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DVB over IP网关系统的设计,侯鑫磊,饶一鸣,DVB over IP网关是连接DVB广播网和IP网的网关设备,它的功能是将DVB中MPEG-2格式音视频流转换到IP网上以UDP/RTP协议进行传送。本文给出了一��
山国利技论文在线 硬件设计 根据中的需求分析, 网关系统设备具有体积小,重量轻,成本低,便携 带的特点,系统采用嵌入式系统最合适。而以 微处理器为核心的片上处理器 ,内部集成了丰富了外围设备控制器,能够完成码流转换,网络传输的功能。 另外,码流转换系统要实现选择性的过滤数据包,要求硬件可以支持实时的处理高达 的码流,这就需要 的加入。所以硬件系统主要是由和组成, 再配以接∏芯片和以太网接∏芯片, 等外位芯片组成个完整的嵌 入式系统。硬件结构如图所示, 图硬件结构图 软件平台设计 根据硬件平台的特性, 冈关系统软件平台可以在两种不同的廾发坏境卜进 行开发,种是风河( 公司出品的 嵌入式开发平台,使用 操 作系统,一种是开源的嵌入式开发环境,使用操作系统。虽然同为嵌入式系统, 但各自具有其不同的技术特点 系统和嵌入式系统的异同如下表所示。 内核结构 微内核,内核只提供了基本的「宏内核,除了基本的服务,内核 服务,如:任务管理,内存管还包括文件系统,网络协议等 理,中断处理等 运行模式 应用程序运行在“实模式”下,采用“保护模式”,用户进程、线 无用户模式和内核模式之分程运行在用广模式下,内核线程 运行于内核模式 内仔访间和内存保护内核釆用实存储管理方式,所内核采用虚拟存储管理方式,用 有任务运行于同一物理地址户具有独立的地址空间,用户进 空间,用户程序直接操作物理程只能访问本进程的虚拟空间, 地址,不能直接地提供内存保提供了内存保护,可以防止错误 护,不能防止错误蔓延 蔓延 执行单元 任务 线程,进程 请求内核服务方式 数调用,更快 系统调用,更安全 实时性 硬实时 软实时 经过需求分析,我们对系统的稳定性和成本关注较多,尽管 能为我们提供更 方便的集中开发环境,但我们还是决定采用免费开源的软件开发环境和操作系 统作为我们的软件平台。 的系统内核定为最新的稳定版本, 中国利技文征线 采用操作系统作为软件平台廾发首先要搭建软件廾发坏境。和那些商业的集中廾 发环境不同, 的软件开发环境需要手动搭建,主要包括,创建父叉编译工具链 内核的移植,根文件系统的制作, 的移植。 创建交叉编译工具链: 交叉工具链是针对在宿主机上编译目标板程序而建立的,它的主要作 用就是在宿主机上编译岀内核、文件系统及应用软件,以便移棺到开发板运行。。 这是一个山编译器,连接器和解释器组成的综合开发环境。交叉编译工具主要山 和 几个部分组成。 我使用的是 官方站点提供的 官方提供的 分两种: 和 其中 般是交叉编译 的内核的,而 般是交叉编译版本的内核的,因为我们 的系统内核版本为版本,所以选择 作为我们的父叉编译工具 链 内核的移植: 使某个平台的代码运行在其他平台上的过程就叫做移植, 系统通过移植才可以运 行在 平台上ε移植所要做的工作就是根据硬件的配置,修改 内核目录中的 文件,配置文件及某些溟代码。 在 网关系统中,我是将普通的操作系统移植到平台上。内核 版木为 移植裁减过程如下: 内核的官方网站下载相应版木号的内核源代码 下载针对 的内核补丁,补丁版本要和内核版本致 下载 文件系统 给内核打补丁并将文件系统添加到内核源码中,生成针对的内核源 针对 的硬件设备特性修改内核源码中的配置文件和驱动稈序,如 和等设备。