对数字电视机顶盒软硬件标准统一的探讨

      编者按：在数字电视业务发展日渐升温的市场环境下，统一机顶盒接口标准就成为了业内人士异常关注的课题。本文主要以PC机为例，先将在机顶盒硬件芯片的CPU平台上实现统一，在统一的过程中实现芯片标准的统一竞争；其次再实现软硬件的分离，并在软件的安全性能、稳定性能以及升级的问题上进行全面的掌控研发，让软硬件真正做到最后的统一，从而服务数字电视业务市场。

　　数字电视机顶盒因为广电的市场割据，标准不统一，历经了长期的混乱。很多广电运营商已经感受到了这种混乱给机顶盒的售后服务、功能升级等带来了很大的困难，同时也感觉到机顶盒如果不能形成开放标准的市场化规模化生产，广电的数字化将永远以机顶盒为主。在数字化两三年后，很多机顶盒已经过了保修期，广电不得不承担起机顶盒售后服务的重任，在很多广电还没有把老的标清机顶盒债务偿还完毕的时候，高清双向又开始迅速起步。高清电视的普及靠送高清机顶盒恐怕很不现实。普遍认为，机顶盒和数字一体机的市场化普及，可以帮助广电摆脱机顶盒的包袱。但市场化的前提是必须要有开放透明的规则和统一的标准，才能做到真正的开放。

　　有的人认为真正的开放要从统一硬件开始，这确实是一个很大的命题。要实现硬件架构完全统一的目标，不知道有多少个芯片厂家要关门。如果机顶盒硬件统一这个理想实现了，就意味着机顶盒和一体机可以批量生产，直接进入大卖场。对这个讨论引起关注的最应该是芯片厂家，这无疑是要在数字电视界发动一场革命。

　　但是，即使是高度透明化的PC界，也没有实现硬件的完全统一，仅仅实现了标准的统一和透明，然而他们迅速发展的经验可以借鉴。PC机产业的高度统一有几个条件，核心的CPU指令统一兼容。也就是说，各个软件经过编译之后的机器码必须是统一的，不需要源代码重新编译就可以直接使用。软件接口统一透明，硬件的BIOS接口标准化、透明化，可以屏蔽底层硬件的多样化。南北桥可以使用不同公司的芯片，以及不同公司的CPU，这样在硬件层不会形成独家垄断，就连CPU也有激烈的竞争。

　　于是，在透明开放的BIOS之上就有了各种操作系统的竞争。所以说，微软是在有了BIOS之下的软硬件统一透明标准之后才在激烈的市场竞争中诞生的，与其竞争的操作系统还有Mac OS Linux等。有了微软的操作系统，才实现了高度的软硬件分离，计算机软件和硬件才在各自的轨道上激烈竞争，从而推动了IT业的快速发展。

　　对于机顶盒技术的开放，也必须先从硬件说起。目前机顶盒芯片所采用的CPU可谓琳琅满目，要实现机顶盒的市场化，统一机顶盒CPU是首先要做的事。

　　从目前的CPU市场状况来看，提供精简指令集CPU的公司众多，竞争比较激烈。比较著名的有ARM、MIPS、PowerPC、ARC等。因为ARM的开放性最高，性价比高，用户量最大，普及程度较高，数字电视机顶盒CPU有向ARM CPU统一的迹象。高速低功耗是它的一大特色，像iPhone等高端手机芯片就选用了ARM1176。随着机顶盒芯片的速度越来越高，很多没有高端CPU的机顶盒芯片厂家转向了ARM1176CPU，甚至Cortex-A9多核CPU，多家公司的上网本也选用了ARM11。据公开的资料，Cortex-A9其性能已经超过了Intel的ATOM CPU。

　　PowerPC是一款性能优越的CPU，有很大的伸缩性，源自于IBM，所有PowerPC指令使用32位长指令，由IBM和Motolora生产，著名的苹果G系列Macintosh电脑就曾经全部采用PowerPC，这种电脑在当时被用于需要大量运算的图片处理等方面。MIPS的32位RISC CPU也曾被大量应用于机顶盒芯片中，其特点是浮点运算能力强。PowerPC和MIPS也都曾是优秀的CPU，被用于任天堂、微软Xbox游戏机以及工作站等场合。

　　ARC CPU是一种可配置的性价比较高的CPU，在标清机顶盒上用量很大，主要用户是富士通。但在高端CPU方面却后劲不足。

　　占机顶盒芯片首位的ST，标清芯片使用的是自主的ST20　CPU，该CPU虽然是RISC架构，但却不是等长指令，用在机顶盒芯片中还要消耗对实时解码器管理的开销，虽然标有较高的频率，但实际速度并不很高。ST在高清机顶盒上，采用了ST40 CPU，ST40的基础是SH4，是日立公司所研制，但现在ST的高清芯片CPU也要转向ARM。

