高清有线机顶盒软件安全可靠升级的实现（可编辑）

高清有线机顶盒软件安全可靠升级的实现（可编辑） 高清有线机顶盒软件安全可靠升级的实现 ?:. ,高清有线机顶盒软件安全可靠升级的实现摘要 电视从模拟到数字的转变是当今电视产业正在经历的一个重大历史阶段,由于数 字电视能向用户提供更高标准的视觉和听觉等感官享受,并且能利用数字电视网与当 今流行的计算机网络和电信网络进行融合,由此创造和改变人们获取信息、感受咨询 服务的方式并创造良好的经济效益,因此各国都积极地在推进高清数字电视业务,并 逐步取代已有的、普遍存在的模拟电视。用户日益增加的数字电视功能和业务需求对 高清数字电视的设计和实现不断提出更新,更高的要求。因此在尽量保持原有前期机 项盒硬件设备投入的基础上,不断地更新,完善新的机顶盒应用软件成为一种常态。 本文正是从如何安全,可靠的完成机顶盒应用程序的升级这个角度展开的。 本文在研究了高清数字机顶盒的原理和相关平台的前提下,实现高清数字机顶盒 的关键子系统:在线升级系统以下简称。该主要是基于高清数字机顶 盒的技术指标,在嵌入式操作系统之上设计并实现的一款更新机顶盒应用程序 的系统。研宄了高清数字电视机顶盒软件升级技术及;基于目前闪存特点和 机顶盒升级要求提出了新的升级方案即双内核双的整体架构;根据应 用的需求重新划分了闪存的分区并结合嵌入式的特点重新设计了机顶盒的启动 流程;根据机顶盒安全可靠升级的特点,研究了在机项盒中的应用;设计升 级数据打包工具,根据升级要求,打包生成各种格式的升级,便于工作中安 全,有效的数据传输;最后给出了实物图和升级流程中的界面展示以及测试过程。 本文设计的能进行有效的升级,使得高清数字机顶盒软件升级变得可靠, 容易操作。在用户需求不断扩大,机顶盒功能不断完善的形势下,安全可靠的 能为高清数字机顶盒的稳定工作提供强力的保障。 关键词:嵌入式:在线升级:数据打包;高清机顶盒:文件系统?,, , ,.., ,. 仃 .? , , , , . 】. .?酉 ., ?. . ?. . ? . . ? ; ,竺堡垒至 一.; 一 . 锄 【;打坩 ;, . . . 血 曲一 ,?; ; ;; : 目录 摘嬖』??. 目?.. 绪色? . 研究背景 . 当前数字电视发展简介 . 本文的主要研究内容? . 本文的结构安排?.?一 系统分析. . 机顶盒的工作原理?.. . 高清机顶盒需求分析? . 高清的系统结构设计 ..本的硬件结构.......................?.......。.........,....” ..本的软件结构层次设计........?.??......?..........,..... 双内核双系统的设计~ . 双内核双系统的提出操作系统和文件系统的选择. . 闪存分区的分配. 系统中的升级标志在各软件层间的交互?一 本的基本流程 . 中的升级数据的传输.. .. 包.......................................................,,.. ..传输 流,........?.....,,..........,...?........................?. .. 表及?.?.....................?.......... ......... 中数据的安全存储??.存储器??.. .. 与 特性.............?.......,........,. .. 系统中数据存储设备的选取..........?........?........?..... . 设备的访问.. 中闪存的操作............. ....,.....?.............?.... ;操作系统下的闪存操作........ . 系统中的文件系统 目录 .. .......... 存储介质的文件系统.....................,........ .. //文件系统......................?.................... .. ............... .. /文件系统.............. .................................................... ..咂文件系统... .................... ... ..咂在系统中的应用............ ... 文件系统的制作. ...基于的简易升级流程及应用? ,.. 闪存操作的软件设计? 打包模块:的设计??。 .. . 设计?的原因?.. ? 一?的主要结构设计 ..包头数据........... ..文件数据............ ? . ‘ 的流程设计和编译 ...?基本实现........... .. ? 工具中的外部库和编译..... 。 . 姒?的基本界面. 。 实际测试? , /的硬件 . .. 的升级测试. .. 测试总结.. 。 总结与展望?一 .. . 本文总结. .. . 展望??. 参考文献?。 攻读学位期间取得的研究成果??. 致甜. 浙江师范大学学位论文独创性声明。 学位论文使用授权声明 浙江师范大学学位论文诚信承诺书.绪论 .研究背景 电视的发展经历了从黑白电视到彩色电视的过渡,电视的感官效果得到了明显的改 善,而目前世界各国的电视产业正在经历另一个意义重大的阶段??