數字電視機卡分離的條件接收卡系統

　　數字電視機卡分離

　　字電視是從電視節目錄制、播出到發(fā)射、接收全部采用數字編碼與數字傳輸的技術(shù)。由于數字電視廣播具有頻道利用率高以及可適應數據業(yè)務(wù)的增加、可交互操作等方面的優(yōu)勢，被視為電視廣播領(lǐng)域的一次大革命。數字電視的條件接收系統(Conditional Access Systems，簡(jiǎn)稱(chēng)CAS)對數字電視用戶(hù)進(jìn)行節目授權和收視管理，是數字電視廣播業(yè)務(wù)發(fā)展中的重要組成部分之一。

　　采用開(kāi)放的機卡分離結構是條件接收系統的未來(lái)重要發(fā)展趨勢。機卡分離是通過(guò)在用戶(hù)接收終端上定義了一個(gè)通用物理接口以及相關(guān)的接口通訊協(xié)議，將公共的高成本的數字電視接收系統與專(zhuān)用的私有條件接收用戶(hù)管理系統分離開(kāi)來(lái)，這樣就解決了收視與收費的捆綁問(wèn)題。目前，機卡分離模式在國際上的實(shí)現方法是：采用一種與PCMCIA插口兼容的物理接口來(lái)實(shí)現。歐洲的DVB組織發(fā)布的標準稱(chēng)之為DVB-CI，美國也有一個(gè)類(lèi)似的標準稱(chēng)之為POD。新頒布的PCMCIA 8.0標準文檔中已經(jīng)將此兩種接口的定義包含進(jìn)去了。而這個(gè)裝載條件接收內容的PCMCIA卡簡(jiǎn)稱(chēng)為數字電視條件接收卡，可以簡(jiǎn)稱(chēng)為CAM(Conditional Access Module)。

　　建立了機卡分離標準，在電視機上開(kāi)啟了一個(gè)標準插口之后，其意義不僅解決了公共收視與私有管理的難題，其巨大的意義還體現在：從此作為家用消費品的數字電視機有了升級性能和擴充功能的途徑。就象PC機目前的發(fā)展規模，與PC機的ISA、PCI、APG等接口的持續標準化有著(zhù)不可分割的關(guān)系。我們不難想象，如果計算機沒(méi)有標準化的可擴充接口，其行業(yè)是難以取得這么大的成功的。在數字電視領(lǐng)域中，機卡分離接口標準的制訂以及數字電視機上的標準接口的開(kāi)啟，將會(huì )把數字電視引入到一個(gè)多姿多采的發(fā)展領(lǐng)域中去。比如：對于不同的節目信號傳送方式(無(wú)線(xiàn)廣播、有線(xiàn)電纜、衛星、數字音頻廣播)，可以通過(guò)在CI接口(機卡分離通用接口，下面將統稱(chēng)為CI接口)上插入不同形式的接收模塊就可以了；對于我們在數碼相機存儲卡上保存的照片，可以通過(guò)一個(gè)通用存儲卡讀寫(xiě)器模塊在電視機上瀏覽；通過(guò)寬帶IP接收模塊，可以在電視機上欣賞網(wǎng)上的各類(lèi)流節目以及進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )的雙向傳輸；可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)模塊，將電視機與其他電器設備連接成一個(gè)家庭數字網(wǎng)絡(luò )系統；通過(guò)帶硬盤(pán)錄象的模塊，用戶(hù)可以錄制有許可認證的節目等等。這樣，作為節目媒體播放的數字電視工業(yè)，將來(lái)其發(fā)展的趨勢和潛力，已經(jīng)不是我們可以概括和預計得了的。

　　作為最基本的條件接收卡，其結構一般是以一個(gè)高性能的32位SOC芯片為核心，配合一些專(zhuān)用的傳輸流處理電路、智能卡接口電路、DVB通用接口以及DVB通用解擾電路組成。根據不同CA的要求，有些特殊的條件接收卡還包括一些特殊的加/解密數據處理模塊、特殊的智能卡接口。此外，為了打擊不斷增長(cháng)的節目盜版盜錄行為，國外最近還出現了一些帶防拷貝和帶版權保護的卡。圖1是機卡分離的標準結構示意圖。

　　SM1658芯片

　　SM1658是我們設計的條件接收卡專(zhuān)用SOC芯片，它采用廣泛流行的32位的ARM7TDMI作為CPU核，配合全新設計的內部體系結構和配置齊全的內部功能模塊，基本上只需要少量的外部器件，就可以完成條件接收卡除版權保護之外的所有功能。SM1658集成了一般的SOC芯片都具有的存儲器管理、中斷控制器、定時(shí)器、看門(mén)狗、異步串口通訊、PLL等常用電路模塊外，還在內部集成了256K字節的高速SRAM、SmartCard接口、PCMCIA(DVB-CI)接口、高速TS傳輸流解復用/過(guò)濾引擎和DVB通用解擾器等模塊。其基本結構如圖2所示。

