基于ST40GX1與STi5514的網(wǎng)絡(luò )交互式數字電視機頂盒硬件設計

基于st40gx1與sti5514的雙cpu方案

為解決上面提出的問(wèn)題，設計時(shí)可選擇st公司推出的基于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。sti5541和st40gx1內部都采用高速先進(jìn)的stbus來(lái)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 periheral 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100m赫茲的mpx總線(xiàn)，sti5514能直接存取st40gx1上可高達256mb的ddr sdram存儲資源。

◇ sti5514的功能特點(diǎn)及接口

sti5514主要用于完成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120m赫茲在外接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internet瀏覽等。

與st公司早期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。

◇ st40gx1的功能結構

st40gx1內部集成有sh-4型32位risc處理器內核，gamma 2d圖象處理，混合模塊以及其他視頻電路接口邏輯，st40gx1是交互式應用的處理核心，它包括系統設備和外設兩個(gè)方面：

（1）系統設備

st40gx1的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，它采用2通道超標量體系結構，主頻166m赫茲，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，并帶有一個(gè)片上乘法器。而其存儲器則支持4gb的存儲空間，并支持單塊或多塊虛擬內存模式，頁(yè)面的大小可以是1kb、4kb、64kb或1mb，此外，它還支持4通道全相關(guān)指令itlb（instruction translation lookaside buffer）、64通道全相關(guān)指令以及操作數utlb，同時(shí)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，st40gx1中的通用dma控制器可支持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，同時(shí)支持2d塊的搬動(dòng)以及鏈表操作，片內兩個(gè)通道的dma握手信號和emi接口信號還可用于mpx總線(xiàn)操作。

（2）外設接口模塊

st40gx1的外設接口模塊包括通用接口模塊和視頻專(zhuān)用接口模塊，其中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規范的調制控制器、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，以及兩個(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（ssc0和ssc1）、teletext輸入接口、兩個(gè)使用異步協(xié)議的smartcard接口、用于和外部微控制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；而視頻專(zhuān)用接口及處理模塊則包括字視頻輸入端口和2d圖象處理器，這兩個(gè)ccir601-656視頻輸出端口（dvp0，dvp1）可以同時(shí)輸入vcbcr4：2：2格式的視頻數據，并將其裝入局部存儲器。也可對沒(méi)有內嵌同步信號的視頻來(lái)根據sav/eav協(xié)議提供外同步信號支持，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。數字編碼其（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圖象處理器（或圖像塊傳送引擎）擁有兩個(gè)2d dma圖像數據輸入源，可完成一整套強大的處理操作，除可完成普通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。

基于sti5514和st40gx1的系統構成

根據sti5514和st40gx1的功能特點(diǎn)，圖1給出了本系統的總體結構方案。

◇ 前端解碼部分

由于sti5514內置三路ts流解擾通道，故采用雙路的turner+stv0297qam解調器同時(shí)解調兩個(gè)頻道的基于dvb-c的視頻數據傳輸流，充分利用sti5514的硬件解擾、控制處理以及解碼能力，可以實(shí)現畫(huà)中畫(huà)功能，其中turner可以采用microtune的mt2040單芯片調諧器以節省空間和成本，此外，通過(guò)外接ste422，對ieee1394接口輸入提供支持。

◇ 后端解碼部分

后端解碼由sti5541完成，sti5514通過(guò)外接8mb共享的sdram完成在信道解調、解復用以及解碼過(guò)程中所需要的存儲資源，sti5514通過(guò)mpx總線(xiàn)共享位于st40gx1 emi接口上的16mb flash，通過(guò)ata接口外接硬盤(pán)存儲器以擴展vcr應用。sti5514解碼后的符合itu-r601_656標準的視頻數據通過(guò)視頻輸出端口直接輸入到st40gx1的兩路視頻輸入端口中的dvp0。sti5514向st40gx1發(fā)送27m赫茲的像素時(shí)鐘以及同步信號，以確保sti5514視頻數據正確接收。