　　今年9月25日Intel推出了适用于网络电视的CE4100，引起了广电行业的关注。因为它是第一个IA架构的数字电视专用芯片，网络电视本来就是站在广电的对立面，一旦普及，在开放的网络环境下，CA的CW共享将会让广电的加密系统形同虚设，这对广电来说绝对是一个梦魇。但站在软件工程师的立场和软件来源丰富的角度来讲，Intel IA架构（Intel Architecture）的CPU肯定是首选。
 然而从功耗上看，大家都知道Intel PC机的CPU用起来像个小电炉，光散热就是一道难题，即使很多使用低功耗ATOM　CPU的上网本厂家，也因为散热问题不好解决而失败。而台式机对电源功耗的要求较高，使得在这条路上走了很久的Intel，在应对低功耗要求的机顶盒领域时短时间内有些适应不过来。搞过单片机的人都知道，复杂指令(CISC)与精简指令（RISC）相比，每完成一个动作前者所耗费的时钟周期个数比后者多出很多，所以在同样的性能下，CISC是天生的高耗能。Intel只有靠提升工作频率、改进芯片工艺来降低功耗。但ARM的Cortex-A9多核CPU的出现，让Intel进入数字电视市场的道路并不平坦。

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　　嵌入式CPU完全是在一个开放式的市场环境下竞争，各个CPU技术才能在竞争中迅速进步。但在开放性和性价比上，以上CPU落后于ARM，并缺少第三方开发工具的支持，在竞争中占了下风。多个机顶盒芯片公司引进ARM CPU的行动，表明机顶盒芯片有向ARM统一的趋势。ARM CPU很可能在高清机顶盒芯片领域实现统一，并从ARM11开始，逐渐向Cortex-A9过渡，因为ARM11的软件将来可以直接拿到Cortx-A9上用，因而从ARM11 CPU切入的高清机顶盒厂家将会受益。

　　ARM11在高清机顶盒上的稳定性也似乎得到了验证，富士通的第一款高清芯片出来没多久就开始量产出乎很多人的预料，这应该和选用成熟稳定的ARM11有关。

　　机顶盒芯片在向高性能CPU统一的过程中，只要有了透明的软件接口标准，就可以有多种CPU参与同ARM　CPU的竞争。如果将来有了比ARM性能更高的CPU，在开放的平台上完全可以轻松地切换过去。因此，软件接口的开放对行业的发展至关重要。

　　如果多个机顶盒芯片公司也能在高端机顶盒芯片上展开竞争，运营商不但能得到高性价比的高清机顶盒，还能形成一种开放的竞争环境，从而可以打破数字电视技术的封闭状态，形成优胜劣汰的竞争局面。这对还没有平移的城市和计划开展高清业务的运营商来说是一个好消息，因为高清互动电视在开放的环境下能够迅速发展进步，这种状态值得期待。而且现在的高清机顶盒都是双向的，高清又大多都是多解码，这使得再发展标清双向机顶盒失去了意义。

　　和当年IBM开发PC机的时代不一样，机顶盒芯片的性能已经远远高于那个时代的PC机CPU，但现在的机顶盒芯片硬件架构是高度集成化的SOC，硬件架构的统一如果由技术水平较高的广电运营商发起，应该不会是一个难题，那剩下的就是要统一机顶盒软件平台了。

　　就像当年IBM开放统一了PC机标准之后，才诞生了微软，成就了Intel一样。数字电视界的“微软”和“Intel”的诞生也应该是在硬件架构平台开放统一了之后，剩下的就是各个软件平台厂家为争夺数字电视微软宝座的竞争了。和CPU市场类似，这个竞争也必须在一个开放的环境下进行才有效，在目前十分封闭的数字电视行业，不可能存在优胜劣汰的竞争。而PC产业的发展历程却可以给数字电视领域一个很好的借鉴。

　　在实现了硬件统一平台之后，硬件上面所运行的软件平台（也可以说操作系统或中间件）就可以剥离出来。但有个前提，就是必须有类似PC机的BIOS接口层，并且这个接口层的标准必须开放透明。经过多年的发展，当年由IBM提供的BIOS早已经被更先进更高效的BIOS替换掉，但只要有开放的BIOS层接口，在其之上的软件竞争就会存在。