同时添加 的设备驱动程序 配冒内核,选择对口标板的处理器及硬件的支持模块,如文件系统、网络设 备驱动等。去掉不需要的模块,如红外、 编译內核,生成新内核,通过 载到廾发板中。 根文件系统的制作 支持多种文件系统,包括 和等 为了对各类文件系统进行统一管理, 引入了虚拟文件系统 为各类文件系统提供一个统一的操作界面和应用编程接口。 下的文件系统结构如图 所示 山国科技论文在线 目录树 用户层 虚拟文件系统(VFS) 内核层1 .FFS2 YAFFS Ramfs ⅥID字符设备 MID块设备 MTD设备驱动 底层驱动 使件层1 NOR FLASH AND FLASHRAM 图 文件系统结构图 启动时,第一个必须挂载的是根文件系统:若系统不能从指定设备上拌载根文件 系统,则系统会出错而退出启动。在嵌入式 应用中,主要的存储设备为 和 常采用 存储器,我选择的是基于 的根文件系统 是将一部分固定大小的内存当作分区来使用。它并非一个实际的文件系统,而是一 种将实际的文件系统装入内存的札制,将一些经常被访问而又不会更改的文件如只读的根 文件系统通过 放在内存中,可以明显地提高系统的性能。在的启动阶段, 提供了一套机制,可以将内核映像和根文件系统一起载入内存。 的移植 指系统启动后,在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过 ,我们可以初始化硬件设备、建立內存空间的映射图,从而将系统的软硬件环 境带到一个合适的状态,以便为最终调用操作系统内核准胬好正确的环境。通常 是严重地依赖于硬件而实现的,特别是在嵌入式领域。我们采用的 是功能强人 而且适用于 处理器的 针对 内部的设备控制寄存器进 行初始化和配置。比如设置 的工作模式;初始化至少一个串口,以便和终端用户进行 输出信息;初始化计时器等; 控制寄存器、化内存和 空问等等。因此也需 要根据硬件平台的特性对 进行设置和修改。 根据以上步骤,我们成功的设置了嵌入式的软件开发环境,然后就可以进行应用 软件的设计和实现了 应用软件设计 根据系统功能需求,软件划分为以下功能模块: 、系统启动及初始化任务模块 、通信模块 、码流分析模块 表生成模块 山国科技记文在线 、掉电记忆模块 网管模块 码流打包发送模块 各模块间的关系: 系统的启动及初始化任务工作是系统开始正常工作之前需要完成的必经步骤,会进行设 各网络连接状况的检查掉电记忆参数的配置及子仟务线程的启动等 通信及网管模块是系统与外部的两种对话方式的响应模块,用户只有通过这两个 模块才能实现对系统的各种操作,并査看系统的相关状态。岀用户通过这两个模块对设备进 行相应的操作、设置时,系统会调用其他相应的模块来完成相应的功能。此外应用软件还提 供一个服务器,提供用于显示的网贞和 给客户端下载。当客户段连接 服务器,就把客广段的网络信息传给网络服务器模块,以便其和客户端建立网络连接。我们 采用的是支持多平台的 ,也可以使用 码流分析模块(如需要)用于分析输入流的信息,以便能够用于下一步的复用输出, 并将分析出的数据传给 表生成模块。 表牛成模块主要用于为每路输出节目生成各自的表及表,并送入相应 的 寄存器中。 码流打包发送模块主要完成写 滤波器及门限寄存器,并从 内读取抓取 到的包和生成的数据并用组播的方式发送到网络上去ε是整个系统的主功能实现模块 掉电记忆模块主要用于存储用户的一些设置信息,和木次的码流分析结果,以做到上电 后立即恢复到掉电前的状态。在 表生成模块及码流打包发送模块中都会调用掉电记 心模块的饣储函数。而系统启动及初始化仼务模块中会调用抻电记忆模块的读出函数。 系统软件模块的概要设计图所示。 