數(shù)字視聽產品是近幾年消費電子類產品的一個熱點,而數(shù)字電視接收機頂盒是其中的一個重要的組成部分。本文主要介紹了一款基于STi5518 芯片的DC-618C型數(shù)字電視接收機頂盒的軟件設計與應用,對同類產品的具體實現(xiàn)有一定的指導作用。
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數(shù)字電視的崛起在我國被譽為廣電產業(yè)的第三次革命,它巨大的市場潛力正逐漸凸現(xiàn)出來。數(shù)字傳輸方式因其采用了先進的技術,具有傳統(tǒng)的模擬傳輸方式所無法比擬的優(yōu)勢,取代后者已是不可阻擋的趨勢。目前,數(shù)字電視正在世界范圍內迅速地推廣,作為接收數(shù)字電視的新興家電,機頂盒正悄悄進入千家萬戶。
機頂盒(STB,Set Top Box)是廣播媒介實現(xiàn)數(shù)字化后接收端的重要設備,一般置于電視機上, 從功能來看,機頂盒主要分為上網機頂盒、數(shù)字衛(wèi)星綜合接收解碼器、數(shù)字地面機頂盒,以及有線電視數(shù)字機頂盒,這些設備由于具有很好的網絡功能,因此也成為信息家電的代表。
我們在這里討論的主要是指有線電視數(shù)字機頂盒,它的基本功能是接收數(shù)字電視廣播節(jié)目,同時具有所有廣播和交互式多媒體應用功能。
數(shù)字電視機頂盒的技術含量非常高,它集中反映了多媒體、計算機、數(shù)字壓縮編碼、加解擾算法、加解密算法、通信技術和網絡技術的發(fā)展水平,在設計技術上主要包括機頂盒硬件技術和軟件技術兩大部分, 其中,軟件技術占有更為重要的位置。除了音視頻的解碼由硬件實現(xiàn)外,包括電視內容的重現(xiàn)、操作界面的實現(xiàn)、數(shù)據廣播業(yè)務的實現(xiàn),直至機頂盒和個人計算機的互聯(lián)以及和Intemet的互聯(lián)都需要由軟件來實現(xiàn)。
我們在這里介紹一款基于STi5518 芯片的DC-618C型數(shù)字電視接收機頂盒的軟件設計。
2 DC-618C數(shù)字電視接收機頂盒的軟件設計
2.1實時操作系統(tǒng)基本原理
STi5518解碼芯片本身的性能比較強大,可以滿足應用對硬件的要求,關鍵在于軟件對硬件的管理上,隨著應用的復雜化,一個嵌入式控制系統(tǒng)可能要同時控制和監(jiān)視很多外設,要求有實時響應,有很多處理任務,各個任務之間有多種信息傳遞。如果仍采用原來的程序設計方法存在兩個問題,一是中斷可能得不到及時響應。處理時間過長,這對于一些控制場合是不允許的,對于網絡通信方面則會降低系統(tǒng)整體的信息流量。二是系統(tǒng)任務多,要考慮的各種可能也多,各種資源如調度不當就會發(fā)生死鎖,降低軟件可靠性,程序編寫任務量都會有大幅度增加。
實時操作系統(tǒng)(RTOS)是一段在嵌入式系統(tǒng)啟動后首先執(zhí)行的背景程序,用戶的應用程序是運行于RTOS之上的各個任務。RTOS根據各個任務的要求,進行資源(包括存儲器、外設等)管理、消息管理、任務調度、異常處理等工作。在RTOS支持的系統(tǒng)中,每個任務均有一個優(yōu)先級,RTOS根據各個任務的優(yōu)先級,動態(tài)地切換各個任務,保證對實時性的要求。在編寫程序時,可以分別編寫各個任務,大大減小了程序編寫的工作量,而且減小了出錯的可能,保證最終程序具有高可靠性。
