- 数字电视条件接收系统(CAS)结构及硬件体系

　　4. 高度灵活的智能卡接口

　　在SM1658的功能中，还包括一个高度灵活的智能卡接口。它是为了保证CA公司可以通过智能卡对用户收看节目进行授权和管理。

　　一般来讲，国际上大多数智能卡接口都是按照ISO7816标准来实现互连互通的。在很多的SoC芯片设计中，大家都采用了一个外部的智能卡接口芯片，例如TDA8004就是一个比较常用的智能卡接口芯片。但是采用一个外接的芯片，其系统的可靠性会降低而成本会比较高，我们希望设计一个成本和性能最优的系统，通过电路设计完全省略掉此外部接口芯片。

　　首先，我们在此接口模块的设计中，按照ISO7816的标准，将全部的状态和控制方式都完成。比如，针对A类、B类智能卡卡的不同电源电气指标要求的设计;针对T0通讯协议与其他通讯协议不同的错误处理的设计;还有针对某些私有的智能卡的特殊协议要求等。这些都可以通过在芯片的驱动软件上进行配置，配合少量的简单外部器件来完成。其次，针对智能卡接口要求的ESD要求和不同使用环境中的差别，我们设计了不同的外部电路来配合芯片的内部控制。同时，我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配置，可以最大程度地减小对外部电路的要求。

　　

 

　　图3：智能卡模块系统软件功能框图。

　　在标准的使用情况下，SM1658芯片可以不需要任何外部有源器件就完成智能卡接口的功能，而且抗ESD的能力可以保证大于4,000V。

　　5. 内嵌高速DVB通用解扰算法

　　通用加扰算法是DVB标准组织推荐的对于TS流的标准加扰算法。目前，在欧洲的数字广播节目中普遍采用了这个算法。我国目前商业化的CA中，TS节目的加扰也基本上是采用的这个算法。因此，我们向DVB组织申请了此算法的授权，并以固核的模式嵌入到了我们的SM1658芯片中。

　　在此固核的设计中充分考虑到了芯片对将来可能出现的多路高清节目的适应能力，将此解扰模块的处理能力设计到了175Mbps，可以满足同时处理2路高清节目流或4路标清节目流的水平。

　　6.高性能的TS流处理引擎

　　在SM1658中，我们还设计了一套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，我们设计了64个PID过滤器和16个SECTION过滤器，根据不同的配置状态，此引擎可以完成对TS流7种不同的路由功能。

　　SM1658性能指标

　　1. 最高工作时钟频率

　　SM1658芯片采用了中芯国际的0.18um的标准逻辑CMOS工艺生产。在SM1658的芯片设计中，我们采用了ARTISAN的0.18um工艺库和MC编译器，采用了SYNOPSYS的DC综合工具进行综合，并采用最新的CADENCE的后端设计工具ENCOUNTER进行布局布线和SI分析，通过对芯片内部总线、存储器和关键路径模块进行优化，使芯片的时序基本上达到了ARM7TDMI IP核手册上测试的标准性能。

　　我们完成流片后对芯片进行了最高时钟频率的测试。常温下以1.8V的核心电压和3.3V的IO口电压条件，SM1658可以工作在125MHz~135MHz的频率下，这可能是已经商用化的ARM7TDMI类芯片的最高工作频率了。

　　由于我们对芯片的总线、内部存储器进行了优化，为了证实此优化效果。我们对于芯片的最高运算能力进行了基准测试。我们的测试程序使用的是ARM公司提供的参考测试程序Dhrystone2.1(C语言编写)，以性能最优的方式进行编译。该测试程序在芯片的内部SRAM中运行。下表是我们的测试结果以及与软件仿真测试结果的比较。可以看到，我们的芯片在最高性能时的执行效率已经基本达到了ARM7TDMI的最好的指标，这也说明，我们的设计是非常优化的。

　　

 

　　表1：SM1658的最高运算能力基准测试结果。

　　2. 电流消耗

　　由于芯片内部嵌入了一个大容量的SRAM和高速PLL，芯片在工作中的主要电流消耗将由其产生。在设计中也充分考虑到了其电源消耗的状态，将SRAM的分解成多个独立的部分，保证同时只有一个部分的SRAM在工作。通过电路管理和优化，芯片全速运行程序时的平均电源消耗如下表：

　　软件体系简单介绍

　　对于任何一个SoC芯片，其软件的设计、开发和应用体系是其商用化不可缺少的重要部分。我们从一开始设计SM1658芯片的同时，就在项目内组织了一个软件开发团队对SM1658的软件进行开发。在芯片的设计过程中，软件组同步进行设计，在芯片完成设计流片出来后，我们的软件底层、应用开发平台和部分应用软件就已经基本完成了。

　　这里简单介绍一下SM1658的软件体系结构。SM1658的软件体系可以分为两个大的部分：API库(应用程序接口)和应用程序。API类似WINDOWS下的API库，它完成了与芯片硬件相关的所有驱动和上层软件开发需要的一些基本和专用的函数库(包括OS系统的基本功能函数)，用户在API库的基础上可以比较方便地建立起用户应用程序。

　　API库又可以分为底层硬件驱动函数库、基本应用服务函数库和高级应用服务函数库。SM1658的底层驱动程序包括基本设备如定时器、看门狗、存储器管理、中断管理、串口等设备的驱动之外，还包括专用的智能卡接口、机卡分离CI接口、TS流处理引擎驱动等特定设备的物理驱动。底层驱动的功能是完成设备的初始化配置、工作状态的变换、基本数据包的发送接收校验、与其他设备的握手、错误状态的处理等与硬件密切相关的基本处理工作。

　　基本应用服务包括TS流处理状态的管理、CI命令通道数据的管理、智能卡的底层协议实现等功能，包括OS系统的底层管理功能。它提供了一些比较底层的函数，用户可以通过这些函数的调用，比较深入仔细地控制芯片的一些工作状态。也可以针对应用中的一些特殊情况，优化某些应用任务的性能。

　　高级应用服务实现具体的各个设备的资源管理、用户显示界面MMI管理、CAT和EMM数据的管理、智能卡的应用接口以及OS系统的高层管理功能。它提供了一些比较上层或抽象的函数调用。用户通过对这些函数的调用，可以比较简单地完成一些任务和功能，让用户专注于建立应用体系的内容。

　　在本软件体系的API库中还比较完整地实现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。用户直接使用这些协议的上层函数，可以大大简化在进行CAM卡应用设计时的软件开发工作量。

　　在操作系统方面，我们采用了非常灵活的ECOS作为此嵌入系统的操作系统。ECOS系统功能强大，但是又有非常方便的可订制的配置模式，特别适合本系统及将来扩充模式的需要。由于当前的CAM既不需要文件管理，又没有GUI界面，所以在ECOS针对此芯片进行配置后，其OS核心代码只有50KB左右。

　　本文结论

　　作为数字电视传播环节中一个部分，CAM还有一个重要的特色是内容保护和拷贝管理(CPCM)功能。由于机卡分离导致的透明节目流在接口上面出现，不利于节目产品的版权保护，所以，必须要在机顶盒与CAM之间加入一种防拷贝机制。