數(shù)字電視條件接收系統(tǒng)(CAS)設(shè)計技術(shù)解析-

1、數(shù)字電視條件接收系統(tǒng)(CAS設(shè)計技術(shù)解析數(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

2、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,建立了機卡分離標(biāo)準(zhǔn),在電視機上開啟了一個標(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)字電視機有了升級性能和擴(kuò)充功能的途徑。就像PC機目前的發(fā)展規(guī)模,與PC機的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,機卡分離接口標(biāo)準(zhǔn)的制訂以及數(shù)字電視機上的標(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

3、。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上瀏覽;通過寬帶IP接收模塊,可以在電視機上欣賞網(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

4、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

5、。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),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

6、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

7、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

8、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ARM7T

9、DMI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,

10、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SRAMARM7TDMI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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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)

16、。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。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

17、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

18、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?；?/p>