基于富士通高清芯片的软硬件分离通用机顶盒设计

【摘要】本文主要介绍了基于软硬件分离平台高清通用机顶盒的设计，打破了传统的数字电视技术模式，所有的第三方软件可以不再通过机顶盒厂家集成，各个软件的独立模块化和标准化增强，机顶盒软件升级不再困难，成本大幅度降低，从而为机顶盒的大规模生产奠定基础，为数字电视高水平转换探索了有益的途径。

【关键词】软硬件分离；高清；通用；机顶盒

The Design of High Definition General STB
on basis of Software and Hardware Separation Platform
Zhen Zhiyao  Yueqing Radio&TV Station Network Center
Zhejiang，Yueqing，325600
Abstract: This paper analyses the design of high definition general STB on basis of software and hardware separation platform, which break down the traditional technological model of digital TV. All the third softwares will not be integrated through STB manufacturers. The independent modularization and standardization of each software can be strengthened. The update of STB software will not be difficult any more. The cost will be greatly reduced. And then STBs can be mass production. It provides a good way for high-level digital TV transformation.
Keywords：Software and Hardware Separation; High Definition; General; STB

前言：
以往，机顶盒都是根据运营商所采用的CA、浏览器等特殊标准需求单独进行设计生产，造成机顶盒必须要为某一运营商定制，软件设计成本高，机顶盒不能大批量生产，封闭的技术模式和产业链让新的先进的机顶盒芯片很难进入市场，导致机顶盒性能低，成本居高不下。高清机顶盒如果也按照这种模式发展，将很难普及。如何打破封闭，既能满足运营商的特殊需求，又能批量生产降低成本，似乎是大家共同面临的一道难题。利用最新的数字电视软硬件分离操作系统，可以很好地解决这个问题。

本文介绍了采用泰信软硬件分离开发平台，基于富士通MB86H60高清机顶盒芯片的通用高清机顶盒方案。

封闭的数字电视软件开发模式由来
我国现有的5000多万户的数字电视用户所使用的机顶盒，几乎全部是由运营商从机顶盒厂家那里定制。而在数字化过程中起关键作用的数字电视软件的开发却一直很封闭，特别是CA软件，开发过程全程封闭，大量采用私有的黑盒技术。另外，一切第三方软件都需要由机顶盒厂家集成，极大地加重了机顶盒厂家的软件开发和测试负担，机顶盒开发周期长，一般从一款芯片问世，到批量生产，需要很长的时间，推动IT业迅速发展的“摩尔定律”在数字电视界失去了作用。

在数字电视发展初期，只要少数第三方软件成为市场标准，机顶盒厂家要集成的第三方软件选择有限，只能在少数成为市场标准的CA、浏览器软件中选择；反过来，获得更多机顶盒厂家支持的CA、浏览器等第三方软件，更容易巩固其市场地位，因此就形成了一个十分封闭的数字电视软件产业环境。其他没有成为市场标准的软件，即使再先进也得不到市场的认可而不能参与竞争。因竞争不充分，涉及前端数字电视CA、浏览器等软件的开发变成了进入市场较早的少数公司之间的“圈地”游戏，导致了数字电视技术严重落后，至今停留在十年前的水平。

成为市场标准的数字电视CA、浏览器等软件标准基本上都是私有的，这种产品的推销实际上是私有标准的推销。各个机顶盒厂家的软硬件结构千差万别，为了分散风险，运营商一般都从多家机顶盒厂家进货，各个机顶盒厂家的软硬件设计千差万别，在运营商接受了这种些琳琅满目的机顶盒并批量进货之后，就引起了广电运营商所采用机顶盒的严重混乱、升级困难、不能加载新业务、安全漏洞不能弥补等问题接撞而至，很多正在平移的运营商陷入了进退两难的境地：停下来，资金链可能会断裂；继续下去会越陷越深。

