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1、数字电视机顶盒的嵌入式系统设计 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望主要内容n n数字电视机顶盒的工作原理n n基于嵌入式系统STB的硬件结构n n基于嵌入式系统STB的软件设计 二十世纪九十年代以来，随着信息化，智能化，二十世纪九十年代以来，随着信息化，智能化，网络化的发展，嵌入式系统技术获得了越来越广阔的网络化的发展，嵌入式系统技术获得了越来越广阔的发展空间。嵌入式系统以微电子技术、控制技术、计发展空间。嵌入式系统以微电子技术、控制技术、计算机技术和
2、通讯技术为基础，在上述领域中发挥着重算机技术和通讯技术为基础，在上述领域中发挥着重要作用。而作为数字电视客户端接受装置设备的数字要作用。而作为数字电视客户端接受装置设备的数字电视机顶盒，其核心技术就是采用电视机顶盒，其核心技术就是采用3232位芯片的嵌入式位芯片的嵌入式技术。技术。数字电视机顶盒接收来自各种传输介质的数字电数字电视机顶盒接收来自各种传输介质的数字电视节目信号和各种数据信息，通过解调、解复用、解视节目信号和各种数据信息，通过解调、解复用、解码和音、视频编码码和音、视频编码(或者通过相应的数据解析模块或者通过相应的数据解析模块)，可以在模拟电视机上观看数字电视节目和各种数据信可以在
3、模拟电视机上观看数字电视节目和各种数据信息。总的来说，数字电视机顶盒负责接收数字电视节息。总的来说，数字电视机顶盒负责接收数字电视节目、处理数据业务和完成多种应用的解析。下面分析目、处理数据业务和完成多种应用的解析。下面分析一下数字电视机顶盒的工作原理：一下数字电视机顶盒的工作原理：数字电视机顶盒数字流图基于嵌入式系统STB的硬件结构STBSTB硬件结构图硬件结构图n n嵌入式微处理器 嵌入式系统的核心就是嵌入式微处理器，其嵌入式系统的核心就是嵌入式微处理器，其性能的优劣直接关系到整个系统的性能。微处性能的优劣直接关系到整个系统的性能。微处理器提供一个可编程的硬件平台，对系统中各理器提供一个可
4、编程的硬件平台，对系统中各个功能模块进行协调和控制。在本系统中我们个功能模块进行协调和控制。在本系统中我们选择了选择了3232位高性能微处理器位高性能微处理器TinyRisc EZ4103 TinyRisc EZ4103 MIPSMIPS，其处理速度达到，其处理速度达到108MHz108MHz。内部包括通用。内部包括通用寄存器系统控制处理器寄存器系统控制处理器(CP0)(CP0)、算术逻辑单元、算术逻辑单元(ALU)(ALU)和移位器。寄存器支持源操作数执行单元，和移位器。寄存器支持源操作数执行单元，并将处理结果存入旧的寄存器；并将处理结果存入旧的寄存器；CPOCPO处理包括中处理包括中断在内
5、的例外事件断在内的例外事件ALUALU完成算术与逻辑运算，以完成算术与逻辑运算，以及计算地址等操作，移位器主要完成移位操作。及计算地址等操作，移位器主要完成移位操作。n n存储器n n1.SDRAM1.SDRAM 在本系统中在本系统中SDRAMSDRAM共有两块：共有两块：SDRAM-ASDRAM-A、SDRAM-BSDRAM-B。SDRAM-ASDRAM-A通过通过SDRAMSDRAM接口与视、音频解码器相连，专门接口与视、音频解码器相连，专门负责为硬件解码工作分配内存，这样可以保证解码工作不负责为硬件解码工作分配内存，这样可以保证解码工作不会被会被STBSTB其他模块干扰。其他模块干扰。S
6、DRAM-BSDRAM-B通过一个通过一个SDRAMSDRAM控制器控制器与系统其他模块相连，被与系统其他模块相连，被CPUCPU、OSGOSG、DemuxDemux和外设等硬和外设等硬件模块使用，以保证件模块使用，以保证CPUCPU能够以最小的内存反应时间来运能够以最小的内存反应时间来运行行STBSTB应用程序。这两种应用程序。这两种SDRAMSDRAM除了速度和容量不同，其除了速度和容量不同，其他方面完全一样。所有的输入和输出均在时钟输入上升沿他方面完全一样。所有的输入和输出均在时钟输入上升沿被同步化，数据通路通过内部流水线化来获得大的带宽。被同步化，数据通路通过内部流水线化来获得大的带宽
