IPTV机顶盒嵌入式系统研究 - 中华论文网

IPTV机顶盒嵌入式系统研究
作者：李天全  （德州职业技术学院，山东 德州 253034）
摘要：IPTV机顶盒使用嵌入式系统来实现对网络流流媒体的接收、解压，并利用电视作为显示终端。嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础的专用计算机系统。文章介绍了IPTV的概念及其终端类型，以及嵌入式系统的核心组成。
关键词：IPTV机顶盒；IPTV终端；交互式网络电视；嵌入式系统
中图分类号：TN948文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）11-0014-02
一、IPTV概述
IPTV即交互式网络电视，是一种利用宽带网，集互联网、多媒体、通信等技术于一体，向家庭用户提供包括数字电视在内的多种交互式服务的技术。其系统结构主要包括流媒体服务、节目采编、存储及认证计费等子系统，主要存储及传送的内容是以MPEG-2/4标准为编码核心的流媒体文件，基于IP网络传输，用户终端可以是电视机＋机顶盒。
IPTV可以利用有线电视网的基础设施，以家用电视机作为主要终端电器，通过互联网络协议来提供包括电视节目在内的多种数字媒体服务。
相对于传统的有线电视，IPTV有着自己的优势：只要是使用TCP/IP协议就可以接收。而且由于使用的是TCP/IP协议，IPTV还可以非常容易地将电视服务和互联网浏览、电子邮件收发以及多种在线信息咨询、娱乐、教育及商务功能结合在一起。IPTV有很灵活的交互特性，因为具有IP网的对称交互优势，其节目在网内，可采用广播、组播、单播多种发布方式。而且可以灵活地实现电子菜单、节目预约、实时快进、快退、终端账号及计费管理、节目编排等多种功能。
二、IPTV终端类型
现有的IPTV终端类型有三种： PC终端、电视＋机顶盒终端、3G手机等电子移动终端。
基于PC的终端系统是沿用互联网视频的应用形式，利用网络流媒体技术传送某种格式的数据流，用户可在计算机上利用相应的播放器对压缩的音视频流解压后进行播放。
基于电视＋机顶盒的终端系统是使用嵌入式系统来实现对网络流流媒体的接收、解压并利用电视作为显示终端。IPTV机顶盒所使用的芯片，都具有MPEG2、MPEG4、H.264/AVC中的一种或几种视频压缩的解码功能，能对下载的流媒体进行实时解压，并将音视频信号经过数模转换或直接以数字形式传输到电视机。
手机移动终端的代表是3G手机，它能够处理图像、声音、视频流等多媒体。并利用无线通信网络和互联网相结合提供IPTV、VoIP等多种媒体服务。
三、嵌入式系统的核心组成
（一）嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础的专用计算机系统
嵌入式系统的软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格的要求。通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件等几大部分组成。
与通用处理器相比，嵌入式处理器大多工作在为特定用户群设计的系统中。它通常把使用通用CPU的计算机中的许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，具有低功耗、体积小、集成度高，高效率，高可靠性等特点。中国具有自主知识产权的龙芯已经开始作为嵌入式芯片展开应用。
嵌入式应用软件是针对特定的实际专业领域，基于相应的嵌入式硬件平台的计算机软件。根据任务的不同，对嵌入式应用软件的要求也不同。比如，高精度时间，高度实时性，高安全性或者高稳定性等。另外，由于嵌入式系统的硬件资源非常宝贵，嵌入式应用软件应该尽可能地优化。
（二）嵌入式处理器STb7100
STb7100是ST公司生产的功能强大的数字电视解码芯片，它是集成视频解码、音频解码和系统微控制器的功能。芯片内由主控CPU核、视频解码器、音频解码器和信道解调器等模块构成。
