數(shù)字電視條件接收系統(tǒng)(CAS)設(shè)計(jì)技術(shù)解析

2. 帶有軟件冗余的內(nèi)部SRAM

ARM7TDMI是一款沒有內(nèi)部高速緩存的CPU核，對于慢速的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。我們在芯片生產(chǎn)出來后用對芯片內(nèi)部的SRAM進(jìn)行了CPU性能的基準(zhǔn)測試，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)，后面有測試的數(shù)據(jù)表格。

內(nèi)嵌SRAM的最大問題是，對于芯片的成品率會(huì)產(chǎn)生影響。我們在電路功能設(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。我們通過軟件對芯片的時(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公司可以通過智能卡對用戶收看節(jié)目進(jìn)行授權(quán)和管理。

一般來講，國際上大多數(shù)智能卡接口都是按照ISO7816標(biāo)準(zhǔn)來實(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)，通過電路設(shè)計(jì)完全省略掉此外部接口芯片。

首先，我們在此接口模塊的設(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);還有針對某些私有的智能卡的特殊協(xié)議要求等。這些都可以通過在芯片的驅(qū)動(dòng)軟件上進(jìn)行配置，配合少量的簡單外部器件來完成。其次，針對智能卡接口要求的ESD要求和不同使用環(huán)境中的差別，我們設(shè)計(jì)了不同的外部電路來配合芯片的內(nèi)部控制。同時(shí)，我們對芯片的各個(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。

5. 內(nèi)嵌高速DVB通用解擾算法

通用加擾算法是DVB標(biāo)準(zhǔn)組織推薦的對于TS流的標(biāo)準(zhǔn)加擾算法。目前，在歐洲的數(shù)字廣播節(jié)目中普遍采用了這個(gè)算法。我國目前商業(yè)化的CA中，TS節(jié)目的加擾也基本上是采用的這個(gè)算法。因此，我們向DVB組織申請了此算法的授權(quán)，并以固核的模式嵌入到了我們的SM1658芯片中。

在此固核的設(shè)計(jì)中充分考慮到了芯片對將來可能出現(xiàn)的多路高清節(jié)目的適應(yīng)能力，將此解擾模塊的處理能力設(shè)計(jì)到了175Mbps，可以滿足同時(shí)處理2路高清節(jié)目流或4路標(biāo)清節(jié)目流的水平。

6.高性能的TS流處理引擎

在SM1658中，我們還設(shè)計(jì)了一套TS流處理引擎，用來對CI接口傳送過來的TS流進(jìn)行整形、過濾、提取特定數(shù)據(jù)、回送解擾后的節(jié)目流等。在此引擎中，我們設(shè)計(jì)了64個(gè)PID過濾器和16個(gè)SECTION過濾器，根據(jù)不同的配置狀態(tài)，此引擎可以完成對TS流7種不同的路由功能。

SM1658性能指標(biāo)

1. 最高工作時(shí)鐘頻率

SM1658芯片采用了中芯國際的0.18um的標(biāo)準(zhǔn)邏輯CMOS工藝生產(chǎn)。在SM1658的芯片設(shè)計(jì)中，我們采用了ARTISAN的0.18um工藝庫和MC編譯器，采用了SYNOPSYS的DC綜合工具進(jìn)行綜合，并采用最新的CADENCE的后端設(shè)計(jì)工具ENCOUNTER進(jìn)行布局布線和SI分析，通過對芯片內(nèi)部總線、存儲(chǔ)器和關(guān)鍵路徑模塊進(jìn)行優(yōu)化，使芯片的時(shí)序基本上達(dá)到了ARM7TDMI IP核手冊上測試的標(biāo)準(zhǔn)性能。

我們完成流片后對芯片進(jìn)行了最高時(shí)鐘頻率的測試。常溫下以1.8V的核心電壓和3.3V的IO口電壓條件，SM1658可以工作在125MHz~135MHz的頻率下，這可能是已經(jīng)商用化的ARM7TDMI類芯片的最高工作頻率了。

由于我們對芯片的總線、內(nèi)部存儲(chǔ)器進(jìn)行了優(yōu)化，為了證實(shí)此優(yōu)化效果。我們對于芯片的最高運(yùn)算能力進(jìn)行了基準(zhǔn)測試。我們的測試程序使用的是ARM公司提供的參考測試程序Dhrystone2.1(C語言編寫)，以性能最優(yōu)的方式進(jìn)行編譯。該測試程序在芯片的內(nèi)部SRAM中運(yùn)行。下表是我們的測試結(jié)果以及與軟件仿真測試結(jié)果的比較?？梢钥吹剑覀兊男酒谧罡咝阅軙r(shí)的執(zhí)行效率已經(jīng)基本達(dá)到了ARM7TDMI的最好的指標(biāo)，這也說明，我們的設(shè)計(jì)是非常優(yōu)化的。

表1：SM1658的最高運(yùn)算能力基準(zhǔn)測試結(jié)果。