从模拟电视到数字 电视过渡的阶段‘。数字电视使用数字技术代替传统的模拟技术,将数字技术与电视技 术进行了融合,使接收信息的和用户体验得到了进一步提高。数字电视在提供高清 晰的视觉感受和高保真的听觉感受的同时还能利用其传输的数字电视网与互联网和电 信网进行融合,从而使得信息得到了极大的融合,为人们提供全新的、更灵活的、更方 便的、可定制的服务,极大程度地满足和迎合了消费者的音视频享受需求和信息咨询需 求。在模拟电视逐渐过渡到数字电视的过程中,因现有格局、地区差异、资金问题、技 术问题等多个因素,模拟电视无法直接一步到位地转变为数字电视,机项盒在这一转变 过程中扮演着重要的角色,数字电视机顶盒成为了这一过渡时期的最佳解决方案,并为 今后的数字电视业务发展做了一些探索。 彩色电视属于模拟电视,虽然它已经具有较强的临场感和画面生动形象、声音悦耳 动人等特点,但其关键技术均使用模拟技术。模拟电视主要的缺点是电视信号的传输中 存在严重的信号衰减,并可能存在诸多噪声,且噪声随传输距离增加而不断的积累,此 外还存在相位失真的问题,容易出现“鬼影”现象。数字电视则能较好的避免模拟电视 所具有的诸多缺点。数字电视是整个数字电视处理、加工、传输和接收过程均采用数字 处理的电视系统,其主要使用数字信号纠错编码技术、数字图像压缩技术、高效的数字 信号调制技术等。在处理、传输信号过程中只要噪声的幅度不超过一定的阈值,都可以 被过滤掉:可以利用各种纠错技术纠正存在的误码。因此相比于模拟电视,数字电视的 图像接收质量较高。此外采用压缩编码技术的数字电视,能在相同的带宽下传送多套数 字电视节目,而模拟电视在该带宽下只能传送一套节目。同时由于信号都是数字化的, 数字电视便于开展多种数字信息服务,如数据广播,文字广播。数字电视的加密,加扰绪论 也较容易实现,这为收费业务和增值业务的开展提供了可能,有利于数字电视的健康稳 定发展。 数字电视的广播技术主要有三种类型即有线广播、地面无线广播 和卫星广播。三种传播方式采用各自的信道编码和调制方式,因此现实中存在 三种数字电视信号接收机,或者将调谐器、频率合成器以及数字解调和信道解码器整合 到一起,即数字调谐器成为带有三种数字调谐器的通用数字电视接收机,进行数字信号 的接收。由于模拟电视和数字电视信号的传输与接收采用不同的技术,上述三种广播技 术中的数字信号均无法直接使用模拟电视进行收看,而我国目前的现状是模拟电视机的 拥有量超过亿台,而且模拟电视机的生成和销售从未终止过。无视模拟电视目前巨大 的拥有量而直接推进全数字电视是不可取的,模拟电视向数字电视的转变必将是漫长而 昂贵的。如何在现有的模拟电视机上实现数字信号的收看,并逐步向全数字电视转变是 我国乃至整个世界各国的重大课题。数字电视机顶盒正是满足这一过渡性需求的完美解 决方案。 ,它是一种把经过数字化压缩的图 数字电视机项盒,英文缩写“”. 像和声音信号解码送入电视机的设备【。在模拟电视向数字电视过渡且两者在一定时期 内共存的阶段,数字机顶盒是对不能支持数字信号的模拟电视机进行扩充,使普通用户 在不需要更换模拟电视机的情况下也可以收看数字电视信号,数字电视机顶盒成为了模 拟电视机与数字电视之间的中介。信道和信源解码、嵌入式、传输数据调制编码、 .、.和加解扰技术是数字电视机顶盒的主要技术,此外由于应用、及技术 推广的原因,条件接收技术和在线升级技术是数字机顶盒不得不考虑的两大模块。 机顶盒软件升级系统即其主要功能是实现数字电视机顶盒系统软件的升 级,包括空中升级和串口升级或转串口的本地升级【。空中升级干 用数字调谐器将需要升级的数据从数字电视信号传播的各种媒介中获取,并将升级数据 从打包、特定格式处理过的传输流中分离出来并拼接成待升级的有效数据,然后将有效 的升级数据通过的各种流程烧入到机顶盒存储设备的相应地址,完成升级需求。 串口、口或网口升级则一般是直接将待升级的原始文件拷贝到机顶盒的内存中, 之后通过烧写到机顶盒存储器的指定地址,完成升级操作。这两个升级方式如 图.所示。数字电视机顶盒是嵌入式计算机系统的典型例子,除了运行时所需要的硬 件支持外,系统软件对数字电视的各种功能的实现提供了有力保障。为了在不增加机项绪论 盒返厂维护,尽可能降低成品的前提下,适应新业务的不断增加和技术更新,让用户及 时享受新服务、感受新技术,机项盒软件升级系统成为这种需求的有效解决方案。利用 机顶盒中的系统可以使用或本地方式进行机顶盒中应用程序的更新、开机 更新、其他业务数据更新等。通过的大网强制升级功能,各机顶盒运营商 可以进行全网的机顶盒强制升级。或者在应用程序故障的时候可进行手动升级, 使得用户可以自行解决一些机顶盒的故障问题。总之机顶盒的功能是为保证机 项盒正常运行、正常软件更新、运营商统一管理、节约返厂升级成本而设计的。目前机 顶盒中的功能是机顶盒的基本必备功能,但目前的系统设计尚有不足之 处,并且不能适应高清机项盒的大文件升级需求,由于其一般无法升级本身, 系统无法处理一些新出现的、无法预测的问题。 图. 的空中升级及本地升级 .当前数字电视发展简介 在世纪末,美国率先在其高清电视发展中提出不再使用模拟制式,并在随 后的几年中大力发展数字电视产业,主要包括数字电视芯片设计、广播和接收设备制造, 并制定了 标准,制式模拟电视广播于年 在美国全部停止使用‘?。