详解智能机顶盒结构及嵌入式系统.pptx

2020/2/5,#,2020/2/5,#,2020/2/5,#,2020/2/5,#,2020/2/5,#,2020/2/5,#,数字机顶盒硬件架构分析,一、数字机顶盒背景及功能,二、通用机顶盒的硬件架构,三、LSI系列机顶盒硬件分析,四、博通系列机顶盒特色分析,五、数字机顶盒的仿真应用,机顶盒是一种将数字电视信号转换成模拟电视信号的转换设备，用于接收数字电视信号，对数字信号进行解密和解码还原，产生模拟电视信号并输出。一般模拟电视机只有配备数字电视机顶盒，才能观看数字电视节目。一个完整的数字电视机顶盒包括硬件平台和软件系统两大部分。,所实现的功能主要表现在支持模拟式广播传输、数字式广,播传输和交互功能。比如接收数字电视广播节目；支持交互式应用（如视频点播、互动游戏等）；具有电子节目指南（EPG）功能；有条件接收功能；支持数据广播应用功能；软件在线升级功能；Internet接入和电子邮件收发；视频点播功能等。,一、数字机顶盒背景及功能,二、通用机顶盒的硬件架构,工作原理,从网络（同轴电缆）传来的射频信号经数字调谐器完成射频转换、QAM解调及前向纠错解码（FEC）处理后，由ATM处理单元进行数据包的解复用，并将数据分为视频流、音频流和数据流。视频流由MPEG-2视频解码器解压缩后，送入PAL/NTSC/SECAM编码器，以得到相应格式的模拟视频信号。在此过程中，可以叠加图形发生器产生的诸如选单之类的图形信号。音频流由MPEG-2解码后，经音频D/A转换器转换为模拟音频信号。数据流传递给CPU，由CPU做相应的处理。例如，CPU根据数据流中的选单图形数据来控制图形发生器产生选单图形。CPU还可以根据用户选择产生相应的消息数据，经QPSK或QAM调制后，由上行通道反馈给视频服务器。,主要以,九洲DVC-2008CT型数字有线机顶盒的解码板以LSI（艾萨华公司）的SC2005为核心组成，该芯片包含了嵌入式CPU、传输流解复用器、MPEG-2解码器、视频编码器、音频D/A转换器等DVB解码器的主要电路。此外，该机还采用了Shaper公司的一体化Tuner 3ED7028，大容量存储器（两片16 Mb的Flash和64 Mb的SDRAM），智能卡读卡电路等，其组成框图如图3-24所示。,三、LSI系列机顶盒硬件分析,CATV电缆上的射频电视信号输入后（博通的信号是IP包），先由一体化调谐器（Tuner）进行低噪声放大、滤波和变频，将射频信号变频为中频信号，并将中频信号送到内部的解调芯片，由QAM解调器进行解调、去交织、T-S解码等一系列处理，并得到TS数据流，而后以并行或串行方式将TS送至解复用器。,1、工作原理,前端系统,解复用器对TS进行解扰和解复用，分解出音频视频专用数据的基本码流(PES)。这些码流分别送到音、视频解码器，经解码后还原成原始的音、视频数据。其中音频数据送到音频D/A转换器，在音频D/A转换器中转换成两路立体声音频信号，再由音频放大器放大后输出；视频数据送到视频编码器，在视频编码器中转换成符合ITU-R601标准的CVBS信号和S视频信号，经滤波网络滤波后输出。数据流传递给CPU，由CPU做相应的处理。例如，CPU根据数据流中的选单图形数据来控制图形发生器产生选单图形。CPU还可以根据用户选择产生相应的消息数据，经QPSK或QAM调制后,由上行通道反馈给视频服务器。,后端系统,在接收加密节目时，由于该码流为用Irdeto加密方案加扰的码流，只有解密后才能收看。加密节目的码流中包含了前端CA系统发送来的ECM（Entitle Control Message,授权控制信息）、EMM(Entitle Manage Message,授权管理信息)信息，这些信息是前端系统通过使用密钥及通用加密算法对码流数据包进行变换处理生成的。ECM信息加密所用的初始密钥取自前端的智能卡加密系统，加密密钥事先存在于智能卡的数据区内，加密时通过获取函数得到密钥，密钥的安全性由智能卡的安全性来保证。