数字电视从电视节目录制、播出到发射、接纳悉数选用数字编码与数字传输技能。因为数字电视播送具有频道利用率高，可习惯各种数据传输、习惯各类图画质量、可交互操作等方面的优势，被各国视为新世纪的战略技能。伴跟着电视播送的全面数字化，传统的电视媒体将在技能、功用上逐渐与信息、通讯范畴的其它手法彼此交融，然后构成全新的、巨大的数字电视工业。
数字电视的条件接纳体系(CAS)是用于对数字电视用户进行节目授权和办理的部分，是数字电视播送中的重要组成部分之一。而其间选用敞开的机卡别离结构又是条件接纳体系的未来重要开展趋势。机卡别离是经过在用户接纳终端上界说了一个通用物理接口以及相关的接口通讯协议，将通用的适宜于大规划出产的电视接纳体系与私有的CAS办理体系别离开来。现在，机卡别离方法在世界上通行的完结办法是：选用一种与便携电脑上的PCMCIA插口相似的物理接口来完结。欧洲的DVB安排发布的规范称之为DVB-CI，美国也有一个相似的规范称之为POD。事实上新的PCMCIA规范文档中现已将此两种接口的界说包含进去了。而这其间装载条件接纳处理内容的PCMCIA卡简称为数字电视条件接纳卡，能够简称为CAM(条件接纳模块)。
事实上，树立了机卡别离规范，在电视机上敞开了一个规范插口之后，其含义并不只是在于处理了公共收视与私有办理的难题，其巨大的含义还将体现在从此作为家用消费品的数字电视机有了晋级功用和扩大功用的途径。就像PC机现在的开展规划，与PC机的ISA、PCI、APG等接口的规范化有着不行分割的联系。咱们不行思议，假如核算机没有规范化的可扩大接口，其职业还能否获得这么大的成功。在数字电视范畴中，机卡别离接口规范的制定以及数字电视机上的规范接口的敞开，将会把数字电视引进到一个多姿多彩的开展范畴中去。比方：关于不同的节目信号传送方法(无线播送、有线电缆、卫星、数字音频播送)，能够经过在CI接口(机卡别离通用接口)上刺进不同方法的接纳模块就能够了；关于咱们在数码相机存储卡上保存的相片，能够经过一个通用存储卡读写器模块在电视机上阅读；经过宽带IP接纳模块，能够在电视机上赏识网上的各类流节目以及进行网络的双向传输；能够经过网关模块，将电视机与其他电器设备连接成一个家庭数字网络体系；经过带硬盘录象模块，用户能够录制有答应认证的节目等等。将来其开展的趋势和潜力更难以估计。
图1：机卡别离结构示意图。
CAM的结构一般能够是以一个高功用的32位SoC芯片为中心，合作智能卡接口、CI接口、专用的TS传输流处理引擎、DVB通用解扰等部分组成。CAM卡的体积空间十分有限，却要完结一个能处理高清电视节目流的高速32位嵌入式体系，所以其间心的SoC芯片的规划和功用就成了要害点。
咱们经过对欧洲的DVB-CI规范的潜心研究，结合本身在嵌入式产品范畴和%&&&&&%范畴的产品开发经历，对以ARM7TDMI为中心的SoC技能进行攻关，成功的开发出了功用和集成度在世界上抢先的CAM芯片SM1658，一起大幅度下降了CAM的出产本钱，消除了大规划推行机卡别离规范的价格瓶颈。
CAM结构及硬件体系
SM1658是一个典型的用于CAM体系的专用嵌入式微处理器，它集成了一个CAM的悉数首要功用模块，以它为中心构成的CAM结构十分简略。
SM1658选用了广泛盛行的32位的ARM7TDMI作为CPU核，除了集成一般的SoC芯片具有的存储器办理、中止操控器、定时器、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。其根本结构如图1所示，只需求一片外接的FLASH程序存储器芯片就能够构成一个高功用CAM卡。
SM1658的存储器办理模块能够一共支撑4个存储器段，此存储器部分能够是内部、外部的SRAM或许外部的FLASH，每个存储器的数据线宽度、读写速度能够由软件初始化装备。每个存储器段的最大容量能够支撑到4M字节，四个存储器段最大能够支撑到16M字节的容量。其间，在芯片内部完结的存储器是256KB的高速内部SRAM，它能够无等候周期的速度高速履行体系的中心程序，大大进步芯片要害程序的处理才能。
