基于嵌入式linux的IPTV機頂盒設計

許聯國 顧民

【摘要】IPTV（Internet Protocol TV or Interactive Personal TV）即交互式網絡電視是傳統的電視媒體與新興的網絡媒體互相影響、互相融合的產物。它是一種利用寬帶網的基礎設施，以家用電視機（或計算機）作為主要終端設備，集互聯網、多媒體、通信等多種技術于一體，通過互聯網絡協議向家庭用戶提供包括數字電視在內的多種交互式數字媒體服務的嶄新技術。IPTV機頂盒可以為用戶提供視頻直播、點播、直播時移和互動游戲等功能。通過流媒體協議的應用，用戶在點播時可以像操作DVD一樣進行快進、快退、暫停、定位等操作。在直播時可以快速切換電視頻道，它在網絡中同步錄制了直播的音視頻節目，并可以提供用戶在任意時候進行直播時移觀看。通過交互功能的應用，人們還可以進行在線互動網絡游戲。

技術架構：IPTV的系統結構主要由流媒體服務、存儲及認證計費等子系統構成，碼流通過IP網絡傳輸，具體內容主要是以MPEG-4為編碼核心的流媒體文件，用戶終端為IPTV機頂盒+電視機，或者為PC。IPTV非常容易地將電視服務和互聯網瀏覽、電子郵件以及多種在線信息咨詢及商務功能結合在一起，所以其主要優勢就是交互性和網內業務的擴充。

一、綜合業務平臺系統構建

綜合業務平臺系統由媒體服務器、應用服務器、管理工作站、一級網關等組成，是系統的中央控制、信息儲存和服務單元。系統可根據應用需要增加應用服務器，如視音頻播放服務器，視音頻壓縮服務器等。服務器之間通過高速以太網相連。可提供的基本功能如：系統管理功能、用戶管理功能、計費管理功能、內容管理功能、視頻音頻制作功能、內容檢索功能、用戶權限控制功能、VOD功能、服務器互連功能、網絡接口功能等。

二、IPTV機頂盒硬件系統設計

通過對IPTV業務特性的分析，總結出IPTV機頂盒需要具備以下功能：

1.具備良好的網絡通訊能力，并且支持各種網絡通信協議，如TCP/IP、 UDP、RTCP等等。

2.支持多種視頻壓縮格式，如MPEG2、 MPEG4、VC-1、 H.264等等標準。

3.具備強大的增值業務，如視頻點播、網絡瀏覽、網絡游戲等。

4.硬件平臺性價比高，外圍器件的選擇上要做到物盡其用，不浪費。

三、機頂盒硬件組成系統

NX8473主芯片、DDR、NandFIash、網卡接口、USB接口、前面板（遙控和按鍵）接收和音視頻輸出等按功能將其內部結構劃分為四個子系統：

1.系統控制子系統

它主要由MCU，ROM和RAM組成，MCU是機頂盒的核心，用于控制和協調各模塊之間的工作，以及管理機頂盒的資源。

2.網絡接口子系統

實現各種網絡接口，處理有關網絡協議（TCP/IP），接收輸入數據包，并回傳用戶的控制命令。

3.數字處理子系統

包含傳輸解復用、解密、解擾、圖形處理、MPEG視頻解碼、MPEG音頻解碼、NTSC/PAL編碼器、音頻DAC等模塊。

4.外圍設備控制子系統

允許用戶可以把多種外設連接到機頂盒上。其中最基本的外設接口就是紅外遙控器。

機頂盒通過以太網接口接收網絡端的IP數據包，經過解包、解碼，再進行視音頻轉換，變為可識別的模擬信號，傳送到終端設備中顯示和輸出。同時將接收傳來的控制指令發往網絡服務器端。

網絡服務器實現的主要功能是根據機頂盒發來的指令然后發送相應的數據到機頂盒，通過機頂盒、網絡服務器的交流共同完成視頻播放功能。

四、軟件組件的選擇

嵌入式Linux是按照嵌入式系統的特點和應用要求而設計的一種小型的操作系統。內核精簡而高效、可裁剪、可移植性強并且具有非常好的網絡性能等優點，使得它非常適合于IPTV機頂盒的開發。

嵌入式Linux在機頂盒的應用實現，使得用戶能夠通過電視來完成特定的計算機功能，并且具有良好的網絡通信功能和操作界面。因此Linux操作系統在機頂盒的應用得到很大的發展。

軟件結構主要分三層：U-boot層，內核層，應用層。U-Boot是Bootloader中最通用的一種，它是運行在操作系統內核之前運行的一段小程序，主要用于加載和啟動內核。

