用IXP網(wǎng)絡(luò)處理器設(shè)計的數(shù)字家庭媒體中心系統(tǒng)

摘 要 隨著電子消費類設(shè)備需求的不斷增加以及Internet數(shù)字媒體內(nèi)容的迅猛發(fā)展，家庭網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)字媒體內(nèi)容開始持續(xù)增長，人們更加迫切地需要增強(qiáng)對等通信與信息共享的能力。本文描述了一種基于IXP網(wǎng)絡(luò)處理器架構(gòu)的數(shù)字家庭媒體中心系統(tǒng)（DHMCS）的設(shè)計及其實現(xiàn)。
關(guān)鍵詞ARM，家庭媒體系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)，NMPR，UPnP

1 引 言

1.1 數(shù)字家庭的廣泛應(yīng)用
數(shù)字技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展正不斷產(chǎn)生眾多的數(shù)碼產(chǎn)品，從個人電腦、手機(jī)、PDA到MP3、數(shù)字電視、DVD、DV/DC，數(shù)字家電產(chǎn)品已經(jīng)步入了人們的日常生活之中。同時，寬帶通信與互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及也極大地促進(jìn)了數(shù)字媒體內(nèi)容的發(fā)展。因此，構(gòu)建一個寬帶接入、內(nèi)部互聯(lián)、內(nèi)容共享的數(shù)字家庭媒體中心的需求也變得日益突出。
根據(jù)IDC的定義，數(shù)字家庭是指可以實現(xiàn)家庭內(nèi)部所有設(shè)施控制并可得到反饋信息，聲音、文字、圖像信息可在不同家用設(shè)備上共享，并可隨時隨地實現(xiàn)這些控制與信息共享[1]。IDC的最新報告表明，至2008年數(shù)字家庭市場直接帶來的網(wǎng)絡(luò)、終端等相關(guān)軟/硬件的投資將超過100億美元，其中雙向機(jī)頂盒2008年約安裝3 300百萬臺，年復(fù)合增長率將達(dá)到311.7％，智能家庭網(wǎng)關(guān)由于其數(shù)字家庭高端解決方案的市場定位，2003～2008年的年復(fù)合增長率將高達(dá)89.4％[1]。因此，數(shù)字家庭媒體中心的推廣必將會產(chǎn)生巨大的附加產(chǎn)值，帶來巨大的發(fā)展?jié)摿Α?994年數(shù)字家庭概念的誕生，到今天數(shù)字家庭市場的正式啟動；從“維納斯”計劃的推出，到通用即插即用論壇（UPnP，Universal Plug and Play）、數(shù)字生活網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（DLNA，Digital Life Network Alliance）的成立，經(jīng)過十余年的發(fā)展，數(shù)字化生活已進(jìn)入了真正的發(fā)展期。
1.2 ARM技術(shù)的發(fā)展
嵌入式系統(tǒng)源自80年代以來的8位單片機(jī)技術(shù)。在90年代后期，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們的日常生活進(jìn)入了后PC時代，許多電子設(shè)備需要TCP/IP網(wǎng)絡(luò)功能和更智能、更強(qiáng)大的計算能力，如語音、音頻、視頻的數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸，圖形界面和觸摸屏技術(shù)，無線控制技術(shù)和相應(yīng)的軟件協(xié)議等。因此，對功能更強(qiáng)大的嵌入式處理器的需求也變得越來越突出。ARM作為嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的32位處理器體系結(jié)構(gòu)，已遍及工業(yè)控制、消費類電子、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、無線通信、成像和安全等各類應(yīng)用領(lǐng)域，并成為多個應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)CPU，ARM技術(shù)已經(jīng)滲透到人們生活的各個方面。
采用ARM技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)（IP）核的微處理器目前包括：ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、SecurCore系列、StrongARM系列和XScale系列。它們的共同特點是：體積小，功耗低，成本低，性能高；支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好地兼容8/16位器件；大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；大部分?jǐn)?shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；指令長度固定。除了具有上述共同特點之外，每個系列還具有各自的特色和應(yīng)用領(lǐng)域。其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10E為4個通用處理器系列，每個系列提供一套相對獨特的性能來滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求；SecurCore系列專門為安全性要求較高的應(yīng)用而設(shè)計，如電子商務(wù)、電子政務(wù)、電子銀行業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)證系統(tǒng)等領(lǐng)域；Intel公司的StrongARM系列融合了Intel的設(shè)計和處理技術(shù)以及ARM體系結(jié)構(gòu)的電源效率，在軟件上兼容ARMv4體系結(jié)構(gòu)，同時還采用了具有Intel自身優(yōu)點的技術(shù)，適用于便攜式通信和消費類電子領(lǐng)域；Intel公司的XScale系列是基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)的解決方案，具有高性能、高性價比、低功耗等優(yōu)點，適用于數(shù)字移動電話、個人數(shù)字助理和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等領(lǐng)域。