實時多任務操作系統(tǒng),以分時方式運行多個任務,宏觀表現(xiàn)為多個任務同時運行。任務之間的切換以優(yōu)先級為根據,只有采用優(yōu)先服務方式的RTOS才是真正的實時操作系統(tǒng),時間分片方式和協(xié)作方式的RTOS并不是真正的實時,RTOS的主要功能模塊有調度和中斷處理(為了優(yōu)化用匯編編寫)、任務管理、事件管理、定時器管理、報文管理、循環(huán)隊列管理、資源管理、固定存儲塊管理、規(guī)范的UART管理和自動掉電管理等,這些也是標準的RTOS所應具有的基本功能。RTOS也體現(xiàn)了一種新的系統(tǒng)設計思想和一個開放的軟件框架,工程師可以在不大量變動系統(tǒng)其它任務的情況下增加或去掉一個任務,一個項目開發(fā)的過程中,可以有多個工程師同時進行系統(tǒng)的軟件開發(fā),各個人之間只要制訂好規(guī)程和協(xié)議即可,既縮短了開發(fā)時間,又降低了最終軟件產品對于具體某個開發(fā)者的依賴性。為RTOS設計的成熟和通用的任務可以以庫函數(shù)的形式供其它人繼續(xù)利用,這一點和C語言的設計思想一致。
2.2
內嵌于Sti5518內部的CPU--ST20,使用的是ST所獨有的嵌入式實時操作系統(tǒng)OS20。
OS20操作系統(tǒng)是一個模塊化的高性能的實時操作系統(tǒng), 它具有較強的實時性和多任務能力,這主要取決于它的任務調度機制,從調度策略上來講,OS20采用分優(yōu)先級調度策略(默認為16)和時間片輪轉調度策略——即同一優(yōu)先級下多任務處理采用時間片輪轉處理方式。
OS20系統(tǒng)的內存開銷也很小,核的開銷大約為:內部只占600字節(jié),每個任務占用的內存:內部24字節(jié),外部36字節(jié)。
此外,OS20操作系統(tǒng)還具有任務切換時間短等特點
2.3
依據軟件工程的原理,DC-618C機頂盒軟件采用從上到下的層次化設計,依次由易到難,由具體到抽象和由軟件到硬件,主要包括如下幾層:
1) 應用層:應用層是控制整個機頂盒操作的高層代碼,也是需要程序員自己完全實現(xiàn)的代碼。在這一層中實現(xiàn)各種各樣的功能,包括初始化各種外設、創(chuàng)建任務、設置節(jié)目頻點、實現(xiàn)用戶輸入輸出操作等。對于與第三方的軟件合作,包括網絡瀏覽器,也嵌入在應用層中,應用程序可以直接調用驅動層的應用程序接口(API)。第三方的中間件可以通過驅動使用層來調用應用程序接口。所有的應用層組件在功能上能通過操作系統(tǒng)移植層來訪問實時操作系統(tǒng)。
2) 驅動層:驅動層通過調用硬件抽象層,來管理各種外設和內部子系統(tǒng)模塊,將這些模塊的功能抽象化和屏蔽化,向上一層提供應用層程序接口,使得應用層的操作直觀和簡潔。應用層組件通過調用驅動層API來控制系統(tǒng)硬件功能和服務。這些驅動完成普通的低層任務,如控制傳輸解復用和音視頻解碼等。
3) 硬件抽象層:對DC-618C的所有硬件的操作必須通過修改寄存器來實現(xiàn),DC-618C將所有寄存器與接口統(tǒng)一編址,使得通過軟件對寄存器的操作非常簡單,硬件抽象層正是完成這一功能.可以說,H.A.L.是驅動層的子集,負責直接編輯硬件。驅動層提供通用的低層功能,同時H.A.L.在硬件上實現(xiàn)這些功能。為了響應驅動層的調用, H.A.L.執(zhí)行特定的芯片函數(shù),編輯芯片寄存器來完成一個特定的功能,它只與一種特定的芯片相對應,所以當改變硬件平臺時,只需要改變相應的硬件抽象層。
圖 2.1 DC-618C軟件體系結構
2.4
機頂盒除了實現(xiàn)接收來自有線網絡的數(shù)字電視信號外,還應具有EPG(電子節(jié)目指南)、軟件在線升級等功能,我們在這里主要談談這幾種功能的實現(xiàn)。
2.4.1 EPG(電子節(jié)目指南)的實現(xiàn):
2.4.1.1 EPG簡介
