嵌入式系統(tǒng)在機頂盒中的應用　

嵌入式系統(tǒng)在機頂盒中的應用摘要：簡述嵌入式系統(tǒng)的概念，發(fā)展歷程及其在機頂盒中的應用。關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；嵌入式瀏覽器；機頂盒一、嵌入式系統(tǒng)的概念嵌入式系統(tǒng)(EmbeddedSystem)是一種包括硬件和軟件的完整的計算機系統(tǒng)，它的定義是：“嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可剪裁，適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)?！鼻度胧较到y(tǒng)所用的計算機是嵌入到被控對象中的專用微處理器，但是功能比通用計算機專門化，具有通用計算機所不能具備的針對某個方面特別設(shè)計的、合適的運算速度、高可靠性和較低比較成本的專用計算機系統(tǒng)。二、嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu)嵌入式系統(tǒng)作為一類特殊的計算機系統(tǒng)，自底向上包含有3個部分：（1）硬件環(huán)境：是整個嵌入式操作系統(tǒng)和應用程序運行的硬件平臺，硬件平臺包括嵌入式處理器和外圍設(shè)備。嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運行的硬件單元。（2）嵌入式操作系統(tǒng)：完成嵌入式應用的任務調(diào)度和控制等核心功能。具有內(nèi)核較精簡、可配置、與高層應用緊密關(guān)聯(lián)等特點。嵌入式操作系統(tǒng)具有相對不變性。（3）嵌入式應用程序：運行于操作系統(tǒng)之上，利用操作系統(tǒng)提供的機制完成特定功能的嵌入式應用。不同的系統(tǒng)需要設(shè)計不同的嵌入式應用程序。三、嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀嵌入式系統(tǒng)是先進的計算機技術(shù)、半導體技術(shù)、電子技術(shù)以及各種具體應用相結(jié)合的產(chǎn)物，是技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的新型集成知識系統(tǒng)。它起源于微型機時代，近幾年網(wǎng)絡、通信、多媒體技術(shù)的發(fā)展為嵌入式系統(tǒng)應用開辟了廣闊的天地，使嵌入式系統(tǒng)成為繼PC和Internet之后，IT界的新技術(shù)熱點。20世紀70年代發(fā)展起來的微型計算機，由于體積小、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、使用方便、性能價格比高等一系列優(yōu)點，得到了廣泛的應用和迅速的普及。微型機表現(xiàn)出的智能化水平引起了控制專業(yè)人士的興趣，要求將微型機嵌入到一個對象體系中，實現(xiàn)對象體系的智能化控制。例如，將微型計算機經(jīng)電氣加固和機械加固，并配置各種外圍接口電路，安裝到大型艦船中構(gòu)成自動駕駛儀或輪機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。這樣一來，計算機便失去了原來的形態(tài)與通用的計算機功能。為了區(qū)別原有的通用計算機系統(tǒng)，把嵌入到對象體系中、實現(xiàn)對象體系智能化控制的計算機，稱為嵌入式計算機系統(tǒng)。由此可見，嵌入式系統(tǒng)的嵌入性本質(zhì)是將一個計算機嵌入到一個對象體系中去。進入20世紀90年代，嵌入式技術(shù)全面展開，目前已成為通信和消費類產(chǎn)品的共同發(fā)展方向。在通信領(lǐng)域，數(shù)字技術(shù)正在全面取代模擬技術(shù)。在廣播電視領(lǐng)域，美國已開始由模擬電視向數(shù)字電視轉(zhuǎn)變，歐洲的DVB（數(shù)字電視廣播）技術(shù)已在全球大多數(shù)國家推廣。數(shù)字音頻廣播（DAB）也已進入商品化試播階段。而軟件、集成電路和新型元器件在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的作用日益重要。所有上述產(chǎn)品中，都離不開嵌入式系統(tǒng)技術(shù)。在個人領(lǐng)域中，嵌入式產(chǎn)品將主要是個人商用，作為個人移動的數(shù)據(jù)處理和通訊軟件。由于嵌入式設(shè)備具有自然的人機交互界面，GUI屏幕為中心的多媒體界面給人很大的親和力。