◇ 圖形處理

當用st40gx1處理二維圖形時(shí)，可先用st40gx1來(lái)接收來(lái)自sti5514的解碼視頻流，并經(jīng)過(guò)插值、色彩空間坐標變換后，與網(wǎng)頁(yè)瀏覽等其他視頻進(jìn)行透明度處理（alpha blending）、飽和度處理（gamma processing）等復合處理，從而形成統一的視頻幀緩存數據，在通過(guò)內部的denc將其編碼為模擬電視能接收處理的復合視頻信號cvbs、svideo或分量信號rgb、yuv等輸出。

由于st40gx1只支持3.3v的pci接口，故可通過(guò)intel的sb21150bc來(lái)擴展3.3v或5v的pci插槽；在需要3d圖象處理的情況下，也可以通過(guò)外插pci 3d圖形加速卡來(lái)實(shí)現。

◇ 交互式應用的網(wǎng)絡(luò )接口

交互式應用的硬件部分可由st40gx1以及相應的網(wǎng)絡(luò )接口完成?？紤]到網(wǎng)絡(luò )接口的帶寬接入方式要求，設計時(shí)可利用st40gx1對外部提供的pci總線(xiàn)接口，并集成cable modem、ethernet等高速接口。

（1）cable modem

首先選擇符合docsis1.1/euro-docsis1.1規范的cable modem前端單芯片接口芯片 stv0396作為cable modem解決方案，這一部分既可以作為一個(gè)獨立的pci卡來(lái)設計，也可以將其直接嵌入母板上，stv0396是一個(gè)高度集成的調制解調系統，包括支持上行和下行符合docsis1.1規范的物理層規范接口，媒體接入控制（mac）以及功能強大的32位st20 risc處理器、pci、emi/mpx等與st40gx1相兼容的外部接口。stv0396采用316管腳的gba封裝，除需外接雙向調諧器外，還需要添加下行方向的聲表面波濾波器（saw、上行方向的線(xiàn)路放大器以及時(shí)鐘等，才能實(shí)現與線(xiàn)纜頭端設備cmts之間的通信連接，其典型接口電路如圖2所示。

（2）以太網(wǎng)接口

可選擇基于rtl8139c的3.3v以太網(wǎng)芯片組作為接口芯片，這是因為芯片具有高度集成、在嵌入式系統中使用廣泛以及10/100m自適應特性、自帶pci接口、在類(lèi)linux操作系統下驅動(dòng)程序容易找到等優(yōu)點(diǎn)。rtl8139采用128管腳的qpf/lqpf封裝，可通過(guò)pci總線(xiàn)接口與st40gx1相連。

（3）v.90軟件modem的支持

對于v.90軟件modem的支持，可直接利用st40gx1的modem前端接口mafe來(lái)完成。不使用硬件modem可以充分利用st40gx1的運算處理能力來(lái)降低成本。

系統的啟動(dòng)及通訊

st40gx1與sti5514通過(guò)配置各自mpx總線(xiàn)接口的主/從（initiator/target）方式來(lái)決定系統的啟動(dòng)順序。在這里，由于系統啟動(dòng)代碼位于st40gx1局部flash中，故將st40gx1配置為主（initiator）將sti5514配置為從（target）。具體的啟動(dòng)順序為：st40gx1首先控制mpx總線(xiàn)并且先啟動(dòng)，在啟動(dòng)期間阻止sti5514使用mpx總線(xiàn)，直到其完全完成從flash里面讀取啟動(dòng)代碼和初始化為止。接著(zhù)st40gx1利用mpx總線(xiàn)拷貝sti5514的啟動(dòng)程序以及應用程序代碼到自己的lmi ddr內存中，拷貝完成后，st40gx1釋放并允許sti5514控制mpx總線(xiàn)，sti5514從st40gx1的ddr sdram中拷貝自己的啟動(dòng)程序及應用程序代碼，借鑒這一點(diǎn)，通過(guò)mpx總線(xiàn)可以實(shí)現多cpu之間的存儲共享。

sti5514通過(guò)mpx總線(xiàn)可以訪(fǎng)問(wèn)st40gx1上的mailbox寄存器。mailbox被固定映射于st40gx1存儲空間的基地址0x1b150000處，該寄存器對兩個(gè)cpu都能產(chǎn)生中斷信號。通過(guò)malibox寄存器，st40gx1與sti5514能實(shí)現進(jìn)程同步、消息傳遞等進(jìn)程間通信。