??? 摘? 要: 介紹了具有數字錄像機系統的有線傳輸的標準清晰度電視機頂盒。以STi5518信源解碼器芯片為核心器件,利用芯片提供的ATAPI接口實現了機頂盒與硬盤的無縫連接;通過設計機頂盒軟件系統實現了具有錄像、時移" title="時移">時移播放等特技功能的個人數字視頻錄像機系統(PVR)。從硬件結構、軟件設計" title="軟件設計">軟件設計等幾個方面詳細介紹了本機頂盒中PVR系統的設計與實現。
??? 關鍵詞:? 數字電視? 機頂盒? PVR系統?? 硬盤? 時移播放? STi5518? ATAPI接口
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??? 數字電視與模擬電視相比,不僅圖像質量有了很大提高,而且還提供了模擬電視所無法提供的多種服務業務。應用于數字電視的數字視頻錄像機,采用硬盤作為數字電視節目的載體,除可完成傳統磁帶式" title="磁帶式">磁帶式錄像機的基本功能外,還可以實現時移播放這種新的播放功能。本文主要研究如何在標準清晰度機頂盒上實現個人數字視頻錄像機系統(PVR),開發出了機頂盒新的功能,提高了其應用價值。
1 PVR概念和技術介紹
??? 隨著硬盤技術的發展,硬盤的容量和速度在不斷地提高,基于硬盤的個人視頻錄像機已成為新型消費類產品,將逐步取代磁帶式錄像機。PVR的突出特點是以硬盤作為存儲媒介,建立本地的海量緩沖區和巨大的節目存儲庫,利用數字化處理技術對節目進行控制和管理。硬盤容量大、數字式、訪問快速的存儲特性使得機頂盒PVR與傳統的錄像機相比具有如下特點:
??? (1)存儲容量巨大,能夠進行更長時間的節目存儲。以40G硬盤為例,能錄制長達20小時的標準清晰度數字電視節目;
??? (2)硬盤的尋道和定位速度非常快,可以輕易找到已錄制的節目,立即播放,節省了倒帶時間。
??? (3)硬盤載體中數據的存儲和讀取非常準確,有效地降低了存儲和讀取過程中可能出現的誤碼現象。
??? (4)可以實現時移播放功能。
??? 時移播放是PVR技術的一大特點,也是機頂盒PVR的基本功能。機頂盒PVR在硬盤中開設了海量緩存區,在播放數字電視的同時,對節目進行實時存儲,緩存區間可以錄制長達數小時的節目。通過緩存技術,用戶可以對正在播放的電視節目進行暫停,過一段時間后又可以從節目的暫停處繼續播放,就好象時間發生了移動一樣,如圖1所示。
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2 PVR數字電視機頂盒硬件平臺
??? 本課題的研究內容是開發一種應用于有線電視的具有PVR功能的標準清晰度數字電視機頂盒。系統采用ST公司的單片信源解碼器芯片STi5518實現標準清晰度數字電視解碼,其內嵌的ATAPI接口實現了與硬盤的無縫連接,為機頂盒實現PVR功能提供了條件。機頂盒的原理框圖如圖2所示。信號經過QAM解調后,以TS流的形式傳入STi5518,通過解復用將其分解為音、視頻PES包。PES包既可以被送往音、視頻解碼器解碼,也可以被送到ATAPI接口作為數據存入硬盤。
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3 STi5518與硬盤接口的連接
??? STi5518內嵌的ATAPI接口可提供最高為PIO模式4的數據傳輸,傳輸速率為16.7MB/s。ATAPI設備可作為STi5518的存儲器映像設備。本系統將硬盤映射到CPU可編程的外部存儲器接口EMI的BANK1上。圖3給出了STi5518與硬盤的接口圖。
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??? STi5518地址線的第20、19位分別與硬盤的CS1、CS0相連,地址線的第18、17、16位分別與硬盤的DA2、DA1、DA0相連,這樣可通過訪問BANK1的存儲空間實現對硬盤的讀寫操作。ST5518提供的可編程I/O口中的ATAPI_WR和ATAPI_RD專門用來連接硬盤的DIOW和DIOR。ST5518的讀寫信號CPU_RW用來控制傳輸門的數據傳送方向。
4 硬盤基本讀寫操作的控制
