基于intel PXA270的ARM开发平台在移动数字电视方面的应用.docx
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基于intelPXA270的ARM开发平台在移动数字电视方面的应用
2006年英特尔杯大学生电子设计竞赛嵌入式系统专题邀请赛
参赛作品原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的参赛作品报告，是本人和队友独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果，不侵犯任何第三方的知识产权或其他权利。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
参赛队员签名：
日期：
2006年6月29日
基于intelPXA270的ARM开发平台在移动数字电视方面的应用
ApplicationfortheMobileDigitalTelevisionbasedonIntelPXA270Platform
摘要
随着数字电视的广泛应用，地面数字电视将会在一个新的体系下往移动接收和固定接收两个方向发展，因而，移动数字电视将成为目前市场发展的一个趋势，具有播放移动数字电视功能的嵌入式平台肯定能在未来开创出一片新天地，所以在嵌入式平台上研究移动数字电视功能是具有重要意义的。
本文通过描述DVB-TUSBTuner设备在基于PXA270处理器的ARM开发平台上应用的具体设计与实现方案，阐述了移动数字电视功能在ARM开发平台上实现的可行性。
文章中首先介绍了如何把Linux2.6.15内核和相关文件系统移植到基于PXA270微处理器的开发板和Linux系统的启动过程，然后描述了TwinhanDTVMagicBox（VP7041）的DVB设备的驱动安装和测试过程，最后阐明通过MPEG-2TS的数据流解码实现移动数字电视播放的功能。
文中还涉及到Linux2.6内核相对Linux2.4的改进，及其对于嵌入式系统应用的几个新特性。
关键字：
移动数字电视，DVB-T，PXA270处理器，Linux2.6.15移植，MPEG-2解码
Abstract
Alongwiththenormalizationofdigitaltelevision,grounddigitaltelevisionsystemwillbefurtherdevelopedin2majorfields,whicharestabledreceiversandmobilereceivers.Thelatteronesareconsideredtobethetrend,soanembeddedplatformwithmobiledigitaltelevisionfunctionscouldhaveapromisingfuturedoubtlessly.Therefore,researchesfocusingonembeddedimplementationofdigitalTVaresignificant.
ThispaperdescribesthespecificschemeofimplementingtheDVB-TTunerdeviceinanARMplatformwithaPXA270processor,anddiscussesthepossibilityofutilizinganARMplatformfordigitaltelevisionfunction.Firstofall,themethodofportingtheLinux2.6.15kerneltothedevelopmentboardwithaPXA270processorisintroduced.Lateron,theprocessofinstallingtheTwinhanDTVMagicBox（VP7041）devicedriverinLinuxisdescribed.Finally,theMPEG-2TSdecodingalgorithmisprovided.ThecomparisonofLinux2.6and2.4isalsoincludedinthispaperwithothernewfeaturesofembeddedsystemapplications.
KeyWords：
Mobilereceivers，DVB-T，PXA270processor，Linux2.6.15Port，MPEG-2Decode
目录
摘要iii
第一章 引言1
