CN1349350A - 一种采用单处理器完成多任务的机顶盒 - Google Patents

Abstract

一种机顶盒,包括:网络接口单元、数模转换器、外围接口单元,具有存储器和高速处理芯片DSP,所述存储器存储有MPEG解码软件和线缆调制解调器软件,该DSP为并行处理结构,通过分别从存储器中调用MPEG解码软件或线缆调制解调器软件,在DSP中进行相应的数据运算,来实现用单一芯片接收数字电视或具备线缆调制解调器的功能。所述DSP的接收数字电视或IP数据的数据处理过程可同时进行。

Description

一种采用单处理器完成多任务的机顶盒

本发明涉及一种机顶盒，特别涉及一种采用单处理器而同时实现收看数字电视和具有线缆调制解调器(Cable Modem)功能的机顶盒。

机顶盒是适合普通电视用户使用的家庭终端设备，它是信号传输介质与普通模拟电视机的一种接口，可以把数字电视信号，卫星节目信号以因特网的数据转换成模拟电视可以接收的信号。随着有线电视网络的发展，利用有线电视网络开展多种增值服务的业务正蓬勃发展，通过机顶盒，人们可以收看数字电视，浏览因特网，接收IP数据广播，视频点播/准视频点播。

机顶盒按照其实现的功能可以主要分为以下几种：使电视机可直接接收卫星直播信号的数字卫星机顶盒；用于接收真正高清晰度数字电视的数字电视机顶盒；专门用于浏览因特网，收发Email的网络机顶盒。这些机顶盒一个基本的共同点就是其所实现的应用功能是与专用芯片固化在一起的，因此这些机顶盒只能完成单一的功能，如或者收看高清晰度数字电视，或者具备线缆调制解调器(Cable Modem)功能，通过有线网络浏览因特网，因此，这些机顶盒除非具有两套芯片，不能使用同一机顶盒同时完成上述两种功能。这些机顶盒的基本结构也大同小异，如图1所示，大体分为5个主要单元：

(1)网络接口单元

该单元主要完成信号接收，变频和信号的解调，主要包括CATV调谐器、QAM解调芯片、一级模/数转换及声表面波滤波等相关组件。调谐器的作用是将从信道来的射频信号下变频到一个固定的中频上去，使配套器件能够准确采样。A/D转换器可以是单独的芯片，也可集成在QAM解调器中。QAM解调芯片的作用是将中频信号解调成包含多种节目信息、图文信息、IP数据的传输流。

(2)系统控制单元

该单元主要包括中央处理芯片(CPU或DSP)，外围存储器，解复用功能模块。中央处理器主要用于任务分配，功能运算，系统控制及机顶盒与外界的通信控制等。解复用功能模块的作用是将混合节目信息、图文信息、IP数据的传输流分解成不同的分类信息送入相应的功能模块，如MPEG数据流送入MPEG解码芯片，IP数据送入线缆调制解调器芯片。解复用功能模块可以由软件实现，也可以固化在专门的硬件芯片中。

(3)应用功能模块单元

目前主要有MPEG解码芯片和线缆调制解调器芯片。MPEG解码芯片是对当前流行的MPEG2码流进行音频、视频解码；线缆调制解调器芯片主要通过网络与前端系统通讯，接收IP数据，实现浏览因特网的功能。电缆调制解调器的主要特点在于，利用HFC(混合光纤同轴线网)进行IP数据的双向传送。

(4)数/模转换器

将解码芯片输出的数字信号转换为模拟信号，具体来说，是将解码芯片输出的数字音频信号进行数/模转换，输出模拟声，同时将解码芯片输出的视频信号进行PAL制或NTSC制编码，输出基频或射频的PAL/NTSC信号。

(5)外围数据接口单元

包括智能卡读写器、高速数据传输口和低速数据传输口等外围接口。智能卡读写器主要是协助完成解密工作，为各种加密数据广播业务服务，其CA软件必须和前端设备相匹配。高速数据接口指IEEE1284或IEEE1394等数据接口，主要完成MPEG码流的输入或输出。低速数据接口是指RS232，USB接口，主要是完成机顶盒与外界的低速数据通讯。

从以上描述可以看出，对于现有的基于硬件芯片模式的机顶盒，如果只具备一种应用芯片就只能完成单一功能，无法满足用户同时享受多种服务的需求，而为了实现一机多功能就必须增加中央处理器及相应的专用芯片，这样会增加机顶盒的成本，使其造价过高。而且，如同后面所描述的那样，还会产生难以顺畅进行各功能之间的转换的问题。

