基于EM8620的IPTV機頂盒設計

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(wǎng)絡電視）的出現(xiàn)，使這愿望成為可能，它作為電視和網(wǎng)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(nèi)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(wǎng)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 硬件設計

1.1 設計要求分析

通過為iptv業(yè)務特性的詳細分析，總結出fpga機頂盒硬件設計方面的四項要求：

（1）具有網(wǎng)絡接入功能，能夠利用lan、dsl等方式接入到互聯(lián)網(wǎng)、支持tcp/ip、ftp、rtp、rtsp、rtcp、igmp多種網(wǎng)絡協(xié)議。

（2）支持多種視頻壓縮格式，目前mpeg2、mpeg4、vc－1等標準在iptv中都有使用，有些運營商甚至是在交叉使用，這與傳統(tǒng)數(shù)字電視采用單一的mpeg2標準情況大相徑庭。因此，設計的機頂盒能支持的壓縮標準越多，業(yè)務開展就越靈活，產(chǎn)品的使用范圍就越廣泛。

（3）具有完善的增殖業(yè)務設計，其中包括視頻點播、電子表決、互動游戲、網(wǎng)絡瀏覽、網(wǎng)絡游戲等，增殖業(yè)務是網(wǎng)絡電視獲取利潤的關鍵，所以設計機頂盒時要充分考慮到各種增殖業(yè)務的擴展應用。

（4）選擇低成本的專用硬件平臺。機頂盒不同于通用計算機，他是一個嵌入式系統(tǒng)，低成本、低功耗和穩(wěn)定性是硬件設計要遵循的原則，一些早期的iptv機頂盒設計方案采用了基于intel的高性能通用處理器架構，雖然性能很好，但是在功耗和成本方面最終很難被市場和運營商認可。

1.2 em8620硬件平臺

設計方案中采用一個低成本但功能相對豐富的集成芯片－－em8620作為硬件平臺，它是sigma designs公司專門針對數(shù)字視頻通信設計的最新一款多格式解碼芯片、內(nèi)嵌166mhz的32位rsic處理器，具有豐富的音視頻接口，此外還包括pci總線控制器和ide總線接口，依托二者能夠實現(xiàn)網(wǎng)絡接入、usb外設和ide外設（如硬盤、光驅）訪問等功能。圖1是該芯片的邏輯單元框圖，其主要功能和特點包括：

（1）能夠同時支持兩路標準清晰度電視節(jié)目解碼，實現(xiàn)畫中畫。；
（2）視頻支持mpeg2、mpeg4標清和高清解碼，支持vc－1和real的標清解碼；
（3）支持dvd格式信號解碼；
（4）音頻支持dolby ac3，mpeg1和mpeg2的層1、2、3，mpeg2的bc多聲道層1、2、3，mpeg2 aac，mpeg4 aac，windows wma；
（5）具有自適應去隔行功能；
（6）具有去閃爍濾波的osd功能，色彩支持32比特/像素；
（7）具有視頻、osd、子圖像和光標等4個圖像層；
（8）具有pci2.1的總線控制接口；
（9）采用2d圖形加速；
（10）具有ide接口，能夠連接光驅和硬盤設備，實現(xiàn)電視錄像和程序存儲；
（11）具有ntsc/pal復合視頻及s－video分量輸出，帶有可選的macrovision防錄制保護；
（12）具有ypbpr/rgb分量視頻輸出，帶有可選的macrovision防錄制保護；
（13）具有3路i2s串行數(shù)字pcm音頻輸出，實現(xiàn)5.1聲道環(huán)繞聲；
（14）具有spdif（iec60958）數(shù)字音頻輸出。

1.3 設計原理

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(jù)處理模塊。

1.3.1 pci總線

pci總線上連接有一個10/100m的以太網(wǎng)控制器（ctl8100）和一個usb2.0主控制器（vt6212）用于實現(xiàn)網(wǎng)絡接入及usb設備接入功能。

1.3.2 10/100m以太網(wǎng)控制器

10/100m以太網(wǎng)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(wǎng)控制器，該控制器具有acpi電源功能和網(wǎng)絡喚醒功能，通過使用魔術包（magic packet）和喚醒幀的方式可以很方便地實現(xiàn)網(wǎng)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(wǎng)絡解決方案，同時它還具有pci/mini－pci接口和10/100mhz網(wǎng)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(jù)傳輸?shù)绕渌δ堋?

