基于ST40GX1與STi5514網(wǎng)絡(luò)交互式數(shù)字機(jī)頂盒硬件設(shè)計(jì)
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從硬件發(fā)展上來看，交互式機(jī)頂盒、數(shù)字電視已從早期的由分立器件構(gòu)成而發(fā)展到由現(xiàn)代單芯片解決。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，也是最大程度降低系統(tǒng)成本的必然要求?，F(xiàn)代單芯片解決方案的機(jī)頂盒一般集成了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，通常是從提高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的不足，并不能提高性價(jià)比。改善總線瓶頸可以通過改進(jìn)或增加系統(tǒng)互連總線來完成，如松下公司的Cross Switch解決方法，使等待時(shí)間減小到50%。但這些必將增加芯片制造中互連線的復(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像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)的雙向改造以及它與電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)三網(wǎng)合一進(jìn)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(jī)頂盒應(yīng)用的一個(gè)重要方面。
為解決上面提出的問題，選擇了ST Microelectronics 公司最近推出的基于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。STi5514和ST40GX1內(nèi)部都采用了高速的先進(jìn)STBus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 Peripheral Exchange)總線以及存儲(chǔ)映射的郵箱(Mailbox)來進(jìn)行。通過主頻達(dá)100MHz的MPX總線，STi5514能直接存取ST40GX1上可高達(dá)256MB的DDR SDRAM存儲(chǔ)資源。
1.1 STi5514功能特點(diǎn)及接口
STi5514主要完成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120MHz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公司早先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。
1.2 ST40GX1功能特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)
ST40GX1集成了SH-4 32位RISC處理器內(nèi)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(yīng)用的處理核心，包括系統(tǒng)設(shè)備和外設(shè)兩個(gè)方面。
1.2.1 系統(tǒng)設(shè)備
ST40GX1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(chǔ)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(biāo)量體系結(jié)構(gòu)主頻166MHz，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，帶有一個(gè)片上乘法器。
存儲(chǔ)器支持4G的存儲(chǔ)空間，支持單塊或多塊虛擬內(nèi)存模式。頁面大小可以為1KB、4KB、64KB或1MB。支持4通道全相關(guān)指令I(lǐng)TLB(Instruction Translation Lookaside Buffer)、64通道全相關(guān)指令以及操作數(shù)UTLB。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。
通用DMA控制器支持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(chǔ)器到存儲(chǔ)器或存儲(chǔ)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。支持2D塊的搬動(dòng)以及鏈表操作。兩個(gè)通道的DMA握手信號和EMI接口信號被用于MPX總線操作。
1.2.2 外設(shè)接口模塊
外設(shè)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(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)試控制器、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，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(SSC0SSC1)、Teletext輸入接口、兩個(gè)使用異步協(xié)議的SmartCard接口、用于和外部微處理器通信的存儲(chǔ)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。
視頻專用接口以及處理模塊包括字視頻輸入端口和2D圖像處理器。
兩個(gè)CCIR601-656視頻輸入端口(DVP0，DVP1)可以同時(shí)輸入YCbCr 4：2：2格式的視頻數(shù)據(jù)，并將其裝入局部存儲(chǔ)器。對沒有內(nèi)嵌同步信號的視頻還根據(jù)SAV/EAV協(xié)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(shè)定視頻捕獲窗口以及活動(dòng)窗口的子窗口。數(shù)字編碼器(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圖像處理器(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(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。
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