基于OS20的機頂盒軟件體系及其應用設計

介紹了ST半導體公司的OS20實時嵌入式操作系統的基本特性。通過DVB-T數字電視機頂盒研發項目的應用設計，分析了機頂盒軟件研發的主要問題和軟件架構的實現，包括系統的狀態機設計、搜臺算法的實現、以EPG為主的SI解碼系統的設計實現和優化，從各個方面講述了OS20實時操作系統在機頂盒設計中的應用實踐。

1 引言

????? 在較短的時期內，DTV和SDTV不可能降到現有模擬電視接收機的價位,因此還必須通過地面數字STB將地面數字電視廣播的節目顯示在模擬電視接收機上。

??????本文結合筆者在使用ST DTTi5516主芯片開發DVB-T接收機的過程中的心得體會，結合ST半導體公司的OS20實時操作系統，談談數字電視接收機開發的應用設計的幾個主要問題。

2 系統介紹

?????? 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

??????機頂盒對數字電視信號的處理過程為：電視射頻信號經Tuner（高頻頭）調諧，進行模數轉換，輸出36MHz 的中頻數字信號送入OFDM解調模塊進行解調之后，變成TS流后經信道解碼得到MPEG-2 TS流，經解復用模塊（集成解擾模塊）選出一路MPEG-2音視頻流和對應的數據信息，經信源解碼后得到所選節目的數字信息。由于機頂盒的輸出端接模擬電視，所以數字信息經模擬信號編碼后得到模擬信號輸出到傳統的模擬電視。

3? 軟件體系

????? 3.1?? 軟件層次結構

??????軟件結構層次主要分三層：驅動層、中間層和應用層。軟件結構層次圖見圖2。

圖2 軟件層次圖

??????除了驅動層的turner驅動修改之外，主要工作集中在應用層和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，按菜單結構增減菜單，菜單翻頁，dbase中EPG和teletext的請求與接收，subtitle的開關切換等等。

????? 3.2??? OS20實時操作系統

??????在筆者設計的項目開發方案中，使用ST公司的STLite/OS20實時多任務操作系統，它具有以下一些基本特征：

? 1）? 采用基于優先級的多任務搶占式調度策略；

??????2）? 內核短小，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（內核主要分C1和C2兩個版本）；

??????4）? 低的內存要求：對于內核，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能夠為基于ST20平臺開發的嵌入式系統提供高效的多任務環境，包括任務調度管理、時鐘管理、內存管理、中斷處理、通過信號量實現同步和互斥、以及通過消息隊列實現消息通信等等。

4?? 各軟件應用模塊的設計與實現

??????4.1?? GUI和狀態機的設計

??????界面風格的選擇：選擇彈出式菜單和對話框。舉例，Menu的數據結構包括標題欄、總項數、當前選擇（高亮）項、菜單句柄、以及菜單項結構數組頭指針；

??????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標準的一級字庫）、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。

??????調色板：平臺支持可選的16色或者256色調色板，對于盡量接近原色顯示24bit圖片，調色板的選擇是關鍵。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，導出對應的256色調色板即可。

??????狀態機：在電視節目播放的情況下，按數字鍵、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。模組狀態切換關系如圖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、轉換生成；M:表示選擇了某操作。

圖3 系統狀態變換圖

????? 4.2??? 各主要數字電視功能模塊的設計

??????4.2.1? 搜臺機制

? 數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循環來實現的。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

??????首先調用驅動API設定Tuner頻點、符號率等參數，鎖定頻點（若失敗，則返回）之后，根據數據更新的方式決定是否要清除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表獲得網絡信息，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的驅動函數來檢測其鎖定狀態，而不能簡單地設置超時。Tuner的狀態有三種：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，需設置一定的超時機制，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進程已完成相關的表解析，需用信號量來同步。

??????4.2.2??Data Base和EPG的構建

??????Data Base，包括ProgramList，TransponderList和EPG信息的構建。其中，ProgramList和TransponderList的構建在搜臺時完成，當用戶作頻道管理時，需要作相應的更新并寫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表中解出的節目時間表和當前/下一個信息，對應于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個節目，每個節目的節目內容描述必須要用256B字節來存儲（SI1.0標準），假如傳播的是一周節目指南，僅僅節目內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，可以在前端發送的一個循環內把所有的EIT表數據都收下來放到緩沖區中去解析，但由于受解復用處理速度和遙控器按鍵響應靈敏度的限制，很可能在一個循環內不能接收解析所有的EIT數據，所以要對解復用的數據量和遙控器按鍵響應速度作折中。

??????根據DVB標準，8天內的EIT表信息循環傳輸間隔不超過10s，所以節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目指南信息的刷新速度提高3倍以上！如圖5所示。優化之后，正在觀看的Program的一周節目指南基本上20s左右即可完成更新。

??????Teletext和Subtitle的實現可以通過調用相應API按初始化->打開->鏈接數據流的流程即可實現。

5 結論

??????與眾多的嵌入式實時操作系統一樣，ST的OS20具有嵌入式系統所要求的實時、高效和精煉的特性，能夠穩定高效地應用于高傳輸率的數字電視接收和解碼。通過DVB-T數字電視機頂盒研發項目的應用設計實踐證明，本文從系統的狀態機設計、搜臺算法的實現和以EPG為主的SI解碼系統的設計實現和優化等各個方面給出了較優的解決方案。