基于ST7109的高清IPTV機頂盒開發(fā)平臺設計

田 莎

（廈門理工學院 電子與電器工程系，福建 廈門 361000）

1 引言

隨著因特網(wǎng)和流媒體技術的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了網(wǎng)絡電視（IPTV）這種融合互聯(lián)網(wǎng)和傳統(tǒng)電視的新業(yè)務。IPTV通過寬帶網(wǎng)絡，向家庭用戶提供包括數(shù)字電視在內(nèi)的多種交互式服務。高清電視（HDTV）[1]相對于目前的標清電視節(jié)目而言，在圖像質(zhì)量上有質(zhì)的提高，其畫面更加清晰，更具有視覺沖擊力，大大提高用戶對IPTV業(yè)務的認同感，是IPTV業(yè)務發(fā)展的必然趨勢。ST7109芯片是一款高集成度的高清機頂盒解碼芯片，采用其構建高清IPTV平臺，性能高且成本低，同時支持多種視頻格式和多樣化的機頂盒功能，適應不同業(yè)務需求。

2 ST7109的開發(fā)平臺設計[2]

2.1 ST7109芯片簡介

ST7109芯片支持MPEG-2，H.264和VC-1等多種標準的高清視頻解碼。不僅應用于地面、衛(wèi)星和有線數(shù)字電視機頂盒，且應用于DSL和IP客戶端高清機頂盒。ST7109包含嵌入式CPU ST40-202、系統(tǒng)碼流解復用、視頻解碼、音頻解碼、SDRAM/Flash控制器、USB2.0接口、以太網(wǎng)接口等。能解密并解碼高清或標清的音視頻系統(tǒng)碼流，通過SATA接口實現(xiàn)接收和處理。解復用后，視頻流通過TS子系統(tǒng)進行接收和處理，視頻解碼后，輸出2個獨立的顯示模式：全分辨率的TV主顯示，或者降采樣給VCR或DVD-R作為從顯示信號。采用ST7109構建高清IPTV平臺，只需較少的外圍器件，性價比高，其結構如圖1所示。

圖1 ST7109用于IPTV的解決方案

2.2 ST7109開發(fā)平臺的結構

基于ST7109的IPTV機頂盒作為一個嵌入式系統(tǒng)，運行Linux操作系統(tǒng)，軟件開發(fā)采用交叉開發(fā)模式，即程序編寫和編譯在PC機上完成，編譯結果在嵌入式平臺上運行，如圖2所示。

圖2 ST7109的開發(fā)環(huán)境

主機操作系統(tǒng)為Linux，并安裝有相應的開發(fā)軟件工具包（SDK）和串口通信軟件。主機通過串口1與開發(fā)板相連，用于輸出調(diào)試信息并實現(xiàn)開發(fā)板與主機的命令交互，也可以使用其來燒寫內(nèi)核、文件系統(tǒng)和設置U-Boot參數(shù)；主機通過串口2來配置ST調(diào)試器的IP地址[3]。只有當調(diào)試器具備可以在網(wǎng)絡上使用的IP地址時，調(diào)試器才可以使用。ST仿真器連接開發(fā)板的JTAG口用于燒寫U-Boot、內(nèi)核和文件系統(tǒng)等，并可用于調(diào)試開發(fā)板。開發(fā)板上的操作系統(tǒng)使用的是ST公司提供的STLinux系統(tǒng)，在開發(fā)過程中，使用NFS文件系統(tǒng)令開發(fā)板掛載主機上的文件系統(tǒng)，以提高調(diào)試的便捷度。主機、仿真器、開發(fā)板均連接到1個路由器以實現(xiàn)網(wǎng)絡連接。

3 ST7109平臺的開發(fā)流程[4]

ST7109上的IPTV機頂盒系統(tǒng)采用交叉開發(fā)模式。其開發(fā)流程如下：

1）在開發(fā)主機上搭建交叉開發(fā)環(huán)境，比如交叉編譯工具的安裝、通信工具的配置等；

2）在開發(fā)主機上利用交叉編譯環(huán)境和相應的嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核（STLinux），根據(jù)所使用的硬件平臺和所需實現(xiàn)的功能，構建一個嵌入式的Linux系統(tǒng)并生成內(nèi)核的二進制文件映像；

3）構建其根文件系統(tǒng)，該系統(tǒng)只是開發(fā)過程中所使用的一個骨架，包含系統(tǒng)的基本配置文件和必要的系統(tǒng)支撐程序，使后續(xù)的開發(fā)在此基礎上不斷完善；

4）為了讓這個系統(tǒng)在板上運行起來，使用內(nèi)核的引導加載程序（Bootloader）進行硬件的初始化并將嵌入式Linux加載到內(nèi)存中運行，在此基礎上進行應用程序的開發(fā)和調(diào)試。

