基于STi7162的高清機頂盒設計

張望遠

（江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222006）

基于STi7162的高清機頂盒設計

張望遠

（江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222006）

設計了一種基于STi7162芯片的低成本高清機頂盒，介紹了機頂盒的基本硬件組成、存儲子系統和外圍接口設計，對機頂盒軟件系統架構也進行了簡單說明。對設計的基于雙Loader的機頂盒軟件升級方案進行了重點介紹，詳細介紹了升級方案的組成、Flash分區設計、升級條件檢測和數據更新過程。實際測試結果表明，所設計的升級方案穩定可靠，可滿足復雜的用戶升級環境需求。

雙Loader升級；STi7162；高清機頂盒

近年來國內數字電視整轉工作穩步推進，標清數字電視普及程度已經較高，但是高清數字電視由于之前高清節目較少和高清機頂盒價格等因素制約一直未大規模推廣，隨著高清頻道開播數量越來越多，高清數字電視普及度將越來越高。目前數字機頂盒市場競爭較為激烈，對高清機頂盒產品的成本較為敏感[1-4]。本文設計了一種基于STi7162的高清機頂盒，方案集成度高，硬件系統簡單，具備一定的成本優勢，且功能、性能完全滿足高清數字電視的業務需求。

機頂盒在下發用戶之后，需要不定期對機頂盒軟件系統進行升級。傳統的機頂盒軟件升級多是基于單Loader的升級方案，由于用戶應用環境復雜多變，升級過程中遇到意外情況，容易產生升級不成功進而引發系統崩潰的情況，針對此情況，本文設計了一種基于雙Loader的升級方案，通過引入主備Loader分區，確保升級過程中在意外情況下系統代碼可以自我恢復，大大提高了機頂盒軟件升級的可靠性。

1 高清機頂盒硬件方案

高清數字機頂盒設計由CPU、電視接收前端、調制解調器、MPEG解碼、音視頻及圖形處理、存儲部件和外圍接口等組成。本文設計的高清機頂盒采用意法半導體公司的雙向高清機頂盒專用芯片STi7162實現，STi7162芯片集成度較高，可用于DVB-C或DVB-T方案，核心CPU為ARM架構的32位嵌入式處理器ST40，主頻400 MHz；芯片內部同時集成了QAM解調、MPEG解碼、音視頻及圖形處理等功能，可滿足高清機頂盒多媒體應用需求；為實現輸入輸出接口功能，芯片內部還集成了USB、串口、以太網等接口的控制器部分，大大簡化了高清機頂盒設計過程，同時充分降低產品的BOM成本。

1.1 基本硬件組成

基于STi7162的高清機頂盒總體硬件設計方案如圖1所示，機頂盒核心為STi7162，外圍電路主要由存儲部件，輸入輸出接口和輔助電路幾大部分組成。存儲部件包括SDRAM，Flash和E2PROM，和CPU一起構成機頂盒運行基本系統；輸入輸出接口又分為音視頻輸出接口、機頂盒專用接口和通用輸入輸出接口部分組成，其中音視頻輸出接口負責向電視機輸出解碼后的音視頻節目，機頂盒專用接口包括用以接收射頻信號的高頻頭接口、實現CA功能的CA卡接口和接收遙控器信號的IR接口，通用輸入輸出接口包括USB、RS-232串口和以太網接口，用以實現調試、升級或用戶擴展功能；輔助電路包括DC-DC電壓轉換電路，時鐘和復位電路等，保證了整個機頂盒系統的正常運行。

圖1 高清機頂盒總體硬件方案

1.2 存儲器子系統設計

機頂盒運行嵌入式操作系統，為滿足系統正常運行需要，集成了多種存儲器接口，包括SDRAM接口，Flash接口和E2PROM接口，如圖2所示。

圖2 高清機硬件存儲系統

SDRAM控制器位于STi7162的32位LMI（內部存儲接口）上，LMI接口掛接在連接CPU的內部總線STBus上，形成32位DDR2/DDR1內存控制器接口。設計采用雙片× 16的SDRAM，工作在DDR2模式，頻率為400 MHz，通過DQM[3:0]信號片選，兩片16位的SDRAM組成一個BANK，形成總容量256 Mbyte的32位SDRAM存儲。

