基于OS20的機(jī)頂盒軟件體系及其應(yīng)用設(shè)計(jì)

介紹了ST半導(dǎo)體公司的OS20實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)的基本特性。通過(guò)DVB-T數(shù)字電視機(jī)頂盒研發(fā)項(xiàng)目的應(yīng)用設(shè)計(jì)，分析了機(jī)頂盒軟件研發(fā)的主要問(wèn)題和軟件架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，包括系統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)、搜臺(tái)算法的實(shí)現(xiàn)、以EPG為主的SI解碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化，從各個(gè)方面講述了OS20實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在機(jī)頂盒設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)踐。

1 引言

在較短的時(shí)期內(nèi)，DTV和SDTV不可能降到現(xiàn)有模擬電視接收機(jī)的價(jià)位,因此還必須通過(guò)地面數(shù)字STB將地面數(shù)字電視廣播的節(jié)目顯示在模擬電視接收機(jī)上。

本文結(jié)合筆者在使用ST DTTi5516主芯片開(kāi)發(fā)DVB-T接收機(jī)的過(guò)程中的心得體會(huì)，結(jié)合ST半導(dǎo)體公司的OS20實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，談?wù)剶?shù)字電視接收機(jī)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用設(shè)計(jì)的幾個(gè)主要問(wèn)題。

2 系統(tǒng)介紹

以DVB-T為例，整個(gè)終端接收解碼過(guò)程如下圖所示。

圖1 終端接收解碼過(guò)程

機(jī)頂盒對(duì)數(shù)字電視信號(hào)的處理過(guò)程為：電視射頻信號(hào)經(jīng)Tuner（高頻頭）調(diào)諧，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出36MHz 的中頻數(shù)字信號(hào)送入OFDM解調(diào)模塊進(jìn)行解調(diào)之后，變成TS流后經(jīng)信道解碼得到MPEG-2 TS流，經(jīng)解復(fù)用模塊（集成解擾模塊）選出一路MPEG-2音視頻流和對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)信源解碼后得到所選節(jié)目的數(shù)字信息。由于機(jī)頂盒的輸出端接模擬電視，所以數(shù)字信息經(jīng)模擬信號(hào)編碼后得到模擬信號(hào)輸出到傳統(tǒng)的模擬電視。

3軟件體系

3.1 軟件層次結(jié)構(gòu)

軟件結(jié)構(gòu)層次主要分三層：驅(qū)動(dòng)層、中間層和應(yīng)用層。軟件結(jié)構(gòu)層次圖見(jiàn)圖2。

圖2 軟件層次圖

除了驅(qū)動(dòng)層的turner驅(qū)動(dòng)修改之外，主要工作集中在應(yīng)用層和DVB-T module API。其中，封裝的API主要包括畫(huà)點(diǎn)、線(xiàn)、框(可帶各種前景色和背景色)，畫(huà)各種語(yǔ)言文字（可增減和更換字體），畫(huà)位圖，按菜單結(jié)構(gòu)增減菜單，菜單翻頁(yè)，dbase中EPG和teletext的請(qǐng)求與接收，subtitle的開(kāi)關(guān)切換等等。

3.2 OS20實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

在筆者設(shè)計(jì)的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)方案中，使用ST公司的STLite/OS20實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，它具有以下一些基本特征：

1） 采用基于優(yōu)先級(jí)的多任務(wù)搶占式調(diào)度策略；

2） 內(nèi)核短小，實(shí)時(shí)性好，能進(jìn)行快速的上下文切換（小于5μs），效率高；

3） 開(kāi)放源代碼，并且支持一系列的處理器芯片（內(nèi)核主要分C1和C2兩個(gè)版本）；

4） 低的內(nèi)存要求：對(duì)于內(nèi)核，只要求600B的internal和11K RAM（C1核只需要3K）；對(duì)于每個(gè)進(jìn)程，只要求24B的internal（C1核是32B）和36B的external。