7、。n n2.Flash2.Flash和和NVRAMNVRAM Flash Flash用来存放整个软件系统的可执行代码和节目频道用来存放整个软件系统的可执行代码和节目频道信息。信息。NVRAMNVRAM挂在挂在I2CI2C总线上，拥有总线上，拥有I2CI2C总线上的唯一地总线上的唯一地址。需要通过址。需要通过I2CI2C总线寻址才能读写存放在上面的系统设总线寻址才能读写存放在上面的系统设置和部分节目频道信息。置和部分节目频道信息。n n前端接收模块 包括调谐器（包括调谐器（TunerTuner）和解调器（）和解调器（DemodulatorDemodulator）。调）。调谐器接收射频信号；解调器
8、采用谐器接收射频信号；解调器采用PhilipsPhilips公司的公司的TDA10021TDA10021解调芯片，集成了实现解调所需要的各种功能，包括解调芯片，集成了实现解调所需要的各种功能，包括DACDAC、信道解码、前向纠错编码（信道解码、前向纠错编码（FECFEC）和里德）和里德-所罗门编码等功所罗门编码等功能，负责将模拟信号转换为数字信号，然后传送到解调模能，负责将模拟信号转换为数字信号，然后传送到解调模块，经过解调输出块，经过解调输出MPEG-2MPEG-2格式的格式的TSTS流的串行或并行数据。流的串行或并行数据。n n解复用器 解复用器完全兼容解复用器完全兼容ISO/IEC 13
9、818-1ISO/IEC 13818-1（MPEG-2MPEG-2）国际）国际标准，集成了标准，集成了MPEG-2MPEG-2传输层的音频、视频流和数据服务传输层的音频、视频流和数据服务的解复用功能和解扰功能。解复用器有传输流解复用器和的解复用功能和解扰功能。解复用器有传输流解复用器和节目流节目流解复用器两种类型。解复用器两种类型。n nMPEG-2视、音频解码器 解码器从解复用器的输出部分接收被编码的解码器从解复用器的输出部分接收被编码的PESPES流。流。通过硬件进行通过硬件进行MPEG-2MPEG-2的音、视频数据解码，输出解码后的音、视频数据解码，输出解码后的数字视频给的数字视频给Mi
10、xerMixer，输出解码后的数字音频给，输出解码后的数字音频给DACDAC模块模块。n nOSG(On-Screen Graphic)该子系统能产生光标、该子系统能产生光标、OSDOSD（On-Screen DisplayOn-Screen Display）和）和静止图片等几个图形层（这里称为平面）。静止图片等几个图形层（这里称为平面）。n n混合器（Mixer）和视频编码器 Mixer Mixer负责将从负责将从OSGOSG接收的图文、自身产生的背景与接收的图文、自身产生的背景与解码视频相叠加，然后将所形成的解码视频相叠加，然后将所形成的8 8位或位或1616位位YCrCbYCrCb数字数
11、字视频流传送到视频编码器。视频编码器进行数模转换，产视频流传送到视频编码器。视频编码器进行数模转换，产生复合视频、生复合视频、S S视频或视频或RGBRGB视频信号，支持包括视频信号，支持包括PALPAL、NTSCNTSC和和SECAMSECAM制式。制式。基于嵌入式系统STB的软件设计STBSTB软件系统逻辑框架图软件系统逻辑框架图n n在STB上搭建pSOS操作系统 STB STB平台存在大量的芯片和外设，一个嵌入式控制系平台存在大量的芯片和外设，一个嵌入式控制系统也因此要控制和监视很多设备，要求有实时响应，同时统也因此要控制和监视很多设备，要求有实时响应，同时要处理大量任务切换、通信和同
12、步工作。这样就要求在要处理大量任务切换、通信和同步工作。这样就要求在STBSTB平台上搭建一个平台上搭建一个RTOSRTOS。通常我们选用。通常我们选用pSOSpSOS操作系统操作系统作为作为STBSTB应用的平台。应用的平台。pSOS pSOS操作系统是一个模块化的高性能操作系统是一个模块化的高性能RTOSRTOS，专门应，专门应用于嵌入式系统领域。它提供一个基于开放系统标准的、用于嵌入式系统领域。它提供一个基于开放系统标准的、彻底的多任务环境。彻底的多任务环境。pSOSpSOS系统采用模块化的结构设计，系统采用模块化的结构设计，围绕着围绕着pSOSpSOS实时多任务内核集成了基于标准结构的