手寫文字輸入、語音撥號上網(wǎng)、收發(fā)電子郵件以及彩色圖形、圖像已取得初步成效。20世紀90年代后，伴隨著網(wǎng)絡時代的來臨，網(wǎng)絡、通信、多媒體技術(shù)得以發(fā)展，8/16位單片機在速度和內(nèi)存容量上已經(jīng)很難滿足這些領(lǐng)域的應用需求。而由于集成電路技術(shù)的發(fā)展，32位微處理器價格不斷下降，綜合競爭能力已可以和8/16位單片機媲美。32位微處理器面向嵌入式系統(tǒng)的高端應用，由于速度快，資源豐富，加上應用本身的復雜性、可靠性要求等，軟件的開發(fā)一般會需要操作系統(tǒng)平臺支持。目前一些先進的PDA在顯示屏幕上已實現(xiàn)漢字寫入、短消息語音發(fā)布，日用范圍也將日益廣闊。對于企業(yè)專用解決方案，如物流管理、條碼掃描、移動信息采集等，這種小型手持嵌入式系統(tǒng)將發(fā)揮巨大的作用。自動控制領(lǐng)域，不僅可以用于ATM機，自動售貨機，工業(yè)控制等專用設(shè)備，和移動通訊設(shè)備結(jié)合、GPS、娛樂相結(jié)合，嵌入式系統(tǒng)同樣可以發(fā)揮巨大的作用。四、嵌入式操作系統(tǒng)的特點這些年來掀起了嵌入式系統(tǒng)應用熱潮的原因主要有幾個方面：一是芯片技術(shù)的發(fā)展，使得單個芯片具有更強的處理能力，而且使集成多種接口已經(jīng)成為可能，眾多芯片生產(chǎn)廠商已經(jīng)將注意力集中在這方面。另一方面的原因就是應用的需要，由于對產(chǎn)品可靠性、成本、更新?lián)Q代要求的提高，使得嵌入式系統(tǒng)逐漸從純硬件實現(xiàn)和使用通用計算機實現(xiàn)的應用中脫穎而出。1．系統(tǒng)內(nèi)核小。由于嵌入式系統(tǒng)一般是應用于小型電子裝置的，系統(tǒng)資源相對有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。比如Enea公司的OSE分布式系統(tǒng)，內(nèi)核只有5K，而Windows的內(nèi)核？簡直沒有可比性。2．專用性強。嵌入式系統(tǒng)的個性化很強，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對硬件進行系統(tǒng)的移植，即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要根據(jù)系統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進行修改。同時針對不同的任務，往往需要對系統(tǒng)進行較大更改，程序的編譯下載要和系統(tǒng)相結(jié)合，這種修改和通用軟件的“升級”是完全兩個概念。3．系統(tǒng)精簡。嵌入式系統(tǒng)一般沒有系統(tǒng)軟件和應用軟件的明顯區(qū)分，不要求其功能設(shè)計及實現(xiàn)上過于復雜，這樣一方面利于控制系統(tǒng)成本，同時也利于實現(xiàn)系統(tǒng)安全。4．高實時性的系統(tǒng)軟件(OS)是嵌入式軟件的基本要求。而且軟件要求固態(tài)存儲，以提高速度；軟件代碼要求高質(zhì)量和高可靠性。5．嵌入式軟件開發(fā)要想走向標準化，就必須使用多任務的操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的應用程序可以沒有操作系統(tǒng)直接在芯片上運行；但是為了合理地調(diào)度多任務、利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及和專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行選配RTOS（Real－TimeOperatingSystem）開發(fā)平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行的實時性、可靠性，并減少開發(fā)時間，保障軟件質(zhì)量。6．嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境。由于設(shè)計完成以后用戶通常是不能對其中的程序功能進行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)，這些工具和環(huán)境一般是基于通用計算機上的軟硬件設(shè)備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。