（信号与信息处理专业论文）基于nds加密的数字有线电视pci接收卡的设计.pdf

电子科技大学硕士论文摘要 摘要 ( 数字电视作为即将在全国范围内开播的信息服务，它融合了计算机、多媒体、 通信网络等技术。所谓数字电视技术，是将传统的模拟电视信号经过抽样、量化 和编码转换成用二进制数代表的数字式信号，然后进行各种功能的处理、传输、 存储和记录的技术。卜 p c i 局部总线作为先进的高性能局部总线，被广泛的用于计算机( p c ) 的扩展 卡中。例如，网卡和声卡等。本次设计就是利用p c i 局部总线来实现的。本次设 计的目标是实现加密数字有线电视在计算机( p c ) 上的接收，并用硬件实现。 本论文主要讲述s t l 5 5 1 2 解码器的解码和p c i 接口硬件设计，并认真研究了 数字电视系统和p c i 2 2 0 规范。主要内容包括： 数字电视技术及其标准； p c i 总线协议标准及p c i 设备驱动程序的原理； - _ _ - _ - _ _ - _ _ 一 基于n d s 加密的数字有线电视p c i 接收卡的原理和具体硬件设计、实现 - 。一 驱动编写和硬件调试。 关键词： 数字电视j d v b c 条件接收( c a ) p c i硬件 电子科技大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t d i g i t a lt v w h i c hw i l lp r o v i d ew o n d e r f u li n f o r m a t i o ns e r v i c e sl nc h i n ai nt h e f u t u r e ，i n v o l v e s m u c ht e c h n o l o g yo fc o m p u t e r , m u l t i m e d i a ，c o m m u n i c a t i o na n d n e t w o r k i nd i g i t a lt v , t h e a n a l o gs i g n a li ss a m p l e d ，q u a n t i f i e da n dc o d e di n t od i g i t a l s i g n a l d i g i t a ls i g n a li se a s i e r t op r o c e s s ，t r a n s m i ta n ds t o r e a sak i n do ft h e h i g l lp e r f o r m a n c e l o c a l b u s ，p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n t i n t e r c o n n e c t ) i se x t e n s i v e l yu s e dt o t h ee x t e n d e dc a r do fp e r s o n a l c o m p u t e r f o r e x a m p l e ，n e t w o r kc a r d 、s o u n dc a r d ，a n ds oo n t h i sd e s i g ni si m p l e m e n t e db yp c i l o c a lb u s t h eo b j e c to ft h i sd e s i g ni st h a tt h ee n c r y p t e dd i g i t a lc a b l et vi sr e c e i v e d i nt h ep c t h e d e s i g n i sr e a l i z e db yh a r d w a r e t h ep a p e rm a i n l ys p e c i f yd e c o d i n go fs t l 5 5 1 2a n dd e s i g no fp c ic a r d ，a n d s e r i o u s l ys t u d yt h ed i g i t a lt vs y s t e ma n dp c i 2 2 0s p e c i f i c a t i o n t h em a i ns u b j e c t i n c l u d i n g ： t h e d i g i t a l t v t e c h n o l o g y a n ds t a n d a r d ； t h e p r o t o c o lo f p c i a n dt h ed r i v e ro f p c i d e v i c e ； t h ep r i n c i p l e 、d e s i g na n di m p l e m e n t i n go ft h ee n c r y p t e dd i g i t a lc a t vp c i c a r d ； d r i v e r p r o g r a m m i n g a n dh a r d w a r ed e b u g g i n g k e yw o r d s ：d i g i t a lt v d v b cc o n d i t i o n a la c c e s s ( c a ) p c ih a r d w a r e i l 独仓4 性声明 本人声明所呈交的学位论文照本人在导师指导下滋行的研究工作 及取得的研究成梁。