3.1 主機環(huán)境的搭建

開發(fā)平臺中主機環(huán)境的搭建分為以下幾步：

1）在安裝前配置主機的PATH參數(shù)，通過修改root/.bash_profile文件來配置安裝工具的環(huán)境變量。這樣，在使用開發(fā)工具時，就可以直接使用工具的名稱，而不必輸入完整的路徑。

2）進行ST的STLinux開發(fā)工具LDDE（Linux Distribution Develop Environment）的安裝，既包含了STLinux的操作系統(tǒng)內(nèi)核，還帶有相關的開發(fā)環(huán)境，比如交叉編譯器、本地編譯器、調(diào)試器、下載工具等。在掛載相應的.iso文件后，進入安裝文件夾使用install命令安裝，安裝完成后得到opt/STM/STLinux-2.2文件夾，接下來將工具箱和內(nèi)核文件解壓安裝到相應的文件夾下。

3）安裝 ST7109 的 SDK（STAPI），將 STAPI安裝文件解壓后，根據(jù)misc文件夾下的INSTALL-README.txt文檔進行安裝配置。

4）串口通信參數(shù)的配置，使用的串口通信函數(shù)是kermit（），利用腳本文件.kermrc對其進行如下配置：

3.2 內(nèi)核的裁剪與配置

內(nèi)核的配置主要是對內(nèi)核的功能模塊進行選擇和參數(shù)設置，這一步驟通過進入內(nèi)核源碼目錄，使用make menuconfig或make xconfig實現(xiàn)。在這里，通過menuconfig實現(xiàn)，menuconfig界面是一個按照功能模塊分類的表單，以此選擇內(nèi)核需要支持的功能模塊。模塊前有2種配置符：“<>”與“[]”。對于“[]”對應的模塊，可以通過空格切換為“*”和空置，用來表示此項目是否編入內(nèi)核；對于“<>”對應的模塊，多了一種選項“M”，表示此項目編譯成內(nèi)核模塊，將生成一個獨立可加載的內(nèi)核模塊文件，可在需要時動態(tài)載入[3]。

內(nèi)核配置中，在ST7109的默認配置基礎上根據(jù)板子的具體特性進行相應的修改。最后，在編譯完成后將生成的內(nèi)核文件利用mkimage工具打包，供U-Boot燒錄。

3.3 根文件系統(tǒng)的制作

對于該機頂盒嵌入式文件系統(tǒng)，采用Ramdisk技術，將系統(tǒng)內(nèi)存拿出一部分作為塊設備，將基本程序和數(shù)據(jù)以某種文件系統(tǒng)的二進制映像形式，在內(nèi)核運行前加載到該地址中。這樣，在內(nèi)核啟動之后，該文件系統(tǒng)映像加載的內(nèi)存區(qū)域被內(nèi)核安裝為根文件系統(tǒng)，這種Ramdisk就是所謂的初始RAM磁盤（Initrd）。

根文件系統(tǒng)中存放的是嵌入式Linux系統(tǒng)所需使用的基本應用程序、庫以及系統(tǒng)配置等其他一些文件，根文件系統(tǒng)的制作主要包括以下幾個方面[3]：

1）頂層的目錄結構，包括頂層目錄下的bin，sbin，dev，etc，lib，proc，usr，var，tmp 和 sys文件。 同時，還必須實現(xiàn)系統(tǒng)運行時所需的基本軟件工具 （如ls，cp，mount等），這些可通過Busybox工具來實現(xiàn)，Busybox是構造文件系統(tǒng)最常用的一個軟件工具包，其配置方法與menuconfig類似。

2）設備節(jié)點。Linux系統(tǒng)中的設備也是以文件方式存取的，在Linux系統(tǒng)啟動時所需的設備節(jié)點也必須加到根文件系統(tǒng)中。

3）inittab文件。inittab是init程序讀取的配置文件，通過執(zhí)行腳本實現(xiàn)系統(tǒng)必要的初始化。init程序是內(nèi)核啟動后運行的第一個程序，所有的應用程序都是它的子進程，在系統(tǒng)運行期間一直駐留在內(nèi)存中運行，直到系統(tǒng)關閉為止。

4）根文件系統(tǒng)制作完成后，可利用其生成initrd.img根文件系統(tǒng)鏡像，并用mkimage打包成initrd.ub以供UBoot燒錄。

3.4 U-Boot的制作

在內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像創(chuàng)建好后，還必須有一個引導加載程序（Bootloader）負責硬件和內(nèi)存的初始化工作，并在系統(tǒng)啟動前負責加載內(nèi)核和文件系統(tǒng)。Bootloader是系統(tǒng)加電后運行的第一段軟件代碼，從功能上說，其在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前負責初始化硬件設備、建立內(nèi)存空間的映射圖。加載過程如圖3所示。