NAND Flash位于STi7162的EMI（外部存儲接口）上，EMI是一個通用的Flash擴展接口，可擴展NAND Flash或NOR Flash，或者串行Flash器件。綜合應用需求和成本考慮，設計中選用SAMSUNG公司128 Mbyte的串行NAND Flash，型號為K9F1G08U0B。

E2PROM用以存儲換臺等頻繁讀寫的信息，本方案中采用I2C總線進行擴展，I2C位于STi7162的SSC（同步串行控制器）上，STi7162共有4路SSC接口，E2PROM位于第1路SSC0上，容量256 kbyte。

1.3 輸入輸出接口設計

高清機頂盒設計中集成了多種輸入輸出接口，主要包括音視頻輸出接口、機頂盒專用接口和通用輸入輸出接口。

為滿足不同用戶使用需求，方案中設計了多種音視頻接口。集成目前主流的高清HDMI 1.4接口，位于主芯片的HDMI控制器上，HDMI實現高清機頂盒的高清晰度音視頻的輸出功能，可滿足用戶觀看高清節目的需要，同時為兼顧標清電視用戶，集成了三色分量視頻YPbPr接口和CVBS接口，位于主芯片內部的視頻DAC上；音頻接口方面集成了傳統的RCA左右聲道高保真模擬音頻接口，位于主芯片內部的音頻DAC上，為滿足部分高端用戶需要，還集成了數字光纖音頻SPDIF接口。

機頂盒專用接口包括高頻頭接口、CA卡接口和IR接口。高頻頭接口位于STi7162的QAM_IN和I2C總線上，用以接收有線電視射頻信號，將射頻信號變頻為中頻TS信號送至STi7162主芯片內部的QAM解調器中，采用高集成度的硅高頻頭，進一步降低成本；CA卡接口位于主芯片的Smartcard控制器上，用以實現機頂盒CA功能；IR信號接至主芯片的GPIO管腳，將外部遙控器輸入信號送至CPU進行處理。

高清機頂盒設計中還集成了USB，RS-232和10/100（Mbit·s-1）以太網接口，滿足調試和升級的需求，同時還可以實現用戶擴展功能。主芯片內部集成USB控制器，外加輔助保護電路即實現USB接口功能；RS-232接口位于主芯片內部串口控制器上，通過電平控制電路將TTL電平轉為RS-232電平；主芯片集成10/100（Mbit·s-1）以太網MAC控制器，通過外部PHY芯片KSZ8041NL擴展10/ 100（Mbit·s-1）以太網接口，可實現用戶雙向機頂盒的互動功能。

2 機頂盒軟件系統架構和Flash分區設計

2.1 軟件系統架構

高清機頂盒軟件系統總體架構如圖3所示，軟件系統主要由APP應用程序和嵌入式操作系統組成，共同運行在硬件平臺之上。

圖3 高清機頂盒軟件系統架構

APP應用層主要由媒體播放器、瀏覽器、主控軟件、部分升級功能程序，各種業務軟件以及第三方中間件組成，是最終具體業務展現層，實現機頂盒的搜臺、播放、廣播、電子節目指南、互動點播等功能。

操作系統層由引導程序、嵌入式操作系統內核、API接口模塊、硬件驅動模塊、各種協議模塊和第三方組件組成。其中API接口模塊為上層應用提供了媒體解碼、播放、圖形、驅動以及操作系統功能的調用，是芯片驅動、外圍接口驅動、外圍器件驅動和操作系統功能的一個封裝。硬件驅動層實現底層硬件驅動功能，包括媒體處理硬件模塊的驅動、外圍接口驅動和外設驅動。

