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数字家庭网络设备设计思路及方案分析

上网日期: 2004年06月30日 ?? 作者: Matt Jones ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:数字家庭网络? RC32434处理器? RC32434? 媒体服务器?

新兴数字家庭网络更大的带宽以及语音、视频和数据的传输、存储和管理为原始设备制造商提出了一系列新的挑战,本文从安全性、系统架构和标准方面提供了解决思路,并提出了媒体服务器和媒体适配器的设计方案。

数字家庭网络的发展可以分为三个阶段。第一阶段的家庭网络普遍比较简单,大多数情况下仅仅是一台PC通过宽带调制解调器连接到广域网(WAN),家庭中很少或没有局域网(LAN)连接。无论是基于ADSL、电缆还是光纤,这些新宽带服务的“永远在线”特性及不断提高的可用宽带使得多个用户在家??享服务成为可能。当用户将其主机升级时,通常都不会将PC机丢弃,而是给家庭中其它成员使用,这很快推动了第二阶段的发展-多用户家庭网络的出现。在宽带调制解调器的局域网一侧添加一个以太网路由设备,就能够帮助家中多个用户利用宽带WAN连接的优势。图1:多媒体数字家庭网络组成示意图。

在第二阶段中,宽带路由器、网关及IP共享设备逐渐商品化使得用户只需增加极少的成本就可以实现基本的家庭网络。此外,Wi-Fi技术成本的快速降低也提供了无线连接家中多台PC的可行方案,并解决了在房间中物理布线的麻烦和成本。

除这两个驱动因素之外,数字家庭网络发展的第二阶段恰逢消费类设备需求高涨,如数字相机、数字摄像机及数字音乐播放器。此类设备的出现将家用个人电脑扩展为数字媒体存储、编辑及重放设备。随着家庭网络中的数字媒体内容持续增长,数字化家庭网络进入了第三个发展阶段,消费者需要更强的对等共享能力。同时,还需要将内容传输给传统PC网络以外的设备,例如电视和音响设等传统的播放设备。

媒体适配器和媒体服务器

在数字家庭网络发展的第三阶段,数字家庭网络中除了PC和住宅网关/路由器以外,又出现了媒体适配器及媒体服务器这类新设备。这两种重要的网络设备承担此前只能由PC完成的媒体处理任务,将许多媒体处理任务从PC中分流出来,从而构成一种无中心网络结构。图1描绘了一种网络拓扑结构,其中数据通过网络共享,可以用PC管理和干预,也可无需PC的管理和干预。

媒体适配器负责在数字家庭网络中准备流式多媒体内容,在家庭娱乐设备中播放。这些设备必须能够接收、解码和回放包括压缩视频、音频文件和静止图像在内的媒体流。在功能上,媒体适配器与传统PC机的视频及音频子系统极为相似,需要相似的解码能力来转换输入数据流。此类设备所需的关键系统包括连接到数字家庭网络的有线或无线局域网连接,以及用于支持媒体格式(MP3、JPEG、MPEG等)解码的硬件和软件。此外,更复杂的媒体适配器可支持数字版权管理(DRM),并可播放更广泛的媒体类型。

媒体服务器是网络化的共享存储设备,是数字家庭网络中流式多媒体内容的中心。不需要PC的干预、管理或服务,媒体服务器即可完成文件共享及直接数据存储。媒体服务器需要在数字家庭网络中提供捕捉、编码和传输多媒体内容的能力,因此其性能和系统要求通常要比媒体适配器高得多。除了必须的LAN和/或WAN网络连接和管理能力以外,媒体服务器的系统要求还包括:支持多媒体编码功能,可实时捕捉和编码模拟数据流来创建数字化媒体流;支持硬盘驱动器标准化IDE控制器接口来连接存储媒体流的硬盘驱动器;直接支持媒体创建和外围设备,如数码相机。目前流行的外设协议为USB和IEEE1394(FireWire)。图2:RC32434处理器功能框图。(点击看大图)

