平台已成为高 端机顶盒如d v r ( d i g i t a lv i d e or e c o r d e r ) 和i p t v 机顶盒的主要选择。 目前国内网络机顶盒还存在诸多问题，比如硬件芯片依赖国外，软件不具 有知识产权，功能过于复杂，价格偏高脱离我国目前实际消费情况，没有系统 的服务支持，缺乏统一标准等。本课题即针对以上问题分别进行探讨，力图构 建一个适合我国大多数用户的嵌入式机顶盒通讯平台。 2 1 3 网络通讯平台现状 互联网的发展极大的促进了社会发展，改交了人们的生活，基于互联网的 交流平台的出现也方便了人们日常交流，同时也使人们摆脱了传统的交流方式 的束缚。提高人们工作效率和生活档次。传统意义上人们生活中的交流平台主 要有信件，电报，电话，短信等。相对与网络通讯平台它们存在着明显的不足 之处，比如，响应时间长，费用高，操作不方便等。 据统计，迄今为止，全球约有一亿多人使用通讯软件在网上交流。中国网 民惯用的即时通讯工具腾讯o o 从1 9 9 9 年2 月诞生到现在，注册用户已超过 1 6 亿，在线用户最高时超过2 0 0 万人，而每天独立上线人数更是达到一千二 百多万，拥有活跃用户5 5 0 0 万，几乎覆盖所有中国网民。网络通讯的发展十分 迅速，并且网络中各种通讯软件不断涌现。目前国内比较流行的即时通讯平台 有：腾讯q q ，微软m s n 2 1 ，网易p o p o 3 】，y a h o o 通【4 】等。 目前出现在网络上的交流平台主要分为即时通讯和非即时通讯： 1 非即时通讯平台主要是指电子邮件和网络中的论坛b b s 5 】( b u l l e t i n b o a r ds y s t e m ) 。这些论坛根据讨论的主题或各自的功能来划分，b b s 的出现为 人们在网络上进行非即时交流提供了一种十分便捷的方式，同时也丰富了人们 在网络上的生活。目前网络上存在着种类繁多的b b s ，它们涉及到日常工作和 生活的各个方面，成为人们不可缺少的网络交流方式。 2 即时通讯兴起的相对较晚，但是发展却十分迅速，网络中各种即时通讯 软件不断涌现。作为使用频率最高的网络软件，即时通讯已经突破了作为技术 工具的极限，被认为是现代交流方式的象征，并构建起一种新的社会关系。它 是迄今为止对人类社会生活改变最为深刻的一种网络新形态。 即时通讯软件正在向着整合的方向发展，通过整合各种已有的通信方式来 加强自身功能。目前新的即时通讯软件已经包含手机短信、电子邮件等方式， 成为一个全能的网上平台，具有聊天、会议、文件共享、网上购物等诸多功能， 为用户提供功能更加强大的交流平台。 即时通讯工具使用频率非常高，超出任何一种网络软件。大部分人只要上 网就会使用自己的即使通讯软件，即时通讯软件将取代电子邮件，成为最流行 的互联网通讯工具。全球约有一亿多人通过即时通讯软件在网上交流，国产通 讯软件q q 的使用人数几乎覆盖所有中国网民。 但是目前用户使用这些通讯软件必须通过电脑，离开电脑便无法发挥其优 势，这也给当前的通讯平台造成了极大的局限性。因此论文中设计实现了一种 基于嵌入式网络机顶盒的网络通讯平台，该平台包括客户端和服务器端两个部 分组成，客户端可以是机顶盒通讯终端服务器端建立在物理服务器上，为整个 平台提供支持。 目前国内外还没有专门针对机顶盒的通讯服务平台出现，现有的基于机顶 盒的通讯服务和普通的网络通讯平台十分相似。或者直接利用了现有的网络通 讯软件平台。因此不具有较好的针对性，同时其实现成本也相对较高。因此设 计开发面向嵌入式网络机顶盒的通讯平台，具有可观的市场意义，同时也为改 善普通百姓的日常交流起到重要作用。 1 4 本论文的主要工作和章节安排 本论文的主要对嵌入式l i n u x 系统开发应用的基础知识，如l i n u x 内核机制、 s o c k e t 网络编程、嵌入式界面开发等做了研究和分析。对网络通讯平台( 包括 客户端和服务器端) 进行研究，实现普遍适用于当前网络的即时非即时通讯平 台。 论文的主要结构如下： 第一章介绍本论文的研究背景意义和相关知识，介绍网络通讯平台和机 顶盒国内外发展现状，描述整个论文的架构和章节安排。 