這種高效率的操作系統(tǒng)能夠?yàn)榛赟T20平臺(tái)開(kāi)發(fā)的嵌入式系統(tǒng)提供高效的多任務(wù)環(huán)境，包括任務(wù)調(diào)度管理、時(shí)鐘管理、內(nèi)存管理、中斷處理、通過(guò)信號(hào)量實(shí)現(xiàn)同步和互斥、以及通過(guò)消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)消息通信等等。

4各軟件應(yīng)用模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 GUI和狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)

界面風(fēng)格的選擇：選擇彈出式菜單和對(duì)話(huà)框。舉例，Menu的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括標(biāo)題欄、總項(xiàng)數(shù)、當(dāng)前選擇（高亮）項(xiàng)、菜單句柄、以及菜單項(xiàng)結(jié)構(gòu)數(shù)組頭指針；

字庫(kù)：生成點(diǎn)陣字庫(kù)，包括英文變寬16點(diǎn)陣字庫(kù)、中文簡(jiǎn)體繁體16*16（用于EPG和Teletext界面）和24*24（用于菜單和對(duì)話(huà)框）點(diǎn)陣字庫(kù)（GB2312標(biāo)準(zhǔn)的一級(jí)字庫(kù)）、lattin-1歐洲八國(guó)（英、法、德、西班牙、意大利、荷蘭、葡萄牙、波蘭）語(yǔ)言字母集16*16點(diǎn)陣字庫(kù)。

調(diào)色板：平臺(tái)支持可選的16色或者256色調(diào)色板，對(duì)于盡量接近原色顯示24bit圖片，調(diào)色板的選擇是關(guān)鍵。把所有要顯示的圖片用photoshop整理成一張大圖片，選擇其最佳顯示的256色索引值，導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的256色調(diào)色板即可。

狀態(tài)機(jī)：在電視節(jié)目播放的情況下，按數(shù)字鍵、Ch+/-可切換頻道，按Vol+/-可控制音量，Mute鍵靜音切換，按channel鍵和上下鍵可快速選擇所需要看的頻道（按左右鍵可以在所有頻道和喜愛(ài)頻道之間切換），按Menu鍵鍵入菜單，按EPG鍵進(jìn)入EPG界面。模組狀態(tài)切換關(guān)系如圖3所示。

說(shuō)明：K: 表示按鍵消息，對(duì)紅外遙控器按鍵輸入進(jìn)行接收、轉(zhuǎn)換生成；M:表示選擇了某操作。

圖3 系統(tǒng)狀態(tài)變換圖

4.2 各主要數(shù)字電視功能模塊的設(shè)計(jì)

4.2.1 搜臺(tái)機(jī)制

數(shù)字電視的搜臺(tái)算法很重要，因?yàn)椴粌H要找出頻道列表，還要解析出一定程度的各頻道的相關(guān)信息。搜臺(tái)算法包括手動(dòng)搜臺(tái)和自動(dòng)搜臺(tái)算法。自動(dòng)搜臺(tái)是通過(guò)手動(dòng)搜臺(tái)對(duì)頻率的for循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所以只需討論手動(dòng)搜臺(tái)即可。搜臺(tái)流程如圖4所示。

圖4 搜臺(tái)流程圖

首先調(diào)用驅(qū)動(dòng)API設(shè)定Tuner頻點(diǎn)、符號(hào)率等參數(shù)，鎖定頻點(diǎn)（若失敗，則返回）之后，根據(jù)數(shù)據(jù)更新的方式?jīng)Q定是否要清除ProgramList和TransponderList，然后搜索解析PAT表，PAT表解析完之后會(huì)對(duì)逐個(gè)Program解析PMT表和SDT表，所有的Program都完成之后，解析NIT表獲得網(wǎng)絡(luò)信息，更新TransponderList，最后成功返回。

需要注意的是：第一，在搜臺(tái)的時(shí)候要利用Tuner的驅(qū)動(dòng)函數(shù)來(lái)檢測(cè)其鎖定狀態(tài)，而不能簡(jiǎn)單地設(shè)置超時(shí)。Tuner的狀態(tài)有三種：鎖定成功、鎖定失敗和鎖定中。對(duì)于鎖定成功和鎖定失敗，可即時(shí)返回；對(duì)于鎖定中狀態(tài)，需設(shè)置一定的超時(shí)機(jī)制，例如1s，來(lái)決定是否要放棄搜索；第二，在自動(dòng)搜臺(tái)時(shí)，對(duì)每次搜索，必須要確認(rèn)dbase進(jìn)程已完成相關(guān)的表解析，需用信號(hào)量來(lái)同步。

