LEON2應(yīng)用于數(shù)字機(jī)頂盒CPU的FPGA仿真

　　采用免費(fèi)軟核LEON2作為數(shù)字機(jī)頂盒的CPU可以降低產(chǎn)品成本。為了使LEON2軟核能更快更好地應(yīng)用于數(shù)字機(jī)頂盒，選擇先在FPGA開發(fā)板上建立基于LEON2處理器的一個(gè)原型，通過這個(gè)原型對(duì)硬件性能進(jìn)行仿真，并且還可以在線修改程序，這樣就很容易驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，加速軟件開發(fā)調(diào)試流程。經(jīng)過在FPGA開發(fā)板上的仿真，對(duì)基于LEON2的系統(tǒng)測(cè)試取得了預(yù)期的效果。

　　0 引 言

　　近年來，隨著數(shù)字多媒體業(yè)務(wù)和Internet網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，新型數(shù)字機(jī)頂盒可以有效利用我國(guó)巨大的有線電視網(wǎng)絡(luò)資源，完成視頻點(diǎn)播、數(shù)字電視的接收及接入Internet等綜合業(yè)務(wù)功能。

　　1 數(shù)字機(jī)頂盒總體設(shè)計(jì)方案

　　數(shù)字機(jī)頂盒分為兩個(gè)通道，下行通道接收來自電纜或光纖的有線電視信號(hào)，上行通道傳輸從客戶端到服務(wù)器端的指令。

　　下行通道方案如圖1所示，調(diào)諧器接收來自有線網(wǎng)的高頻信號(hào)，通過QAM解調(diào)器完成信道解碼，從載波中分離出包含音、視頻和其他數(shù)據(jù)信息的傳送流(TS)。傳送流中一般包含多個(gè)音、視頻流及一些數(shù)據(jù)信息。解復(fù)用器則用來區(qū)分不同的節(jié)目，提取相應(yīng)的音、視頻流和數(shù)據(jù)流，送入MPEG一2解碼器和相應(yīng)的解析軟件，完成數(shù)字信息的還原。對(duì)于付費(fèi)電視，條件接收模塊對(duì)音、視頻流實(shí)施解擾，并采用含有識(shí)別用戶和進(jìn)行記賬功能的智能卡，保證合法用戶正常收看。MPEG一2解碼器完成音、視頻信號(hào)的解壓縮，經(jīng)視頻編碼器和音頻D/A變換，還原出模擬音、視頻信號(hào)，在常規(guī)彩色電視機(jī)上顯示高質(zhì)量圖像，并提供多聲道立體聲節(jié)目。

　　上行通道方案如圖2所示，用戶發(fā)送指令，然后經(jīng)過編碼符合網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，從以太網(wǎng)接口傳輸?shù)秸{(diào)制器，再經(jīng)物理信道傳給終端服務(wù)器。

　　2 LEON2處理器

　　嵌入式CPU是數(shù)字電視機(jī)頂盒的心臟，當(dāng)數(shù)據(jù)完成信道解碼以后，首先要解復(fù)用，把傳輸流分成視頻、音頻，使視頻、音頻和數(shù)據(jù)分離開。CPU是嵌入式操作系統(tǒng)的運(yùn)行平臺(tái)，它要與操作系統(tǒng)一起完成網(wǎng)絡(luò)管理，顯示管理、有條件接收管理、圖文電視解碼、數(shù)據(jù)解碼、視頻信號(hào)的上下變換等功能。

　　LEON系列32位RISC處理器核的第一個(gè)版本是LEONl，它是由歐洲航天局主持設(shè)計(jì)開發(fā)的。LEONl的設(shè)計(jì)初衷是為了使歐洲能夠擺脫在航空航天高性能嵌入式處理器上對(duì)美國(guó)的嚴(yán)重依賴。以Jiri Caisler為首的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在完成LEONl后從歐洲航天局獨(dú)立出來，成立了Gaisler Research公司，后來就推出了LE—ON2處理器。LEON2是一個(gè)可配置的微處理器核，使用SPARC V8指令集，它的源代碼由可綜合的VHDL代碼構(gòu)成。LEON2內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　LEON2的整數(shù)處理單元是5級(jí)流水線設(shè)計(jì)，采用SPARC V8(IEEE一1754)指令和體系結(jié)構(gòu)，具有分離的數(shù)據(jù)Cache和指令Cache。LEON2的整數(shù)單元包括一個(gè)可選的16×16的MAC單元，能夠完成基本的DSP運(yùn)算，同時(shí)還提供了浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)的接口和協(xié)處理器(CP)的接口，可以擴(kuò)展浮點(diǎn)運(yùn)算和DSP處理。LEON2選用了ARM公司的AMBA 2.0片上總線標(biāo)準(zhǔn)，用于連接內(nèi)存控制器、定時(shí)器、中斷控制器、UART接口、PCI接口、10/100 Mb/s以太網(wǎng)接口等模塊。LEON2同時(shí)還提供1個(gè)調(diào)試支持單元和1個(gè)調(diào)試串口，用于支持片內(nèi)調(diào)試。LEON2的一個(gè)非常重要的特點(diǎn)就是具有很好的可配置性。使用者根據(jù)自己的需要，通過一個(gè)用tcl/tk腳本編寫的圖形化界面，對(duì)LEON2內(nèi)核的絕大多數(shù)模塊進(jìn)行配置，比如可以配置Cache的大小和訪問方式，是否支持硬件乘/除法，是否需要內(nèi)存。