STb7100是一款集成了SH4-202 32位RISC CPU核，专门用于MPEG-2、H.264/AVC音视频解码的专用集成电路。是专门的单片式机顶盒解码器。其指令Cache和数据Cache分设，其中指令Cache为16KB，数据Cache为32KB，并且都为两路组相联Cache。它支持标清和高清两路显示，支持PAL/NTSC&SECAM编码输出，支持DVI/HDMI数字高清视频输出，支持S/PDIF数字音频输出。音视频解码器支持多编码格式、支持DVD、SVCD子画面，前端接口兼容DVD、VCD、SVCD、CD-DA，支持I2S，串口，并口、USB2.0和SATA接口，硬件TS解复用器支持串/并输入。集成了丰富的外围接口：四个通用异步收发器（UART）、两个SmartCards接口、I2C控制器、两个PWM输出，支持Modem，还有48个可编程I/O口，IR发送/接收器。它支持ANSI C编译器和库，给开发带来极大的方便。
STb7100处理器的SH-4支持29-bit外部地址空间（external memory space）、32-bit物理地址空间（physical memory space）。在SH-4内部还包含一个内存管理单元（Memory-management unit），因此，还支持32-bit的虚拟地址空间（virtual memory space）。
可编程外部存储器接口（EMI）用来控制STb7100片外存储器之间的数据移动，共享SDRAM接在SMI接口。EMI只需要很少的外部逻辑就可以和存储器子系统连接。
STb7100的EMI划分成5个4M×16-bit（8Mbytes）的bank。
（三）STLinux嵌入式操作系统
STLinux嵌入式操作系统，此操作系统内核可裁剪，效率高，移植性好，还内含了完整的TCP/IP网络协议栈。应用层软件为多线程，线程之间用信号量来同步，完成传输流解复用，MPEG4或H.264/AVC视频解码，红外接收，OSD用户界面等功能。
把传统的Linux转化为能应用于嵌入式产品的Linux系统需要解决三个主要问题：过于长的阻塞时间、Linux所采用的非抢占式事件处理方式、过于公平的调度原则。
STLinux利用Linux自身所支持的实时能力，在Linux基础上仅对内核做了一些很基本的改动，使其完全成为一个支持抢占式的内核。进程级应答速度无论从平均水平还是最坏情况下都得到显著改善。由于该方式是利用Linux自身所支持的实时能力而没有插入新的内核，所以该内核不会对原来的API产生任何不良影响。
STLinux的调度模块是完全“开放”，并且符合GPL规定的Linux模块，该模块能很好地进行进程选择，从而消除前面所提到的过于冗长的阻塞时间。
STLinux采用了比标准Linux更短的时间片，从而满足了实时性要求。
STLinux的嵌入式Linux具有以下特点：（1）提高了Linux系统响应速度；（2）保留了标准Linux的API（应用程序接口）和基于线程的用户编程模块；（3）可以自由设置实时进程的优先权值。
在一个实际的应用中，要启动STLinux内核、调用许多STAPI模块形成一个系统，才能完成实际的应用任务。对各个模块的初始化过程中，系统会创建一些具有不同优先级的进程（thread）。每个任务基本上都是while（TRUE）结构。当系统完成这些初始化过程后，主函数退出。系统中各进程将继续运行，实现数字电视接收机的各种功能，任务通过消息和信号等来通信。
参考文献
[1]金伟．IPTV机顶盒标准简介[J]．电信技术，2006，（4）．
[2]金伟．IPTV机顶盒现状与趋势的研究[J]．电信科学，2006，22（3）．
[3]尹江会，刘捷，管素清．实时系统中传统调度方式的一种改进方法[J]．计算机工程与应用，2005．
[4]赵志强，谢康林．嵌入式实时操作系统的资源调度[J]．计算机工程，2003，29（2）．
[5]周亦敏．嵌入式RISC处理器体系结构并行技术的研究[J]．计算机科学，2007，34（1）．
[6]John Catsoulis著，徐君明，许铁军，黄年松译．嵌入式硬件设计（第一版）[M]．北京：中国电力出版社，2004.
作者简介：李天全（1972－），男，德州职业技术学院讲师，硕士，研究方向：软件工程。