數(shù)字電視條件接收卡SoC SM1658的硬件結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)方法

數(shù)字電視從電視節(jié)目錄制、播出到發(fā)射、接收全部采用數(shù)字編碼與數(shù)字傳輸技術(shù)。由于數(shù)字電視廣播具有頻道利用率高，可適應(yīng)各種數(shù)據(jù)傳輸、適應(yīng)各類圖像質(zhì)量、可交互操作等方面的優(yōu)勢，被各國視為新世紀(jì)的戰(zhàn)略技術(shù)。伴隨著電視廣播的全面數(shù)字化，傳統(tǒng)的電視媒體將在技術(shù)、功能上逐步與信息、通信領(lǐng)域的其它手段相互融合，從而形成全新的、龐大的數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)。

數(shù)字電視的條件接收系統(tǒng)(CAS)是用于對數(shù)字電視用戶進(jìn)行節(jié)目授權(quán)和管理的部分，是數(shù)字電視廣播中的重要組成部分之一。而其中采用開放的機(jī)卡分離結(jié)構(gòu)又是條件接收系統(tǒng)的未來重要發(fā)展趨勢。機(jī)卡分離是通過在用戶接收終端上定義了一個通用物理接口以及相關(guān)的接口通訊協(xié)議，將通用的適宜于大規(guī)模生產(chǎn)的電視接收系統(tǒng)與私有的CAS管理系統(tǒng)分離開來。目前，機(jī)卡分離模式在國際上通行的實現(xiàn)方法是：采用一種與便攜電腦上的PCMCIA插口類似的物理接口來實現(xiàn)。歐洲的DVB組織發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)稱之為DVB-CI，美國也有一個類似的標(biāo)準(zhǔn)稱之為POD。事實上新的PCMCIA標(biāo)準(zhǔn)文檔中已經(jīng)將此兩種接口的定義包含進(jìn)去了。而這其中裝載條件接收處理內(nèi)容的PCMCIA卡簡稱為數(shù)字電視條件接收卡，可以簡稱為CAM(條件接收模塊)。

事實上，建立了機(jī)卡分離標(biāo)準(zhǔn)，在電視機(jī)上開啟了一個標(biāo)準(zhǔn)插口之后，其意義并不僅僅在于解決了公共收視與私有管理的難題，其巨大的意義還將體現(xiàn)在從此作為家用消費品的數(shù)字電視機(jī)有了升級性能和擴(kuò)充功能的途徑。就像PC機(jī)目前的發(fā)展規(guī)模，與PC機(jī)的ISA、PCI、APG等接口的標(biāo)準(zhǔn)化有著不可分割的關(guān)系。我們難以想象，如果計算機(jī)沒有標(biāo)準(zhǔn)化的可擴(kuò)充接口，其行業(yè)還能否取得這么大的成功。在數(shù)字電視領(lǐng)域中，機(jī)卡分離接口標(biāo)準(zhǔn)的制訂以及數(shù)字電視機(jī)上的標(biāo)準(zhǔn)接口的開啟，將會把數(shù)字電視引入到一個多姿多彩的發(fā)展領(lǐng)域中去。比如：對于不同的節(jié)目信號傳送方式(無線廣播、有線電纜、衛(wèi)星、數(shù)字音頻廣播)，可以通過在CI接口(機(jī)卡分離通用接口)上插入不同形式的接收模塊就可以了；對于我們在數(shù)碼相機(jī)存儲卡上保存的照片，可以通過一個通用存儲卡讀寫器模塊在電視機(jī)上瀏覽；通過寬帶IP接收模塊，可以在電視機(jī)上欣賞網(wǎng)上的各類流節(jié)目以及進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的雙向傳輸；可以通過網(wǎng)關(guān)模塊，將電視機(jī)與其他電器設(shè)備連接成一個家庭數(shù)字網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；通過帶硬盤錄象模塊，用戶可以錄制有許可認(rèn)證的節(jié)目等等。將來其發(fā)展的趨勢和潛力更難以預(yù)計。