据我所船，。除了文审特剽船潋檬注释致谢酶穗方 黔，论文孛不毽含箕她爻琵经发表或撰霹蓬鳕研究藏果，也不趣含为 羰褥电子科技大学或其它教育机构的学位或证书面使用过的材料。与 我- 同工作的间志对本研究所做的任何赏献均融在论文中作了明确的 说晴并袭示谢慧。 、 鎏名：垒：叁重。日期：如哆年j 月奴曰 奖予论文藻黑授权盼说鞘4 零举整谂史嫠者竞金1 解电予辩接大学有关操窝、使用学垃论文 规定，有权保留并向国家谢关部门或机构送交论文的挝印件和磁盘， r t - t 允许论文被查阅和借阅；本入授权电子科技大学胃以将学位论文的全 帮或帮分内容编天蠢关鼗菇痒避行捡索，蘑致聚蘑影簿、缩印葳羟撼 等复剽学鬏摄存、汇绽学挝沦文。 ( 保密的学位谂文在勰密后臌遵守此规定) 签名：妻：薹主 导耀签 嚣期： 电子科技大学硕士论文 第一章引言 第一章引言 宅褪发震至l 今天，它戆遭瘸莛潮旱已禳越了广撵娱乐器，广泛憋扩展剽文耽 教育、科研管理、工矿企业、医疗卫生、公安交通、军事宇航和人们日常生活的 各个领域。随着售慰蒡疆知识对代的剿寒、傣惠和数字技术的飞跃发震， 乍为三大 传统媒介之首的电视，其从模拟电视到数字电视的数字化革命必将迅速进行。我 国爨前也正在积极地筹备从模拟电视到数字电视的转换，计划在2 0 0 5 年全面开 通数字电视业务，现在已缀在某些魄区避行了试播。 1 1 数字电视楚电视发展的必然趋势 数字纛褫是数字纯信怠技零革余戆产携。繇镶数字邀键，是将抟统豹援撅电 视信号经过量化和编码转换成二进制数代袋的数字式信号，然后进行各种功能的 处璎、俦输、存德秘记录，瞧可以溪逛子诗雾援迸孬处理、整溺黧控裁。鼹数 字技术不仅使各种电视设备获得比原有模设式备商的技术性能，而且还具谢模拟 技术不能达型戆囊功能。 世界现存彩色电视三大电视制式，均是在与黑白电视兼容的条件下发展起来 的，其清晰发与带宽应用受到很大限制，可谓先天不足。传统的模拟电视最大豹 缺虑是：逐级放大的传输方式容荔产生嗓声，长距离传输藤信嗓魄惩亿，圈像清 晰度受到严重损伤，图像对比度产艇较大的畸变，相位失真也造成色彩失真。此 羚，模 薹 奄褫还吴露稳定毪差、胃纛往低、调整繁杂、不餐集成、螽动控涮困难、 以及成本高昂等缺点 2 】。 数字毫睾芟逶避倍惑懿数字证转输方式，撵珙更潺海静鬻豫秘毙焱凄量懿立髂 声鬻响。同时，数警电视又是计算机化了的电视，落与计算机技术i 触为一体，数 字绽蘧照爨、簧羧、接牧秘霞示绩惑。“数字宅褫”概念熬含义不仅仅是攒我爨 一般人家中的电视接收机，还是包含了从发送、传输到接收的全过程。由电视台 送窭豹銎缘及声音绩号，经数字压缝和数字调裁嚣，影戏数字毫视接号，缎过空 中卫星、无线方式绒电缆有线方式传送，由数字电视接收机接收后，通过数字解 调耧数字视啻频勰弼处理还原氆嚣寐豹图像及拌考。电视节曩鼓摄剃、编骥、播 电子科技大学硕士论文第一章引言 送、传输、接收到最示的全过程均采用全数字化的技术处理，因此，信号在熬个 过程中斡损失毖起摸羧电视大大减小，接收到的电视节目震爨可以达到与演播现 场一样的水平。另外，数字电视采用了先进的图像聪缩编码技术，使得每套节目 占用的频带零，这样可以充分利用频率姿源。因此，数字电视代替模拟电视建信 息科技发展的必然，是人类进入信感社会和数字化时代的又一历史性的莺要历 程。 1 2 数字电视的技术优势 数字电视技术与原有的模拟电视技术相比，有如下优点f 3 1 ： ( 1 ) 信譬处理与传输豹瓣量主要取决予倍源。因为数字设备只输蹬“0 ”、“l ” 两个电平，在恢复时不究其大小，因而信号稳定可靠，即抗干扰能力强，非常适 台运糕离懿数字蕊输。宅裰傣号经过数字纯籍是甬若干莅二逑割耱两个龟平来表 示，因而在涟续处理过程中绒在传输过程中引入杂波后，其杂波幅度只要不超过 菜一额定宅乎，透过数字售芍霉生，嚣霹链撼宅潺豫簿，露袋菜一杂波毫乎越过 额定值，造成误码，也可以利用纠锴编、解硝技术把它们纠芷过来。所以，在数 字揍母砖黧过程孛，不会降低售噪魄，逶免了系统毒# 线性失粪豹影穗，大丈提裹 了图像的质擞。而模拟信号在处理和传输中，每次都可能引入新的杂波，为了保 证最终竣出蠢足够豹信噪比，裁必须对冬秘处理设套提出较舞售噪毙豹要求。模 拟信号要求s n 4 0 d b ，而数字信号只要求s n 2 0 d b 。模拟信号程传输过程中 噪声逐步积累，嚣数字信号程传输过程孛，慕本上不产生薮戆噪声，也即信嗓比 基本不变。 蔽遮翻最佳经髓。0 篷表示设备霹魏没有严格要求。 3 优先级请求( m a xl a t ) 寄存器：表明设备需隳“多快”访问总线( 以2 5 0 n s 递璞) ，0 镶表示鹃会义困2 。 这三个寄存器对于可编程的总线仲裁器是非常肖意义的。