基于ST40GX1與STi5514網(wǎng)絡(luò )交互式數字機頂盒硬件設計
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從硬件發(fā)展上來(lái)看，交互式機頂盒、數字電視已從早期的由分立器件構成而發(fā)展到由現代單芯片解決。這是數字大規模集成電路制造工藝技術(shù)進(jìn)步的結果，也是最大程度降低系統成本的必然要求?，F代單芯片解決方案的機頂盒一般集成了CPU、解復用、音頻視頻解碼、二維圖形處理、編碼和外設端口等模塊。為節省芯片面積，這些獨立部分是通過(guò)總線(xiàn)方式連接在一起的。改進(jìn)系統的性能，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、增加外設端口的接口數目和類(lèi)別等方面著(zhù)手，從而從總體上提高系統的交互處理能力。但由于視頻解復用器和音頻視頻解碼器對存取數據總線(xiàn)實(shí)時(shí)性要求嚴格，增加了CPU處理等待時(shí)間，形成了所謂的總線(xiàn)瓶頸。有關(guān)測試表明，總線(xiàn)瓶頸使得CPU的執行指令等待時(shí)間達到了76%，這種單純依靠提高CPU性能來(lái)克服處理能力的不足，并不能提高性?xún)r(jià)比。改善總線(xiàn)瓶頸可以通過(guò)改進(jìn)或增加系統互連總線(xiàn)來(lái)完成，如松下公司的Cross Switch解決方法，使等待時(shí)間減小到50%。但這些必將增加芯片制造中互連線(xiàn)的復雜度，從而增加成本。
除了總線(xiàn)瓶頸帶來(lái)的問(wèn)題外，隨著(zhù)用戶(hù)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(guò)電話(huà)線(xiàn)回傳的交互式機頂盒、數字電視的窄帶接入方式以及有限的計算能力也越來(lái)越不能滿(mǎn)足人們的要求。隨著(zhù)有線(xiàn)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(jìn)程的加速，為用戶(hù)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，便成為機頂盒應用的一個(gè)重要方面。
為解決上面提出的問(wèn)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。該方案避免了外設模塊倍增帶來(lái)的總線(xiàn)擁擠以及解碼實(shí)時(shí)性要求帶來(lái)的等待延遲。STi5514和ST40GX1內部都采用了高速的先進(jìn)STBus實(shí)現互聯(lián)，前者負責實(shí)時(shí)性要求較高的硬件解復用、視頻音頻解碼、與解碼相關(guān)聯(lián)的外圍I/O設備控制等。后者負責寬帶交互式應用以及高級圖形處理。兩者之間的高速數據通信通過(guò)MPX(Memory Peripheral Exchange)總線(xiàn)以及存儲映射的郵箱(Mailbox)來(lái)進(jìn)行。通過(guò)主頻達100MHz的MPX總線(xiàn)，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(diǎn)及接口
STi5514主要完成MPEG-2視頻、音頻信號的解壓縮。其內部集成了一個(gè)MP@ML標準清晰度的視頻解碼模塊和一個(gè)杜比AC-3/AAC/DTS音頻解碼模塊以及Video Encoder和Audio DAC模塊等。內部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(guò)電話(huà)線(xiàn)進(jìn)行窄帶交互式應用，如進(jìn)行基于電話(huà)線(xiàn)回傳的視頻點(diǎn)播、低速I(mǎi)nternet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(diǎn)是：指令和數據緩沖都增加了一倍，同時(shí)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(pán)電路接口，并直接支持Ultra-DMA66高速數據傳送模式的硬盤(pán)以實(shí)現數字電視節目的實(shí)時(shí)錄制，視頻解碼流可以以ITU-R601_656格式數據流輸出或者以復合視頻信號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(shí)提供對兩路SIM卡接口，利于擴展銀行卡等高級應用。由于STi5514去掉了1394接口，故需外接1394控制器(如STE422等)來(lái)擴展基于1394的視頻輸入。
1.2 ST40GX1功能特點(diǎn)和結構
ST40GX1集成了SH-4 32位RISC處理器內核，Gamma 2D圖像處理、混合模塊以及其它視頻電路接口邏輯。
ST40GX1是交互式應用的處理核心，包括系統設備和外設兩個(gè)方面。
1.2.1 系統設備
ST40GX1系統設備包括中央處理器CPU、用于DSP功能的浮點(diǎn)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通道超標量體系結構主頻166MHz，16位指令定長(cháng)Load-Store結構 8KB直接指令緩存，16KB直接操作數緩存，帶有一個(gè)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存模式。頁(yè)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UTLB。支持軟件控制的更新算法以及隨機計數的更新算法。這為32位保護模式下的操作系統提供了完備的硬件平臺。
通用DMA控制器支持5個(gè)通道的數據傳輸，其中4個(gè)通道可以用于存儲器到存儲器或存儲器到外設之間的數據傳送，另外一個(gè)通道為帶緩沖的多路復合通道。支持2D塊的搬動(dòng)以及鏈表操作。兩個(gè)通道的DMA握手信號和EMI接口信號被用于MPX總線(xiàn)操作。
1.2.2 外設接口模塊
外設接口模塊包括通用接口模塊和視頻專(zhuān)用接口模塊。
通用接口模塊包括兩個(gè)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規范的調試控制器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、4個(gè)用戶(hù)可編程的PLL、24位輸入輸出方向可配置的并行I/O口，兩個(gè)符合v1.1規范的USB主控制器和收發(fā)器、Modem模擬前端接口MAFE、兩個(gè)可配置為支持I2C或SPI總線(xiàn)接口標準的同步串行控制器(SSC0SSC1)、Teletext輸入接口、兩個(gè)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(zhuān)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(gè)CCIR601-656視頻輸入端口(DVP0，DVP1)可以同時(shí)輸入YCbCr 4：2：2格式的視頻數據，并將其裝入局部存儲器。對沒(méi)有內嵌同步信號的視頻還根據SAV/EAV協(xié)議提供了外同步信號支持，用戶(hù)可以從輸入的視頻圖像中設定視頻捕獲窗口以及活動(dòng)窗口的子窗口。數字編碼器(DENC)將數字視頻流轉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位的數字視頻流。 2D圖像處理器(或圖像塊傳送引擎)擁有兩個(gè)2D DMA圖像數據輸入源，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)之間的轉換，其中包括塊填充、塊拷貝、異步復合、色彩變換以及2D縮放處理等功能。
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