開發(fā)時往往有主機和目標機的概念，主機用于程序的開發(fā)，目標機作為最后的執(zhí)行機，開發(fā)時需要交替結(jié)合進行。五、嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)技術(shù)具有非常廣闊的應用前景，其應用領(lǐng)域可以包括：1．工業(yè)控制：基于嵌入式芯片的工業(yè)自動化設(shè)備將獲得長足的發(fā)展，目前已經(jīng)有大量的8、16、32位嵌入式微控制器在應用中，網(wǎng)絡化是提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、減少人力資源主要途徑，如工業(yè)過程控制、數(shù)字機床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測、石油化工系統(tǒng)。2．交通管理：在車輛導航、流量控制、信息監(jiān)測與汽車服務方面，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)獲得了廣泛的應用，內(nèi)嵌GPS模塊，GSM模塊的移動定位終端已經(jīng)在各種運輸行業(yè)獲得了成功的使用。目前GPS設(shè)備已經(jīng)從尖端產(chǎn)品進入了普通百姓的家庭，只需要幾千元，就可以隨時隨地找到你的位置。3．信息家電：這將稱為嵌入式系統(tǒng)最大的應用領(lǐng)域，冰箱、空調(diào)等的網(wǎng)絡化、智能化將引領(lǐng)人們的生活步入一個嶄新的空間。即使你不在家里，也可以通過電話線、網(wǎng)絡進行遠程控制。在這些設(shè)備中，嵌入式系統(tǒng)將大有用武之地。4．家庭智能管理系統(tǒng)：水、電、煤氣表的遠程自動抄表，安全防火、防盜系統(tǒng)，其中嵌有的專用控制芯片將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工檢查，并實現(xiàn)更高，更準確和更安全的性能。目前在服務領(lǐng)域，如遠程點菜器等已經(jīng)體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢。5．POS網(wǎng)絡及電子商務：公共交通無接觸智能卡發(fā)行系統(tǒng)，公共電話卡發(fā)行系統(tǒng)，自動售貨機，各種智能ATM終端將全面走入人們的生活。6.環(huán)境工程與自然：水文資料實時監(jiān)測，防洪體系及水土質(zhì)量監(jiān)測、堤壩安全，地震監(jiān)測網(wǎng)，實時氣象信息網(wǎng)，水源和空氣污染監(jiān)測。在很多環(huán)境惡劣，地況復雜的地區(qū)，嵌入式系統(tǒng)將實現(xiàn)無人監(jiān)測。7.機器人：嵌入式芯片的發(fā)展將使機器人在微型化，高智能方面優(yōu)勢更加明顯，同時會大幅度降低機器人的價格，使其在工業(yè)領(lǐng)域和服務領(lǐng)域獲得更廣泛的應用。這些應用中，可以著重于在控制方面的應用。就遠程家電控制而言，除了開發(fā)出支持TCP/IP的嵌入式系統(tǒng)之外，家電產(chǎn)品控制協(xié)議也需要制訂和統(tǒng)一，這需要家電生產(chǎn)廠家來做。同樣的道理，所有基于網(wǎng)絡的遠程控制器件都需要與嵌入式系統(tǒng)之間實現(xiàn)接口，然后再由嵌入式系統(tǒng)來控制并通過網(wǎng)絡實現(xiàn)控制。所以，開發(fā)和探討嵌入式系統(tǒng)有著十分重要的意義。六、嵌入式系統(tǒng)在機頂盒中的應用數(shù)字電視技術(shù)的不斷發(fā)展，使得廣播電視從模擬時代進入數(shù)字化時代成為歷史的必然，因為采用全數(shù)字傳輸，不僅能提高視聽質(zhì)量，節(jié)約頻率資源，而且服務內(nèi)容和形式會更加豐富多彩，作為模擬電視到數(shù)字電視過渡技術(shù)的數(shù)字機頂盒技術(shù)將在我國長期存在和發(fā)展。如今數(shù)字電視機頂盒技術(shù)已經(jīng)非常成熟，涉足該領(lǐng)域的公司也越來越多，如何在激烈的競爭中立于不敗之地，是擺在眾商家面前非常嚴峻的問題。經(jīng)過對市場的調(diào)研，我們得知，開展數(shù)字電視增值業(yè)務是一個明智的選擇。廣播式瀏覽器是一款應用于數(shù)字機頂盒中的增值業(yè)務，通過系統(tǒng)集成把廣播瀏覽器軟件集成到機頂盒中，實現(xiàn)對前端播出的符合國際標準的網(wǎng)頁數(shù)據(jù)流的接收、處理和顯示，使得用戶可以根據(jù)需要，方便地瀏覽相關(guān)的最新業(yè)務信息。