在这种情况下，有的广电运营商做出了积极地努力和尝试，例如，陕西广电网络，针对机顶盒混乱、机顶盒软件升级困难、不能加载增值业务等问题，建立“机顶盒统一方案联合实验室”。据陕西广电网络党委书记、董事长吕晓明介绍，联合实验室的工作，不仅促使陕西广电网络在软、硬件的功能、结构、模块化方面逐步形成统一标准规范，用以指导公司未来机顶盒产品的标准化开发、规模化应用和通用性推广，也为国内同行业标准规范的建立和完善提供参考，同时还有效降低了广电网络运营商的机顶盒投资成本、运营维护成本，简化物流配送流程，更可以使供应厂商共享功能配置、共享技术规范和解决方案，从而大大降低了机顶盒保障维护成本。尤为突出的是，这一举措打通了广电网络终端应用设备研发、采购、生产、技术、客服、经营、销售等各个环节，为运营商与供应商的市场竞争关系创建起了长期合作的新型模式，为有线电视的产业化进程建立了统一、开放、竞争、有序的市场秩序，为广电网络数字电视平移后增值业务的可持续拓展开发奠定了坚实的基础。

陕西广电网络的做法，值得我们广大运营商思考和学习，虽然这种做法还是停留在软硬件统一的层面，但这对于运营商来说已经是一个很大的进步。在涉及CA、中间件等核心标准软件问题时还是需要进行软件集成，并且这些标准仍然是私有的、不可替换的。软件模块需要集成不可独立于机顶盒厂家替换是当前数字电视产业封闭落后的主要根源。

在和厂家接触的过程中，泰信的软硬件分离操作平台值得大家深入研究。这种开放平台有利于广电掌握标准的主动权。在这个平台上，甚至连CA都可以变成一个开放的技术，对广电的整合统一标准十分有利。

开放软硬件分离操作平台介绍
不论是机顶盒生产商还是广电运营商，都希望机顶盒能有一个统一开放的软硬件平台，尽量标准化，使得机顶盒能够通用，便于大规模生产。然而因为标准混乱，数字电视现在已经进入了战国时代，想统一谈何容易。在还没有一种标准硬件平台的情况下，首先统一软硬件开发平台就显得很重要，也是可行的，前面所说的陕西广电在行业内的贡献就在于此。但光统一机顶盒部分的软硬件还远远不够，涉及CA、中间件等标准软件如果仍然集成私有标准，继续沿用这种封闭不开放的开发模式，联合实验室仅仅替代了机顶盒厂家的研发部门，不会改变长期封闭的产业面貌。要做到开放性，就需要一种更新的开发模式和理念。

本设计中采用的数字电视软硬件分离开发平台由山东泰信提供，类似于美国苹果公司的iPhone SDK开发包，其 API是很靠近低层，完全开放的，允许任何数字电视软件工程师在该平台上开发机顶盒软件，并能独立编译、排错，然后独立下载到机顶盒中运行，不需要按照传统的机顶盒软件开发模式开发，打破了一切第三方软件均由机顶盒厂家进行集成测试的传统，从而大大降低了机顶盒厂家的软件工作量，降低了机顶盒成本，扩展了软件的渠道来源。以下是开放的软硬件开发平台框图：

 
在这个开放的平台上，有着丰富的平台软件API接口，其中包含常用的软件模组，例如网络、SI信息分析等等。

可下载式CA是实施开放的软硬件分离开发平台的前提
在数字电视条件接收软件的开发过程中，为了安全，CA公司要和机顶盒厂家签订保密合同，CA软件的集成测试等工作都是在保密状态下进行，CA公司靠这种保密保证安全性，这是引起数字电视软件封闭开发的主要原因。如果数字电视软件要做到开放，就必须打破数字电视CA软件开发的封闭性。为了解决这个矛盾，泰信提出了可下载式CA的概念，扫清了软硬件分离平台实施的障碍。

可下载式CA是指CA软件可以从前端下载到机顶盒中运行，而不通过软件集成。由于CA是可下载的，可以避免CA算法和密钥一旦被破，就彻底崩溃的风险，这是长期缠绕在CA身上“见光死”的魔咒，也是各个广电运营商在选择CA时慎而又慎、CA开发全程保密的原因。可下载CA技术可以立即将“见光”的算法和密钥、甚至整个CA系统换掉，摆脱了传统CA“见光死”的命运，因而这种可下载CA可以是开放的。这种CA的安全性和开放性不言而喻，就是因为它彻底改变了CA是个黑盒技术的传统模式，使得数字电视软件的开发过程变得开放成为可能。可下载式CA有以下两种形态：

