發布日期：2022-07-15 點擊率：18
新興數字家庭網絡更大的帶寬以及語音、視頻和數據的傳輸、存儲和管理為原始設備制造商提出了一系列新的挑戰,本文從安全性、系統架構和標準方面提供了解決思路,并提出了媒體服務器和媒體適配器的設計方案。
數字家庭網絡的發展可以分為三個階段。第一階段的家庭網絡普遍比較簡單,大多數情況下僅僅是一臺PC通過寬帶調制解調器連接到廣域網(WAN),家庭中很少或沒有局域網(LAN)連接。無論是基于ADSL、電纜還是光纖,這些新寬帶服務的“永遠在線”特性及不斷提高的可用寬帶使得多個用戶在家中共享服務成為可能。當用戶將其主機升級時,通常都不會將PC機丟棄,而是給家庭中其它成員使用,這很快推動了第二階段的發展-多用戶家庭網絡的出現。在寬帶調制解調器的局域網一側添加一個以太網路由設備,就能夠幫助家中多個用戶利用寬帶WAN連接的優勢。
在第二階段中,寬帶路由器、網關及IP共享設備逐漸商品化使得用戶只需增加極少的成本就可以實現基本的家庭網絡。此外,Wi-Fi技術成本的快速降低也提供了無線連接家中多臺PC的可行方案,并解決了在房間中物理布線的麻煩和成本。
除這兩個驅動因素之外,數字家庭網絡發展的第二階段恰逢消費類設備需求高漲,如數字相機、數字攝像機及數字音樂播放器。此類設備的出現將家用個人電腦擴展為數字媒體存儲、編輯及重放設備。隨著家庭網絡中的數字媒體內容持續增長,數字化家庭網絡進入了第三個發展階段,消費者需要更強的對等共享能力。同時,還需要將內容傳輸給傳統PC網絡以外的設備,例如電視和音響設等傳統的播放設備。
媒體適配器和媒體服務器
在數字家庭網絡發展的第三階段,數字家庭網絡中除了PC和住宅網關/路由器以外,又出現了媒體適配器及媒體服務器這類新設備。這兩種重要的網絡設備承擔此前只能由PC完成的媒體處理任務,將許多媒體處理任務從PC中分流出來,從而構成一種無中心網絡結構。圖1描繪了一種網絡拓撲結構,其中數據通過網絡共享,可以用PC管理和干預,也可無需PC的管理和干預。
媒體適配器負責在數字家庭網絡中準備流式多媒體內容,在家庭娛樂設備中播放。這些設備必須能夠接收、解碼和回放包括壓縮視頻、音頻文件和靜止圖像在內的媒體流。在功能上,媒體適配器與傳統PC機的視頻及音頻子系統極為相似,需要相似的解碼能力來轉換輸入數據流。此類設備所需的關鍵系統包括連接到數字家庭網絡的有線或無線局域網連接,以及用于支持媒體格式(MP3、JPEG、MPEG等)解碼的硬件和軟件。此外,更復雜的媒體適配器可支持數字版權管理(DRM),并可播放更廣泛的媒體類型。
媒體服務器是網絡化的共享存儲設備,是數字家庭網絡中流式多媒體內容的中心。不需要PC的干預、管理或服務,媒體服務器即可完成文件共享及直接數據存儲。媒體服務器需要在數字家庭網絡中提供捕捉、編碼和傳輸多媒體內容的能力,因此其性能和系統要求通常要比媒體適配器高得多。除了必須的LAN和/或WAN網絡連接和管理能力以外,媒體服務器的系統要求還包括:支持多媒體編碼功能,可實時捕捉和編碼模擬數據流來創建數字化媒體流；支持硬盤驅動器標準化IDE控制器接口來連接存儲媒體流的硬盤驅動器；直接支持媒體創建和外圍設備,如數碼相機。目前流行的外設協議為USB和IEEE1394(FireWire)。
媒體適配器和媒體服務器代表了第一批功能強大的新型家庭網絡設備,支持在傳統PC子系統之外存儲和共享媒體內容,從而使在家庭內部的訪問和使用更加方便。
新興應用對架構和系統的要求
