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1、数字电视条件接受卡SoC本文简介了一款基于0.18微米工艺，采用ARM7TDMI IP为核心设计的用于数字电视条件接受模块(CAM)的高性能SoC芯片SM1658的硬件体系构造，以及芯片构造上的某些特点和实现措施，同步也简朴简介了在此芯片上完毕的底层软件开发平台。在SM1658芯片及其配套的软件开发平台的基本上，顾客可以十分以便的完毕符合欧洲DVB-CI原则的数字电视条件接受模块(CAM)的设计和CA系统的移植。 数字电视从电视节目录制、播出到发射、接受所有采用数字编码与数字传播技术。由于数字电视广播具有频道运用率高，可适应多种数据传播、适应各类图像质量、可交互操作等方面的优势，被各国视为新世
2、纪的战略技术。随着着电视广播的全面数字化，老式的电视媒体将在技术、功能上逐渐与信息、通信领域的其他手段互相融合，从而形成全新的、庞大的数字电视产业。 数字电视的条件接受系统(CAS)是用于对数字电视顾客进行节目授权和管理的部分，是数字电视广播中的重要构成部分之一。而其中采用开放的机卡分离构造又是条件接受系统的将来重要发展趋势。机卡分离是通过在顾客接受终端上定义了一种通用物理接口以及有关的接口通讯合同，将通用的合适于大规模生产的电视接受系统与私有的CAS管理系统分离开来。目前，机卡分离模式在国际上通行的实现措施是：采用一种与便携电脑上的PCMCIA插口类似的物理接口来实现。欧洲的DVB组织发布的
3、原则称之为DVB-CI，美国也有一种类似的原则称之为POD。事实上新的PCMCIA原则文档中已经将此两种接口的定义涉及进去了。而这其中装载条件接受解决内容的PCMCIA卡简称为数字电视条件接受卡，可以简称为CAM(条件接受模块)。 事实上，建立了机卡分离原则，在电视机上启动了一种原则插口之后，其意义并不仅仅在于解决了公共收视与私有管理的难题，其巨大的意义还将体目前从此作为家用消费品的数字电视机有了升级性能和扩大功能的途径。就像PC机目前的发展规模，与PC机的ISA、PCI、APG等接口的原则化有着不可分割的关系。我们难以想象，如果计算机没有原则化的可扩大接口，其行业还能否获得这样大的成功。在数
4、字电视领域中，机卡分离接口原则的制定以及数字电视机上的原则接口的启动，将会把数字电视引入到一种多姿多彩的发展领域中去。例如：对于不同的节目信号传送方式(无线广播、有线电缆、卫星、数字音频广播)，可以通过在CI接口(机卡分离通用接口)上插入不同形式的接受模块就可以了；对于我们在数码相机存储卡上保存的照片，可以通过一种通用存储卡读写器模块在电视机上浏览；通过宽带IP接受模块，可以在电视机上欣赏网上的各类流节目以及进行网络的双向传播；可以通过网关模块，将电视机与其她电器设备连接成一种家庭数字网络系统；通过带硬盘录象模块，顾客可以录制有许可认证的节目等等。将来其发展的趋势和潜力更难以估计。 图1：机卡
5、分离构造示意图。CAM的构造一般可以是以一种高性能的32位SoC芯片为核心，配合智能卡接口、CI接口、专用的TS传播流解决引擎、DVB通用解扰等部分构成。CAM卡的体积空间非常有限，却要实现一种能解决高清电视节目流的高速32位嵌入式系统，因此其核心的SoC芯片的规模和性能就成了核心点。 我们通过对欧洲的DVB-CI原则的潜心研究，结合自身在嵌入式产品领域和集成电路领域的产品开发经验，对以ARM7TDMI为核心的SoC技术进行攻关，成功的开发出了性能和集成度在国际上领先的CAM芯片SM1658，同步大幅度减少了CAM的生产成本，消除了大规模推广机卡分离原则的价格瓶颈。 CAM构造及硬件体系 SM
