數(shù)字電視條件接收卡SoC SM1658的硬件結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法（上）

作者：謝文剛 深圳市國(guó)微技術(shù)有限公司技術(shù)總監(jiān)


數(shù)字電視從電視節(jié)目錄制、播出到發(fā)射、接收全部采用數(shù)字編碼與數(shù)字傳輸技術(shù)。由于數(shù)字電視廣播具有頻道利用率高，可適應(yīng)各種數(shù)據(jù)傳輸、適應(yīng)各類圖像質(zhì)量、可交互操作等方面的優(yōu)勢(shì)，被各國(guó)視為新世紀(jì)的戰(zhàn)略技術(shù)。伴隨著電視廣播的全面數(shù)字化，傳統(tǒng)的電視媒體將在技術(shù)、功能上逐步與信息、通信領(lǐng)域的其它手段相互融合，從而形成全新的、龐大的數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)。

數(shù)字電視的條件接收系統(tǒng)(CAS)是用于對(duì)數(shù)字電視用戶進(jìn)行節(jié)目授權(quán)和管理的部分，是數(shù)字電視廣播中的重要組成部分之一。而其中采用開(kāi)放的機(jī)卡分離結(jié)構(gòu)又是條件接收系統(tǒng)的未來(lái)重要發(fā)展趨勢(shì)。機(jī)卡分離是通過(guò)在用戶接收終端上定義了一個(gè)通用物理接口以及相關(guān)的接口通訊協(xié)議，將通用的適宜于大規(guī)模生產(chǎn)的電視接收系統(tǒng)與私有的CAS管理系統(tǒng)分離開(kāi)來(lái)。目前，機(jī)卡分離模式在國(guó)際上通行的實(shí)現(xiàn)方法是：采用一種與便攜電腦上的PCMCIA插口類似的物理接口來(lái)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(guó)也有一個(gè)類似的標(biāo)準(zhǔn)稱之為POD。事實(shí)上新的PCMCIA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。而這其中裝載條件接收處理內(nèi)容的PCMCIA卡簡(jiǎn)稱為數(shù)字電視條件接收卡，可以簡(jiǎn)稱為CAM(條件接收模塊)。

事實(shí)上，建立了機(jī)卡分離標(biāo)準(zhǔn)，在電視機(jī)上開(kāi)啟了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)插口之后，其意義并不僅僅在于解決了公共收視與私有管理的難題，其巨大的意義還將體現(xiàn)在從此作為家用消費(fèi)品的數(shù)字電視機(jī)有了升級(jí)性能和擴(kuò)充功能的途徑。就像PC機(jī)目前的發(fā)展規(guī)模，與PC機(jī)的ISA、PCI、APG等接口的標(biāo)準(zhǔn)化有著不可分割的關(guān)系。我們難以想象，如果計(jì)算機(jī)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化的可擴(kuò)充接口，其行業(yè)還能否取得這么大的成功。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(kāi)啟，將會(huì)把數(shù)字電視引入到一個(gè)多姿多彩的發(fā)展領(lǐng)域中去。比如：對(duì)于不同的節(jié)目信號(hào)傳送方式(無(wú)線廣播、有線電纜、衛(wèi)星、數(shù)字音頻廣播)，可以通過(guò)在CI接口(機(jī)卡分離通用接口)上插入不同形式的接收模塊就可以了；對(duì)于我們?cè)跀?shù)碼相機(jī)存儲(chǔ)卡上保存的照片，可以通過(guò)一個(gè)通用存儲(chǔ)卡讀寫器模塊在電視機(jī)上瀏覽；通過(guò)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(guò)網(wǎng)關(guān)模塊，將電視機(jī)與其他電器設(shè)備連接成一個(gè)家庭數(shù)字網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；通過(guò)帶硬盤錄象模塊，用戶可以錄制有許可認(rèn)證的節(jié)目等等。將來(lái)其發(fā)展的趨勢(shì)和潛力更難以預(yù)計(jì)。
圖1：機(jī)卡分離結(jié)構(gòu)示意圖。