13、和独实时多任务内核集成了基于标准结构的和独立编码的各种功能的软件模块。立编码的各种功能的软件模块。pSOSpSOS系统不和硬件发生系统不和硬件发生丝毫关系，它与硬件通过丝毫关系，它与硬件通过BSPBSP来联系。用户在配置表中定来联系。用户在配置表中定义应用程序环境和相关的硬件，在开始执行环境和目标环义应用程序环境和相关的硬件，在开始执行环境和目标环境中进行配置，从而满足不同的硬件环境。境中进行配置，从而满足不同的硬件环境。n nSTB应用软件设计 STB STB应用软件的功能就是播放数字电视节目。我们从应用软件的功能就是播放数字电视节目。我们从实现的角度对软件层的三个层面的功能进行介绍：实现的
14、角度对软件层的三个层面的功能进行介绍：n n(1)Drivers(1)Drivers：主要完成：主要完成STBSTB核心的核心的DemodulatorDemodulator，DemuxDemux，DecoderDecoder，OSGMixer/EncoderOSGMixer/Encoder等硬件模块的功能驱动，等硬件模块的功能驱动，同时为外围设备提供诸如同时为外围设备提供诸如GPIOGPIO，SmartcardSmartcard，SHISHI（I2CI2C总总线）等接口的驱动。线）等接口的驱动。n n(2)Services(2)Services：一方面依附于：一方面依附于DriversDriv
15、ers层提供的功能，完成层提供的功能，完成STBSTB所需如所需如TuneTune控制，控制，PSIPSI解析，解扰等。另一方面，为解析，解扰等。另一方面，为上层上层APPAPP提供如节目搜索，节目收看，存储管理等功能。提供如节目搜索，节目收看，存储管理等功能。n n(3)APP(3)APP：主要根据：主要根据ServicesServices层提供的功能，满足用户在使层提供的功能，满足用户在使用过程中所需的要求用过程中所需的要求,如节目管理，如节目管理，EPGEPG等。同时该部分也等。同时该部分也会直接调用相关驱动提供的功能，完成诸如色彩亮度调节，会直接调用相关驱动提供的功能，完成诸如色彩亮度
16、调节，音量调节等功能。音量调节等功能。n n模块设计和实现 按照硬件的不同功能，又可以将应用软件分成按照硬件的不同功能，又可以将应用软件分成以下几个模块：以下几个模块：n n外围设备驱动：外围设备驱动：n n(1)GPIO(1)GPIO驱动：作为最基本的外围设备接口，驱动：作为最基本的外围设备接口，GPIOGPIO显得尤显得尤为重要，它是我们前期系统调试，以及为重要，它是我们前期系统调试，以及LEDLED，KeypadKeypad等驱等驱动的基础。动的基础。n n(2)SHI(2)SHI驱动：即驱动：即I2CI2C总线驱动，它作为一种通用的外围总总线驱动，它作为一种通用的外围总线，其应用非常广
17、泛，在我们的线，其应用非常广泛，在我们的STBSTB系统中，系统中，I2CI2C被用来进被用来进行行TunerTuner以及以及NVRANVRA（MEEPROMMEEPROM）的驱动。稳定且高效的）的驱动。稳定且高效的I2CI2C驱动直接影响驱动直接影响STBSTB的锁台的成功和速度以及节目存储。的锁台的成功和速度以及节目存储。n n(3)Smartcard(3)Smartcard驱动：驱动：SmartcardSmartcard作为作为CACA中不可缺少的部分，中不可缺少的部分，该部分的性能直接影响该部分的性能直接影响CACA的实现。由于存在着各种不同厂的实现。由于存在着各种不同厂商，故要求在
18、此部分要实现商，故要求在此部分要实现ISO7816 T=0ISO7816 T=0，T=1T=1和和T=14T=14等等协议。协议。n n(4)IR(4)IR驱动，驱动，KeypadKeypad驱动：驱动：APPAPP的输入设备，不可缺少。的输入设备，不可缺少。n n存储管理模块n n(1)Flash(1)Flash，NVRAMNVRAM驱动：驱动：STBSTB系统中的存储管理系统中的存储管理支持。支持。n n(2)(2)存储管理：用来存放节目和频道等信息，基于存储管理：用来存放节目和频道等信息，基于FlashFlash，NVRAMNVRAM的实现。把该部分单独列出，主要的实现。把该部分单独列出