1.3.3 usb2.0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（dynamic stop clock control）降低功耗。vt6212利用主機端控制接口（enhanced host controller interface）方式提供高速數(shù)據(jù)傳輸，利用通過控制芯片接口（universal host controller interface）方式向下兼容低速的usb1.1數(shù)據(jù)傳輸，此外tv6212也支持32－bit卡總線模式、可搭配pcmcia接口作為usb 2.0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（24bit rgb）連接到dvi信號合成芯片（sil164），編碼為dvd格式后輸出。

1.3.5 dvi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silicon image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(jù)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(jù)，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)dolby ac3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dolby ac3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(wǎng)絡上下載的各類其他數(shù)據(jù)；dvd光驅可使機頂盒實現(xiàn)dvd播放功能，flash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。

1.3.8 fp/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。

1.3.9 uart

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。

2 軟件設計

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l(fā)inux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(nèi)存管理單元）設計的嵌入式操作系統(tǒng)。內(nèi)核由linux2.0 kernel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(wǎng)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(wǎng)絡的增殖業(yè)務，因此對于網(wǎng)絡通信協(xié)議的需求比較廣泛，μclinux包括tcp/ip等多種網(wǎng)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(nèi)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(nèi)存管理，由于em8620沒有mmu管理存儲器，因此μclinux不能使用虛擬內(nèi)存管理技術，內(nèi)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(nèi)存空間失去保護后，系統(tǒng)內(nèi)各個進程實際上是共享同一個內(nèi)存空間，因此在設計多進程任務時就需要特別注意進行內(nèi)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(jù)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(jù)操作都在此內(nèi)存空間內(nèi)完成，所以開發(fā)人員必須對每個任務進程所需的最大內(nèi)存空間做出正確估計和分配，一旦生成的數(shù)據(jù)空間大于所分配的內(nèi)存空間，就會產(chǎn)生內(nèi)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(jīng)常會產(chǎn)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(nèi)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(wǎng)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(wǎng)絡傳送過來的密鑰數(shù)據(jù)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(nèi)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(wǎng)絡音視頻節(jié)目及本地的dvd光盤播放。

2.3 軟件調試

軟件調試分為內(nèi)核調試和應用程序調試兩個步驟。

2.3.1 內(nèi)核調試

內(nèi)核調試的一個簡單方法是利用jtag燒寫器直接將μclinux寫入到flash中，這種調試過程需要反復擦寫flash，過程較煩瑣，而且浪費時間，為了克服上述缺點，此處為em8620編寫了一個bootloader程序，通過以太網(wǎng)將μclinux下載到內(nèi)存中運行。內(nèi)核調試穩(wěn)定后再燒寫到flash，如此可以有效地簡化整個調試過程，提高工作效率。

2.3.2 應用程序調試

應用程序的開發(fā)和調試采用兩種方式，一種是對功能和消耗資源較少的程序，采用telnet方式通過以太網(wǎng)連接到機頂盒上直接開發(fā)調試。由于μclinux支持多用戶工作方式，因此多個不同開發(fā)人員可同時登陸到系統(tǒng)內(nèi)進行各自調試而互不影響，但是作為一個嵌入式處理器，em8620的運算能力畢竟有限，如果任務過多會影響調試速度，為此，消耗資源較大的應用程序需采用交叉編譯的方法，即程序的調試和編譯在速度較快的pc機上完成，然后利用gnu工具交叉編譯為基于μclinux的目標代碼，再通過以太網(wǎng)傳送到機頂盒中運行。

當前，iptv的發(fā)展正如火如荼，各地電視和電信運行商都在加大力度進行iptv建設，未來幾年對于iptv機頂盒的需求將迅速擴大，本文實現(xiàn)的這種基于em8620的iptv機頂盒，具有豐富的功能接口，并可支持高清及標清多種視頻格式解碼，符合未來iptv業(yè)務發(fā)展的技術要求，是一個可長期有效的解決方案。