SM1658的中止操控器能够供给32路的中止办理。每路中止能够挑选优先等级、触发上/下边缘、脉冲/电平触发挑选，供给了中止屏蔽、中止保存、软触发等丰厚的中止办理特性。CI物理接口是PCMCIA规范中的一个子集。能够分为TS流通道和指令通道。咱们的CI接口彻底契合DVB-CI的接口规范，并且在硬件结构上供给了双向缓冲、CIS存储器和灵敏的状况、操控寄存器。
芯片内部还供给3个16位的定时器，每个定时器都带有可挑选的8位预分频器。芯片的看门狗是32位的，假如不需求看门狗，能够装备为一个32位的定时器运用。
规划特征
1. 简练的高功率本地总线
在SoC规划中，内部及外部总线的挑选是一个十分重要的要素，一个高效、简练的总线能够让芯片的运转功率和可扩大性进步。
在ARM结构体系的SoC芯片规划中，ARM公司一般引荐选用规范的AMBA总线来进行规划。一起，ARM7TDMI核本身还带有一个简略的内部总线。在决议选用的总线规范前，咱们对SM1658的体系结构和运用特征进行了下面的剖析。
AMBA总线的长处之一便是能够支撑多个主设备的调用、判决和数据的流水处理。在SM1658中，只要一个主设备ARM7TDMI，其他模块电路都处于从设备状况，由CPU一致进行调度，并且一切的外部从设备都与主设备选用相同的时钟，能够在单个时钟内当即呼应CPU的拜访。因而，在这个方面选用ARM7本地的总线更有优势。
假如运用AMBA总线，规划团队能够运用许多的第三方IP模块，这些IP模块都契合AMBA总线的规范要求，并且经过了严厉的验证。在SM1658的芯片规划中，咱们为了最大程度的下降芯片的本钱，一起客观上也因为重要的模块电路都没有适宜的IP能够运用，所以咱们自己规划了一切的电路模块。那么，想经过运用IP来节约的开发时刻就没有可行性了。
此外，假如运用AMBA总线，就有必要在原有的ARM7TDMI的三级流水线上添加一级流水线，并将ARM7TDMI的双时钟边缘的总线结构转变为单时钟边缘的总线结构，这样能够简化芯片后期的规划作业量。可是，这样关于某些跳转指令就多丢失了一个时钟周期，下降了CPU的作业功率。此外，运用AMBA总线，CPU和每个模块都需求添加AMBA总线的接口逻辑，添加了芯片的规划和本钱。
图2：SM1658根本结构。
最终，咱们从芯片的最大运用功率和简化逻辑操控的方面动身，决议选用ARM7TDMI本身的本地总线。运用ARM7的本地总线有几个优势：ARM7的本地总线状况相对简略，不需求进行相对杂乱的AMBA总线协议验证；对模块的接口功用要求低，接口电路十分简略；削减了流水线长度，在一个最高时钟由IP硬核固定了的SoC芯片中，流水削减就意味着芯片的代码履行功率的进步。一起，关于ARM7总线上的双边缘时钟问题进行严厉的束缚和验证，确保了芯片后期规划的正确性。
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，关于慢速的SRAM、FLASH存储器的只能闲暇等候。即便选用了高速的外部SRAM，因为数据接口宽度和芯片与芯片之间的数据传输的推迟，也不能有用地用到高速CPU的悉数功用；一起，大容量的高速SRAM价格昂贵，将会大大添加CAM体系的本钱。从体系结构和本钱方面考虑，咱们决议在SM1658中嵌入一个256KB容量的SRAM，此SRAM容量能够满意适当部分CAM体系的运用需求。一起，咱们的芯片也支撑各种外部高速和低速SRAM，关于一些SRAM需求十分大的体系也能够满意要求。
SM1658内部完结的SRAM具有十分高的功用，能够以单时钟周期完结ARM的各种指令的操作，也便是当CPU在内部SRAM中进行取指或存取数据时不需求任何等候。咱们在芯片出产出来后用对芯片内部的SRAM进行了CPU功用的基准测验，即便在十分高的频率下面，芯片也能获得与ARM7TDMI的IP核的理论核算值相同的水准，后边有测验的数据表格。
