基于STB7100的高清IPTV机顶盒设计

1 引言

IPTV利用计算机或机顶盒+电视作为接收终端，完成的业务包括电视直播、视频点播、时移电视、网络浏览、信息服务、互动游戏，以及未来可扩充的业务［1］。随着宽带用户的增多，以影视服务为主的宽带流媒体服务成为宽带增值业务中的重要服务。与此同时，人们对高质量高清晰影音服务的需求使得高清发展成为必然趋势。因此，高清与IVI'V的结合必将成为当前宽带网络上最具发展潜力、最具盈利前景的热点宽带增值应用之一。

2 IPTV机顶盒总体设计

根据高清IPTV机顶盒所具备的功能，综合考察ST，Broadcom等几大主流IPTV芯片厂商的方案以及目前的市场状况，笔者选择ST公司的STB7100芯片进行设计［2］。该产品是世界上第一个支持H．264／AVC和MPEG一2高清标准的单芯片解决方案，单片集成了高性能多标准的视频解码电路和机顶盒所需的全部功能。STB7100芯片是sTB710x系列中性价比很高的一款产品，在一个单片上集成了STB的所有功能和多标准解码电路，可同时解码多个高清视频流，并把合成的视频输出到2个电视机，或以画中画的形式显示到屏幕上。STB7100芯片提供了整套解决方案，嵌入式操作系统可采用Linux，OS21，WinCE中任一种，为上层的软件开发提供了更大的选择余地。

3 IPTV机顶盒硬件结构设计

根据系统要求制定了硬件结构总体框架图，如图l所示，选用专用的机顶盒解码芯片作为主控CPU，并设计CPU的外围电路和必要的功能电路［3］。本地存储器接口模块(Local Memory Interface，LMI)的32位DDR存储器用于系统运行和音视频数据存储；外部存储器接口模块(External Memory Interface，EMI)提供了对各种外设的支持，包括Flash，ROM和网卡等。其中，网口模块用于完成接收及处理IP数据和音视频流功能；音视频输出模块完成音视频信号的输出功能；电源模块负责芯片及整个系统的供电；外部接口完成CPU对各功能模块的信号传输的控制功能。

3．1机顶盒核心处理芯片STB7100

sTB7100是一款高性能、单芯片集成的音视频解码的媒体处理器，其主要模块有：

1)处理器核心器件

主频为266 MHz的高性能ST40是器件的CPU核心，属于ST的32 bit RISC系列，采用SuperH体系结构，负责控制芯片的其他部分，包括与2个ST231CPU之间的通信。此外，还有2个主频都是400 MHz的ST231CPU用于处理音频和视频。

2)视频解码模块及接口

sTB7100支持多种视频解码标准，包括H．264／AVC，MPEG一2双向解码标准。分辨力最高支持1 920×1 080i或l 920×720p。同时，STB7100拥有D1标清输入、RGB／YPbPr／YC／CBS模拟的高清和标清输出等多种视频接口，还集成了高带宽数字媒体接口(HDMI)和高清晰内容复制保护接口(HDCP)。

3)音频解码模块及接口

采用1个400 MHz的ST231 CPU作为解码器，兼容所有通用的音频标准。音频流输入可以是I2S格式的PCM数字输入或经过内存的传输子系统内部源输入。输出接口包括S／PDIF串行数字音频输出和24 bit立体声模拟输出。

4)其他外设接口

STB7100提供了丰富的外设接口供选择，包括UART接口、红外接口、SmartCard接口以及1个串行ATA(SATA)硬盘接口和1个USB2．0主控制器端口。

3．2本地存储器接口模块(LMI)

为满足不同类型视频的要求，必须有足够的内存空间用于存储和解码视音频流。LMI选择64 Mbyte大小的内存用于H．264解码或MEPG一2双向解码，其连接方式如图2所示。

其中，DDR的内部块寻址由BAO和BAl决定，可寻址4个内存块，即一个内存芯片存在4个Bank。A0一A12用于对块内行地址进行寻址，AO～A8用于对块内列地址进行寻址，所以每个芯片的容量为32 Mbyte。由于每个内存芯片的位宽是16位，CPU的数据位宽是32位，为了和CPU保持协同工作，必须传输和CPI．I总线位宽一致的数据量，所以需要2个内存芯片，以达到32位数据宽度。2个32 Mbyte内存芯片同时工作，用同一个片选信号CS控制，也用相同的BA0和BAl信号来控制Bank的选择。

3．3外部存储器接口模块(EMI)