数字电视标准包括标清电视、高清电视、卫星电视、多 声道立体声和数据广播等,它适合卫星、地面和有线电视系统传输,但美国主要使用于 绪论 数字电视地面广播。在美国进行数字电视标准制定的背景下,欧洲也研制数字电 视和项目并确立了自己的数字电视标准, ,数字视频广 播。标准主要包括有线数字电视标准.、地面数字电视标准.和卫星 数字电视标准.,它的内容非常广泛,覆盖了数字电视广播的方方面面,其主要 业务包括电子节目指南、交互业务、条件接收、数据广播等。我国目前使用的便是 标准,目前用户量最大的是?数字有线电视标准。相对于美国的标准和欧 洲的标准,日本也研制出了自己的数字电视地面广播标准. ,综合业务数字广播。 如今国外的广播电视的主流已是高清电视,其对高清机顶盒的性能、处理速度、能 效等提出了新的要求。如澳大利亚和新西兰规定分别从年月日澳大利亚 和年月日新西兰起,销往澳新的高清电视机顶盒需满足最低能源性能标准 ,加拿大也在年月增加了对数字电视适配器和机顶盒的最低能效要求 【】。此外有别于传统的数字电视,基于网络的在各国得到迅猛发展,专门 针对移动设备的.新标准也得以出台。鉴于近年来云计算得到了快速发展,有专 家提出基于云计算的机顶盒,即把当前复杂的数据处理及存储在信息网络中解决,而机 顶盒则只保留最基本的功能。同时对于机顶盒的底层软件的研究也在一直继续着,从原 始的直接面向硬件的底层软件设计,到之后逐渐分化出各各层次分明的层,如硬件层之 上的启动代码层,启动之上的操作系统层,及操作系统之上的应用程序即机 顶盒的具体软件实现层。 对于机顶盒中的操作系统,经过多年的实现,各公司的竞争,先后出现多种操作系 统共存与机顶盒产品之中,如?,,,等。目前市场上主流的 高清机顶盒均已采用嵌入式操作系统,该系统因其是开源、较完备的硬件驱 动支 持,各类强大的模块支撑等特点深受机项盒开发者喜爱。 从世纪年代末我国启动了数字电视项目,广播电视的发展十分迅猛,各种技 术不断的融合到数字电视中。目前我国绝大多数地级市以及相对发达的县级市及县域已 基本完成有线电视数字化的整体转型工作,年,市场上的有线高清机项盒大受消 费者的喜爱,高清机顶盒和机顶盒在高清二次整转和直接高清整转以及三网融合 政策的促进下快速发展【】。我国己拟定于年全面实现数字化,停播模拟电视节目, 届时有线、卫星、地面等数字广播方式将带给全国人民数字电视的欢畅享受。绪论 目前国内的机顶盒发展的焦点主要是:双向交互机项盒、机顶盒、一体机、高 清机顶盒、多模机顶盒等【。其中双向机顶盒主要强调交互式,研究的重点在实现和改 善中间件;机顶盒实现实时硬盘或其他存储介质录像、快进、时移、快退和画中 画等基本录像功能;一体机是一种将数据接收、解码和音视频显示和变现融为一体的数 字电视机,主要需要解决一体机存在的兼容性问题:高清机项盒在国外非常 流行,主要 研究数据的传输和数据压缩技术,同时高清机顶盒对机顶盒的硬件提出了更高的要求; 多模式机顶盒在三网融合的大背景下将会有重大发展。 国内的数字电视技术由于历史原因,较国外数字电视技术有一定的差距。目前国内 的主要问题是在技术推广上,国外的双向机顶盒、等技术已经发展的比较成熟, 而国内还在进行探索。随着三网融合的深入以及相关政策的明朗化,国内数字机顶盒会 出现一个日新月异的发展。目前机顶盒研究的主要焦点是基于嵌入式操作系统 的各平台机顶盒的各种数字业务的实现,及其上各中间件的标准化等问题,研究人员主 要的关注领域是数字机顶盒中的几个关键技术中的音视频编码解码技术,数据传输技 术,数据广播业务与中间件平台等。虽然对机顶盒的升级也有所研究,但不够深入,对 机顶盒的安全性考虑不够,目前的主要安全性是出于的考虑,而在数字电视系统软 件更新与升级过程中的安全性考虑不够全面,其原因是多方面的,诸如,硬件限制,成 本问题等。在国外一般采用 ..系统代码升级标准,需要支持的系 统软件升级服务的类型为标准的 传输流【,,而国内的一般把数 字电视系统软件更新升级的整个软件统称为,国内的呈现多样化,目前 还没有一个统一的标准。这对机顶盒的产业化发展制造了不少障碍。国内的 的设计思路绝大多数还是根据之前不带操作系统或带有极其受限的操作系统来 进行的,无法有效的利用高清机项盒高配置的硬件,也难以满足高清机顶盒的相关应用 需求。目前使用的基于嵌入式操作系统的机顶盒,其可能并不是基于操 作系统之上的,无法有效的利用操作系统带来的设计便利,其对存储介质的访问和数据 的安全性考虑还有待改进,未使用专门针对目前主流闪存设备访问的文件系统,或者使 用了年代比较久远的文件系统如等。在应对高清机顶盒中几十甚至上百兆字节的 待更新数据时,按照老思路设计的,需要极其漫长的时间才能完成升级任务。目 前的已经难以满足高速发展的高清机项盒应用需求,急需设计一种能符合目前 高清机项盒升级需求的全新。绪论 .本文的主要研究内容 如前所述,数字机项盒在可预见的未来其应用程序的更新需求将更加迫切, 因此在 数字机顶盒中内置模块成为一种必然。带功能的机顶盒可以最大程度地 支持应用程序的更新,以满足消费者日益增加的功能需求。设计安全可靠的,能 使机顶盒应用软件安全,平稳升级,减轻因升级失败造成的大量返厂损失。 本文主要研究符合. ?标准的有线高清数字机顶盒的在线升级功能, 即系统。