内嵌SRAM的最大问题是，关于芯片的成品率会发生影响。咱们在电路功用规划、底层软件规划和运用体系上采取了一些有用的预防措施，大大削减体系关于有缺点的SRAM的依赖性。这样，芯片的成品率能够大幅度进步。这样也就从体系视点下降了芯片的全体本钱。
3. 可动态调整的时钟电路
在SM1658芯片的时钟规划中，咱们还集成了一个可软件装备的时钟办理电路，称之为动态时钟电路。咱们经过软件对芯片的时钟处理模块进行编程，既能够让芯片的作业时钟频率跟着需求不断改变，下降芯片在轻使命负载下的功耗，又能够习惯多种外部时钟源的输入，添加CAM体系在产品开发中的习惯才能。
4. 高度灵敏的智能卡接口
在SM1658的功用中，还包含一个高度灵敏的智能卡接口。它是为了确保CA公司能够经过智能卡对用户收看节目进行授权和办理。
一般来讲，世界上大多数智能卡接口都是依照ISO7816规范来完结互连互通的。在许多的SoC芯片规划中，咱们都选用了一个外部的智能卡接口芯片，例如TDA8004便是一个比较常用的智能卡接口芯片。可是选用一个外接的芯片，其体系的可靠性会下降而本钱会比较高，咱们期望规划一个本钱和功用最优的体系，经过电路规划彻底省掉掉此外部接口芯片。
首要，咱们在此接口模块的规划中，依照ISO7816的规范，将悉数的状况和操控方法都完结。比方，针对A类、B类智能卡卡的不同电源电气目标要求的规划；针对T0通讯协议与其他通讯协议不同的过错处理的规划；还有针对某些私有的智能卡的特别协议要求等。这些都能够经过在芯片的驱动软件上进行装备，合作少数的简略外部器材来完结。其次，针对智能卡接口要求的ESD要求和不同运用环境中的不同，咱们规划了不同的外部电路来合作芯片的内部操控。一起，咱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装备，能够最大程度地减小对外部电路的要求。
图3：智能卡模块体系软件功用框图。
在规范的运用情况下，SM1658芯片能够不需求任何外部有源器材就完结智能卡接口的功用，并且抗ESD的才能能够确保大于4,000V。
5. 内嵌高速DVB通用解扰算法
通用加扰算法是DVB规范安排引荐的关于TS流的规范加扰算法。现在，在欧洲的数字播送节目中遍及选用了这个算法。我国现在商业化的CA中，TS节目的加扰也根本上是选用的这个算法。因而，咱们向DVB安排申请了此算法的授权，并以固核的方法嵌入到了咱们的SM1658芯片中。
在此固核的规划中充分考虑到了芯片对将来或许呈现的多路高清节目的习惯才能，将此解扰模块的处理才能规划到了175Mbps，能够满意一起处理2路高清节目流或4路标清节目流的水平。
6.高功用的TS流处理引擎
在SM1658中，咱们还规划了一套TS流处理引擎，用来对CI接口传送过来的TS流进行整形、过滤、提取特定数据、回送解扰后的节目流等。在此引擎中，咱们规划了64个PID过滤器和16个SECTION过滤器，依据不同的装备状况，此引擎能够完结对TS流7种不同的路由功用。
SM1658功用目标
1. 最高作业时钟频率
SM1658芯片选用了中芯世界的0.18um的规范逻辑CMOS工艺出产。在SM1658的芯片规划中，咱们选用了ARTISAN的0.18um工艺库和MC编译器，选用了SYNOPSYS的DC归纳东西进行归纳，并选用最新的CADENCE的后端规划东西ENCOUNTER进行布局布线和SI剖析，经过对芯片内部总线、存储器和要害途径模块进行优化，使芯片的时序根本上达到了ARM7TDMI IP核手册上测验的规范功用。
咱们完结流片后对芯片进行了最高时钟频率的测验。常温下以1.8V的中心电压和3.3V的IO口电压条件，SM1658能够作业在125MHz~135MHz的频率下，这或许是现已商用化的ARM7TDMI类芯片的最高作业频率了。
