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?！　‖F(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?！　〕丝偩€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cable modem cm、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（memory periheral exchange）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ddr sdram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video encoder和audio dac模塊等。內(nèi)部32位risc cpu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（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，gamma 2d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superh risc，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itlb（instruction translation lookaside 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。　?。?）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)2d dma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（alpha blending）、飽和度處理（gamma processing）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?！　∮捎趕t40gx1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pci 3d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。考慮到網(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cable modem、ethernet等高速接口?！　。?）cable modem　　首先選擇符合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。

?。?）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哂懈叨燃?、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?！　。?）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?yàn)椋簊t40gx1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，拷貝完成后，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(diǎn)，通過mpx總線可以實(shí)現(xiàn)多cpu之間的存儲共享?！　ti5514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。