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網(wǎng)絡(luò)變互式數(shù)字電視機(jī)頂盒硬件平臺設(shè)計
摘要：從現(xiàn)有交互式數(shù)字電視機(jī)頂盒的發(fā)展以及局限性出發(fā)，介紹了ST Microelectronics公司新近推出的適合于交互式數(shù)字電視應(yīng)用的ST40GX1和STi5514芯片的功能特點以及接口。提出了二者相結(jié)合構(gòu)成雙CPU的高性能網(wǎng)絡(luò)交互式數(shù)字電視機(jī)頂盒的方案，并給出了包括前端在內(nèi)的系統(tǒng)的具體構(gòu)成。關(guān)鍵詞：數(shù)字電視 機(jī)頂盒 DVB 圖形加速器 網(wǎng)絡(luò)接口 Cable Modem
從硬件發(fā)展上來看，交互式機(jī)頂盒、數(shù)字電視已從早期的由分立器件構(gòu)成而發(fā)展到由現(xiàn)代單芯片解決。這是數(shù)字大規(guī)模集成電路制造工藝技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果，也是最大程度降低系統(tǒng)成本的必然要求�，F(xiàn)代單芯片解決方案的機(jī)頂盒一般集成了CPU、解復(fù)用、音頻視頻解、二維圖形處理、編碼和外設(shè)端口等模塊。為節(jié)省芯片面積，這些獨立部分是通過總線方式連接在一起的。改進(jìn)系統(tǒng)的性能，通常是從提高CPU的速度、增強(qiáng)二維乃至三維圖形的處理能力、增加外設(shè)端口的接口數(shù)目和類型等方面著手，從而從總體上提高系統(tǒng)的交互處理能力。但由于視頻解復(fù)用器和音頻視碼器對存取數(shù)據(jù)總線實的性要求嚴(yán)格，增加了CPU處理等待時間，形成了所謂的總線瓶頸。有關(guān)測試表明，總線瓶頸使得CPU的執(zhí)行指令時間達(dá)到了76%，這種單純依靠提高CPU性能來克服處理能力的不足，并不能提高性價比。改善總線瓶頸可以通過改進(jìn)或增加系統(tǒng)互連總線來完成。如松下公司的Gross Switch解決方法，使等待時間減小到50％。但這些必將增加芯片制造中互連線的復(fù)雜度，從而增加成本。
除了總線瓶頸帶來的問題是，隨著用戶對接入方式多樣性以及圖形圖像處理要求的日益提高，通過電話線回傳的交互式機(jī)頂盒、數(shù)字電視的窄帶接入方式以及有限的計算能力也越來越不能滿足人們的要求。隨著有線HFC網(wǎng)的雙向改造以及它與電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)三網(wǎng)合一進(jìn)程的加速，為用戶添加Cable Modem(CM)、Ethernet等靈活可選的寬帶接入方式以及增加高級2D乃至3D高級圖形處理，便成為機(jī)頂盒應(yīng)用的一個重要方面。
1 基于ST40GX1與STi5514的雙CPU解決方案
為解決上面提出的總是，選擇了ST Microelectronics公司最近推出的基于STi5514單芯片解碼器和ST40GX1二維圖形處理器的雙處理器解決方案。該方案避免了外設(shè)模塊倍增帶來的總線擁擠以及解碼實時性要求帶來的等待延遲。STi5514和ST40GX1內(nèi)部都采用了高速的先進(jìn)STBus實現(xiàn)互聯(lián)，前者負(fù)責(zé)實時性要求較高的硬件解復(fù)用、視頻音頻解碼、與解碼相關(guān)聯(lián)的外圍I/O設(shè)備控制等。后者負(fù)責(zé)寬帶交互式應(yīng)用以及高級圖形處理。兩者之間的高速數(shù)據(jù)通信通過MPX(Memory Peripheral Exchange)總線以及存儲映射的郵箱（Mailbox）來進(jìn)行。通過主頻達(dá)100MHz的MPX總線，STi5514能直接存取ST40GXI上可高達(dá)256MB的DDR SDRAM存儲資源。
1.1 STi5514功能特點及接口
