佚名 發表於 2020-02-07 08:08:00
從硬體發展上來看，交互式機頂盒、數位電視已從早期的由分立器件構成而發展到由現代單晶片解決。這是數字大規模集成電路製造工藝技術進步的結果，也是最大程度降低系統成本的必然要求。現代單晶片解決方案的機頂盒一般集成了CPU、解復用、音頻視頻解碼、二維圖形處理、編碼和外設埠等模塊。為節省晶片面積，這些獨立部分是通過總線方式連接在一起的。改進系統的性能，通常是從提高CPU的速度、增強二維乃至三維圖形的處理能力、增加外設埠的接口數目和類別等方面著手，從而從總體上提高系統的交互處理能力。但由於視頻解復用器和音頻視頻解碼器對存取數據總線實時性要求嚴格，增加了CPU處理等待時間，形成了所謂的總線瓶頸。有關測試表明，總線瓶頸使得CPU的執行指令等待時間達到了76%，這種單純依靠提高CPU性能來克服處理能力的不足，並不能提高性價比。改善總線瓶頸可以通過改進或增加系統互連總線來完成，如松下公司的Cross Switch解決方法，使等待時間減小到50%。但這些必將增加晶片製造中互連線的複雜度，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像處理要求的日益提高，通過電話線回傳的交互式機頂盒、數位電視的窄帶接入方式以及有限的計算能力也越來越不能滿足人們的要求。隨著有線HFC網的雙向改造以及它與電信網、網際網路三網合一進程的加速，為用戶添加Cable ModemCM 、Ethernet等靈活可選的寬帶接入方式以及增加高級2D乃至3D高級圖形處理，便成為機頂盒應用的一個重要方面。
1 基於ST40GX1與STi5514的雙CPU解決方案
為解決上面提出的問題，選擇了ST Microelectronics 公司最近推出的基於STi5514單晶片解碼器和ST40GX1二維圖形處理器的雙處理器解決方案。該方案避免了外設模塊倍增帶來的總線擁擠以及解碼實時性要求帶來的等待延遲。STi5514和ST40GX1內部都採用了高速的先進STBus實現互聯，前者負責實時性要求較高的硬體解復用、視頻音頻解碼、與解碼相關聯的外圍I/O設備控制等。後者負責寬帶交互式應用以及高級圖形處理。兩者之間的高速數據通信通過MPX(Memory Peripheral Exchange)總線以及存儲映射的郵箱(Mailbox)來進行。通過主頻達100MHz的MPX總線，STi5514能直接存取ST40GX1上可高達256MB的DDR SDRAM存儲資源。
1.1 STi5514功能特點及接口
STi5514主要完成MPEG-2視頻、音頻信號的解壓縮。其內部集成了一個MP@ML標準清晰度的視頻解碼模塊和一個杜比AC-3/AAC/DTS音頻解碼模塊以及Video Encoder和Audio DAC模塊等。內部32位RISC CPU工作主頻為120MHz在外接V.90的硬體Modem條件下，可以通過電話線進行窄帶交互式應用，如進行基於電話線回傳的視頻點播、低速Internet瀏覽等。
與ST公司早先推出的單晶片解碼器STi5512相比，除一般功能接口相同外，其突出特點是：指令和數據緩衝都增加了一倍，同時並發處理三路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硬碟電路接口，並直接支持Ultra-DMA66高速數據傳送模式的硬碟以實現數位電視節目的實時錄製，視頻解碼流可以以ITU-R601_656格式數據流輸出或者以複合視頻信號CVBS 、分量信號RGB和YUV等不同模擬模式輸出，支持Teletext解碼輸出，同時提供對兩路SIM卡接口，利於擴展銀行卡等高級應用。由於STi5514去掉了1394接口，故需外接1394控制器(如STE422等)來擴展基於1394的視頻輸入。
1.2 ST40GX1功能特點和結構
ST40GX1集成了SH-4 32位RISC處理器內核，Gamma 2D圖像處理、混合模塊以及其它視頻電路接口邏輯。
ST40GX1是交互式應用的處理核心，包括系統設備和外設兩個方面。
1.2.1 系統設備
