新型有線電視數(shù)字機(jī)頂盒的管理模塊分析

    1、引言

　　有線電視數(shù)字機(jī)頂盒是用模擬電視機(jī)接收數(shù)字電視節(jié)目、提供廣播與交互式多媒體應(yīng)用功能的終端設(shè)備。近年來，隨著數(shù)字多媒體業(yè)務(wù)和Internet網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，新型數(shù)字機(jī)頂盒可以有效利用我國巨大的有線電視網(wǎng)絡(luò)資源，完成視頻點(diǎn)播、數(shù)字電視的接收、IP網(wǎng)絡(luò)電話及接入Internet等綜合業(yè)務(wù)功能。這種數(shù)字機(jī)頂盒已由以前單一的解密收費(fèi)裝置發(fā)展成為集解壓縮、調(diào)制解調(diào)、解密收費(fèi)和交互控制為一體的數(shù)字化傳輸和終端設(shè)備。

　　新型數(shù)字機(jī)頂盒將家庭的數(shù)字業(yè)務(wù)用一個終端設(shè)備進(jìn)行整合，符合未來家庭用戶的需求。但由于其功能繁雜，存在著許多新的技術(shù)難題，比如：如何有效地協(xié)調(diào)管理數(shù)字電視、IP電話、Internet連接等綜合業(yè)務(wù)；目前許多機(jī)頂盒均是單向的或者利用電話線回傳，如何實(shí)現(xiàn)視頻點(diǎn)播等新興的服務(wù)業(yè)務(wù)等。因此，我們有必要選取主頻較高、數(shù)據(jù)吞吐量大、具有寬帶交互功能和高性價比的處理芯片以及優(yōu)良低廉的軟件平臺來完成管理模塊的設(shè)計。

　　2、方案設(shè)計與芯片選擇

　　首先對數(shù)字機(jī)頂盒進(jìn)行了需求分析，即通過數(shù)字機(jī)頂盒向家庭用戶同時提供互聯(lián)網(wǎng)接入、數(shù)字電視及IP電話業(yè)務(wù)，并可開展豐富的增值業(yè)務(wù)。根據(jù)業(yè)務(wù)需求及接口方式，新型數(shù)字機(jī)頂盒的硬件體系結(jié)構(gòu)采用了模塊化的設(shè)計，主要包括外部以太網(wǎng)接口模塊、內(nèi)部以太網(wǎng)接口模塊、模擬用戶線路接口模塊、音視頻解碼模塊和中心管理模塊。外部以太網(wǎng)接口模塊提供與外網(wǎng)之間的以太網(wǎng)接口，內(nèi)部以太網(wǎng)模塊提供與戶內(nèi)電腦的以太網(wǎng)接口，模擬用戶線路接口提供兩路模擬電話機(jī)的接口；音視頻解碼模塊提供一路數(shù)字電視的解碼輸出及其相關(guān)交互功能；管理模塊則負(fù)責(zé)各業(yè)務(wù)流的協(xié)議及接口轉(zhuǎn)換。首先，外部以太網(wǎng)接口接收外網(wǎng)路由器或交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)幀，將其解封裝，轉(zhuǎn)交給網(wǎng)絡(luò)處理器按3種業(yè)務(wù)進(jìn)行分流；音視頻解碼處理模塊接收主控制芯片分流后的TS數(shù)據(jù)流，進(jìn)行MPEG-2解碼后，輸出到PAL/NTSC編碼器，編碼成模擬電視信號；內(nèi)部以太網(wǎng)接口接收IP數(shù)據(jù)包，封裝成MAC數(shù)據(jù)幀送往電腦終端；IP電話處理模塊通過CODEC編解碼芯片完成數(shù)字信號和模擬話音的轉(zhuǎn)換后送往模擬話機(jī)�！�

