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網(wǎng)絡(luò)變互式數(shù)字電視機(jī)頂盒硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)
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(diǎn)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(dú)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(duì)存取數(shù)據(jù)總線實(shí)的性要求嚴(yán)格，增加了CPU處理等待時(shí)間，形成了所謂的總線瓶頸。有關(guān)測(cè)試表明，總線瓶頸使得CPU的執(zhí)行指令時(shí)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(jià)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(shí)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(duì)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(jì)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(jí)2D乃至3D高級(jí)圖形處理，便成為機(jī)頂盒應(yīng)用的一個(gè)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(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)互聯(lián)，前者負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)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(jí)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(chǔ)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(chǔ)資源。
1.1 STi5514功能特點(diǎn)及接口
STi5514主要完成MPEG-2視頻、音頻信號(hào)的解壓縮。其內(nèi)部集成了一個(gè)MP@ML標(biāo)準(zhǔn)清晰度的視頻解碼模塊和一個(gè)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(diǎn)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(diǎn)是：指令和數(shù)據(jù)緩沖都增加了一倍，同時(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)字電視節(jié)目的實(shí)時(shí)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(hào)（CVBS）、分量信號(hào)RGB和YUV等不同模擬模式輸出，支持Teletext解碼輸出，同時(shí)提供對(duì)兩路SIM卡接口，利用擴(kuò)展銀行卡等高級(jí)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(diǎn)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(gè)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(diǎn)運(yùn)行單元/加乘處理單元（FPU/Mac）、存儲(chǔ)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(gè)片上乘法器。
存儲(chǔ)器支持4G的存儲(chǔ)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(jì)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(tái)。
通用DMA控
制器支持5個(gè)通道的數(shù)據(jù)傳輸，其中4個(gè)通道可以用于存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器哉存儲(chǔ)器到外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送，另外一個(gè)通道為帶緩沖的多路復(fù)合通道。支持2D塊的搬動(dòng)以及鏈表操作。兩個(gè)通道的DMA握手信號(hào)和EMI接口信號(hào)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(gè)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(shí)時(shí)時(shí)鐘、4個(gè)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(gè)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(gè)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(chǔ)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(gè)CCIR601-656視頻輸入端口（DVP0,DVP1）可以同時(shí)輸入YCbCr 4:2:2格式的視頻數(shù)據(jù)，并將其裝入局部存儲(chǔ)器。對(duì)沒有內(nèi)嵌同步信號(hào)的視頻還根據(jù)SAV/EAV協(xié)議提供了外同步信號(hào)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(dòng)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(hào)以及RGB和YUV模擬分量信號(hào)。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(gè)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(diǎn)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(shí)解調(diào)兩個(gè)頻道的基件解擾、控制處理以及解碼能力，可以實(shí)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(duì)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(chǔ)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(chǔ)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(shí)鐘以及同步信號(hào)，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(shí)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(hào)CVBS、SVideo或分量信號(hào)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(shí)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(duì)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(gè)獨(dú)立的PCI卡來設(shè)計(jì)，也可以將其直接嵌入母板上。STV0396是一個(gè)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(shí)鐘等，才能實(shí)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(dòng)程序容量找到等優(yōu)點(diǎn)。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(duì)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(yùn)算處理能力以降低成本。
2.4 啟動(dòng)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(dòng)順序。在這里，由于系統(tǒng)啟動(dòng)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(dòng)順序?yàn)椋篠T40GX1首先控制MPX總線并且先啟動(dòng)，在啟動(dòng)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(dòng)代碼和初始化為止。接著ST40GX1利用MPX總線拷貝STi5514的啟動(dòng)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(dòng)程序及應(yīng)用程序代碼。借鑒這一點(diǎn)，通過MPX總線可以實(shí)現(xiàn)多CPU之間的存儲(chǔ)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(chǔ)空間的基地址0x1B150000處，該寄存器對(duì)兩個(gè)CPU都能產(chǎn)生中斷信號(hào)。通過Mailbox寄存器，ST40GX1與STi5514能實(shí)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(shí)現(xiàn)。雖然低端的基本付費(fèi)/免費(fèi)數(shù)字電視機(jī)頂盒會(huì)在很長時(shí)間內(nèi)成為消費(fèi)者的選擇，但隨著用戶對(duì)功能需求的增加以及有線運(yùn)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(huì)得到日益廣泛的應(yīng)用。
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