ST40GX1系統設備包括中央處理器CPU 、用於DSP功能的浮點運算單元/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，2通道超標量體系結構主頻166MHz，16位指令定長Load-Store結構 8KB直接指令緩存，16KB直接操作數緩存，帶有一個片上乘法器。
存儲器支持4G的存儲空間，支持單塊或多塊虛擬內存模式。頁面大小可以為1KB、4KB、64KB或1MB。支持4通道全相關指令ITLB(Instruction Translation Lookaside Buffer)、64通道全相關指令以及操作數UTLB。支持軟體控制的更新算法以及隨機計數的更新算法。這為32位保護模式下的作業系統提供了完備的硬體平臺。
通用DMA控制器支持5個通道的數據傳輸，其中4個通道可以用於存儲器到存儲器或存儲器到外設之間的數據傳送，另外一個通道為帶緩衝的多路複合通道。支持2D塊的搬動以及鍊表操作。兩個通道的DMA握手信號和EMI接口信號被用於MPX總線操作。
1.2.2 外設接口模塊
外設接口模塊包括通用接口模塊和視頻專用接口模塊。
通用接口模塊包括兩個與ST40系列處理器兼容的全雙工異步串行通信埠、中斷控制器、符合IEEE1149規範的調試控制器、實時時鐘、4個用戶可編程的PLL、24位輸入輸出方向可配置的並行I/O口，兩個符合v1.1規範的USB主控制器和收發器、Modem模擬前端接口MAFE、兩個可配置為支持I2C或SPI總線接口標準的同步串行控制器(SSC0SSC1)、Teletext輸入接口、兩個使用異步協議的SmartCard接口、用於和外部微處理器通信的存儲映射郵箱(Mailbox)，符合PCI2.1規範的PCI接口控制器、兩路音頻PCM輸入接口和一路PCM輸出接口等。
視頻專用接口以及處理模塊包括字視頻輸入埠和2D圖像處理器。
兩個CCIR601-656視頻輸入埠(DVP0，DVP1)可以同時輸入YCbCr 4：2：2格式的視頻數據，並將其裝入局部存儲器。對沒有內嵌同步信號的視頻還根據SAV/EAV協議提供了外同步信號支持，用戶可以從輸入的視頻圖像中設定視頻捕獲窗口以及活動窗口的子窗口。數字編碼器(DENC)將數字視頻流轉換為標準的模擬基帶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位的數字視頻流。 2D圖像處理器(或圖像塊傳送引擎)擁有兩個2D DMA圖像數據輸入源，可完成一整套強大處理操作。除了完成普通2D圖形加速功能外，還可完成不同圖形格式(RGB/YUV等)之間的轉換，其中包括塊填充、塊拷貝、異步複合、色彩變換以及2D縮放處理等功能。
2 基於STi5514和ST40GX1的系統構成
根據STi5514和ST40GX1的功能特點提出的系統總體結構方案如圖1所示。
2.1 前端解碼部分
由於STi5514內置三路TS流解擾通道，故採用雙路的Turner+STV0297QAM解調器同時解調兩個頻道的基於DVB-C的視頻數據傳輸流。充分利用STi5514的硬體解擾、控制處理以及解碼能力，可以實現畫中畫功能。其中Turner可以採用MicroTune的MT2040單晶片調諧器以節省空間和成本。此外，通過外接STE422，對IEEE1394接口輸入提供支持。
2.2 後端解碼部分
後端解碼由STi5514完成。STi5514通過外接8MB共享的SDRAM完成在信道解調、解復用以及解碼過程中所需要的存儲資源，STi5514通過MPX總線共享位於ST40GX1 EMI接口上的16MB FLASH。通過ATA接口外接硬碟存儲器以擴展VCR應用。STi5514解碼後的符合ITU-R601_656標準的視頻數據通過視頻輸出埠直接輸入到ST40GX1的兩路視頻輸入埠中的DVP0。STi5514向ST40GX1發送27MHz的像素時鐘以及同步信號，以確保STi5514視頻數據正確接收。
2.3 圖形處理及便於交互式應用的網絡接口
交互式應用硬體實現部分由ST40GX1以及相應的網絡接口完成。
2.3.1 ST40GX1二維圖形處理
