將中間件JavaVM移植到數(shù)字電視機(jī)頂盒上的實(shí)現(xiàn)方案研究

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(guó)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(lái)越受重視。交互式電視可以為用戶提供豐富的互動(dòng)功能，包括電子節(jié)目指南、視頻點(diǎn)播、股票信息、互動(dòng)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)?a href="http://srfitnesspt.com/analog/" target="_blank">模擬電視機(jī)接收數(shù)字電視節(jié)目和數(shù)字信息的主要接入平臺(tái)。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(guó)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(shí)產(chǎn)權(quán)的中間件系統(tǒng)是非常必要的。

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)頂盒上的方案，詳細(xì)介紹了整個(gè)方案的原理以及具體實(shí)現(xiàn)過(guò)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(hào)與數(shù)據(jù)廣播信號(hào)復(fù)接，經(jīng)過(guò)組幀、QAM調(diào)制和載波調(diào)制成DVB-C信號(hào)流，通過(guò)HFC網(wǎng)絡(luò)向用戶廣播。用戶則通過(guò)數(shù)字機(jī)頂盒鎖定電視節(jié)目頻道，經(jīng)過(guò)QAM解調(diào)、解復(fù)用、解壓縮、解密和收費(fèi)控制等過(guò)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(gè)嵌入式系統(tǒng)，一般有以下硬件模塊：MIPSCPU、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(lái)越高，處理能力越來(lái)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)平臺(tái)上運(yùn)行。這一切對(duì)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(tái)（如PC、工作站、小型機(jī)等），在這些硬件平臺(tái)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(kù)、語(yǔ)言編譯器等），以及多種風(fēng)格各異的用戶界面，這些硬件系統(tǒng)平臺(tái)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(gè)非?，F(xiàn)實(shí)而困難的問(wèn)題。

為解決分布異構(gòu)問(wèn)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(tái)之間嵌入的一個(gè)中間層，通常定義成一組較為完整的、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(tái)及層次化、模塊化和可擴(kuò)展的接口，同時(shí)，根據(jù)嵌入式應(yīng)用的編程特點(diǎn)提供必要的編程工具。

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(tái)，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(tái)，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(shí)能夠跟上技術(shù)的發(fā)展，使應(yīng)用的開發(fā)變得更加簡(jiǎn)捷，也為應(yīng)用程序提供了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的高層應(yīng)用環(huán)境。

對(duì)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(shí)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(tái)。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(jiǎn)介

對(duì)于大多數(shù)開發(fā)語(yǔ)言，需要編譯或解釋。但是Java語(yǔ)言與那些需要編譯或解釋的語(yǔ)言比起來(lái)較特殊。通過(guò)編譯器，首先程序被翻譯為一種稱為Javabytecode的中間語(yǔ)言，一種在Java平臺(tái)上被解釋器解釋的平***立代碼。解釋器解釋計(jì)算機(jī)上所有的Javabytecode指令。一旦編譯完成，在程序每次執(zhí)行時(shí)，系統(tǒng)都會(huì)發(fā)生一次解釋過(guò)程。圖3演示了該過(guò)程。

每個(gè)Java解釋器，不管是一個(gè)開發(fā)工具或者是一個(gè)運(yùn)行applet小程序的web瀏覽器，都是Java虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)形式。Javabytecodes使得“一次編寫，隨處運(yùn)行”這種時(shí)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(gè)Java程序可以運(yùn)行在 Windows 2000系統(tǒng)、 Solaris 工作站或者一個(gè)Mac系統(tǒng)上。

3.2 Java平臺(tái)

一個(gè)平臺(tái)是程序運(yùn)行的硬件或者軟件環(huán)境。剛才已經(jīng)提到了一些比較流行的平臺(tái)，如Windows2000、Linux、Solaris和MacOS。大多數(shù)平臺(tái)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(tái)不同，因?yàn)樗皇且粋€(gè)運(yùn)行在其他硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上的軟件平臺(tái)。Java平臺(tái)有兩個(gè)組件：JavaVM和JavaAPI。圖4為Java平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。

3.3 J2ME平臺(tái)

Java發(fā)展至今已推廣到各種平臺(tái)，針對(duì)不同應(yīng)用平臺(tái)SUN公司開發(fā)了四個(gè)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(chǔ)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，它包含安裝在各類消費(fèi)性電子設(shè)備中的Java虛擬機(jī)和特別為了各類消費(fèi)性電子設(shè)備中的核心類庫(kù)。而J2ME的主要應(yīng)用則可以分為兩大類：個(gè)人移動(dòng)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(dòng)電話等，在人機(jī)接口上比較精簡(jiǎn)且內(nèi)存需求較小。后者在Configuration層使用CDC，如車用導(dǎo)航、娛樂(lè)設(shè)備、數(shù)字電視機(jī)頂盒等。圖5為J2ME平臺(tái)結(jié)構(gòu)。

4 移植與實(shí)現(xiàn)過(guò)程

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(jiàn)圖6。

4．1 方案

我國(guó)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(yǔ)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(yè)上公布的免費(fèi)的Java虛擬機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)代碼，經(jīng)過(guò)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(guò)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(jiǎn)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)試環(huán)境后，做代碼的調(diào)試。主要有以下幾個(gè)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(shí)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(chǔ)和傳遞。

（3）調(diào)試中的簡(jiǎn)化修改。屏蔽了多線程，給調(diào)試帶來(lái)了莫大的方便。去掉動(dòng)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(cè)試與運(yùn)行結(jié)果

JavaVM實(shí)際上是系統(tǒng)的一個(gè)進(jìn)程，系統(tǒng)會(huì)像對(duì)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(jí)、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(jí)，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(gè)任務(wù)來(lái)啟動(dòng)javavm這個(gè)任務(wù)。將整個(gè)修改好的源代碼在新的編譯環(huán)境下編譯連接成可執(zhí)行代碼，通過(guò)JTAG口下載到機(jī)頂盒目標(biāo)板中運(yùn)行。

Java虛擬機(jī)的“輸入”是“hello.java”，經(jīng)過(guò)Javac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“helloworld”字樣，這是Java虛擬機(jī)解釋字節(jié)碼的結(jié)果。說(shuō)明基于CDC&Foudation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(jiǎn)捷方便。該方案實(shí)現(xiàn)了Java平臺(tái)（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(tái)。

當(dāng)然目前的這個(gè)CDC實(shí)現(xiàn)還存在部分問(wèn)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(gè)人簡(jiǎn)表和JavaTVAPI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(guò)嵌入式中間件JavaVM，使不同平臺(tái)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(tái);能夠獨(dú)立于平臺(tái)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)用也能像Java語(yǔ)言一樣，可在各式各樣機(jī)器、操作平臺(tái)的環(huán)境中開發(fā)應(yīng)用軟件——“一次編譯，到處運(yùn)行”。