　　而类似地，机顶盒芯片公司也应把自己与硬件相关驱动部分之外的软件分离出去，由提供BIOS的公司进行封装，或者自己亲自按标准封装。但根据现在的产业状况，机顶盒芯片厂家的API函数接口就可以理解成PC机上的BIOS，只不过机顶盒厂家没有把操作系统剥离出来，这需要机顶盒芯片公司做进一步的开放。如果像PC机那样分工明确，这个操作系统就可以被剥离出来，从而可以降低机顶盒芯片厂家的软件开发工作量，就像Intel一样，不做操作系统，而是将精力主要集中于芯片设计。在没有操作系统的BIOS之上，有着透明开放的接口，可以形成有效的竞争，有利于数字电视领域中“微软”的诞生，为此芯片公司必须要有较大的技术开放力度。

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　　而现实情况是，机顶盒芯片公司不但提供BIOS，而且还要提供操作系统，或者将一些开源的操作系统移植到自己的芯片系统上，这是一个比较艰巨漫长的任务，需要花费很长的时间进行测试、适应市场，机顶盒芯片公司在软件平台方面的开销甚至大于机顶盒芯片的投片费用。机顶盒芯片厂家花费巨额费用开发出来的操作系统，当然要和自己的芯片硬件进行捆绑。机顶盒芯片厂家的特长应该是在芯片上，为了推销自己的芯片他们迫不得以才“不务正业”，涉足操作系统软件平台的开发，花费了漫长的时间，也影响到了他们开发芯片的主业。

　　在机顶盒厂家方面，一般要和芯片厂家提供的不太成熟的软件平台进行磨合，还要根据不同运营商用户进行漫长的测试和完善，这也是一个花费既大、时间又漫长的过程，机顶盒厂家这样开发出来的软件当然也要和自己的硬件进行捆绑。对一个新方案高昂的费用支出，使得引进新的机顶盒方案所降低的成本不足以弥补所付出的开发成本，所以机顶盒厂家一般也不太情愿更换机顶盒方案，反过来也影响新的高性能机顶盒芯片进入市场。而技术含量和复杂程度都远高于机顶盒的PC机，CPU芯片从样品到批量生产一般只需要几个月的时间，这得益于软件和硬件的高度分离。由于实现了有效的软硬件分离，针对新硬件的许多功能得以迅速开发，而广电因为软硬件捆绑很难升级，很多新功能无法加载，很多网络还是和刚数字化的时候一样，新的高性能机顶盒硬件无用武之地，数字电视后续的吸引力下降，反过来又影响高性能芯片的市场需求。在数字电视技术的各个环节中，CA的不开放对数字电视技术的发展影响最大。

　　因为CA技术的框架等历史原因，数字电视软件天然就是封闭的。CA公司所开发的软件在智能卡的保护下才能安全，本身就是严重的软硬件捆绑。因为它涉及到CA安全的特殊性，需要机顶盒芯片公司和机顶盒厂家与之协调开发。本来机顶盒软件的开发要以应用为主，但因安全因素，实际上反而被迫直接或间接围绕CA为中心进行软件开发，机顶盒主芯片的重要性被忽略。而各个CA公司的智能卡软硬件不能统一，造成了数字电视标准的严重混乱。

　　机顶盒芯片厂家的软件平台与自己的芯片捆绑，机顶盒厂家的应用软件与自己的机顶盒进行捆绑，CA软件与智能卡捆绑，还有浏览器、股票软件系统也需要与机顶盒硬件捆绑。这些各方为了各自利益的软硬件捆绑，使得数字电视标准异常混乱，更何况这些标准是私有封闭不透明的，相互之间的信息沟通夹杂着复杂的技术和商务等因素，一个先进的机顶盒方案的成熟要经过漫长的时间，这就是造成数字电视技术发展缓慢的根本原因。

　　一些机顶盒芯片公司已经意识到了这一点，已经开始着手将操作系统开始剥离出来，委托专业的系统平台软件公司进行开发，以缩短芯片进入市场的时间。例如富士通与泰信的开放软件平台对接就是一个很成功的例子。富士通通过采用开放性较好的ARM11 CPU，与泰信开放平台实现对接，得以将其芯片迅速推向市场，因而他们也加快了65nm和40nm机顶盒芯片的计划。

