原创 STB设计开发趋势

视频机上盒（Set-Top-Box，STB）的定义相当广泛，凡所有能与电视连接，为电视带来原有功效之外的功能与应用者，皆可称为STB，即便这个装置盒并没有真的放在电视的上方也是，录放影机、电视游乐器、数字电视接收盒等都是STB，且依据各地各营运业者的不同需求而有各式各样的STB，包括饭店客房的付费电视，KTV包厢内的点播伴唱机；此外，卫星直播电视的DirecTV、用电视上网的MSN TV、2005年底进军台湾的TiVo节目录放影系统等也都是。

因此设计STB确实是一大挑战，一方面牵涉的规格标准相当多样，另一方面各地与各用户的需求也经常不同，此外消费性市场快速多变，功能上也必须不断更进，再加上力求压低量产成本，更简单说：如何让弹性多样、快速追新、成本精省等三者获得平衡，将是STB设计上最大的课题。本文将对针对此一权衡取捨进行更多的讨论，以便能更有效益的开发设计STB。
　

图1：德州仪器（TI）在STB设计上所提供的参考方块图。
　
 
 
运算核心：PC uP、STB SoC
首先是STB的运算核心，对此或许有人认为直接取用PC的泛用型微处理器（uP）最合算，理由是有最佳的价格效能比，但其实这必须与系统单晶片（SoC）进行一番比较才能作决。但就效能需求来说，STB的功效机能多半固定，日后即便对功能进行修正、强化、追加，对运算效能的需求也都在一定范畴内，而PC用的uP则是不断追求效能，以满足同时间更多程式的更快执行，两者的取向是不同的。

事实上即便uP有高超的效能，且有多媒体指令集为其加分，但两者相比仍是SoC居优势，针对STB需求所设计的SoC多半内嵌DSP性质的运算电路，在多媒体演算上的效能速度、稳定性仍好于具多媒体指令集的PC uP，更专精的STB SoC甚至直接内建硬件式的解码电路（Decoder）或编解码电路（CODEC），如此又更胜DSP作法。

此外，STB SoC的整合性高，许多功能已集中于单一晶片内，能更加精省STB系统的电路需求面积，对用电的管理也更能集中与协调一致。不过这也并非一成不变，由于PC相关晶片的不断整合，以及PC uP大厂AMD、Intel皆积极推行家庭娱乐的x86：Live!、Viiv，使得用PC uP系统架构实现的STB已逐渐往STB SoC方案看齐，如此也会过去STB SoC大厂（如Broadcom、Sigma Designs、ST等）更加积极而不敢掉以轻心。
 
视频弹性：HDMI、DisplayPort
在STB的设计中视频介面的设计恐怕比运算核心更重要，因为仅PC等资讯类硬件是将效能集中在uP，相对的在CE领域多是採行多颗晶片各自功能专精、效能专精的设计，例如录播放机内最重要的不是CPU而是CODEC，又如电视游乐器最重要的是GPU而非CPU。以视频介面来说，虽着VESA提出DisplayPort后也对STB视频上的设计产生的变革性冲击，DisplayPort是一种新的视频传输介面，其一大特点是採用微封包架构（Micro-Packet Architecture），使视频接线不再一定是两点间的一对一相连，而是可以一分多、多匯一，并以高速频宽及流量控制使多组视频传输保持顺畅即时。

在未有DisplayPort前，过往的STB必须为不同的视频介面、视频端子设计不同的视频传输与处理电路，而今可用DisplayPort进行多个传统视频传输的统合，例如Composite Video、S-Video、Component Video等皆可直接进行模拟数字转换，之后再由DisplayPort一併统合传输，如此不仅使STB的视频设计大幅简化，且要增减支援也相当容易与弹性。当然，也因为DisplayPort具有极高频宽，所以才能统合多种传统视频，且因应日后更高解析度、更高色深、更高更新率的视频要求。同样的，另一个高速视频介面是HDMI，且HDMI比DisplayPort更早用于CE领域，HDMI虽不是以封包方式传输但也具有极高的传输率，一样具有统合传统视频、简化设计的能力，使用HDMI并再搭配可即时变换线路组态的FPGA，如此也能达到统合、简化、弹性的目标。

附带一提，另有一种新的高速视频介面于2006年初被提出，此为UDI，UDI在技术本质与HDMI差异不大，现阶段各业者多採观望，眼前相同需求下只需用HDMI，尚无非改换UDI的必要。反而是FPGA必须更加倚重，由于视频电路多半牵涉高速运作，所以就效能反应的要求来说，多只能用硬件式设计来满足，不易用韧体或软件方式来达成，然而视频标准从过往以来就一直多样、紊乱，近年来的发展与变化更是快速，因此STB设计者在必要时需多倚赖FPGA的即时再组态性，以其弹性来因应视频设计的更动。
　

图2：大同（Tatung）公司的子公司：大同网际网路（TISNet）的IP型STB：STB4000C使用Microsoft公司的Windows CE 5.0嵌入式作业系统以及Sigma Designs公司的EM8620L媒体处理器（STB SoC），并支援H.264及VC-1等数字视频标准。　

图3 x86硬件系统架构也积极打入嵌入式应用与家用消费性市场，高阶的将以Media Center（媒体中心）为诉求，初阶也将积极跨涉STB应用，图为Niveusmedia公司採行Intel Viiv技术所设计成的Niveus媒体中心。
　