CAM的結(jié)構(gòu)一般可以是以一個(gè)高性能的32位SoC芯片為核心，配合智能卡接口、CI接口、專用的TS傳輸流處理引擎、DVB通用解擾等部分組成。CAM卡的體積空間非常有限，卻要實(shí)現(xiàn)一個(gè)能處理高清電視節(jié)目流的高速32位嵌入式系統(tǒng)，所以其核心的SoC芯片的規(guī)模和性能就成了關(guān)鍵點(diǎn)。

我們通過(guò)對(duì)歐洲的DVB-CI標(biāo)準(zhǔn)的潛心研究，結(jié)合自身在嵌入式產(chǎn)品領(lǐng)域和集成電路領(lǐng)域的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)以ARM7TDMI為核心的SoC技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，成功的開(kāi)發(fā)出了性能和集成度在國(guó)際上領(lǐng)先的CAM芯片SM1658，同時(shí)大幅度降低了CAM的生產(chǎn)成本，消除了大規(guī)模推廣機(jī)卡分離標(biāo)準(zhǔn)的價(jià)格瓶頸。

CAM結(jié)構(gòu)及硬件體系

SM1658是一個(gè)典型的用于CAM系統(tǒng)的專用嵌入式微處理器，它集成了一個(gè)CAM的全部主要功能模塊，以它為核心構(gòu)成的CAM結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。

SM1658采用了廣泛流行的32位的ARM7TDMI作為CPU核，除了集成一般的SoC芯片具有的存儲(chǔ)器管理、中斷控制器、定時(shí)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256KB的高速SRAM、智能卡接口、PCMCIA(DVB-CI)接口、高速TS流解復(fù)用/過(guò)濾引擎和DVB通用解擾器等模塊。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，只需要一片外接的FLASH程序存儲(chǔ)器芯片就可以構(gòu)成一個(gè)高性能CAM卡。

SM1658的存儲(chǔ)器管理模塊可以總共支持4個(gè)存儲(chǔ)器段，此存儲(chǔ)器部分可以是內(nèi)部、外部的SRAM或者外部的FLASH，每個(gè)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)線寬度、讀寫速度可以由軟件初始化配置。每個(gè)存儲(chǔ)器段的最大容量可以支持到4M字節(jié)，四個(gè)存儲(chǔ)器段最大可以支持到16M字節(jié)的容量。其中，在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)器是256KB的高速內(nèi)部SRAM，它可以無(wú)等待周期的速度高速執(zhí)行系統(tǒng)的核心程序，大大提高芯片關(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。每路中斷可以選擇優(yōu)先級(jí)別、觸發(fā)上/下邊沿、脈沖/電平觸發(fā)選擇，提供了中斷屏蔽、中斷保留、軟觸發(fā)等豐富的中斷管理特性。CI物理接口是PCMCIA標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)子集?？梢苑譃門S流通道和命令通道。我們的CI接口完全符合DVB-CI的接口標(biāo)準(zhǔn)，并且在硬件結(jié)構(gòu)上提供了雙向緩沖、CIS存儲(chǔ)器和靈活的狀態(tài)、控制寄存器。

芯片內(nèi)部還提供3個(gè)16位的定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器都帶有可選擇的8位預(yù)分頻器。芯片的看門狗是32位的，如果不需要看門狗，可以配置為一個(gè)32位的定時(shí)器使用。

設(shè)計(jì)特色

1. 簡(jiǎn)潔的高效率本地總線

在SoC設(shè)計(jì)中，內(nèi)部及外部總線的選擇是一個(gè)非常重要的因素，一個(gè)高效、簡(jiǎn)潔的總線可以讓芯片的運(yùn)行效率和可擴(kuò)充性提高。

在ARM結(jié)構(gòu)體系的SoC芯片設(shè)計(jì)中，ARM公司一般推薦采用標(biāo)準(zhǔn)的AMBA總線來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，ARM7TDMI核本身還帶有一個(gè)簡(jiǎn)單的內(nèi)部總線。在決定采用的總線規(guī)范前，我們對(duì)SM1658的體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行了下面的分析。

