基于ARM-Linux的高清數(shù)字機頂盒軟件系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)字電視特別是數(shù)字高清晰度電視的誕生應(yīng)該說是電視界的一場深刻變革[1]。電視系統(tǒng)已進(jìn)入數(shù)字化的進(jìn)程，數(shù)字機頂盒是該系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，特別是其軟件系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)。但無論是模擬彩電還是數(shù)字處理電視，都不具備對全數(shù)字電視信號進(jìn)行解碼的功能，所以一種能夠接收數(shù)字電視信號并能夠解碼輸出用于顯示的中間設(shè)備——機頂盒，就顯得很有必要了[2]。

目前國內(nèi)機頂盒以有線標(biāo)清為主，歐洲以衛(wèi)星和地面的機頂盒為主，美國以高清地面機頂盒產(chǎn)品為主[3]。隨著技術(shù)的發(fā)展，機頂盒已不只單純接收數(shù)字電視節(jié)目，還要接收大量的數(shù)據(jù)，而且用戶和電視機之間還要實現(xiàn)互動[4]。目前國內(nèi)還沒有一種成熟的交互式應(yīng)用，所謂的交互式應(yīng)用基本上都還停留在本地交互的基礎(chǔ)上[5]。本文研究的機頂盒可以支持諸如電子節(jié)目指南、按次付費觀看、立即按次付費觀看、準(zhǔn)視頻點播、數(shù)據(jù)廣播、Internet接入、電子郵件、視頻點播以及IP電話、可視電話等的應(yīng)用[6]。因此要求電視接收機具有很好的信息處理能力和網(wǎng)絡(luò)通信能力。

1 機頂盒軟件系統(tǒng)

數(shù)字機頂盒由硬件平臺和軟件系統(tǒng)構(gòu)成，音視頻解碼主要由硬件實現(xiàn)，而操作界面的功能、電視圖像的重現(xiàn)、數(shù)據(jù)廣播業(yè)務(wù)的平臺以及Internet的接入等都需要軟件系統(tǒng)實現(xiàn)[7]。

數(shù)字機頂盒的軟件系統(tǒng)主要由嵌入式操作系統(tǒng)(EOS)、硬件抽象層(HAL)、軟件抽象層(SAL)以及應(yīng)用程序(ASL)組成。本文主要研究基于ARM(HHARMS3C6410)平臺、Linux(v2.6.21)操作系統(tǒng)、THOMSON公司的數(shù)字高清解碼芯片的HDTV機頂盒系統(tǒng)的軟件設(shè)計，功能包括通過Demux模塊接收流數(shù)據(jù)、解析PSI信息、對音視頻流進(jìn)行解碼及播放、接收用戶遙控器輸入，并具有簡單的用戶界面。研究的目標(biāo)是開發(fā)出適用于所選的硬件平臺特點、具有基本的機頂盒產(chǎn)品功能的軟件系統(tǒng)。

開發(fā)內(nèi)容有以下幾個方面：

(1)機頂盒底層驅(qū)動程序。包括前端、USB、Enthernet、Flash的驅(qū)動及遙控信號接收的軟件等。

(2)機頂盒節(jié)目管理模塊。包括整機狀態(tài)信息和用戶設(shè)置信息的存取和管理，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的存取、更新和管理，節(jié)目數(shù)據(jù)的獲取、分析。

(3)機頂盒應(yīng)用程序。包括機頂盒用戶界面、選單的設(shè)計與顯示、圖形用戶界面/選單/用戶交互操作的應(yīng)用和管理等。

軟件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 節(jié)目管理模塊的開發(fā)

節(jié)目操作管理模塊是用戶應(yīng)用程序的重要組成部分，該軟件模塊主要實現(xiàn)確定節(jié)目操作管理模塊與系統(tǒng)其他模塊的關(guān)系(包括相互之間的通信協(xié)議)、建立節(jié)目數(shù)據(jù)庫、本模塊內(nèi)部軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