（1）主要功能包括初始化主芯片、DDR，FLASH、網卡、顯示芯片、串口等主要設備。

（2）將FLASH中存儲的啟動文件復制到內存中運行。

（3）加載Linux內核到內存并運行。

（4）顯示開機LOGO。

（5）終端功能調試（MAC地址、Linux內核和文件系統的寫入與刪除）。

內核層主要包括linux內核，設備驅動，以及根文件系統。在嵌入式系統中，yaffs2是專門為NandFIash設計的嵌入式文件系統，軟件結構得到優化，速度快。yaffs2是日志結構的文件系統，提供了損耗平衡和掉電保護，可以有效地避免意外掉電對文件系統一致性和完整性的影響。

該軟件模塊主要實現的功能有：運行嵌入式Linux系統。加載設備驅動。掛載根文件系統。設置系統運行的環境及參數。

機頂盒的所有功能都是通過應用程序來實現的，主程序主要控制著開機畫面的顯示、菜單選擇、頻道搜索、音視頻控制、軟件升級、視頻點播，網頁瀏覽，電子郵件，電子商務以及條件接收等功能。

五、消息驅動機制

消息驅動機制負責圖形用戶界面與操作系統、輸入設備以及其它子系統等進行信息交換，也用于處理GUI（圖形用戶界面）系統內部的各種事件和交互，它是整個圖形用戶界面系統的動力源。

GUI是用于與用戶進行信息交互，而交互的實現則通過一些稱為“事件”的動作來觸發，如外部的輸入設備事件、GUI內部對象間傳遞信息等。消息驅動機制可以很好的解決這種基于事件驅動的多應用設計問題，并且可以形成一種處理多個系統之間、系統內部對象和對象之間關系的簡潔辦法。

消息驅動機制包括消息的產生、分發和處理等。在采用消息驅動的GUI系統中，計算機系統外設發生的事件，例如遙控器的敲擊，遙控器按鍵的操作都是消息的產生。每個按鍵都對應著固定的事件值和一個中斷號，當某個事件發生時，驅動層通過異步通知將驅動中發生的中斷事件通知給應用層，然后應用層以事先約定的格式翻譯為特定的消息并放入到對應的消息隊列。GUI系統在開始運行后建立一個消息處理循環，在循環中不斷的讀取消息并處理消息，直到特定的退出消息傳來為止。

采用消息驅動機制后，各部件之間形成松散的藕合關系，增加了系統部件連接和集成的靈活性，這是通過消息和響應的調用實現的，從而用戶只需關心產生消息和處理消息，并且GUI系統變得更加容易維護，升級方便。

系統運行狀態控制：

1.主控模塊負責

遙控/按鍵接收處理、系統狀態控制、進程/線程管理、運行狀態控制等。

2.初始化模塊負責

根據系統上次退出時所保存的系統參數進行初始化、視頻顯示設置、音頻參數設置、網絡初始化、系統認證等。

3.OSD模塊負責

視頻參數設置、音頻參數設置、顯示制式參數設置、顯示比例參數設置等。

4.瀏覽器模塊負責

訪問EPG服務器、顯示EPG信息、中英文輸入法等。

流媒體播放器模塊負責：訪問流媒體服務器、播放網絡音視頻、播放控制功能（播放/暫停/快進/快退/停止）等。

5.系統設置模塊負責

設置網絡參數、設置用戶參數、遠程升級等。

六、總結

IPTV 和機頂盒技術正在不斷發展中，機卡分離的機頂的大規模發展，機卡分離的機頂盒漸成趨勢。隨著數字家庭概念的發展和推廣，未來的機頂盒可能會演變成為家庭中客廳技術的核心控制單元，也就是業界所謂的“Home Gateway”。除了可以包括現有的視頻傳輸功能之外，更多的是向家庭中所有的智能設備提供一條集成的，綜合的交通樞紐，實現設備之間的互聯互通，并且可以給不同終端提供不同個性業務，實現“Multi-Play”。機頂盒GUI系統的發展也是日新月異，支持機卡分離，個性化的機頂盒GUI系統是必然的趨勢。

參考文獻

[1]姚永.關于 IPTV 的幾點思考[J].廣播電視信息，2005， 2：50-51.

[2]陳凱.IPTV 發展分析[J].通信企業管理，2005，6：147-148.

[3]魏永明.實時嵌入式Linux系統上 GUI 的發展與展望[J].微電腦世界，2000，49：22-23.

[4]康鵬.機頂盒設備 GUI 系統的設計與實現.2003.

[5]面對對象嵌入式 GUI 研究和模式應用[J].計算機應用，2004，4：10-13.

作者簡介：許聯國（1987—）， 男，四川大竹人，現就讀于成都理工大學測試計量技術及儀器專業，研究方向：智能儀器。