解密时，本机通过读取放置在本机智能卡中的用户授权信息,与从TS码流中提取的ECM的节目授权信息进行比较，对于符合条件的ECM信息即可解出其中的控制字，然后再用此控制字对传输流进行解扰。,CA系统,2、前端系统模块,模块功能图Tuner,工作原理,电缆调谐器包括前置放大器、PLL电路、变频器、中频放大电路等。调谐器接收来自有线电视数字前端的RF信号，经过前置放大、变频后转换成两路中频信号I、Q，再由A/D转换器转换成解调器所需的数据。一体化调谐器3ED7028中的QAM解调器为ST公司生产的STV0297单片解调器。STV0297芯片内包含两个A/D转换器、多标准QAM解调器、具有维特比码和R-S码解码器的前向纠错(FEC)单元、奈奎斯特平方根升余弦滤波器和允许宽范围偏移跟踪的去旋转器。STV0297单片解调器在3-3-2小节中已有介绍，这里不再叙述。其中的引脚功能为：RF IN和RF OUT为射频信号的输入、输出端，TUN(30V)为30V调谐电压，IF OUT为36MHZ模拟中频信号输出端，SCL和SDA为CPU通过I2C总线对调谐器进行调谐与解调控制的串行时钟和串行数据，SYNC为输出数据包的同步信号，RESET为复位信号，VAL为数据有效信号输出，ERR为出错信号输出，CKOUT为字节位时钟信号输出，DATA为传输码流数据D07输出。,3、后端系统主芯片SC2005,嵌入式CPU：,包含了内部总线系统和内部总线控制器、外部总线系统和外部总线控制器、存储器接口和存储器控制器等。CPU通过内部总线系统和内部总线控制器与SC2005芯片内的存储器、DVB解扰器、解复用器、MPEG解码器、视频编码器、音频D/A转换器等内部电路相接，通过外部总线系统和外部总线控制器与外部存储器等片外器件相接，通过I2C总线与一体化调谐器、E2PROM等器件相接。高性能微处理器CPU（类似计算机CPU）由通用寄存器、系统控制处理器(CPO)、算术逻辑单元(ALU)和移位器所构成。寄存器支持源操作数执行单元，并将处理结果存入旧的寄存器；CPO处理包括中断在内的例外事件；ALU完成算术与逻辑运算以及计算地址等操作；移位器主要完成移位操作。,（1）控制电路,存储器：,该机的程序存储器用了两片16Mb(1M2bit,2Mb)的快闪存储器Flash ROM(29LV160BE)，用来存储该机的控制程序、操作系统、Irdeto CA系统和open TV中间件；数据存储器用了1片64Mb的SDRAM(1M2bit,HY57V651620D),主要用来存储加扰和解扰后的TS数据，以及其他专用数据、OSD数据等，另外还用了1片16Mb的SDRAM(1M2bit,HY57V161610D)，主要用来存储解码数据和需显示的图像数据等；E2PROM用了两片24C64(8K2Byte)，主要用来存储频道参数及解密用的一些专用数据。,CPU总线接口：,用于CPU与其外围单元交换数据，它通过内部总线分别与系统控制处理器CPO、存储器管理单元(MMU)和总线接口单元(BIU)实现紧耦合连接，从而增强了CPU的通用计算功能。柔性链接口用来与复用/分开单元相接，以增强DSP(数字信号处理）命令和应用的能力。,其中CPU是整个系统的控制中心,它通过执行Flash ROM中的控制程序进行各种控制，通过对解调器、解码器和解复用器的内部寄存器进行读/写，实现对这些器件的控制。,SC2005芯片内的解复用器包括传输流解复用器和节目流解复用器。传输流解复用器用来将多路单载波中的多套节目分解成只含有一套节目的节目流，节目流解复用器用来将节目流分解成只含有音、视频和传输数据的基本码流。,(2)解复用器,工作原理,SC2005内的解复用器首先接收来自信道解码器的TS（接收速率可达90Mbps的串行传输流和13Mbps的并行传输流），然后自动进行传输包同步检测。一旦同步建立，就会将传输包发送到PID（包识别符）预处理器中。PID预处理器分析输入的传输包，检查它们的PID值，只有和PID表匹配的PID值才能通过第一步滤波，不匹配的包被丢弃。