媒体适配器和媒体服务器代表了第一批功能强大的新型家庭网络设备,支持在传统PC子系统之外存储和共享媒体内容,从而使在家庭内部的访问和使用更加方便。

新兴应用对架构和系统的要求

作为一种新兴的应用领域,多媒体家用设备面临两个主要挑战,必需在设计系统架构阶段认真考虑和解决这些挑战。首先,在网络连接、多媒体格式和外设接口方面,目前存在大量标准。因此,必须从中选择可以满足消费者需求的标准组合。此外,网络和连接标准不断演化,新的协议不断涌现,因此多媒体家电设备的设计工程师必须保证系统能够跟上这些变化。成功的设计必须能够灵活地支持目前的接口技术,同时还必须能方便地支持新的标准或标准变化和增加新功能,而且还不必承担全面的系统重新设计所带来的额外成本,以及由此而可能导致错过市场窗口期的风险。

为解决这些设计挑战,首先应当使系统设计具有可扩展性,同时具有足够高的处理性能,以满足功能变化和标准演变所需要的额外硬件和软件支持;其次,应当设计一个灵活的模块化系统,从而在支持现在及未来的主要接口和外设时不需要大的重新设计,以及相关的成本开支和付出时间代价。

在新兴市场上,产品的推出时间至关重要。如果第一代设备能够赶上市场窗口期,就增加了获得市场广泛接受的机会,从而使生产商与新兴市场需求保持同步,并可参与到对市场方向及发展做出关键性决定的过程。多媒体家电产品的设计者与生产商可以利用现有的PC外设硬件以及系统软件来实现功能设计,从而尽量缩短产品面市时间。图3:媒体适配器系统框图。

关键的系统决策

使用现成的PC外设来构建易于适应市场需求变化的模块化系统的过程中,设计工程师选择PCI作为系统单元间的标准互连协议可以获得很多的好处,因为采用这种广泛应用的总线,设计工程师可以从大量现成组件中选择出网络连接性能及多媒体支持性能更好的组件。

为获得较强的系统性能,设计工程师可以采用集成通信处理器,这些处理器具有一个高带宽的PCI接口,可支持多个外部主期间,同时还带有高性能CPU内核和存储器子系统,以及网络连接所需要的以太网接口。

有了这样一个可满足此类新兴应用需要的CPU,设计中第二个需要关注的问题就是软件。由于新兴应用结合了实现网络协议和多媒体支持等与以往应用截然不同的需求,商用软件包还不能满足这些专用软件的需求。Linux在网络和PC设计领域得到广泛应用,因此是一个满足市场需求的理想选择。通用无线芯片组和以太网设备的驱动程序可获得公开代码,同时Linux在PC市场被广泛认可,这意味着模块化硬件设计中所使用的PC外设和芯片组的Linux驱动程序将可能从供应商或公开源代码获得。

虽然有针对网络和PC外设的公开的驱动程序,但最佳的选择仍然是使用由针对专用处理器而优化的设备驱动程序、无专利费的内核和工具链组成的高度集成的垂直软件解决方案。这样软件开发团队就可以专注于通过应用程序来增值,而不是去保证从公开领域获得的大量驱动程序的协同性。同时,集成通信处理器供应商也越来越多地开始免费提供所需要的基础集成代码,从而进一步缩短产品上市时间,并避免高昂的许可费和专利费。

安全问题

在支持多媒体的家庭网络中存在两个重要的安全问题。第一个是保护家庭网络中的数据不受来自外部的潜在威胁的影响。随着联网设备的增多,对等式共享数据的保护变得越来越重要,通过软件加速、集成专用硬件以及辅助的系统控制处理器可以解决这种安全性问题。对于许多数据速率较低的媒体类型,通过软件实现就可为很多信息家电设备提供足够的吞吐能力,而对于网关本身来说,硬件加速可能更适合。网络数据加密是另一个的问题,系统设计工程师可以采用一系列的芯片方案来解决这个问题,包括满足软件执行所需性能的高频率CPU,以及集成或提供硬件加速的产品。