　　所以，机顶盒芯片厂家最好不要涉及操作系统以上的部分，专心把自己的芯片性能和稳定性做好。看看Intel和AMD，他们连BIOS也不做。建议国家如果要制定标准的话，从靠近芯片的这层BIOS开始，不要从概念变化多端的“中间件”这一层进行定义，这样会引起利益集团之间无谓的争斗。如果这一层定义明确了，各个芯片厂家就有了统一的标准和依据。如果实现这一点，“摩尔定律”的神奇将会在数字电视领域显现。在这个透明层之上，想做数字电视“微软”的公司，必将拿出真本事，展开激烈的竞争才能实现。但仅仅做到BIOS这一层的开放还不够，应用层API的开放也必不可少。

　　但非常遗憾的是，在目前状况下，受广电运营商的技术水平所限，广电没有把机顶盒硬件当作一个最重要的基础。从广电数字化流程上就看得出来，很多地方的数字化是先选择CA、浏览器、股票等前端软件，之后再选择最重要的机顶盒硬件。而选择前端软件的主要条件就是要看移植集成了这些软件的机顶盒的多寡。集成移植对应前端软件的机顶盒越多，对应的前端软件就越有竞争力，反过来，选用这种前端软件的广电运营商就越多，集成和移植对应CA、浏览器的机顶盒厂家就越多。广电的跟风就像海里的一群沙丁鱼，被引导着朝向同一个方向游动，不知不觉地陷入了机顶盒混乱的泥潭。

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　　软件的最大特点就是可以不断的升级，增加新功能。但当把它作为一个基础的固定不变的标准的时候，问题就显现出来了。几乎所有开始了数字化的地方，一旦确定了 CA、浏览器等软件，即使经过几年时间，版本号和数字化之初还是一样的，甚至遇到了类似CW共享这样的安全隐患后CA都无法升级改进。这不得不让人们反思之前没有统一基础硬件，反而先确定私有的前端软件所走过的数字化道路。核心问题是广电采用了不透明的私有软件和硬件标准，特别是CA接口的严格保密。这些软件因为采用了大量的黑盒技术，为了确保这些技术不被曝光，这些私有软件只有通过集成移植，客观上形成了对机顶盒硬件的捆绑，这样极大地限制了数字电视软件的进步与发展，从而形成广电分散封闭的市场。

　　市场上存在的众多机顶盒芯片，短时间形成硬件统一不现实的情况下，软件接口先行统一不失是一个有益的尝试。它可以解决CA私有标准的混乱问题，也可以解决股票、浏览器等软件的混乱，同样也可以促进机顶盒芯片市场的竞争。这种软硬件的统一，必须做到最大限度的开放，即软件平台的开放应尽量靠近底层，从而使靠上层的机顶盒应用、CA、浏览器、中间件等软件才能有更大的选择余地，广电将来的技术出路才不会因为技术封闭被完全堵死。

　　但这首先会对现有的加密系统安全性形成冲击。

　　这是因为之前的CA采用了大量的黑盒技术，是靠技术封闭获得安全性，一旦开放，CA就不安全了，这几乎是所有需要移植集成的CA所面临的共同问题。CA 本来是一个软件，可以经常更新升级，但在智能卡的保护下，变成了一个不易更改的固件，一般数字化之后的CA版本号基本不变，使得CA技术发展非常缓慢。CA的安全性是通过智能卡对CA软件、CA密钥、算法的保护获得，安全性依赖于智能卡的防破解能力。既然CA的安全性依赖于芯片的防破解能力，那么如果机顶盒芯片也具备防破解能力的话，CA的安全性是可以保障的，可下载无卡CA技术就是在这个基础上发展起来的。这样CA的安全性就完全依赖机顶盒芯片的防破解能力，从破解难度上看，靠机顶盒芯片的安全性肯定高于智能卡。智能卡连同机顶盒上的读卡器都属于硬件范畴，没有智能卡也减少了一个硬件不统一的根源。既然CA的安全性是靠硬件保护，可以不需要靠算法和密钥，那么CA接口就可以是开放的，这种接口的开放可以靠近底层，开放的CA接口有利于CA标准的统一，各个私有的CA软件可以在这个接口之上各自发挥，即使已经部署了CA，广电照样可以在线将已经采用CA替换掉，让CA也有竞争压力，从而保持CA技术进步，不至于在部署CA之后，软件版本长年不变。

　　面临同样问题的还有中间件和股票等软件，如果实现了靠近底层的软件接口开放，就容易形成开放的标准，也同样会带来有效的竞争，因而广电可以有比较灵活的选择。

　　以上讨论的原则就是软件和硬件的接口标准要统一，把软硬件进行有效的分离，实际上就是借鉴PC机成功的经验。所以，在选择数字化平台的时候，要本着软硬件分离的原则，尽量标准统一，这对数字电视机顶盒和一体机的市场化意义重大。