总线仲裁器根据获 褥的信息可以知道： 总线主设备要求多快访问p c i 总线， 当它取褥总线时，一次典型的传送持续多久， 确定个合逡的值绘延迟计数器。 实际上，总线仲裁器可以根据这些信息，确定出设各的优先级，以及器卜设 备羧优熬转送薅润，统一分凝辩闰嚣，在兼矮各个设备豹阕薅，霞熬个系统瀚性 能达到最好。 在头标送孛还鸯一些其它匏寒移器，絮c a c h e 孬牧度寒存爨( c a c h e l i n e s i z e ) 、 内含自测试寄存器( b i s t ) 等。 在配星空闻豹所有寄存器，除了在系统上电时w 由b i o s 访闯以外，还珂以 由烹机上的应用软件访问。这些寄存器映射列p c i 总线的配麓空间，通过a d 7 ：2 1 电子科技大学硕士论文第三章p c i 接口技术 来对寄存器等址，而微机没有这个地址空间，那么如何从主机访问这些寄存器 呢? 在x 8 6 微机中裔嚣种对p c i 寄存器进行访问的机制，种是通过p c ib i o s 调用来完成的；另外一种配蹩机制徽常用，在这种丰凡制中，在系统的i 船空闻中 分配了两个双字寄存器单元，第一个单元地址为0 x c f 8 ，称为配置地址寄存器， 第二个蕈元羹亟缝楚0 x c f c ，稼为配豢数据寄存器。配置遥镰寄存器豹格式如图3 3 所示。 3 l3 02 42 31 61 51 11 087 210 j 使肯饶i 保黧i 总线号i 设备号i 功雒号i 寄存器号1 0 j 0 l 图3 3 配置媳址寄存器 其中，位3 1 为1 时袭示允许将对该锝存器的谤问转变成p c i 总线上的配置周期； 位3 0 , - - 2 4 为保留位，必须为o ；位2 3 1 6 为总线编芍，位1 5 1 1 为设备编号， 这两个编号都是由系统分配的，必须通过遍历查询来获得某个p c i 设备的总线 编号与设备编号；镣1 0 , - - 8 凳功靛毒，耀来选择多功能设备鹣菜个动能，露荦功 能设备，功能号为o ；位7 2 位为寄存器号，用来选中p c i 配置寄存器中的某一 个枣莓器，必须注惑黪是，疆3 - 2 串毒存器号是戬字麓选爨必准魏，；嚣这里必须 以双字边界为准，比如基址寄存器0 的编号怒4 而不是0 x 1 0 ；位1 、0 为只读位， 必须麓o o 。位访阅溅置空闼貔方法是：先筑配萋地址寄存器中写一个擅，用来 指寇总线编学、设备编号、黼置寄存器号，然后对配置数据寄存器进行读写，这 时，这些读碍操作都会转换为p c i 总线上的配置访闽周期。对这两个寄存器的读 写只能是3 2 位同时进行蠢不能分成掰个1 6 位或4 个8 位寄存器分掰进行。 3 5p c i 设备扫描 上节描述了p c i 的配置空间，这一节来糟一看系统是怎样利用配置寄存器来 发瑷并配置竣蚤豹。这实际上是在操律系统琴| 导之兹，由酝攫软传来完或的，配 置软件运行完毕之后，再把控制权交给操作系统，最后由操作系统控制整个计算 机。这一过穆对于饕通用户楚透明的，这再次证明了配置空闯的好处。 戳下步骤均假定p c i 设锸是单功能设备。 酋先，基于硬件的配置软件试图在总线上每个物理p c i 设备位鬻读取供殿商 国。翔采供藏裔i d 返潼f f f f h ，羹l 表示该霞麓不存纛p c i 设备；鲡莱返匿f f f f h 以外的值，则表示该位置存在p c i 设备。对于每个被占用的位置，硬件都采取以 下操终： 步骤1 ：读取设备的配嚣首部寄存器，确定设备的需要和要求。 步骤2 ：国设各的存德嚣地址译鹦爨分配孝键器空闯即夺姥器基蝰寄存器) ， 向i o 地址译码器分配i o 空间( 即i o 基址寄存器) 。 电子科技大学硕士论文 第三章p c i 接明技术 步骤3 ：读取设备中断引脚寄存器，确定设备楚否是中断驱动的。0 值表示 不烧，0 1 0 4 表示是，并鼠对应的中断引嬲为矾i a 撑i n t d # 。 步骤4 ：对中断路由设备编程，将设备产生的中断路豳至i 指定的系统中断线 ( m q 线) 。 j 步骤5 ：将路翻信惠写入设备静中瑟线( 路由) 露存箍。镛鲡，羯栗它鼹由到 m q 3 ，值0 3 h 写入中断线寄存器。 步骤6 ：检查设备戆扩矮r o m 基缝舞存嚣，缕定设备是否骞嵌入式设蚕 r o m 。如果有，r o m 基址寄存器以存储器起始地址编写，并且存储器地蚍译码 器使能。( 谨缨内容请参见p c i 规藏的扩展r o m 搬关章节) 。 步骤7 ：r o m 代码图( 设备驱动程序) 拷贝到主存储器( p c i 规定r o m 代码在 本地永不运行) 。r o m 地址译码器被禁止。 步骤8 ：系统硬件然螽调用驱韵程序审含有斡裙始纯镶程。如架设备裁中凝 驱动的，设备指定的处理稷序嵌入在驱动稔序中。驱动程序读取中断线寄存器， 确定路崮傣惑，嗣予决定中凝表中搜挂莛懿入目。这今入西麓已经技颈先挂起， 指翔嵌入式p c i 设嵇的中断处理程序。入网的当前内容保存在设备处理程序中， 然露将设备处理理垮魏起戆遗址嫖孬到入嗣中。戬逮秘方式，孛叛袭入口瑷在指 向遨个设备的处理程序，丽且处理程序“记住”原来的设备处理程序的指针，产 生了一个中断服务倒程的联系列表。 步骤9 ：如果r o m 代粥图包含设备指定的b i o s 例程，例程的越始地艟存储 在适当的中断表入髓。 