4.2.2 Data Base和EPG的構(gòu)建

Data Base，包括ProgramList，TransponderList和EPG信息的構(gòu)建。其中，ProgramList和TransponderList的構(gòu)建在搜臺(tái)時(shí)完成，當(dāng)用戶(hù)作頻道管理時(shí)，需要作相應(yīng)的更新并寫(xiě)Flash即可。

EPG信息（此處指基本EPG，不包括擴(kuò)展EPG），由DVB-SI組成。對(duì)于EPG信息，最重要的是從EIT表中解出的節(jié)目時(shí)間表和當(dāng)前/下一個(gè)信息，對(duì)應(yīng)于EIT Schedule表（表ID為0x50-0x6F）和EIT p/f表（表ID為0x4E-0x4F）。

EIT表的信息量非常大，假如有200個(gè)Program，每個(gè)Program假如每天有20個(gè)節(jié)目，每個(gè)節(jié)目的節(jié)目?jī)?nèi)容描述必須要用256B字節(jié)來(lái)存儲(chǔ)（SI1.0標(biāo)準(zhǔn)），假如傳播的是一周節(jié)目指南，僅僅節(jié)目?jī)?nèi)容描述信息就需要存儲(chǔ)空間：200*20*7（天）*256≈7MB，這么大的存儲(chǔ)空間實(shí)現(xiàn)這么小的一部分功能，不管對(duì)于Flash還是對(duì)于SDRAM都是不可忍受的。

圖5 不同接收方法的接收速度比較

為此，只解析和存取一個(gè)Program（當(dāng)前播放或默認(rèn)播放Program）的EIT表信息。機(jī)頂盒啟動(dòng)或用戶(hù)換臺(tái)時(shí)進(jìn)行EIT表信息的更新。盡管從理論上說(shuō)，可以在前端發(fā)送的一個(gè)循環(huán)內(nèi)把所有的EIT表數(shù)據(jù)都收下來(lái)放到緩沖區(qū)中去解析，但由于受解復(fù)用處理速度和遙控器按鍵響應(yīng)靈敏度的限制，很可能在一個(gè)循環(huán)內(nèi)不能接收解析所有的EIT數(shù)據(jù)，所以要對(duì)解復(fù)用的數(shù)據(jù)量和遙控器按鍵響應(yīng)速度作折中。

根據(jù)DVB標(biāo)準(zhǔn)，8天內(nèi)的EIT表信息循環(huán)傳輸間隔不超過(guò)10s，所以節(jié)目時(shí)間表沒(méi)必要按時(shí)間順序接受，采用亂序接收解析的方法可以大大提高EIT表的解析速度。項(xiàng)目實(shí)踐證明，采用了亂序接收解析的方法能使一周節(jié)目指南信息的刷新速度提高3倍以上！如圖5所示。優(yōu)化之后，正在觀看的Program的一周節(jié)目指南基本上20s左右即可完成更新。

Teletext和Subtitle的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)調(diào)用相應(yīng)API按初始化->打開(kāi)->鏈接數(shù)據(jù)流的流程即可實(shí)現(xiàn)。

5結(jié)論

與眾多的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)一樣，ST的OS20具有嵌入式系統(tǒng)所要求的實(shí)時(shí)、高效和精煉的特性，能夠穩(wěn)定高效地應(yīng)用于高傳輸率的數(shù)字電視接收和解碼。通過(guò)DVB-T數(shù)字電視機(jī)頂盒研發(fā)項(xiàng)目的應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)踐證明，本文從系統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)、搜臺(tái)算法的實(shí)現(xiàn)和以EPG為主的SI解碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化等各個(gè)方面給出了較優(yōu)的解決方案。

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