本发明的目的是对已有机顶盒进行改进和优化，实现一种基于公用中央处理器完成多任务的机顶盒，即采用单一芯片，同时完成MPEG解码运算和线缆调制解调器的运算，从而实现同时收看数字电视和具有线缆调制解调器(Cable Modem)的功能。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种用单处理器而同时实现收看数字电视和接收IP数据的机顶盒，包括：网络接口单元、数模转换器、外围接口单元，具有存储器和高速处理芯片DSP，所述存储器存储有MPEG解码软件和Cable Modem软件，该DSP为并行处理结构，通过分别从存储器中调用MPEG解码软件或Cable Modem软件，在DSP中进行相应的数据运算，来实现分别接收数字电视或IP数据的功能。

所述DSP的接收数字电视或IP数据的数据处理过程可同时进行。

所述DSP的接收数字电视或IP数据的数据处理过程为：

(A)将接收的数据经过解调器解调后，输入数据缓冲器，然后进入解复用模块；

(B)解复用模块根据接收数据的识别码PID，判断数据是MPEG数据包还是IP数据包；即如果识别码PID的值为0x00，则为MPEG数据包；如果为1FEE，则为IP数据包；

(C)根据上述判断的结果，将MPEG数据包输入MPEG解码软件，将IP数据输入线缆调制解调器软件；

(D)在DSP中分别用MPEG解码软件和线缆调制解调器软件对MPEG数据和IP数据进行解码的计算处理；

(E)将经过解码运算处理的数据经过各自相应的接口，向各自的终端显示设备输出。

以下结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1是现有机顶盒的基本系统结构图；

图2是本发明提出的机顶盒的基本系统结构图；

图3是本发明的功能框图的一个实施例；

图4是本发明的功能框图的另一个实施例；

图5是本发明的应用程序和操作系统的关系图。

随着可编程数字信号处理器技术的发展，特别是多处理器的并行结构得到改善，处理器的运算性能得到极大提高，主要表现在两方面，其一是从程序控制流的并行性入手，采用超长指令字(VLIW)结构，这种并行处理器的每一条指令可以控制八个甚至更多的处理器，从而达到很高的MIPS的运算性能。另一种是以数据流为着眼点的码流处理器，多由大量的细胞处理器组成码流处理网络，每秒可以完成上万MIPS的运算。这种可编程数字信号处理器，即中央处理器的综合性能的提高为功能实现软件化提供了强大的物质基础。对于现有的机顶盒，由于其实现的功能是与硬件固化在一起的，因此即使采用运算速度更快、性能更好的处理器，要想增加机顶盒的功能，也还必须增加相应的芯片。本发明的另一个基础是软件方案的推广，特别是通讯物理层的软件实现，使得机顶盒的功能实现与硬件平台分离，为利用高速处理器并行处理多任务提供了前提。如目前采用高速并行结构的处理器完成MPEG2系统码流的实时解码，其运算能力绰绰有余，完全可以同时完成其它通讯功能。

例如，在MPEG2实时解码的同时，运行线缆调制解调器软件，使线缆调制解调器在MPEG2解码的空隙根据前端系统的要求，向前端发送机顶盒自身的信息情况，以保持机顶盒与前端系统之间的联系，当用户选择用机顶盒接收IP数据时，机顶盒便可以顺畅地完成“无缝”功能转换，而无须重新进行初始化。这对于现有只能实现MPEG2解码功能的机顶盒是无法实现的，而能够完成Cable Modem功能的机顶盒又同时无法实现MPEG2解码。

本发明不仅降低了机顶盒的造价，又可为用户提供多种用途，同时，机顶盒具有良好的可扩展性。本发明的另一大特点是真正实现了多媒体互动业务。对于现有采用独立功能芯片的机顶盒要想达到实现多媒体任务的目标，即要将诸如静态的图像、静态的文字，实时动画，语音数据等多种因素的解码、解析之后有机的结合在一起，形成与显示设备匹配的输出格式，是相当困难的，因为要运行不同的功能芯片，不同程序之间的跳转和运算空间的分配、协调，对中央处理芯片的性能要求达到了极限。而本发明以软件化的MPEG解码和线缆调制解调器为基础，执行多媒体任务时，如MPEG解码，IP数据的解析，再加上一些解密和认证等功能，均在同一公用处理器内完成，公用处理器对不同任务的运算空间的分配协调要相对简单，现有的并行结构处理器已完全可以实现。