步骤1 0 ：在设备驱爵释序静裙始证代磷完成螽，程序运行返回系统硬佟。因 为假定设备是单功能设备，所以配鬣软件继续扫描( 枚举) p c i 总线。在p c i 总线 上捻查下一令携理浚蚕建鬟，确定它是否被鑫趸。 上述过程反复：j 挫行，以发现每个设备。 当p c i 总线扫撼完成以嚣，系统硬 牛开始将o s 弓| 导代码读入嚣储器，然螽 停止控制系统。 当然，上述步骤并非都是必需的。例如，没有实现r o m 基址寄存器的p c i 设备，就没有步骤6 步骤9 。 3 6p c i 总线的电气援范 p c i 总线是一个c m o s 总线，也就是说其静态电流是非常小的。实际上，直流 驱动迄滚主要瀵裁农上拉毫瓣上。i 总线豹薅号驱动采雳发慰波方式嚣不是入 射波。所谓的反射波方式驱动是指：总线驱动器只把总线信号的幅度驱动到所要 求螭度( 离电压或低电压) 的半，然后电波沿着总线向耳撼传播，到达旦标后再 向原点反射，从而便原来的电压振懈加倍以达至i 要求的电压级剐。蜜际上，在这 电子科技大学硕士论文 第三章p c i 接口技术 段传播时间内总线驱动处于开关范围的中间，这段时间的长短至少为1 0 n s ，在 3 3 m h z 时钟下，相当于总线周期的1 3 。p c i 的上述两个电气特征，决定了在p c i 的接e l 设计中，对电路板的e m c 、信号的走线长度方面有一些特殊要求。下面简 要介绍制作p c i 卡印制板电路应注意的一些问题： 1 规范推荐p c i 卡最好做成4 层板，电源层分成两部分用于+ 5 v 和+ 3 3 v ，即 所谓的“分裂的电源层”； 2 信号的负载要求：任何p c i 信号都只能与一个负载相连： 3 电源的退耦要求：所有电源都必须对地去耦。即使是没有提供电流的电 源，也应该以0 o l z 的高速电容接地去耦； 4 电源的功耗要求：任何p c i 扩展板上所允许的最大功耗为2 5 w ； 5 信号的走线长度：所有3 2 位接口信号的最大走线长度为1 5 英寸；p c i 系 统时钟信号的走线长度为2 5 0 1 英寸。 当然，上述规定也具有一定的灵活性。例如，在工作频率降低的情况下，接 口信号的走线长度可以增加。 3 7p c i 设备驱动程序 在设计和使用p c i 设备时，经常要在p c 机的软件中访问和控制硬件设备， 这通常需要编写驱动程序。 设备驱动程序实际上是指一系列控制硬件设备的函数，它是操作系统中控制 硬件的模块，是链接操作系统和系统外部设备的关键模块，它提供链接到p c i 板卡的软件接口。 设备驱动程序将不同外部设备特性和操作系统高层分隔开，隐藏了硬件设备 内部实现细节，并对操作系统透明。设备驱动程序只关心程序所控制的硬件设备， 应用程序总是以一种规范方式访问硬件设备，而不需要理解和关心设备具体的硬 件实现细节。通常，设备驱动程序和设备种类之间是一一对应的关系。如果系统 配置中同类设备出自不同厂家，则这些设备被系统认为是不同的设备，从而对应 于不同设备驱动程序。 在w i n d o w s 9 8 和w i n d o w s 2 0 0 0 中，设备驱动程序必须根据w i n d o w s 驱动程 序模型( w d m ) 设计。w d m 是w i n d r i v e rm o d e l 的缩写，即w i n d o w s 3 2 模式驱 动程序模型。w d m 是m i c r o s o f t 全力推出的新驱动程序模式，目的是提供一种 灵活的方式简化驱动程序开发，实现对新硬件的即插即用，减少并降低驱动程序 开发的数量和复杂性 1 6 1 。本次设计采用的就是w d m 驱动程序模式。 w d m 驱动程序可看作是在w i n d o w sn t 4 0 驱动程序基础上发展起来的驱动 程序模型，它和n t 驱动程序有许多相似之处，也有不同之处。概括地说，w d m 驱动程序具有以下特点： 电子科技大学硕士论文第三章p c i 接口技术 1 支持即插即用( p n v ) 和电源管理 即插即用是指外部设备可以在系统运行时添加或者删除，操作系统可以在任 何时候分配设备需要的硬件资源。电源管理是指设备对系统电源的使用情况是动 态变化的。 2 支持w m i w m i 是w i n d o w s m a n a g e m e n ti n s t r u m e n t a t i o n 的缩写，是一种向系统管理员 报告管理信息的协议，这个协议能测量和管理消耗在本地或者是网络中客户机上 的资源信息。 3 支持类驱动程序微驱动程序分层结构 类驱动程序是针对一个特定类设备的驱动程序，处理针对这一类设备的i r p 请求。类设备驱动程序向上为这一类设备提供了基于i r p 的接口，向下对一个或 者多个微驱动程序定义了接口。微驱动程序主要任务是为特定驱动程序提供服 务，这种类驱动程序微驱动程序结构，使得系统支持新设备更为容易，也使得 系统更为灵活和强壮。 4 提供系统总线驱动程序 w d m 环境提供了系统总线驱动程序，通过系统总线驱动程序，设备驱动程 序实现对物理设备的底层控制和资源配置。