通过PID滤波器的传输包被送到DVB解扰码器中，经过解扰的包进入PID后处理器，在经过滤波后，音视频PES数据直接进入A/V解码器中，而其他数据被送到外部存储器(SDRAM-B)的循环缓冲器中，CPU能直接从存储器中读数据。,SC2005芯片内的MPEG-2解码器包括I总线接口、DMA控制器、MPEG-2 A/V解码器接口、音频解码器、视频解码器、音频D/A转换器等电路。总线接口为CPU访问其他子系统中的寄存器提供接口。DMA控制器用DMA方式在MPEG-2 A/V解码器与CPU SDRAM之间传输数据。,视频解码器,用来对视频PES进行解码，通过可变长度解码(VLS)、反量化、反离散余弦变换（IDCT）和运动补偿等解码处理，还原成编码压缩前的原始图像数据，然后输出符合IYU-R 601标准的视频数据。,音频解码器,用来对音频PES进行解码，通过对音频码流进行比特分配，然后进行标度因子解码，接着进行反量化和子带综合滤波，最后输出PCM立体声音频数据。音频D/A转换器的作用是将由音频解码器输出的PCM音频数据转换成具有左/右声道的模拟立体声音频信号。转换过程与其他音频D/A转换器一样，也是一种具有可编程锁相环(PLL)的立体声D/A转换器,。,（3）MPEG-2解码器,SC2005内部集成了高性能的OSG(On-Screen Graphics)子系统，该子系统可产生文本和图形并叠加到解码的视频上。OSD子系统还产生静止层、OSD层和光标层；解码子系统提供视频层；混合器编码器子系统产生背景颜色层，并在视频输出之前将上述5层进行编码复合，从而根据需要显示所要输出的复合视频。这个子系统将来自OSD子系统的图形和解码视频数据进行混合编码,然后输出NTSC/PAL/SECAM制式的RGB/YCrCb、CVBS或S视频信号给电视机或监视器。,（,4）OSG单元,SC2005芯片内集成了一个视频编码器，它由数据控制单元、编码器、输出接口、处理器和D/A转换器等部分组成，可对8bit或16bit的YCrCb数字视频流进行编码处理，产生CVBS、S视频（Y/C）或RGB(SCART)视频信号，支持包括PAL、NTSC、SECAM制式。数据控制单元主要用于对编码数据码流的实时控制，它通过内部数据总线直接接收来自视频解码器输出单元的视频数据。它还通过内部总线接收来自嵌入式CPU的数据命令；CPU也可以通过内部总线读取视频编码器的状态信息，对视频编码器进行控制和监视。编码器用于对输入的数字视频信号进行数字编码。编码前，先将输入的数字视频信号处理成同时传输的R、G、B信号，再经过数字编码，产生亮度和色差信号、的基带信号。这些信号在视频编码器中分别经过亮、色处理后进行编码，然后送往D/A转换器，转换后输出模拟RGB信号、全电视信号(CVBS)或端子信号(Y/C)，再经过外部低通滤波后，直接送到电视机中。,（5）视频编码器,其中，数字编码原理可以在机顶盒介绍中查找。,4、视频滤波网络与音频放大电路,视频滤波网络,接在SC2005芯片的视频编码器的输出端，作为视频编码器的输出电路，主要由滤波电容、滤波电感等器件组成。视频滤波网络是一个低通滤波电路，用来滤掉视频信号中的高频干扰，以保证输出视频信号的幅频特性。此外，视频滤波网络作为数字电视机顶盒与电视机之间的接口，还能实现两者之间的阻抗匹配。,音频放大电路,由运算放大器JR4558(U6)及外接的电阻、电容等组成。JR4558是一个双运放，片内有两个运算放大器，分别用来放大由音频D/A转换器输出的左/右声道立体声音频信号。音频放大电路除放大音频信号外，还具有低通滤波作用，可用来滤去音频信号中的干扰信号，以保证音频幅频特性和实现阻抗匹配。,该电路由专用于IC卡的接口电路和IC卡座组成，主要用来处理属于某个CA系统的CA信息，利用得到的ECM（授权控制信息）启动解扰单元，解密并接通授权的用户。