有關(guān)節(jié)目的各種操作是數(shù)字電視機頂盒軟件功能中非常重要的一部分，用戶所有有關(guān)頻道、節(jié)目的實質(zhì)性操作功能都在這部份實現(xiàn)。在本文的總體設(shè)計方案中，節(jié)目的操作功能主要包括節(jié)目搜索(自動和手動)、節(jié)目選擇、節(jié)目信息的提取和保存、節(jié)目數(shù)據(jù)庫操作等。

在本機頂盒有關(guān)節(jié)目操作的各種功能中，絕大部分都與節(jié)目數(shù)據(jù)庫有關(guān)。如自動節(jié)目搜索時，需要建立節(jié)目數(shù)據(jù)庫，并為搜索到的節(jié)目建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)單元，用于存儲節(jié)目的各種信息；在刪除節(jié)目時，需要改變刪除節(jié)目在節(jié)目數(shù)據(jù)庫中的連接關(guān)系，并打上刪除標(biāo)志等。因此，節(jié)目數(shù)據(jù)庫是節(jié)目操作軟件的關(guān)鍵部分之一。

2.1 Builder模塊

該模塊主要功能是在USIF的控制下建立節(jié)目數(shù)據(jù)庫，該模塊通過MSG Mgr向USIF反饋搜索狀態(tài)以及內(nèi)容，根據(jù)用戶的需要建立頻點、頻道信息數(shù)據(jù)庫。Builder模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

Builder主要支持3種搜索方式：

(1)盲掃。根據(jù)預(yù)置頻點搜索節(jié)目信息，建立完整節(jié)目數(shù)據(jù)庫。
(2)網(wǎng)絡(luò)搜索。根據(jù)輸入頻點搜索NIT表，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)信息搜索該網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)目信息，建立完整的網(wǎng)絡(luò)節(jié)目信息數(shù)據(jù)庫。
(3)手動搜索。根據(jù)輸入頻點搜索該頻點，建立該頻點完整的節(jié)目信息數(shù)據(jù)庫。

2.2 PSI模塊

PSI模塊需要Demux模塊提供Section數(shù)據(jù)的搜索功能，其建立在Demux驅(qū)動之上，為EPG、Builder等模塊提供完整表及條件捕獲接口。PSI模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

PSI模塊提供2種得到表方式:

GetTable:通過該功能接口，直接得到表數(shù)據(jù)返回，如果超時沒有得到表數(shù)據(jù)，返回超時。

Capture:通過該功能接口，先提出表申請，通過異步通信方式獲得表結(jié)構(gòu)并通知應(yīng)用模塊。

在捕獲方式中都有3種模式：

(1)Update Mode:在得到版本更新時通知應(yīng)用模塊。
(2)Complete Mode:當(dāng)?shù)玫酵暾斫Y(jié)構(gòu)時通知應(yīng)用模塊。
(3)Section Mode:當(dāng)接收到Section數(shù)據(jù)時候就立即通知應(yīng)用模塊。

2.3 DBaseMgr模塊

該模塊是一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，主要功能是實現(xiàn)對頻道、頻點、系統(tǒng)信息、EPG等信息的存儲與管理，以及對節(jié)目頻點的添加、刪除、排序、查找、編輯等。該模塊主要與Builder、EPG、USIF、Player 4個模塊交互，并通過與Flash交互進(jìn)行物理操作。為了保證數(shù)據(jù)元素操作的效率，避免產(chǎn)生大量的內(nèi)存碎片，也為了元素操作方便，該設(shè)計以靜動結(jié)合的思路采用靜態(tài)雙向鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在多個進(jìn)程或線程同時對同一個數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作時，要考慮同步互斥機制了。在對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行任何操作之前先對數(shù)據(jù)庫加鎖，當(dāng)數(shù)據(jù)庫操作完成之后，再解鎖，這樣就保證了數(shù)據(jù)庫操作的一致性。數(shù)據(jù)庫模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)功能特點主要有以下幾點：

(1)功能完備。該模塊需要提供完備的功能接口，包括數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建、管理以及刪除等基本操作。另還需要滿足多視窗操作。

(2)多用戶操作。本系統(tǒng)采用的是嵌入式Linux系統(tǒng)，它是一個多用戶分時系統(tǒng)，所以該數(shù)據(jù)庫需要保證同時滿足多用戶操作需要，保證系統(tǒng)的安全。

