數(shù)字電視條件接收系統(tǒng)(CAS)結(jié)構(gòu)及硬件體系

　　數(shù)字電視的條件接收系統(tǒng)(CAS)是用于對數(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。而其中采用開放的機(jī)卡分離結(jié)構(gòu)又是條件接收系統(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)分離開來。目前，機(jī)卡分離模式在國際上通行的實現(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實現(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。事實上新的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卡簡稱為數(shù)字電視條件接收卡，可以簡稱為CAM(條件接收模塊)。

　　事實上，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，如果計算機(jī)沒有標(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)接口的開啟，將會把數(shù)字電視引入到一個多姿多彩的發(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)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);通過帶硬盤錄象模塊，用戶可以錄制有許可認(rèn)證的節(jié)目等等。將來其發(fā)展的趨勢和潛力更難以預(yù)計。

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　　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，卻要實現(xiàn)一個能處理高清電視節(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。

　　我們通過對歐洲的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)品開發(fā)經(jīng)驗，對以ARM7TDMI為核心的SoC技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，成功的開發(fā)出了性能和集成度在國際上領(lǐng)先的CAM芯片SM1658，同時大幅度降低了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)的價格瓶頸。

　　CAM結(jié)構(gòu)及硬件體系

　　SM1658是一個典型的用于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256KB的高速SRAM、智能卡接口、PCMCIA(DVB-CI)接口、高速TS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1所示，只需要一片外接的FLASH程序存儲器芯片就可以構(gòu)成一個高性能CAM卡。

　　SM1658的存儲器管理模塊可以總共支持4個存儲器段，此存儲器部分可以是內(nèi)部、外部的SRAM或者外部的FLASH，每個存儲器的數(shù)據(jù)線寬度、讀寫速度可以由軟件初始化配置。每個存儲器段的最大容量可以支持到4M字節(jié)，四個存儲器段最大可以支持到16M字節(jié)的容量。其中，在芯片內(nèi)部實現(xiàn)的存儲器是256KB的高速內(nèi)部SRAM，它可以無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存儲器和靈活的狀態(tài)、控制寄存器。

　　芯片內(nèi)部還提供3個16位的定時器，每個定時器都帶有可選擇的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32位的定時器使用。

　　設(shè)計特色

　　1. 簡潔的高效率本地總線

　　在SoC設(shè)計中，內(nèi)部及外部總線的選擇是一個非常重要的因素，一個高效、簡潔的總線可以讓芯片的運行效率和可擴(kuò)充性提高。

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

　　AMBA總線的優(yōu)點之一就是可以支持多個主設(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)備采用相同的時鐘，可以在單個時鐘內(nèi)立即響應(yīng)CPU的訪問。因此，在這個方面采用ARM7本地的總線更有優(yōu)勢。

　　如果使用AMBA總線，設(shè)計團(tuán)隊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)過了嚴(yán)格的驗證。在SM1658的芯片設(shè)計中，我們?yōu)榱俗畲蟪潭鹊慕档托酒某杀荆瑫r客觀上也由于重要的模塊電路都沒有合適的IP可以使用，所以我們自己設(shè)計了所有的電路模塊。那么，想通過使用IP來節(jié)省的開發(fā)時間就沒有可行性了。

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

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　　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的本地總線有幾個優(yōu)勢：ARM7的本地總線狀態(tài)相對簡單，不需要進(jìn)行相對復(fù)雜的AMBA總線協(xié)議驗證;對模塊的接口功能要求低，接口電路非常簡單;減少了流水線長度，在一個最高時鐘由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，對于ARM7總線上的雙邊沿時鐘問題進(jìn)行嚴(yán)格的約束和驗證，確保了芯片后期設(shè)計的正確性。

　　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，大容量的高速SRAM價格昂貴，將會大大增加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，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)部實現(xiàn)的SRAM具有非常高的性能，可以以單時鐘周期完成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產(chǎn)生影響。我們在電路功能設(shè)計、底層軟件設(shè)計和應(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. 可動態(tài)調(diào)整的時鐘電路

　　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時鐘管理電路，稱之為動態(tài)時鐘電路。我們通過軟件對芯片的時鐘處理模塊進(jìn)行編程，既可以讓芯片的工作時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。