基于ST40GX1与STi5514网络交互式数字机顶盒硬件平台设计
时间：05-23
来源：中电网
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从硬件发展上来看，交互式机顶盒、数字电视已从早期的由分立器件构成而发展到由现代单芯片解决。这是数字大规模集成电路制造工艺技术进步的结果，也是最大程度降低系统成本的必然要求。现代单芯片解决方案的机顶盒一般集成了ＣＰＵ、解复用、音频视频解码、二维图形处理、编码和外设端口等模块。为节省芯片面积，这些独立部分是通过总线方式连接在一起的。改进系统的性能，通常是从提高ＣＰＵ的速度、增强二维乃至三维图形的处理能力、增加外设端口的接口数目和类别等方面着手，从而从总体上提高系统的交互处理能力。但由于视频解复用器和音频视频解码器对存取数据总线实时性要求严格，增加了ＣＰＵ处理等待时间，形成了所谓的总线瓶颈。有关测试表明，总线瓶颈使得ＣＰＵ的执行指令等待时间达到了７６％，这种单纯依靠提高ＣＰＵ性能来克服处理能力的不足，并不能提高性价比。改善总线瓶颈可以通过改进或增加系统互连总线来完成，如松下公司的Ｃｒｏｓｓ Ｓｗｉｔｃｈ解决方法，使等待时间减小到５０％。但这些必将增加芯片制造中互连线的复杂度，从而增加成本。
除了总线瓶颈带来的问题外，随着用户对接入方式多样性以及图形图像处理要求的日益提高，通过电话线回传的交互式机顶盒、数字电视的窄带接入方式以及有限的计算能力也越来越不能满足人们的要求。随着有线ＨＦＣ网的双向改造以及它与电信网、互联网三网合一进程的加速，为用户添加Ｃａｂｌｅ ＭｏｄｅｍＣＭ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ等灵活可选的宽带接入方式以及增加高级２Ｄ乃至３Ｄ高级图形处理，便成为机顶盒应用的一个重要方面。
１ 基于ST40GX1与STi5514的双ＣＰＵ解决方案
为解决上面提出的问题，选择了ＳＴ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ 公司最近推出的基于ＳＴｉ５５１４单芯片解码器和ＳＴ４０ＧＸ１二维图形处理器的双处理器解决方案。该方案避免了外设模块倍增带来的总线拥挤以及解码实时性要求带来的等待延迟。ＳＴｉ５５１４和ＳＴ４０ＧＸ１内部都采用了高速的先进ＳＴＢｕｓ实现互联，前者负责实时性要求较高的硬件解复用、视频音频解码、与解码相关联的外围Ｉ／Ｏ设备控制等。后者负责宽带交互式应用以及高级图形处理。两者之间的高速数据通信通过ＭＰＸ（Ｍｅｍｏｒｙ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｅｘｃｈａｎｇｅ）总线以及存储映射的邮箱（Ｍａｉｌｂｏｘ）来进行。通过主频达１００ＭＨｚ的ＭＰＸ总线，ＳＴｉ５５１４能直接存取ＳＴ４０ＧＸ１上可高达２５６ＭＢ的ＤＤＲ ＳＤＲＡＭ存储资源。
１．１ STi5514功能特点及接口
STi5514主要完成ＭＰＥＧ－２视频、音频信号的解压缩。其内部集成了一个ＭＰ＠ＭＬ标准清晰度的视频解码模块和一个杜比ＡＣ－３／ＡＡＣ／ＤＴＳ音频解码模块以及Ｖｉｄｅｏ Ｅｎｃｏｄｅｒ和Ａｕｄｉｏ ＤＡＣ模块等。内部３２位ＲＩＳＣ ＣＰＵ工作主频为１２０ＭＨｚ在外接Ｖ．９０的硬件Ｍｏｄｅｍ条件下，可以通过电话线进行窄带交互式应用，如进行基于电话线回传的视频点播、低速Ｉｎｔｅｒｎｅｔ浏览等。
