网络交互式数字电视机顶盒硬件平台设计

从硬件发展上来看，交互式机顶盒、数字电视已从早期的由分立器件构成而发展到由现代单芯片解决。这是数字大规模集成电路制造工艺技术进步的结果，也是降低系统成本的必然要求。现代单芯片解决方案的机顶盒一般集成了ＣＰＵ、解复用、音频视频解码、二维图形处理、编码和外设端口等模块。为节省芯片面积，这些独立部分是通过总线方式连接在一起的。改进系统的性能，通常是从提高ＣＰＵ的速度、增强二维乃至三维图形的处理能力、增加外设端口的接口数目和类别等方面着手，从而从总体上提高系统的交互处理能力。但由于视频解复用器和音频视频解码器对存取数据总线实时性要求严格，增加了ＣＰＵ处理等待时间，形成了所谓的总线瓶颈。有关测试表明，总线瓶颈使得ＣＰＵ的执行指令等待时间达到了７６％，这种单纯依靠提高ＣＰＵ性能来克服处理能力的不足，并不能提高性价比。改善总线瓶颈可以通过改进或增加系统互连总线来完成，如松下公司的Ｃｒｏｓｓ Ｓｗｉｔｃｈ解决方法，使等待时间减小到５０％。但这些必将增加芯片制造中互连线的复杂度，从而增加成本。
除了总线瓶颈带来的问题外，随着用户对接入方式多样性以及图形图像处理要求的日益提高，通过电话线回传的交互式机顶盒、数字电视的窄带接入方式以及有限的计算能力也越来越不能满足人们的要求。随着有线ＨＦＣ网的双向改造以及它与电信网、互联网三网合一进程的加速，为用户添加Ｃａｂｌｅ ＭｏｄｅｍＣＭ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ等灵活可选的宽带接入方式以及增加２Ｄ乃至３Ｄ图形处理，便成为机顶盒应用的一个重要方面。

１ 基于ＳＴ４０ＧＸ１ST40GX1与ＳＴｉ５５１４STI5514的双ＣＰＵ解决方案

为解决上面提出的问题，选择了ＳＴ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ 公司近推出的基于ＳＴｉ５５１４单芯片解码器和ＳＴ４０ＧＸ１二维图形处理器的双处理器解决方案。该方案避免了外设模块倍增带来的总线拥挤以及解码实时性要求带来的等待延迟。ＳＴｉ５５１４和ＳＴ４０ＧＸ１内部都采用了高速的先进ＳＴＢｕｓ实现互联，前者负责实时性要求较高的硬件解复用、视频音频解码、与解码相关联的外围Ｉ／Ｏ设备控制等。后者负责宽带交互式应用以及图形处理。两者之间的高速数据通信通过ＭＰＸ（Ｍｅｍｏｒｙ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｅｘｃｈａｎｇｅ）总线以及存储映射的邮箱（Ｍａｉｌｂｏｘ）来进行。通过主频达１００ＭＨｚ的ＭＰＸ总线，ＳＴｉ５５１４能直接存取ＳＴ４０ＧＸ１上可高达２５６ＭＢ的ＤＤＲ ＳＤＲＡＭ存储资源。

１．１ ＳＴｉ５５１４STI5514功能特点及接口

ＳＴｉ５５１４主要完成ＭＰＥＧ－２视频、音频信号的解压缩。其内部集成了一个ＭＰ＠ＭＬ标准清晰度的视频解码模块和一个杜比ＡＣ－３／ＡＡＣ／ＤＴＳ音频解码模块以及Ｖｉｄｅｏ Ｅｎｃｏｄｅｒ和Ａｕｄｉｏ ＤＡＣ模块等。内部３２位ＲＩＳＣ ＣＰＵ工作主频为１２０ＭＨｚ在外接Ｖ．９０的硬件Ｍｏｄｅｍ条件下，可以通过电话线进行窄带交互式应用，如进行基于电话线回传的视频点播、低速Ｉｎｔｅｒｎｅｔ浏览等。