電子節(jié)目指南,是指在符合MPEG-2的TS傳輸流中插入DVB標準定義的SI信息,使機頂盒的綜合接收解碼器可以從TS流中提取出節(jié)目提供商播出節(jié)目的列表和播出參數(shù),以直觀的形式顯示給數(shù)字電視用戶。EPG信息由兩部分信息組成:基本EPG信息和擴展EPG信息;綞PG信息是指完全可以用《數(shù)字廣播業(yè)務信息規(guī)范》中的網絡信息表NIT、業(yè)務群關聯(lián)表BAT、業(yè)務描述表SDT和事件信息表EIT進行描述的EPG信息。擴展EPG信息是指在基本EPG信息之外,通過數(shù)據輪播傳遞的EPG信息,這些信息的入口采用EPG映射表(EMT)進行描述,信息的內容被封裝成具有多級目錄結構的文件系統(tǒng),稱為擴展EPG內容信息(XECI)。基本EPG信息和擴展EPG信息中的EPG映射信息均采用表傳輸方式;擴展EPG信息中的擴展EPG內容信息采用數(shù)據輪播方式傳輸。
圖 2.2 EPG信息的組成圖
在數(shù)字電視節(jié)目的播出過程中,可以加入輔助的SI信息,供機頂盒解碼器的開發(fā)者來實現(xiàn)五花八門的電子節(jié)目指南的導航功能。EPG提供的信息主要包括:傳送信息的天數(shù)(例如一周)、傳送頻道的數(shù)目和名稱、傳送的節(jié)目數(shù)、節(jié)目提供商的標識和名稱、傳送網絡的信息(網絡標識和網絡名稱),其細節(jié)信息還包括:節(jié)目名稱、節(jié)目的簡單介紹、節(jié)目的開始和結束時間、節(jié)目的主題、節(jié)目的類屬、節(jié)目的觀看分級限制(例如對某個年齡段進行限制)。利用機頂盒收看數(shù)字電視節(jié)目,用戶通過EPG不僅能夠接收普通的電視節(jié)目、廣播節(jié)目或圖文電視節(jié)目,而且,還可以查看感興趣的信息:按節(jié)目分類(如音樂節(jié)目、體育節(jié)目、電影等)檢索節(jié)目;按節(jié)目提供者檢索節(jié)目;未來一段時間內節(jié)目播出表;視頻網絡中節(jié)目播出情況等信息。
2.4.1.2 PSI/SI信息及其功能
MPEG-2中的傳送碼流是根據ITU-TRecH220、ISO/IECDIS13818-2和ISO
/IEC13818-3協(xié)議定義的一種數(shù)據流,其目的是為了在有可能發(fā)生嚴重錯誤的環(huán)境下進行一道或多道程序的編碼數(shù)據的傳送和存儲。這種錯誤表現(xiàn)為比特值錯誤或分組丟失。傳送流的速率可以是變化的或固定不變的。在任何情況下組成的原始流可以是變化的或固定不變,在這些情況下的語法和語義限制是相問的。傳送流速率由節(jié)目參考時鐘(PCR)字段的位置和數(shù)值決定,通常對于每個程序都有自己的PCR字段。傳送流中有關PID的信息及各PID之間的關系包含在PSI (Program Specific Information:節(jié)目特定信息)中,MPEG-2解碼器將使用PSI信息來自動設置解碼所需的各種參數(shù)。PSI信息使用4個表來定義碼流的結構:PAT(Program Association Table:節(jié)目關聯(lián)表)、PMT(Program Map Table:節(jié)目映射表)、NIT(Network Information Table:網絡信息表)、CAT(Conditional Access Table:條件訪問表)。
MPEG-2在PSI中提供了不少有關節(jié)目組成和相互關系的信息,從而使得在接收端可以正確地對TS流進行解復用。但是這些信息在實際使用時仍然顯得不夠,為此在DVB標準中采用SI(Service Information:業(yè)務信息)對PSI信息進行了進一步的擴展。PSI中的信息基本上都是與當前碼流相關,即它們所涉及的內容都與當前碼流中的部分信息相關;而SI信息可以包括不在當前碼流中的一些服務和事件,允許用戶進行更多的選擇和了解更多的其他服務。SI信息表主要有以下內容:
BAT(Bouquet Association Table:業(yè)務群關聯(lián)表)、SDT(Service Description Table:業(yè)務描述表)、EIT(Event Information Table:事件信息表)、RST(Running Status Table:運行狀態(tài)表)、TDT(Time and Date Table:時間和日期表)、TOT(Time Offset Table:時間偏移值表)、ST(Stuffing Table:填充表)
