1、引言

　　有線電視數字機頂盒是用模擬電視機接收數字電視節目、提供廣播與交互式多媒體應用功能的終端設備。近年來，隨著數字多媒體業務和Internet網絡的迅速發展，新型數字機頂盒可以有效利用我國巨大的有線電視網絡資源，完成視頻點播、數字電視的接收、IP網絡電話及接入Internet等綜合業務功能。這種數字機頂盒已由以前單一的解密收費裝置發展成為集解壓縮、調制解調、解密收費和交互控制為一體的數字化傳輸和終端設備。

　　新型數字機頂盒將家庭的數字業務用一個終端設備進行整合，符合未來家庭用戶的需求。但由于其功能繁雜，存在著許多新的技術難題，比如：如何有效地協調管理數字電視、IP電話、Internet連接等綜合業務；目前許多機頂盒均是單向的或者利用電話線回傳，如何實現視頻點播等新興的服務業務等。因此，我們有必要選取主頻較高、數據吞吐量大、具有寬帶交互功能和高性價比的處理芯片以及優良低廉的軟件平臺來完成管理模塊的設計。

　　2、方案設計與芯片選擇

　　首先對數字機頂盒進行了需求分析，即通過數字機頂盒向家庭用戶同時提供互聯網接入、數字電視及IP電話業務，并可開展豐富的增值業務。根據業務需求及接口方式，新型數字機頂盒的硬件體系結構采用了模塊化的設計，主要包括外部以太網接口模塊、內部以太網接口模塊、模擬用戶線路接口模塊、音視頻解碼模塊和中心管理模塊。外部以太網接口模塊提供與外網之間的以太網接口，內部以太網模塊提供與戶內電腦的以太網接口，模擬用戶線路接口提供兩路模擬電話機的接口；音視頻解碼模塊提供一路數字電視的解碼輸出及其相關交互功能；管理模塊則負責各業務流的協議及接口轉換。首先，外部以太網接口接收外網路由器或交換機轉發的數據幀，將其解封裝，轉交給網絡處理器按3種業務進行分流；音視頻解碼處理模塊接收主控制芯片分流后的TS數據流，進行MPEG-2解碼后，輸出到PAL/NTSC編碼器，編碼成模擬電視信號；內部以太網接口接收IP數據包，封裝成MAC數據幀送往電腦終端；IP電話處理模塊通過CODEC編解碼芯片完成數字信號和模擬話音的轉換后送往模擬話機。　

　　在本文的設計方案中，中心管理模塊完成了IP電話（語音業務），家庭上網（綜合數據業務）和數字電視（視頻處理業務）3種業務的網關功能。經過分析比較選擇了三星公司生產的ARM7系列的S3C4510B作為其主處理芯片。S3C4510B是一款針對嵌入式應用的16/32位嵌入式處理器，該微控制器專為以太網通信系統的集線器和路由器而設計，具有低成本和高性能的特點,它內置了ARM公司設計的16/32位ARM7TDMI處理器,可以執行32位的ARM指令，也可執行16位的THUMB指令,并集成了多種外圍部件。S3C4510B的系統時鐘頻率達到50 MHz，8 kB的Cache/SRAM，4 MB的Flash用于存放系統引導代碼、嵌入式操作系統和應用軟件。在設計的管理模塊中，S3C4510B通過系統總線與一片FPGA芯片XC2S30相連。XC2S30與雙通道VoSLAC(Voice over broadband Subscriber Line Audio�瞤rocessing Circuit)芯片Le78D11相連，Le78D11與雙通道VoSLAC芯片Le77D11相連擴展出兩個模擬用戶線RJ11接口，用于連接兩路模擬電話機。S3C4510B有兩個UART，其中一個與音視頻解碼模塊的串口線交叉連接，以提供一條仿真的SLIP鏈路；另一個UART通過MAX232擴展一個DB9接口，用于管理模塊的控制終端接口，這個接口在系統調試及故障檢測時非常有用。S3C4510B具有JTAG接口，可用于系統在線仿真調試以及FLASH編程等。