6、1658是一种典型的用于CAM系统的专用嵌入式微解决器，它集成了一种CAM的所有重要功能模块，以它为核心构成的CAM构造非常简朴。 SM1658采用了广泛流行的32位的ARM7TDMI作为CPU核，除了集成一般的SoC芯片具有的存储器管理、中断控制器、定期器、看门狗、异步串口通讯、PLL等常用电路模块外，还在内部集成了256KB的高速SRAM、智能卡接口、PCMCIA(DVB-CI)接口、高速TS流解复用/过滤引擎和DVB通用解扰器等模块。其基本构造如图1所示，只需要一片外接的FLASH程序存储器芯片就可以构成一种高性能CAM卡。 SM1658的存储器管理模块可以总共支持4个存储器段，此存储器
7、部分可以是内部、外部的SRAM或者外部的FLASH，每个存储器的数据线宽度、读写速度可以由软件初始化配备。每个存储器段的最大容量可以支持到4M字节，四个存储器段最大可以支持到16M字节的容量。其中，在芯片内部实现的存储器是256KB的高速内部SRAM，它可以无等待周期的速度高速执行系统的核心程序，大大提高芯片核心程序的解决能力。 SM1658的中断控制器可以提供32路的中断管理。每路中断可以选择优先级别、触发上/下边沿、脉冲/电平触发选择，提供了中断屏蔽、中断保存、软触发等丰富的中断管理特性。CI物理接口是PCMCIA原则中的一种子集。可以分为TS流通道和命令通道。我们的CI接口完全符合DVB
8、-CI的接口原则，并且在硬件构造上提供了双向缓冲、CIS存储器和灵活的状态、控制寄存器。 芯片内部还提供3个16位的定期器，每个定期器都带有可选择的8位预分频器。芯片的看门狗是32位的，如果不需要看门狗，可以配备为一种32位的定期器使用。 设计特色 1. 简洁的高效率本地总线 在SoC设计中，内部及外部总线的选择是一种非常重要的因素，一种高效、简洁的总线可以让芯片的运营效率和可扩大性提高。 在ARM构造体系的SoC芯片设计中，ARM公司一般推荐采用原则的AMBA总线来进行设计。同步，ARM7TDMI核自身还带有一种简朴的内部总线。在决定采用的总线规范前，我们对SM1658的体系构造和应用特点进
9、行了下面的分析。 AMBA总线的长处之一就是可以支持多种主设备的调用、裁决和数据的流水解决。在SM1658中，只有一种主设备ARM7TDMI，其她模块电路都处在从设备状态，由CPU统一进行调度，并且所有的外部从设备都与主设备采用相似的时钟，可以在单个时钟内立即响应CPU的访问。因此，在这个方面采用ARM7本地的总线更有优势。 如果使用AMBA总线，设计团队可以使用大量的第三方IP模块，这些IP模块都符合AMBA总线的规范规定，并且通过了严格的验证。在SM1658的芯片设计中，我们为了最大限度的减少芯片的成本，同步客观上也由于重要的模块电路都没有合适的IP可以使用，因此我们自己设计了所有的电路模
10、块。那么，想通过使用IP来节省的开发时间就没有可行性了。 此外，如果使用AMBA总线，就必须在原有的ARM7TDMI的三级流水线上增长一级流水线，并将ARM7TDMI的双时钟边沿的总线构造转变为单时钟边沿的总线构造，这样可以简化芯片后期的设计工作量。但是，这样对于某些跳转指令就多损失了一种时钟周期，减少了CPU的工作效率。此外，使用AMBA总线，CPU和每个模块都需要增长AMBA总线的接口逻辑，增长了芯片的规模和成本。 图2：SM1658基本构造。最后，我们从芯片的最大使用效率和简化逻辑控制的方面出发，决定采用ARM7TDMI自身的本地总线。使用ARM7的本地总线有几种优势：ARM7的本地总线