2 數(shù)字家庭媒體中心系統(tǒng)的設(shè)計

隨著電子消費類設(shè)備需求的不斷增加（如數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、MP3播放器和高清DVD等設(shè)備）以及Internet數(shù)字媒體內(nèi)容的迅猛發(fā)展，家庭網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)字媒體內(nèi)容開始持續(xù)增長，人們更加迫切地需要增強(qiáng)對等通信與信息共享的能力。為了滿足數(shù)字媒體在家庭內(nèi)部以及外部Internet充分流通和共享的需求，我們開發(fā)了一種高性價比的數(shù)字家庭媒體中心系統(tǒng)(DHMCS，Digital Home Media Center System)。該系統(tǒng)結(jié)合Intel的IXP網(wǎng)絡(luò)處理器和ESS多媒體解碼芯片，無縫地連接家庭內(nèi)部的個人電腦和家電，并通過以太網(wǎng)/無線網(wǎng)絡(luò)連接家庭外的寬帶Internet，在家庭環(huán)境內(nèi)/外共享數(shù)字媒體內(nèi)容，能夠?qū)Χ喾N媒體格式進(jìn)行管理、存儲、顯示以及分配，提供集成的數(shù)據(jù)、多媒體應(yīng)用以及自動控制與遠(yuǎn)程管理等功能。
圖1描述了DHMCS系統(tǒng)的整體框架。它通過DHCP協(xié)議、PPPoE協(xié)議、UDP協(xié)議、FTP協(xié)議、HTTP協(xié)議、UPnP協(xié)議[2]以及USB接口，從家庭PC機(jī)、寬帶Internet連接的網(wǎng)絡(luò)、存儲卡和DVD等設(shè)備中獲取多媒體數(shù)據(jù)，并且將這些數(shù)字媒體內(nèi)容在電視機(jī)和音響設(shè)備上播放。同時還提供媒體文件的管理以及遠(yuǎn)程控制功能。

圖1 DHMCS系統(tǒng)整體框架

2.1 DHMCS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
DHMCS由兩個子系統(tǒng)組成：一個是由IXP 425（Intel XScale系列）網(wǎng)絡(luò)處理器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)；另一個是由ESS 6688 DVD解碼芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)解碼子系統(tǒng)，以下簡稱為“IXP子系統(tǒng)”和“ESS子系統(tǒng)”。IXP子系統(tǒng)通過UDP協(xié)議、FTP協(xié)議、HTTP協(xié)議和UPnP協(xié)議，從網(wǎng)絡(luò)上獲取媒體數(shù)據(jù)；ESS子系統(tǒng)則對這些媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼并進(jìn)行音頻/視頻輸出，同時也能對存儲卡和DVD上的播放資源進(jìn)行處理。IXP子系統(tǒng)和ESS子系統(tǒng)通過I2C總線和雙端口SRAM（DPRAM）連接起來，其中： I2C總線主要負(fù)責(zé)控制命令和響應(yīng)的傳輸；而DPRAM則主要負(fù)責(zé)媒體數(shù)據(jù)的傳輸。本文的后續(xù)部分主要討論IXP子系統(tǒng)，而ESS子系統(tǒng)則超出了本文的范圍。圖2詳細(xì)描述了DHMCS中IXP子系統(tǒng)和ESS子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

