數(shù)字電視機(jī)卡分離的條件接收卡系統(tǒng)

　　數(shù)字電視機(jī)卡分離

　　字電視是從電視節(jié)目錄制、播出到發(fā)射、接收全部采用數(shù)字編碼與數(shù)字傳輸?shù)募夹g(shù)。由于數(shù)字電視廣播具有頻道利用率高以及可適應(yīng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的增加、可交互操作等方面的優(yōu)勢，被視為電視廣播領(lǐng)域的一次大革命。數(shù)字電視的條件接收系統(tǒng)(Conditional Access Systems，簡稱CAS)對數(shù)字電視用戶進(jìn)行節(jié)目授權(quán)和收視管理，是數(shù)字電視廣播業(yè)務(wù)發(fā)展中的重要組成部分之一。

　　采用開放的機(jī)卡分離結(jié)構(gòu)是條件接收系統(tǒng)的未來重要發(fā)展趨勢。機(jī)卡分離是通過在用戶接收終端上定義了一個通用物理接口以及相關(guān)的接口通訊協(xié)議，將公共的高成本的數(shù)字電視接收系統(tǒng)與專用的私有條件接收用戶管理系統(tǒng)分離開來，這樣就解決了收視與收費(fèi)的捆綁問題。目前，機(jī)卡分離模式在國際上的實(shí)現(xiàn)方法是：采用一種與PCMCIA插口兼容的物理接口來實(shí)現(xiàn)。歐洲的DVB組織發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)稱之為DVB-CI，美國也有一個類似的標(biāo)準(zhǔn)稱之為POD。新頒布的PCMCIA 8.0標(biāo)準(zhǔn)文檔中已經(jīng)將此兩種接口的定義包含進(jìn)去了。而這個裝載條件接收內(nèi)容的PCMCIA卡簡稱為數(shù)字電視條件接收卡，可以簡稱為CAM(Conditional Access Module)。

　　建立了機(jī)卡分離標(biāo)準(zhǔn)，在電視機(jī)上開啟了一個標(biāo)準(zhǔn)插口之后，其意義不僅解決了公共收視與私有管理的難題，其巨大的意義還體現(xiàn)在：從此作為家用消費(fèi)品的數(shù)字電視機(jī)有了升級性能和擴(kuò)充功能的途徑。就象PC機(jī)目前的發(fā)展規(guī)模，與PC機(jī)的ISA、PCI、APG等接口的持續(xù)標(biāo)準(zhǔn)化有著不可分割的關(guān)系。我們不難想象，如果計算機(jī)沒有標(biāo)準(zhǔn)化的可擴(kuò)充接口，其行業(yè)是難以取得這么大的成功的。在數(shù)字電視領(lǐng)域中，機(jī)卡分離接口標(biāo)準(zhǔn)的制訂以及數(shù)字電視機(jī)上的標(biāo)準(zhǔn)接口的開啟，將會把數(shù)字電視引入到一個多姿多采的發(fā)展領(lǐng)域中去。比如：對于不同的節(jié)目信號傳送方式(無線廣播、有線電纜、衛(wèi)星、數(shù)字音頻廣播)，可以通過在CI接口(機(jī)卡分離通用接口，下面將統(tǒng)稱為CI接口)上插入不同形式的接收模塊就可以了；對于我們在數(shù)碼相機(jī)存儲卡上保存的照片，可以通過一個通用存儲卡讀寫器模塊在電視機(jī)上瀏覽；通過寬帶IP接收模塊，可以在電視機(jī)上欣賞網(wǎng)上的各類流節(jié)目以及進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的雙向傳輸；可以通過網(wǎng)關(guān)模塊，將電視機(jī)與其他電器設(shè)備連接成一個家庭數(shù)字網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；通過帶硬盤錄象的模塊，用戶可以錄制有許可認(rèn)證的節(jié)目等等。這樣，作為節(jié)目媒體播放的數(shù)字電視工業(yè)，將來其發(fā)展的趨勢和潛力，已經(jīng)不是我們可以概括和預(yù)計得了的。