与ＳＴ公司早先推出的单芯片解码器STi5512相比，除一般功能接口相同外，其突出特点是：指令和数据缓冲都增加了一倍，同时并发处理三路ＴＳ（Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｓｔｒｅａｍ）流输入，支持多种解扰模式（包括ＤＶＢ、ＤＥＳ、 ＩＣＭ、Ｆａｓｔ－Ｉ），直接支持杜比ＡＣ－３／ＡＡＣ／ＤＴＳ音频解码，提供ＡＴＡＰＩ硬盘电路接口，并直接支持Ｕｌｔｒａ－ＤＭＡ６６高速数据传送模式的硬盘以实现数字电视节目的实时录制，视频解码流可以以ＩＴＵ－Ｒ６０１＿６５６格式数据流输出或者以复合视频信号ＣＶＢＳ、分量信号ＲＧＢ和ＹＵＶ等不同模拟模式输出，支持Ｔｅｌｅｔｅｘｔ解码输出，同时提供对两路ＳＩＭ卡接口，利于扩展银行卡等高级应用。由于ＳＴｉ５５１４去掉了１３９４接口，故需外接１３９４控制器（如ＳＴＥ４２２等）来扩展基于１３９４的视频输入。
１．２ ST40GX1功能特点和结构
ST40GX1集成了ＳＨ－４ ３２位ＲＩＳＣ处理器内核，Ｇａｍｍａ ２Ｄ图像处理、混合模块以及其它视频电路接口逻辑。
ST40GX1是交互式应用的处理核心，包括系统设备和外设两个方面。
１．２．１ 系统设备
ST40GX1系统设备包括中央处理器ＣＰＵ、用于ＤＳＰ功能的浮点运算单元／加乘处理单元（ＦＰＵ／Ｍａｃ）、存储管理单元（ＭＭＵ）以及ＤＭＡ控制模块。
其中，ＣＰＵ为 ３２位ＳｕｐｅｒＨ ＲＩＳＣ，２通道超标量体系结构主频１６６ＭＨｚ，１６位指令定长Ｌｏａｄ－Ｓｔｏｒｅ结构 ８ＫＢ直接指令缓存，１６ＫＢ直接操作数缓存，带有一个片上乘法器。
存储器支持４Ｇ的存储空间，支持单块或多块虚拟内存模式。页面大小可以为１ＫＢ、４ＫＢ、６４ＫＢ或１ＭＢ。支持４通道全相关指令ＩＴＬＢ（Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ Ｌｏｏｋａｓｉｄｅ Ｂｕｆｆｅｒ）、６４通道全相关指令以及操作数ＵＴＬＢ。支持软件控制的更新算法以及随机计数的更新算法。这为３２位保护模式下的操作系统提供了完备的硬件平台。
通用ＤＭＡ控制器支持５个通道的数据传输，其中４个通道可以用于存储器到存储器或存储器到外设之间的数据传送，另外一个通道为带缓冲的多路复合通道。支持２Ｄ块的搬动以及链表操作。两个通道的ＤＭＡ握手信号和ＥＭＩ接口信号被用于ＭＰＸ总线操作。
１．２．２ 外设接口模块
外设接口模块包括通用接口模块和视频专用接口模块。
通用接口模块包括两个与ＳＴ４０系列处理器兼容的全双工异步串行通信端口、中断控制器、符合ＩＥＥＥ１１４９规范的调试控制器、实时时钟、４个用户可编程的ＰＬＬ、２４位输入输出方向可配置的并行Ｉ／Ｏ口，两个符合ｖ１．１规范的ＵＳＢ主控制器和收发器、Ｍｏｄｅｍ模拟前端接口ＭＡＦＥ、两个可配置为支持Ｉ２Ｃ或ＳＰＩ总线接口标准的同步串行控制器（ＳＳＣ０ＳＳＣ１）、Ｔｅｌｅｔｅｘｔ输入接口、两个使用异步协议的ＳｍａｒｔＣａｒｄ接口、用于和外部微处理器通信的存储映射邮箱（Ｍａｉｌｂｏｘ），符合ＰＣＩ２．１规范的ＰＣＩ接口控制器、两路音频ＰＣＭ输入接口和一路ＰＣＭ输出接口等。
视频专用接口以及处理模块包括字视频输入端口和２Ｄ图像处理器。