　　在本文的設(shè)計方案中，中心管理模塊完成了IP電話（語音業(yè)務(wù)），家庭上網(wǎng)（綜合數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)）和數(shù)字電視（視頻處理業(yè)務(wù)）3種業(yè)務(wù)的網(wǎng)關(guān)功能。經(jīng)過分析比較選擇了三星公司生產(chǎn)的ARM7系列的S3C4510B作為其主處理芯片。S3C4510B是一款針對嵌入式應(yīng)用的16/32位嵌入式處理器，該微控制器專為以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的集線器和路由器而設(shè)計，具有低成本和高性能的特點(diǎn),它內(nèi)置了ARM公司設(shè)計的16/32位ARM7TDMI處理器,可以執(zhí)行32位的ARM指令，也可執(zhí)行16位的THUMB指令,并集成了多種外圍部件。S3C4510B的系統(tǒng)時鐘頻率達(dá)到50 MHz，8 kB的Cache/SRAM，4 MB的Flash用于存放系統(tǒng)引導(dǎo)代碼、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。在設(shè)計的管理模塊中，S3C4510B通過系統(tǒng)總線與一片F(xiàn)PGA芯片XC2S30相連。XC2S30與雙通道VoSLAC(Voice over broadband Subscriber Line Audio�瞤rocessing Circuit)芯片Le78D11相連，Le78D11與雙通道VoSLAC芯片Le77D11相連擴(kuò)展出兩個模擬用戶線RJ11接口，用于連接兩路模擬電話機(jī)。S3C4510B有兩個UART，其中一個與音視頻解碼模塊的串口線交叉連接，以提供一條仿真的SLIP鏈路；另一個UART通過MAX232擴(kuò)展一個DB9接口，用于管理模塊的控制終端接口，這個接口在系統(tǒng)調(diào)試及故障檢測時非常有用。S3C4510B具有JTAG接口，可用于系統(tǒng)在線仿真調(diào)試以及FLASH編程等。

　　3、基于uClinux操作的體系結(jié)構(gòu)

　　新型數(shù)字機(jī)頂盒的主要軟件工作集中在以S3C4510B為核心的中心管理模塊，其軟硬件體系結(jié)構(gòu)可以分為4層，從底層向上分別為:硬件平臺、底層軟件、中間件和應(yīng)用軟件層。底層軟件包括軟件操作系統(tǒng)平臺和驅(qū)動程序。中間件是一種將應(yīng)用程序與底層的操作系統(tǒng)、硬件細(xì)節(jié)隔離開來的軟件環(huán)境，它通常由各種虛擬機(jī)來構(gòu)成，如HTML虛擬機(jī)、javascript虛擬機(jī)、Java虛擬機(jī)、MHEG-5虛擬機(jī)等等。

　　新型數(shù)字機(jī)頂盒的底層軟件選用uClinux作為其操作系統(tǒng)平臺。選用uClinux的原因在于它是源碼開放的嵌入式操作系統(tǒng)，雖然其實(shí)時性能一般，但可以采用RT-Linux for uClinux的Patch來增加其實(shí)時性能，并針對各應(yīng)用的特點(diǎn)使用一些特殊處理（如中斷驅(qū)動）來解決實(shí)時性問題。由于在網(wǎng)絡(luò)處理模塊部分需要復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持，而uClinux內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議，并可以借鑒Linux的豐富資源，因此選用uClinux可以提高開發(fā)的靈活性。如果選用商用嵌入式操作系統(tǒng)，那么各個組件的費(fèi)用將是一筆非常大的開銷。