用户 Java管程序 道信模块 道信樸块 码 A流 FPGA 流 分 析 成 块 模 块 线程 Linux作系统及驱动 图软件模块概要设训图 山国阚技论文在线 网管系统涉及到的网络协议 网管系统是利用 协议,采用多播技术,通过局域网或互联网 将数字视频节日向用户广播,所以和协议族是设计整套系统的软件时需要分析的 及 协议 利用组播能在 上以数据报的形式进行数据的组播在 上进行组播, 要求路由器支持 网关管理协议,这个协议是在出现以后,为了支持组播而 岀现的。相对于极度消耗网络带宽的广播来说广播只能在 内广播,组播有 了很大的优化,只有终端加入到了一个广播组,组播的数据才能被他接受到。 组播是采用的无连接,数据报的连接方式,所以是不可靠的。也就是数据能不能 到达接受端和薮据到达的顺序都是不能保证的。但是由于不用保证数据的可靠性,所 有数据的传送速度是很快的。 网关系统出」对数据吞吐量的考虑,不能采用 更可靠的协议,只能采用协议。另外,需要注意的是,在下提供的 区数库中,使用协议进行组播时的默认为,这将使网关发出的包无法到达局域 网以外的地方,所以我在软件的实现中将改为了足够大的 网关管理协议是组播的基础。在协议出现以后,为了加入对组播 的支持, 产生了。当一个应用加入一个组播组后,就公向这个子网的所有路由器发送 个 加入命令,告诉他子网内有人对发送到某一个组播组的数据感兴趣。路由器也会 定时冋子网内的所有终端发送一条查询消息,用于询问是否还有人对某个组播红的数据感兴 趣。如果有的话,终端就会回应一条消息,路由器则继续转发这个组播组的数据。如 果没有人回应这条消息,那么路由器就认为凵经没有终端对这个组播组的数据感兴趣,就不 会在转发关」这个组播组的数据了。在软件实现中需要对 网管系统接收端的设 备进行考虑,以确保对方能够使用 正常加入组播组。 及 协议 实时传输协议 ):是针对 上多媒体数据流的 个传输协议由 工程任务组作为 发布。被定义为在一对一或 一对多的传输情况下工作,其目的是提供时间信息和实现流同步 的典型应用建立在 上,但也可以在或等其他协议之上L作。本身只保证实时数据的传输, 并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送杋制,也不提供流量控制或拥塞控制,它依靠 提供这些服务。 实时传输控制协议 ):负责管理传输质量在 当前应用进稈之间交换控制信息。在会话期间,冬参与者周期性地传送 包,包 中含有已发送的数据包的数量、丢失的数据包的数量等统计资料,因此,服务器可以利用这 些信息动态地改变传输速率,甚至改变有效载荷类型 和 配合使用,能以有效 的反馈和最小的开销使传输效率最佳化,故特别适合传送网上的实时数据。 利用和协议可以有效的确保 网管系统播出节目流各包之闩的 有序性和实时性,是我们软件设计未来的努力方向 山国利技论文在线 结论 本文给出了 网管系统的设计原理以及软硬件的没计与实现,详细阐述了设 计思路与设计过程,并对系统所涉及到的网终协议经行了初步的分析与研究 参考文献 公司译,《构建嵌入式 系统》,中国电力出版社, 孙天泽,袁文菊,张海峰,《嵌入式设计及驱动开发指南——基于 处坦器》,电子⊥ 出版社, ,谢希仁等译,《 协议族(第三版)》,清华大学出版社, 作者简介:每个作者介绍不超过字。可以有多个作者的简介。(米体,五号) 侯鑫磊,男,年生,硕十研究生,主要研究方向为多媒体宽带应用。 饶一鸣,男,年生,硕士研究生,上要研究方向为数字电视 张明华,男,年生,硕士研究生,主要研究方向为数字电视。

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