1.1 课题背景1
1.2 数字电视相关内容1
1.2.1 数字电视的概念1
1.2.2 数字电视传输方式1
1.2.3 数字电视编码技术2
1.2.4 数字电视的发展趋势3
1.3 嵌入式系统相关内容3
1.3.1 嵌入式系统概念3
1.3.2 基于intelPXA270的ARM开发平台3
1.4 课题内容4
1.4.1 课题方向4
1.4.2 课题创新意义4
1.5 本章小结4
第二章 方案选择5
2.1 总体方案设计5
2.2 设备选择5
2.3 可选方案5
2.3.1 方案1：
在linux2.4.21下编写设备驱动5
2.3.2 方案2：
移植linux2.6.x以获得设备驱动6
2.4 方案确定6
2.4.1 linux2.6.x与linux2.4.x比较6
2.4.2 方案确定8
2.5 方案实现过程8
2.5 本章小结8
第三章 系统移植9
3.1 系统移植相关内容9
3.1.1 系统移植概念9
3.1.2 系统移植内容9
3.2 内核移植10
3.2.1 内核简介10
3.2.2 建立linux交叉编译环境10
3.2.3 剪裁和配置内核11
3.2.4 编译内核13
3.3 文件系统移植13
3.3.1 文件系统类型选择13
3.3.2 文件系统创建与配置14
3.3.3 文件系统的挂载14
3.4 linux启动过程15
3.3.1 固态存储设备存储结构15
3.3.2 bootloader的概念16
3.3.3 内核启动流程18
3.5调试过程19
3.3.2 技术难点19
3.3.2 解决方案19
3.6 本章小结20
第四章 设备驱动调试21
4.1 设备介绍21
4.2 设备硬件框图21
4.3 设备驱动安装22
4.3.1 安装要求22
4.3.2 安装过程22
4.3.3 固件驱动安装22
4.3.4 设备加载23
4.4 设备调试23
4.4.1测试软件下载23
4.4.2测试软件编译24
4.4.3设置频道扫描列表24
4.4.4频道扫描测试24
4.5 调试难点26
4.5.1固件驱动加载不上26
4.5.2接收不到数据流26
4.6 本章小结27
第五章 解码28
5.1 解码28
5.2 软解码28
5.2.1 Mplayer介绍28
5.2.1 下载Mplayer29
5.2.2 移植Mplayer29
5.2.3 Mplayer使用30
5.3 调试难点31
5.3.1播放列表找不到31
5.3 本章小结31
第六章 总结与展望32
参考文献33
附录34
第一章 引言
1.1 课题背景
由于移动数字电视是当前数字电视领域一个新的发展趋势，它的广泛使用及其发展前景成为该课题的选择理由。
在本章的以下部分将介绍相关背景知识。
1.2 数字电视相关内容
1.2.1 数字电视的概念
数字电视可从节目内容、技术角度和用户角度来解释。
从用户收视角度解释，用户采用IRD或数字电视接收机（DVB接口）收看的节目，方为真正意义上的数字电视节目；按节目内容来源划分，数字电视节目可以是电视节目，也可以是电影；从技术角度解释，数字电视节目可以是以数字方式拍摄、制作、存储、播出和传输的电影和电视，也可以是以前库存的资料片经数字化处理所制成的电影和电视[1]。
1.2.2 数字电视传输方式
数字电视节目可以在不同的传播介质中，采用不同的技术传输到用户接收端。
数字电视的传输手段主要有卫星、地面发射、HFC网络、SDH等，其中SDH主要用于数字电视节目的长距离传输。
由于我国的数字电视标准是在移植欧洲数字视频广播标准（DVB，由ISO/ICE13818描述）的基础上制定的，目前，正在推广使用的有DVB-C,DVB-T,DVB-S三种。
DVB-S（QPSK调制）为数字电视卫星广播采用；DVB-T（OFDM调制）为地面无线发射的数字电视广播采用；DVB-C（QAM调制）为地面HFC网络数字电视广播采用。
我国已完成了广播电视卫星传输的数字化改造，已经形成了以DVB-S技术构架的数字电视卫星广播网，DVB-T的实验播出正在准备之中，而作为数字电视广播在国内的主要覆盖手段的DVB-C，已在开始在HFC网络中大力推广[2-3]。
采用符合DVB标准的数据广播系统有如下优点[2]：
1）DVB标准有丰富、完整的传输接口协议，数据可以容易地通过现有的几乎所有信道如卫星、有线电视、SDH、PDH、ATM、MMDS及地面数字电视广播（DVB-T）等传输，适合于从主干网到地区网、城域网、小区等不同规模不同的传输方式进行数据广播。
2）传输数据率高，误码率低，在HFC中采用64QAM调制方式，一个标准的8M电视频道传数据率可达40Mbps。