1. 如果算法或密钥通过下载，就是无卡CA技术。这种技术的安全性依赖于机顶盒主芯片内的唯一ID号和加密引擎，以及带有ID号的FLASH。

2. 如果仅仅是机顶盒CA部分下载，插上智能卡就是传统的智能卡CA技术。这时，可以做到在无卡CA状态时，更换CA时不用入户、也不用更换机顶盒。而传统的智能卡CA为了解决自身的安全漏洞向其他CA转换几乎是不可能的，这也是智能卡CA捆绑运营商的主要原因。
在开放的软硬件分离平台上，CA公司可以独立开发完成机顶盒CA后下载到机顶盒中。这样就可以把CA的封闭性仅仅局限于CA公司内部，从而这种封闭性不会影响到其它软件的开发。相同的其他软件的开发、原代码的扩散也同样局限于自己的范围内，从而保护了各自的知识产权，提高开发软件的积极性，又能保证整个平台的开放性。

在软硬件分离开发平台下采用MB86H60的通用高清机顶盒
为了方便将来的升级，我们计划将高清机顶盒硬件统一到富士通MB86H60平台上。MB86H60机顶盒芯片的框图如下，它和即将推出的MB86H61兼容，并具有AVS和VC1解码功能：
 
富士通MB86H60高清机顶盒芯片采用了ARM1176JZF-S CPU，和我们大家平时用的iPhone手机中的CPU是一样的，其最大的优势就是高速度、低功耗、高可靠。该芯片工作于324MHz，可以达到其他芯片工作于450MHz时钟时的效率，高清H.264/MPEG2解码；集成HDMI高清接口，有HDCP防拷贝功能；以太网和USB内置；内置加密引擎用于DRM控制；程序寄存器空间为128MB，两路独立的高速DDR2通道，系统软件运行和高清解码互不影响；整个芯片的正常功耗为1.2W，不需要外加散热器。特别是该芯片有一个NAND　FLASH控制器，可以搭配一个低成本大容量的NAND FLASH，用于满足泰信软硬件开放平台对大容量存储空间的需求，还可以挂上一片大容量的NAND FLASH，实现高清的PUSH VOD。通用的ARM1176CPU，使得该高清方案在泰信平台上更加开放，可轻松满足将来众多第三方软件开发者在该平台上开发应用软件，包括CA、中间件等软件，甚至可以很轻松地将手机游戏移植到机顶盒上，因为占市场90%的手机CPU都是采用的ARM CPU，现在高端的职能手机采用ARM11 CPU的比例更高。另外，由于MB86H60可以有很高的网络速度，也可以将其设计成IPTV/DVB双模机顶盒。
另外，MB86H60还内置了泰信的CA和DRM引擎，可有效地保护节目供应商的版权。

产品的可靠性稳定性设计与保障
富士通公司的的这款MB86H60高清机顶盒芯片，是由日本富士通和德国富士通联合设计的，日本和德国工程师的严谨细致为这款高清芯片的高质量研发奠定了基础。通过以下的优化设计和专业配置使这款高清交互机顶盒性能更稳定、品质更完美，具有较高的性价比。

 MB86H60高清解码专用主芯片，每颗芯片都有一个唯一的不可篡改的ID号，以及泰信专用加密引擎，保证了本方案所采用的CAS的安全性。另外，配置高质量的图像和伴音解码器，可以保证高质量的视音频效果和较高的软件运行速度。
 高频头使用国际著名品牌ALPS TDAE，达到较低的接收门限，保证稳定的信号接收。
 选用正规品牌大容量的DDR2及NAND FLASH，保证软件运行的稳定性和将来功能的扩展。
 采用SST公司的NOR FLASH。该NOR FLASH读写速度快，并且每一个芯片也有唯一的不可篡改的ID号，和MB86H60搭配，可以使本方案所采用的CAS安全性更高。