數(shù)字電視業(yè)務不僅提供了高清晰的數(shù)字節(jié)目，也帶來了更吸引人的交互式服務，如：電子節(jié)目指南(EPG)、視頻點播(VOD)、遠程教育、互動娛樂等。這些都包含大量視頻、音頻、圖片等高帶寬的多媒體應用。為了在數(shù)字電視中瀏覽這些多媒體信息，通常在數(shù)字機頂盒中實現(xiàn)嵌入式瀏覽器。目前嵌入式瀏覽器技術(shù)已成為數(shù)字電視中的核心技術(shù)。嵌入式瀏覽器首先必須是一個網(wǎng)絡信息瀏覽器，支持HTYP或者WAP等其它傳輸協(xié)議，支持HTML，JavaScript或擴展XML，WML等標記語言，可以完成網(wǎng)頁的瀏覽功能；其次，這個瀏覽器必須適合在非PC的嵌入式信息設(shè)備中存在、運行并完整實現(xiàn)通信傳輸協(xié)議、標記語言所規(guī)定的功能，必須能夠根據(jù)嵌入式設(shè)備的多樣性需要而方便地進行裁減和修改，并滿足信息設(shè)備使用者對獲取文字、圖像、聲音、視頻等多媒體信息的需求。數(shù)字機頂盒由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成，音視頻解碼主要由硬件實現(xiàn)，而操作界面的功能、電視圖像的重現(xiàn)、數(shù)據(jù)廣播業(yè)務的平臺以及Internet的接入等都需要軟件系統(tǒng)實現(xiàn)。其中數(shù)字機頂盒的軟件系統(tǒng)主要由嵌入式操作系統(tǒng)(EOS)、硬件抽象層(HAL)、軟件抽象層(SAL)以及應用程序(ASL)組成。以下主要分析嵌入式操作系統(tǒng)。人們一般把處理器使用內(nèi)存較少，對外存需求低并且操作系統(tǒng)裝在有限的內(nèi)存中這樣的系統(tǒng)稱之為嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)一般包括核心系統(tǒng)、圖形窗口系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡通訊系、應用程序接口(API)以及設(shè)備驅(qū)動程序接口(DDI)等部分。對于機頂盒而言嵌入式操作系統(tǒng)恰恰是它的靈魂部位，因為機頂盒工作性能的優(yōu)異與其使用上是否方便都大大取決于嵌入式操作系統(tǒng)。另外為機頂盒的科學技術(shù)含量也是由所帶的嵌入式操作系統(tǒng)體現(xiàn)的。作為嵌入式系統(tǒng)應當具有以下幾個特點：(1)所需的成本低，體積較小以及嵌入升發(fā)軟件代碼的安全可靠性高，另外為了避免用戶對其中的程序功能進行修改所以不具備二次開發(fā)的能力；(2)嵌入式系統(tǒng)是先進的計算機技術(shù)、半導體技術(shù)以及電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應用相結(jié)合的產(chǎn)物；(3)嵌入式系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能單一，通常是面向特定的應用，這也正是低功耗的原因，所以一般只實現(xiàn)某些行業(yè)的特定功能。與其他網(wǎng)絡應用一樣，瀏覽器應用也采用客戶／服務器模式。當瀏覽器與服務器交互時，都遵循超文本傳輸協(xié)議(HITI'P，HyperTextTransportProtoco1)。為了確保瀏覽器與服務器能夠明確地相互操作，HrITP定義了瀏覽器發(fā)送到服務器的請求格式與服務器返回的應答格式。通常情況下，系統(tǒng)把Web頁面?zhèn)魉徒o運行用戶界面的Web瀏覽器，這些頁面中的一部分是靜態(tài)的，可以存儲在嵌入式系統(tǒng)中；在其他情況下，系統(tǒng)通過動態(tài)生成的頁面把設(shè)備的當前狀態(tài)傳送給用戶。終端用戶也可以通過Web瀏覽器發(fā)送信息給前端來定制或控制設(shè)備。前端設(shè)備使用H1Ⅵ’標準協(xié)議把Web頁面從前端服務器傳送給web瀏覽器；把HTML格式的數(shù)據(jù)從瀏覽器傳送給接收設(shè)備。瀏覽器是一個交互程序，從概念上講，它是由一組客戶、一組解析器與一個管理它們的控制器組成。每組解析器必須包含一個HTML解析器來顯示文檔，其他解析器是可選的。HTML解析器的輸入由符合HTML語法的文檔所組成，輸出由位于用戶顯示器上的格式版本文檔所組成。解析器通過將HTML規(guī)則轉(zhuǎn)換成適合用戶顯示硬件的命令來處理版面細節(jié)。HTML解析器的一個最重要的功能是包含可選項。