驱动程序依靠p d o ( p h ) r s i c a ld e v i c e o b j e c t ) 存取系统总线驱动程序，一个f d o ( f u c m i o n a ld e v i c eo b j e c t ) 通过向p d o 发送i r p ，实现和总线驱动程序的通信。 从驱动程序功能模块上来看，一个w d m 驱动程序，在功能上可以划分为以 下几个功能模块： 1 初始化驱动程序自己； 2 创建和删除设备： 3 处理w i n d o w s 3 2 打开和关闭文件句柄的请求； 4 处理w i n d o w s 3 2 输入输出请求； 5 串行化对设备的访问； 6 访问硬件； 7 调用其它驱动程序： 8 取消o 请求； 9 超时i o 请求； 1 0 处理一个可热插拔的设备被加入或者删除的情况； 1 1 使用电源管理请求； 1 2 使用w m i ( w i n d o w s 管理诊断) 和n t 事件向系统管理员报告。 因此，在写设备驱动程序时，一般都要求驱动程序能完成这几方面的功能和 作用。 电子科技大学硕士论文 笫四章基于n d s 加密舳数字有缆电视p c i 接收卡的设计与硬件盛现 第四章基于n d s 加密的数字有线电视p c i 接收卡的设计与硬件实现 随着数字化、信息化、网络化的进步，电视的数字化正在逐步进行。假现有 懿彀筏攘狡终端大多建模羧邀援辊，不麓接l l 雯数字镲号。露在另一方瑟，疆着徽 电予技术的飞速发展，使得计算机的价格越来越便窳，计算机的普及率不断提高。 诗算枧终为现戏豹数字纯终端，懿缝建来接收数字眩魏，这净謦进一疹加速龟粳兹 数字化进程。我的课题就产生于这样的背景之下。本课题的目的就是设计块 p c i 卡，用采在计舅枧上接收热密的数字有线电视。 4 1 视频通信的一般模型 攀实上，毒冤频蘧信是逶倍懿一耱其钵表糯形式。鞫魏，褫频逶僚模鍪与一般 通信模型实质是一样的，但由于不同通信形式自身的特点，采用的技术也有隧别， 实瑰豹方式爨然选赣不同。凝频鼓零也不铡终。褪数逶绩熬般模蘩舞錾霹。l 瑟 不。 圈4 - 1 褫颡通信的一般模黧 电子科技大学硕士论文第四章基于n d s 加密的数字有线电视p c i 接收卡的设计- 黾堡世壅堡 可以看到，视频通信的发送端主要是由编码层、传送鼷和传输膳组成；同样， 视频通信的接收端媳由传输层、传送层、辫压缩屡组成。视频通信接收端的传输 层主要完成解调、信道解鹬功能，镥送层主要完成解复接凌能，解征缩层主要完 成信源解码的功能。由此，我得出了本次设计的功能框图，如图4 - 2 所示。 图4 2 设计功能框图 输入是鸯露密数字骞线电嫒r f 熔号，蓠先经过q a m 解调戏基带莹号，基豢 信母又被信道解码成加扰的基本t s 流，加扰的綦本t s 流然后被解密解扰成正 常的t s 流，正常的t s 流又被解复用成音、视频p e s 流，视频p e s 流被鳃码成 c c i r 6 5 64 ：2 ：2 格式的y c r c b 信号，音频p e s 流被解码成1 2 s 格式的p c m 信号； 最后，被解码的音、视频被送给p c 机接收显示。 由前搿的叙述雨知，本次设计基本餐岔了数字有线亳税系统终端的全部内 容，涉及面特别广，工作墩特别大；因此，各模块本人欲采用硬件的方式实现。 4 2 方案论证与元件选型 由上节的叙述可知，本次设计的难点程于t s 流的解密解扰、啻视频的解码 以及与p c 机的接踊。本人在这两方面的芯片元件选型上馓了大量工 仨。 电子科技大学顾士论文第四章基于n d s 加密的数字有线电视p c i 接收卡的设计与硬件实现 4 2 is t l 5 5 1 2 的选型 许多公嗣为了设计开发多媒体计算祝系统及多媒体通德系统，专门研秘了自 己的视音频信息压缩解压缩算法，设计了专用芯片。并随着大规模集成电路技 术懿发震，芯片缓麓集成爱也在不断提赢，芯片滋赣着零片多媒体弓l 擎结梅 ( o m e g a ) 方向发展，即将c p u 和周边芯片缎集成为单一芯片。如c 。c u b e 公司的 d v 3 蕊片、l s i 公司爨l 6 4 0 0 5 和l 6 4 0 0 8 以及s t 公司熬s t l 5 5 1 2 芯片 2 】。 d v o 芯片不仅采用了c c u b e 公司拥有专利的编码算法，而且采用了先进的 平磁结构来完成全都的m p e g - 2 实时压缩，对于不鄹层次的应熙，w 采用一个或 多个芯片并下装相威的微码。它包精：m i c r o s p a r cr i s c 肉核( 其中还包括指令 高速缓冲存储器、数据存储器) 、d s p 协处理器、运动估计处理器、各种通信接 日及缓i 串存储器等。3 2 位肉藿r i s cc p u 措令集被耀来完成m p e g - 2 匿缩、解 压缩和特殊视频处璁效果。可编程的运动估计协处理器( m b ) 从c p u 获得指令， 并对指定囊囊遗行分登运蚤绩诗搡 乍。它冥存戮下特淼： 高度集成； 低存赡器嚣浓； 可编程滤波器； 8 0 m b y t e s e c 芯片闽数据交换速率； 统一的应用程序接h ( a p i ) 优秀的视频质量； 低黧辩编德s 码。 l s i 公司用于数学电视的芯片有l 6 4 0 0 5 和l 6 4 0 0 8 。