基于OS20的機頂盒軟件體系及其應(yīng)用設(shè)計

摘要：介紹了ST半導(dǎo)體公司的OS20實時嵌入式操作系統(tǒng)的基本特性。通過DVB-T數(shù)字電視機頂盒研發(fā)項目的應(yīng)用設(shè)計，分析了機頂盒軟件研發(fā)的主要問題和軟件架構(gòu)的實現(xiàn)，包括系統(tǒng)的狀態(tài)機設(shè)計、搜臺算法的實現(xiàn)、以EPG為主的SI解碼系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)和優(yōu)化，從各個方面講述了OS20實時操作系統(tǒng)在機頂盒設(shè)計中的應(yīng)用實踐。
關(guān)鍵詞：OS20；嵌入式系統(tǒng)；機頂盒；數(shù)字視頻廣播；電子節(jié)目指南

1引言

在較短的時期內(nèi)，DTV和SDTV不可能降到現(xiàn)有模擬電視接收機的價位,因此還必須通過地面數(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上。

本文結(jié)合筆者在使用ST DTTi5516主芯片開發(fā)DVB-T接收機的過程中的心得體會，結(jié)合ST半導(dǎo)體公司的OS20實時操作系統(tǒng)，談?wù)剶?shù)字電視接收機開發(fā)的應(yīng)用設(shè)計的幾個主要問題。

2系統(tǒng)介紹

以DVB-T為例，整個終端接收解碼過程如下圖所示。

圖1 終端接收解碼過程

機頂盒對數(shù)字電視信號的處理過程為：電視射頻信號經(jīng)Tuner（高頻頭）調(diào)諧，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出36MHz 的中頻數(shù)字信號送入OFDM解調(diào)模塊進行解調(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。由于機頂盒的輸出端接模擬電視，所以數(shù)字信息經(jīng)模擬信號編碼后得到模擬信號輸出到傳統(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)動層、中間層和應(yīng)用層。軟件結(jié)構(gòu)層次圖見圖2。

圖2 軟件層次圖

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

3.2 OS20實時操作系統(tǒng)

在筆者設(shè)計的項目開發(fā)方案中，使用ST公司的STLite/OS20實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，它具有以下一些基本特征：

1） 采用基于優(yōu)先級的多任務(wù)搶占式調(diào)度策略；

2） 內(nèi)核短小，實時性好，能進行快速的上下文切換（小于5µs），效率高；

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

4） 低的內(nèi)存要求：對于內(nèi)核，只要求600B的internal和11K RAM（C1核只需要3K）；對于每個進程，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)能夠為基于ST20平臺開發(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、時鐘管理、內(nèi)存管理、中斷處理、通過信號量實現(xiàn)同步和互斥、以及通過消息隊列實現(xiàn)消息通信等等。

4 各軟件應(yīng)用模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 GUI和狀態(tài)機的設(shè)計

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

字庫：生成點陣字庫，包括英文變寬16點陣字庫、中文簡體繁體16*16（用于EPG和Teletext界面）和24*24（用于菜單和對話框）點陣字庫（GB2312標(biāo)準(zhǔn)的一級字庫）、lattin-1歐洲八國（英、法、德、西班牙、意大利、荷蘭、葡萄牙、波蘭）語言字母集16*16點陣字庫。

調(diào)色板：平臺支持可選的16色或者256色調(diào)色板，對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)出對應(yīng)的256色調(diào)色板即可。

狀態(tài)機：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頻道之間切換），按Menu鍵鍵入菜單，按EPG鍵進入EPG界面。模組狀態(tài)切換關(guān)系如圖3所示。

說明：K: 表示按鍵消息，對紅外遙控器按鍵輸入進行接收、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

4.2.1 搜臺機制

數(shù)字電視的搜臺算法很重要，因為不僅要找出頻道列表，還要解析出一定程度的各頻道的相關(guān)信息。搜臺算法包括手動搜臺和自動搜臺算法。自動搜臺是通過手動搜臺對頻率的for循環(huán)來實現(xiàn)的。所以只需討論手動搜臺即可。搜臺流程如圖4所示。