11、状态相对简朴，不需要进行相对复杂的AMBA总线合同验证；对模块的接口功能规定低，接口电路非常简朴；减少了流水线长度，在一种最高时钟由IP硬核固定了的SoC芯片中，流水减少就意味着芯片的代码执行效率的提高。同步，对于ARM7总线上的双边沿时钟问题进行严格的约束和验证，保证了芯片后期设计的对的性。 2. 带有软件冗余的内部SRAM ARM7TDMI是一款没有内部高速缓存的CPU核，对于慢速的SRAM、FLASH存储器的只能空闲等待。虽然采用了高速的外部SRAM，由于数据接口宽度和芯片与芯片之间的数据传播的延迟，也不能有效地用到高速CPU的所有性能；同步，大容量的高速SRAM价格昂贵，将会大大增长C
12、AM系统的成本。从系统构造和成本方面考虑，我们决定在SM1658中嵌入一种256KB容量的SRAM，此SRAM容量可以满足相称部分CAM系统的应用需求。同步，我们的芯片也支持多种外部高速和低速SRAM，对于某些SRAM需求非常大的系统也可以满足规定。 SM1658内部实现的SRAM具有非常高的性能，可以以单时钟周期完毕ARM的多种指令的操作，也就是当CPU在内部SRAM中进行取指或存取数据时不需要任何等待。我们在芯片生产出来后用对芯片内部的SRAM进行了CPU性能的基准测试，虽然在非常高的频率下面，芯片也能获得与ARM7TDMI的IP核的理论计算值相似的水准，背面有测试的数据表格。 内嵌SRA
13、M的最大问题是，对于芯片的成品率会产生影响。我们在电路功能设计、底层软件设计和应用系统上采用了某些有效的避免措施，大大减少系统对于有缺陷的SRAM的依赖性。这样，芯片的成品率可以大幅度提高。这样也就从系统角度减少了芯片的整体成本。 3. 可动态调节的时钟电路 在SM1658芯片的时钟设计中，我们还集成了一种可软件配备的时钟管理电路，称之为动态时钟电路。我们通过软件对芯片的时钟解决模块进行编程，既可以让芯片的工作时钟频率随着需要不断变化，减少芯片在轻任务负载下的功耗，又可以适应多种外部时钟源的输入，增长CAM系统在产品开发中的适应能力。 4. 高度灵活的智能卡接口 在SM1658的功能中，还涉及
14、一种高度灵活的智能卡接口。它是为了保证CA公司可以通过智能卡对顾客收看节目进行授权和管理。 一般来讲，国际上大多数智能卡接口都是按照ISO7816原则来实现互连互通的。在诸多的SoC芯片设计中，人们都采用了一种外部的智能卡接口芯片，例如TDA8004就是一种比较常用的智能卡接口芯片。但是采用一种外接的芯片，其系统的可靠性会减少而成本会比较高，我们但愿设计一种成本和性能最优的系统，通过电路设计完全省略掉此外部接口芯片。 一方面，我们在此接口模块的设计中，按照ISO7816的原则，将所有的状态和控制方式都完毕。例如，针对A类、B类智能卡卡的不同电源电气指标规定的设计；针对T0通讯合同与其她通讯合同
15、不同的错误解决的设计；尚有针对某些私有的智能卡的特殊合同规定等。这些都可以通过在芯片的驱动软件上进行配备，配合少量的简朴外部器件来完毕。另一方面，针对智能卡接口规定的ESD规定和不同使用环境中的差别，我们设计了不同的外部电路来配合芯片的内部控制。同步，我们对芯片的各个接口管脚的逻辑特性进行了不同条件下的独立配备，可以最大限度地减小对外部电路的规定。 图3：智能卡模块系统软件功能框图。在原则的使用状况下，SM1658芯片可以不需要任何外部有源器件就完毕智能卡接口的功能，并且抗ESD的能力可以保证不小于4,000V。 5. 内嵌高速DVB通用解扰算法 通用加扰算法是DVB原则组织推荐的对于TS流的原则加扰算法。目前，在欧洲的数字广播节目中普遍采用了这个算法。国内目前商业化的CA中，TS节目的加扰也基本上是采用的这个算法。因此，我们向DVB组织申请了此算法的授权，并以固核的模式嵌入到了我们的SM1658芯片中。 在此固核的设计中充足考虑到了芯片对将来也许浮现的多路高清节目的适应能力，将此解扰模块的解决能力设计到了175Mbps，可以满足同步解决2路高清节目流或4路标清节目流的水平。 6.高性能的TS流解决引擎