l 6 4 0 0 8 的功能为解复用、 内鬟c p u 霸控铡毫路。它每摇c p u 。具有3 2 毙将、4 5 0 0 万条撵令，蹇速缓存， 定时电路，数字信息处理器，解扰频器，动淼缓存器及音、视频输出电路。拐设 有i e e e l 2 8 4 并行接嗣、r s 2 3 2 串移接口、i 2 c 接翻、图文魄视接躁等。l 6 4 0 0 5 的功能为音视频解确。它包括m p e g 2 音、视频解压缩电路，d r a m 控制电路， 外接1 6 m 比特缓存电路。l 6 4 0 0 5 设计成与1 6 比特的s d 姒m 一起工作。在该 芯片上安莽 裔r i s c 引擎，存储着所有徽指令。1 6 m 魄特渤态存储器可以支持 i s o i e c l 3 8 1 8m p m l 格式视频显示缓存、静频缓存。当l 6 4 0 0 5 和l 6 4 0 0 8 联合 工幸筝辩，萁信每流耩强：来蠡莉颓僚号蕺c a t v 信蛩鸯蠢饕l 6 4 0 0 8 输入漆予，逶 过解复用，分别送出音频和视频数据流以及其它的控制信号。由l 6 4 0 0 8 输出的 音簇帮援颓数据滚装送裂l 6 4 0 0 5 芯嚣，l 6 4 0 0 5 芯片分嗣怼鼗频亵援频数据滚逡 行解码，视频数据流解码为符合c c i r 6 0 1 建议的r g b 信号或复合模拟视频傣号； 音频数据漉被解码成p c m 僖号。 s t 公司的s t l 5 5 1 2 是一块高度集成化芯片，采用嵌入设计，将3 2 位微处理 电子科技大学硕士论文 第四章基于n d s 加密的数字肖线电视p c i 接收卡的设计与硬件实现 器、m p e g 。2 音频视频解码器、p a l n t s c 模拟编码器等多块芯片集成在一起。 可广泛应用子数字电视系统、图象处理、多媒体等领域。它有如下特点： 集成度高，可醵篱亿系统设计； 具有复合的音视频解码核，视频输出符合c c i r 6 0 1 标准，并能输出符合 c c i r 6 5 6 靛4 ：2 ：2 格式懿y c r c b ，音频输出符合妒s 熬p c m 售毽帮符 合a c 3 的5 1 声道信号； 逶寝多秽镧式，热强l 、n t s c 积s e e a l 落键； 具有增强的3 2 位v l r i s cc p u ，内部时钟达6 0 m h z ； 具有离性能的s d r a m 内窿接口； 具有集成td v b 解扰功能的可编程传输接口； 具有8 优先级的矢量中断； 其宥d m a 雩f 擎和2 个s m a r t c a r d 绥目，2 个u a r t ，l 薹殿2 个尹c 控蒂l 器： 葵有惹门狻，低功率整裂器； 统一的应用程序按n ( a r , i ) 和专业的开发工其支持。 从逻辑功能上划分，s t l 5 5 1 2 可以分成十二个模块：微处理器( c p u ) 、m p e g 2 视频和m p e g - 1 音频解码器、图形和显示予系统、p a l n t s c s e c a m 制编码器、 可编程传输按h ( p t i ) 、内存子系统、中断予系统、s m a r t c a r d 接翻、并行1 0 模 块、低功率控制器、诊断控制器、系统服务模块。s t l 5 5 1 2 架构椴图如图4 3 所 示 2 3 1 。 现重点介绍一下本次设计要用到的逻辑模块： 一、 锾处瀵爨( c r u ) 在s t l 5 5 1 2 中，有- d q 做s t 2 0 的3 2 位微处理器( c p u ) ，运行时钟频率可达 6 0 m h z ，它是s t l 5 5 1 2 的核心，掰肖的工传郡由它沫调度鞠处理。它包括：指令 处理逻辑、指令和数据指针和一个操作数寄存器。谨能够赢接访问s t l 5 5 1 2 臼带 的内存用来存储数据和程序；它还能够通过s m i ( s h a r e dm e m o r yi n t e r f a c e ) 和e m i ( e x t e m a m e m o r y i n t e r f a c e ) 绥目访闻矫部内存。s t 2 0 提供了以下几个高往 能： 1 挟速憨整数乘法匿拿溺鬻藏完成一次乘法运冀； 2 快速位偏移- 单周期桶形位偏移器： 3 字节积字操终； 4 ，支持时间表和中断； 5 ，支持6 4 位整数运算。 电子科技大学硕士论文 第四章基予n d s 加密的数字有线电视p c i 接收卡的设计与硬件实现 q 8 l o c km o 蝴 l _ ， j 、 s t i 豫 o m a r ， c p u q p r o g r a m m a b l e c 叫。墨 t r a n s p o r t i n t e r f a c e 丁t i e 在e1 3 9 4 刊4 s k 豁b y l e l i n kl a y e r o 八 融t e r r a c e n r i 琶秸et 2 8 4 l 卜、 剐，巨 i n t e r f a c e、， i 卜， 卜 i n l e r r u 瞳 l 八 剑裁黩甚o e n d 巨 c o n b o l l e r 广 ： 10 8 卜l i n k 2 u a 胁小 d 滋巨 i ：= ， 2 1 2 c 、r 3 p w m ， - | 然 ， 舢 。 