硬件平臺即前面提到的硬件系統，由主芯片、存儲器件、輸入輸出接口和外圍器件構成。

2.2 Flash分區設計

高清機頂盒軟件系統在Flash中以分區塊的方式進行存儲，如圖4所示。其中，Uboot為系統引導程序，Bootargs分區用以存儲系統啟動配置參數；Logo和Fast?play分區分別存儲開機畫面和動畫片段；Loader分區存儲升級相關程序，LoaderDB分區存儲升級數據信息，Load?er_bak和LoaderDB_bak分區分別是Loader和LoaderDB分區的備份；Kernel為操作系統內核，Rootfs分區為文件系統分區；Dbase分區存儲全部圖片、字庫、頻道列表以及節目參數之類等多種數據信息，APP是應用程序分區。通過采用分區存儲的方式，使得不同內容的組件各自獨立，有助于加強各個組件進行單獨的升級和管理，同時，Flash的總空間留有一定數量的剩余空間，每個組件的自身存儲區塊也留有擴展的空間，本方案中Flash分區總共占用109 Mbyte的空間，可以滿足以后程序和數據擴充的需要。

3 雙Loader升級方案設計

機頂盒交用戶使用后，隨著新業務不斷增加和技術不斷更新，需要不定期的采用自動或手動的方式對機頂盒軟件系統進行升級和更新，使得用戶可以及時地享受到新服務、感受到新技術。升級主要分為在線升級和本地升級，在線升級分為Cable升級和IP升級，又稱為空中升級，是有線電視運營商與機頂盒之間通過Cable或以太網進行的升級方式，適用于大規模升級；本地升級又分為串口升級和USB升級，是在機頂盒端直接進行的升級方式，適用于小規模的升級或作為空中升級的補充方式。

圖4 Flash分區示意圖

傳統的機頂盒升級方案多是基于單Loader的升級方式，在不可預測的用戶環境下，斷電等異常情況會導致在線升級失敗進而引發軟件系統崩潰，因此升級功能的穩定可靠和系統的自我恢復功能至關重要。本文設計了一種基于雙Loader的升級方案，可以同時滿足在線升級和本地升級的需要，通過引入主備Loader分區，使得機頂盒軟件系統在意外情況下仍可以自我恢復并重新升級，大大提高了升級功能的可靠性和穩定性。

3.1 升級方案總體描述

升級方案大體上可劃分為以下幾個組成部分：

1）Uboot，引導程序，負責大小Kernel的引導、升級條件檢查、分區的備份和同步。

2）大 Kernel，包含Linux操作系統內核和外設驅動，可對外提供訪問系統資源和服務的接口。

3）小Kernel，裁剪的Linux內核，只保留了與升級有關的服務，在小Kernel啟動之后加載Loader升級鏡像文件。

4）Loader鏡像文件，是一個ramfs鏡像包，由小Ker?nel、裁剪的rootfs和升級應用程序組成，是升級工作的主執行體。

5）APP升級應用程序，負責升級條件檢測，設置升級標志并觸發升級。

升級方案總體流程如圖5所示，系統上電后，首先啟動Uboot，判斷是否有升級標志，如有升級標志，則引導小Kernel啟動，執行Loader對需要升級的分區進行升級操作，升級成功后清除升級標志并重啟。Uboot啟動后若沒有升級標志，則進入系統正常啟動過程，引導大kernel啟動，并運行APP，在APP的運行過程中，不斷去檢測系統是否有升級需求，若檢測到有升級需求，則設置升級標志后重啟，若沒有升級需求，則正常執行APP中的各種操作。

圖5 升級方案總體流程

升級是以分區為單位進行的，一次升級可以更新一個分區，也可以更新多個分區。除Uboot分區不可以升級之外，其他分區都可以進行升級，其中，APP分區和Dbase分區為最經常進行升級的分區。