除IC卡座外，该电路的核心器件为IC卡接口TDA8004，它作为系统控制电路与智能卡之间的接口，在主CPU的控制下，可完成IC卡的电源保护和读卡功能。TDA8004片内集成了内部电源（含升压转换器）、序列发生器、片内振荡器、时钟分频电路及三个专门用作保护的半双工双向缓冲I/O线。内部电源包含一个集成的倍压器，用来产生IC卡的供电电压。片内振荡器外接一个6MHz晶体，产生TDA8004所需的时钟信号，再由时钟分频电路分频产生读IC卡所需的移位时钟CLK、复位脉冲RST等信号。,TDA8004接在SC2005芯片的Smart卡接口和IC卡座之间。SC2005芯片的Smart卡接口提供读IC卡的各种控制信号，经TDA8004驱动后送到IC卡，主CPU通过Smart卡接口和TDA8004就能完成与IC卡的数据交换。以下是TDA8004的逻辑电路图；,5、智能卡读卡电路,操作显示面板包括键盘、遥控接收器、LED数码显示器及其驱动电路。键盘、遥控接收器和数码显示器与前面介绍过的几种机器大致相同。本机的LED驱动器采用SAA1064T，这是一种带I2C总线接口的4位数字LED驱动器，可用来驱动4位七段LED显示器。该器件能输出可复用的两对十进制数字，带有I2C总线收发接口，有4个不同的从地址，输出电流可达21m。该器件还有一个片内振荡器，以及可选择静态、动态和空白方式的控制位。在本机的操作显示面板上，SAA1064T的移位时钟和数据输入端分别接到SC2005的I2C总线上，段位输出线则与数码显示器的驱动线相连。CPU通过I2C总线把编程产生的移位时钟和表示频道号的数据输入到SAA1064T，控制SAA1064T完成对输入数据的串并转换，然后将并行数据输出到数码显示器的驱动线上，LED数码显示器则按照输入数据显示相应的频道数。,6、操作显示面板,7、开关电源,本机的电源与其他机顶盒的电源一样，采用脉宽调制式开关电源，由输入滤波整流电路、DC-DC变换器、输出稳压电路和保护电路等组成。DVC-2008CT机的电源电路，共输出3.3V、5V、7.5V、12V、22V、30V六路电压，其中：3.3V为该机的主电源，为解调器、SC2005芯片、Flash、SDRAM等主要器件供电；5V电压为本机数字5V电源；7.5V电源经主板上的稳压器二次稳压后，产生5V电压作为调谐器的模拟5V电源；12V电压用来为音频放大电路等供电；30V电压用来向调谐器中的调谐电路供电。本机电源的核心器件为脉宽调制器SL0380R（或5L0380R）。SL0380R中包含了脉宽调制器和开关管，它和脉冲变压器T1、光电耦合器K1010及外围的电阻、电容、二极管等组成DC-DC变换器。DC-DC变换器在整流滤波电路产生的直流高压的作用下，振荡产生高频脉冲，高频脉冲再经脉冲变压器耦合到二次侧，经过整流滤波和稳压控制，就输出各路稳定的直流电压。,四、博通系列机顶盒特色分析,以博通系列机顶盒BCM7115分析，我们分别从它的前端系统、后端系统和外部接口3个部分进行。,1）前端系统,1、博通机顶盒的硬件架构,原理介绍,DCF8720前端在BCM7115芯片中MIPS CPU的控制下，通过I2C总线控制锁相环的频率，调谐到某个有线电视数字频道，然后通过调谐器将高频信号转换为相应的中频调制信号，再进行QAM解调和FEC解码，最后输出传输流数据。解出的传输流数据连同一些标志信号一起通过传输流接口传送到后端。标准清晰度信号由 BCM7115进行信源解码、高清晰度信号则由BCM7021解码。DCT7030前端则更为简单直接在I2C总线控制下调谐到某个数字电视频道，将调谐器转换输出的中频信号送入BCM7115芯片进行后处理。,2）后端系统,原理介绍,数据通过解复用功能模块分离出音、视频PEG流分别送入音频解码器和视频解码器解码。同时，提取出码流中的PCR信息，用于时钟恢复。