第二章主要讨论根据目前实际应用方面的需求设计机顶盒软硬件系统 架构，包括机项盒系统的硬件选型，和嵌入式l i n u x 系统的构建以及其开发应用， 为后继章节奠定基础。 第三章论述基于嵌入式l i n u x 的机顶盒的通讯平台设计，包括通讯平台 的整体框架、服务器端和客户端功能分解、通讯协议、服务器端数据库设计等。 第四章论述基于嵌入式l i n u x 的机项盒系统的通讯平台的实现，包括机 项盒硬件的实现、系统软件的安装、嵌入式软件开发方法介绍、系统关键脚本、 部分关键代码的实现等。 第五章结论、后继工作展望以及参考文献。 4 第二章嵌入式l i n u x 机顶盒的设计 2 1 嵌入式l i n u x 系统介绍 本论文介绍构建一种针对网络通讯的嵌入式网络机顶盒，其硬件设备采用 x 8 6 架构，软件部分采用自行定制的嵌入式l i n u x 系统，具有完全的自主权。 2 1 1 嵌入式系统 嵌入式系统是随着计算机技术、微处理器技术、电子技术、通信技术、集成电路 技术的发展而发展起来的【6 】。嵌入式系统已成为计算机技术和计算机应用领域的一个 重要组成部分。嵌入式系统有多种定义方法，这些定义方法有的是从嵌入式系统的应 用定义的，有的是从嵌入式系统的组成定义的，也有的是从其他方面进行定义的，下 面给出两种定义方法。 第一种定义方法：嵌入式系统是以应用为中心、计算机技术为基础，软、硬件可 裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 第二种定义方法：把基于处理器( 通用处理器和嵌入式处理器) 的设备称为计算机， 把计算机分成两大部分，即通用计算机和嵌入式计算机。嵌入式系统也称为嵌入式计 算机，因此嵌入式系统桩定义为非通用计算机系统。这个定义是从计算机的分类方面 进行的。 简言之，一个嵌入式系统就是一个硬件和软件的集合体，它包括硬件和软件两部 分。 硬件包括嵌入式处理器控制器数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 等、存储器及外设器件、输入输出( i o 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系 统软件( 嵌入式操作系统) 和应用程序( 应用软件) ，应用的领域不同，应用程序( 应用软 件) 千差万别。有时设计人员把这两种软件组合在一起：应用软件控制着系统的运作和 行为；而嵌入式操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。嵌入式系统有时还 包括其他一些机械部分，如机电一体化装置、微机电系统等，这是为完成某种特定的 功能而设计的，有时也称其为嵌入式设备，它是指具有计算机功能，但又不称为计算 机的设备或器材。 2 1 2 嵌入式l i n u x 一般地，嵌入式系统的软件需要嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ， e o s ) 开发平台。一般对于小规模的嵌入式系统，应用程序可以没有操作系统直接在 芯片上运行；而对于大系统来说，为了合理地调度多任务，管理和利用系统资源、系 统函数，以及和专用库函数接口，用户必须自行选配e o s 开发平台，这样才能保证 程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 一个优秀的e o s 是嵌入式系统成功的关键e o s 足相对于一般操作系统而言的， 它具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能 等。但嵌入式操作系统仅具有这些功能是不够的。为了适应不断发展的嵌入式产品的 要求，e o s 还需要具有以下特点： 1 1 更好的硬件适应性，也就是良好的移植性，支持尽量多的硬件平台。 2 1 占有更少的硬件资源，例如占用存储器几千到几万字节。 3 ) 高可靠性。 4 ) 提供强大的网络功能，支持t c p i p 协议及其他协议，协议栈可裁剪。 5 ) 友好高效的g u i ( 图形用户接i = 1o 6 ) 实时陛能( 有些应用要求) 。 7 ) 可裁剪性，例如设计成微内核结构和模块化结构。 