系统的主要功能为:利用多种升级触发方式,通过有线网络, 串口通信,通信、网口通信等各种数据传输途径,达到更新机顶盒中应用程序以 及相应的其他数据,如字库、开机等。本文将研究重点放在系统中的数 据安全加密传输、更新数据的合法性校验、更新数据的安全存储、升级数据多文件多合 一升级等。硬件部分是基于博通公司某硬件平台实现的,但本文中讨论的并不 局限于某款芯片或芯片厂家,理论上,该可以在基于嵌入式的大部分平 台上运行。在机顶盒系统的开发过程中,主要工作有以下几个方面: .系统的整体分析与设计。分析升级原理,根据现有的硬件平台, 确定机顶盒的整体软件架构,根据高清机顶盒的需求分析,确定本需要 实现的主要模块和基本设计思路。 .双内核双设计。讨论了本高清机顶盒在设计中采用各种技术和方 法的原因及其意义。主要包括操作系统和文件系统的选择,双内核双系统 架构的选择,闪存分区的确立,升级数据的传输及升级标志的传递等。 .机顶盒中数据的安全存储,基于目前高清机顶盒的标准配置,一般使用 存储应用程序和一些其他的重要数据。采用一种基于物理特性而设计的文件 系统很有必要。本中对于数据的操作是基于嵌入式中的 文件系统。本文将分析应用该文件系统,使得对中的数据的操作更加稳定可 靠。 ,用于自动生成各种打 .升级机顶盒中各个部件时使用的打包工具 包类型的升级数据,便于进行合理的判断和管理,该工具的功能整合到 之中,也可单独作为一个工具,主要提供了升级数据多合一打包的功能,其中 包括文件 的加解密、加解压、数据签名等功能。绪论 .本文的结构安排 本文共分七章,各章的内容如下: 第一章绪论部分,阐述了数字电视技术的发展历史,对数字电视中的重要概 念进 行了说明,并介绍数字机顶盒的现状,提出了数字机顶盒中系统的必要性和 重 要性,并列举了本文的主要研究内容,论文的结构。 第二章系统的分析。介绍了机顶盒尤其是的工作原理,基于高清机 顶盒的硬件平台,设计了软件层的整体架构。根据高清机项盒需求分析,确立 需要实现的主要模块。 第三章提出双内核双的设计方案,介绍了机顶盒操作系统和文件系统的选 择、双内核双架构、闪存重新分区以及的基本流程与中待升级数 据的传输。 第四章介绍机项盒中的数据安全操作,主要涉及嵌入式平台下以 及中数据的存储,以及基于设计的的分析和应用,根据 和的相应重新在中实现了对闪存的操作。设计脚本测试 的基本升级流程。 第五章打包工具的设计,说明了其基本,编译的注意事项。 说明该工具的基本用途,主要在中起到加解密、加解压和数字签名等功能。 第六章的实际测试。主要在中放入待更新的应用程序等升级数据,进 行手动更新。 第七章总结与展望。总结本设计中的主要工作和创新点,并总结本 的不足之处和今后的发展方向。 系统分析 系统是机顶盒系统的重要组成部分,研究首先需要了解机顶盒的基 本工作原理。本章首先介绍了机顶盒的工作原理,接着对机顶盒重要组成部 分 进行了需求分析, 阐明的主要功能,并根据这些需求总结了设计中需 要关注的各个模块,最后提出了一种基于博通硬件平台的软件系统框架。 .机顶盒的工作原理 机顶盒 是指电视机顶端或内部的一种终端装置,它使得模拟电视 机能直接接收数字电视节目,从而使模拟电视用户获得数字电视技术带来了 新享受,在 数模共存,由模拟向数字转移过程中机顶盒起到了重要的作用。根据传输信道的不 同,数字机项盒可分为有线、卫星、地面、等几种类型,也可细分为单向或双向, 双模或多模,标清或高清数字电视机项盒,它们的基本工作原理大致相刚。有线、卫 星和地面数字机顶盒含有相同的音频、视频和数据的解复用和信源解码等模块,只在信 道接收上有所区别。数字有线电视机顶盒的信号传输介质是有线电视广播所采用的全同 轴电缆网络或光线/同轴电缆混合网【。有线电视网络的传输质量较好,能进行数字电视 的优质传输,并因其传输的数据稳定、可靠而同时承载各种交互式多媒体的应用,比如 数据广播、因特网接入、电子邮件、电话、电子节目指南、软件在线升级等, 其中软件在线升级便是本文谈论的主题。 有线数字机项盒的主要部件有调谐器、信道解调、解复用器、解码器、音频/ 转换器、视频编码器、智能卡模块、控制电路等部件。机顶盒接收由分配网络传 输的信号,调谐器接收来自前端的射频信号并输出中频信号,该中频信号经解调 输出相应的流,接着便将码流送入解码模块,在该模块中,主要完成的解析、 解复用、解扰、解码和音视频编码,接着通过配置的各种外围接口输出数字或模拟标清、 高清音视频信号,将之前送来的码流首先进行解扰和解复用,根据要收看节目的包 系统分析 识别号或相应的动作所需的,提取中相应的视频、音频和数据包,恢复符合 标准的打包节目基本流,然后进行一解压缩,生成符合格式的视频 数据流和音频数据流,送入后续的处理模块。本文所讨论的软件升级的数据也是通过上 述的信号传递到机项盒中,之后经过一系列处理后得到需要的升级数据,和控制升级数 据,之后便开始执行机顶盒中烧录的程序进行相应的升级操作。 .高清机顶盒需求分析 高清机项盒需要符合目前高清机顶盒的基本应用需求,顺利完成高清机顶 盒中应用程序、开机以及其他重要信息的升级。升级的实现方式应该包括全网 升级、指定升级、提示升级和强制升级。根据升级数据的传输方式分为空中升级、 本地升级两种。空中升级主要是指通过有线电视网络进行待升级数据的传输,有线机项 盒通过数字调谐器进行数据的接收。