两个ＣＣＩＲ６０１－６５６视频输入端口（ＤＶＰ０，ＤＶＰ１）可以同时输入ＹＣｂＣｒ ４：２：２格式的视频数据，并将其装入局部存储器。对没有内嵌同步信号的视频还根据ＳＡＶ／ＥＡＶ协议提供了外同步信号支持，用户可以从输入的视频图像中设定视频捕获窗口以及活动窗口的子窗口。数字编码器（ＤＥＮＣ）将数字视频流转换为标准的模拟基带ＰＡＬ／ＳＥＣＡＭ／ＮＴＳＣ信号以及ＲＧＢ和ＹＵＶ模拟分量信号。如果在ＬＭＩ上使用３２位的ＤＲＡＭ，则可以获得ＲＧＢ２４位的数字视频流。 ２Ｄ图像处理器（或图像块传送引擎）拥有两个２Ｄ ＤＭＡ图像数据输入源，可完成一整套强大处理操作。除了完成普通２Ｄ图形加速功能外，还可完成不同图形格式（ＲＧＢ／ＹＵＶ等）之间的转换，其中包括块填充、块拷贝、异步复合、色彩变换以及２Ｄ缩放处理等功能。
除了总线瓶颈带来的问题外，随着用户对接入方式多样性以及图形图像处理要求的日益提高，通过电话线回传的交互式机顶盒、数字电视的窄带接入方式以及有限的计算能力也越来越不能满足人们的要求。随着有线ＨＦＣ网的双向改造以及它与电信网、互联网三网合一进程的加速，为用户添加Ｃａｂｌｅ ＭｏｄｅｍＣＭ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ等灵活可选的宽带接入方式以及增加高级２Ｄ乃至３Ｄ高级图形处理，便成为机顶盒应用的一个重要方面。
１ 基于ST40GX1与STi5514的双ＣＰＵ解决方案
为解决上面提出的问题，选择了ＳＴ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ 公司最近推出的基于ＳＴｉ５５１４单芯片解码器和ＳＴ４０ＧＸ１二维图形处理器的双处理器解决方案。该方案避免了外设模块倍增带来的总线拥挤以及解码实时性要求带来的等待延迟。ＳＴｉ５５１４和ＳＴ４０ＧＸ１内部都采用了高速的先进ＳＴＢｕｓ实现互联，前者负责实时性要求较高的硬件解复用、视频音频解码、与解码相关联的外围Ｉ／Ｏ设备控制等。后者负责宽带交互式应用以及高级图形处理。两者之间的高速数据通信通过ＭＰＸ（Ｍｅｍｏｒｙ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｅｘｃｈａｎｇｅ）总线以及存储映射的邮箱（Ｍａｉｌｂｏｘ）来进行。通过主频达１００ＭＨｚ的ＭＰＸ总线，ＳＴｉ５５１４能直接存取ＳＴ４０ＧＸ１上可高达２５６ＭＢ的ＤＤＲ ＳＤＲＡＭ存储资源。
１．１ STi5514功能特点及接口
STi5514主要完成ＭＰＥＧ－２视频、音频信号的解压缩。其内部集成了一个ＭＰ＠ＭＬ标准清晰度的视频解码模块和一个杜比ＡＣ－３／ＡＡＣ／ＤＴＳ音频解码模块以及Ｖｉｄｅｏ Ｅｎｃｏｄｅｒ和Ａｕｄｉｏ ＤＡＣ模块等。内部３２位ＲＩＳＣ ＣＰＵ工作主频为１２０ＭＨｚ在外接Ｖ．９０的硬件Ｍｏｄｅｍ条件下，可以通过电话线进行窄带交互式应用，如进行基于电话线回传的视频点播、低速Ｉｎｔｅｒｎｅｔ浏览等。
与ＳＴ公司早先推出的单芯片解码器STi5512相比，除一般功能接口相同外，其突出特点是：指令和数据缓冲都增加了一倍，同时并发处理三路ＴＳ（Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｓｔｒｅａｍ）流输入，支持多种解扰模式（包括ＤＶＢ、ＤＥＳ、 ＩＣＭ、Ｆａｓｔ－Ｉ），直接支持杜比ＡＣ－３／ＡＡＣ／ＤＴＳ音频解码，提供ＡＴＡＰＩ硬盘电路接口，并直接支持Ｕｌｔｒａ－ＤＭＡ６６高速数据传送模式的硬盘以实现数字电视节目的实时录制，视频解码流可以以ＩＴＵ－Ｒ６０１＿６５６格式数据流输出或者以复合视频信号ＣＶＢＳ、分量信号ＲＧＢ和ＹＵＶ等不同模拟模式输出，支持Ｔｅｌｅｔｅｘｔ解码输出，同时提供对两路ＳＩＭ卡接口，利于扩展银行卡等高级应用。由于ＳＴｉ５５１４去掉了１３９４接口，故需外接１３９４控制器（如ＳＴＥ４２２等）来扩展基于１３９４的视频输入。