因为咱们对芯片的总线、内部存储器进行了优化，为了证明此优化作用。咱们关于芯片的最高运算才能进行了基准测验。咱们的测验程序运用的是ARM公司供给的参阅测验程序Dhrystone2.1(C言语编写)，以功用最优的方法进行编译。该测验程序在芯片的内部SRAM中运转。下表是咱们的测验成果以及与软件仿真测验成果的比较。能够看到，咱们的芯片在最高功用时的履行功率现已根本达到了ARM7TDMI的最好的目标，这也阐明，咱们的规划是十分优化的。
表1：SM1658的最高运算才能基准测验成果。
2. 电流耗费
因为芯片内部嵌入了一个大容量的SRAM和高速PLL，芯片在作业中的首要电流耗费将由其发生。在规划中也充分考虑到了其电源耗费的状况，将SRAM的分解成多个独立的部分，确保一起只要一个部分的SRAM在作业。经过电路办理和优化，芯片全速运转程序时的均匀电源耗费如下表：
软件体系简略介绍
关于任何一个SoC芯片，其软件的规划、开发和运用体系是其商用化不行短少的重要部分。咱们从一开端规划SM1658芯片的一起，就在项目内安排了一个软件开发团队对SM1658的软件进行开发。在芯片的规划过程中，软件组同步进行规划，在芯片完结规划流片出来后，咱们的软件底层、运用开发渠道和部分运用软件就现已根本完结了。
这儿简略介绍一下SM1658的软件体系结构。SM1658的软件体系能够分为两个大的部分：API库(运用程序接口)和运用程序。API相似WINDOWS下的API库，它完结了与芯片硬件相关的一切驱动和上层软件开发需求的一些根本和专用的函数库(包含OS体系的根本功用函数)，用户在API库的基础上能够比较便利地树立起用户运用程序。
API库又能够分为底层硬件驱动函数库、根本运用服务函数库和高档运用服务函数库。SM1658的底层驱动程序包含根本设备如定时器、看门狗、存储器办理、中止办理、串口等设备的驱动之外，还包含专用的智能卡接口、机卡别离CI接口、TS流处理引擎驱动等特定设备的物理驱动。底层驱动的功用是完结设备的初始化装备、作业状况的改换、根本数据包的发送接纳校验、与其他设备的握手、过错状况的处理等与硬件密切相关的根本处理作业。
根本运用服务包含TS流处理状况的办理、CI指令通道数据的办理、智能卡的底层协议完结等功用，包含OS体系的底层办理功用。它供给了一些比较底层的函数，用户能够经过这些函数的调用，比较深化细心地操控芯片的一些作业状况。也能够针对运用中的一些特别情况，优化某些运用使命的功用。
高档运用服务完结详细的各个设备的资源办理、用户显现界面MMI办理、CAT和EMM数据的办理、智能卡的运用接口以及OS体系的高层办理功用。它供给了一些比较上层或笼统的函数调用。用户经过对这些函数的调用，能够比较简略地完结一些使命和功用，让用户专心于树立运用体系的内容。
在本软件体系的API库中还比较完整地完结了两套通讯协议接口，它们分别是DVB-CI协议和智能卡的7816协议。用户直接运用这些协议的上层函数，能够大大简化在进行CAM卡运用规划时的软件开发作业量。
在操作体系方面，咱们选用了十分灵敏的ECOS作为此嵌入体系的操作体系。ECOS体系功用强大，可是又有十分便利的可订制的装备方法，特别合适本体系及将来扩大方法的需求。因为当时的CAM既不需求文件办理，又没有GUI界面，所以在ECOS针对此芯片进行装备后，其OS中心代码只要50KB左右。
本文定论
作为数字电视传达环节中一个部分，CAM还有一个重要的特征是内容维护和复制办理(CPCM)功用。因为机卡别离导致的通明节目流在接口上面呈现，不利于节目产品的版权维护，所以，有必要要在机顶盒与CAM之间参加一种防复制机制。在美国，POD规范的内容中早现已有了CP方面的内容；而在欧洲，有关CPCM的内容也现已在2005年的第四季度发布了；现在在国内，有关CP维护的规范也在制定中。一旦国家的CP规范宣告，咱们就能够在SM1658的基础上参加契合规范的CPCM结构，完结一个真实的CAM需求的悉数根本功用。