圖2 DHMCS中IXP子系統(tǒng)和ESS子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

DHMCS完成一個用戶的請求涉及以下7個步驟：① ESS子系統(tǒng)將用戶請求網(wǎng)絡(luò)媒體文件的按鍵轉(zhuǎn)換為一個請求信息，并且按照一定格式寫入DPRAM中，然后ESS子系統(tǒng)使能相應(yīng)的中斷，通知IXP子系統(tǒng)DPRAM中的數(shù)據(jù)就緒；② IXP子系統(tǒng)從DPRAM中讀取就緒的數(shù)據(jù)，獲取用戶的請求信息；③ IXP子系統(tǒng)根據(jù)獲取的請求信息和指定的服務(wù)器，建立Ethernet/WiFi網(wǎng)絡(luò)連接；④ 服務(wù)器返回請求的媒體數(shù)據(jù)到IXP子系統(tǒng)中；⑤ IXP子系統(tǒng)將返回的數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的應(yīng)用函數(shù)接口寫入DPRAM；⑥ IXP子系統(tǒng)使能相應(yīng)的中斷，通知ESS子系統(tǒng)用戶請求的數(shù)據(jù)已返回；⑦ ESS子系統(tǒng)解碼返回的媒體數(shù)據(jù)，并通過音頻/視頻接口輸出。
為了實現(xiàn)DHMCS的網(wǎng)絡(luò)功能，將IXP子系統(tǒng)的軟件功能劃分為以下3層： 應(yīng)用層、操作系統(tǒng)層和驅(qū)動層。應(yīng)用層主要提供網(wǎng)絡(luò)功能模塊以及和ESS子系統(tǒng)通信所需的模塊，具體來說，包括UPnP協(xié)議、DHCP協(xié)議、PPPoE客戶端、FTP客戶端、HTTP客戶端，以及通信協(xié)議模塊。操作系統(tǒng)層基于MontaVista v3.0的Linux內(nèi)核，具有內(nèi)存管理、進(jìn)程調(diào)度、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)、中斷處理和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧等功能。驅(qū)動層主要提供各種設(shè)備的驅(qū)動，包括以太網(wǎng)驅(qū)動、無線WiFi驅(qū)動、Flash驅(qū)動、DPRAM驅(qū)動、I2C驅(qū)動，以及USB驅(qū)動。圖3描述了上述軟件結(jié)構(gòu)。

圖3 IXP子系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

2.2 IXP子系統(tǒng)的應(yīng)用層設(shè)計
用戶發(fā)出的請求主要有3類： 文件類請求（包括目錄列表等請求）、系統(tǒng)的設(shè)置或者命令請求，以及UPnP媒體流請求。對應(yīng)于以上請求，將IXP子系統(tǒng)的應(yīng)用層劃分為：應(yīng)用代理模塊、媒體文件下載模塊（負(fù)責(zé)通過TCP/IP協(xié)議取得請求文件）、UPnP媒體流模塊（負(fù)責(zé)處理UPnP請求）、用戶遠(yuǎn)程設(shè)置模塊（負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)設(shè)置請求），以及與ESS子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和命令控制的通信協(xié)議模塊。應(yīng)用代理模塊層在DHMCS系統(tǒng)中處于樞紐位置，它將各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用（如FTP、HTTP、UPnP以及用戶遠(yuǎn)程設(shè)置）有效地連接起來，起到應(yīng)用代理的作用。應(yīng)用代理模塊首先從通信協(xié)議模塊接收ESS子系統(tǒng)發(fā)送的用戶請求；然后交給相應(yīng)的模塊處理；最后將服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)和響應(yīng)通過通信協(xié)議模塊返回給ESS子系統(tǒng)。圖4描述了IXP子系統(tǒng)應(yīng)用層的模塊劃分。