１．２ ST40GX1功能特点和结构
ST40GX1集成了ＳＨ－４ ３２位ＲＩＳＣ处理器内核，Ｇａｍｍａ ２Ｄ图像处理、混合模块以及其它视频电路接口逻辑。
ST40GX1是交互式应用的处理核心，包括系统设备和外设两个方面。
１．２．１ 系统设备
ST40GX1系统设备包括中央处理器ＣＰＵ、用于ＤＳＰ功能的浮点运算单元／加乘处理单元（ＦＰＵ／Ｍａｃ）、存储管理单元（ＭＭＵ）以及ＤＭＡ控制模块。
其中，ＣＰＵ为 ３２位ＳｕｐｅｒＨ ＲＩＳＣ，２通道超标量体系结构主频１６６ＭＨｚ，１６位指令定长Ｌｏａｄ－Ｓｔｏｒｅ结构 ８ＫＢ直接指令缓存，１６ＫＢ直接操作数缓存，带有一个片上乘法器。
存储器支持４Ｇ的存储空间，支持单块或多块虚拟内存模式。页面大小可以为１ＫＢ、４ＫＢ、６４ＫＢ或１ＭＢ。支持４通道全相关指令ＩＴＬＢ（Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ Ｌｏｏｋａｓｉｄｅ Ｂｕｆｆｅｒ）、６４通道全相关指令以及操作数ＵＴＬＢ。支持软件控制的更新算法以及随机计数的更新算法。这为３２位保护模式下的操作系统提供了完备的硬件平台。
通用ＤＭＡ控制器支持５个通道的数据传输，其中４个通道可以用于存储器到存储器或存储器到外设之间的数据传送，另外一个通道为带缓冲的多路复合通道。支持２Ｄ块的搬动以及链表操作。两个通道的ＤＭＡ握手信号和ＥＭＩ接口信号被用于ＭＰＸ总线操作。
１．２．２ 外设接口模块
外设接口模块包括通用接口模块和视频专用接口模块。
通用接口模块包括两个与ＳＴ４０系列处理器兼容的全双工异步串行通信端口、中断控制器、符合ＩＥＥＥ１１４９规范的调试控制器、实时时钟、４个用户可编程的ＰＬＬ、２４位输入输出方向可配置的并行Ｉ／Ｏ口，两个符合ｖ１．１规范的ＵＳＢ主控制器和收发器、Ｍｏｄｅｍ模拟前端接口ＭＡＦＥ、两个可配置为支持Ｉ２Ｃ或ＳＰＩ总线接口标准的同步串行控制器（ＳＳＣ０ＳＳＣ１）、Ｔｅｌｅｔｅｘｔ输入接口、两个使用异步协议的ＳｍａｒｔＣａｒｄ接口、用于和外部微处理器通信的存储映射邮箱（Ｍａｉｌｂｏｘ），符合ＰＣＩ２．１规范的ＰＣＩ接口控制器、两路音频ＰＣＭ输入接口和一路ＰＣＭ输出接口等。
视频专用接口以及处理模块包括字视频输入端口和２Ｄ图像处理器。
两个ＣＣＩＲ６０１－６５６视频输入端口（ＤＶＰ０，ＤＶＰ１）可以同时输入ＹＣｂＣｒ ４：２：２格式的视频数据，并将其装入局部存储器。对没有内嵌同步信号的视频还根据ＳＡＶ／ＥＡＶ协议提供了外同步信号支持，用户可以从输入的视频图像中设定视频捕获窗口以及活动窗口的子窗口。数字编码器（ＤＥＮＣ）将数字视频流转换为标准的模拟基带ＰＡＬ／ＳＥＣＡＭ／ＮＴＳＣ信号以及ＲＧＢ和ＹＵＶ模拟分量信号。如果在ＬＭＩ上使用３２位的ＤＲＡＭ，则可以获得ＲＧＢ２４位的数字视频流。 ２Ｄ图像处理器（或图像块传送引擎）拥有两个２Ｄ ＤＭＡ图像数据输入源，可完成一整套强大处理操作。除了完成普通２Ｄ图形加速功能外，还可完成不同图形格式（ＲＧＢ／ＹＵＶ等）之间的转换，其中包括块填充、块拷贝、异步复合、色彩变换以及２Ｄ缩放处理等功能。
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