業(yè)務信息(SI)是用來描述傳送系統(tǒng),傳送內容和廣播數(shù)據流時間表等的數(shù)據,是補充MPEG-2節(jié)目說明信息(PSI)的附加數(shù)據,這些數(shù)據幫助綜合接收解碼器(IRD)自動調諧,給用戶提供附加信息,使IRD能自動設置可供選擇的業(yè)務。
頭端系統(tǒng)每隔一定周期將重復傳送SI信息,對于最高速率為100Mbits/s的傳送流而言,重復傳送SI信息的最小間隔為25毫秒。這樣,對于新開機的用戶,在很短的時間內,就可以接收到SI(業(yè)務信息),構成EPG(電子節(jié)目指南)所需的各項條款。
2.4. 1.3 EPG信息的提取
一般而言,PAT表的PID號為“0x00”,解復用器工作總是通過尋找PAT表開始。PAT給出了構成傳送流中各個節(jié)目業(yè)務的PMT(節(jié)目映射表)的PID,同時也給出了NIT(網絡信息表)的PID號。根據PID值及對應的Table ID值可以從流中解出相應的PMT、NIT、SDT、EIT等信息。機頂盒接收端的解析主要負責這些SI數(shù)據信息的重建。信息內容應與PSI和SI表中的信息相對應,它可按照Network-Transport Stream-Service-Event的分層順序描述,同時內嵌Transport Stream-Program(Service)-Element Stream的分層順序。SI數(shù)據信息必須按照一定的數(shù)據結構進行存儲,這樣才能方便、快捷地對其進行檢索和數(shù)據的提取。特別是對于運行于機頂盒的實時操作系統(tǒng)中的EPG,需要對用戶的交互進行實時的動作,所以對響應速度的要求很高,SI數(shù)據庫建立的好壞對其性能有重要的影響。SI數(shù)據主要有:網絡信息、傳輸流信息、業(yè)務(節(jié)目)信息,業(yè)務的事件信息等,并且大量的信息都是通過描述子來傳輸?shù)模钥捎脴錉铈湵韥泶鎯?shù)據,構成從網絡、傳輸流、業(yè)務、事件的樹狀結構,傳送不同信息的描述子用繼承于同一基類的描述子類來表示。
網絡信息表傳送本網絡以及與此有關的其它網絡的一些信息。每個網絡都有唯一的識別符,網絡編碼請參看ETR162。網絡信息表主要攜帶:網絡識別符(network_id)、網絡名稱、傳輸系統(tǒng)參數(shù)(包括:頻率、調制方式、FEC外碼、符號率、FEC內碼)等信息,如果NIT表中有關于傳輸系統(tǒng)參數(shù)的正確描述,只要調諧到攜帶此NIT表的傳送流中,即可提取其它網絡的參數(shù),一般解碼器便可根據提取出來的信息,自動搜索頻道。
節(jié)目業(yè)務描述表的每一個子表都對一個特定傳送流中的節(jié)目業(yè)務進行了描述。這些節(jié)目業(yè)務可以一部分是本身實際的傳送流,也可以是其它傳送流,這一點可以通過table_id(表識別符)進行識別。節(jié)目業(yè)務描述表提供了如下的信息:屬于哪一個節(jié)目業(yè)務群;節(jié)目業(yè)務的類型,如PAL、NTSC、SECAM、調頻廣播、圖文電視、準視頻點播等;節(jié)目業(yè)務的提供者;可以接收該節(jié)目業(yè)務的國家和不可以接收該節(jié)目業(yè)務的國家;指向特定信息的鏈接信息;實現(xiàn)準視頻點播的指導信息;實現(xiàn)多畫面的控制信息;指示使用的加密系統(tǒng);給出實現(xiàn)交互式回傳信道的電話號碼;提供多語種的節(jié)目業(yè)務名稱和廣播者以及私有數(shù)據。
