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1. 簡(jiǎn)介：

    數(shù)字電視是在電視信號(hào)產(chǎn)生后的處理、傳送、接收、記錄等過(guò)程都采用數(shù)字技術(shù)的電視。在設(shè)計(jì)數(shù)字電視系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)用于傳統(tǒng)模擬電視系統(tǒng)中的硬件，不能滿(mǎn)足音頻、視頻和數(shù)據(jù)處理等功能的需要，因此，數(shù)字電視系統(tǒng)需要更高性能的處理器和大規(guī)模的存儲(chǔ)器。嵌入式操作系統(tǒng)可以有效的管理這些硬件資源。

    本文將嵌入式linux操作系統(tǒng)移植到一個(gè)數(shù)字電視上，使其能夠接收數(shù)字廣播節(jié)目。為了將操作系統(tǒng)移植到數(shù)字電視系統(tǒng)上，需要修改內(nèi)核和交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境，重新設(shè)計(jì)基本的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，配置系統(tǒng)的存儲(chǔ)器映像以便加載內(nèi)核到主存儲(chǔ)器中，并且設(shè)計(jì)一個(gè)總線(xiàn)接口設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)。

2. 數(shù)字電視操作系統(tǒng)

    數(shù)字電視比模擬電視能夠提供更優(yōu)質(zhì)的電視圖像和更多的視頻服務(wù)。它采用改進(jìn)的掃描線(xiàn)和水平清晰度獲得高質(zhì)量的視頻效果，同時(shí)采用AC3或MPEG2壓縮技術(shù)來(lái)獲得高質(zhì)量的音頻效果。數(shù)字電視的節(jié)目不但便于存儲(chǔ)，而且還可以通過(guò)眾多的媒介進(jìn)行傳播。因此，數(shù)字電視系統(tǒng)需要處理大量的數(shù)據(jù)。如在EPG（電子節(jié)目指南）服務(wù)中，被提取出來(lái)的數(shù)據(jù)被修改并存儲(chǔ)后作為一個(gè)畫(huà)面打印至OSD（屏幕菜單式調(diào)節(jié)）界面，在這個(gè)過(guò)程中需要靠操作系統(tǒng)來(lái)不斷地接收到被篩選、存儲(chǔ)后的信號(hào)，同時(shí)產(chǎn)生屏幕畫(huà)面。

    市場(chǎng)上的數(shù)字電視系統(tǒng)包括如pSOSTM (Windriver Inc.)等的商業(yè)操作系統(tǒng)，這些系統(tǒng)具有高可靠性和最優(yōu)化的特點(diǎn)，但要支付昂貴的版稅。如果在數(shù)字電視系統(tǒng)中使用嵌入式linux操作系統(tǒng)，則不用支付版稅費(fèi)用。嵌入式linux操作系統(tǒng)還有其他一些優(yōu)點(diǎn)，如有開(kāi)放源代碼的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序及應(yīng)用程序的存在，大大縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間；利用shell、文件系統(tǒng)及模塊功能方便了開(kāi)發(fā)環(huán)境的配置；許多問(wèn)題可以在開(kāi)源社區(qū)得到快速解決等。

3. 商業(yè)數(shù)字電視系統(tǒng)
 
    數(shù)字電視的結(jié)構(gòu)

    數(shù)字電視系統(tǒng)包括數(shù)字處理模塊、視頻處理模塊、射頻模塊、LCD驅(qū)動(dòng)模塊和模擬輸出模塊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    數(shù)字處理模塊負(fù)責(zé)控制其它模塊和執(zhí)行程序。它由MCU、SDRAM、FLASH存儲(chǔ)器、UART、I2C總線(xiàn)接口構(gòu)成。視頻處理模塊把從射頻模塊捕獲的數(shù)據(jù)解碼生成視頻、音頻和文本消息。它由一個(gè)信號(hào)處理單元（SPU）和一個(gè)SDRAM構(gòu)成，SDRAM中包含被顯示的數(shù)據(jù)幀。射頻模塊接收數(shù)字廣播信號(hào)，并且將該信號(hào)解調(diào)成數(shù)據(jù)流。LCD驅(qū)動(dòng)模塊控制LCD面板。模擬輸出模塊控制視頻-音頻信號(hào)輸出和輸出信號(hào)。數(shù)字處理模塊通過(guò)I2C總線(xiàn)，控制射頻模塊、LCD模塊和模擬輸出模塊，同時(shí)通過(guò)DMA控制視頻處理模塊。
 