19、，主要是由于此部分的实现比较独立，且在是由于此部分的实现比较独立，且在ServicesServices和和APPAPP中都会用到。一个好的存储管理，不仅可以中都会用到。一个好的存储管理，不仅可以保证保证STBSTB的正常工作，并且可以向用户提供多样的正常工作，并且可以向用户提供多样化的节目管理和查看方式。化的节目管理和查看方式。n n前端接收模块n nDMDDMD：DMDDMD作为作为NIMNIM模块的驱动，通过调用外围模块的驱动，通过调用外围驱动模块中驱动模块中SHISHI驱动提供的接口访问驱动提供的接口访问TunerTuner，主要，主要负责将上层的频率，符号率等参数传递到负责将上层的频率
20、，符号率等参数传递到TunerTuner，完成频点的锁定工作完成频点的锁定工作。n nFEFE：作为：作为ServicesServices层的一部分，层的一部分，FEFE是是DMDDMD和和ServicesServices中其它模块（主要是中其它模块（主要是SVCSVC）之间的桥梁。）之间的桥梁。一方面，一方面，FEFE根据用户要求播放的节目，找到该节根据用户要求播放的节目，找到该节目对应的频点信息，将其设置到目对应的频点信息，将其设置到DMDDMD；另一方面，；另一方面，FEFE还会通过挂在还会通过挂在DMDDMD上的上的CallbackCallback通知通知SVCSVC，告知，告知频点是
21、否锁定等状态信息，以便频点是否锁定等状态信息，以便SVCSVC进行合适的进行合适的动作。动作。n n解复用模块：n n(1)DMX(1)DMX驱动：即解复用器的驱动，在这里主要提驱动：即解复用器的驱动，在这里主要提供两种功能：一方面进行供两种功能：一方面进行PID/Section FilterPID/Section Filter，以，以完成完成TSTS流的解复用工作；另一方面进行流的解复用工作；另一方面进行DVBDVB标准标准的解扰工作，完成的解扰工作，完成CACA的核心功能之一。的核心功能之一。n n(2)PSI(2)PSI分析子模块：主要根据注册在分析子模块：主要根据注册在DMXDMX层的
22、层的CallbackCallback函数，得到函数，得到PSIPSI相关信息。通过分析相关信息。通过分析PSIPSI信信息，不仅可以得到当前节目，息，不仅可以得到当前节目，EPGEPG等信息，更重等信息，更重要的是可以提取出要的是可以提取出EMMEMM，ECMECM等等CACA相关信息，以相关信息，以便节目的解扰。便节目的解扰。n n条件接收（Conditional Access，CA）模块：n n(1)CA(1)CA工作协议工作协议CxLibCxLib：主要针对不同：主要针对不同CACA厂商，实厂商，实现不同的现不同的CACA协议。该部分将直接和协议。该部分将直接和SmartcardSmar
23、tcard驱驱动通讯，完成具体的动通讯，完成具体的EMMEMM更新和更新和ECMECM解密。解密。n n(2)Common CA(2)Common CA（CCACCA）：该部分作为）：该部分作为CACA的主控模的主控模块，一方面从块，一方面从PSIPSI分析子模块中获取分析子模块中获取EMMEMM，ECMECM信信息，发送到息，发送到CxLibCxLib，另一方面从，另一方面从CxLibCxLib得到相应的得到相应的CWCW，以完成音视频等的解扰。，以完成音视频等的解扰。n n解码模块（A/V Decoder）：n n由于音视频的解码都是由硬件完成的，驱动和应由于音视频的解码都是由硬件完成的，
24、驱动和应用程序要完成的工作不多：该部分驱动一方面完用程序要完成的工作不多：该部分驱动一方面完成成SDRAMSDRAM（DecoderDecoder专用）的管理，另一方面必专用）的管理，另一方面必须完成音视频同步、视频输出转换等。须完成音视频同步、视频输出转换等。n nOSG（On-Screen Graphics）图形驱动模块n nUI模块n n混合/编码器模块（Mixer/Encoder）n n 视频视频PESPES数据经过解码后，已经是格式为数据经过解码后，已经是格式为YcbCrYcbCr（4:4:44:4:4）的数字信号，编码器的任务就是将其转换）的数字信号，编码器的任务就是将其转换成成PAL/SECAM-CVBSPAL/SECAM-CVBS或者是或者是S-VideoS-Video格式的模拟信号。格式的模拟信号。MixerMixer则负责将背景和则负责将背景和OSGOSG生成的图像元素以及视频进行生成的图像元素以及视频进行混合，生成最后的输出图像。混合，生成最后的输出图像。