嵌入式系统并不是一个新生的事物，从2 0 世纪8 0 年代起，国际上就有一些r r 组织和公司开始进行商用嵌入式系统和专用操作系统的研发，这其中涌现厂一些著名 的嵌入式系统。进入2 0 世纪9 0 年代后，国内的些公司和科研院校也开始涉足嵌入 式实时操作系统，并且已经开发出了一些可与国外产品媲美的实时操作系统。下面对 一些在我国广泛使用的r t o s 进行相应的介绍。 1 v x w o r k s 操作系统 v x w o r k s 是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的嵌入式实时操 作系统。它是美国w i n d r i v e r 公司的产品，以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛 地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，已经在 包括爱国者导弹和火星探测罪等许多领域上得到成功应用。 2 w i n c e 操作系统 w i n c e 是由微软公司推出的嵌入式实时操作系统，m i c r o s o f i w i n d o w s c e 是从整体 上为有限资源的平台设计的多任务、多优先级的操作系统。其模块化设计允许它对 于从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。操作系统的基本内核需 要至少2 0 0 k b 。但它的最大缺点是实时性不好，是软实时操作系统，只能用于对实时 性要求不高的场合。 3 v r t x 操作系统 v r t x 是老牌的嵌入式实时操作系统，在早期的商用嵌入式操作系统中曾扮演“领 头羊”的角色。v r t x 具有一组满足用户需要的模块化的编程界面和工具。无论是对 存储器和耗能有限制的手持器件，还是用于电话交换的网络管理卡，v r t x 都有一套 工具满足开发者的需求。通过对可向上兼容编程接口和面向对象开发的支持，v r t x 保证在将来支持和能重复利用其源码。v r t x 的特点包括易于载入定制硬件、文件系 统支持及a n s i p o s i x 接口。v r t x 还支持多种网络协议。v r t x 目前主要有v r t x s a 、 v r t x 5 和专门支持单芯片( s o c ) 的玎x m c ，、，r 1 o c 3 个版本。 4 p s o s 操作系统 6 i s i 公司推出了r t o s ，现在i s i 已经被w i n r i v e r 公司兼并，p s o s 属于w i n d r i v e r 公司的产品。这个系统是一个模块化、高性能的实时操作系统，专为嵌入式微处理器 设计，提供一个完全多任务环境，在定制的或是商业化的硬件上提供高性能和高可靠 性。可以让开发者根据操作系统的功能和内存需求定制成每一个应用所需的系统。开 发者可以利用它来实现从简单的单个独立设备到复杂的、网络化的多处理器系统。 5 p a l m o s 操作系统 3 c o m 公司的p a l m o s 在p d a 市场上占有很大的市场份额，它有开放的操作系统 应用程序接口，开发商可以根据需要自行开发所需要的应用程序。 6 d e l t a o s 操作系统 d e l t a o s 是电子科技大学寅时系统实验室和北京科银京成公司联合开发的，国内 具有完全自主知识产权的r t o s ，已经成功地应用于消费电子产品、通信产品、工业 控制及军用电子产品中。它具有高可靠性、实时性良好、可伸缩性、可移植性强( 9 0 以上代码采用c 语言编写) 、支持多处理器结构的硬件环境和接门标准的开放性等特 点。 d e l t ao s 是由具有高可靠性和实时性的内核d e l t a c o r 、嵌入式t c p 口d e l t a n e t 、 嵌入式文件系统d e l t a f i l e 以及嵌入式图形接口d e l t a g u i 组成。 7 嵌入式l m u x 操作系统1 7 l 以上介绍的r t o s 都是商用的嵌入式操作系统，它们在系统可靠性和对用户的技 术支持上都有自己的优势。