AMBA總線的優(yōu)點(diǎn)之一就是可以支持多個(gè)主設(shè)備的調(diào)用、裁決和數(shù)據(jù)的流水處理。在SM1658中，只有一個(gè)主設(shè)備ARM7TDMI，其他模塊電路都處于從設(shè)備狀態(tài)，由CPU統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)度，而且所有的外部從設(shè)備都與主設(shè)備采用相同的時(shí)鐘，可以在單個(gè)時(shí)鐘內(nèi)立即響應(yīng)CPU的訪問(wèn)。因此，在這個(gè)方面采用ARM7本地的總線更有優(yōu)勢(shì)。

如果使用AMBA總線，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以使用大量的第三方IP模塊，這些IP模塊都符合AMBA總線的規(guī)范要求，并且經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的驗(yàn)證。在SM1658的芯片設(shè)計(jì)中，我們?yōu)榱俗畲蟪潭鹊慕档托酒某杀?，同時(shí)客觀上也由于重要的模塊電路都沒(méi)有合適的IP可以使用，所以我們自己設(shè)計(jì)了所有的電路模塊。那么，想通過(guò)使用IP來(lái)節(jié)省的開(kāi)發(fā)時(shí)間就沒(méi)有可行性了。

此外，如果使用AMBA總線，就必須在原有的ARM7TDMI的三級(jí)流水線上增加一級(jí)流水線，并將ARM7TDMI的雙時(shí)鐘邊沿的總線結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閱螘r(shí)鐘邊沿的總線結(jié)構(gòu)，這樣可以簡(jiǎn)化芯片后期的設(shè)計(jì)工作量。但是，這樣對(duì)于某些跳轉(zhuǎn)指令就多損失了一個(gè)時(shí)鐘周期，降低了CPU的工作效率。此外，使用AMBA總線，CPU和每個(gè)模塊都需要增加AMBA總線的接口邏輯，增加了芯片的規(guī)模和成本。
圖2：SM1658基本結(jié)構(gòu)。


最后，我們從芯片的最大使用效率和簡(jiǎn)化邏輯控制的方面出發(fā)，決定采用ARM7TDMI自身的本地總線。使用ARM7的本地總線有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：ARM7的本地總線狀態(tài)相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要進(jìn)行相對(duì)復(fù)雜的AMBA總線協(xié)議驗(yàn)證；對(duì)模塊的接口功能要求低，接口電路非常簡(jiǎn)單；減少了流水線長(zhǎng)度，在一個(gè)最高時(shí)鐘由IP硬核固定了的SoC芯片中，流水減少就意味著芯片的代碼執(zhí)行效率的提高。同時(shí)，對(duì)于ARM7總線上的雙邊沿時(shí)鐘問(wèn)題進(jìn)行嚴(yán)格的約束和驗(yàn)證，確保了芯片后期設(shè)計(jì)的正確性。

2. 帶有軟件冗余的內(nèi)部SRAM

ARM7TDMI是一款沒(méi)有內(nèi)部高速緩存的CPU核，對(duì)于慢速的SRAM、FLASH存儲(chǔ)器的只能空閑等待。即使采用了高速的外部SRAM，由于數(shù)據(jù)接口寬度和芯片與芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，也不能有效地用到高速CPU的全部性能；同時(shí)，大容量的高速SRAM價(jià)格昂貴，將會(huì)大大增加CAM系統(tǒng)的成本。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和成本方面考慮，我們決定在SM1658中嵌入一個(gè)256KB容量的SRAM，此SRAM容量可以滿足相當(dāng)部分CAM系統(tǒng)的應(yīng)用需求。同時(shí)，我們的芯片也支持各種外部高速和低速SRAM，對(duì)于一些SRAM需求非常大的系統(tǒng)也可以滿足要求。