事件信息表按時間順序提供每一個節(jié)目業(yè)務中包含的節(jié)目段的信息。事件信息表提供如下信息:節(jié)目段的標識號、起始時間、節(jié)目長度、播放狀態(tài)、是否加密;指向特定信息的鏈接信息;節(jié)目段多語種的簡短介紹;節(jié)目段的詳細介紹;兩段同樣節(jié)目段的時間偏移;基本碼流類型,如視頻的幅型比、伴音的類型、字幕的類型等;使用的加密系統(tǒng);節(jié)目類型,如電影/戲劇、新聞、綜藝、體育、少兒、音樂、藝術、社會政治、文教等;節(jié)目限定年齡的級別;給出實現(xiàn)交互式回傳信道的電話號碼;為滿足各節(jié)目段的碼率而提供的緩存大小信息及私有數(shù)據。
2.4.1.4 EPG系統(tǒng)的顯示技術
當電視節(jié)目和EPG應用同時啟動時,用戶看到的可能是節(jié)目畫面和EPG界面的疊加,用戶所看到的電視畫面從前到后可以分為三層,依次為圖形層、視頻層和背景層。圖形層即OSD(On Screen Display)層,OSD界面顯示技術指在圖像畫面上疊加文字顯示,使屏幕為用戶提供更多的附加信息。視頻層為當前正在收看的節(jié)目(解碼出來的活動圖像);背景層為沒有播放電視節(jié)目和啟動EPG菜單時的屏幕圖像。EPG畫面在圖形層上構建,EPG畫面是由許多EPG圖形元素(如按鈕、文本框、選擇按鈕、組件容器等)疊加而成。界面的狀態(tài)轉移是通過消息驅動的機制來實現(xiàn)的,在消息響應函數(shù)中進行消息處理。用見到的是屏幕圖像是這三層的疊加(blend)后的圖像。
SI數(shù)據檢索模塊快速的檢索本地SI數(shù)據庫,提供EPG界面當前輸入焦點所需的數(shù)據信息;OSD層圖形元素庫提供界面所需的圖形元素,該庫存于本地機頂盒的ROM中;狀態(tài)轉移控制器接收用戶遙控器的輸入,提供當前顯示所需的活動焦點,控制狀態(tài)轉移地流向;OSD層圖像是指EPG界面圖形元素合成后的圖像;OSD繪制引擎決定顯示的相應算法,接收各模塊提供的數(shù)據,完成OSD層圖形的繪制,最后是OSD層、視頻層和背景層的疊加操作。
2.4.2
DC-618C的軟件升級方法有兩種,一種是使用串口的軟件升級功能,一種是使用網絡的在線升級方式。前一種方式,是從PC機上將軟件通過RS232串口下載到機頂盒中,由用戶自己操作,是一種個體行為;后一種方式,是由運營商將軟件放在服務器上,由用戶或運營商來觸發(fā)對機頂盒的軟件升級動作。
我們主要介紹使用網絡的在線升級方式,考慮到兼容不同的網絡環(huán)境(單向網絡),我們使用將軟件廣播下來,由機頂盒接收,然后替換原有軟件的方法,所采用的在線升級方式遵循DVB定義的系統(tǒng)軟件升級規(guī)范。
2.4.2.1 概述:
DVB標準定義了兩種軟件升級服務,分別為簡單和增強的軟件升級服務。前者使用NIT、BAT和PMT,不需要升級通知表(UNT),后者使用UNT來傳輸NIT、BAT和PMT無法攜帶的調度、定位和其它信息。
DC-618C目前支持簡單的軟件升級服務。實際上,簡單的軟件升級服務是增強的軟件升級服務的子集。
DC-618C采用DVB所定義的通過SI和PSI定位一個軟件升級服務的機制,基本方式是通過NIT或BAT定位一個網絡中包含系統(tǒng)軟件升級服務的傳輸流,再通過PMT在該傳輸流中定位系統(tǒng)軟件升級服務所在的基本流。
首先,DC-618C機頂盒通過檢測NIT和系統(tǒng)軟件升級BAT第一個循環(huán)中是否包含Linkage描述符來確定該網絡或業(yè)務群中是否包含軟件升級服務。連接類型為0x09的Linkage描述符攜帶了在一個網絡或業(yè)務群中定位傳輸一個系統(tǒng)軟件升級服務的傳輸流的信息。
DVB對用于系統(tǒng)軟件升級服務的Linkage描述符中的私有數(shù)據字段定義了一個系統(tǒng)軟件升級連接結構,其中包含一個24比特的IEEE OUI(Organization Unique Identifier,組織唯一標識)和一個選擇器,OUI可以用來標識DC-618C機頂盒的生產廠家,選擇器用來標識DC-618C機頂盒的型號。