3）与数字视频节目兼容用户终端可以同时接收数据的和数字视频广播节目，数据和视频节目可以在同一个频道传输。
4）通用的前端设备，使用与视频广播相同的标准的DVB复用器及QAM调制器，可在众多的生产厂商中选择性价比最高的。
5）可使用完善的DVB条件接收（CA）系统，保证完备的授权控制机制。
6）DVB有完整的网络及回传协议，可以选择多种回传形式，在未来的10年内，逐步通过改进现有有线网络设施实现真正的双向网传输。
1.2.3 数字电视编码技术
目前MPEG已颁布了四个活动图像及声音编码的正式国际标准，分别称为MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4和MPEG-7。
但在广播电视中用得最多的还是MPEG-2[3-4]。
1）MPEG-2标准：
针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系统层的详细规定，编码码率3Mb/s～100Mb/s，标准的正式规范在ISO/IEC13818中。
MPEG-2不是MPEG-1的简单升级，MPEG-2在系统和传送方面作了更加详细的规定和进一步的完善。
MPEG-2特别适用于广播级的数字电视的编码和传送，被认定为SDTV和HDTV的编码标准。
MPEG-2还专门规定了多路节目的复分接方式。
此外，MPEG-2还兼顾了与ATM信元的适配问题。
2）MPEG-2TS传输：
所谓TS流就是TranmitStream,既传输码流。
TS流的长度定义为188个字节长，其中前4个字节为包头，包头后面184个字节长为有用数据，如果有用数据不够长，中间插入一段适配区域补充不完整的传输流。
其中包头4个字节共32个BIT。
前8个BIT是同步字节，接着1位是传输差错指示，然后1位是有效负荷单元开始指示，接着1位是优先传输标志，接下去13BIT是PID节目号，接着两位是传输交织标识，接着的1位是适配区域标识，下1位是有效负荷标识，最后4位是连续计数器，一共32位比特数代号含义8Sync-byte同步字节1ei传输差错指示1pusi有效负荷单元开始指示1tpr优先传输13PID节目号2scr-flag传输交织节目1af适配区域标识1pf有效负荷标识4cc连续计数器在32个比特中，其中13位的PID码特别重要，它是判别码流信息性质的关键，是节目信息的“身份证”，不同的电视节目和信息服务对应不同的PID码。
DVB标准定义了如下服务信息：
PAT：
ProgramallocatiomTable节目分配表CAT：
ConditionalAccessTable有条件接收表PMT：
ProgramMapTable节目映射表NIT：
NetworkInformationTable网络信息表SDT：
ServiceDescriptionTable服务描述表EIT：
EventInformationTable事件信息表TDT：
TimeandDateTable事件日期表通过这些服务信息表格，可以查到所要接收节目的PID和对应的PCR，节目就可以还原。
1.2.4 数字电视的发展趋势
2005年8月广电总局科技司副司长王联在数字电视产业高峰论坛上为地面数字电视作出定位，即地面数字电视广播系统是广播电视体系中重要的组成部分，要保证地面数字电视的覆盖，至少不低于模拟电视的覆盖能力。
地面数字广播的定位在传输方面应该保持单项的基本模式和扩展模式。
在接收方面应该支持室内、室外和移动接收和便携接收模式。
固定接受还要支持除了多频道的标清业务和高清业务，在服务对象方面，面向广大农村、城近郊区以及城市内具有无线需求的受众。
而且我国广播影视数字化实施“三步走”的发展战略，今明年首颗电视直播卫星鑫诺二号（Sinosat2）发射后，我国也将启动Ku波段广播电视卫星直播业务。
可以看出地面数字电视会按照一个新的体系完成移动接收和固定接收两个方向发展[5-7]。
1.3 嵌入式系统相关内容
1.3.1 嵌入式系统概念
嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。
简单的说就是系统的应用软件与系统的硬件一体化，类似与BIOS的工作方式。
具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点。
特别适合于要求实时的和多任务的体系[8-10]。
1.3.2 基于intelPXA270的ARM开发平台
在此采用的是基于intelPXA270的ARM开发平台的嵌入式系统：