图4 VESA所提出的DiplayPort技术可以简化视频方面的硬件设计，图左为传统STB在视频上的设计法，图右改採DisplayPort统合简化后的设计法。
　
 
 
扩充弹性：Low Profile PCI、Mini PCI
既然STB的设计相当讲究弹性且要同时兼顾成本，那么就必须在扩充设计上更加留意，关于此多半会建议用Low Profile PCI与Mini PCI。为何是Low Profile PCI？为何不是标准传统PCI，或是更先进的PCIe？因为现在的STB也很重视短小轻薄，标准PCI卡的尺寸过大，通常无法放入STB内，相对的Low Profile PCI较小，无论直竖插入或透过Riser Card转接插入都很合宜，实际上今日运用到大面积介面卡的机会也逐渐减少中。至于为何不用PCIe？若从更精缩构型（Form Factor）体积而言PCIe也是个好选择，甚至比Low Profile PCI更好。

然而重点会是在价格，即便PCIe的连接器与PCI一样低廉，以及PCIe可相容沿用PCI的韧体、软件程式，但现阶段在主控端介面（Host I/F）上使用PCIe的晶片普遍较PCI来的贵，虽然PCIe具有传输更快、佔位更小、线路更少、面积更少等优点，但就目前的条件来权衡多还是选择PCI，且最标准、传统的32-bit 33MHz PCI也可以透过时脉加倍来提升传输，将33MHz增至66MHz，传输率便可从132MB/Sec增至264MB/Sec，因应多数视频应用也多足够。另外，若有更进一步精缩尺寸的需求，或STB期望能弹性换替通信功能，那么也必须考虑Mini PCI，而Mini PCI有6种构型：Ia/Ib/IIa/IIb/IIIa/IIIb，其中IIIa/IIIb是针对更轻薄短小需求的笔记型电脑所设计，对STB而言多半不需，STB的设计只需在Ia/Ib/IIa/IIb此4种中进行考虑。此外也与Low Profile PCI类似，Mini PCI的升级版：Mini Card是以PCIe介面为基础的内接子卡，除非经济性已逼近Mini PCI或有特殊需求与指定，否则仍应观望。
 
互接弹性：UPnP、DLNA
DisplayPort能为视频电路的设计带来更简化与更弹性，或者使用FPGA也一样能为高速电路带来弹性，使用Low Profile PCI与Mini PCI也是为了追求弹性及兼顾成本，那么在连接互通上STB也一样要尽可能的弹性。最早提出让各装置在相连互通上能自然平顺的，是昇阳电脑（Sun Microsystems）于1999年所提出的Jini技术，不过并没有很成功，相对的反而是同年微软（Microsoft）为对抗Jini技术所提出的通用随插即用（UPnP）受到较多迴响。

虽然STB主要连接的装置是电视，但有愈来愈多的迹象显示STB将会与更多的家庭装置连接、通信、互动，因此STB在设计上也必须及早因应准备，因此得开始考虑支援UPnP，而支援UPnP仅是第一步，因为今日数字家庭中更新的互通标准是DLNA所制订，DLNA对装置自然接轨、平顺互通所用的基础技术正是UPnP，所以完成对UPnP的支援后也必须朝合乎DLNA的设计指引（Guideline）而迈进，DLNA Guideline 1.0于2004年6月发表。
 
软件弹性：Framework、Building Block、Middleware
Jini、UPnP、等已是韧体、软件的层次。同样的，在软件层面用心考虑与仔细规划，也能为STB设计上带来更多弹性与更多精省。所谓的考虑与规划，即是在STB软件构思的最初期，就必须具有软件骨构、框架（Framework）的想法，今日无论是STB晶片业者所提供的设计参考范例软件，还是在外自由贩售的STB用软件，还是承接STB软件设计案的服务业者，也都会採行这样的作法，以便让STB的每部分软件如同砖块、积木一样可轻松组搭与轻松拆解，此概念一般也称为「Building Block」。

进一步的，在STB应用程式的开发上，除非有反应速度上的讲究，否则以弹性为考量，也多倾向以跨平台的程式语言来撰写，即是Java或.Net，目前以Java为多。此外，若真的无法平顺搭拆以及转移时，就必须考虑中介软件（Middleware）的技术使软体能够整合，所以对中介整合性软件也必须时时保持留意。
 
辨识、遥控
最后，还有一些关于STB的辨识、遥控等部分，辨识方面多依据用户的指定有不同的选择，过去一般是用Smart Card来辨识，但如今较新的方式是採行TPM（如Microsoft的Xbox 360电视游乐器）或近接感应式的NFC（如Philips、Sony）。
而遥控方面多是一成不变的IrDA红外线，但除此之外也当留意ZigBee与Z-Wave，ZigBee有IEEE 802.15.4的国际标准为技术基础，加上应用定位的广泛，也很有可能大量运用在家电家或STB的无线遥控上，而Z-Wave则是更专精诉求在家庭自动化无线遥控，过去Z-Wave并不被看好，但今（2006）年因Intel的投资而开始受到瞩目，也因此在IrDA遥控外也当关注ZigBee、Z-Wave等无线遥控技术。
　

图5 Mini PCI的内接子卡标准可让STB在设计通信方面的功能时有更弹性的唤用选择，图为一张Mini PCI的无线区域网路（WiFi）卡。
　

图6 Oregan Networks公司在DLNA伺服器上方面的架构方块图，以堆叠、基块、抽剥化等方式使STB的软件开发维护更加快速有效。