圖1：機(jī)卡分離結(jié)構(gòu)示意圖。

CAM的結(jié)構(gòu)一般可以是以一個高性能的32位SoC芯片為核心，配合智能卡接口、CI接口、專用的TS傳輸流處理引擎、DVB通用解擾等部分組成。CAM卡的體積空間非常有限，卻要實現(xiàn)一個能處理高清電視節(jié)目流的高速32位嵌入式系統(tǒng)，所以其核心的SoC芯片的規(guī)模和性能就成了關(guān)鍵點。

我們通過對歐洲的DVB-CI標(biāo)準(zhǔn)的潛心研究，結(jié)合自身在嵌入式產(chǎn)品領(lǐng)域和集成電路領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗，對以ARM7TDMI為核心的SoC技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，成功的開發(fā)出了性能和集成度在國際上領(lǐng)先的CAM芯片SM1658，同時大幅度降低了CAM的生產(chǎn)成本，消除了大規(guī)模推廣機(jī)卡分離標(biāo)準(zhǔn)的價格瓶頸。

CAM結(jié)構(gòu)及硬件體系

SM1658是一個典型的用于CAM系統(tǒng)的專用嵌入式微處理器，它集成了一個CAM的全部主要功能模塊，以它為核心構(gòu)成的CAM結(jié)構(gòu)非常簡單。

SM1658采用了廣泛流行的32位的ARM7TDMI作為CPU核，除了集成一般的SoC芯片具有的存儲器管理、中斷控制器、定時器、看門狗、異步串口通訊、PLL等常用電路模塊外，還在內(nèi)部集成了256KB的高速SRAM、智能卡接口、PCMCIA(DVB-CI)接口、高速TS流解復(fù)用/過濾引擎和DVB通用解擾器等模塊。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，只需要一片外接的FLASH程序存儲器芯片就可以構(gòu)成一個高性能CAM卡。

SM1658的存儲器管理模塊可以總共支持4個存儲器段，此存儲器部分可以是內(nèi)部、外部的SRAM或者外部的FLASH，每個存儲器的數(shù)據(jù)線寬度、讀寫速度可以由軟件初始化配置。每個存儲器段的最大容量可以支持到4M字節(jié)，四個存儲器段最大可以支持到16M字節(jié)的容量。其中，在芯片內(nèi)部實現(xiàn)的存儲器是256KB的高速內(nèi)部SRAM，它可以無等待周期的速度高速執(zhí)行系統(tǒng)的核心程序，大大提高芯片關(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。每路中斷可以選擇優(yōu)先級別、觸發(fā)上/下邊沿、脈沖/電平觸發(fā)選擇，提供了中斷屏蔽、中斷保留、軟觸發(fā)等豐富的中斷管理特性。CI物理接口是PCMCIA標(biāo)準(zhǔn)中的一個子集。可以分為TS流通道和命令通道。我們的CI接口完全符合DVB-CI的接口標(biāo)準(zhǔn)，并且在硬件結(jié)構(gòu)上提供了雙向緩沖、CIS存儲器和靈活的狀態(tài)、控制寄存器。

芯片內(nèi)部還提供3個16位的定時器，每個定時器都帶有可選擇的8位預(yù)分頻器。芯片的看門狗是32位的，如果不需要看門狗，可以配置為一個32位的定時器使用。

設(shè)計特色

1. 簡潔的高效率本地總線

在SoC設(shè)計中，內(nèi)部及外部總線的選擇是一個非常重要的因素，一個高效、簡潔的總線可以讓芯片的運行效率和可擴(kuò)充性提高。

在ARM結(jié)構(gòu)體系的SoC芯片設(shè)計中，ARM公司一般推薦采用標(biāo)準(zhǔn)的AMBA總線來進(jìn)行設(shè)計。同時，ARM7TDMI核本身還帶有一個簡單的內(nèi)部總線。在決定采用的總線規(guī)范前，我們對SM1658的體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點進(jìn)行了下面的分析。