本地升级主要包括使用升级、串口升级 和网 络升级等,主要用户维护人员进行上’丁维护时使用。高清机顶盒的启动比标清机顶盒要 慢,因此需要放在合适的开机进行用户体验的改善,高清机顶盒应该能 进行开机的按需升级,不定期的更新开机画面。在升级过程中电视屏幕和相应 的串口需要有关键性的升级提示和进度条显示,机项盒的前面板需要能进行按键的响应 和数码管的显示。 升级触发应该具有自动触发和手动触发两种,在每次开机时需要进行一次升级触发 查询,查询是否有升级数据需要升级,在机顶盒的运行过程中,需要能进行手动触发, 进行手动查表查看是否需要升级。在确实需要升级的情况下,在升级过程中突然掉电后, 重新开机需要能直接进入系统进行升级。 高清机项盒升级之后的数据需要是准确、有效的,不能出现反复升级数据, 或数据升级过后重启出现数据丢失,数据不完整等现象。因此需要确保对存储 介质的管理是安全和稳定的。机顶盒中一般采用闪存进行数据的存储,因此需要进行闪 存驱动的设计,以及数据安全存储的考虑。 根据上面的功能需求,系统应包含:系统主模块、闪存管理 模块、数据接收模块、机顶盒启动程序及内核和文件系统启动流程的控制、数据安全性 和数据有效性检验模块、屏幕显示和控制模块、前面板按键响应和数码管显 示模块以及其他的外围设备驱动模块如、串口和网口驱动等。整个模块框架如图 系统分析 .所示。这些模块中本的重点设计在闪存的管理和数据安全性、有效性校验模 块以及机项盒中启动流程的控制,其中将数据安全性和数据有效性校验模块称为 打包解包模块。数据接收模块和显示以及前面板模块的实现与标清机顶盒 中的设计非常相似,可以借鉴前人的设计思路,将其具体实现搭建在本 的整体框架之上。 . 功能模块图 .高清的系统结构设计 本是基于高清有线数字机顶盒而研究设计的。在设计的过程中需要充分考 虑高清有线机顶盒与标清机顶盒之间的区别,设计适合高清有线数字机顶盒的软件升级 系统。相对于标清机顶盒的无操作系统,或简易操作系统,高清机顶盒具有功能较强大 的嵌入式操作系统,同时在硬件配置上有较大的提高,使得高清机顶盒能处 理更多的数 据,进行更复杂的操作。高清机顶盒的升级与标清机顶盒也有较大的区别,其 升级的数据不是以往的几百字节或几兆字节而是几十甚至几百兆字节。 系统由硬件和软件两部分组成,其硬件部分包括微处理器、存储器、调谐器、 图形控制器、外设器件和/端口等。本的硬件是基于博通平台设计的,主处 理器采用处理器,配有 和 作为存储介质。 系统的软件运行于硬件之上。系统中的软件主要涉及到 系统分析 ,嵌入式操作系统,操作系统之上的主程序,与交 互的应用程序部分,其他的用户存储信息。由于闪存中的内容掉电后不会丢失,因此在 目前的机顶盒设计中,使用闪存作为存储介质,存放,应用程序,用 户信息等数据。 ..本的硬件结构 由于是基于机顶盒硬件的,因此这里主要讨论机顶盒的硬件结构。本文讨 论的机顶盒是基于博通平台的?有线高清机项盒。它的主要特性包括低噪声放大 器、?调谐器、支持?的输入范围的解调器等。它内部主要集成了 一个带有数据传输处理器的调谐器的有线前端、高性能视频处理引擎、四路视频、 一对高保真音频、处理器,除此之外还包括机顶盒应用所需的外围设备 如承接收器、模块、、、和按键前面板、、以太网以及相应的 , 和串行 。该平台的硬件功能模块结果如图.所示。其 中数据传输处理器是一个. 兼容传送流信,皂/解析器和解复用器,它能 同时处理通过个通道的个的四路独立传送流输入和两路内部重播, 这些传送支持、、、和解扰:先进视频解码器用于支持高 .流;动态电源管理有被动待机、主动待机、 清晰度、一、和 激活态三种状态。 ..本的软件结构层次设计 本的软件结构层次主要涉及到底层软件,嵌入式操作系统层, 移植接口层,机项盒层,上层层和应用程序。机顶盒的软件体系结构如图 .所示。由于既有对底层的在中直接的操作,也有在应用层上的操作, 因此在讨论的软件结构层次时需要分析整个机顶盒的软件体系结构。是一个 为启动初始化设计的软件模块集,它用 于早期博通处理器启动初始化部分的开发,之后主要用于引导操作系统启动 时的环境准 备 。需要提供必要的平台支持,处理好操作系统起来之前的硬件初始化和软 件 初始化,它包含了最简易常用驱动,、以太网驱动、实时时钟、驱动、 驱动、驱动等。底层软件主要初始化硬件平台的相关操作,并为操作系统层 提供相应的参数,指导操作系统进一步初始化,如传递必要的升级标志,传递 操作系统 系统分析 初始化所需的闪存分区等,并提供简易而使用的基本硬件驱动,进行诸如闪 存、内存的 访问,在底层较原始软件的环境下进行简易的人机交互,完成必要的刷机过 程,刷写整 个机顶盒的固件程序。本系统中的很多数据交互和数据标志需要在层进行 处理,因此层在设计中也是很关键的一部分。 字节 宽接口 瓜 ???斗 时钟 : /桥? 音频 电源管理 主处理器 多格式 ?? 引擎 音频解码器 :制 高级 ?/ 图像引擎 /. ? 卸 ?? . /./ ,一/ 视频转换器 , ?? 隔行扫描 解码器 数字噪声降解 ? . ./解扰和条件接受模块 外围设备前面板 码流输入 图.博通平台机顶盒硬件模块图 系统分析 图.软件平台体系图 嵌入式操作系统层主要进一步初始化硬件平台,为上层和机顶盒应 用程序的运行提供一个较友好的环境,便于对底层硬件的调用。