SM1658內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的SRAM具有非常高的性能，可以以單時(shí)鐘周期完成ARM的各種指令的操作，也就是當(dāng)CPU在內(nèi)部SRAM中進(jìn)行取指或存取數(shù)據(jù)時(shí)不需要任何等待。我們?cè)谛酒a(chǎn)出來(lái)后用對(duì)芯片內(nèi)部的SRAM進(jìn)行了CPU性能的基準(zhǔn)測(cè)試，即使在非常高的頻率下面，芯片也能獲得與ARM7TDMI的IP核的理論計(jì)算值相同的水準(zhǔn)，后面有測(cè)試的數(shù)據(jù)表格。

內(nèi)嵌SRAM的最大問(wèn)題是，對(duì)于芯片的成品率會(huì)產(chǎn)生影響。我們?cè)陔娐饭δ茉O(shè)計(jì)、底層軟件設(shè)計(jì)和應(yīng)用系統(tǒng)上采取了一些有效的預(yù)防措施，大大減少系統(tǒng)對(duì)于有缺陷的SRAM的依賴性。這樣，芯片的成品率可以大幅度提高。這樣也就從系統(tǒng)角度降低了芯片的整體成本。

3. 可動(dòng)態(tài)調(diào)整的時(shí)鐘電路

在SM1658芯片的時(shí)鐘設(shè)計(jì)中，我們還集成了一個(gè)可軟件配置的時(shí)鐘管理電路，稱之為動(dòng)態(tài)時(shí)鐘電路。我們通過(guò)軟件對(duì)芯片的時(shí)鐘處理模塊進(jìn)行編程，既可以讓芯片的工作時(shí)鐘頻率隨著需要不斷變化，降低芯片在輕任務(wù)負(fù)載下的功耗，又可以適應(yīng)多種外部時(shí)鐘源的輸入，增加CAM系統(tǒng)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的適應(yīng)能力。

4. 高度靈活的智能卡接口

在SM1658的功能中，還包括一個(gè)高度靈活的智能卡接口。它是為了保證CA公司可以通過(guò)智能卡對(duì)用戶收看節(jié)目進(jìn)行授權(quán)和管理。

一般來(lái)講，國(guó)際上大多數(shù)智能卡接口都是按照ISO7816標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)互連互通的。在很多的SoC芯片設(shè)計(jì)中，大家都采用了一個(gè)外部的智能卡接口芯片，例如TDA8004就是一個(gè)比較常用的智能卡接口芯片。但是采用一個(gè)外接的芯片，其系統(tǒng)的可靠性會(huì)降低而成本會(huì)比較高，我們希望設(shè)計(jì)一個(gè)成本和性能最優(yōu)的系統(tǒng)，通過(guò)電路設(shè)計(jì)完全省略掉此外部接口芯片。

首先，我們?cè)诖私涌谀K的設(shè)計(jì)中，按照ISO7816的標(biāo)準(zhǔn)，將全部的狀態(tài)和控制方式都完成。比如，針對(duì)A類、B類智能卡卡的不同電源電氣指標(biāo)要求的設(shè)計(jì)；針對(duì)T0通訊協(xié)議與其他通訊協(xié)議不同的錯(cuò)誤處理的設(shè)計(jì)；還有針對(duì)某些私有的智能卡的特殊協(xié)議要求等。這些都可以通過(guò)在芯片的驅(qū)動(dòng)軟件上進(jìn)行配置，配合少量的簡(jiǎn)單外部器件來(lái)完成。其次，針對(duì)智能卡接口要求的ESD要求和不同使用環(huán)境中的差別，我們?cè)O(shè)計(jì)了不同的外部電路來(lái)配合芯片的內(nèi)部控制。同時(shí)，我們對(duì)芯片的各個(gè)接口管腳的邏輯特性進(jìn)行了不同條件下的獨(dú)立配置，可以最大程度地減小對(duì)外部電路的要求。
圖3：智能卡模塊系統(tǒng)軟件功能框圖。


在標(biāo)準(zhǔn)的使用情況下，SM1658芯片可以不需要任何外部有源器件就完成智能卡接口的功能，而且抗ESD的能力可以保證大于4,000V。