基于EM8620芯片的IPTV機頂盒設計方案

硬件設計

    傳統(tǒng)的電視業(yè)務一致采用單向廣播模式運營，隨著科技的進步，人們越來越希望在電視中實現(xiàn)雙向交互功能，通過交互通信，運營商能夠及時地得知用戶的需求，而終端用戶也可以改變以往單一被動的信息接收模式，更多地參與到業(yè)務運營中。近期IPTV（網絡電視）的出現(xiàn)，使這愿望成為可能，它作為電視和網絡通信技術的融合，以IP為傳送通道，能夠向用戶提供包括電視在內的更為廣泛的多種交互式視音頻服務。

    在IPTV的系統(tǒng)中，用戶終端機頂盒是一個非常關鍵的設備，它不但是收看電視節(jié)目的終端，而且還是一個信息匯聚、交互的平臺，被認為是構成未來家庭多媒體中心的重要組成部分，本文介紹一種基于EM8620芯片的IPTV機頂盒設計方案，該方案能夠通過網絡實現(xiàn)交互電視業(yè)務，支持MPEG2、MPEG4、VC－1（WMV9）、Real等多種視頻壓縮標準解碼，具有電視節(jié)目錄制、數(shù)字版權保護、DVD播放等多種功能。

    1、

設計原理

   1.3

    遵循IPTV機頂盒的設計要求，以EM8620為核心的硬件設計原理框圖如圖2所示，它包括多個不同的數(shù)據處理模塊。

圖二

    1.3.1PCI總線

    vPCI總線上連接有一個10/100M的以太網控制器（CTL8100）和一個USB2.0主控制器（VT6212）用于實現(xiàn)網絡接入及USB設備接入功能。

    1.3.210/100M以太網控制器

    10/100M以太網控制器采用Realtek公司的RTL8100，它是一個高度集成的低成本單片以太網控制器，該控制器具有ACPI電源功能和網絡喚醒功能，通過使用魔術包（magicpacket）和喚醒幀的方式可以很方便地實現(xiàn)網絡管理和維護，因此使用它可以實現(xiàn)非常理想的嵌入式網絡解決方案，同時它還具有PCI/mini－PCI接口和10/100MHz網絡帶寬自適應功能，并兼容PCI2.2和PC99/PC2001、PCI存儲空間或I/O空間映射數(shù)據傳輸?shù)绕渌�功能�?BR>
    1.3.3USB2.0主控制器

    USB2.0主控制器采用威盛公司的VT6212，它是一個四端口USB2.0控制芯片，能支持高達480Mbps的傳輸速度，并采用動態(tài)中止時序控制（DynamicStopClockControl）降低功耗。VT6212利用主機端控制接口（EnhancedHostControllerInterface）方式提供高速數(shù)據傳輸，利用通過控制芯片接口（UniversalHostControllerInterface）方式向下兼容低速的USB1.1數(shù)據傳輸，此外TV6212也支持32－bit卡總線模式、可搭配PCMCIA接口作為USB2.0集線器，增加外設的接入數(shù)量。

    1.3.4視頻輸出

    EM8620能夠提供模擬和數(shù)字兩種視頻信號輸出，模擬視頻采用復合（CVBS）、分量（S－Video和YPrPb）方式直接輸出，輸出中都可采用Macrovision技術進行防盜版錄制保護。數(shù)字視頻（24bitRGB）連接到DVI信號合成芯片（SIL164），編碼為DVD格式后輸出。

    1.3.5DVI信號合成

    DVI是目前使用非常廣泛的數(shù)字視頻接口，既可以適應于高/標清數(shù)字電視顯示、也可以用于普通的電腦監(jiān)視器顯示。此處選擇SiliconImage公司的SIL164實現(xiàn)DVI信號合成和發(fā)送。SIL164采用PaneILink數(shù)字技術設計，支持從VGA到UXGA（640×480－1600×1200）的清晰度顯示范圍，數(shù)據速率范圍為25－165Mbps，具有12bit（半像素時鐘沿）和24bit（真彩色支持）兩種設計模式，同時支持I2C總線控制，具有熱插拔特性，完全兼容DVI1.0規(guī)范。

    1.3.6音頻輸出

    EM8620可提供三路I2S和一路SPDIF等兩種串行數(shù)字音頻信號，其中每路I2S信號承載兩個聲道的PCM數(shù)據，三路I2S信號連接到音頻DAC

    后,轉換為6路模擬音頻，用于實現(xiàn)DolbyAC3的5.1聲道環(huán)繞聲；SPDIF串行數(shù)字信號直接輸出，可承載兩路PCM音頻或壓縮的5.1聲道DolbyAC3音頻。

    1.3.7外設總線

    外設總線上連接有IDE硬盤、DVD光驅和Flash存儲器，IDE硬盤用于實現(xiàn)個人錄像機功能，用戶可以將播放的電路節(jié)目方便地存儲到IDE硬盤，同時也可以用于存儲通過增殖業(yè)務從網絡上下載的各類其他數(shù)據；DVD光驅可使機頂盒實現(xiàn)DVD播放功能，F(xiàn)lash存儲器的作用非常重要，用于存儲整個機頂盒的操作系統(tǒng)軟件。雖然也可以將操作系統(tǒng)安裝到IDE硬盤，但是IDE硬盤的穩(wěn)定性遠不如Flash存儲器，并且還會受到其他應用程序，特別是病毒的攻擊，非常容易造成系統(tǒng)崩潰。