　　作為最基本的條件接收卡，其結(jié)構(gòu)一般是以一個高性能的32位SOC芯片為核心，配合一些專用的傳輸流處理電路、智能卡接口電路、DVB通用接口以及DVB通用解擾電路組成。根據(jù)不同CA的要求，有些特殊的條件接收卡還包括一些特殊的加/解密數(shù)據(jù)處理模塊、特殊的智能卡接口。此外，為了打擊不斷增長的節(jié)目盜版盜錄行為，國外最近還出現(xiàn)了一些帶防拷貝和帶版權(quán)保護(hù)的卡。圖1是機(jī)卡分離的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)示意圖。

　　SM1658芯片

　　SM1658是我們設(shè)計的條件接收卡專用SOC芯片，它采用廣泛流行的32位的ARM7TDMI作為CPU核，配合全新設(shè)計的內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)和配置齊全的內(nèi)部功能模塊，基本上只需要少量的外部器件，就可以完成條件接收卡除版權(quán)保護(hù)之外的所有功能。SM1658集成了一般的SOC芯片都具有的存儲器管理、中斷控制器、定時器、看門狗、異步串口通訊、PLL等常用電路模塊外，還在內(nèi)部集成了256K字節(jié)的高速SRAM、SmartCard接口、PCMCIA(DVB-CI)接口、高速TS傳輸流解復(fù)用/過濾引擎和DVB通用解擾器等模塊。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　SM1658的存儲器管理除了支持內(nèi)部的高速SRAM外，還可以支持最多3個外部存儲器(必須最少有一個是FLASH)。外部每個存儲器塊的最大容量可以支持到4M字節(jié)。在芯片內(nèi)部集成的256K字節(jié)的高速SRAM效率非常高，可以以零等待周期的速度單時鐘周期高速執(zhí)行系統(tǒng)的核心程序，大大提高了芯片的關(guān)鍵程序的處理能力。

　　SM1658的中斷控制器可以提供32路的中斷管理。我們在中斷處理機(jī)制上采用了比較先進(jìn)的電路結(jié)構(gòu)，在中斷產(chǎn)生后，程序可以從ARM的中斷地址(例如：IRQ中斷為0x18地址)直接跳轉(zhuǎn)到中斷控制器的中斷向量表并可迅速執(zhí)行中斷程序，這樣就大大加快了此SOC芯片的中斷響應(yīng)速度。
CI物理接口是PCMCIA8.0標(biāo)準(zhǔn)版本中的一個子集。其中的物理接口又可以分為傳輸節(jié)目流通道和命令通道。SM1658的CI接口在硬件結(jié)構(gòu)上提供了雙向緩沖，在主機(jī)和卡之間建立了一個比較高速的數(shù)據(jù)通道。此外，作為一個PCMCIA設(shè)備，芯片還提供了一個可以靈活配置的CIS存儲器。
芯片內(nèi)部還提供3個16位的定時器以及一個32位的看門狗計數(shù)器。每個定時器還包含一個8位的預(yù)分頻器。如果不需要看門狗功能，還可以將它配置為一個32位的定時器使用。

　　在SM1658芯片的時鐘設(shè)計中，我們還集成了一個可軟件配置的PLL電路，稱之為動態(tài)時鐘電路。我們通過軟件對芯片的PLL和相應(yīng)的控制寄存器進(jìn)行編程，可以讓芯片的時鐘隨時動態(tài)調(diào)整，降低芯片在輕任務(wù)負(fù)載下的功耗。同時也可以適應(yīng)不同的外部輸入時鐘頻率，充分適應(yīng)生產(chǎn)中的變化需求。