3.2 雙Loader分區

Loader代碼的運行須通過Uboot來引導，Uboot是一個精簡的BootLoader程序，它的主要任務是初始化硬件設備和引導Kernel文件的啟動，系統上電后從Flash的0偏移地址開始執行Uboot程序，Uboot引導小Kernel后，執行Loader應用程序。

Loader是升級程序的執行體，如果在升級Loader程序自身時，尤其是在寫入Flash的過程中，一旦發生意外使得Flash寫入失敗，會造成機頂盒既無法啟動也不能繼續升級的事故。為了防止此類情況的發生，在升級方案中引入雙Loader分區設計，即主Loader分區和備份Load?er分區，達到對Loader數據進行備份的目的。在主分區Loader程序不能正常運行的情況下，Uboot程序能夠引導機頂盒啟動并使用備份Loader，保證程序正常運行。

主Loader分區和備份Loader分區之間的關系如圖6所示。在必要的初始化工作后，Uboot使用CRC32算法校驗主備Loader分區數據的完整性和一致性，并根據校驗結果執行相對應的操作。具體操作如下所述：

1）若主備Loader都未被破壞，但分區內容不相同，Uboot將主Loader分區數據同步到備份Loader分區中。2）若主Loader分區的數據遭到破壞、備份Loader未破壞，Uboot將Loader備份分區的內容同步到主Loader分區中。3）若主 Loader分區的數據未破壞、備份Loader遭到破壞，Uboot將Loader主分區的內容同步到Loader備份分區中。4）若主備Loader都未被破壞，而且內容相同，則不進行同步操作。5）若主備Loader分區數據都遭到破壞，Uboot則提示錯誤信息。

圖6 Loader主備分區狀態圖

3.3 軟件升級實現過程

從機頂盒軟件執行體來看，軟件升級可分為兩部分，升級條件檢測程序和數據下載及更新程序。升級條件檢測程序用來檢測系統是否有升級請求，確認需升級后，執行數據下載和更新程序進行升級操作。

3.3.1 升級條件檢測程序

升級條件檢測程序主要是用來檢測機頂盒有無升級請求，根據檢測結果決定是否對本機軟件進行升級，根據檢測程序在軟件系統中的層次，又可分為上層應用升級條件檢測程序和底層Loader升級檢測程序。

1）APP升級條件檢測程序

APP升級檢測程序位于APP軟件中，主要用于在APP中檢測前端服務器下發的升級指令，又可分為Cable升級條件檢測和IP升級條件檢測程序，其中Cable升級條件檢測程序主要通過檢測前端EPG服務器在Cable中下發的Linkage描述符，判斷是否有符合升級條件的升級流，若條件符合則設置升級標志，重啟進入Loader；IP升級檢測程序有多種方式，最常見的方式是上層應用程序檢測升級服務器端升級描述文件（XML文件），判斷是否符合升級條件，若符合條件則設置升級標志，重啟進入Loader進行升級操作。

2）底層Loader升級條件檢測程序

底層Loader升級條件檢測程序位于底層Loader執行體上，按照升級載體的不同，分為串口，USB，IP和Cable升級4種升級條件檢測方式。在系統進入Loader之后，首先判斷是否有來自串口的升級請求，有則執行串口升級操作，無則繼續判斷USB接口是否存在符合升級條件的存儲設備；有則執行USB升級操作，無則進入下一步判斷是否存在IP升級標志；有則執行IP升級，無則繼續判斷是否存在Cable升級標志；有則進入Cable升級操作，無則重啟系統。所有的升級完成之后執行重啟，其中IP升級或Cable升級執行完重啟之前還要清除通過APP設置的升級標志。