EMI是sT芯片用来支持一般用途的外部存储器接口，被分成5个Bank，允许系统支持各种类型的存储器、外部处理器接口和其他设备，通过5个不同的片选信号访问5种不同的设备。系统中提供了FLASh{和网卡两种类型的设备。下面分别介绍这两种设备：

1)FLASH是用于存储U-boot引导代码、内核以及文件系统的设备，其首地址默认为系统上电时的起始地址。FLASH采用了ST公司的M58LW064D，它是一个64Mbyte FLASH存储器，采用0．15μm NOR工艺，使用2．7～3．6 V单电源。存储器被分成可单独擦除的64块，每块1 Mbyte。编程和擦除命令通过接口写进存储器，在实际应用中，通过U-boot下的cp，erase和protect命令对FLASH进行写入、擦除和保护操作；状态存储器提供了各种操作的状态信息；存储器写缓冲区允许处理器以并行方式编程l～16 byte。为了能对其他块进行编程、擦除，正在编程的块可先挂起，然后恢复；块保持功能使被保护的块不能编程和擦除。上电时，所有块均被保护，块保护命令可用于保护或中止保护某些块。当编程、擦除能使Vpen低电平时，则阻止了所有编程和擦除。STS信号可被设置为准备好/忙(RY／BY)两种模式，高电平为准备好，低电平为忙，在这里设置为高电平，始终为准备好状态。 2)在综合考虑功能和价格等各个方面的因素后，采用了DAVICOM公司高性价比的DM9000AE快速以太网控制处理器作为网络接口，其电路原理图如图3所示。其中网络变压器用的是PPT公司的PM34-1006M，本身不支持AUTO MDIX，所以需要将CTp0与CTsl，CTsO与CTpl连起来。

4 IPTV机顶盒软件结构设计

考虑到成本和通用性，机顶盒采用Linux操作系统。嵌入式操作系统负责机顶盒系统的全部软件和硬件资源的分配、调度工作，控制并协调并发活动，能通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。图4表示了系统的软件结构，以Linux操作系统为核心，向下通过各个驱动程序面向硬件系统，调配各种硬件资源，向上可加载与音视频相关的应用程序和完成其他任务的应用程序［4］。

机顶盒可划分为3层结构：操作系统以下主要用于完成对硬件设备的操作，为上层提供支持；API层承上启下，将应用程序翻译成CPU能够识别的指令，去调用硬件设备完成相应的操作；最上层主要实现媒体播放、浏览器以及EPG等应用，由用户直接操作。

图5为Linux网络驱动基本结构，在发送数据时，应用层数据通过dev_queue_xmit( )向下层发送数据，dev_queue_xmit( )通过网络设备接口hard_star_xmit( )函数指针向设备发送数据，将应用层的数据发送给硬件设备；在接受数据时，当网络数据到达设备后产生中断，进人中断处理子程序，然后调用接受函数接受数据，再通过netif_ix( )函数发送给上层。编写DM9000AE驱动时，除实现探测、发送接受及中断等函数外，还要与开放的板子相对应，需注意网卡的基地址和中断。由于DM9000AE的地址线和数据线是复用的，所以要根据电路原理图来确定用来读取数据的I／O端口地址线和数据线的关系。

在网络功能实现的基础上，本设计采用NFS协议实现网络挂载文件系统，把boot loader和内核镜像写到FLASH上，这样可把应用程序直接放到PC机的文件系统里，节省了机顶盒的内存空间。目前，硬件电路设计已完成，经过测试，可播放H．264和MPEG一2的高清和标清视频码流，同时可播放MPEG一1，AAC，PCM等格式的音频内容。另外，采用了基于GTK的Dillo浏览器，由于不支持．1avaScript，Java等附加功能，使得它具有规模小速度快的优点。可以把视频模块、EPG模块等各种功能模块以插件方式与Dillo浏览器一起使用。当需要进行交互服务时，可通过HTTP协议访问EPG服务器，得到EPG相关信息，并在本地进行解析重构出EPG。如果需要点播视频，就通过：EPG去视频服务器上得到视频源的URL，然后对URL进行解析，再交给视频功能模块进行解码播放。

5 小结

介绍了IPTV机顶盒硬件电路的基本组成模块，确定了以STB7100为核心的系统解决方案。STB7100具有强大的音视频处理能力，并可通过其丰富的外围接口进行功能芯片的扩展，实现各种需要的功能。笔者虽然已实现了部分功能，但机顶盒设计仍需完善，还需要对智能卡、数字版权管理等扩展功能做更深一步的研究。