但是，这些专用操作系统均属于商业化产品，其价格昂贵； 而且，由于很多时候它们的核心源代码都是不公开的，这使得每个系统上的应用软件 与其他系统都无法兼容。由于这种封闭性还导致商业嵌入式系统在对各种设备的支持 方面存在很大的问题，使得对它们的软件移植变得很困难。由于l i n u x 自身诸多优势， 在嵌入式这个r r 产业的新的关键领域，嵌入式l i n u x 操作系统适时地出现在各嵌入式 厂商面前，吸引了许多开发商的目光，成为嵌入式操作系统的新宠。 与目前市场上的众多商业的r t o s ( 实时操作系统) 相比，嵌入式“n _ u ) 【拥有以下的 特点。 1 1 完全开放源代码 嵌入式l m u x 开放源代码，这使得学习、修改、剪裁l i n u x 成为可能，嵌入式系 统的设计者可以对嵌入式m n u x 进行二次开发，去掉操作系统的附加功能，只保留必 须的操作系统功能，并且可以根据实际应用的需要优化操作系统的代码，从而降低整 个系统开销与能耗。而日前大多商用r t o s ，要么不提供源代码，要么购买源代码需 要支付高额的版本费用。相比之下，嵌入式l i 肌x 的这一优点对于对成本和能耗极为 敏感的嵌入式系统是十分重要的。 2 ) 成本低 g p l 协议保证了源自l i m 的嵌入式l i n u x 也是开放源代码的自由软件，也就是 说，只要遵守g p l 协议，嵌入式l i n u x 操作系统的源代码可以自由获得。因此，使用 嵌入式l i n u x 开发嵌入式应用，用于购买操作系统软件的费用可以忽略不计。而商业 的r t o s 其操作系统的每个拷贝售价在几百美元到几万美元不等，如果需要操作系统 的源代码，则还需要另外购买。另外，大多数嵌入式l i n u x 使用的开发工具也是遵守 g p l 协议的，同样可以免费获得。 3 1 丰富的实用软件支持 l i n u x 操作系统是一个完整的、功能强大的操作系统提供了大量的实用程序和各 种各样的应用软件。这些软件的正确性和有效性都经过实际应用检验，可以根据需要， 利用l i n u x 提供的丰富的软件支持，迅速构建嵌入式应用的软件环境。这样可以极大 地减小嵌入式系统软件开发的时间和费用，提高系统的可靠性。而商用的r t o s 尽管 也试图提供各种常用软件工具包支持，但是其数量是无法和l i n u x 操作系统匹敌的。 可以看出，嵌入式l i n u x 操作系统与传统的商业r t o s 相比有着自己独特的优点。 根据一家专门进行嵌入式l i n u x 系统信息发布的网站h t t p ：w w w l i n u x d e v i c e s c o m 的 调查，有5 2 的用户决定在未来2 4 个月内使用l i n u x 作嵌入式系统的开发原型，而 只有2 9 的用户仍然使用专有操作系统，1 9 的用户仍然使用w i n d o w s 系列操作系统 进行嵌入式系统开发。这说明了嵌入式l i n u x 在开发嵌入式系统的广阔前景。 2 2 机顶盒系统概述 基于通讯平台应用的机顶盒属于网络机顶盒，作为提供即时通讯功能的智能家 电，机顶盒通讯平台的主要目的是为了弥补目前网络通讯领域的不足。参照当前流行 的一些通讯平台的主要功能和广大用户的使用习惯，该机顶盒通讯平台需要具备以下 功能： 1 支持网络通信，能够适应国内常见的网络环境，目前机顶盒具有服务器 客户端模式( s c ) 和端对端模式( p 2 p ) 两种网络通讯方式； 2 支持v g a 、s 端口等视频输出，根据不同视频输入型号的电视机，可以 选择相应的输出方式，扩大对当前家用电视的支持面： 3 支持鼠标、键盘等基本输入和常用的拼音输入法： 4 文件管理能力，包括日志、配置文件、通讯记录等。同时提供方便的管 理界面。 5 功能齐全的用户图形界面，仿造当前流行的诸多通讯软件的风格进行设 计，符合用户的操作习惯，便于使用。 6 支持简单的网络浏览功能，对h t m l 语法可以进行解析，能够浏览简单 网页。 7 系统安装和操作简单、易用，符合家用电器的特点，便于使用和维护； 8 低功耗，低成本，结构坚固，便于运输。 