STi5514主要完成MPEG-2視頻、音頻信號的解壓縮。其內(nèi)部集成了一個MP@ML標(biāo)準(zhǔn)清晰度的視頻解碼模塊和一個杜比AC-3/AAC/DTS音頻解碼模塊以及Video Encoder和Audio DAC模塊等。內(nèi)部32位RISC CPU工作主頻為120MHz，在外接V.90的硬件Modem條件下，可以通過電話線進(jìn)行窄帶交互式應(yīng)用，如進(jìn)行基于電話線回傳的視頻點播、低速Internet瀏覽等。
與ST公司早先推出的單芯片解碼器STi5512相比，除一般功能接口相同外，其突出特點是：指令和數(shù)據(jù)緩沖都增加了一倍，同時并發(fā)處理三路TS(Transport Stream)流輸入，支持多種解擾模式（包括DVB、DES、ICM、Fast-I），直接支持杜比AC-3/AAC/DTS音頻解碼，提供ATAPI硬盤電路接口，并直接支持Ultra-DMA66高速數(shù)據(jù)傳送模式的硬盤以實現(xiàn)數(shù)字電視節(jié)目的實時錄制，視頻解碼流可以以ITU-R601_656格式數(shù)據(jù)流輸出或者以復(fù)合視頻信號（CVBS）、分量信號RGB和YUV等不同模擬模式輸出，支持Teletext解碼輸出，同時提供對兩路SIM卡接口，利用擴(kuò)展銀行卡等高級應(yīng)用。由于STi5514去掉了1394接口，故需外接1394控制器（如STE422等）來擴(kuò)展基于1394的視頻輸入。
1.2 ST40GX1功能特點和結(jié)構(gòu)
ST40GX1集成了SH-4 32位RISC處理器內(nèi)核，Gamma 2D圖像處理、混合模塊以及其它視頻電路接口邏輯。
ST40GX1是交經(jīng)式應(yīng)用的處理核心，包括系統(tǒng)設(shè)備和外設(shè)兩個方面。
1.2.1 系統(tǒng)設(shè)備
ST40GX1系統(tǒng)設(shè)備包括中央處理器（CPU）、用于DSP功能的浮點運行單元/加乘處理單元（FPU/Mac）、存儲管理單元（MMU）以及DMA控制模塊。
其中，CPU為32位SuperH RISC，2通道超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)，主頻166MHz，16位指令定長，Load-Store結(jié)構(gòu)，8KB直接指令緩存，16KB直接操作數(shù)緩存，帶有一個片上乘法器。
存儲器支持4G的存儲空間，支持單塊或多塊虛擬內(nèi)存模式。頁面大小可以為1KB、4KB、64KB或1MB。支持4通道全相關(guān)指令I(lǐng)TLB(Instruction Translation Lookaside Buffer)、64通道全相關(guān)指令以及操作數(shù)UTLB。支持軟件控制的更新算法及隨機(jī)計數(shù)的更新算法。這為32位保護(hù)模式下的操作系統(tǒng)提供了完備的硬件平臺。
通用DMA控
制器支持5個通道的數(shù)據(jù)傳輸，其中4個通道可以用于存儲器到存儲器哉存儲器到外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送，另外一個通道為帶緩沖的多路復(fù)合通道。支持2D塊的搬動以及鏈表操作。兩個通道的DMA握手信號和EMI接口信號被用于MPX總線操作。
圖1 基于STi5514和ST40GX1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
1.2.2 外設(shè)接口模塊
外設(shè)接口模塊包括通用接口模塊和視頻專用接口模塊。
通用接口模塊包括兩個的ST40系列處理器兼容的全雙工異步串行通信端口、中斷控制器、符合IEEE1149規(guī)范的調(diào)試控制器、實時時鐘、4個用戶可編程的PLL、24位輸入輸出方向可配置的并行I/O口，兩個符合v1.1規(guī)范的USB主控制器和收發(fā)器、Modem模擬前端接口MAFE、兩上可配置為支持I2C或SPI總線接口標(biāo)準(zhǔn)的同步串行控制器（SSC0,SSC1）、Teletext輸入接口、兩個使用異步協(xié)議的SmartCard接口、用于和外部微處理器通信的存儲映射郵箱（Mailbox），符合PCI2.1規(guī)范的PCI接口控制器、兩路音頻PCm輸入接口和一路PCM輸出接口等。
