基于數(shù)字電視機(jī)頂盒的Java虛擬機(jī)的移植

    關(guān)鍵詞：數(shù)字電視 機(jī)頂盒 嵌入式中間件 Java虛擬機(jī)

數(shù)字電視是當(dāng)前IT產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)，作為一項(xiàng)即將在全國范圍內(nèi)開播的信息服務(wù)，它融合了計(jì)算機(jī)、多媒體、通信網(wǎng)絡(luò)等眾多技術(shù)。隨著數(shù)字電視近幾年的發(fā)展，交互式電視越來越受重視。交互式電視可以為用戶提供豐富的互動功能，包括電子節(jié)目指南、視頻點(diǎn)播、股票信息、互動游戲等。目前，數(shù)字電視機(jī)頂盒是基于有線電視網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)哪M電視機(jī)接收數(shù)字電視節(jié)目和數(shù)字信息的主要接入平臺。要實(shí)現(xiàn)交互式電視的功能，數(shù)字電視中間件技術(shù)是必不可少的條件，它已成為交互式電視的核心技術(shù)。我國已制定了數(shù)字電視中間件標(biāo)準(zhǔn)，利用該標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中間件系統(tǒng)是非常重要的。

本文以目前較為成熟的數(shù)字電視機(jī)頂盒技術(shù)為參考背景，提出了一種將中間件JavaVM移植到數(shù)字電視機(jī)頂盒上的方寧，詳細(xì)介紹了整個方案的原理以及具體實(shí)現(xiàn)過程。

1 有線數(shù)字電視機(jī)頂盒技術(shù)

有線數(shù)字電視機(jī)頂盒結(jié)構(gòu)如圖1所示。

普通（民用）有線數(shù)字機(jī)頂盒是傳統(tǒng)HFC網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)模擬電視之間的數(shù)字橋梁。在HFC網(wǎng)絡(luò)的前端，數(shù)字復(fù)接器將各種已編碼的數(shù)字電視節(jié)目信號與數(shù)據(jù)廣播信號復(fù)接，經(jīng)過組幀、QAM調(diào)制和載波調(diào)制成DVB-C信號流，通過HFC網(wǎng)絡(luò)向用戶廣播。用戶則通過數(shù)字機(jī)頂盒鎖定電視節(jié)目頻道，經(jīng)過QAM解調(diào)、解復(fù)用、解壓縮、解密和收費(fèi)控制等過程完成節(jié)目接收。機(jī)頂盒的核心模塊（如STi5512）是數(shù)字電視解碼器，它是一個嵌入式系統(tǒng)，一般有以下硬件模塊：MIPS CPU、解調(diào)器、解復(fù)用器、A/V解碼器、模擬A/V編碼器等。

本方案中選用ST公司的Sti5516芯片，該芯片的CPU為ST20-C2。

2 中間件技術(shù)

從硬件技術(shù)看，CPU速度越來越高，處理能力越來越強(qiáng)；從軟件技術(shù)看，應(yīng)用程序的規(guī)模不斷擴(kuò)大，特別是因特網(wǎng)的出現(xiàn)，使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍更為廣闊，許多應(yīng)用程序需在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的異構(gòu)平中上運(yùn)行。這一切對新一代軟件的開發(fā)提出了新的需求。在這種分布異構(gòu)環(huán)境中，通常存在多種硬件系統(tǒng)平臺（如PC、工作站、小型機(jī)等），在這些硬件平臺上又存在各種各樣的系統(tǒng)軟件（如不同的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、語言編碼器等），以及多種風(fēng)格各異的用戶界面，這些硬件系統(tǒng)平臺還可能采用不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)連接。如何把這些系統(tǒng)集成并開發(fā)新的應(yīng)用是一個非常現(xiàn)實(shí)而困難的問題。

為解決分布式異構(gòu)問題，提出了中間件（middleware）的概念。

中間件是在應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)、硬件平臺之間嵌入的一個中間層，通常定義為一個組較為完整的、標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口。它主要為應(yīng)用軟件的開發(fā)提供跨操作系統(tǒng)、跨硬件的平臺及層次化、模塊化和可擴(kuò)展的接口，同時，根據(jù)嵌入式應(yīng)用的編程特點(diǎn)提供必要的編碼工具。

借助中間件，應(yīng)用程序可以獨(dú)立于操作系統(tǒng)和硬件平臺，使產(chǎn)品的開放性和可移植性更強(qiáng)。有了中間件，應(yīng)用程序不僅可以運(yùn)行于不同硬件平臺，也可以在不同的操作系統(tǒng)上運(yùn)行，從而在提高開發(fā)效率、減少開發(fā)成本的同時能夠跟上技術(shù)的發(fā)展，使應(yīng)用的開發(fā)變得更加簡捷，也為應(yīng)用程序提供了一個相對穩(wěn)定的高層應(yīng)用環(huán)境。