作為一種新興的應用領域,多媒體家用設備面臨兩個主要挑戰,必需在設計系統架構階段認真考慮和解決這些挑戰。首先,在網絡連接、多媒體格式和外設接口方面,目前存在大量標準。因此,必須從中選擇可以滿足消費者需求的標準組合。此外,網絡和連接標準不斷演化,新的協議不斷涌現,因此多媒體家電設備的設計工程師必須保證系統能夠跟上這些變化。成功的設計必須能夠靈活地支持目前的接口技術,同時還必須能方便地支持新的標準或標準變化和增加新功能,而且還不必承擔全面的系統重新設計所帶來的額外成本,以及由此而可能導致錯過市場窗口期的風險。
為解決這些設計挑戰,首先應當使系統設計具有可擴展性,同時具有足夠高的處理性能,以滿足功能變化和標準演變所需要的額外硬件和軟件支持；其次,應當設計一個靈活的模塊化系統,從而在支持現在及未來的主要接口和外設時不需要大的重新設計,以及相關的成本開支和付出時間代價。
在新興市場上,產品的推出時間至關重要。如果第一代設備能夠趕上市場窗口期,就增加了獲得市場廣泛接受的機會,從而使生產商與新興市場需求保持同步,并可參與到對市場方向及發展做出關鍵性決定的過程。多媒體家電產品的設計者與生產商可以利用現有的PC外設硬件以及系統軟件來實現功能設計,從而盡量縮短產品面市時間。
關鍵的系統決策
使用現成的PC外設來構建易于適應市場需求變化的模塊化系統的過程中,設計工程師選擇PCI作為系統單元間的標準互連協議可以獲得很多的好處,因為采用這種廣泛應用的總線,設計工程師可以從大量現成組件中選擇出網絡連接性能及多媒體支持性能更好的組件。
為獲得較強的系統性能,設計工程師可以采用集成通信處理器,這些處理器具有一個高帶寬的PCI接口,可支持多個外部主期間,同時還帶有高性能CPU內核和存儲器子系統,以及網絡連接所需要的以太網接口。
有了這樣一個可滿足此類新興應用需要的CPU,設計中第二個需要關注的問題就是軟件。由于新興應用結合了實現網絡協議和多媒體支持等與以往應用截然不同的需求,商用軟件包還不能滿足這些專用軟件的需求。Linux在網絡和PC設計領域得到廣泛應用,因此是一個滿足市場需求的理想選擇。通用無線芯片組和以太網設備的驅動程序可獲得公開代碼,同時Linux在PC市場被廣泛認可,這意味著模塊化硬件設計中所使用的PC外設和芯片組的Linux驅動程序將可能從供應商或公開源代碼獲得。
雖然有針對網絡和PC外設的公開的驅動程序,但最佳的選擇仍然是使用由針對專用處理器而優化的設備驅動程序、無專利費的內核和工具鏈組成的高度集成的垂直軟件解決方案。這樣軟件開發團隊就可以專注于通過應用程序來增值,而不是去保證從公開領域獲得的大量驅動程序的協同性。同時,集成通信處理器供應商也越來越多地開始免費提供所需要的基礎集成代碼,從而進一步縮短產品上市時間,并避免高昂的許可費和專利費。
安全問題
在支持多媒體的家庭網絡中存在兩個重要的安全問題。第一個是保護家庭網絡中的數據不受來自外部的潛在威脅的影響。隨著聯網設備的增多,對等式共享數據的保護變得越來越重要,通過軟件加速、集成專用硬件以及輔助的系統控制處理器可以解決這種安全性問題。對于許多數據速率較低的媒體類型,通過軟件實現就可為很多信息家電設備提供足夠的吞吐能力,而對于網關本身來說,硬件加速可能更適合。網絡數據加密是另一個的問題,系統設計工程師可以采用一系列的芯片方案來解決這個問題,包括滿足軟件執行所需性能的高頻率CPU,以及集成或提供硬件加速的產品。