(3)數(shù)據(jù)完整。本系統(tǒng)屬于嵌入式系統(tǒng)，該模塊必須保證掉電后數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的完整性。

從前幾節(jié)的內(nèi)容可以看出，有關(guān)節(jié)目的操作與PSI表的處理有著十分密切的關(guān)系。這是因為PSI表的分析管理直接影響到節(jié)目數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容，而節(jié)目的各種操作又都是與數(shù)據(jù)庫緊密相連的。節(jié)目操作管理部分的軟件設(shè)計主要可分成3大部分：PSI表處理模塊、節(jié)目數(shù)據(jù)庫模塊和節(jié)目操作模塊。其中PSI處理模塊主要完成PSI表的各種操作，如表的獲取、分析及管理等；節(jié)目數(shù)據(jù)庫模塊主要完成關(guān)于數(shù)據(jù)庫的操作，如數(shù)據(jù)庫的初始化、建立、內(nèi)容的讀寫及更新等；節(jié)目操作模塊則實現(xiàn)有關(guān)節(jié)目的操作，如節(jié)目的搜索、刪除、恢復(fù)、選擇等。這3部分有機結(jié)合起來就形成了節(jié)目操作的整體軟件模塊。

3 機頂盒應(yīng)用程序的開發(fā)

機頂盒應(yīng)用程序主要實現(xiàn)用戶交互選單的顯示等功能，因此選擇MiniGUI開源軟件開發(fā)機頂盒應(yīng)用程序。

MiniGUI作為嵌入式Linux系統(tǒng)下的一個輕量級圖形用戶界面支持系統(tǒng)已被應(yīng)用到很多實際項目中。與其他嵌入式GUI相比，其具有系統(tǒng)資源消耗小、可配置和可定制性高、穩(wěn)定性高、可移植性好等優(yōu)勢。

MiniGUI具有良好的軟件架構(gòu)，通過抽象層IAL、GAL將MiniGUI上層和底層操作系統(tǒng)隔離開來?；贛iniGUI的應(yīng)用程序一般通過支持庫、操作系統(tǒng)和驅(qū)動程序接口以及MiniGUI自身提供的API來實現(xiàn)自己的功能。

基于MiniGUI開發(fā)的UI模塊如圖5所示。UI模塊主要滿足用戶通過遙控器進(jìn)行節(jié)目搜索、播放、換臺以及節(jié)目瀏覽等操作。

UI模塊的體系結(jié)構(gòu)如圖6所示。

本研發(fā)項目，形成了一套包括Linux操作系統(tǒng)移植、驅(qū)動程序、MiniGUI庫移植和上層應(yīng)用程序在內(nèi)的機頂盒軟件系統(tǒng)。該軟件配合機頂盒硬件平臺構(gòu)成了基本實用的整機系統(tǒng)，經(jīng)測試該系統(tǒng)的設(shè)計方法具有很好的合理性和穩(wěn)定性。本項目采用的傳輸標(biāo)準(zhǔn)是我國目前采用的DVB-C標(biāo)準(zhǔn)，因此，在系統(tǒng)整體功能的定位上，主要考慮了DVB-C標(biāo)準(zhǔn)的特點，在軟件功能上也側(cè)重了對DVB-C PSI的支持。該軟件實現(xiàn)的功能主要有：一方面機頂盒利用該軟件可以實現(xiàn)基本的解調(diào)、信道解碼、音/視頻解碼輸出等功能；另一方面還能向用戶提供一系列選單式的交互操作功能，實現(xiàn)諸如節(jié)目搜索、系統(tǒng)設(shè)置的改變存儲、節(jié)目信息的查看、定時操作、電子節(jié)目指南、本地存儲節(jié)目的快進(jìn)快退等附加功能。這些功能的實現(xiàn)基本滿足了當(dāng)前用戶對高清數(shù)字機頂盒的要求。我國是彩電大國，但目前機頂盒還很不普及，因此該項目不僅具有很好的研究價值，而且具有廣闊的市場前景。