与ＳＴ公司早先推出的单芯片解码器ＳＴｉ５５１２STI5512相比，除一般功能接口相同外，其突出特点是：指令和数据缓冲都增加了一倍，同时并发处理三路ＴＳ（Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｓｔｒｅａｍ）流输入，支持多种解扰模式（包括ＤＶＢ、ＤＥＳ、 ＩＣＭ、Ｆａｓｔ－Ｉ），直接支持杜比ＡＣ－３／ＡＡＣ／ＤＴＳ音频解码，提供ＡＴＡＰＩ硬盘电路接口，并直接支持Ｕｌｔｒａ－ＤＭＡ６６高速数据传送模式的硬盘以实现数字电视节目的实时录制，视频解码流可以以ＩＴＵ－Ｒ６０１＿６５６格式数据流输出或者以复合视频信号ＣＶＢＳ、分量信号ＲＧＢ和ＹＵＶ等不同模拟模式输出，支持Ｔｅｌｅｔｅｘｔ解码输出，同时提供对两路ＳＩＭ卡接口，利于扩展银行卡等应用。由于ＳＴｉ５５１４去掉了１３９４接口，故需外接１３９４控制器（如ＳＴＥ４２２STE422等）来扩展基于１３９４的视频输入。

１．２ ＳＴ４０ＧＸ１功能特点和结构

ＳＴ４０ＧＸ１集成了ＳＨ－４ ３２位ＲＩＳＣ处理器内核，Ｇａｍｍａ ２Ｄ图像处理、混合模块以及其它视频电路接口逻辑。

ＳＴ４０ＧＸ１是交互式应用的处理，包括系统设备和外设两个方面。

１．２．１ 系统设备

ＳＴ４０ＧＸ１系统设备包括中央处理器ＣＰＵ、用于ＤＳＰ功能的浮点运算单元／加乘处理单元（ＦＰＵ／Ｍａｃ）、存储管理单元（ＭＭＵ）以及ＤＭＡ控制模块。

其中，ＣＰＵ为 ３２位ＳｕｐｅｒＨ ＲＩＳＣ，２通道超标量体系结构主频１６６ＭＨｚ，１６位指令定长Ｌｏａｄ－Ｓｔｏｒｅ结构 ８ＫＢ直接指令缓存，１６ＫＢ直接操作数缓存，带有一个片上乘法器。

存储器支持４Ｇ的存储空间，支持单块或多块虚拟内存模式。页面大小可以为１ＫＢ、４ＫＢ、６４ＫＢ或１ＭＢ。支持４通道全相关指令ＩＴＬＢ（Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ Ｌｏｏｋａｓｉｄｅ Ｂｕｆｆｅｒ）、６４通道全相关指令以及操作数ＵＴＬＢ。支持软件控制的更新算法以及随机计数的更新算法。这为３２位保护模式下的操作系统提供了完备的硬件平台。

通用ＤＭＡ控制器支持５个通道的数据传输，其中４个通道可以用于存储器到存储器或存储器到外设之间的数据传送，另外一个通道为带缓冲的多路复合通道。支持２Ｄ块的搬动以及链表操作。两个通道的ＤＭＡ握手信号和ＥＭＩ接口信号被用于ＭＰＸ总线操作。

１．２．２ 外设接口模块
外设接口模块包括通用接口模块和视频专用接口模块。

通用接口模块包括两个与ＳＴ４０系列处理器兼容的全双工异步串行通信端口、中断控制器、符合ＩＥＥＥ１１４９规范的调试控制器、实时时钟、４个用户可编程的ＰＬＬ、２４位输入输出方向可配置的并行Ｉ／Ｏ口，两个符合ｖ１．１规范的ＵＳＢ主控制器和收发器、Ｍｏｄｅｍ模拟前端接口ＭＡＦＥ、两个可配置为支持Ｉ２Ｃ或ＳＰＩ总线接口标准的同步串行控制器（ＳＳＣ０ＳＳＣ１）、Ｔｅｌｅｔｅｘｔ输入接口、两个使用异步协议的ＳｍａｒｔＣａｒｄ接口、用于和外部微处理器通信的存储映射邮箱（Ｍａｉｌｂｏｘ），符合ＰＣＩ２．１规范的ＰＣＩ接口控制器、两路音频ＰＣＭ输入接口和一路ＰＣＭ输出接口等。