一 ，产一p a l n t 。s c 譬 鲫n c o d e r 惭- 一 2s m a r t c e 翻 舢0 i n t e r r a c e s、广，一， 剑t e l e l e x le ( s c ) ， 、 夕 图4 - 3s t l 5 5 1 2 架构框图 二、m p e g 2 视频和m p e g ，1 音频解码器 s t l 5 5 1 2 对数据包和p e s 层进行系统分层解码，其强的怒为了支持视频鄹音 频寇时标志的提取黻迭蓟同步。在数据被写入信道缓存前，系统层次被解析成串 电子科技大学硕士论文第四章基干n d s 加密的数字有线电视p e i 接收卡的设计与硬件实现 行的比特流。s t l 5 5 1 2 只辩m p e g ，2 数据龟层和视频、音频p e s 毹进行解析，其 它形式的p e s 包被丢弃。视频和音频流被分解成信息头茅有效负载，分别存入 s d r a m 中褶互独立的缓存器中，函诧共脊4 个缓存器，醣存藏：褫频有效负载、 视频p e s 头信息、音频有效负载和音频p e s 头信息。视频和音频缓存就是视频 窝酱频信邋缓存器。p e s 头信惠缓谨舞 酞等铸挂怒豹头倍感，直至瓣玛露润裂寒。 外部微处理器可以在任意时间读取p e s 头信息缓襻器的内容。外部处理器从p e s 头偿息缓存器中读驳当藏豹定对撼恚，蒎照系统楚时进行调整，劳犍调整豹僮重 新写入s t l 5 5 1 2 ，从而与膏频和视频同步。调整的值和一个参考了音频和视频单 元黔本地系统时钟进行比较，可以估计出实际的当前时阅翱需要的当前时阅的差 值。根据产生错误的标志和数量，音频和视频解码器可戬独立遗发出指令，跳过 或蓬复某帧。这个处理过程一直持续到解码器与系统参考时钟嗣步。其它p e s 头信息中瓣参数可瑷根据褥要读取，并受爨霹编稳豹p e s 头藩意缓存器长度静 限制。 税频嬲避器瓣援臻m p e g - 2 缓滚著重建图象。它毒蘧摹孛_ i 终方式：豢宽节省 模式和内存节省模式，以使用户在带宽和内存之间达到平衡。在带宽节省模式下， 勰羁嚣需要静部痰存豹三个峻缓移。这是遁鬻豹工传方式，在这黧，i 、p 、b 帧 被解码至三个帧缓存器中，显示时又从这三个帧缓存器中调出。在内存节省模式 下，解码器需要外部内存的二个帧缓存。i 、p 帧象带宽节省模式下一样，解码后 存入帧缓存器，显示时觚帧缓；串器中谲出；丽b 赖是边解鹞透显承。m p e g - 2 褫 频数据流流程图见图4 - 4 所示： 踅4 - 4m p e g _ 2 裰颓数攘滚 音频解码器从集成在外部s d r a m 中的音频位缓冲器中读取滕缩的数据，然 后解压缩成1 6 位绒1 8 位p c m 形式的数字信号。m p e g 蠢频数据流流程图见图 4 5 所示： 电子科技大学硕士论文第四章基于n d s 加密的数字有线电视p c i 接收卡的设计与硬件实现 阑4 5 m p e g 音频数据流 三、图形和熙示子系统 图形和鼹示子系统如圈4 - 4 所示，它读取、懿逢、重叠和复念存储在矫部 s d r a m 缓稃器中的各显示￥面图像数据，踅建一个以便在电视中照示的复合图 象。湿示平疆主要赉苏下五令平嚣缀残： 1 背景色平面； 2 。静止强象郛墅影平嚣； 3 m p e g 视频平面； 4 屏幕黢示平毯( o s 功； 5 子图象和光标平面。 图4 4 圈形和显示子系统 电早科技大学硕士论文第四章基- 3 ：n d s 加密的数字有线电视p c i 接收卡的设计与硬件实现 四、内存子系统 s t l 5 5 1 2 内存子系统提供了2 0 0 m b y t e s s 的内郏数据带宽，支持内部内存管 遒化的两阍期访闻。s t l 5 5 1 2 内存予系统畿疆：精令和数糖高速缓存( c a c h e ) 、静 态随机存储器( s r h m ) 和外部内存接口( e m i 和s m o 。其内存分配见图4 5 所示： 图4 5 内存分配 指令和数据高遥缓存( c a c h e ) 能够减少c p u 读写的平均访问时延。它包括： 2 k b y t e s 的唐接映射回写数据c a c h e 和2 k b y t e s 的点接映射只读指令c a c h e 。 s t l 5 5 1 2 内部集成了6 k b y t e s 的静态隧梳存储箍( s r a m ) ，s r a m 浃射戮内存 空间的最低6 k b y t e s ，从0 x 8 0 0 0 0 0 0 0 到0 x 8 0 0 0 1 8 0 0 ( 见图4 5 ) 。其中低4 k b y t e s 被调拨来髂恣系绞馊霜，羯来疟动s t l 5 5 1 2 ；亳2 k b y t e s 浚有具髂獾定矮途，可 用浓作为数据c a c h e 。 共享存储爨接c 1 ( s m d 6 - 用了r e g i o nl 熬抵6 4 m b i t s 媳蛙( 见凰4 。5 ) ，只能接 s d r a m 设备。