基于EM8620的IPTV機頂盒設計

傳統的電視業(yè)務(wù)一致采用單向廣播模式運營(yíng)，隨著(zhù)科技的進(jìn)步，人們越來(lái)越希望在電視中實(shí)現雙向交互功能，通過(guò)交互通信，運營(yíng)商能夠及時(shí)地得知用戶(hù)的需求，而終端用戶(hù)也可以改變以往單一被動(dòng)的信息接收模式，更多地參與到業(yè)務(wù)運營(yíng)中。近期iptv（網(wǎng)絡(luò )電視）的出現，使這愿望成為可能，它作為電視和網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)的融合，以ip為傳送通道，能夠向用戶(hù)提供包括電視在內的更為廣泛的多種交互式視音頻服務(wù)。

在iptv的系統中，用戶(hù)終端機頂盒是一個(gè)非常關(guān)鍵的設備，它不但是收看電視節目的終端，而且還是一個(gè)信息匯聚、交互的平臺，被認為是構成未來(lái)家庭多媒體中心的重要組成部分，本文介紹一種基于em8620芯片的iptv機頂盒設計方案，該方案能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現交互電視業(yè)務(wù)，支持mpeg2、mpeg4、vc－1（wmv9）、real等多種視頻壓縮標準解碼，具有電視節目錄制、數字版權保護、dvd播放等多種功能。

1 硬件設計

1.1 設計要求分析

通過(guò)為iptv業(yè)務(wù)特性的詳細分析，總結出fpga機頂盒硬件設計方面的四項要求：

（1）具有網(wǎng)絡(luò )接入功能，能夠利用lan、dsl等方式接入到互聯(lián)網(wǎng)、支持tcp/ip、ftp、rtp、rtsp、rtcp、igmp多種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。

（2）支持多種視頻壓縮格式，目前mpeg2、mpeg4、vc－1等標準在iptv中都有使用，有些運營(yíng)商甚至是在交叉使用，這與傳統數字電視采用單一的mpeg2標準情況大相徑庭。因此，設計的機頂盒能支持的壓縮標準越多，業(yè)務(wù)開(kāi)展就越靈活，產(chǎn)品的使用范圍就越廣泛。

（3）具有完善的增殖業(yè)務(wù)設計，其中包括視頻點(diǎn)播、電子表決、互動(dòng)游戲、網(wǎng)絡(luò )瀏覽、網(wǎng)絡(luò )游戲等，增殖業(yè)務(wù)是網(wǎng)絡(luò )電視獲取利潤的關(guān)鍵，所以設計機頂盒時(shí)要充分考慮到各種增殖業(yè)務(wù)的擴展應用。

（4）選擇低成本的專(zhuān)用硬件平臺。機頂盒不同于通用計算機，他是一個(gè)嵌入式系統，低成本、低功耗和穩定性是硬件設計要遵循的原則，一些早期的iptv機頂盒設計方案采用了基于intel的高性能通用處理器架構，雖然性能很好，但是在功耗和成本方面最終很難被市場(chǎng)和運營(yíng)商認可。

1.2 em8620硬件平臺

設計方案中采用一個(gè)低成本但功能相對豐富的集成芯片－－em8620作為硬件平臺，它是sigma designs公司專(zhuān)門(mén)針對數字視頻通信設計的最新一款多格式解碼芯片、內嵌166mhz的32位rsic處理器，具有豐富的音視頻接口，此外還包括pci總線(xiàn)控制器和ide總線(xiàn)接口，依托二者能夠實(shí)現網(wǎng)絡(luò )接入、usb外設和ide外設（如硬盤(pán)、光驅?zhuān)┰L(fǎng)問(wèn)等功能。圖1是該芯片的邏輯單元框圖，其主要功能和特點(diǎn)包括：

（1）能夠同時(shí)支持兩路標準清晰度電視節目解碼，實(shí)現畫(huà)中畫(huà)。；
（2）視頻支持mpeg2、mpeg4標清和高清解碼，支持vc－1和real的標清解碼；
（3）支持dvd格式信號解碼；
（4）音頻支持dolby ac3，mpeg1和mpeg2的層1、2、3，mpeg2的bc多聲道層1、2、3，mpeg2 aac，mpeg4 aac，windows wma；
（5）具有自適應去隔行功能；
（6）具有去閃爍濾波的osd功能，色彩支持32比特/像素；
（7）具有視頻、osd、子圖像和光標等4個(gè)圖像層；
（8）具有pci2.1的總線(xiàn)控制接口；
（9）采用2d圖形加速；
（10）具有ide接口，能夠連接光驅和硬盤(pán)設備，實(shí)現電視錄像和程序存儲；
（11）具有ntsc/pal復合視頻及s－video分量輸出，帶有可選的macrovision防錄制保護；
（12）具有ypbpr/rgb分量視頻輸出，帶有可選的macrovision防錄制保護；
（13）具有3路i2s串行數字pcm音頻輸出，實(shí)現5.1聲道環(huán)繞聲；
（14）具有spdif（iec60958）數字音頻輸出。