圖7 Loader升級條件檢測過程

3.3.2 數據下載和更新程序

升級檢測完成并成功觸發升級操作之后，就要進入數據下載與更新過程，該部分操作由位于Loader中的數據下載和更新程序完成，主要實現過程描述如下：數據下載程序將通過串口、USB、Cable或IP傳遞來的升級分區數據下載到內存中，并采用CRC校驗算法對下載的數據進行校驗，若數據有誤，則重新申請下載，數據校驗無誤則由數據更新程序將分區數據寫入Flash中，數據寫入成功后進行重啟，完成整個升級過程。

3.4 升級方案測試與驗證

為驗證雙Loader升級方案的功能和可靠性，搭建測試環境對機頂盒的升級功能進行測試驗證，測試環境示意圖如圖8所示。測試的PC機運行雙操作系統，在Win?dows XP操作系統上安裝虛擬機運行Redhat Linux操作系統，同時虛擬機作為宿主機，安裝交叉編譯環境；PC機通過USB接口連接TS碼流播放器，再經過QAM調制器和衰減器后連接至機頂盒的高頻頭接口，用來播放數字電視節目和升級TS碼流；PC機的網口通過交換機和機頂盒的百兆以太網口互聯，可以通過網口進行軟件升級；PC機的串口通過串口線直接和機頂盒的串口相連，可以驗證串口升級功能；升級用U盤直接插至機頂盒的USB接口，用以驗證USB升級功能；機頂盒通過HDMI接口可以將音視頻信號輸出至電視機。

圖8 升級功能測試環境示意圖

需升級的軟件系統在交叉編譯環境下編譯成功后，在Windows XP操作系統中分別通過機頂盒的高頻頭、以太網、串口和USB接口對軟件系統進行升級，在不同升級過程中分別對機頂盒進行斷電操作，在恢復供電后查看機頂盒能否正常啟動和重新升級，重新升級后，驗證升級參數是否改變。多次反復的測試結果表明，本升級方案在意外情況下均能重新成功升級，實現了升級功能的穩定可靠，完全可以應對用戶復雜的升級環境。

4 結束語

本文采用STi7162高清機頂盒專用芯片設計了一種低成本的高清機頂盒，介紹了機頂盒的軟硬件總體設計方案。為解決升級方案的穩定性問題，設計了一種基于雙Loader的升級方案，從升級方案的軟件配置、系統分區到升級檢測和實現過程都進行了詳細介紹，并搭建測試環境對升級方案進行可靠性測試，測試結果表明，雙Loader方案升級功能穩定可靠，可以滿足用戶環境升級需求。本文設計的高清機頂盒同時具有一定成本優勢，方案所屬產品已經在某地廣電系統批量出貨，市場反響較好。

[1] 張晟，郭小勤．數字機頂盒軟件設計[J].中國有線電視，2007（14）：1367-1369．

[2] 彭銳，于鴻洋，張萍.嵌入式Linux下高清數字機頂盒軟件設計[J].電視技術，2010，34（9）：52-53.

[3] 黃友明，魏騰雄.數字機頂盒串口升級的設計與實現[J].通信技術，2012（10）：55-57.

[4] 林德才，李悅，魏芳.基于STB7100的高清IPTV機頂盒設計[J].電視技術，2008（1）：47-49．

Design of HD Set-top Box Based on STi7162

ZHANG Wangyuan
（Jiangsu Automation Research Institute,Jiangsu Lianyungang 222006,China）

A HD set-top box based on STi7162 is designed in this paper.The basic hardware of set-top box,the design of storage subsystem and peripheral interfaces are introduced.The system software structure of set-top box is also introduced.The solutions of software upgrading based on double-loader is highlighted in this paper,and the composition,the partition of Flash, the upgrading condition detection and the process of updating data of the upgrading solutions are described in detail.The solution of software upgrading passes actual test and achieves a safe and secure upgrading feature,which can be used in complex user environment.

upgrading based on double-loader;STi7162;HD set-top box

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2014-04-08

【本文獻信息】張望遠.基于STi7162的高清機頂盒設計[J].電視技術，2014，38（21）.

張望遠（1984—），碩士，工程師，主要進行機頂盒產品開發。