解析器必須存儲關(guān)于顯示器上位置之間關(guān)系的信息和HTML文檔中被瞄定的項。當用戶用鼠標或遙控鍵盤選定了一個項，瀏覽器通過當前的光標位置和存儲的位置信息來決定哪個項被用戶選定。嵌入式瀏覽器可分為兩類，一類為移植開源的Linux瀏覽器：1)Mozila，功能很強，但是體積龐大，不適合一些資源有限的嵌入式系統(tǒng)；2)konquerorembedded，基于Qte，是一個不錯的嵌入式瀏覽器；3)Dillo，使用GTK作為GuI平臺開發(fā)的瀏覽器。該瀏覽器的缺點是不支持表格，布局過于簡單，不支持中文，瀏覽效果比較差，優(yōu)點是網(wǎng)絡功能完善，支持Cache緩沖。能夠支持多種圖片格式；4)ViewML，支持X窗口系統(tǒng)和微軟Windows平臺，體積小，瀏覽速度較快，不支持中文。另一類為大公司提供的商業(yè)瀏覽器：1)AccessNefront，來自日本瀏覽器大廠Access公司，是全球應用最廣泛的嵌入式瀏覽器。它符合W3C最新標準，支持CSS，DHTML(動態(tài)HTML)以及WAP2．0協(xié)議，它使得資源有限的非PC設(shè)備能夠順利地瀏覽互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容。支持眾多的操作系統(tǒng)，顯示效果非常好，對中文也有良好的支持。2)OpenTVdevicemosaic，由全球領(lǐng)先的互動電視公司OpenTV提供的優(yōu)秀的嵌入式瀏覽器，基于最新的Web標準，滿足下一代交互電視的要求。還可根據(jù)平臺性能進行定制。3)InternetExplorerforWinCE，是IE的WindowsCE版，功能強大，但只能在WinCE上使用。4)iPanel，由深圳茁壯公司開發(fā)成功的相X-：t實用化的成熟產(chǎn)品。占用資源少，支持中日韓文。移植開源的Linux瀏覽器的一大優(yōu)點是費用低廉，但是無法獲得強大的技術(shù)支持，同時這些瀏覽器普遍沒有針對數(shù)字電視進行優(yōu)化，有些瀏覽器軟件代碼過于龐大，占用資源過多，實用化程度不高，且大都不支持中文。購買商業(yè)的嵌入式瀏覽器需要支付相當?shù)馁M用，但卻可以獲得這些公司的技術(shù)支持，有利于縮短移植時間，同時這些瀏覽器針對數(shù)字電視應用進行了專門的優(yōu)化，適合集成在數(shù)字機頂盒中。七、嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢信息時代，數(shù)字時代使得嵌入式產(chǎn)品獲得了巨大的發(fā)展契機，為嵌入式市場展現(xiàn)了美好的前景，同時也對嵌入式生產(chǎn)廠商提出了新的挑戰(zhàn)，從中我們可以看出未來嵌入式系統(tǒng)的幾大發(fā)展趨勢：1．嵌入式開發(fā)是一項系統(tǒng)工程，因此要求嵌入式系統(tǒng)廠商不僅要提供嵌入式軟硬件系統(tǒng)本身，同時還需要提供強大的硬件開發(fā)工具和軟件包支持。2．網(wǎng)絡化、信息化的要求隨著因特網(wǎng)技術(shù)的成熟、帶寬的提高日益提高，使得以往單一功能的設(shè)備如電話、手機、冰箱、微波爐等功能不再單一，結(jié)構(gòu)更加復雜。3．網(wǎng)絡互聯(lián)成為必然趨勢。未來的嵌入式設(shè)備為了適應網(wǎng)絡發(fā)展的要求，必然要求硬件上提供各種網(wǎng)絡通信接口。傳統(tǒng)的單片機對于網(wǎng)絡支持不足，而新一代的嵌入式處理器已經(jīng)開始內(nèi)嵌網(wǎng)絡接口，除了支持TCP/IP協(xié)議，還有的支持IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口中的一種或者幾種，同時也需要提供相應的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動軟件。軟件方面系統(tǒng)內(nèi)核支持網(wǎng)絡模塊，甚至可以在設(shè)備上嵌入Web瀏覽器，真正實現(xiàn)隨時隨地用各種設(shè)備上網(wǎng)。4．精簡系統(tǒng)內(nèi)核、算法，降低功耗和軟硬件成本。未來的嵌入式產(chǎn)品是軟硬件緊密結(jié)合的設(shè)備，為了減低功耗和成本，需要設(shè)計者盡量精簡系統(tǒng)內(nèi)核，只保留和系統(tǒng)功能緊密相關(guān)的軟硬件，利用最低的資源實現(xiàn)最適當?shù)墓δ?，這就要求設(shè)計者選用最佳的編程模型和不斷改進算法，優(yōu)化編譯器性能。因此，既要軟件人員有豐富的硬件知識，又需要發(fā)展先進嵌入式軟件技術(shù)，如