DC-618C機頂盒還采用了另一個DVB定義的系統(tǒng)軟件升級服務掃描Linkage描述符,用來定義一個指向攜帶系統(tǒng)軟件升級BAT或NIT的指針。該描述符的連接類型為0x0A,可在BAT或NIT中傳輸。該描述符與類型為0x09的Linkage描述符不同,不包含OUI,目的是使機頂盒不用掃描所有的復用器就可以獲得描述系統(tǒng)軟件升級服務的BAT或NIT,實際上該描述符是Linkage描述符的一種補充,而且是可選的。
在NIT或系統(tǒng)軟件升級BAT中有多個Linkage描述符,標識多個系統(tǒng)軟件升級服務。在暫時沒有升級服務時,可以不從NIT或BAT中將這些描述符刪除。
對于包含系統(tǒng)軟件升級基本流的傳輸流,對應的PMT包括data-broadcast-id描述符,其中data-broadcast-id等于0x000A,選擇器字段被DVB定義為系統(tǒng)軟件升級信息結構(system-software-update-info),其中包含OUI、升級類型、升級版本和生產商定義的選擇器字段。對于一個專有的流,該描述符提供一個入口點;對于一個標準的兩層數(shù)據輪播,該描述符也提供了一個入口點;另外該描述符還提供一個UNT表的參考,指向增強的系統(tǒng)軟件升級服務。在當前暫時沒有系統(tǒng)軟件升級服務時,頭端播放軟件不會將該系統(tǒng)軟件升級服務的標識從PMT的該描述符中刪除。
一個data-broadcast-id描述符只定義一個基本流,一個節(jié)目可以包含多個基本流,這樣一來,就有多個系統(tǒng)軟件升級流(輪播),每個流由各自的data-broadcast-id描述符描述。另外,一個系統(tǒng)軟件升級服務也可以是一個服務的組件之一。
2.4.2.2 DC-618C用于升級服務的數(shù)據輪播結構
DC-618C系統(tǒng)軟件服務采用DVB標準的兩層數(shù)據輪播協(xié)議來傳輸多個升級軟件數(shù)據。多個系統(tǒng)軟件升級服務構成一個兩層的數(shù)據輪播服務,DSI是該數(shù)據輪播的入口。DC-618C軟件升級系統(tǒng)有多個升級服務,每個升級服務構成一個單獨的組所有的組和模塊都在一個基本流中傳輸。
與標準的DVB數(shù)據輪播一樣,DSI消息包含GroupInfoIndication結構,其中的GroupCompaibility字段使用IEEE OUI來標識我公司,該字段還用來描述機頂盒的型號和版本號;GroupInfoByte(gi) 字段由一個描述符循環(huán)組成,描述了該升級服務組的各種信息,這些描述符是DVB標準數(shù)據輪播定義的描述符。
為了獨立地生成多個軟件升級服務數(shù)據,并將這些獨立生成的數(shù)據集成在同一個數(shù)據輪播服務中,DC-618C機頂盒軟件升級服務系統(tǒng)還采用了DVB對于DII中的一些特定字段進行的特別的規(guī)定;transactionId的兩個字節(jié)在0X0002—0XFFFF之間,并與對應的DSI中groupInfo結構中的groupid相等;downloadId等于transactionId; moduleId的高8位的值與groupId的低8位相同,低8位表示一個特定的軟件升級服務moduleId,該服務最大支持256個模塊,對于軟件升級應用來說應該是足夠的。
3 結束語
硬件是軟件運行的平臺,歸根結底,軟件部分是整個機頂盒的靈魂和核心,隨著信息網絡的快速發(fā)展,寬帶美景已經非常清晰地展現(xiàn)在我們面前,豐富多彩的服務對終端接收設備提出了更高的要求,只有不斷的提高機頂盒軟、硬件的功能和性能才能跟得上市場不斷前進的步伐。
參 考 文 獻
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