基于ST40GX1與STi5514網(wǎng)絡(luò)交互式數(shù)字機頂盒硬件設(shè)計
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從硬件發(fā)展上來看，交互式機頂盒、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，這些獨立部分是通過總線方式連接在一起的。改進系統(tǒng)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(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(guān)測試表明，總線瓶頸使得CPU的執(zhí)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，并不能提高性價比。改善總線瓶頸可以通過改進或增加系統(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頂盒、數(shù)字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(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(yīng)用的一個重要方面。
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時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STBus實現(xiàn)互聯(lián)，前者負責(zé)實時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(nèi)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(nèi)部32位RISC CPU工作主頻為120MHz在外接V.90的硬件Modem條件下，可以通過電話線進行窄帶交互式應(yīng)用，如進行基于電話線回傳的視頻點播、低速Internet瀏覽等。
與ST公司早先推出的單芯片解碼器STi5512相比，除一般功能接口相同外，其突出特點是：指令和數(shù)據(jù)緩沖都增加了一倍，同時并發(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現(xiàn)數(shù)字電視節(jié)目的實時錄制，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，同時提供對兩路SIM卡接口，利于擴展銀行卡等高級應(yīng)用。由于STi5514去掉了1394接口，故需外接1394控制器(如STE422等)來擴展基于1394的視頻輸入。
1.2 ST40GX1功能特點和結(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(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(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計數(shù)的更新算法。這為32位保護模式下的操作系統(tǒng)提供了完備的硬件平臺。
通用DMA控制器支持5個通道的數(shù)據(jù)傳輸，其中4個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，另外一個通道為帶緩沖的多路復(fù)合通道。支持2D塊的搬動以及鏈表操作。兩個通道的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、實時時鐘、4個用戶可編程的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(xié)議的SmartCard接口、用于和外部微處理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。
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CCIR601-656視頻輸入端口(DVP0，DVP1)可以同時輸入YCbCr 4：2：2格式的視頻數(shù)據(jù)，并將其裝入局部存儲器。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(shù)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(shù)據(jù)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(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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