基于ST20-TP4和ST20TP4芯片实现数字电视机顶盒系统的设计

科学技术的高速发展使广播电视进入了由彩色电视向高清晰度电视HDTV（High-Definition Television）跨越的过渡时代｡随着HDTV在全球的兴起以及数字技术的日趋成熟，音/视频产品数字化､高清晰度化已成为未来家电视听产品的大趋势｡HDTV采用了国际上流行的MPEG-2标准｡MPEG-2规定了数字图像的音､视频编解码算法以及传送的码流应该符合的语法和语义，而其编解码算法又参考了听觉心理模型和视觉心理模型｡HDTV的图像格式为1920×1080i，传输码率高达20Mbps，同时采用视频压缩技术可使HDTV的每一帧包含更多的信息，大大提高了图像的清晰度｡HDTV在音频压缩方面采用了数字音频的编码和压缩技术｡现有的数字音频编码压缩方案有MPEG-2､Dolby AC-3和美国AT&T的MPAC以及欧洲的MIX｡它们都能实现5.1声道，即三个前面的声道（L､C､右声道R）､两个环绕声道（左环绕声道Ls､右环绕声道Rs）和一个低音效果声道LFE，使声音效果可以达到家庭影院的音响效果｡HDTV声光效果上的优势，注定它的发展有着技术和市场的双重必然性｡为了适应当前电视市场的过渡时期，需要一种即能接收数字电视信号，又能解码输出用于显示的中间设备--机顶盒，充当电视台信号与用户显示设备之间的桥梁｡机顶盒是随着数字电视广播的发展而出现的，同时也必然随着数字电视广播的发展而不断发展｡本文论述的信源解码器则是机顶盒的关键部件｡

1 总体方案

根据本课题的任务和内容，选择了ST公司的数字高清晰度电视机顶盒系统解决方案，即ST20+Sti7000+Sti4600的三片方案｡该方案采用ST20-TP4作为系统的主控制芯片，它负责将前端或LVDS板输入的TS流解复用，同时负责系统初始化和系统音､视频解码控制｡为了配合ST20TP4ST20TP4的运行，需要配备一定数量的DRAM来提供运行程序的存储空间，并存储TS流､解复用后的音､视频PES流数据等｡TS流经ST20TP4解复用后分两路输出：一路是解复用后的音频PES流，这路信号将被送入Sti4600STI4600进行音频解码，解码后的数字信号再通过DAC转换电路转变为模拟信号输出？另一路解复用后的视频PES流将送入Sti7000STI7000进行视频解码和格式变换｡Sti7000所配的SDRAM用来缓存PES流､解码帧､显示帧､参考帧及OSD数据｡解码后的图像以4:4：4的高清晰度格式送入视频DAC电路进行D/A变换｡另外，为了配合实际需求，视频模拟输出要求兼容VGA（R，G，B，Hs，Vs）和Y，Pr，Pb两种接口｡其中，Y，Pr，Pb信号要带有三电平或两电平同步信号｡

2 硬件设计

硬件电路设计以ST20TP4为核心展开，依据主控制芯片的总线结构规划视频接口､音频接口以及各类存储器｡ST20TP4有一个32位带符号的2的补码地址空间｡按32位地址寻址，总的地址空间大小为4G字节｡（所谓“带符号的2的补码地址空间”是指该空间地址排列是由底部MixInt#80000000向下增长至#FFFFFFFF，接着是#00000000然后增长到MaxInt#7FFFFFFF）｡整个寻址空间分为四个区（每区1G字节），由地址A31､A30决定｡

需要注意：3区（A31A30=01 #40000000~#7FFFFFFF）为外部存储器空间｡外部存储器接口（EMI）把它又分为4组，不同的外部存储器和外部设备可以映射到其中｡这4组中组0､组1和组3是通用存储器组，每一个都可以通过有关寄存器的设置来选择时序;组0和组1可以选择DRAM型或SRAM型器件，组3仅支持SRAM型器件｡EMI组2（#60000000~#6FFFFFFF）指定与MPEG音视频解码芯片接口｡它提供4个选通信号：两个MPEG解码器IC的片选notCS0-1;两个解码器压缩数据选通信号notCDSTRB0-1｡其中notCS0-1用来请求一个MPEG解码器寄存器存取周期，而notCDSTRB0-1用来请求压缩数据写周期｡这4个选通信号有效与否取决于组2的地址范围，也就是说可以依靠地址来区分不同的MPEG解码器及同一MPEG解码器的寄存器和压缩数据接收FIFO｡此外，为了与各种速度的MPEG解码器件接口，当选择不同地址时，notCS0-1可以有不同的时序（可分别插入1~4个等待状态）｡