隨著多媒體家庭網絡設備的出現,一類新的安全問題也隨之產生。DRM是基于密鑰來保證網絡設備是否已授權接收數據流。對媒體適配器來說,DRM算法使得服務供應商可確保用戶只能收到他所購買的節目數據,同時DRM算法還可用于對這些數據流的控制。同樣的算法在媒體服務器方面則可以阻止未授權的數據被寫入磁盤陣列或刻錄到碟片上。這類新問題可以通過多種軟件或/和硬件實現方式來解決。隨著數字家庭網絡支持更多和更豐富的多媒體內容,這也日益成為系統設計工程師和服務供應商所必須面對和解決的關鍵問題。
媒體服務器和媒體適配器解決方案
IDT公司的RC32434 Interprise處理器為多媒體家電設計提供滿足性能與靈活性的方案。RC32434處理器集成了一個工作頻率高達400MHz的32位MIPS CPU內核,同時還集成了一個DDR存儲控制器和一個最多可支持6個外部主設備的PCI v2.2接口。另外,此處理器還集成了一個快速的、支持媒體獨立接口(MII)和簡化MII (Reduced MII)標準的以太網接口,從而簡化了網絡連接。
這種MIPS架構得到操作系統和其它開發工具的充分支持,IDT還提供了一個具有設備驅動程序和應用程序的優化Linux操作系統,這些驅動程序和應用程序支持家庭網絡產品的許多功能,包括MPEG4、USB(1.1和2.0)、ATA以及串行ATA(SATA)。RC32434的結構框圖如圖2所示。
靈活的PCI和MII/RMII互連接口組合使設計工程師可以構建一個靈活的系統,在不需要對基礎設計進行成本高昂且費時的架構升級的條件下,就可根據市場需要實現或省略某些外設接口。集成了高性能DDR控制器和運行速度高達400MHz的CPU使設計工程師可設計出高度可擴展的系統,既能適應新興網絡和媒體標準,也可以滿足提高系統性能或功能的要求。下面提供了一個具體的設計例子。
圖3中所示的媒體適配器實例利用了RC32434集成通信處理器的片上以太網MAC來連接到數字家庭有線網絡,同時利用該器件的高性能PCI接口連接WLAN和多媒體解碼器芯片組。高性能CPU內核提供了所需要的處理能力,既可運行所需要的網絡協議(如TCP/IP、RTSP、RTP/RTCP、UPnP)在LAN和WAN一側實現網絡通信,又可為圖形用戶界面(GUI)和執行必需的操作系統保留足夠的處理能力。此外,利用片上認證單元和存儲在芯片上的受保護密鑰,RC32434處理器可支持業界標準的DRM機制。
與上面所示的媒體適配器例子一樣,圖4中的媒體服務器也利用了RC32434處理器的片上以太網MAC來連接數字家庭網絡,并利用PCI接口連接主要的外設芯片組。除了一個WLAN芯片組以外,媒體服務器還包括:一個多媒體編碼器用于實時捕捉模擬數據流,并編碼轉換為符合數字標準(如MPEG1)的數字媒體流；一個ATA(或SATA)存儲芯片組用于連接標準硬盤驅動器；一個USB2.0或FireWire控制器用于連接外部存儲器和媒體外設。與前面媒體適配器的例子一樣,RC32434處理器負責執行所需要的網絡協議和系統管理任務,同時為增加軟件和系統功能留下足夠的CPU處理能力余量。
在上面的媒體服務器和媒體適配器設計實例中,RC32434處理器支持設計工程師構建出高性能、高成本效益的解決方案,其靈活性和可擴展性足以適應并滿足新興數字多媒體家庭網絡不斷演化的系統和市場需求。
作者:Matt Jones
Interprise通信處理器產品行銷經理
Email:mjones@
IDT公司