對于數(shù)字電視機(jī)頂盒，數(shù)字電視中間件是指位于數(shù)字電視機(jī)頂盒內(nèi)部實(shí)時操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序之間的軟件部分，它將應(yīng)用程序與底層的操作系統(tǒng)、硬件細(xì)節(jié)隔離，使應(yīng)用不依賴具體的硬件平臺。它在數(shù)字電視中的位置如圖2所示。

3 Java與Java虛擬機(jī)

3.1 Java簡介

對于大多數(shù)開發(fā)語言，需要編譯或解釋。但是Java語言與那些需要編譯或解釋的語言比起來比較特殊。通過編譯器，首先程序被翻譯為一種稱為Java bytecode的中間語言，一種在Java平臺上被解釋器解釋的平臺獨(dú)立代碼。解釋器解釋計(jì)算機(jī)上所有的Java bytecode指令。一旦編譯完成，在程序每次執(zhí)行時，系統(tǒng)都會發(fā)生一次解釋過程。圖3演示了該過程。

圖3

    每個Java解釋器，不管是一個開發(fā)工具或者是一個運(yùn)行applet小程序的web游覽器，都是Java虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)形式。Java bytecodes使得“一次編寫，隨處運(yùn)行”這種時髦觀點(diǎn)成為可能。Bytecodes能夠運(yùn)行在任何一種Java虛擬機(jī)形式上，這就意味著只要計(jì)算機(jī)上安裝有Java虛擬機(jī)，那么同樣的一個Java程序可以運(yùn)行在Windows 2000系統(tǒng)、Solaris工作站或者一個Mac系統(tǒng)上。

3.2 Java平臺

一個平臺是程序運(yùn)行的硬件或者軟件環(huán)境。剛才已經(jīng)提供到了一些比較流行的平如，如Windows 2000、Linux、Solaris和Mac OS。大多數(shù)平臺可以認(rèn)為是硬件和操作系統(tǒng)的聯(lián)合體。Java與其他平臺不同，因?yàn)樗皇且粋€運(yùn)行在其他硬件平臺基礎(chǔ)上的軟件平臺。Java平臺有兩個組件：JavaVM和JavaAPI。圖4為Java平臺結(jié)構(gòu)圖。

3.3 J2ME平臺

Java發(fā)展至今已推廣到各種平臺，針對不同應(yīng)用平臺SUN公司開發(fā)了四個版本的Java運(yùn)行環(huán)境，其中如PDA、STB這樣的硬件運(yùn)算能力不高且存儲有限的各式消費(fèi)性電子產(chǎn)品專門提出了J2ME版本。

J2ME定義了一套Java的運(yùn)行環(huán)境和開發(fā)環(huán)境，它包含安裝在各種消費(fèi)性電子設(shè)備中的Java虛擬機(jī)和特別為了各種消費(fèi)性電子設(shè)備中的核心類庫。而J2ME的主要應(yīng)用則可以分為兩大類：個人移動設(shè)備和共享固定設(shè)備，前者在Configuration層使用CLDC，其所應(yīng)用的終端設(shè)備包括移動電話等，在人機(jī)接口上比較精簡且內(nèi)存需求較小。后者在Configuration層使用CDC，如車用異航、娛樂設(shè)備、數(shù)字電視機(jī)頂盒等。圖5為J2ME平臺結(jié)構(gòu)。

4 移植與實(shí)現(xiàn)過程

筆者所做的工作就是將JavaVM的CDC&Foundation移植到前述框圖所描述的數(shù)字電視機(jī)頂盒上，見圖6。

4.1 方案

我國的數(shù)字電視中間件標(biāo)準(zhǔn)明確指出中間件系統(tǒng)要采用Java虛擬機(jī)，提供Java應(yīng)用程序標(biāo)準(zhǔn)接口，使用Java語言編寫交互式應(yīng)用程序。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合有線電視機(jī)頂盒的硬件環(huán)境和操作系統(tǒng)等特征，提出了基于有線電視機(jī)頂盒的數(shù)字電視中間件的實(shí)現(xiàn)方案。

4.2 方案的實(shí)現(xiàn)

采用SUN公司在其主頁公布的免費(fèi)的Java虛擬機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)代碼，經(jīng)過各方面的修改移植到現(xiàn)有的數(shù)字電視機(jī)頂盒上。