視頻專用接口以及處理模塊包括字視頻輸入端口和2D圖像處理器。
兩個CCIR601-656視頻輸入端口（DVP0,DVP1）可以同時輸入YCbCr 4:2:2格式的視頻數(shù)據(jù)，并將其裝入局部存儲器。對沒有內(nèi)嵌同步信號的視頻還根據(jù)SAV/EAV協(xié)議提供了外同步信號支持，用戶可以從輸入的視頻圖像中設(shè)定視頻捕獲窗口以及活動窗口的子窗口。數(shù)字編碼器（DENC）將數(shù)字視頻流轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的模擬基帶PAL/SECAM/NTSC信號以及RGB和YUV模擬分量信號。如果在LMI上使用32位的DRAM，則可以獲得RGB24位的數(shù)字視頻流。
2D圖像處理器（或圖像塊傳送引擎）擁有兩個2D DMA圖像數(shù)據(jù)輸入源，可完成一整套強(qiáng)大處理操作。除了完成普通2D圖形加速功能外，還可完成不同圖形格式（RGB/YUV等）之間的轉(zhuǎn)換，其中包括塊填充、塊拷貝、異步復(fù)合、色彩變換以及2D縮放處理等功能。
2 基于STi5514和ST40GX1的系統(tǒng)構(gòu)成
根據(jù)STi5514和ST40GX1的功能特點提出的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。
2.1 前端解碼部分
由于STi5514內(nèi)置三路TS流解擾通道，故采用雙路的Turner+STV0297QAM解碼器同時解調(diào)兩個頻道的基件解擾、控制處理以及解碼能力，可以實現(xiàn)畫中畫功能。其中Turner可以采用MicroTune的MT2040單芯片調(diào)諧器以節(jié)省空間和成本。此外，通過外接STE422，對IEEE1394接口輸入提供支持。
2.2 后端解碼部分
后端解碼由STi5514完成。STi5514通過外接8MB共享的SDRAM完成在信道解調(diào)、解復(fù)用以及解碼過程中所需要的存儲資源，STi5514通過MPX總線共享位于ST40GX1 EMI接口上的16MB FLASH。通過ATA接口外接硬盤存儲器以擴(kuò)展VCR應(yīng)用。STi5514解碼后的符合ITU-R601_656標(biāo)準(zhǔn)的視頻數(shù)據(jù)通過視頻輸出端口直接輸入到ST40GX1的兩路視頻輸入端口中的DVP0。STi5514向ST40GX1發(fā)送27MHz的像素時鐘以及同步信號，以確保STi5514視頻數(shù)據(jù)正確接收。
2.3 圖形處理及便于交互式應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)接口
交互式應(yīng)用硬件實現(xiàn)部分由ST40GX1以及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口完成。
2.3.1 ST40GX1二維圖形處理
ST40GX1接收來自STi5514輸入的解碼視頻流，并經(jīng)過插值、色彩空間坐標(biāo)變換后，與網(wǎng)頁瀏覽等其它視頻流進(jìn)行透明度處理（Alpha blending）、飽和度處理（Gamma Processing）等復(fù)合處理，形成統(tǒng)一的視頻幀緩存數(shù)據(jù)，并通過內(nèi)部的DENC將其編碼為模擬電視能接收處理的復(fù)合視頻信號CVBS、SVideo或分量信號RGB、YUV等輸出。
由于ST40GX1只支持3.3V的PCI接口，可通過Intel的SB21150BC擴(kuò)展3.3V或5V的PCI插槽；在需要3D圖像處理的情況下，可以外插PCI 3D圖形加速卡來實現(xiàn)。