　　在SM1658中的智能卡接口是按照ISO7816標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)的。為了充分節(jié)省外部器件，我們在SM1658中實(shí)現(xiàn)了完整的智能卡接口，不需要任何外部的接口芯片。同時，為了充分適應(yīng)不同智能卡的電氣要求，用戶還可以通過軟件對接口進(jìn)行配置，搭配適當(dāng)?shù)耐獠糠至⑵骷赃m應(yīng)不同的工作電源、信號電平和ESD要求，充分適應(yīng)不同使用環(huán)境中的差別。流處理引擎，用來對CI接口傳送過來的節(jié)目傳輸流進(jìn)行整形、過濾、提取特定數(shù)據(jù)、解擾以及回送解擾后的節(jié)目流等。在此引擎中，包含了64個PID過濾器、16個SECTION過濾器、支持高清節(jié)目流的DVB通用加擾算法。

　　SM1658芯片采用0.18mm 1P6M的邏輯CMOS工藝生產(chǎn)，采用LQFP144封裝，常溫下工作頻率可以達(dá)到120MHz以上，在以內(nèi)部存儲器運(yùn)行基準(zhǔn)測試程序的測試中，其性能指標(biāo)可以接近120MIPs Dhrystone 2.1，基本上達(dá)到了ARM7TDMI的理論值水平。

    當(dāng)SM1658工作在60MHz的頻率下時，其核心電源功率消耗小于85mW。

　　條件接收卡結(jié)構(gòu)

　　由于SM1658的設(shè)計比較完善，包含了除程序存儲器之外的所有功能模塊，所以采用SM1658設(shè)計的條件接收卡就非常的簡潔。只要加入FLASH存儲器、時鐘電路和電源電路就可以構(gòu)成一個功能比較完善的條件接收卡了，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。
　　由于SM1658需要雙電源工作，所以從主機(jī)送過來的5伏電源就需要轉(zhuǎn)換成3.3伏和1.8伏?？梢圆捎锚?dú)立或者一體化的電源芯片來完成此功能。
　　SM1658不包含時鐘發(fā)生電路，需要由外部提供一個3.3伏的時鐘信號。時鐘頻率可以從4MHz到30MHz之間。由于芯片可以通過軟件來最終確定芯片的工作頻率，所以可以任意選擇合適的輸入時鐘頻率，內(nèi)部的軟件除了設(shè)置PLL的部分需要變化之外，其他部分基本上不受影響。

　　SM1658支持各種類型的8/16位的NOR FLASH存儲器。用戶可以根據(jù)設(shè)計需要，選擇價格和性能合適的產(chǎn)品。

　　條件接收卡軟件體系

　　SM1658的軟件體系可以分為兩個大的部分：底層API庫(應(yīng)用程序接口)和用戶應(yīng)用程序。API庫完成與芯片硬件相關(guān)的所有驅(qū)動和上層軟件開發(fā)需要的一些基本和專用的函數(shù)庫(包括OS系統(tǒng)的基本功能函數(shù))，用戶在API庫的基礎(chǔ)上可以比較方便的建立起用戶應(yīng)用程序 (包括移植CA程序)。

　　API庫又可以分為底層硬件驅(qū)動函數(shù)庫、基本應(yīng)用服務(wù)函數(shù)庫和高級應(yīng)用服務(wù)函數(shù)庫。

　　SM1658的底層驅(qū)動程序包括基本設(shè)備如定時器、看門狗、存儲器管理、中斷管理、串口等設(shè)備的驅(qū)動之外，還包括專用的智能卡SmartCard接口、機(jī)卡分離CI接口、TS流處理引擎驅(qū)動等特定設(shè)備的物理驅(qū)動。底層驅(qū)動的功能是完成設(shè)備的初始化配置、工作狀態(tài)的變換、基本數(shù)據(jù)包的發(fā)送接收校驗(yàn)、與其他設(shè)備的握手、錯誤狀態(tài)的處理等與硬件密切相關(guān)的基本處理工作。