4.2.1 環(huán)境搭建

（1） 通過修改源碼中的build目錄下的相關(guān)make文件，使得虛擬機(jī)源代碼的運(yùn)行環(huán)境得以正確搭建在機(jī)頂盒上，為下一步的代碼調(diào)試奠定基礎(chǔ)。主要表現(xiàn)在編譯器名稱以及路徑、文件后綴名和JDK工具包路徑。為了減少初期移植工作的難度，相應(yīng)地簡化修改了一些生成Java虛擬機(jī)可執(zhí)行代碼的選項(xiàng)。

（2） 根據(jù)現(xiàn)有數(shù)字電視機(jī)頂盒具體的硬件配置，主要根據(jù)flash的大小修改了相應(yīng)的硬件配置文件。

4.2.2 代碼調(diào)試

在正確搭建了編譯調(diào)式環(huán)境后，做代碼的調(diào)試。主要有以下幾個方面的修改和代碼重寫：

（1） 與操作系統(tǒng)相關(guān)的修改。數(shù)字電視機(jī)頂盒采用ST公司提供的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)OS20，而源代碼中是基于Linux操作系統(tǒng)。修改關(guān)于task結(jié)構(gòu)的定義和使用。另外在OS20操作系統(tǒng)內(nèi)核代碼中的關(guān)于支持可變參數(shù)的定義也與Linux中的不同，也要做相應(yīng)修改。

（2） 與CPU有關(guān)的修改。主要是將源代碼中用X86匯編指令寫的匯編文件CVMjniInvokeNative.S用自行設(shè)計(jì)的C2匯編指令實(shí)現(xiàn)。由于ST20-C2提供的寄存器較少，在實(shí)現(xiàn)中采用了局部變量完成數(shù)據(jù)的存儲和傳遞。

（3） 調(diào)試中的簡化修改。屏蔽了多線程，給調(diào)試帶來了莫大的方便。去掉動態(tài)加載功能，使需要使用的類都是預(yù)先編譯并被本地化成romjava.c。

4.2.3 測試與運(yùn)行結(jié)果

JavaVM實(shí)際上是系統(tǒng)的一個進(jìn)程，系統(tǒng)會象對待普通進(jìn)程一樣，為它分配必要資源，包括進(jìn)程優(yōu)先級、系統(tǒng)需要的內(nèi)存空間等。JavaVM作為系統(tǒng)的進(jìn)程，將依照自己優(yōu)先級，參與系統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度。JavaVM系統(tǒng)與其它進(jìn)程一起，共享包括處理器資源在內(nèi)的系統(tǒng)資源。為此，筆者在main()函數(shù)中創(chuàng)建一個任務(wù)來啟動Javavm這個任務(wù)。

將整個修改好的源代碼在新的編碼環(huán)境下編譯連接成可執(zhí)行代碼，通過JPAG口下載到機(jī)機(jī)盒目標(biāo)板中運(yùn)行。

Java虛擬機(jī)的“輸入”是“hello.java”，經(jīng)過Java編譯后生成類文件“hello.class”。如果代碼調(diào)試成功就應(yīng)該在顯示終端打出“hello world”字樣，這是Java虛擬機(jī)解釋字節(jié)碼的結(jié)果。說明基于CDC&Foundation配置的Java虛擬機(jī)移植成功。

    本論文提出的在有線數(shù)字電視機(jī)頂盒環(huán)境中實(shí)現(xiàn)數(shù)字電視中間件的方案采用Java技術(shù)作為核心，充分體現(xiàn)了Java技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，使交互式電視的應(yīng)用開發(fā)更加簡捷方便。該方案實(shí)現(xiàn)了Java平臺（CDC）的基本功能，為進(jìn)一步研究和實(shí)現(xiàn)Java應(yīng)用程序標(biāo)準(zhǔn)接口提供了軟件平臺。

當(dāng)然目前的這個CDC實(shí)現(xiàn)還存在部分問題，需要進(jìn)一步改進(jìn)以提高其穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上，可以增加個人簡表和Java TV API為Java應(yīng)用程序的開發(fā)提供完整的環(huán)境。

以上介紹了嵌入式中間件JavaVM的基本概念及其抽象模型，給出了它在數(shù)字電視機(jī)頂盒的移植與實(shí)現(xiàn)。通過嵌入式中間件JavaVM，使不同平臺之間的應(yīng)用程序代碼快速移植成為可能。嵌入式中間件可以適用于不同軟硬件平臺；能夠獨(dú)立于平臺和處理器，能移植于不同操作系統(tǒng)與不同微處理器體系結(jié)構(gòu)，從而使上層的應(yīng)用程序移植性更強(qiáng)。我們相信，嵌入式中間件的廣泛使用將使嵌入式應(yīng)用也能象Java語言一樣，可在各式各樣機(jī)器、操作平臺的環(huán)境中開發(fā)應(yīng)用軟件——“一次編譯，到處運(yùn)行”。