音频PES流经过BCM7115音频解码后，输出PCM信号，再经过片内的数模变换和音频后处理部分，输出六个声道的模拟音频信号，或直接输出数字音频(SPDIF)信号；视频PES流在DDR或SDRAM内存的配合下经过BCM7115的视频解码器的处理之后输出解码后的亮度和色差数字信号或RGB视频分量数字信号，再通过片内的数模变换模块和片外的视频后处理电路，输出CVBS,R、G、B或Y、Cr、Ch分量视频信号或数字视频信号（DVI)。BCM7115带有IDE接口可以直接与硬盘相连，前端模块输出的传输流信号直接录入硬盘。外部模拟音视频信号输入BCM7115。整个硬件系统由BCM7115中内嵌的MIPS CPU控制。系统与用户的接口是前面板和OSD菜单，前面板具有按键和红外接收装置。用户观看OSD菜单上的信息，用按键或遥控器操作，前面板将接收到的输入信息传送到CPU中，由CPU控制实现具体功能。,3）主要外部接口,(,1,)RS232接口。两个RS232接口为调试接口和以后软件升级的接口;,(2)SMARTCARD接口。两个智能卡接口可以用来扩展条件接收功能;,(3)USB接口。可以连接U盘、移动硬盘、数码相机等多种USB接口外设，可以做为机顶盒和外界交换数据的媒介之一。现在已经实现通过了USB接口向机顶盒的硬盘拷贝MP3歌曲和JPG图片，以后还要开发连接数码相机的功能；,(4)多种音视频接口。S端子(S-Video)，复合视频(CVBS)，模拟音频 L/R Audio，分量视频(Y,U,V)，数字音频SPDIF，高清多媒体接口 HDMI，高清分量视频Y、Pr、Pb,串行硬件接口SATA。,1）设备驱动程序功能,它是嵌入式Linux操作系统内核和系统硬件之间的接口，设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节。这样在应用程序看来硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作。此外，设备驱动程序是嵌入式Linux操作系统内核的一部分，还需完成设备初始化和释放、数据从硬件读写等。,2）设备驱动程序分类,字符设备：,指存取时没有缓存的设备，例如键盘、鼠标、串行口等。应用程序可以像访问文件一样访问字符型设备，字符型设备驱动程序负责实现这些行为。,块设备：,文件系统的宿主，例如硬盘、软盘设备和CD-ROM等。,网络接口：,任何网络事务处理都是通过接口实现的，即可以和其他宿主交换数据的设备。,2、嵌入式linux设备驱动程序开发,3）设备驱动程序的组成,（1）,初始化设备配置和初始化子程序，负责检测所要驱动的硬件设备是否存在和是否能正常工作。,（2）驱动程序的上半部分响应I/0请求程序，在执行的时候，系统仍认为是和进行调用的进程属于同一个进程，只是由用户空间变成了内核空间，但仍具有调用此系统调用的用户程序的运行环境，因此可以在其中调用sleep(),schedule()等与进程运行环境有关的函数，但是由于这部分是运行在系统不安全时间内的（中断处于关闭状态)，所以要求程序尽可能的快，更多的事情留给下面即将介绍的底半部分来处理。,（3）驱动程序的底半部分中断服务子程序，系统接收硬件中断，再由操作系统调用中断服务子程序。中断可以产生在任何一个进程运行的时候，因此在中断服务程序被调用的时候，不能依赖于任何进程的状态，也就不能调用任何sleep(),schedule()等与进程运行环境有关的函数。而且因为设备驱动程序一般支持同一类型的若干设备，所以一般在系统调用中断服务子程序的时候，都带有一个或多个参数，以唯一标识请求服务的设备如i_rdev用来区别设备。,4）举例分析,比如前端控制Tuner的驱动程序。,底层处理：,要使用DCT 7030完成解调输出中频信号送入后端的BCM7115,就是通过I2C总线写入5个字节控制字到DCT 7030的寄存器中，通过计算，知道要写入的5个字节的内容，将这些数据依次写入Tuner指定的寄存器中底层驱动处理部分通过I2C总线就可以完成信道解调输出中频。