由于高清机 顶 盒相对而言具有较强大的功能,需要一个功能强大的操作系统作为支撑,一般使用嵌入 式作为操作系统,因其代码开源,各种硬件驱动得到良好的支持。它主要包括板 级支持包、内核、根文件系统、以及编译所需的一套工具链。该层操作系统主要 ..内核,需要经过一般内核的配置、编译和安装等步骤才能顺 是基于. 利实现该层的基本功能,之后需要根据项目的需求裁剪、修改、增加相应的模块和代码。 移植接口层是一层低级语言编写而成的,主要提供对博通芯片的所有控制。 这层是根据芯片上的模块集成好的,能支持单线程和多线程的操作系统,并且是 兼容的。 机顶盒层是应用程序级别的语言编写的,主要提供跨平台,跨操作系 统的一些。主要包括中断处理、内存管理、多线程和同步机制、多操作系统支持能 功能。 层和机顶盒应用程序层该层主要根据下面几层的基础较容易的实现机顶盒 的基本应用功能和相关的拓展功能,如系统利用底层和嵌入式操作 层以及相应的实现高清数字机顶盒软件升级的系统。双内核双系统的设计 的设计需要从用户实际需求出发,并结合最新的技术使得设计的思路得到拓 展,设计的效率得到提高。本章首先基于高清机顶盒的实际需求提出了双内核双 的系统设计方案。在该方案的前提下,进行了操作系统和文件系统选择的讨论, 并选择了嵌入式操作系统和文件系统。接着讨论了该方案中一种实际可 行的闪存分区划分方式,并介绍了系统中升级请求在各层之间的交互和 整体的基本流程。最后介绍了空中升级过程中升级数据的传输。 .双内核双系统的提出 是更新机项盒应用程序的系统软件,因此一般来说本身是不需要, 也不适合进行升级的。但由于目前高清数字机项盒的用户需求迅速的膨胀,在设 计之初可能未考虑到一些后续的升级需求,因此有必要进行本身的升级。可以 采用双进行的备份,确保在进行升级本身的过程中因掉电等不可 预测的因素造成数据被破坏而无法启动的情况下,可以启动备用,继续 进行的升级流程。确保机顶盒中的模块一直是稳定,可靠的。此外由于 本是基于嵌入式的软件,因此,可能会涉及到内核的更新,在内核的更 新过程中也应该考虑内核备份的问题。这里同样可以采用备份双的方法进行处 理。双双的软件设计确保了程序可以正常的启动,当一个 被损坏后,另一个可以进行自动修复。双双的设计在以往的标清 机顶盒上是不予采用的,因为标清机顶盒的硬件非常紧缺,其用于存储数据的闪存可能 只有几兆,无法在存放机顶盒应用程序的前提下继续存放双份的和双份的 。另外基于文件系统的机顶盒应用程序也与以往的机顶盒应用程序不一样,其架 构多了好几层中间层,在便于实现上层应用程序设计的同时,不可避免的增加了应用程 序的体积,因此需要有较大闪存空间的高清机顶盒才适合使用双和双这双内核双系统的设计 样架构的系统。 在双内核双系统的架构中,最底层的层作为最初的程序引导应该是固 定,不可更新的,的存在确保了嵌入式操作系统内核可以正常的被引导起来, 内核的正常启动,保证双或者应用程序可以被引导起来。因此需要确保数 据的安全,可靠存储。此外即使机顶盒中的应用程序,双都被蓄意的破坏了, 只要还能正常工作,便可通过串口、网口能手动的将和机顶盒应用程序数 据烧写到机顶盒中。之上的双内核是可以更新的,但一般情况下不需要更新,双 一般也不会进行更新,只要更新的是文件系统中的机项盒应用程序,以及开机 和其他重要专用数据。 双内核双系统架构的机顶盒的启动流程与以往的机顶盒有所不同,它主要 根据中传递的参数决定之后的内核需要启动的是还是应用程序。也就 是说在这个设计中和应用程序都是存放在各种的文件系统之中,并列存在于内 核之上的。当流程中确定不需要进行更新时直接从跳转走应用程序启动的 流程,在应用程序启动完毕之后,进行是否需要升级的检测,若不需要检测,则正常执 行机顶盒的相关节目收看功能,若需要升级,则记录升级标志,重启后引导内核 然后进入系统进行相应的更新。双内核双系统机项盒的启动流程如图. 所示。 图.双内核双 系统机顶盒启动流程 .操作系统和文件系统的选择 数字电视机顶盒是嵌入式系统的一个典型例子,对于嵌入式系统而言,其主要的特 点是资源受限,如果资源利用不合理将严重影响系统的性能。高清机顶盒相对以往的标 双内核双系统的设计 清机顶盒来说具有相对富裕的硬件资源,处理器较快,闪存和内存都较大,因此在设计 的时候可以考虑使用更加合理的设计方案,尽可能的从资源受限的束缚中解脱出 来。基于目前高清机顶盒功能繁多,更新相对频繁,对各个进程间的调度和响应要求交 苛刻,可以采用基于嵌入式操作系统作为机顶盒软件的基本平台,为了保持与应 用程序的开发一致性,便于应用程序与进行数据交换,本设计中的也是 基于嵌入式系统进行开发的。这点与以往的标清机顶盒中所采用的操作系统有较 大的区别,标清机顶盒由于资源过度缺乏,一般不采用,或采用功能较简单的操作系统。 由于确定使用嵌入式操作系统作为基础平台,机顶盒中数据的操作便是基于特定 的文件系统进行的。目前流行的文件系统有,,,等文件系统。由 于结合了目前流行的 的特点开发而成,对高清机顶盒这种多功能, 数据存储量大的设备来说 是较合适的存储介质。文件系统是为较 小容量的闪存设计的文件系统,在大容量的闪存上工作性能欠佳。其挂载时间跟闪存大 小成线性相关,因此在大容量的闪存上启动需要花较长的时间,而的挂载流程 不依赖闪存的大小,也进行闪存检测,但它的检测速度比要快的多,因此 在挂载时间上有较好优势。