　　SM1658的存儲器管理除了支持內部的高速SRAM外，還可以支持最多3個(gè)外部存儲器(必須最少有一個(gè)是FLASH)。外部每個(gè)存儲器塊的最大容量可以支持到4M字節。在芯片內部集成的256K字節的高速SRAM效率非常高，可以以零等待周期的速度單時(shí)鐘周期高速執行系統的核心程序，大大提高了芯片的關(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。我們在中斷處理機制上采用了比較先進(jìn)的電路結構，在中斷產(chǎn)生后，程序可以從ARM的中斷地址(例如：IRQ中斷為0x18地址)直接跳轉到中斷控制器的中斷向量表并可迅速執行中斷程序，這樣就大大加快了此SOC芯片的中斷響應速度。
CI物理接口是PCMCIA8.0標準版本中的一個(gè)子集。其中的物理接口又可以分為傳輸節目流通道和命令通道。SM1658的CI接口在硬件結構上提供了雙向緩沖，在主機和卡之間建立了一個(gè)比較高速的數據通道。此外，作為一個(gè)PCMCIA設備，芯片還提供了一個(gè)可以靈活配置的CIS存儲器。
芯片內部還提供3個(gè)16位的定時(shí)器以及一個(gè)32位的看門(mén)狗計數器。每個(gè)定時(shí)器還包含一個(gè)8位的預分頻器。如果不需要看門(mén)狗功能，還可以將它配置為一個(gè)32位的定時(shí)器使用。

　　在SM1658芯片的時(shí)鐘設計中，我們還集成了一個(gè)可軟件配置的PLL電路，稱(chēng)之為動(dòng)態(tài)時(shí)鐘電路。我們通過(guò)軟件對芯片的PLL和相應的控制寄存器進(jìn)行編程，可以讓芯片的時(shí)鐘隨時(shí)動(dòng)態(tài)調整，降低芯片在輕任務(wù)負載下的功耗。同時(shí)也可以適應不同的外部輸入時(shí)鐘頻率，充分適應生產(chǎn)中的變化需求。

　　在SM1658中的智能卡接口是按照ISO7816標準來(lái)實(shí)現的。為了充分節省外部器件，我們在SM1658中實(shí)現了完整的智能卡接口，不需要任何外部的接口芯片。同時(shí)，為了充分適應不同智能卡的電氣要求，用戶(hù)還可以通過(guò)軟件對接口進(jìn)行配置，搭配適當的外部分立器件，以適應不同的工作電源、信號電平和ESD要求，充分適應不同使用環(huán)境中的差別。流處理引擎，用來(lái)對CI接口傳送過(guò)來(lái)的節目傳輸流進(jìn)行整形、過(guò)濾、提取特定數據、解擾以及回送解擾后的節目流等。在此引擎中，包含了64個(gè)PID過(guò)濾器、16個(gè)SECTION過(guò)濾器、支持高清節目流的DVB通用加擾算法。

　　SM1658芯片采用0.18mm 1P6M的邏輯CMOS工藝生產(chǎn)，采用LQFP144封裝，常溫下工作頻率可以達到120MHz以上，在以?xún)炔看鎯ζ鬟\行基準測試程序的測試中，其性能指標可以接近120MIPs Dhrystone 2.1，基本上達到了ARM7TDMI的理論值水平。

    當SM1658工作在60MHz的頻率下時(shí)，其核心電源功率消耗小于85mW。

　　條件接收卡結構

　　由于SM1658的設計比較完善，包含了除程序存儲器之外的所有功能模塊，所以采用SM1658設計的條件接收卡就非常的簡(jiǎn)潔。只要加入FLASH存儲器、時(shí)鐘電路和電源電路就可以構成一個(gè)功能比較完善的條件接收卡了，其結構示意圖如圖3。
　　由于SM1658需要雙電源工作，所以從主機送過(guò)來(lái)的5伏電源就需要轉換成3.3伏和1.8伏?？梢圆捎锚毩⒒蛘咭惑w化的電源芯片來(lái)完成此功能。
　　SM1658不包含時(shí)鐘發(fā)生電路，需要由外部提供一個(gè)3.3伏的時(shí)鐘信號。時(shí)鐘頻率可以從4MHz到30MHz之間。由于芯片可以通過(guò)軟件來(lái)最終確定芯片的工作頻率，所以可以任意選擇合適的輸入時(shí)鐘頻率，內部的軟件除了設置PLL的部分需要變化之外，其他部分基本上不受影響。

　　SM1658支持各種類(lèi)型的8/16位的NOR FLASH存儲器。用戶(hù)可以根據設計需要，選擇價(jià)格和性能合適的產(chǎn)品。

　　條件接收卡軟件體系

　　SM1658的軟件體系可以分為兩個(gè)大的部分：底層API庫(應用程序接口)和用戶(hù)應用程序。API庫完成與芯片硬件相關(guān)的所有驅動(dòng)和上層軟件開(kāi)發(fā)需要的一些基本和專(zhuān)用的函數庫(包括OS系統的基本功能函數)，用戶(hù)在A(yíng)PI庫的基礎上可以比較方便的建立起用戶(hù)應用程序 (包括移植CA程序)。