??? 主機對硬盤的操作是通過將命令代碼和訪問的地址寫入硬盤控制電路中的相應I/O寄存器來實現的。以寫一個扇區的操作為例。首先,主機查詢硬盤狀態寄存器,如果BSY位為0、DRDY位為1,則可以執行操作。然后把所要寫的CHS參數或LBA參數寫入扇區號寄存器、柱面低位寄存器、柱面高位寄存器、扇區數寄存器和設備/磁頭號寄存器,同時將寫扇區命令號0x30h寫入命令寄存器。如果沒有發生錯誤,查詢狀態寄存器的DRQ位。如果為1,表示硬盤已經做好傳送數據的準備。最后將數據寫入數據寄存器并查詢狀態寄存器的ERR位,如果沒有發生錯誤則寫扇區成功。
5 機頂盒中PVR的系統軟件設計
??? 在系統軟件設計上,沒有用到中間件,所有開發的上層應用程序都是直接利用ST公司提供的底層硬件驅動庫完成的。PVR的系統軟件結構如圖4所示。主要分三個層次:
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??? (1)ATAPI接口驅動層,用來實現讀寫硬盤的基本控制。這部分的軟件設計主要是利用ANSI制訂的ATAPI接口標準中所規定的命令格式來實現STi5518對硬盤數據的讀寫控制。
??? (2)文件系統" title="文件系統">文件系統驅動層,主要是建立文件系統,實現操作節目文件的基本功能。
??? (3)節目管理層,用來完成節目記錄、回放、管理等功能。
5.1 PVR的音視頻文件系統
5.1.1 PVR文件系統結構
??? 為了在硬盤上實現數據的有效管理必須建立文件系統。本系統硬盤上的數據按照其不同的特點和作用分為主引導區(MBR)、根扇區(RS)、主CAT(簇分配表)區和數據區。
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主引導區位于硬盤的第一個扇區,也就是邏輯0扇區,其結構如圖5所示。前446字節用于放置操作系統的引導程序,后64字節(偏移量1BEH-偏移量1FDH)存儲DPT(硬盤分區表" title="分區表">分區表), 該分區表記錄4個分區信息,每個分區信息里分別記錄該分區的分區狀態、起始LBA地址、分區大小、分區類型,系統初始化時通過讀取分區表來獲得硬盤空間的分配情況。最后兩個字節“55,AA”(偏移量1FEH-偏移量1FFH)是分區的結束標志。整個512字節構成了硬盤的主引導區。
??? 根扇區位于每一個分區的前兩個扇區,用于記錄與文件系統相關的數據,包括文件系統的版本號、文件系統狀態標志、簇的大小、主CAT大小、文件數據區起始地址及大小、根目錄地址。文件系統中數據存儲的最小單位是簇。簇一般由若干扇區組成,其數目根據硬盤的大小和操作的實際要求來定,數目過大或過小都會影響系統的運行性能。本系統根據具體試驗采用每簇大小為32個扇區。
??? 主CAT區記錄了每一個簇塊(255個簇)中未使用的簇的數目,通過它可以方便地計算一個硬盤分區剩余空間的大小。
??? 數據區是真正意義上的數據存儲的地方。本系統將一個分區中的數據區分成若干個簇塊,每個簇塊由三部分組成:區域CAT表、備份區和255個簇。每個區域CAT表記錄了其所屬簇塊的起始地址、255個簇的使用情況、存儲已占用簇的前繼內容和后繼內容的簇的地址以及CRC校驗值。通過采用簇塊方式將簇分配表分散在每個簇塊中,可以減少磁頭移動次數,從而提高硬盤的訪問速度。
??? 在數據區中存有目錄,每個目錄包含36個目錄項,每個目錄項記錄硬盤中某一文件的文件名、大小、起始地址和結束簇地址、文件狀態標志等信息。系統在讀取文件時,可以根據目錄中的文件的起始簇地址以及區域CAT表準確地定位存儲文件的各簇的位置。在本系統中只建立了一個目錄——根目錄,它的位置由根扇區中的分區表給定,大小固定為一個簇。
5.1.2 文件系統的完整性設計
??? 在設計文件系統時,不僅要保證正常條件下系統的可靠的數據記錄功能,而且還要考慮異常情況下出現的系統錯誤能夠被修復。系統在根扇區設置了一個標志位用以表明文件系統是否打開。如果要打開一個關閉的文件系統,而標志位表明該文件系統已經打開,則說明文件系統沒有被正確關閉,此時就要進行系統檢查以糾正系統中的錯誤。文件系統的恢復包括:恢復任何寫操作時被中斷的系統數據、重新完成未完成的操作、重建主CAT表、重建文件數據。實現的方法是訪問根目錄中所有目錄項及其相關的區域CAT表,沿著文件指針鏈表檢查簇指針的鏈接是否正確,并核對空閑簇的數量是否和主CAT表的一致。圖6給出了一個完整的系統文件檢錯并恢復的流程圖。