圖4 搜臺流程圖

首先調(diào)用驅(qū)動API設(shè)定Tuner頻點、符號率等參數(shù)，鎖定頻點（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表解析完之后會對逐個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，在搜臺的時候要利用Tuner的驅(qū)動函數(shù)來檢測其鎖定狀態(tài)，而不能簡單地設(shè)置超時。Tuner的狀態(tài)有三種：鎖定成功、鎖定失敗和鎖定中。對于鎖定成功和鎖定失敗，可即時返回；對于鎖定中狀態(tài)，需設(shè)置一定的超時機制，例如1s，來決定是否要放棄搜索；第二，在自動搜臺時，對每次搜索，必須要確認dbase進程已完成相關(guān)的表解析，需用信號量來同步。

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)建在搜臺時完成，當(dāng)用戶作頻道管理時，需要作相應(yīng)的更新并寫Flash即可。

EPG信息（此處指基本EPG，不包括擴展EPG），由DVB-SI組成。對于EPG信息，最重要的是從EIT表中解出的節(jié)目時間表和當(dāng)前/下一個信息，對應(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Program，每個Program假如每天有20個節(jié)目，每個節(jié)目的節(jié)目內(nèi)容描述必須要用256B字節(jié)來存儲（SI1.0標(biāo)準(zhǔn)），假如傳播的是一周節(jié)目指南，僅僅節(jié)目內(nèi)容描述信息就需要存儲空間：200*20*7（天）*256≈7MB，這么大的存儲空間實現(xiàn)這么小的一部分功能，不管對于Flash還是對于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Program（當(dāng)前播放或默認播放Program）的EIT表信息。機頂盒啟動或用戶換臺時進行EIT表信息的更新。盡管從理論上說，可以在前端發(fā)送的一個循環(huán)內(nèi)把所有的EIT表數(shù)據(jù)都收下來放到緩沖區(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，很可能在一個循環(huán)內(nèi)不能接收解析所有的EIT數(shù)據(jù)，所以要對解復(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10s，所以節(jié)目時間表沒必要按時間順序接受，采用亂序接收解析的方法可以大大提高EIT表的解析速度。項目實踐證明，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的實現(xiàn)可以通過調(diào)用相應(yīng)API按初始化->打開->鏈接數(shù)據(jù)流的流程即可實現(xiàn)。

5 結(jié)論

與眾多的嵌入式實時操作系統(tǒng)一樣，ST的OS20具有嵌入式系統(tǒng)所要求的實時、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DVB-T數(shù)字電視機頂盒研發(fā)項目的應(yīng)用設(shè)計實踐證明，本文從系統(tǒng)的狀態(tài)機設(shè)計、搜臺算法的實現(xiàn)和以EPG為主的SI解碼系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)和優(yōu)化等各個方面給出了較優(yōu)的解決方案。

參考文獻：

[1] ISO/IEC 13818-1，Information technology -Generic coding of moving pictures and associated audio：Systems [S]，1994．
[2] STMicroelectronics Inc． Dtti5516 Data Sheet．[DB/OL]．http://www.st.com．
[3] ETSI EN 300 468 V1.6.1，Video Broadcasting (DVB)，Specification for Service Information (SI) in DVB systems[S]，2004．
[4] ETSI EN 300 708 V1.2.1，Television systems，Data transmission within Teletext[S]，2003．
[5] 谷志奇，余松煜．機頂盒SI模塊的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．電視技術(shù)，2004(3)：51-53．
[6] 朱冰，鄭世寶．多任務(wù)實時操作系統(tǒng)在數(shù)字電視接收機中的應(yīng)用[J]．電視技術(shù)，2005(8+)：76-85．
[7] 鄭宗漢．實時系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2003．
[8] 徐登，鄭世寶，金薦．一種優(yōu)化的機頂盒SI引擎的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．電視技術(shù)，2005(5)：13-15．
[9] 劉久富，孫德敏，楊忠，等．嵌入式軟件的動態(tài)測試[J]．微計算機信息，2006(1)：82-84．