机顶盒系统由硬件和软件组成，软件系统包括底层的操作系统软件和应用层的通 讯软件。机顶盒通过软件系统实现以上功能，而硬件系统则支持软件系统的正常工作， 不同档次的硬件其性能也有明显的差别，当然其价格也随硬件档次的提升而提升。因 此作为嵌入式设备，机顶盒系统的硬件需要进行严格的选择，在提供完善的功能支 持的基础上，还需要考虑到软件开发的难易程度，以及成本因素。 2 3 机顶盒的硬件设计 嵌入式系统具有很强的应用针对性，为了减少成本提高性能需要对其软硬件进行 自行设计。机顶盒属于智能家用电器范畴，有特殊要求，其选型直接影响系统整体性 能，需要对多方面因素进行综合考虑。 首先机顶盒系统的易用性要求十分高，任何优秀的电器如果不能很快的被用户熟 练使用，其势必导致该电器无法被市场承认被广大用户接受。其次机顶盒系统的稳定 性要求高，并且该系统面向的用户群体十分庞大，因此由于顶盒系统不稳定而引起的 维护和售后服务将十分困难。同时由于家用电器需要经常搬运移动所以，系统需要具 备一定的抗震能力。机顶盒作为家用电器必须符合家用电器标准，实现安全无污染， 低噪音。最后，机顶盒面向的对象为广大的普通用户，因此价格方面也需要尽量的低 廉。 2 3 1 机顶盒系统的硬件结构原理图 考虑到机顶盒应用的需求，经过详细的分析和设计得出本课题的机顶盒硬件结构 模型，其硬件结构原理如图2 - l 。 圈2 - 1 硬件结构原理图 9 图中视频输出模块作为输出接口负责机顶盒和电视机的数据通讯，不同的电视机 有不同的输入接口，因此机顶盒硬件部分需要考虑到目前流行的各种输入方式。嵌入 式c p u 和贴片式内存，以及客制化的b i o s 都是集成在嵌入式主板上的，在对嵌入式主 板进行选型的时候便要将这些内容考虑进来。机项盒外围通讯部分包括u s b 通讯和网 络通讯，其中网络通讯用来实现系统的通讯平台的各个功能，而利用u s b 接口可以对 系统的一些文件进行备份恢复，以及部分系统进行升级。 2 3 2 机顶盒系统的具体硬件配置： 考虑到以后功能的升级，和减少开发难度，增加系统的稳定性。本系统的 硬件设计主要采用p c 架构的板卡o e m 方式。将系统设计为p c 架构，可以利用 主板生产厂商成熟的板卡生产技术，定做系统的主要板卡，大幅降低生产成本。 1 系统采用低功耗嵌入式主板。 嵌入式主板实际上就是一台高度集成化的p c ，板载大容量内存、高速c p u 、 以及丰富的外围接口便于软件开发和系统的扩展升级。普通c p u 功耗高，需要 风扇散热，因此容易因为风扇的老化等原因产生噪音，同时，普通c p u 也由于 功耗高而比较容易消耗能源，所以选用低功耗c p u 可以避免采用风扇噪音，节 约能源。 图2 - 2 嵌入式主板 由于板载内存，嵌入式c p u ，b i o s 以及一些板上接口之间的关系十分 紧密，板阃通讯频繁，因此一般都是由主板生产厂商进行整合后一同提供， 因此对这些部件的选择既是对嵌入式主板的选择。该嵌入式主板 r o c k y - 5 1 2 8 1 ( 如图2 2 ) 具体配置如下表： l o 表2 一l 嵌入式主板配置 c p u 槽掇载c p u c p u 樊熬a m dg e o d eg x l 3 0 0 m h z 芯片羹a m dg e o d eg x l + c $ 5 5 3 0 a 板载6 4o r 1 2 8 m bs d r a m 内存 1x d i m mu p t o5 1 2 m b 最承卡板载系统集成 以太网卡 单个l o l o o b p sr e a l t e kr t l 8 1 0 0 b 快速以太隅控制器 2xr s 一2 3 2 1xp s 2 k b m s 1xl p t ( s p p e p p e c p ) i o 接口 2x u s b1 1 1xl r d a 8xd i g i t a li oc h a n n e l 1xi d ea t a 一1 0 0 6 6 3 3 驱动接日 1xf d d 频分双工 声卡 n a s s d 存储媒壤 c ft y p ei i ，d o c 毫源控制功能符合a c p i1 1 规格， 带5 v 扩展电源输入控制 艟耗 5 v 1 8 a ( 带扩震1 2 8 m bs d r a m 模块) 硬件监搅貉n a 温度范围0 6 0 0 c 运行环壤 相对湿度5 9 5 ，非冷凝 总薰 7 0 0 9 2 外存采用c f 卡( c o m p a c tf l a s h ) c f 卡由s a n d i s k 和佳能( c a n o n ) 等几家公司开发，出于对存储介质新的要求 和满足消费类数字电子产品的需要，存储容量从2 m b 产品到4 g b 的。