AMBA總線的優(yōu)點之一就是可以支持多個主設(shè)備的調(diào)用、裁決和數(shù)據(jù)的流水處理。在SM1658中，只有一個主設(shè)備ARM7TDMI，其他模塊電路都處于從設(shè)備狀態(tài)，由CPU統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)度，而且所有的外部從設(shè)備都與主設(shè)備采用相同的時鐘，可以在單個時鐘內(nèi)立即響應(yīng)CPU的訪問。因此，在這個方面采用ARM7本地的總線更有優(yōu)勢。

如果使用AMBA總線，設(shè)計團(tuán)隊可以使用大量的第三方IP模塊，這些IP模塊都符合AMBA總線的規(guī)范要求，并且經(jīng)過了嚴(yán)格的驗證。在SM1658的芯片設(shè)計中，我們?yōu)榱俗畲蟪潭鹊慕档托酒某杀?，同時客觀上也由于重要的模塊電路都沒有合適的IP可以使用，所以我們自己設(shè)計了所有的電路模塊。那么，想通過使用IP來節(jié)省的開發(fā)時間就沒有可行性了。

此外，如果使用AMBA總線，就必須在原有的ARM7TDMI的三級流水線上增加一級流水線，并將ARM7TDMI的雙時鐘邊沿的總線結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閱螘r鐘邊沿的總線結(jié)構(gòu)，這樣可以簡化芯片后期的設(shè)計工作量。但是，這樣對于某些跳轉(zhuǎn)指令就多損失了一個時鐘周期，降低了CPU的工作效率。此外，使用AMBA總線，CPU和每個模塊都需要增加AMBA總線的接口邏輯，增加了芯片的規(guī)模和成本。

圖2：SM1658基本結(jié)構(gòu)。

最后，我們從芯片的最大使用效率和簡化邏輯控制的方面出發(fā)，決定采用ARM7TDMI自身的本地總線。使用ARM7的本地總線有幾個優(yōu)勢：ARM7的本地總線狀態(tài)相對簡單，不需要進(jìn)行相對復(fù)雜的AMBA總線協(xié)議驗證；對模塊的接口功能要求低，接口電路非常簡單；減少了流水線長度，在一個最高時鐘由IP硬核固定了的SoC芯片中，流水減少就意味著芯片的代碼執(zhí)行效率的提高。同時，對于ARM7總線上的雙邊沿時鐘問題進(jìn)行嚴(yán)格的約束和驗證，確保了芯片后期設(shè)計的正確性。

2. 帶有軟件冗余的內(nèi)部SRAM

ARM7TDMI是一款沒有內(nèi)部高速緩存的CPU核，對于慢速的SRAM、FLASH存儲器的只能空閑等待。即使采用了高速的外部SRAM，由于數(shù)據(jù)接口寬度和芯片與芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，也不能有效地用到高速CPU的全部性能；同時，大容量的高速SRAM價格昂貴，將會大大增加CAM系統(tǒng)的成本。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和成本方面考慮，我們決定在SM1658中嵌入一個256KB容量的SRAM，此SRAM容量可以滿足相當(dāng)部分CAM系統(tǒng)的應(yīng)用需求。同時，我們的芯片也支持各種外部高速和低速SRAM，對于一些SRAM需求非常大的系統(tǒng)也可以滿足要求。

SM1658內(nèi)部實現(xiàn)的SRAM具有非常高的性能，可以以單時鐘周期完成ARM的各種指令的操作，也就是當(dāng)CPU在內(nèi)部SRAM中進(jìn)行取指或存取數(shù)據(jù)時不需要任何等待。我們在芯片生產(chǎn)出來后用對芯片內(nèi)部的SRAM進(jìn)行了CPU性能的基準(zhǔn)測試，即使在非常高的頻率下面，芯片也能獲得與ARM7TDMI的IP核的理論計算值相同的水準(zhǔn)，后面有測試的數(shù)據(jù)表格。