1.3 設計原理

遵循iptv機頂盒的設計要求，以em8620為核心的硬件設計原理框圖如圖2所示，它包括多個(gè)不同的數據處理模塊。

1.3.1 pci總線(xiàn)

pci總線(xiàn)上連接有一個(gè)10/100m的以太網(wǎng)控制器（ctl8100）和一個(gè)usb2.0主控制器（vt6212）用于實(shí)現網(wǎng)絡(luò )接入及usb設備接入功能。

1.3.2 10/100m以太網(wǎng)控制器

10/100m以太網(wǎng)控制器采用realtek公司的rtl8100，它是一個(gè)高度集成的低成本單片以太網(wǎng)控制器，該控制器具有acpi電源功能和網(wǎng)絡(luò )喚醒功能，通過(guò)使用魔術(shù)包（magic packet）和喚醒幀的方式可以很方便地實(shí)現網(wǎng)絡(luò )管理和維護，因此使用它可以實(shí)現非常理想的嵌入式網(wǎng)絡(luò )解決方案，同時(shí)它還具有pci/mini－pci接口和10/100mhz網(wǎng)絡(luò )帶寬自適應功能，并兼容pci2.2和pc99/pc2001、pci存儲空間或i/o空間映射數據傳輸等其他功能。

1.3.3 usb2.0主控制器

usb2.0主控制器采用威盛公司的vt6212，它是一個(gè)四端口usb2.0控制芯片，能支持高達480mbps的傳輸速度，并采用動(dòng)態(tài)中止時(shí)序控制（dynamic stop clock control）降低功耗。vt6212利用主機端控制接口（enhanced host controller interface）方式提供高速數據傳輸，利用通過(guò)控制芯片接口（universal host controller interface）方式向下兼容低速的usb1.1數據傳輸，此外tv6212也支持32－bit卡總線(xiàn)模式、可搭配pcmcia接口作為usb 2.0集線(xiàn)器，增加外設的接入數量。

1.3.4 視頻輸出

em8620能夠提供模擬和數字兩種視頻信號輸出，模擬視頻采用復合（cvbs）、分量（s－video和yprpb）方式直接輸出，輸出中都可采用macrovision技術(shù)進(jìn)行防盜版錄制保護。數字視頻（24bit rgb）連接到dvi信號合成芯片（sil164），編碼為dvd格式后輸出。

1.3.5 dvi信號合成

dvi是目前使用非常廣泛的數字視頻接口，既可以適應于高/標清數字電視顯示、也可以用于普通的電腦監視器顯示。此處選擇silicon image公司的sil164實(shí)現dvi信號合成和發(fā)送。sil164采用paneilink數字技術(shù)設計，支持從vga到uxga（640×480－1600×1200）的清晰度顯示范圍，數據速率范圍為25－165mbps，具有12bit（半像素時(shí)鐘沿）和24bit（真彩色支持）兩種設計模式，同時(shí)支持i2c總線(xiàn)控制，具有熱插拔特性，完全兼容dvi1.0規范。

1.3.6 音頻輸出

em8620可提供三路i2s和一路spdif等兩種串行數字音頻信號，其中每路i2s信號承載兩個(gè)聲道的pcm數據，三路i2s信號連接到音頻dac后,轉換為6路模擬音頻，用于實(shí)現dolby ac3的5.1聲道環(huán)繞聲；spdif串行數字信號直接輸出，可承載兩路pcm音頻或壓縮的5.1 聲道dolby ac3音頻。

1.3.7 外設總線(xiàn)