3 软件编程

在机顶盒这种实时系统中，由于CPU要同时对解复用､视频解码､音频解码等多个方面的事件进行处理，其中既有通信问题，又有同步等问题｡因而有必要采取多任务多进程实时操作系统的方式｡应用程序可以被分割成多个相对独立的任务共享系统资源｡本课题软件开发中使用的实时操作系统是ST公司的STLite/OS20｡该操作系统已提供的内容包括：较完整的实时操作系统软件､部分硬件驱动和部分testtool命令｡能够实现的功能包括：各种接口功能，如I2C､UART等;MPEG和AC-3音频解码､MPEG视频解码和显示､基本流解复用､section滤波､OSD测试功能､时钟恢复和SD输出等｡具体如图1所示｡

需要开发的部分主要有：新增加和变动的硬件模块的驱动､前端或LVDS输入的控制､节目操作和管理模块软件的开发｡节目操作的软件开发中，节目信息的获取､分析､保存和更新及节目数据库的操作是非常关键的部分，这是因为：一方面，它与前端或LVDS输入模块､解复用模块､音､视频解码模块等硬件驱动层都有很大的联系;另一方面，要实现机顶盒的音､视频解码功能，就必须从码流中找到所有基本流的PID，需要对节目特定信息（PSI）进行提取和分析｡ PSI（Program Specific Information）节目特殊信息包含了解码器端解复用所需要的数据｡在MPEG-2系统层标准中，每路数字节目都包含一个或多个基本流，每个基本流都分配了一个PID值作为标记｡节目､基本流或其中的部分内容可能会被加密，但是PSI信息作为解码的前提是不会被加密的｡

传输流中的PSI信息可以分成四种表的结构，每种表又可以分成多个section｡这四种表分别为：节目组合表PAT（Program Association Table）､节目映射表PMT（Program Map Table）､有条件接收表CAT（Conditional Access Table）和网络信息表NIT（Network Information Table）｡PAT包含了所有的节目号及其相关PMT的PID值;PMT给出PAT表中列出的所有节目的基本流PID信息;CAT的任务在于准备解密数据组用的信息（加密系统的标识､存取权的分配及各码序的发送）;NIT可以传送网络数据和频带､转发信号､通带宽度等参数，MPEG对此表的内容没有做详细规定｡每个TS流中都应该有PAT表，因为所有PMT和NIT表的PID值都在PAT表中给出，PAT的PID固定为0x0000，当PAT表内容更新时，表中的版本号version_number会增1｡当TS流中有一个或多个基本流被加扰，则需要在TS流里传送一个PID值固定为 0x0001的CAT，提供有关加扰了的流的信息｡PMT也是TS流中所必需的表，它包含了各个节目的基本流PID信息，这是解复用必不可少的，PMT的PID在PAT中给出｡NIT表在TS流里不是必需的，它的内容属于私有数据表（private），如果TS流里存在NIT表，则它的PID值由PAT的内容提供，且TS流中应包含若干个private section｡ISO/IEC 13818-1 MPEG-2系统层标准中关于PSI信息定义了四个section结构，分别代表四个表的信息数据结构｡这四个 section 结构分别为：Program Association Section､Conditional Access Section､Transport Stream Program Map Section和Private Section｡对各表信息的分析实际是对这些section结构的内容进行分析｡

对符合MPEG-2标准的传输流进行音､视频解码前必须先经过解复用分出音､视频基本流｡为了可以解复用分出音､视频基本流，首先要分析PSI表的各 Section并从中提取基本流PID信息｡寻找基本流PID主要对PAT和PMT两个表进行处理｡这两个表与基本流PID的关系可以用图2表示｡

解复用的过程是这样的：首先，得到完整的PAT表，根据PAT的Section结构找到所有的节目号和各节目号所对应的PMT PID;然后，分别对PAT中列出的每一个节目进行如下操作：根据该节目的PMT PID得到PMT表中对应节目号的Section，按照PMT Section的结构进行分析，进而找到所有该节目的基本流PID值加以保存｡

下面以加入新频道为例，简要介绍分析PAT和PMT得到解复用所需的各基本流PID信息的过程｡首先，系统会发来一个消息，要求分析最新版本的PAT，调用相应函数（PSI_ProcessForPAT）得到PAT后，调用PAT分析函数？如图3 得到各节目对应的PMT表的信息，并将信息存入指定的数据结构中;然后此任务向系统发一个消息，通知系统PAT分析完毕;接着，按照数据结构中各PMT的PID，系统会依次向本任务发送要求分析各PMT表的消息｡本任务在调用相应函数（PSI_ProcessForPMT）得到所需PMT表后调用分析PMT表的函数（如图3）进行分析，得到各个基本流信息的PID，并将信息存入指定的数据结构中保存，发送消息通知系统PMT分析完毕;最后，如果需要，系统会发消息要求分析其他PSI信息，分析过程类似｡

得到各基本流信息的PID后，要选择此频道的哪一个节目，只要调用驱动程序提供的pti_set_pid（pid）和pti_set_pcr_pid？pcr_pid 分别设置节目相对应的音视频PID和PCR_PID就可以驱动硬件解码了｡

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