內(nèi)嵌SRAM的最大問題是，對于芯片的成品率會產(chǎn)生影響。我們在電路功能設(shè)計、底層軟件設(shè)計和應(yīng)用系統(tǒng)上采取了一些有效的預(yù)防措施，大大減少系統(tǒng)對于有缺陷的SRAM的依賴性。這樣，芯片的成品率可以大幅度提高。這樣也就從系統(tǒng)角度降低了芯片的整體成本。

3. 可動態(tài)調(diào)整的時鐘電路

在SM1658芯片的時鐘設(shè)計中，我們還集成了一個可軟件配置的時鐘管理電路，稱之為動態(tài)時鐘電路。我們通過軟件對芯片的時鐘處理模塊進(jìn)行編程，既可以讓芯片的工作時鐘頻率隨著需要不斷變化，降低芯片在輕任務(wù)負(fù)載下的功耗，又可以適應(yīng)多種外部時鐘源的輸入，增加CAM系統(tǒng)在產(chǎn)品開發(fā)中的適應(yīng)能力。

4. 高度靈活的智能卡接口

在SM1658的功能中，還包括一個高度靈活的智能卡接口。它是為了保證CA公司可以通過智能卡對用戶收看節(jié)目進(jìn)行授權(quán)和管理。

一般來講，國際上大多數(shù)智能卡接口都是按照ISO7816標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)互連互通的。在很多的SoC芯片設(shè)計中，大家都采用了一個外部的智能卡接口芯片，例如TDA8004就是一個比較常用的智能卡接口芯片。但是采用一個外接的芯片，其系統(tǒng)的可靠性會降低而成本會比較高，我們希望設(shè)計一個成本和性能最優(yōu)的系統(tǒng)，通過電路設(shè)計完全省略掉此外部接口芯片。

首先，我們在此接口模塊的設(shè)計中，按照ISO7816的標(biāo)準(zhǔn)，將全部的狀態(tài)和控制方式都完成。比如，針對A類、B類智能卡卡的不同電源電氣指標(biāo)要求的設(shè)計；針對T0通訊協(xié)議與其他通訊協(xié)議不同的錯誤處理的設(shè)計；還有針對某些私有的智能卡的特殊協(xié)議要求等。這些都可以通過在芯片的驅(qū)動軟件上進(jìn)行配置，配合少量的簡單外部器件來完成。其次，針對智能卡接口要求的ESD要求和不同使用環(huán)境中的差別，我們設(shè)計了不同的外部電路來配合芯片的內(nèi)部控制。同時，我們對芯片的各個接口管腳的邏輯特性進(jìn)行了不同條件下的獨立配置，可以最大程度地減小對外部電路的要求。

圖3：智能卡模塊系統(tǒng)軟件功能框圖。

在標(biāo)準(zhǔn)的使用情況下，SM1658芯片可以不需要任何外部有源器件就完成智能卡接口的功能，而且抗ESD的能力可以保證大于4,000V。

5. 內(nèi)嵌高速DVB通用解擾算法

通用加擾算法是DVB標(biāo)準(zhǔn)組織推薦的對于TS流的標(biāo)準(zhǔn)加擾算法。目前，在歐洲的數(shù)字廣播節(jié)目中普遍采用了這個算法。我國目前商業(yè)化的CA中，TS節(jié)目的加擾也基本上是采用的這個算法。因此，我們向DVB組織申請了此算法的授權(quán)，并以固核的模式嵌入到了我們的SM1658芯片中。

在此固核的設(shè)計中充分考慮到了芯片對將來可能出現(xiàn)的多路高清節(jié)目的適應(yīng)能力，將此解擾模塊的處理能力設(shè)計到了175Mbps，可以滿足同時處理2路高清節(jié)目流或4路標(biāo)清節(jié)目流的水平。