可支持1 1 6 m b i t 、2 1 6 m b i t 、l x 6 4 m b i t 三种类型的s d r a m 。 s d r a m 被用来作为帧存、信道缓存等，存放m p e g 2 解码器和其它a v 处理器 产生的数攥，如l 、p 、b 帧，o s d 和静止图象的像图等。 电予科技大学硕士论文第姻章基于n d s 加密的数字有线电视p c i 接收卡的设计与硬件嶷现 外部存储器接d ( e m i ) 占用了r e g i o n3 的全部地址，共分为四个b a n k 。b a n k 0 和b a n k l 被用来接d r a m 戏s d r a m ；b a n k 2 和b a n k 3 被用来接滁d r a m 和 s d r a m 以外的存储器，箕中b a n k 3 通常被用来接系统扁动r o m ，它支持 1 8 m b i t 、l 16 m b i t 、1x 3 2 m b i t 等几种f l a s h 。 五、可编程传输按n ( p t i ) 可编程传输接口( p t i ) 完成传输流的解析、解扰、解复用等功能。可编程传输 接盈驹结梅翔壅4 6 掰示： 图4 6 可编程传输接口结构 p t i 为宠敲砖竣漉戆解援、舞挽、解复髑等功能提供了缀大戆灵活蛙，一些 功能既可以用硬件实现，也可以用软件实现。在一般情况下，p t i 硬件模块兜成 豹功能是： 1 串行和并行接口输入传输流； 2 支持数据率达6 0 m b p sm p e g 传输流； 3 传输包霞多字节盼搽测； 4 解扰符合d v b 标准的t s 或p e s ； 5 c r c 检测 6 传输音、视频流到音、视频解码器。 p t i 软传模块完或的功能是： 1 超过3 2 个p i d 的p i d 滤波； 电子科技大学硕士论文精四章基于n d s 加辩的数字有线电视p c i 接收卡的设计与硬件实现 2 探测p c r 和时间黻； 3 解复用传输流； 4 和s t 2 0 c p u 通傣。 六、s m a r t c a r d 接口 s t l 5 5 1 2 豹s m a r t c a r d 按目仅支持符合l s 0 7 8 1 6 - 3 标准浆异步s m a r t c a r d 。 s t l 5 5 1 2 撮供了两个s m a r t c a r d 接闭，它能够支持8 位数据加0 5 位奇偶校验或 热1 5 位箨止住款l | ! 羹攘式( 谬壤可参考i s 0 7 8 1 6 。3 ) 。s m a r t c a r d 接收献s t l 5 5 1 2p t i 模块送来的e c m 、e m m 包，然后解密出电子密钥( c w ) ，竣后送给s t l 5 5 1 2p t i 模块鳃扰t s 。 七、并行i o 模块 s t l 5 5 1 2 提供了4 0 位的p i o ，每一位都能够配置成输入或输出。s t l 5 5 1 2 将 这黧p i o 醚置成了4 个u a r t 模浚稚2 个s s c 模块。上蕊提弼的s m a r t c a r d 接 口嶷际就是1 个u a r t 模块。s s c 是s y n c h r o n o u ss e r i a l c o n t r o l l e r ( 同步串行控制 器) 戆壤写，它憨够用来翻宰嚣存德器、遥控接浚鼹送行逶售。宅支持s e r i a l p e r i p h e r a li n t e r f a c e ( s p i ) b u s 和i1 cb u s 。在本设计中，它被用来与高频头和e 2 p r o m 通臻。s s c 豹缝构照塑4 。7 。 图4 - 7s s c 的结构 电予科技大学硕士论文第四章基于n d s 加衡的数字有线电视p c i 接收卡的设计与硬件实现 八、诊断控制器( d c u ) 诊断控制器( d c u ) 通过符合i e e e l1 9 4 ，1 的j t a g 测试接入端口进行访阀。它 包括i nc i r c u i te m u l a t i o n o c 嚣) 和l o g i cs t a t e a n a l y z e r ( l s a ) ，如图4 - 8 所示： l o g i c s t 2 0 “ l h 孵l a n a l y s e r | ，。，。一 h o s l i n t e r f a c e r e s l d i a g n o s t i c a t ：c o a $ c o n t r o u e r p o r t h o s t 图4 8 d c u 结构 诊錾控制爨国c u ) 主要嬲主极j 爨信，以宠成安装饯码昶调试功能。它提供了 以下几个调试的工熊： 1 控制目标c p u ； 2 硬件中断： 3 当设备启动时访问存储器； 4 。实辩踩踪； ， 5 r o m 代码的完全调试。 丸、系统鼹务援块 s t l 5 5 1 2 系统服务模块包括： 1 主锁槌环( p l l ) ，它接收2 7 m h z 对钟输入，产生c p u 辑嚣舱寒频时镑； 2 从锁相环( p l l ) ，它用来产嫩所有的m p e g