    1.3.8FP/VFD和紅外信號接收

    FP/VFD用于機頂盒的前面板控制和狀態(tài)顯示，紅外信號接收用于接收遙控器發(fā)送的控制信號。

    1.3.9UART

    雖然IPTV具有雙向業(yè)務通道，能夠采用認證的方式實現(xiàn)節(jié)目的版權保護，但是考慮到目前數(shù)字電視中的條件接收到多采用智能卡方式，為保護系統(tǒng)的兼容性，此處仍然設計有基于UART的智能卡通信模塊，用于支持使用智能卡進行密鑰解密的工作方式。

軟件設計

   2、

    軟件主要包括嵌入式的操作系統(tǒng)和各類驅動及應用軟件。由于當前Linux有著優(yōu)良的可移植性和廣泛的兼容性，因此在本方案中操作系統(tǒng)采用μCLinux實現(xiàn)，而應用軟件主要包括電子節(jié)目指南、數(shù)字版權保護和條件接收、瀏覽器、圖形用戶界面、軟件解碼模塊等。

    2.1嵌入式操作系統(tǒng)

    μCLinux是面向MMU（內存管理單元）設計的嵌入式操作系統(tǒng)。內核由Linux2.0Kernel發(fā)展而來，同標準Linux相比，它繼承了原有的工作穩(wěn)定性強、網絡功能強大等主要優(yōu)點。此外，它具有占用空間小、執(zhí)行效率高等特點，由于IPTV機頂盒需要實現(xiàn)各種基于網絡的增殖業(yè)務，因此對于網絡通信協(xié)議的需求比較廣泛，μCLinux包括TCP/IP等多種網絡協(xié)議，能夠支持當前各種基于IP的業(yè)務，同時它還具有良好的開放性，任何新協(xié)議都可以很方便地加入到內核中，具備了持續(xù)升級的可擴展能力。

    在使用μCLinux進行軟件設計時，一個需要著重考慮的問題是內存管理，由于EM8620沒有MMU管理存儲器，因此μCLinux不能使用虛擬內存管理技術，內存訪問應采用直接尋址方式，所有程序訪問的地址都是實際的物理地址，操作系統(tǒng)內存空間失去保護后，系統(tǒng)內各個進程實際上是共享同一個內存空間，因此在設計多進程任務時就需要特別注意進行內存保護，防止程序操作越界溢出。具體而言，就是在每個進程初始化時，μCLinux會根據用戶的申請分配一段連續(xù)的堆棧地址空間，而后該進程中所有的數(shù)據操作都在此內存空間內完成，所以開發(fā)人員必須對每個任務進程所需的最大內存空間做出正確估計和分配，一旦生成的數(shù)據空間大于所分配的內存空間，就會產生內存溢出，侵犯其他程序的地址空間，從而導致程序的運行異常，嚴重者將導致系統(tǒng)崩潰。傳統(tǒng)Linux最大的缺點之一是，系統(tǒng)非正常關閉后，經常會產生硬盤碎片，使操作系統(tǒng)無法正常引導啟動，此處，將μCLinux編譯后燒寫到Flash上采用Flash內核啟動方式，避免了上述缺點。

    2.2應用軟件

    2.2.1電子節(jié)目指南

    電子節(jié)目指南是用戶獲取電視節(jié)目播出信息的直接途徑，從現(xiàn)有數(shù)字電視用戶的調查中發(fā)現(xiàn)，電子節(jié)目指南是當前最受用戶歡迎的功能，電子節(jié)目指南一般包括電視節(jié)目單、節(jié)目簡介、當前節(jié)目信息顯示、節(jié)目預定等多個環(huán)節(jié)，通常它的設計采用基于中間件或定制編寫軟件模塊的方式實現(xiàn)，過程復雜、靈活度差。此處采用基于瀏覽器的電子節(jié)目指南設計，電視節(jié)目信息以HTML方式或XML方式傳送，機頂盒接收后利用瀏覽器顯示給用戶觀看，其風格和瀏覽方式都具有很強的靈活性，由于其他類型的增殖業(yè)務如網絡瀏覽、電視購物等方式都需要瀏覽器，因此使用瀏覽器不會增加系統(tǒng)的額外開銷。

    2.2.2數(shù)字版權保護

    數(shù)字版權保護設計分為兩種，一種是針對已錄制節(jié)目的保護，另一種是針對實時播出節(jié)目的保護，由于機頂盒具有個人錄像機功能，用戶能夠方便地將實時播出的電視節(jié)目錄制到硬盤上，并通過USB接口拷貝出去進行散發(fā)。為防止這種盜版拷貝的情況發(fā)生，設計了嚴格的數(shù)字版權保護模塊，當用戶進行錄像時，對存儲到硬盤的節(jié)目進行加密處理，加密密鑰由每個機頂盒特有的硬件信息生成，這樣即使將節(jié)目拷貝到其他同類型機頂盒中也不能進行播放，從而實現(xiàn)了嚴格的版權保護功能，對于實時播出的加密節(jié)目，沿用了基于智能卡的工作方式，首先提取IP網絡傳送過來的密鑰數(shù)據流，通過UART接口送到智能卡中進行解密，解密后控制字存儲在內存中使用后即刻銷毀，防止盜取和破解。

    2.2.3圖形用戶界面

    為方便地對IDE硬盤及其他接口進行操作，此處為用戶提供了圖形用戶界面，它采用MiniGui引擎，界面啟動后，用戶可以通過遙控器或連接USB鼠標/鍵盤非常方便地進行操作。

    除了上述應用軟件外，還可支持各種Java、flash程序運行，便于實現(xiàn)電視購物、在線游戲等功能，此外其包括WMV9、Real等一系列多媒體播放程序，用于各種類型的網絡音視頻節(jié)目及本地的DVD光盤播放。

軟件調試

    2.3軟件調試

    軟件調試分為內核調試和應用程序調試兩個步驟。