本发明实施的基本系统框图如图2所示，其系统结构硬件平台为中央处理器加外围设备的形式，大体上也可分为5部分

1)网络接口单元，主要包括CATV调谐器，QAM解调器等，基本功能同现有机顶盒相似，主要完成信息接收、变频和信号解调。

2)数据处理单元，包括数字信号处理平台(DSP)、数据交换桥路芯片(X-Bridge)、内存等。DSP不仅利用软件完成现有机顶盒中央处理器所承担的音频/视频解码、各种数据解包，系统控制等还包括音频/视频编码。此外，同现有机顶盒相比，本单元增加了桥路芯片，以便支持多种通用DSP。桥路芯片负责协调运算关系和输入、输出控制，分担了原中央处理器的一些任务，提高了整体运算速度。

3)外围数据接口单元。本单元主要包括各种音频/视频及数据接口，如视频输出、音频输出、以太网接口、通用串行口(USB)、高速数据接口、电话接口。外围数据接口是实现多种功能的输出单位。与现有的机顶盒相比，本单元可以根据软件进行定义，按照用户的不同需求灵活设置，这是硬件产品所不能实现的。

4)外围设备扩展模块单元。对于一些特殊要求的设备，比如为了扩展应用所增加的DVD光驱、大容量硬盘、软驱等可以通过扩展总线进行连接。

5)操作单元。操作单元是一个人机交互界面，用户通过操作功能键、遥控器或遥控键盘实现对机顶盒的控制。此单元在图中未画出。

其工作方式如下：

本发明实施的各种功能模块以软件的形式实现，包括MPEG解码软件、线缆调制解调器(Cable Modem)物理层软件、线缆调制解调器的介质访问控制层(MAC)软件、解复用模块软件、解扰模块软件等。这些软件都由机顶盒制造厂商在机顶盒出厂前写在闪存寄存器中，也可以存在前端，当用户打开机顶盒，或者由闪存寄存器将这些软件模块下载到内存中，也可以从前端下载到机顶盒中，供DSP随时调用。当用户选择收看数字电视时，DSP将MPEG解码软件从内存中调用并运行，进行解码运算。由于DSP运算能力的提高和解码软件的优化，DSP在进行复杂的解码运算时还存在足够的指令周期。DSP将利用这些指令周期进行线缆调制解调器的运算，如接收从前端发出的网络管理协议命令，维护操作及其它指令，并按照指令把用户的信息送给前端，或者按用户要求将前端系统发出的信号，转换成相应的输出格式，通过以太网或USB接口送到外部设备，如计算机或另一显示设备中，完成互动电视、视频点播及其它用户所需要的功能。

通过HFC网络从前端接收到的信号为混合信号，包含多种数据信息，经调谐器处理，下变频为中频(IF)信号，再经QAM解调成传输流，送入DSP中。传输流在DSP中的解析过程参见图3，具体步骤如下：

1、QAM解调后的传输流经输入数据缓存器，进入解复用模块。解复用的作用是分解传输流，将数据信息按不同分类送入相应的功能软件。

一般地，信息是以MPEG包的形式传输的，要区分不同类别的MPEG包主要是通过识别包的PID(Program Identify Director)值实现的。在常用的通讯协议标准中都对不同类别的MPEG包的PID值做了定义，如在DOCSIS协议中，规定PID值为0x00的MPEG包为PAT(ProgramAssociation Table)，PID值为1FEE的为IP数据的MPEG包。

在DSP中实现传输流的解复用的过程是这样的：

1)先找到PID值为0x00的PAT，在PAT中包含了多个节目的节目号(Program Number)和对应的每个节目PMT(Program Map Table)的PID值，PMT提供节目号与节目内容之间建立的映射关系，也可以说对于某传输流提供了完全的节目定义的集合。

2)根据每个节目PMT的PID值，找到对应的PMT包。从PMT包中获得所有该节目的包括音频、视频数据的MPEG包的PID值。

3)再根据音频、视频数据信息的MPEG包的PID值，找到音频、视频信息的数据包，送入MPEG解码软件。

4)如果在传输流中找到PID值为1FEE的MPEG包(符合DOCSIS协议)，则意味着该MPEG包为IP数据包，则送往CM软件。

5)解复用过程中，通过识别MPEG包的PID值而确定的其它一些无用信息，如发给其它机顶盒的数据信息，将被丢弃。

在以上步骤中，以数据包符合DOCSIS协议为例进行了说明，应该指出，数据包也可以是符合其它协议的数据包，在这种情况下，PID值所表示的意义等都会有所不同，这种情况也属于本发明的范围。