6.高性能的TS流處理引擎

在SM1658中，我們還設(shè)計了一套TS流處理引擎，用來對CI接口傳送過來的TS流進(jìn)行整形、過濾、提取特定數(shù)據(jù)、回送解擾后的節(jié)目流等。在此引擎中，我們設(shè)計了64個PID過濾器和16個SECTION過濾器，根據(jù)不同的配置狀態(tài)，此引擎可以完成對TS流7種不同的路由功能。

SM1658性能指標(biāo)

1. 最高工作時鐘頻率

SM1658芯片采用了中芯國際的0.18um的標(biāo)準(zhǔn)邏輯CMOS工藝生產(chǎn)。在SM1658的芯片設(shè)計中，我們采用了ARTISAN的0.18um工藝庫和MC編譯器，采用了SYNOPSYS的DC綜合工具進(jìn)行綜合，并采用最新的CADENCE的后端設(shè)計工具ENCOUNTER進(jìn)行布局布線和SI分析，通過對芯片內(nèi)部總線、存儲器和關(guān)鍵路徑模塊進(jìn)行優(yōu)化，使芯片的時序基本上達(dá)到了ARM7TDMI IP核手冊上測試的標(biāo)準(zhǔn)性能。

我們完成流片后對芯片進(jìn)行了最高時鐘頻率的測試。常溫下以1.8V的核心電壓和3.3V的IO口電壓條件，SM1658可以工作在125MHz~135MHz的頻率下，這可能是已經(jīng)商用化的ARM7TDMI類芯片的最高工作頻率了。

由于我們對芯片的總線、內(nèi)部存儲器進(jìn)行了優(yōu)化，為了證實此優(yōu)化效果。我們對于芯片的最高運算能力進(jìn)行了基準(zhǔn)測試。我們的測試程序使用的是ARM公司提供的參考測試程序Dhrystone2.1(C語言編寫)，以性能最優(yōu)的方式進(jìn)行編譯。該測試程序在芯片的內(nèi)部SRAM中運行。下表是我們的測試結(jié)果以及與軟件仿真測試結(jié)果的比較?？梢钥吹?，我們的芯片在最高性能時的執(zhí)行效率已經(jīng)基本達(dá)到了ARM7TDMI的最好的指標(biāo)，這也說明，我們的設(shè)計是非常優(yōu)化的。

表1：SM1658的最高運算能力基準(zhǔn)測試結(jié)果。

2. 電流消耗

由于芯片內(nèi)部嵌入了一個大容量的SRAM和高速PLL，芯片在工作中的主要電流消耗將由其產(chǎn)生。在設(shè)計中也充分考慮到了其電源消耗的狀態(tài)，將SRAM的分解成多個獨立的部分，保證同時只有一個部分的SRAM在工作。通過電路管理和優(yōu)化，芯片全速運行程序時的平均電源消耗如下表：

軟件體系簡單介紹

對于任何一個SoC芯片，其軟件的設(shè)計、開發(fā)和應(yīng)用體系是其商用化不可缺少的重要部分。我們從一開始設(shè)計SM1658芯片的同時，就在項目內(nèi)組織了一個軟件開發(fā)團(tuán)隊對SM1658的軟件進(jìn)行開發(fā)。在芯片的設(shè)計過程中，軟件組同步進(jìn)行設(shè)計，在芯片完成設(shè)計流片出來后，我們的軟件底層、應(yīng)用開發(fā)平臺和部分應(yīng)用軟件就已經(jīng)基本完成了。