软件结构概述
本方案的软件是分层次的，从下到上依次是：底层的驱动、操作系统、应用软件层、软硬件分离适配层。

软件分离是近年来数字电视软件的一个重要发展方向，它打破了数字电视以CA为中心的封闭的开发模式，允许各个软件公司在一个开放的平台上开发数字电视软件。数字电视软件的开放性、扩展性和标准化需要这样的平台。这种软硬件分离平台技术是开放的，允许各个软件公司在这个平台上独立开发软件模块，各个软件模块相互独立，广电运营商只从前端下载到机顶盒中即可，节省了单独模块的集成时间，便于数字电视软件的标准化，避免了机顶盒的软硬件捆绑带来任何软件的升级和改进都需要重新集成测试的弊端，以及给机顶盒升级带来的不便，这种弊端在广电机顶盒品种多的时候表现更为明显。值得关注的是，这种平台不需要向机顶盒厂家提供CA库文件，安全性大大提高，可以允许广电随时更换CA的算法和密钥，CA的运行环境也可以随时改变，并且可以CA为基础扩展各种功能，可以实现CA的平台化，也便于软件的独立模块化和标准化。

软件开发流程
在这种软硬件分离平台上开发软件很方便，在定义好各模块之间的接口之后，各个模块可以并行开发测试。当开发完成后，就成了一个个标准化的软件模块，同时也减少了大量的软件集成及测试时间。软件开发流程如下：

采用这种开放的软件开发模式，最大的优点就是各个模块可以独立开发、独立更换，便于软件模块的标准化，扩大了数字电视的软件来源，便于机顶盒软件的统一升级和增值业务的随意加载，是数字电视软件的发展方向，可以说给广电产业带来了一场革命，乐清广电从领导到基层工程技术人员思想开放，敢于接受新事物与新技术，也是乐清广电欣赏软硬件分离操作平台的原因。如果说它的不足之处就是不容易被恪守主流意识的保守广电所接受，，应用案例还比较少，但客观地讲，这和广电运营商的技术水平不无关系。
总结
采用搭配泰信开放的软硬件分离平台，配以高性能的MB86H60高清机顶盒芯片开发高清机顶盒，可使软件工程师迅速掌握数字电视技术及知识，对于普及数字电视软件知识有很大的帮助。数字电视软件的开发不再局限于以往少数公司之间，软件来源也得到拓宽。软硬件分离可以让软件开发和硬件生产由不同的公司承担，开放的软件开发平台允许众多软件公司针对机顶盒开发软件，并且不通过机顶盒厂家集成，而由运营商独立下载，因而机顶盒厂家可以摆脱每家运营商不同的需求，可以大量生产通用的机顶盒，大幅度降低机顶盒成本。目前已有广电计划利用该方案进行高清双向平移。这对于像乐清这样比较富裕且还没有进行数字化的地区，不失为一个很好的选择，也符合数字电视的发展方向。
软硬件分离技术就目前来说，还是一个很新的技术，大多数广电运营商还没有真正意识到这种先进技术带来的便利。广电总局在发布的《关于加快广播电视有线网络发展的若干意见》中明确要求，省级广播电视部门要积极争取政府的支持，组织制定切实可行的整合方案，明确整合路线图和时间表，推动具体实施，确保2010年底前各省基本完成整合，为今后全国广播电视有线网络规模化、产业化奠定基础。有了政策的推动，省网整合的步伐会进一步加快。泰信开放的软硬件分离平台，有利于广电确立自主的标准，避免采用私有封闭的标准带来的束缚，对广电的整合并统一标准十分有利。相信开放的软硬件分离操作平台将发挥出它应有的作用。
作者简介：
郑志尧，1969年出生，男，现任浙江省乐清市广播电视台网络中心主任，职称为工程师，主要从事工作为：有线电视模拟电视、数字电视传输技术，IPTV技术，有线电视双向改造技术，数字电视高清机顶盒技术。
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