    硬件構(gòu)成

    在數(shù)字電視系統(tǒng)中，數(shù)字處理模塊的核心是ARM7TDMITM，它不包括MMU（存儲(chǔ)器管理單元）。在數(shù)字電視系統(tǒng)中MCU只支持大端格式[5]，存儲(chǔ)器映射由MCU內(nèi)的系統(tǒng)管理寄存器來(lái)配置，在系統(tǒng)運(yùn)行之前，嵌入式linux內(nèi)核運(yùn)行在flashROM中，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，內(nèi)核被拷入ram中。除了ROM和RAM外，外設(shè)也經(jīng)常被使用。這些設(shè)備被映射到一個(gè)線(xiàn)性存儲(chǔ)器映射單元，且可以按同樣的方式尋址。。MCU的中斷控制器包括21個(gè)中斷資源（其中17個(gè)來(lái)自?xún)?nèi)部設(shè)備，4個(gè)來(lái)自外部設(shè)備）。數(shù)字處理模塊中的定時(shí)器是一個(gè)32位的間隔模式定時(shí)器。在系統(tǒng)中用串口設(shè)備如UART（通用異步收發(fā)器）來(lái)打印啟動(dòng)過(guò)程中的消息和程序出錯(cuò)信息，由于射頻模塊、LCD驅(qū)動(dòng)模塊、模擬輸出模塊都是由MCU通過(guò)I2C總線(xiàn)控制，因此，在MCU和I2C串行總線(xiàn)之間需要一個(gè)接口。在這里使用PCF8584 (Philips Inc.)。圖2描述了MCU和I2C總線(xiàn)之間的連接。

圖2  MCU和I2C總線(xiàn)之間的連接

4.linux系統(tǒng)移植 

    在這一部分中，我們將解釋linux操作系統(tǒng)的移植順序。包括修改內(nèi)核初始化代碼和編寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

    4.1重建內(nèi)核初始化代碼

    為了將linux內(nèi)核加載到嵌入式系統(tǒng)中，有必要修改與硬件相關(guān)的內(nèi)核初始化代碼。這個(gè)過(guò)程包括設(shè)置存儲(chǔ)器映射以便加載內(nèi)核映像，以及為支持內(nèi)核的運(yùn)行而修改設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

    4.1.1設(shè)置存儲(chǔ)器映射

    Linux內(nèi)核映像是一種壓縮文件，存放在flash存儲(chǔ)器中，執(zhí)行時(shí)被拷貝到SDRAM中并解壓。圖3描述了內(nèi)存映像的加載順序。

    系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，CPU只能接受flash ROM空間的代碼，同時(shí)執(zhí)行位于flash ROM底層的bootloader，它負(fù)責(zé)從主機(jī)端下載代碼并且將代碼存儲(chǔ)到flashROM中。

    1）bootloader將主機(jī)的linux內(nèi)核拷貝到數(shù)字處理模塊上的SDRAM中。

    2）SDRAM中被下載的linux內(nèi)核映像被存儲(chǔ)在flash ROM中位于bootloader頂層的空間中。

    3）系統(tǒng)初始化，同時(shí)，bootloader調(diào)用linux映像內(nèi)的一段執(zhí)行代碼（head.o），將全部flash ROM空間中的內(nèi)容拷貝到SDRAM中。

    4）CPU利用系統(tǒng)管理寄存器，將flash ROM中的初始地址空間與SDRAM的初始地址空間相交換。
當(dāng)flash ROM中的映像被加載到SDRAM之后，無(wú)需改變程序計(jì)數(shù)器就可以執(zhí)行代碼（head.o）。圖4中顯示了最終的存儲(chǔ)器映射。