2.3.2 網(wǎng)絡(luò)接口
考慮到網(wǎng)絡(luò)接口的寬帶接入方式需求，利用ST40GX1對外部提供的PCI總線接口，集成Cable Modem、Ethernet等高速接口。
2.3.2.1Cable Modem
選擇符合Docsis1.1/Euro-docsis1.1規(guī)范的Cable Modem前端單芯片接口芯片STV0396作為Cable Modem解決方案，這一部分既可以作為一個獨立的PCI卡來設(shè)計，也可以將其直接嵌入母板上。STV0396是一個高度集成的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，包括支持上行和下行符合DOCSIS1.1規(guī)范的物理層規(guī)范接口，媒體接入控制（MAC）以及功能強(qiáng)大的32位ST20 RISC處理器、PCI、EMI/MPX等與ST40GX1相兼容的外部接口。STV0396采用316管腳的BGA封裝，除需外接雙向調(diào)諧器外，還需要添加下行方向的聲表面波濾波器（SAW）、上行方向的線路放大器以及的時鐘等，才能實現(xiàn)與線纜頭端設(shè)備（CMTS）之間的通信連接。其典型接口電路如圖2所示。
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2.3.2.2 以太網(wǎng)接口
選擇基于RTL8139C的3.3V以太網(wǎng)芯片組作為接口芯片，主要考慮到該芯片具有高度集成、在嵌入式系統(tǒng)中使用廣泛以及10/100M自適應(yīng)特性、自帶PCI接口、在類Linux操作系統(tǒng)下驅(qū)動程序容量找到等優(yōu)點。RTL8139采用128管腳的QPF/LQPF封裝，并通過PCI總線接口與ST40GX1相連接。
2.3.2.3 V.90軟件Modem的支持
對V.90軟件Modem的支持，直接利用ST40GX1的Modem前端接口MAFE來完成。不使用硬件Modem是考慮到充分利用ST40GX1的運算處理能力以降低成本。
2.4 啟動及通訊
ST40GX1與STi5514通過配置各自MPX總線接口的主/從（Initiator/target）方式來決定系統(tǒng)的啟動順序。在這里，由于系統(tǒng)啟動代碼位于ST40GX1的局部FLASH中，故將ST40GX1配置為主（Initiator），將STi5514配置為從（target）。具體的啟動順序為：ST40GX1首先控制MPX總線并且先啟動，在啟動期間阻止STi5514使用MPX總線，直到其完全完成從Flash里面讀取啟動代碼和初始化為止。接著ST40GX1利用MPX總線拷貝STi5514的啟動程序以及應(yīng)用程序代碼到自己的LMI DDR內(nèi)存中�？截愅瓿珊�，ST40GX1釋放并允許STi5514控制MPX總線，STi5514從ST40GX1的DDR SDRAM中拷貝自己的啟動程序及應(yīng)用程序代碼。借鑒這一點，通過MPX總線可以實現(xiàn)多CPU之間的存儲共享。
STi5514通過MPX總線可以訪問ST40GX1上的Mailbox寄存器。Mailbox被固定映射于ST40GX1存儲空間的基地址0x1B150000處，該寄存器對兩個CPU都能產(chǎn)生中斷信號。通過Mailbox寄存器，ST40GX1與STi5514能實現(xiàn)進(jìn)程同步、信息傳遞等進(jìn)程間通信。
本文較為詳細(xì)地介紹了基于ST40GX1和STi5514的高性能網(wǎng)絡(luò)交互式數(shù)字電視機(jī)頂盒的系統(tǒng)構(gòu)成及實現(xiàn)。雖然低端的基本付費/免費數(shù)字電視機(jī)頂盒會在很長時間內(nèi)成為消費者的選擇，但隨著用戶對功能需求的增加以及有線運營商服務(wù)內(nèi)容的豐富，為用戶提供此類高端應(yīng)用的數(shù)字電視機(jī)頂盒也會得到日益廣泛的應(yīng)用。
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