2、解复用后，根据MPEG包的类别，将分两个步骤同时进行：

1)DSP从内存中调用MPEG解码软件并运行，对送入MPEG解码软件的数据包进行解码运算。解码的运算处理是按照软件程序指令进行的，解码之后再经解密和数/模转换，输出到音频/视频接口，通过外接电视或其它显示设备实现数字电视的收看。

2)由于DSP采用并行处理结构，且所有的功能是由软件实现的，因此DSP可在不同任务间切换。即将包含前端系统广播的控制命令、IP数据等信息的数据包送入DSP，并从内存中调用线缆调制解调器软件，在进行MPEG解码的同时，DSP利用其它的指令周期，运行线缆调制解调器软件对收到的控制命令、IP数据进行处理。对于控制命令，DSP按要求回传信息。对处理后的IP数据按照用户要求转换成相应用输出格式通过外围接口送入外设，如用户打开计算机可接收股票信息等。

在上述过程中，DSP具备的一个非常重要的功能，就是协调、处理运算量的分配，一般来说，DSP会对同时执行的运算任务有一个大致的分配，如规定一部分运算量用作MPEG解码，另一部分用作Cable Modem的处理。如果MPEG解码运算与线缆调制解调器的运算发生冲突，可以根据对时间要求的严格性，对某一运算作优先处理，如当MPEG解码的运算量增大时，可以将线缆调制解调器的运算暂停，所有收到的数据可暂存在缓存器中，待DSP有空闲时，再继续运算。

上述DSP的处理过程是以操作系统为核心，通过分别调用解复用程序、MPEG解码程序、线缆调制解调器程序及其它应用程序，来完成通常用硬件芯片完成的解复用、MPEG解码、线缆调制解调器的功能。操作系统与解复用程序、MPEG解码程序、线缆调制解调器程序及其它应用程序间的关系示意图如图5所示。

在图3中，IP数据流和音频/视频数据(MPEG数据)共用一个信道传输，因而只采用了一个QAM解调器即可。当IP数据流和音频/视频数据在不同的信道传输时，则如图4所示，采用了两个QAM解调器，一个用于对MPEG数据流解调，另一个用来对IP数据解调。这种方式与图3相比，只是接入端的方式不同，而处理器的工作方式是完全一样的。

Claims (6)

1.一种机顶盒，包括：网络接口单元、数模转换器、外围接口单元，其特征在于，具有存储器和高速处理芯片DSP，所述存储器存储有MPEG解码软件和线缆调制解调器软件，该DSP为并行处理结构，通过从存储器中调用MPEG解码软件或线缆调制解调器软件，在DSP中进行相应的数据运算，来实现接收数字电视或具备线缆调制解调器的功能。

2.根据权利要求1所述的机顶盒，其特征在于，所述DSP的接收数字电视或IP数据的数据处理过程可同时进行。

3.根据权利要求1所述的机顶盒，其特征在于，所述接收数字电视或具备线缆调制解调器的功能通过以下步骤实现：

(A)将接收的数据经过解调器解调后，输入数据缓冲器，然后进入解复用模块；

(B)解复用模块根据接收数据的识别码PID，判断数据是MPEG数据包还是IP数据包；即如果识别码PID的值为0x00，则为MPEG数据包；如果为1FEE，则为IP数据包；

(C)根据上述判断的结果，将MPEG数据包输入MPEG解码软件，将IP数据输入Cable Modem软件；

(D)在DSP中分别用MPEG解码软件和线缆调制解调器软件对MPEG数据和IP数据进行解码的计算处理；

(E)将经过解码运算处理的数据经过各自相应的接口，向各自的终端显示设备输出。

5.根据权利要求1所述的机顶盒，其特征在于，可以根据运算对时间的优先要求程度，设定对MPEG解码或线缆调制解调器解码运算中的某一个进行优先处理，而将另一个运算的数据可暂存在缓存器中，在DSP空闲时间再继续运算。

6.根据权利要求1所述的机顶盒，其特征在于，所述外围数据接口单元可用软件定义的方式实现。

7.根据权利要求1所述的机顶盒，其特征在于，当IP数据流和音频/视频数据共用一个信道传输，机顶盒采用一个QAM解调器；当IP数据流和音频/视频数据在不同的信道传输时，机顶盒采用两个QAM解调器。

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