圖3 Bootloader加載原理

系統(tǒng)復位后從0x00000000地址開始運行存放在Flash起始處的Bootloader。Bootloader啟動后，初始化相應的硬件設備，并將嵌入式Linux內(nèi)核及根文件系統(tǒng)映像分別加載到內(nèi)核中的正確位置，然后跳轉到內(nèi)核的起始地址啟動內(nèi)核。

由于Bootloader和硬件緊密相關，所以Bootloader幾乎都是對應于單一的設備，但仍有某些Bootloader試圖把硬件相關的代碼與其他代碼相隔離，以支持多種體系結構。如U-Boot就是這么一種Bootloader，它能在改動不大的情況下支持多種體系結構。

ST的SDK中提供了支持ST7109芯片的U-Boot，筆者利用其提供的標準文檔，針對開發(fā)的具體硬件設置對其進行了修改，生成所需的U-Boot文件，用來燒錄到Flash中。

3.5 Flash的燒錄

需要燒錄進Flash中的文件共有3個：U-Boot程序u-boot.bin、內(nèi)核映像vmlinux.ub和根文件系統(tǒng)映像initrd.ub。燒錄Flash是通過仿真器實現(xiàn)的，先連接好JTAG接口，然后在主機中運行kermit連接仿真器。仿真器的端口設置完成后，使用Load命令將u-boot.bin下載到Flash當中。下載成功后，U-Boot將自動運行，這時可通過U-Boot命令將內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)也寫到Flash中。

當文件燒錄完成后，可根據(jù)需要，利用U-Boot設置開發(fā)板上的網(wǎng)絡地址、串口協(xié)議、啟動參數(shù)等環(huán)境變量并保存，下次開發(fā)板上電時就能自動啟動系統(tǒng)了。

3.6 NFS文件系統(tǒng)

NFS文件系統(tǒng)基于客戶端/服務器模型，允許客戶端通過網(wǎng)絡共享遠程主機的文件。在開發(fā)過程中使用NFS文件系統(tǒng)，利用開發(fā)板調(diào)用主機中特定文件夾里的文件系統(tǒng)作為自身的根文件系統(tǒng)，比使用Ramdisk開發(fā)調(diào)試方便。

NFS文件系統(tǒng)的配置包括主機的配置、嵌入式內(nèi)核的配置和U-Boot配置。在RedHat Linux中NFS的配置文件是ect/exports，本系統(tǒng)中的配置文件為/opt/STM/STLinux-2.2/target* （rw，no_rootsquash， sync）。

然后在內(nèi)核配置中打開對NFS的支持，最后在UBoot中設置內(nèi)核的啟動參數(shù)，其設置格式為bootargs_nfs=set bootargs${mem}${tty}root=/dev/nfs${nwhwconf}${stmmaceth}nfsroot=${serverip}∶${serverdir}，${tcp_udp}ip=${ipaddr}。

4 小結

利用ST7109芯片的開發(fā)板搭建開發(fā)平臺，實現(xiàn)高清網(wǎng)絡視頻的播放功能以及基于XBMC框架的機頂盒系統(tǒng)。該高清機頂盒所支持的視頻格式范圍廣，目前能實現(xiàn)MPEG-2、H.264、VC-1格式1080i分辨力的視頻硬解碼播放[5-6]，同時，基于XBMC能實現(xiàn)大量其他音視頻格式的軟解碼播放功能以及多種娛樂功能[7-8]。為滿足最終IPTV業(yè)務的需要，未來仍需要在具體運營商的配合下開發(fā)其他業(yè)務功能。

[1]信息產(chǎn)業(yè)部.SJ/T 11324-2006-I，數(shù)字電視接收設備術語[S].北京：信息產(chǎn)業(yè)部，2006.

[2]袁冰.基于STx5105芯片的數(shù)字電視機頂盒設計與實現(xiàn)[D].大連：大連海事大學電子與通信工程系，2008.

[3]謝希仁.計算機網(wǎng)絡教程[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[4]鄭靈翔.嵌入式系統(tǒng)設計與應用開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[5]尹明，王宏遠.VC-1 視頻編碼技術研究[J].電視技術，2005（11）：20-21.

[6]韓云，陳祖爵.H.264，VC-1和AVS視頻編碼研究[J].電視技術，2007，31（2）：6-9.

[7]李華.嵌入式IPTV流媒體播放器關鍵技術研究[D].西安：西北工業(yè)大學軟件工程系，2007.

[8]張濤.IPTV機頂盒流媒體系統(tǒng)研究[D].西安：西安電子科技大學計算機應用技術系，2006.