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??? 為了保護系統數據,本文件系統使用了寫備份的方法,即在將數據寫入原始地址之前先寫入備份區,當數據發生錯誤時可以通過備份數據恢復文件。
??? 在讀取數據時系統首先檢查區域CAT表的CRC值,如果不正確就從備份區讀出數據,同時檢查備份區的CRC值;如果正確則讀出數據并把備份的數據寫入簇塊地址,否則文件數據無法恢復。對于根扇區,由于它沒有簇塊,因而沒有備份區。系統選用分區表的第二個扇區作為根扇區的備份。主CAT表的備份方法與簇塊的方法相同。圖7、圖8分別為系統數據備份時的寫、讀流程。
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5.2 PVR系統的節目操作與管理
??? 節目操作與管理對應PVR系統軟件層次上的節目管理層,該層用來完成節目記錄、回放、時移、特技播放等功能。
5.2.1 節目流的記錄
??? TS 流從外部接口進入STi5518的解復用模塊,通過PID濾波器選出指定的一路節目并拆包成PES流。在錄制節目時需要將PES流數據寫入硬盤。由于硬盤的讀寫速度較慢,因此在系統中開辟一個PreBuffer來緩沖數據。當PreBuffer中的數據達到門限值時,將其所存數據寫入硬盤。在設計時,寫PreBuffer與寫硬盤的操作采用兩個并行的Task來完成,任務間通過信號燈同步。節目記錄流程如圖9所示。
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5.2.2 節目流的回放
??? 當播放硬盤上的節目時,從硬盤中讀出的數據要放到讀緩沖區中。PES包的頭部信息中的stream_id字段標明了PES包內的信息類型。首先通過程序判別把視頻和音頻數據分開,送到視頻和音頻的Bit_buffer中,然后分別通過視頻和音頻解碼器解碼。Bit_buffer中的數據應該始終保持一定的數量以保證有足夠的數據進行解碼。因此程序要不斷檢測Bit_buffer的數據大小,如果小于一定門限值就通知數據傳輸Task把新的數據送到Bit_buffer中。節目回放流程如圖10所示。
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5.2.3 節目的時移播放
??? 記錄在硬盤上的文件有兩種類型:常規文件和循環文件。正常錄制的節目為常規文件,文件的大小會隨著記錄時間的增長而增加,直到節目錄制完成或硬盤空間耗盡為止;而時移播放時使用一種特殊的文件記錄格式——循環文件,循環文件大小固定,有一個讀指針和一個寫指針。由于時移錄像的目的不是把節目錄下來回放而是使節目在硬盤上緩存一定的時間,因而播放過的部分就不再需要存儲了。當開始時移錄像時,系統要把節目數據存儲到硬盤中,寫指針會向后移動,畫面靜止在錄像開始的時刻;當恢復收看時,系統讀取硬盤中的節目數據播放,讀指針開始向后移動,此時讀指針和寫指針之間的距離就是節目的延時時間。當指針到達文件尾時會回到文件頭部繼續移動,直到時移播放結束為止。由此可知,循環文件的大小決定了節目的最大時移。
5.2.4 節目的特技播放
??? 特技播放是指快放、慢放等非正常速度的播放方式。它是磁帶式錄像機所具有的功能,在模擬的磁帶錄像機中可以通過改變磁帶的播放方向和速度來實現。但是在數字錄像機中,這個功能需要采用不同的方法來實現。數字視頻的動態圖像是由一幀一幀的畫面組成的,為了實現快速播放,解碼器需要跳過某些幀。根據播放的速度,可以計算出每個GOP中跳過的幀的數目,對剩下的幀以正常速度解碼,就可以實現快速播放。很明顯,速度越快,跳過不解碼的幀數就越多。同樣,慢放時可以讓解碼器每幀重復播放一次,就可以使播放速度放慢一倍,而實現慢放。
??? 本課題在實現了標準清晰度數字電視信源解碼器的基礎上,完成了數字錄像機的功能,實現了數字電視節目的錄像和時移播放等功能,提高了機頂盒的應用價值。本論文所介紹的內容是天津市數字信息技術研究與開發中心的“標準清晰度數字電視機頂盒”項目的一部分,現已實現了由科研樣機向產品樣機的轉化。該項目技術已向相關企業進行了技術轉讓。
參考文獻
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