此外是可压缩的闪存文件系统,它同时支持 和能取得较好的压缩比。因此本文中的文件系统采用了文件系统,具体 的文件系统分析在后续章节给出。 .闪存分区的分配 根据高清机顶盒的基本硬件配置,一般来说具有较大的闪存空间,一般的标 配有 字节的 ,或者更大的闪存。因此可以采用上述介绍的双双 软件结构。机顶盒中的主要用户和相应软件都存在闪存中。本系统结合 和 的特点,使用一片 加一片 方 式对相应的数据进行存储。中存放基本不发生变化的,或极少需要变化的 数据,如底层,相应的升级标志,和软件版本,机顶盒等。 中存放机顶盒应用程序,双份的,双,相应的文件系统,相应的用户数据 等内容。根据以上的基本需求,闪存中内容的存储如图.所示。 这里选用 加 ,由于 一般是以 为一个区,因此可以以为单位划分 。其中 的前 双内核双系统的设计 空间存放的代码,即从到,一般来说目前的编译后的大小在 左右,预留字节是足够的。到为地址区,之后的 到为升级标志区。 中各分区的分区可以不分前后,但 为了防止操作分区时越界,最好将较重要,改动较少的分区放在低地址空间。 如双内核 放在前面的中:之后的用于存放双;之后的存放文件 系统,该文件系统中存放有高清机顶盒的应用程序;剩余的闪存到存放用户 的 其他数据,该分区也可为分区。 回 目目曰国曰围 图.闪存数据分配图 . 系统中的升级标志在各软件层问的交互 上层应用程序解析得到中的升级描述后,确认有升级请求后,需要将升级标 志存储在闪存的相应区域中,这里可以存放到 的升级标志区中。之后重启机 顶盒。这时中检测到有升级标志请求,从而进入到的模式,而不是一般情 况下的直接从进入到机顶盒应用程序模式。进入后,进去标志进行判断需 要升级的数据类型,如是需要升级内核,还是本身。还是机顶盒应用程序,或 者是升级修改用户数据,或者是下载新的数据格式到机项盒中。之后便是待升级数据的 接收过程,此过程期间调用相应的模块从中抓起相应的数据包,拼接成 有效的数据。对有效数据进行相应的校验,解密,解压等操作后,将数据更新到相应的 分区的相应位置中去。这里根据数据的类型不同,采用不同的更新方式,如内核的更新 调用函数,与文件系统的更新调用函数是不一样的。双内核双系统的设计 .本的基本流程 的基本流程包括升级的触发和升级触发后码流中数据的接收以及接收完拼 接成有效升级数据的数据升级等三个部分。升级的触发包括有线网络中的自动升级触 发、及串口手动升级,网口的手动升级等。有线电视网中的自动升级触发可 以通 过在表中插入相应的软件升级触发标记,以及在表中加入需要升级的数据, 及串口升级主要需要将需要升级的文件或数据直接放在待升级的或串口协议 指定的文件目录下,网口升级,可以使用等协议通过网络登录到机顼盒中,将 机上制作好的需要更新的软件,手动更新到机项盒中。主要判断相应的厂家 、硬件版本号、软件版本号等与机顶盒中保存的版本号是否一致或更高,从而触发升 级,进入主程序。的基本流程涉及了,内核,主系统。其主 要流程如图.所示。 进入主程序后,需要将待升级的升级数据从流中下载到机顶盒的内存或 指定物理地址上,该过程类似一般机顶盒收看电视节目时的操作,主要涉及从传输流中 搜索和下载指定的数据。将数据下载到机顶盒中一般是先下载到内存中,如果内存比较 紧张,可以通过分块下载到内存和闪存中,逐次烧入到指定的地址中。在数据从内存烧 录到闪存中的指定位置时,需要注意根据数据的类型,以不同的格式烧写,这与一般的 标清机顶盒软件升级有较大的区别,也是本文中的一个重点,由于本系统的高清机顶盒 将闪存中的数据人为的分为,,文件系统格式的数据,应用程序中的 数据等。各种数据的类型不同,需要根据各种格式的特点,以正确的格式烧写进闪存。 来实现,将在后续章节介绍。升级 这一部分工作在本中主要利用 数据烧写完毕后,需要重新更新机顶盒中的相应.标志,以及做好数据备份工作等。最后 自动重启机顶盒,进入更新完成后的应用界面。 . 中的升级数据的传输 数字电视机顶盒的系统中升级数据在有线网络中的传输的标准主要是基于 . 的标准】。因此设计首先需要了解一以及中关 于数据的传输的规定。.系统标准定义了两种方法来复用音频、视频和其他数据双内核双系统的设计 到一个合适于传输和存储的格式,节目流和传输流,节目流是为很少出现差错的应用而 设计的,主要包含音频、视频和数据比特流基本比特流,传输流是为较容易出现数据 丢失的应用而设计的,它采用长度为字节的固定大小包【】。传输流和节目流都是基 于包结构,在该包结构中设计了大量己知与可以预见的应用,为拓展留下了空间。这两 种流都是基本数据流以特定的格式打包形成包,附带有相应的系统信息,这里 主要讨论传输流。 图. 触发与执行基本流程双内核双系统的设计 流可由音视频数据编码后的基本流,打包成,然后经过传输复用器将 音视频以及其他数据和控制信息转换成为的传输流。机顶盒接收的信 号经过解调,信道解码,解复用等操作后,可以重新得到音视频流,以及数据和 控制信息,升级数据也可用这样的形式传输到机顶盒中。这里需要理解包、包 川以及,?等概念。具体的实现,跟以往的标清机顶盒较类似,还是利用 流进行升级数据的传输,利用表和表等达到触发,升级数据下载的功 能。 .. 包 一个打包基本流一个单独的基本流组成,该基本流已经被封装成数据包, 每个数据包由由一个附加的包头开始,一个包含了来自一个源的唯一类型的数据 音频、视频等【】。