外設總線(xiàn)上連接有ide硬盤(pán)、dvd光驅和flash存儲器，ide硬盤(pán)用于實(shí)現個(gè)人錄像機功能，用戶(hù)可以將播放的電路節目方便地存儲到ide硬盤(pán)，同時(shí)也可以用于存儲通過(guò)增殖業(yè)務(wù)從網(wǎng)絡(luò )上下載的各類(lèi)其他數據；dvd光驅可使機頂盒實(shí)現dvd播放功能，flash存儲器的作用非常重要，用于存儲整個(gè)機頂盒的操作系統軟件。雖然也可以將操作系統安裝到ide硬盤(pán)，但是ide硬盤(pán)的穩定性遠不如flash存儲器，并且還會(huì )受到其他應用程序，特別是病毒的攻擊，非常容易造成系統崩潰。

1.3.8 fp/vfd和紅外信號接收

fp/vfd用于機頂盒的前面板控制和狀態(tài)顯示，紅外信號接收用于接收遙控器發(fā)送的控制信號。

1.3.9 uart

雖然iptv具有雙向業(yè)務(wù)通道，能夠采用認證的方式實(shí)現節目的版權保護，但是考慮到目前數字電視中的條件接收到多采用智能卡方式，為保護系統的兼容性，此處仍然設計有基于uart的智能卡通信模塊，用于支持使用智能卡進(jìn)行密鑰解密的工作方式。

2 軟件設計

軟件主要包括嵌入式的操作系統和各類(lèi)驅動(dòng)及應用軟件。由于當前l(fā)inux有著(zhù)優(yōu)良的可移植性和廣泛的兼容性，因此在本方案中操作系統采用μclinux實(shí)現，而應用軟件主要包括電子節目指南、數字版權保護和條件接收、瀏覽器、圖形用戶(hù)界面、軟件解碼模塊等。

2.1 嵌入式操作系統

μclinux是面向mmu（內存管理單元）設計的嵌入式操作系統。內核由linux2.0 kernel發(fā)展而來(lái)，同標準linux相比，它繼承了原有的工作穩定性強、網(wǎng)絡(luò )功能強大等主要優(yōu)點(diǎn)。此外，它具有占用空間小、執行效率高等特點(diǎn)，由于iptv機頂盒需要實(shí)現各種基于網(wǎng)絡(luò )的增殖業(yè)務(wù)，因此對于網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議的需求比較廣泛，μclinux包括tcp/ip等多種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，能夠支持當前各種基于ip的業(yè)務(wù)，同時(shí)它還具有良好的開(kāi)放性，任何新協(xié)議都可以很方便地加入到內核中，具備了持續升級的可擴展能力。

在使用μclinux進(jìn)行軟件設計時(shí)，一個(gè)需要著(zhù)重考慮的問(wèn)題是內存管理，由于em8620沒(méi)有mmu管理存儲器，因此μclinux不能使用虛擬內存管理技術(shù)，內存訪(fǎng)問(wèn)應采用直接尋址方式，所有程序訪(fǎng)問(wèn)的地址都是實(shí)際的物理地址，操作系統內存空間失去保護后，系統內各個(gè)進(jìn)程實(shí)際上是共享同一個(gè)內存空間，因此在設計多進(jìn)程任務(wù)時(shí)就需要特別注意進(jìn)行內存保護，防止程序操作越界溢出。具體而言，就是在每個(gè)進(jìn)程初始化時(shí)，μclinux會(huì )根據用戶(hù)的申請分配一段連續的堆棧地址空間，而后該進(jìn)程中所有的數據操作都在此內存空間內完成，所以開(kāi)發(fā)人員必須對每個(gè)任務(wù)進(jìn)程所需的最大內存空間做出正確估計和分配，一旦生成的數據空間大于所分配的內存空間，就會(huì )產(chǎn)生內存溢出，侵犯其他程序的地址空間，從而導致程序的運行異常，嚴重者將導致系統崩潰。

傳統linux最大的缺點(diǎn)之一是，系統非正常關(guān)閉后，經(jīng)常會(huì )產(chǎn)生硬盤(pán)碎片，使操作系統無(wú)法正常引導啟動(dòng)，此處，將μclinux編譯后燒寫(xiě)到flash上采用flash內核啟動(dòng)方式，避免了上述缺點(diǎn)。

2.2 應用軟件

2.2.1 電子節目指南

電子節目指南是用戶(hù)獲取電視節目播出信息的直接途徑，從現有數字電視用戶(hù)的調查中發(fā)現，電子節目指南是當前最受用戶(hù)歡迎的功能，電子節目指南一般包括電視節目單、節目簡(jiǎn)介、當前節目信息顯示、節目預定等多個(gè)環(huán)節，通常它的設計采用基于中間件或定制編寫(xiě)軟件模塊的方式實(shí)現，過(guò)程復雜、靈活度差。此處采用基于瀏覽器的電子節目指南設計，電視節目信息以html方式或xml方式傳送，機頂盒接收后利用瀏覽器顯示給用戶(hù)觀(guān)看，其風(fēng)格和瀏覽方式都具有很強的靈活性，由于其他類(lèi)型的增殖業(yè)務(wù)如網(wǎng)絡(luò )瀏覽、電視購物等方式都需要瀏覽器，因此使用瀏覽器不會(huì )增加系統的額外開(kāi)銷(xiāo)。