新一代的XScale处理器----PXA270系列。
钟频最高提升到624MHz，PXA270还内置了Intel的无线MMX技术，显著提升多媒体性能，官方说法是312MHz的CPU（PXA270系列中最低钟频的产品）将达到520MHzARMCPU的多媒体处理效能，而钟频达到624MHz则可以具备775MHzARMCPU的表现。
此外PXA270也包含了Intel的SpeedStep技术，根据需要动态调节CPU的性能，这样可以降低电力消耗！
PXA270的电力甚至比PXA262还低，具体来说，播放MP3的时间可以延长42%，播放QVGA的视频时间可以延长77%，Intel同时还发表了配合PXA270使用的图形协处理器——2700G多媒体加速器。
这颗芯片可以以每秒30帧，的速度播放MPEG4或WMV的图像。
1.4 课题内容
1.4.1 课题方向
从“1.2数字电视相关内容”可以看出，移动数字电视将是目前市场发展的一个趋势，所以我们将从这个方面的研究入手，打造一台“属于自己”的移动数字电视。
制作出一台具有理想的人机界面，并能够通过人机界面选台观看电视节目的移动数字电视机。
1.4.2 课题创新意义
首次在基于PXA270的ARM开发平台上实现移动数字电视播放功能。
成功的开发将能够在一台小巧而能随身携带的机体上随时随地的观看和录制喜爱的电视节目，同时也能将移动数字电视的功能在手机及PDA上得以应用，虽然在电视功能方面，电视手机及PDA目前还处于初期阶段，由于等等因素的制约，仍得不到突破性的进展，但最终肯定能在未来展示一片天地。
1.5 本章小结
本章介绍了课题所涉及到的相关知识，如数字电视，嵌入式系统等相关内容，并简要介绍了课题的发展方向及意义，为以下章节方案选择的介绍和实现过程及原理的介绍拉开了序幕。
第二章 方案选择
2.1 总体方案设计
计划扩展电路以整合DVB-T信号调制芯片至开发板，从而实现移动数字电视信号的接收调制功能，但由于时间关系，在此选用了DVB-T的USBTuner设备来实现其功能，然后再通过开发板解码接收到的数据包实现数字电视的播放功能，以下为实现的原理框图：
图2.1总体方案原理框图
2.2 设备选择
由于开发平台的USBport只支持USB1.1的设备，所以从linuxtv.org上查询到支持USBHostport1.1的DVB-T设备之一TwinhanDTVMagicBox（VP7041）。
2.3 可选方案
2.3.1 方案1：
在linux2.4.21下编写设备驱动
图2.2方案1
优点：
由亿道电子技术有限公司移植完成的linux2.4.21随开发板提供，系统性能稳定。
缺点：
DVB设备驱动调试困难。
2.3.2 方案2：
移植linux2.6.x以获得设备驱动
图2.3方案2
优点：
linux2.6.x功能更加强大，含有所需DVB设备相对完善的驱动程序，DVB设备调试相对容易。
缺点：
移植linux2.6.x耗时较长，系统运行稳定性不确定（主要体现在外设驱动方面）。
2.4 方案确定
2.4.1 linux2.6.x与linux2.4.x比较
Linux2.6相对于2.4内核来讲，有很多重大的改进，比如，支持更多的微处理器，对NUMA服务器支持的改进，更好的内核互动性以及响应性，驱动模式的改变，sys文件系统的引入等等。
对嵌入式开发中影响最大的几个方面如下[11-14]：
1）内核大小
在Linux2.6的配置选项中，专门有一个选项是针对嵌入式应用的，通过合理配置该选项，可以使内核的大小显著减小，这在嵌入式开发中无疑是非常重要的。
具体的方法是在内核的配置中，通过选择
[*]Removeker-nelfeatures（forembeddedsystems）
来减小内核的大小，在这个选项下面，又有以下6个小的选项：
[]Loadallsymbolsforde-bugging/kksymoops
[]Enablefutexsupport
[]Enableeventpollsupport
[]No-opI/Oscheduler
[]AnticipatoryI/Osched-uler
[]DeadlineI/Oscheduler
以上6个小项中，最后3个小项是I/O调度器，必须选择其中的一个。
否则在编译时将出现“#error"Youmusthaveatleast1I/Oschedulerselected"”的错误。
因此，以上6个小项共有4种不同的组合，具体的4种组合方式请看下表。
这4种组合方式编译出来的内核大小各不相同，在做开发时可以视硬件的配置情况来选择。