這里簡單介紹一下SM1658的軟件體系結(jié)構(gòu)。SM1658的軟件體系可以分為兩個大的部分：API庫(應(yīng)用程序接口)和應(yīng)用程序。API類似WINDOWS下的API庫，它完成了與芯片硬件相關(guān)的所有驅(qū)動和上層軟件開發(fā)需要的一些基本和專用的函數(shù)庫(包括OS系統(tǒng)的基本功能函數(shù))，用戶在API庫的基礎(chǔ)上可以比較方便地建立起用戶應(yīng)用程序。

API庫又可以分為底層硬件驅(qū)動函數(shù)庫、基本應(yīng)用服務(wù)函數(shù)庫和高級應(yīng)用服務(wù)函數(shù)庫。SM1658的底層驅(qū)動程序包括基本設(shè)備如定時器、看門狗、存儲器管理、中斷管理、串口等設(shè)備的驅(qū)動之外，還包括專用的智能卡接口、機(jī)卡分離CI接口、TS流處理引擎驅(qū)動等特定設(shè)備的物理驅(qū)動。底層驅(qū)動的功能是完成設(shè)備的初始化配置、工作狀態(tài)的變換、基本數(shù)據(jù)包的發(fā)送接收校驗、與其他設(shè)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(yīng)用服務(wù)包括TS流處理狀態(tài)的管理、CI命令通道數(shù)據(jù)的管理、智能卡的底層協(xié)議實現(xiàn)等功能，包括OS系統(tǒng)的底層管理功能。它提供了一些比較底層的函數(shù)，用戶可以通過這些函數(shù)的調(diào)用，比較深入仔細(xì)地控制芯片的一些工作狀態(tài)。也可以針對應(yīng)用中的一些特殊情況，優(yōu)化某些應(yīng)用任務(wù)的性能。

高級應(yīng)用服務(wù)實現(xiàn)具體的各個設(shè)備的資源管理、用戶顯示界面MMI管理、CAT和EMM數(shù)據(jù)的管理、智能卡的應(yīng)用接口以及OS系統(tǒng)的高層管理功能。它提供了一些比較上層或抽象的函數(shù)調(diào)用。用戶通過對這些函數(shù)的調(diào)用，可以比較簡單地完成一些任務(wù)和功能，讓用戶專注于建立應(yīng)用體系的內(nèi)容。

在本軟件體系的API庫中還比較完整地實現(xiàn)了兩套通訊協(xié)議接口，它們分別是DVB-CI協(xié)議和智能卡的7816協(xié)議。用戶直接使用這些協(xié)議的上層函數(shù)，可以大大簡化在進(jìn)行CAM卡應(yīng)用設(shè)計時的軟件開發(fā)工作量。

在操作系統(tǒng)方面，我們采用了非常靈活的ECOS作為此嵌入系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。ECOS系統(tǒng)功能強(qiáng)大，但是又有非常方便的可訂制的配置模式，特別適合本系統(tǒng)及將來擴(kuò)充模式的需要。由于當(dāng)前的CAM既不需要文件管理，又沒有GUI界面，所以在ECOS針對此芯片進(jìn)行配置后，其OS核心代碼只有50KB左右。

本文結(jié)論

作為數(shù)字電視傳播環(huán)節(jié)中一個部分，CAM還有一個重要的特色是內(nèi)容保護(hù)和拷貝管理(CPCM)功能。由于機(jī)卡分離導(dǎo)致的透明節(jié)目流在接口上面出現(xiàn)，不利于節(jié)目產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)，所以，必須要在機(jī)頂盒與CAM之間加入一種防拷貝機(jī)制。在美國，POD標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容中早已經(jīng)有了CP方面的內(nèi)容；而在歐洲，有關(guān)CPCM的內(nèi)容也已經(jīng)在2005年的第四季度公布了；目前在國內(nèi)，有關(guān)CP保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)也在制訂中。一旦國家的CP標(biāo)準(zhǔn)宣布，我們就可以在SM1658的基礎(chǔ)上加入符合標(biāo)準(zhǔn)的CPCM結(jié)構(gòu)，完成一個真正的CAM需要的全部基本功能。