2.2.2 數字版權保護

數字版權保護設計分為兩種，一種是針對已錄制節目的保護，另一種是針對實(shí)時(shí)播出節目的保護，由于機頂盒具有個(gè)人錄像機功能，用戶(hù)能夠方便地將實(shí)時(shí)播出的電視節目錄制到硬盤(pán)上，并通過(guò)usb接口拷貝出去進(jìn)行散發(fā)。為防止這種盜版拷貝的情況發(fā)生，設計了嚴格的數字版權保護模塊，當用戶(hù)進(jìn)行錄像時(shí)，對存儲到硬盤(pán)的節目進(jìn)行加密處理，加密密鑰由每個(gè)機頂盒特有的硬件信息生成，這樣即使將節目拷貝到其他同類(lèi)型機頂盒中也不能進(jìn)行播放，從而實(shí)現了嚴格的版權保護功能，對于實(shí)時(shí)播出的加密節目，沿用了基于智能卡的工作方式，首先提取ip網(wǎng)絡(luò )傳送過(guò)來(lái)的密鑰數據流，通過(guò)uart接口送到智能卡中進(jìn)行解密，解密后控制字存儲在內存中使用后即刻銷(xiāo)毀，防止盜取和破解。

2.2.3 圖形用戶(hù)界面

為方便地對ide硬盤(pán)及其他接口進(jìn)行操作，此處為用戶(hù)提供了圖形用戶(hù)界面，它采用minigui引擎，界面啟動(dòng)后，用戶(hù)可以通過(guò)遙控器或連接usb鼠標/鍵盤(pán)非常方便地進(jìn)行操作。

除了上述應用軟件外，還可支持各種java、flash程序運行，便于實(shí)現電視購物、在線(xiàn)游戲等功能，此外其包括wmv9、real等一系列多媒體播放程序，用于各種類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )音視頻節目及本地的dvd光盤(pán)播放。

2.3 軟件調試

軟件調試分為內核調試和應用程序調試兩個(gè)步驟。

2.3.1 內核調試

內核調試的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是利用jtag燒寫(xiě)器直接將μclinux寫(xiě)入到flash中，這種調試過(guò)程需要反復擦寫(xiě)flash，過(guò)程較煩瑣，而且浪費時(shí)間，為了克服上述缺點(diǎn)，此處為em8620編寫(xiě)了一個(gè)bootloader程序，通過(guò)以太網(wǎng)將μclinux下載到內存中運行。內核調試穩定后再燒寫(xiě)到flash，如此可以有效地簡(jiǎn)化整個(gè)調試過(guò)程，提高工作效率。

2.3.2 應用程序調試

應用程序的開(kāi)發(fā)和調試采用兩種方式，一種是對功能和消耗資源較少的程序，采用telnet方式通過(guò)以太網(wǎng)連接到機頂盒上直接開(kāi)發(fā)調試。由于μclinux支持多用戶(hù)工作方式，因此多個(gè)不同開(kāi)發(fā)人員可同時(shí)登陸到系統內進(jìn)行各自調試而互不影響，但是作為一個(gè)嵌入式處理器，em8620的運算能力畢竟有限，如果任務(wù)過(guò)多會(huì )影響調試速度，為此，消耗資源較大的應用程序需采用交叉編譯的方法，即程序的調試和編譯在速度較快的pc機上完成，然后利用gnu工具交叉編譯為基于μclinux的目標代碼，再通過(guò)以太網(wǎng)傳送到機頂盒中運行。

當前，iptv的發(fā)展正如火如荼，各地電視和電信運行商都在加大力度進(jìn)行iptv建設，未來(lái)幾年對于iptv機頂盒的需求將迅速擴大，本文實(shí)現的這種基于em8620的iptv機頂盒，具有豐富的功能接口，并可支持高清及標清多種視頻格式解碼，符合未來(lái)iptv業(yè)務(wù)發(fā)展的技術(shù)要求，是一個(gè)可長(cháng)期有效的解決方案。