　　基本應(yīng)用服務(wù)包括TS流處理狀態(tài)的管理、CI命令通道數(shù)據(jù)的管理，SMARTCARD的底層協(xié)議實(shí)現(xiàn)等功能，包括OS系統(tǒng)的底層管理功能。它提供了一些比較底層的函數(shù)，用戶可以通過這些函數(shù)的調(diào)用，比較深入仔細(xì)的控制芯片的一些工作狀態(tài)。也可以針對應(yīng)用中的一些特殊情況，優(yōu)化　　某些應(yīng)用任務(wù)的性能。

　　高級應(yīng)用服務(wù)實(shí)現(xiàn)具體的各個設(shè)備的資源管理、用戶顯示界面MMI管理、CAT和EMM數(shù)據(jù)的管理、SmartCard的應(yīng)用接口以及OS系統(tǒng)的高層管理功能。它提供了一些比較上層或抽象的函數(shù)調(diào)用。用戶通過對這些函數(shù)的調(diào)用，可以比較簡單的完成一些任務(wù)和功能，讓用戶比較專注的建立應(yīng)用體系的內(nèi)容。此外，我們還比較完整的實(shí)現(xiàn)了兩套通訊協(xié)議接口，它們分別是DVB-CI協(xié)議和SMARTCARD的7816協(xié)議。

　　在OS系統(tǒng)方面，我們采用了非常靈活的ECOS作為此嵌入系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。ECOS有非常方便的可訂制的配置模式，特別適合本系統(tǒng)及將來擴(kuò)充模式的需要。

　　實(shí)現(xiàn)一個基本的數(shù)字電視條件接收卡(CAM)的功能，用戶需要實(shí)現(xiàn)三個方面的處理，包括用戶操作處理、錯誤信息處理和傳輸流信息處理。這三個方面的處理基本可以概括到一個條件接收卡的最基本功能了。

　　用戶操作處理完成CAM卡的主要功能部分，它又可以分為節(jié)目切換處理、菜單呼叫處理和卡狀態(tài)變化處理。

　　節(jié)目切換處理是指在用戶更改節(jié)目收看頻道后，通過主機(jī)發(fā)送信息給條件接收卡，由CAM卡重新過濾分析傳輸流的結(jié)構(gòu)和相關(guān)信息表，并針對新的信息表判斷節(jié)目的授權(quán)類別，還需要過濾出合適的ECM信息提供給智能卡，修改過濾器配置條件，重新安排節(jié)目傳輸流的處理和解擾過程。這個操作流程是條件接受卡處理的主要任務(wù)之一。

　　呼叫菜單處理完成用戶對于與條件接收卡有關(guān)的部分信息查詢的回應(yīng)和顯示，還包括用戶對某些狀態(tài)的設(shè)置的處理。比如CAM卡的狀態(tài)查詢、智能卡有關(guān)信息的查詢、閱讀郵件以及將來可能發(fā)展的EPG等可擴(kuò)展內(nèi)容的瀏覽，還有用戶直接要求進(jìn)行在線升級、進(jìn)行節(jié)目點(diǎn)播、兒童節(jié)目授權(quán)等操作。

　　卡狀態(tài)處理是對用戶卡的插入、拔出等有關(guān)動作及后續(xù)處理的部分。

　　錯誤信息處理主要是對條件接收卡的一些內(nèi)部錯誤信息進(jìn)行處理、顯示的部分。

　　傳輸流信息處理是對包含在節(jié)目流中的有關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集和處理的部分。包括在線升級及提示、郵件接收及向用戶通知等內(nèi)容。
用戶在已有的API庫函數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)ECOS系統(tǒng)的編程要求，建立起不同的任務(wù)、進(jìn)程和主體程序結(jié)構(gòu)，并將有關(guān)CA以及其他中間件的API庫函數(shù)合并起來，就可以完成一個基本的數(shù)字電視條件接收卡(CAM)的基本框架了。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1、ARM7TDMI(Rev4) Technical Reference Manual

　　2、ISO/IEC 7816 Specification