这种存储 介质采用闪存技术，可永久性保存信息，无需电源。速度快，重量轻，体积大 小4 2 8 x 3 6 4 x 3 3 m m ( t y p e2 的为4 2 8 3 6 4 x 5 m m ) ，可在3 3 v - 5 v 之间的任何 电压下运行。 c f 卡使用可以直接安装在芯片上的控制器接1 ：3 ，不带驱动器，无移动的部 件，增强了使用方面的兼容性，这使它成为多功能的存储系统。这种可随机携 带的控制器使c f 卡与多种平台相兼容，如d o s 、w i n d o w s 、o s 2 、m a c 和u n i x 。 绝大多数支持p c m c i a a t a 标准的操作系统和设备也都支持c f 卡。 c f 卡易于升级，采用5 0 针接口。虽然比传统的硬盘成本高，但c f 卡有其 自身的优势。首先c f 卡不带驱动器，无移动的部件，因而发生机械故障的可能 性很小，数据更安全。其次，c f 卡耗电量小，仅为普通硬盘的5 。还有，c f 卡结实耐用，3 米高处落地也无问题：使用1 0 0 多年也可保证数据完好无缺。因 此c f 卡相对机械硬盘更加符合机顶盒系统的应用需求。 本系统采用c f 卡作为永久数据存储设备，需要保存载c f 卡上的数据包括： 定制的嵌入式l i n u x 内核、小型文件系统、支持库程序、通讯软件以及用户数据 文件等，合计约i o m 左右，考虑到用户数据增长，以后系统升级，以及c f 卡的 性价比等原因我们选用的c f 卡为1 2 8 m 。 3 选用板载内存 板载内存和插槽式内存相比，虽然容量无法扩展，但嵌入式系统不同于普 通p c ，一旦投入运行，很少需要再对内存这样的系统部件进行单独升级。而板 载内存具有更高的可靠性和稳定性，更加适合嵌入式环境。 在本系统中为了保护硬件采用了r a m d i s k 技术，对系统运行时需要经常读 写的临时文件区，如“t m p ”、“v a r ”等目录均采用r a m d i s k 方式，因此系统内存 需要额外提供6 0 m 左右空间。显然，系统的内存越大起性能也相应越好，但同 样需要考虑成本问题，因此本系统采用的贴片式内存的容量为1 2 8 m 。 4 提供v g a 、s 端子等视频输出方式， 目前比较高端的电视机已经直接支持v g a 输入，但是还有很多规格比较老 的或者价位比较低的模拟电视机需要通过s 端子或视频转换进行输入。因此， 我们考虑构建不同型号的机顶盒来支持相应型号的电视机，而不是使同一种机 顶盒可以支持所有型号电视机，进一步减少设计成本。 在系统的硬件设计过程中，除了以上通用的考虑因素，还要根据设备的实 际应用要求，对各个模块的选型和开发进行严格的测试，才能确定最终的方案 2 4 机顶盒系统软件设计 机顶盒系统采用层次架构，保持各个层次之间的相互独立，便于团队开发 以及功能扩展。具体层次如图2 3 ： 1 2 矮瑶菜单 操作界丽其镳癍用程序 应用层 基础支持程序库 o u i 界删夏行j 车 ( x w i n d o w 、 网络支持庠扩展捕件x m l 解析程 ( s o c k e t ) 牟 m i n i g u i 、o f f o t e ) 机顶盒嵌入式操作系统 各种驰动程序 图2 - 3 机顶盒系统架构图 2 4 1 嵌入式操作系统的构建 由上面的讨论可知，经过硬件针对性定制过的嵌入式l i n u x 系统，能够很好 的满足机顶盒通讯平台的软件系统需求。以下讨论嵌入式l i n u x 的定制过程。 对l i n u x 进行定制有三个原因： 1 ) 常规的l i n u x 系统包含了所有的操作系统功能和设备驱动，占用外存容 量很大，而机顶盒的所有软件程序都保存在6 4 m 的c f