　　API庫又可以分為底層硬件驅動(dòng)函數庫、基本應用服務(wù)函數庫和高級應用服務(wù)函數庫。

　　SM1658的底層驅動(dòng)程序包括基本設備如定時(shí)器、看門(mén)狗、存儲器管理、中斷管理、串口等設備的驅動(dòng)之外，還包括專(zhuān)用的智能卡SmartCard接口、機卡分離CI接口、TS流處理引擎驅動(dòng)等特定設備的物理驅動(dòng)。底層驅動(dòng)的功能是完成設備的初始化配置、工作狀態(tài)的變換、基本數據包的發(fā)送接收校驗、與其他設備的握手、錯誤狀態(tài)的處理等與硬件密切相關(guān)的基本處理工作。

　　基本應用服務(wù)包括TS流處理狀態(tài)的管理、CI命令通道數據的管理，SMARTCARD的底層協(xié)議實(shí)現等功能，包括OS系統的底層管理功能。它提供了一些比較底層的函數，用戶(hù)可以通過(guò)這些函數的調用，比較深入仔細的控制芯片的一些工作狀態(tài)。也可以針對應用中的一些特殊情況，優(yōu)化　　某些應用任務(wù)的性能。

　　高級應用服務(wù)實(shí)現具體的各個(gè)設備的資源管理、用戶(hù)顯示界面MMI管理、CAT和EMM數據的管理、SmartCard的應用接口以及OS系統的高層管理功能。它提供了一些比較上層或抽象的函數調用。用戶(hù)通過(guò)對這些函數的調用，可以比較簡(jiǎn)單的完成一些任務(wù)和功能，讓用戶(hù)比較專(zhuān)注的建立應用體系的內容。此外，我們還比較完整的實(shí)現了兩套通訊協(xié)議接口，它們分別是DVB-CI協(xié)議和SMARTCARD的7816協(xié)議。

　　在OS系統方面，我們采用了非常靈活的ECOS作為此嵌入系統的操作系統。ECOS有非常方便的可訂制的配置模式，特別適合本系統及將來(lái)擴充模式的需要。

　　實(shí)現一個(gè)基本的數字電視條件接收卡(CAM)的功能，用戶(hù)需要實(shí)現三個(gè)方面的處理，包括用戶(hù)操作處理、錯誤信息處理和傳輸流信息處理。這三個(gè)方面的處理基本可以概括到一個(gè)條件接收卡的最基本功能了。

　　用戶(hù)操作處理完成CAM卡的主要功能部分，它又可以分為節目切換處理、菜單呼叫處理和卡狀態(tài)變化處理。

　　節目切換處理是指在用戶(hù)更改節目收看頻道后，通過(guò)主機發(fā)送信息給條件接收卡，由CAM卡重新過(guò)濾分析傳輸流的結構和相關(guān)信息表，并針對新的信息表判斷節目的授權類(lèi)別，還需要過(guò)濾出合適的ECM信息提供給智能卡，修改過(guò)濾器配置條件，重新安排節目傳輸流的處理和解擾過(guò)程。這個(gè)操作流程是條件接受卡處理的主要任務(wù)之一。

　　呼叫菜單處理完成用戶(hù)對于與條件接收卡有關(guān)的部分信息查詢(xún)的回應和顯示，還包括用戶(hù)對某些狀態(tài)的設置的處理。比如CAM卡的狀態(tài)查詢(xún)、智能卡有關(guān)信息的查詢(xún)、閱讀郵件以及將來(lái)可能發(fā)展的EPG等可擴展內容的瀏覽，還有用戶(hù)直接要求進(jìn)行在線(xiàn)升級、進(jìn)行節目點(diǎn)播、兒童節目授權等操作。

　　卡狀態(tài)處理是對用戶(hù)卡的插入、拔出等有關(guān)動(dòng)作及后續處理的部分。

　　錯誤信息處理主要是對條件接收卡的一些內部錯誤信息進(jìn)行處理、顯示的部分。

　　傳輸流信息處理是對包含在節目流中的有關(guān)數據信息進(jìn)行收集和處理的部分。包括在線(xiàn)升級及提示、郵件接收及向用戶(hù)通知等內容。
用戶(hù)在已有的API庫函數的基礎上，根據ECOS系統的編程要求，建立起不同的任務(wù)、進(jìn)程和主體程序結構，并將有關(guān)CA以及其他中間件的API庫函數合并起來(lái)，就可以完成一個(gè)基本的數字電視條件接收卡(CAM)的基本框架了。

　　參考文獻：

　　1、ARM7TDMI(Rev4) Technical Reference Manual

　　2、ISO/IEC 7816 Specification