2）实时性方面的增强
Linux2.6在实时性方面有了很大的增强，包括O
（1）调度器，可抢先式内核，改进的线程模型以及对新的NPTL（NativePosixThreadingLibrary）的支持等。
主要体现在调度器和可抢占式内核两个方面。
O
（1）调度器内部机制Linux2.6的调度算法代码完全重写了，它使用O
（1）算法。
在新的算法中，主要针对Linux2.4调度算法的如下缺点进行了改进。
2.4内核中调度算法的主要缺点有：
调度算法的时间负责度是O（n），因此，算法的性能和系统的负载有很大的关系。
而在2.6的调度算法中，时间复杂度是O
（1），该算法的性能始终是一个常数，和系统的负载无关。
调度算法在内核态是不可抢占的，而在2.6的调度算法中，如果进程没有拥有任何锁，则其在内核态也是可抢占的。
这无疑大大提高了系统的响应性能。
在进程调度算法中，最核心的数据结构是进程就绪队列。
2.4调度算法只设置了一个进程就绪队列，只有一个进程就绪队列的直接不利因素就是当某个进程的时间片已经用完后，它还要呆在就绪队列中，这样，虽然该进程在这一轮调度循环中已经不可能取得CPU的使用权，它还是要参加good-ness值的计算，因此，给系统带来了额外的开销。
Linux2.6的调度算法中，每个CPU有两个进程就绪队列，Activear-ray就绪队列中，每个进程均有时间片剩下，因此，可以参与CPU的调度。
而Expiredarray队列中则存放那些用完时间片的进程。
一旦某个普通进程用完时间片，它的时间片和优先级重新计算后，把它从Activearray队列中挪到Expiredarray队列中。
这里说普通进程是因为对实时进程而言，它在时间片和优先级重新计算后又挂到Ac-tivearray队列中。
Activearray队列和Expiredarray队列是通过两个指针来访问的，因此，在Activearray队列中所有进程用完时间片后，把两个指针对换一下就可以了，这比2.4调度器的切换要快很多。
系统中往往有多个就绪的进程，因此，如何找到优先级最高的进程是系统性能的一个重要因素。
针对2.4调度器的缺点，Linux2.6的调度算法中，引入一个优先级数组数据结构，它是O
（1）算法得以实现的基础。
在每个优先级数组数据结构中，包含一个优先级位图，通过这个位图，可以快速找到优先级最高的进程。
3）可抢占式内核
Linux2.6中，内核是可以被抢占的，也就是说，内核允许自身在执行任务时被打断，这样，即使内核正在做一些复杂的事情，用户任务也可以继续运行。
同时，为了避免由此而可能带来的竞态，内核中设有一个抢占锁，运行加锁的代码段时，内核不能被抢占。
这个新特性带来的主要好处是系统的可交互性有了很大的提升，这无疑对嵌入式应用具有很重要的意义。
4）支持更多的设备
如大量的DVB设备驱动及其它USB设备加入了其中。
2.4.2 方案确定
从以上linux2.6.x相对于linux2.4.x的改进可以看出Linux2.6.x内核对嵌入式开发的新特性远优于linux2.4.x，所以移植linux2.6.x系统方案更有意义，在获得设备驱动的同时，还提高了系统性能，支持了更多的设备。
2.5 方案实现过程
根据设计方案，过程实现分为以下三个部分：
第一部分:
开发平台系统移植；
第二部分:
DVB-T设备调试；
第三部分:
MPEG-2TS解码。
以下章节将详细介绍这三部分的具体内容。
2.5 本章小结
本章通过总体设计，选定了采用DVB-T设备TwinhanDTVMagicBox（VP7041），然后重点讨论了在该设备调试使用方面需在嵌入式平台上使用Linux2.6.x还是Linux2.4.21的方案选择，通过对Linux2.6内核相对于Linux2.4内核改进的研究，决定了移植Linux2.6.x的方案。
第三章 系统移植
3.1 系统移植相关内容
3.1.1 系统移植概念
移植的广泛定义，是让一套软体可以在一套选定的硬件平台上正常运作。
对于操作系统而言，这种移植通常是跨平台的、与硬件相关的，即硬件系统结构、甚至CPU不同的环境。
Linux系统移植分两大部分，对于系统移植而言，Linux系统实际上由两个比较独立的部分组成，即内核部分和系统部分，而系统移植实际上是一个最小系统的重建过程，最核心的部分就是内核的重建。
3.1.2 系统移植内容
移植的过程可以分为几个部份。
首先要准备Linux的内核,配上根目录所在的档案系统,再
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