ST40GX1接收來自STi5514輸入的解碼視頻流，並經過插值、色彩空間坐標變換後，與網頁瀏覽等其它視頻流進行透明度處理(Alpha blending)、飽和度處理(Gamma Processing)等複合處理，形成統一的視頻幀緩存數據，並通過內部的DENC將其編碼為模擬電視能接收處理的複合視頻信號CVBS、SVideo或分量信號RGB、YUV等輸出。
由於ST40GX1只支持3.3V的PCI接口，可通過Intel的SB21150BC擴展3.3V或5V的PCI插槽;在需要3D圖像處理的情況下，可以外插PCI 3D圖形加速卡來實現。
2.3.2 網絡接口
考慮到網絡接口的寬帶接入方式要求，利用ST40GX1對外部提供的PCI總線接口，集成Cable Modem、Ethernet等高速接口。
2.3.2.1 Cable Modem
選擇符合Docsis1.1/Euro-docsis1.1規範的Cable Modem前端單晶片接口晶片STV0396作為Cable Modem解決方案，這一部分既可以作為一個獨立的PCI卡來設計，也可以將其直接嵌入母板上。STV0396是一個高度集成的調製解調系統，包括支持上行和下行符合DOCSIS1.1規範的物理層規範接口，媒體接入控制(MAC)以及功能強大的32位ST20 RISC處理器、PCI、EMI/MPX等與ST40GX1相兼容的外部接口。STV0396採用316管腳的BGA封裝，除需外接雙向調諧器外，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鐘等，才能實現與線纜頭端設備CMTS 之間的通信連接。其典型接口電路如圖2所示。
2.3.2.2 乙太網接口
選擇基於RTL8139C的3.3V乙太網晶片組作為接口晶片，主要考慮到該晶片具有高度集成、在嵌入式系統中使用廣泛以及10/100M自適應特性、自帶PCI接口、在類Linux作業系統下驅動程序容易找到等優點。RTL8139採用128管腳的 QPF/LQPF封裝，並通過PCI總線接口與ST40GX1相連接。
2.3.2.3 V.90軟體Modem的支持
對V.90軟體Modem的支持，直接利用ST40GX1的Modem前端接口MAFE來完成。不使用硬體Modem是考慮到充分利用ST40GX1的運算處理能力以降低成本。
2.4 啟動及通訊
ST40GX1與STi5514通過配置各自MPX總線接口的主/從(Initiator/target)方式來決定系統的啟動順序。在這裡，由於系統啟動代碼位於ST40GX1的局部FLASH中，故將ST40GX1配置為主(Initiator)，將STi5514配置為從(target)。具體的啟動順序為：ST40GX1首先控制MPX總線並且先啟動，在啟動期間阻止STi5514使用MPX總線，直到其完全完成從Flash裡面讀取啟動代碼和初始化為止。接著ST40GX1利用MPX總線拷貝STi5514的啟動程序以及應用程式代碼到自己的LMI DDR內存中。拷貝完成後，ST40GX1釋放並允許STi5514控制MPX總線，STi5514從ST40GX1的DDR SDRAM中拷貝自己的啟動程序及應用程式代碼。借鑑這一點，通過MPX總線可以實現多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被固定映射於ST40GX1存儲空間的基地址0x1B150000處，該寄存器對兩個CPU都能產生中斷信號。通過Mailbox寄存器，ST40GX1與STi5514能實現進程同步、消息傳遞等進程間通信。
本文較為詳細地介紹了基於ST40GX1和STi5514的高性能網絡交互式數位電視機頂盒的系統構成及實現。雖然低端的基本付費/免費數位電視機頂盒會在很長時間內成為消費者的選擇，但隨著用戶對功能需求的增加以及有線運營商服務內容的豐富，為用戶提供此類高端應用的數位電視機頂盒也會得到日益廣泛的應用。
責任編輯：gt
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