视频专用接口以及处理模块包括字视频输入端口和２Ｄ图像处理器。

两个ＣＣＩＲ６０１－６５６视频输入端口（ＤＶＰ０，ＤＶＰ１）可以同时输入ＹＣｂＣｒ ４：２：２格式的视频数据，并将其装入局部存储器。对没有内嵌同步信号的视频还根据ＳＡＶ／ＥＡＶ协议提供了外同步信号支持，用户可以从输入的视频图像中设定视频捕获窗口以及活动窗口的子窗口。数字编码器（ＤＥＮＣ）将数字视频流转换为标准的模拟基带ＰＡＬ／ＳＥＣＡＭ／ＮＴＳＣ信号以及ＲＧＢ和ＹＵＶ模拟分量信号。如果在ＬＭＩ上使用３２位的ＤＲＡＭ，则可以获得ＲＧＢ２４位的数字视频流。 ２Ｄ图像处理器（或图像块传送引擎）拥有两个２Ｄ ＤＭＡ图像数据输入源，可完成一整套强大处理操作。除了完成普通２Ｄ图形加速功能外，还可完成不同图形格式（ＲＧＢ／ＹＵＶ等）之间的转换，其中包括块填充、块拷贝、异步复合、色彩变换以及２Ｄ缩放处理等功能。

２ 基于ＳＴｉ５５１４和ＳＴ４０ＧＸ１的系统构成

根据ＳＴｉ５５１４和ＳＴ４０ＧＸ１的功能特点提出的系统总体结构方案如图１所示。

２．１ 前端解码部分

由于ＳＴｉ５５１４内置三路ＴＳ流解扰通道，故采用双路的Ｔｕｒｎｅｒ＋ＳＴＶ０２９７ＱＡＭ解调器同时解调两个频道的基于ＤＶＢ－Ｃ的视频数据传输流。充分利用ＳＴｉ５５１４的硬件解扰、控制处理以及解码能力，可以实现画中画功能。其中Ｔｕｒｎｅｒ可以采用ＭｉｃｒｏＴｕｎｅ的ＭＴ２０４０单芯片调谐器以节省空间和成本。此外，通过外接ＳＴＥ４２２，对ＩＥＥＥ１３９４接口输入提供支持。

２．２ 后端解码部分

后端解码由ＳＴｉ５５１４完成。ＳＴｉ５５１４通过外接８ＭＢ共享的ＳＤＲＡＭ完成在信道解调、解复用以及解码过程中所需要的存储资源，ＳＴｉ５５１４通过ＭＰＸ总线共享位于ＳＴ４０ＧＸ１ ＥＭＩ接口上的１６ＭＢ ＦＬＡＳＨ。通过ＡＴＡ接口外接硬盘存储器以扩展ＶＣＲ应用。ＳＴｉ５５１４解码后的符合ＩＴＵ－Ｒ６０１＿６５６标准的视频数据通过视频输出端口直接输入到ＳＴ４０ＧＸ１的两路视频输入端口中的ＤＶＰ０。ＳＴｉ５５１４向ＳＴ４０ＧＸ１发送２７ＭＨｚ的像素时钟以及同步信号，以确保ＳＴｉ５５１４视频数据正确接收。

２．３ 图形处理及便于交互式应用的网络接口

交互式应用硬件实现部分由ＳＴ４０ＧＸ１以及相应的网络接口完成。

２．３．１ ＳＴ４０ＧＸ１二维图形处理

ＳＴ４０ＧＸ１接收来自ＳＴｉ５５１４输入的解码视频流，并经过插值、色彩空间坐标变换后，与网页浏览等其它视频流进行透明度处理（Ａｌｐｈａ ｂｌｅｎｄｉｎｇ）、饱和度处理（Ｇａｍｍａ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）等复合处理，形成统一的视频帧缓存数据，并通过内部的ＤＥＮＣ将其编码为模拟电视能接收处理的复合视频信号ＣＶＢＳ、ＳＶｉｄｅｏ或分量信号ＲＧＢ、ＹＵＶ等输出。

由于ＳＴ４０ＧＸ１只支持３．３Ｖ的ＰＣＩ接口，可通过Ｉｎｔｅｌ的ＳＢ２１１５０ＢＣ扩展３．３Ｖ或５Ｖ的ＰＣＩ插槽；在需要３Ｄ图像处理的情况下，可以外插ＰＣＩ ３Ｄ图形加速卡来实现。

２．３．２ 网络接口

考虑到网络接口的宽带接入方式要求，利用ＳＴ４０ＧＸ１对外部提供的ＰＣＩ总线接口，集成Ｃａｂｌｅ Ｍｏｄｅｍ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ等高速接口。