,驱动接口层处理部分：,这一部分主要是在文件bcmchanmgrdrv.c里实现的，其中主要也是有两个重要部分，一是定义了文件层file_ operations操作中具体函数;二是实现了字符型设备驱动程序的扩展操作ioctl功能。根据上层应用程序输入的不同命令来相应的实现不同的控制操作，如:设置,频率、符号率、检测Tuner的工作状态和QAM解调器是否锁定等等。以上只列举了其中的几种控制操作。,上层应用程序处理：,1)EditChannelsscreen.cpp,在上层应用程序中用户要想实现搜台功能，首先就要在界面上有输入参数窗口，EditChannelsscreen.cpp文件中就是实现输入参数窗口的功能。,2)Channelmgr.cpp,Channelmgr.cpp中具体实现了上层应用程序处理。首先，和遥控处理部分一样也要打开设备文件，Tuner的设备文件是“/dev/bcmtuner。,用户在图形用户界面的输入窗口中输入要搜索节目的频率、符号率等参数，机顶盒驱动程序通过ioctl功能把参数从上层应用程序送入驱动接口层、再写入Tuner的寄存器中实现搜索功能;ioctl功能也可以从寄存器读入参数通过驱动接口层送入上层应用程序处理。,五、数字机顶盒的仿真应用,1、机顶盒的基本处理过程,基本原理：,首先，调谐模块接收射频信号将其变频为中频信号，,通过A/D 转换为数字信号，送入到QAM 解调模块进行QAM 解调，输出串行或并行的MPEG TS 流。然后，解复用模块对MPEG 码流进行解复用，从中解析出节目的PES数据(视频PES 和音频PES)。接着，将视频PES 送入视频译码模块，通过解压缩、解码成视频信号，输出到PAL/NTSC/SCREAM 编码器，编码成模拟视频信号，经视频电路输出。同时，将音频PES 数据送入音频译码模块，译码成音频信号，再送入到PCM 解码器，输出立体声模拟音频信号，经音频电路输出，最终在电视机上显示。,2、仿真平台的建立,仿真模块关系图,传输过程：,仿真平台中OS模块模拟的是操作系统的功能，是其他模块运行的基础。KeyBoard模块能够翻译remote 的信息，将翻译出来的信息送入到Tuner模块(搜索频道时)或者OSD模块(窗口重绘时)中。Tuner模块收到锁定频道的消息时，就会开始锁频，读取TS 包。接着Demux模块会对TS包进行解复用，解复用之后的信息会存入到Flash模块中。当应用程序对Demux 解复用出来的PSI/SI表进行解析，形成EPG(电子节目指南)时，可以送入到OSD 模块进行显示。,OS模块：,嵌入式操作系统通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、,图形界面等。嵌入式操作系统都是多任务的，任务之间利用信号量，消息队列进行通信。嵌入式操作系统能进行任务管理，信号量管理，消息队列管理，内存管理。仿真平台OS 模块需要实现的功能有,内存分配管理、信号量管理、消息队列管理、任务管理。,OSD模块,主要实现机顶盒的菜单显示，它在图像画面上叠加位图显示，使屏幕显示为用户提供更多文字和图形的附加信息。仿真平台 OSD 模块的核心部分包括图形设备子模块、基本绘图函数。,Tuner模块,调谐器(Tuner)从天线、电缆或者光缆中接收射频信号，利用调谐器将射频信号转换为中频信号，然后将中频信号进行信道解码。首先将中频信号送入QAM调制器，接着进行FEC前向纠错，将信号解调成符合MPEG-2标准的TS 流。,Demux模块,正确接收TS 包，提取section，重组section。,Keyboard模块,通过remote 图片来模拟遥控器，其操作更加方便，直观。所以仿真平台采用图片模拟的方法来实现Keyboard 模块。,Flash模块,利用文件的读写来模拟Flash 的读写。比如当我们要模拟一个8M 大小的Flash 时，就采用8M 大小的文件进行模拟。首先我们需要对Flash 进行初始化，利用FLASH_Init()来实现；其次Flash 具有擦除、写入和读取三个功能，在仿真平台中，分别对其进行了模拟。,谢谢,观赏,