音频基本流、视频基本流由相应的声音编码过的数字音频数据和图 像编码过的数字视频数据组成,即。通过打包器打包成包。 包的结构如图.所示。图中没有给出标记位和保留位。由该图可知包主 要由包头和包数据两部分组成。 是长 其中为固定的,与紧接着的 一起指示一个包的开始。 度为位的空间,定义了基本流的类型和数目。这位的具体值有相应的标准规定。 是一个位的空间,其定义了该字段之后包中的字节数。之后 便是一些控制字段,最后是实际的包数据。 是一个长度为位的字段,.双内核双系统的设计 图. 包结构 ..传输流 传输流将一个或多个节目以及一个或多个独立时间基组合成一个单一流,每个传输 流中的节目都能拥有属于自己的时间基,同一个传输流中不同的节目,其时间基可能各 不相同【。传输流由一个或多个的包组成,这些包中的数据可能来自于包、 节目相关信息分段、填充字节或私有数据。如本系统中所需要的升级数据 便可放到私有数据中,将这些私有数据分段插入到包的数据域中,这样便可通过 流进行传输。 传输流中的包由包头、可选的适配域和一个或多个数据包组成。其具体结构如图 .所示。包中主要包括同步字节、传输错误标志、有效载荷标志、传输优先 级、、 传 输载荷加扰控制、适配域控制、适配域和数字字节组成,其中适配域控制这两位比特指 定了包头之后出现的是适配域还是数据块,或者是适配域和数据块,表示保留, 表示包头之后是数据块,即无适配域,表示仅有适配域,表示既有适配域也有数 据块。适配域中包含了比特节目时钟基准、随机访问指示符、接合倒计时以及 其他和私有信息‘。数据块中是来自包或者分段、私有数据和填充字 节,是流实现需要传输的有效数据,中的升级数据也是放在该位置传输的。 字节 包 包包 传输加扰 同步字节鬻镒辫镂 控制 鬻学箍适配域妻萋 控制 计数器?“ 数据 图.传输流结构 双内核双系统的设计 .. 表及 和结构是数字机项盒中的关键技术,也是设计中需要重视的关键点, 由于这两个部分的设计与以往的标清较为类型,因此,本文仅对这两个概念一 般性的讨论。正是通过.的节目专业信息,可以对不同节目和节目的不同 成分进行选择和区分。而.的服务信息【”,则进一步拓展了服务范围,加入了一 些有用的信息。了解.的以及.能对机顶盒以及系统的运行 有一个全面的了解。 节目相关信息是一种附加的信息,主要用于加快解码器在单一传输流中查找所 需的内容,并整合成为用户体验良好的电子节目指南。包括个表,分别是 节目关联表、条件接收表、传输流描述表、控制信息表、 节目映射表和网络信息表。.解码器会首先查找、、 和,从中获取的和各个,再从中获取每个基本流的, 如果是加密节目,则还要结合进行相应的操作。由于表在有线网络中各个频 点都会广播,因此一般在表的链接描述符中增加升级信息的私有描述。而将需要 升级的升级数据打包插入到表中。通过,和等完成的触发 升级过程。 定义了系统信息数据,该数据称为比特流的一部分, 是一组用来扩展. 表的层次化的相关表,主要包括所需表、可选表和描述符 三大部分‘。所需表包括事件信息表、网络信息表、服务描述表、时 间和日期表;可选表包括业务群关联表、不连续信息表、/通 告表玳、运行状态表、选择信息表、填充表和时间偏移表;描 述符和一非常相似。系统主要关注的还是表和表。 中数据的安全存储 最主要的功能便是进行机项盒应用程序的升级,其中升级的可靠性和安全性 是设计是否合理的重要指标。本中主要讨论设计中数据在存储介质闪存 和 中安全有效存储等方面的内容。首先介绍了目前常用的闪存存储介质 ,并基于闪存的特点选取了适合本的闪存。接着介绍了中对闪存设 备的访问,主要包括底层对闪存的访问和嵌入式之上对闪存的访问。 然后根据闪存的特点介绍和对比了几种专门针对闪存设计的闪存文件系统, 并重点介绍 了本中所采用的文件系统,对其在中的应用做了说明,利用 和子系统在中实现了对闪存的安全访问操作。 . 存储器 ..与 特性 目前被用来作为机顶盒中存储程序和用户数据的主要存储设备,最常见的 设备为 和 。表.列出了 和 的性 能对比。和最大的区别在于总线接口。使用的地址数据 总线类似于,而 的数据交换总线较少,使用复用/口和一些附带的 控制引脚。出于性能、安全性以及单元价格的考虑, 一般适合大存储量应用 的顺序存储设备, 一般用于核心代码的存储和执行,它是一种随机存储设备。 中的代码一般不能直接片上执行需加载到内存中,而 则支持在片 上执行。 中数据的安全存储表. 与 的特性对比 .. 系统中数据存储设备的选取 根据本文提出的安全升级机顶盒软件,本所选取的数据存储设备应该能做 到数据的安全稳定存储,并且便于进行数据的访问、修改和更新操作。目前的数字电视 机顶盒已经逐步淘汰了使用存放关键数据的方案,而是采用性价比更 高,容量更大的 或 等闪存设备进行数据存储。闪存设备的寿命主 要根据擦写次数来衡量,闪存几十到上百万次的擦写寿命足以满足高清数字机顶盒的应 用需求。通过上一小节的分析可知能进行片上执行代码,且出厂时没有坏块, 适合用于系统启动引导等对硬件要求较为苛刻的应用中,因此可以考虑将机顶盒的 程序放在 上,由于相较单比特的价格昂贵,这里选用的 存放已经相关的启动参数,机项盒的地址,节目参数等关键数据。另 外由于高清机顶盒的硬件配置需求,选用的 作为应用程序、系统内核、 文件系统、系统及