　　uClinux是一種優(yōu)秀的嵌入式Linux版本，它集成了標(biāo)準(zhǔn)Linux操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能和出色的文件系統(tǒng)等主要優(yōu)點(diǎn)。uClinux同標(biāo)準(zhǔn)Linux的最大區(qū)別在于內(nèi)存管理，標(biāo)準(zhǔn)Linux是針對MMU(Memory Management Unit)的處理器設(shè)計的，而uClinux可以運(yùn)行在沒有MMU的處理器上。uClinux具有現(xiàn)代UNIX的所有特征，例如多任務(wù)操作、虛擬內(nèi)存、共享程序庫、進(jìn)程調(diào)度、完美的存儲器管理和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。此外，它與POSIX標(biāo)準(zhǔn)兼容，而采用POSIX標(biāo)準(zhǔn)的程序具有更好的移植性�！�

　　bootstrap：它負(fù)責(zé)啟動uClinux內(nèi)核以及初始化包括SDRAM在內(nèi)的系統(tǒng)資源。這部分代碼（boot loader）用來建立起系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境和在加載前初始化Ramdisk。

　　內(nèi)核初始化：uClinux內(nèi)核的入口是start�瞜ernel()，它用來初始化其他部分內(nèi)核，包括中斷、IRQ通道、設(shè)備驅(qū)動等，最重要的是它可以派生出一個“init”進(jìn)程來啟動多任務(wù)運(yùn)行環(huán)境。

　　設(shè)備驅(qū)動：構(gòu)成uClinux內(nèi)核的主要部分，和其他的操作系統(tǒng)一樣，驅(qū)動程序用來聯(lián)系操作系統(tǒng)和它們所控制的硬件設(shè)備。

　　文件系統(tǒng)：uClinux的重要特征之一就是支持多種不同的系統(tǒng)文件，這使得它對其他的操作系統(tǒng)有很好的兼容性，uClinux支持多種不同的系統(tǒng)文件并且把它們轉(zhuǎn)換成一種統(tǒng)一的虛擬文件系統(tǒng)。

　　限于文章篇幅和實(shí)驗(yàn)條件，我們只簡要介紹一下在uClinux系統(tǒng)下利用電腦終端和數(shù)字機(jī)頂盒的數(shù)據(jù)收發(fā)的實(shí)現(xiàn)過程。電路裸板的硬件開發(fā)環(huán)境包括目標(biāo)電路板、仿真器、宿主機(jī)和以太網(wǎng)交換機(jī)。仿真器使用并口電纜與電腦終端相連，使用20針扁平電纜與目標(biāo)電路板相連，主機(jī)和目標(biāo)板都使用普通網(wǎng)線與交換機(jī)相連。我們在主機(jī)上安裝終端仿真程序（在Windows下Hyperterm，在Linux下Minicom）和目標(biāo)電路板進(jìn)行通信。

　　打開主機(jī)上的超級終端，選擇連接速度為19 200 bps、無奇偶校驗(yàn)、8個數(shù)據(jù)位和1個停止位、無流控。接通板子的電源,選擇將目標(biāo)板跳線J1的1，2腳短路，BOOTLOADE（引導(dǎo)裝入程序）將會執(zhí)行燒入的uClinux固化內(nèi)核。在LINUX的命令提示符后輸入以下命令：ifconfig eth0 192.168.100.120。我們是根據(jù)主機(jī)的IP地址：192.168.100.119，子網(wǎng)掩碼：255.255.255.0，將目標(biāo)板的IP地址設(shè)為：192.168.100.200，保證目標(biāo)板和宿主機(jī)在同一個網(wǎng)段。用PING:192.168.100.119命令，可以PING通宿主機(jī)了。鍵入cd tmp，進(jìn)入一個可寫目錄。我們采用FTP的方式和主機(jī)相連，ftp:192.168.100.119,輸入已經(jīng)建立的用戶名和密碼，建立連接。為傳輸二進(jìn)制文件，鍵入命令：binary，得到如下提示：200 Type set to I,將以前編譯生成的test.o文件傳到目標(biāo)板上：get test.o。文件傳送完畢后，給它加上可執(zhí)行屬性，在超級終端中鍵入以下命令：chmod 755 test.o，就可以使用./test.o命令執(zhí)行該文件了。