基于ST40GX1與STi5514的網(wǎng)絡(luò)交互式數(shù)字電視機(jī)頂盒硬件設(shè)計(jì)

    交互式機(jī)頂盒、數(shù)字電視已經(jīng)從分立器件結(jié)構(gòu)發(fā)展到單芯片解決方案，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，也是最大限度降低系統(tǒng)成本的必然要求。

    現(xiàn)代單芯片解決方案的機(jī)頂盒一般集成有CPU、解復(fù)用、音頻視頻解碼、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)目和類別等方面著手，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)用器和音頻視頻解碼器對存取數(shù)據(jù)總線實(shí)時(shí)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)測試表明，總線瓶頸使得CPU的執(zhí)行指令等待時(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不足的方式，并不能提高性價(jià)比，而改善總線瓶頸可以通過改進(jìn)或增加系統(tǒng)互聯(lián)總線來完成，但這必將增加芯片制造中互聯(lián)線的復(fù)雜度，從而增加成本。

    除了總線瓶頸帶來的問題外，隨著用戶對接入方式多樣性以及圖形圖象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)的雙向改造以及與電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)三網(wǎng)合一進(jìn)程的加速，為用戶加添CableModemCM、Ethernet等靈活可選的帶寬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(gè)重要方面。

    基于ST40GX1與STi5514的雙CPU方案

    為解決上面提出的問題，設(shè)計(jì)時(shí)可選擇ST公司推出的基于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。STi5541和ST40GX1內(nèi)部都采用高速先進(jìn)的STBus來實(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)用以及高級圖形處理，兩者之間的高速數(shù)據(jù)通信通過MPX（MemoryPeriheralExchange）總線以及存儲映射的郵箱（Mailbox）來進(jìn)行，通過主頻達(dá)100M赫茲的MPX總線，STi5514能直接存取ST40GX1上可高達(dá)256MB的DDRSDRAM存儲資源。

    ◇STi5514的功能特點(diǎn)及接口

    STi5514主要用于完成MPEG-2視頻、音頻信號的解壓縮。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VideoEncoder和AudioDAC模塊等。內(nèi)部32位RISCCPU工作主頻為120M赫茲在外接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公司早期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（TransportStream）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(shí)提供對兩路SIM卡接口。利于擴(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。

    ◇ST40GX1的功能結(jié)構(gòu)

    ST40GX1內(nèi)部集成有SH-4型32位RISC處理器內(nèi)核，Gamma2D圖象處理，混合模塊以及其他視頻電路接口邏輯，ST40GX1是交互式應(yīng)用的處理核心，它包括系統(tǒng)設(shè)備和外設(shè)兩個(gè)方面：

    （1）系統(tǒng)設(shè)備

    ST40GX1的系統(tǒng)設(shè)備包括中央處理器（CPU）、用于DSP功能的浮點(diǎn)運(yùn)算單元/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SuperHRISC，它采用2通道超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)，主頻166M赫茲，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，并帶有一個(gè)片上乘法器。而其存儲器則支持4GB的存儲空間，并支持單塊或多塊虛擬內(nèi)存模式，頁面的大小可以是1KB、4KB、64KB或1MB，此外，它還支持4通道全相關(guān)指令I(lǐng)TLB（InstructionTranslationLookaside Buffer）、64通道全相關(guān)指令以及操作數(shù)UTLB，同時(shí)支持軟件控制的更新算法以及隨機(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，ST40GX1中的通用DMA控制器可支持5個(gè)通道的數(shù)據(jù)傳輸，其中4個(gè)通道可以用于存儲器到存儲器或存儲器到外設(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，同時(shí)支持2D塊的搬動(dòng)以及鏈表操作，片內(nèi)兩個(gè)通道的DMA握手信號和EMI接口信號還可用于MPX總線操作。

    （2）外設(shè)接口模塊

    ST40GX1的外設(shè)接口模塊包括通用接口模塊和視頻專用接口模塊，其中通用接口模塊包括兩個(gè)與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)制控制器、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，以及兩個(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、兩個(gè)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和SSC1）、Teletext輸入接口、兩個(gè)使用異步協(xié)議的SmartCard接口、用于和外部微控制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；而視頻專用接口及處理模塊則包括字視頻輸入端口和2D圖象處理器，這兩個(gè)CCIR601-656視頻輸出端口（DVP0，DVP1）可以同時(shí)輸入VCbCr4：2：2格式的視頻數(shù)據(jù)，并將其裝入局部存儲器。也可對沒有內(nèi)嵌同步信號的視頻來根據(jù)SAV/EAV協(xié)議提供外同步信號支持，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(dòng)窗口的子窗口。數(shù)字編碼其（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圖象處理器（或圖像塊傳送引擎）擁有兩個(gè)2DDMA圖像數(shù)據(jù)輸入源，可完成一整套強(qiáng)大的處理操作，除可完成普通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。

    基于STi5514和ST40GX1的系統(tǒng)構(gòu)成

    根據(jù)STi5514和ST40GX1的功能特點(diǎn)，圖1給出了本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方案。

    ◇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解調(diào)器同時(shí)解調(diào)兩個(gè)頻道的基于DVB-C的視頻數(shù)據(jù)傳輸流，充分利用STi5514的硬件解擾、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IEEE1394接口輸入提供支持。

    ◇后端解碼部分

    后端解碼由STi5541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ST40GX1EMI接口上的16MBFLASH，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27M赫茲的像素時(shí)鐘以及同步信號，以確保STi5514視頻數(shù)據(jù)正確接收。

    ◇圖形處理

    當(dāng)用ST40GX1處理二維圖形時(shí)，可先用ST40GX1來接收來自STi5514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)頁瀏覽等其他視頻進(jìn)行透明度處理（Alphablending）、飽和度處理（GammaProcessing）等復(fù)合處理，從而形成統(tǒng)一的視頻幀緩存數(shù)據(jù)，在通過內(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，故可通過Intel的SB21150BC來擴(kuò)展3.3V或5V的PCI插槽；在需要3D圖象處理的情況下，也可以通過外插PCI3D圖形加速卡來實(shí)現(xiàn)。

    ◇交互式應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)接口

    交互式應(yīng)用的硬件部分可由ST40GX1以及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口完成�？紤]到網(wǎng)絡(luò)接口的帶寬接入方式要求，設(shè)計(jì)時(shí)可利用ST40GX1對外部提供的PCI總線接口，并集成CableModem、Ethernet等高速接口。

    （1）CableModem

    首先選擇符合Docsis1.1/Euro-docsis1.1規(guī)范的CableModem前端單芯片接口芯片STV0396作為CableModem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GBA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。

    （2）以太網(wǎng)接口

    可選擇基于RTL8139C的3.3V以太網(wǎng)芯片組作為接口芯片，這是因?yàn)樾酒�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)程序容易找到等優(yōu)點(diǎn)。RTL8139采用128管腳的QPF/LQPF封裝，可通過PCI總線接口與ST40GX1相連。

    （3）V.90軟件Modem的支持

    對于V.90軟件Modem的支持，可直接利用ST40GX1的Modem前端接口MAFE來完成。不使用硬件Modem可以充分利用ST40GX1的運(yùn)算處理能力來降低成本。

    系統(tǒng)的啟動(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LMIDDR內(nèi)存中，拷貝完成后，ST40GX1釋放并允許STi5514控制MPX總線，STi5514從ST40GX1的DDRSDRAM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(gè)CPU都能產(chǎn)生中斷信號。通過Malibox寄存器，ST40GX1與STi5514能實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步、消息傳遞等進(jìn)程間通信。