随着多媒体家庭网络设备的出现,一类新的安全问题也随之产生。DRM是基于密钥来保证网络设备是否已授权接收数据流。对媒体适配器来说,DRM算法使得服务供应商可确保用户只能收到他所购买的节目数据,同时DRM算法还可用于对这些数据流的控制。同样的算法在媒体服务器方面则可以阻止未授权的数据被写入磁盘阵列或刻录到碟片上。这类新问题可以通过多种软件或/和硬件实现方式来解决。随着数字家庭网络支持更多和更丰富的多媒体内容,这也日益成为系统设计工程师和服务供应商所必须面对和解决的关键问题。

媒体服务器和媒体适配器解决方案图4:媒体服务器系统框图。

IDT公司的RC32434 Interprise处理器为多媒体家电设计提供满足性能与灵活性的方案。RC32434处理器集成了一个工作频率高达400MHz的32位MIPS CPU内核,同时还集成了一个DDR存储控制器和一个最多可支持6个外部主设备的PCI v2.2接口。另外,此处理器还集成了一个快速的、支持媒体独立接口(MII)和简化MII (Reduced MII)标准的以太网接口,从而简化了网络连接。

这种MIPS架构得到操作系统和其它开发工具的充分支持,IDT还提供了一个具有设备驱动程序和应用程序的优化Linux操作系统,这些驱动程序和应用程序支持家庭网络产品的许多功能,包括MPEG4、USB(1.1和2.0)、ATA以及串行ATA(SATA)。RC32434的结构框图如图2所示。

灵活的PCI和MII/RMII互连接口组合使设计工程师可以构建一个灵活的系统,在不需要对基础设计进行成本高昂且费时的架构升级的条件下,就可根据市场需要实现或省略某些外设接口。集成了高性能DDR控制器和运行速度高达400MHz的CPU使设计工程师可设计出高度可扩展的系统,既能适应新兴网络和媒体标准,也可以满足提高系统性能或功能的要求。下面提供了一个具体的设计例子。

图3中所示的媒体适配器实例利用了RC32434集成通信处理器的片上以太网MAC来连接到数字家庭有线网络,同时利用该器件的高性能PCI接口连接WLAN和多媒体解码器芯片组。高性能CPU内核提供了所需要的处理能力,既可运行所需要的网络协议(如TCP/IP、RTSP、RTP/RTCP、UPnP)在LAN和WAN一侧实现网络通信,又可为图形用户界面(GUI)和执行必需的操作系统保留足够的处理能力。此外,利用片上认证单元和存储在芯片上的受保护密钥,RC32434处理器可支持业界标准的DRM机制。

与上面所示的媒体适配器例子一样,图4中的媒体服务器也利用了RC32434处理器的片上以太网MAC来连接数字家庭网络,并利用PCI接口连接主要的外设芯片组。除了一个WLAN芯片组以外,媒体服务器还包括:一个多媒体编码器用于实时捕捉模拟数据流,并编码转换为符合数字标准(如MPEG1)的数字媒体流;一个ATA(或SATA)存储芯片组用于连接标准硬盘驱动器;一个USB2.0或FireWire控制器用于连接外部存储器和媒体外设。与前面媒体适配器的例子一样,RC32434处理器负责执行所需要的网络协议和系统管理任务,同时为增加软件和系统功能留下足够的CPU处理能力余量。

在上面的媒体服务器和媒体适配器设计实例中,RC32434处理器支持设计工程师构建出高性能、高成本效益的解决方案,其灵活性和可扩展性足以适应并满足新兴数字多媒体家庭网络不断演化的系统和市场需求。

作者:Matt Jones


Interprise通信处理器产品行销经理


Email:mjones@idt.com


IDT公司






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