　　3、基于uClinux操作的體系結構

　　新型數字機頂盒的主要軟件工作集中在以S3C4510B為核心的中心管理模塊，其軟硬件體系結構可以分為4層，從底層向上分別為:硬件平臺、底層軟件、中間件和應用軟件層。底層軟件包括軟件操作系統平臺和驅動程序。中間件是一種將應用程序與底層的操作系統、硬件細節隔離開來的軟件環境，它通常由各種虛擬機來構成，如HTML虛擬機、javascript虛擬機、Java虛擬機、MHEG-5虛擬機等等。

　　新型數字機頂盒的底層軟件選用uClinux作為其操作系統平臺。選用uClinux的原因在于它是源碼開放的嵌入式操作系統，雖然其實時性能一般，但可以采用RT-Linux for uClinux的Patch來增加其實時性能，并針對各應用的特點使用一些特殊處理（如中斷驅動）來解決實時性問題。由于在網絡處理模塊部分需要復雜的網絡協議支持，而uClinux內嵌了TCP/IP協議，并可以借鑒Linux的豐富資源，因此選用uClinux可以提高開發的靈活性。如果選用商用嵌入式操作系統，那么各個組件的費用將是一筆非常大的開銷。

　　uClinux是一種優秀的嵌入式Linux版本，它集成了標準Linux操作系統的穩定性、強大的網絡功能和出色的文件系統等主要優點。uClinux同標準Linux的最大區別在于內存管理，標準Linux是針對MMU(Memory Management Unit)的處理器設計的，而uClinux可以運行在沒有MMU的處理器上。uClinux具有現代UNIX的所有特征，例如多任務操作、虛擬內存、共享程序庫、進程調度、完美的存儲器管理和TCP/IP網絡協議等。此外，它與POSIX標準兼容，而采用POSIX標準的程序具有更好的移植性。　

　　bootstrap：它負責啟動uClinux內核以及初始化包括SDRAM在內的系統資源。這部分代碼（boot loader）用來建立起系統運行環境和在加載前初始化Ramdisk。

　　內核初始化：uClinux內核的入口是start�瞜ernel()，它用來初始化其他部分內核，包括中斷、IRQ通道、設備驅動等，最重要的是它可以派生出一個“init”進程來啟動多任務運行環境。

　　設備驅動：構成uClinux內核的主要部分，和其他的操作系統一樣，驅動程序用來聯系操作系統和它們所控制的硬件設備。

　　文件系統：uClinux的重要特征之一就是支持多種不同的系統文件，這使得它對其他的操作系統有很好的兼容性，uClinux支持多種不同的系統文件并且把它們轉換成一種統一的虛擬文件系統。

　　限于文章篇幅和實驗條件，我們只簡要介紹一下在uClinux系統下利用電腦終端和數字機頂盒的數據收發的實現過程。電路裸板的硬件開發環境包括目標電路板、仿真器、宿主機和以太網交換機。仿真器使用并口電纜與電腦終端相連，使用20針扁平電纜與目標電路板相連，主機和目標板都使用普通網線與交換機相連。我們在主機上安裝終端仿真程序（在Windows下Hyperterm，在Linux下Minicom）和目標電路板進行通信。

　　打開主機上的超級終端，選擇連接速度為19 200 bps、無奇偶校驗、8個數據位和1個停止位、無流控。接通板子的電源,選擇將目標板跳線J1的1，2腳短路，BOOTLOADE（引導裝入程序）將會執行燒入的uClinux固化內核。在LINUX的命令提示符后輸入以下命令：ifconfig eth0 192.168.100.120。我們是根據主機的IP地址：192.168.100.119，子網掩碼：255.255.255.0，將目標板的IP地址設為：192.168.100.200，保證目標板和宿主機在同一個網段。用PING:192.168.100.119命令，可以PING通宿主機了。鍵入cd tmp，進入一個可寫目錄。我們采用FTP的方式和主機相連，ftp:192.168.100.119,輸入已經建立的用戶名和密碼，建立連接。為傳輸二進制文件，鍵入命令：binary，得到如下提示：200 Type set to I,將以前編譯生成的test.o文件傳到目標板上：get test.o。文件傳送完畢后，給它加上可執行屬性，在超級終端中鍵入以下命令：chmod 755 test.o，就可以使用./test.o命令執行該文件了。