    拷貝到SDRAM中的linux映像可解壓執(zhí)行，為了完成釋放功能，需要一些存儲(chǔ)器空間，例如符號(hào)開(kāi)始段、用戶(hù)堆棧、分配的內(nèi)存等。在這些空間中，一個(gè)壓縮的linux內(nèi)核映像被解壓工具釋放出來(lái)，被釋放的代碼位于被分配的內(nèi)存空間的下一地址。

    4.1.2 內(nèi)核需要的設(shè)備

    內(nèi)核需要的基本設(shè)備包括中斷控制器、定時(shí)器和控制臺(tái)設(shè)備。這些設(shè)備被映像到MCU的內(nèi)部寄存器中，通過(guò)修改內(nèi)部寄存器而提供必要的功能。

    4.2設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

    數(shù)字電視系統(tǒng)包括視頻處理設(shè)備和模擬輸出設(shè)備以及內(nèi)核所必須的設(shè)備，本文為I2C總線(xiàn)接口（PCF8584）設(shè)計(jì)一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)。PCF8584設(shè)備驅(qū)動(dòng)包括接口模塊、內(nèi)核模塊、算法模塊、適配器模塊，如圖5所示。

    接口模塊提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序之間的接口，定義設(shè)備文件操作（open, read, write, ioctl,release）以及初始化設(shè)備文件（/dev/i2c0）；內(nèi)核模塊用來(lái)增加或移除適配器、定義I2C總線(xiàn)的功能以及初始化包含系統(tǒng)信息的文件系統(tǒng)（/proc）；算法模塊用來(lái)初始化PCF8584設(shè)備以及定義PCF8584的函數(shù)（i2c_start,i2c_stop(), wait_for_pin()）；適配器模塊通過(guò)被映射到MCU的存儲(chǔ)器地址將數(shù)據(jù)傳送到MCU。

    為了驅(qū)動(dòng)PCF8584接口設(shè)備，需要對(duì)模塊進(jìn)行初始化。在通常的linux系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)在運(yùn)行時(shí)載入和初始化，而在嵌入式linux系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)將在啟動(dòng)階段被加載和初始化。4個(gè)模塊的初始化程序被存儲(chǔ)在“.init”段的“_init”處，由“do_initcalls()”函數(shù)在啟動(dòng)時(shí)調(diào)用執(zhí)行。控制數(shù)據(jù)從接口模塊開(kāi)始，依次經(jīng)內(nèi)核模塊、算法模塊、適配器模塊傳送。接口模塊接收應(yīng)用程序的請(qǐng)求(open, write, read, ioctl)，調(diào)用內(nèi)核模塊的接口程序(master_send(), master_receive(),transfer())，同時(shí)傳遞參數(shù)。內(nèi)核模塊將從地址、標(biāo)記位、信息長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)傳送到算法模塊。算法模塊檢查I2C總線(xiàn)的狀態(tài)和從地址，設(shè)置PCF8584的控制寄存器。最后，適配器模塊從被映射到外部總線(xiàn)的地址空間中讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。

5.系統(tǒng)構(gòu)建

    為了移植linux操作系統(tǒng)，我們首先在主機(jī)端安裝一個(gè)交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境，然后在供測(cè)試的目標(biāo)板上安裝一個(gè)測(cè)試環(huán)境，測(cè)試好后，再移植到數(shù)字電視系統(tǒng)上。

    5.1安裝交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境

    在裁減和定制Linux，運(yùn)用于你的嵌入式系統(tǒng)之前，由于一般嵌入式開(kāi)發(fā)系統(tǒng)存儲(chǔ)大小有限，通常需要在強(qiáng)大的pc機(jī)上建立一個(gè)用于目標(biāo)機(jī)的交叉編譯環(huán)境。這是一套編譯器、連接器和libc庫(kù)等組成的開(kāi)發(fā)環(huán)境。圖6描述了交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境的安裝過(guò)程。