２．３．２．１ Ｃａｂｌｅ Ｍｏｄｅｍ

选择符合Ｄｏｃｓｉｓ１．１／Ｅｕｒｏ－ｄｏｃｓｉｓ１．１规范的Ｃａｂｌｅ Ｍｏｄｅｍ前端单芯片接口芯片ＳＴＶ０３９６作为Ｃａｂｌｅ Ｍｏｄｅｍ解决方案，这一部分既可以作为一个独立的ＰＣＩ卡来设计，也可以将其直接嵌入母板上。ＳＴＶ０３９６是一个高度集成的调制解调系统，包括支持上行和下行符合ＤＯＣＳＩＳ１．１规范的物理层规范接口，媒体接入控制（ＭＡＣ）以及功能强大的３２位ＳＴ２０ ＲＩＳＣST20RISC处理器、ＰＣＩ、ＥＭＩ／ＭＰＸ等与ＳＴ４０ＧＸ１相兼容的外部接口。ＳＴＶ０３９６采用３１６管脚的ＢＧＡ封装，除需外接双向调谐器外，还需要添加下行方向的声表面波滤波器ＳＡＷ、上行方向的线路放大器以及时钟等，才能实现与线缆头端设备ＣＭＴＳ之间的通信连接。其典型接口电路如图２所示。

２．３．２．２ 以太网接口

选择基于ＲＴＬ８１３９ＣRTL8139C的３．３Ｖ以太网芯片组作为接口芯片，主要考虑到该芯片具有高度集成、在嵌入式系统中使用广泛以及１０／１００Ｍ自适应特性、自带ＰＣＩ接口、在类Ｌｉｎｕｘ操作系统下驱动程序容易找到等优点。ＲＴＬ８１３９采用１２８管脚的 ＱＰＦ／ＬＱＰＦ封装，并通过ＰＣＩ总线接口与ＳＴ４０ＧＸ１相连接。

２．３．２．３ Ｖ．９０软件Ｍｏｄｅｍ的支持

对Ｖ．９０软件Ｍｏｄｅｍ的支持，直接利用ＳＴ４０ＧＸ１的Ｍｏｄｅｍ前端接口ＭＡＦＥ来完成。不使用硬件Ｍｏｄｅｍ是考虑到充分利用ＳＴ４０ＧＸ１的运算处理能力以降低成本。

２．４ 启动及通讯

ＳＴ４０ＧＸ１与ＳＴｉ５５１４通过配置各自ＭＰＸ总线接口的主／从（Ｉｎｉｔｉａｔｏｒ／ｔａｒｇｅｔ）方式来决定系统的启动顺序。在这里，由于系统启动代码位于ＳＴ４０ＧＸ１的局部ＦＬＡＳＨ中，故将ＳＴ４０ＧＸ１配置为主（Ｉｎｉｔｉａｔｏｒ），将ＳＴｉ５５１４配置为从（ｔａｒｇｅｔ）。具体的启动顺序为：ＳＴ４０ＧＸ１首先控制ＭＰＸ总线并且先启动，在启动期间阻止ＳＴｉ５５１４使用ＭＰＸ总线，直到其完全完成从Ｆｌａｓｈ里面读取启动代码和初始化为止。接着ＳＴ４０ＧＸ１利用ＭＰＸ总线拷贝ＳＴｉ５５１４的启动程序以及应用程序代码到自己的ＬＭＩ ＤＤＲ内存中。拷贝完成后，ＳＴ４０ＧＸ１释放并允许ＳＴｉ５５１４控制ＭＰＸ总线，ＳＴｉ５５１４从ＳＴ４０ＧＸ１的ＤＤＲ ＳＤＲＡＭ中拷贝自己的启动程序及应用程序代码。借鉴这一点，通过ＭＰＸ总线可以实现多ＣＰＵ之间的存储共享。

ＳＴｉ５５１４通过ＭＰＸ总线可以访问ＳＴ４０ＧＸ１上的Ｍａｉｌｂｏｘ寄存器。Ｍａｉｌｂｏｘ被固定映射于ＳＴ４０ＧＸ１存储空间的基地址０ｘ１Ｂ１５００００处，该寄存器对两个ＣＰＵ都能产生中断信号。通过Ｍａｉｌｂｏｘ寄存器，ＳＴ４０ＧＸ１与ＳＴｉ５５１４能实现进程同步、消息传递等进程间通信。

本文较为详细地介绍了基于ＳＴ４０ＧＸ１和ＳＴｉ５５１４的高性能网络交互式数字电视机顶盒的系统构成及实现。虽然低端的基本付费／数字电视机顶盒会在很长时间内成为消费者的选择，但随着用户对功能需求的增加以及有线运营商服务内容的丰富，为用户提供此类高端应用的数字电视机顶盒也会得到日益广泛的应用。