圖4 IXP子系統(tǒng)應(yīng)用層的模塊劃分

IXP子系統(tǒng)和ESS子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸和命令控制則由通信協(xié)議模塊和通信驅(qū)動模塊共同完成。通信協(xié)議模塊主要負(fù)責(zé)IXP子系統(tǒng)和ESS子系統(tǒng)之間通信協(xié)議的實現(xiàn)，它將用戶的請求或者服務(wù)器返回的媒體數(shù)據(jù)構(gòu)造成數(shù)據(jù)包（Packet），并將每個Packet拆分為幾個更小的mPacket，以便通信驅(qū)動模塊的傳輸，另外兩個子系統(tǒng)之間的確認(rèn)消息也在這一層實現(xiàn)；而通信驅(qū)動模塊主要負(fù)責(zé)具體的硬件傳輸，它直接控制I2C總線和DPRAM硬件，能夠?qū)⑿畔?zhǔn)確無誤地傳輸?shù)紼SS子系統(tǒng)中。參考OSI標(biāo)準(zhǔn)的7層模型，將IXP子系統(tǒng)和ESS子系統(tǒng)之間的通信協(xié)議劃分為以下4個層次：應(yīng)用層進(jìn)行ESS子系統(tǒng)的請求消息和IXP子系統(tǒng)的響應(yīng)消息的交互，完成消息的解析和處理；傳輸層主要是對要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分段重組（SAR），實現(xiàn)媒體文件和命令端到端的傳輸；鏈路層主要是進(jìn)行DPRAM內(nèi)存塊的讀/寫以及I2C總線上的控制命令傳輸，提供兩端訪問DPRAM和I2C總線的通信機(jī)制；DPRAM提供雙端口讀/寫內(nèi)存塊的通道，I2C提供命令控制通道。整個過程如圖5所示。

圖5 IXP子系統(tǒng)和ESS子系統(tǒng)之間通信協(xié)議的層次劃分

3 IXP子系統(tǒng)的實現(xiàn)

本節(jié)將詳細(xì)介紹IXP子系統(tǒng)中UPnP媒體流模塊以及IXP子系統(tǒng)和ESS子系統(tǒng)之間的媒體數(shù)據(jù)傳輸功能的實現(xiàn)。系統(tǒng)中其他模塊的實現(xiàn)相對容易，在此不做描述。
3.1 UPnP媒體流模塊的實現(xiàn)
我們實現(xiàn)的UPnP媒體流模塊符合Intel的網(wǎng)絡(luò)多媒體產(chǎn)品規(guī)范[3]（Networked Media Product Requirements：NMPR v1.0）。NMPR規(guī)范將媒體設(shè)備劃分為3部分： 媒體服務(wù)器（Media Server）、播放器（Renderer）和控制點（Control Point），并且利用UPnP協(xié)議完成這3部分之間媒體數(shù)據(jù)和控制命令的傳輸。我們實現(xiàn)的UPnP媒體流模塊實際上包含了Renderer和Control Point這兩部分，媒體服務(wù)器可以是符合NMPR規(guī)范的任意的PC機(jī)。

圖6 UPnP媒體流模塊的實現(xiàn)

圖6描述了UPnP媒體流模塊的實現(xiàn)過程。首先應(yīng)用代理模塊向控制點發(fā)送用戶的數(shù)據(jù)請求，控制點接收到用戶的請求后就與媒體服務(wù)器進(jìn)行通信；然后將媒體服務(wù)器的響應(yīng)信息返回給應(yīng)用代理模塊，隨后媒體服務(wù)器將用戶所請求的媒體數(shù)據(jù)傳輸給Renderer；最后Renderer將這些數(shù)據(jù)返回給應(yīng)用代理模塊，再由通信協(xié)議模塊傳輸給ESS子系統(tǒng)，再由ESS子系統(tǒng)對這些媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼輸出。同時控制點還可與Renderer相互通信，實現(xiàn)一系列媒體播放的功能。
3.2 DPRAM媒體數(shù)據(jù)傳輸功能的實現(xiàn)
通信協(xié)議模塊實現(xiàn)的主要功能有：將Packet拆分成多個mPacket；向通信驅(qū)動模塊發(fā)送或接收mPacket；向應(yīng)用代理模塊發(fā)送用戶的數(shù)據(jù)請求和控制命令，并接收服務(wù)器的響應(yīng)消息；管理請求隊列和響應(yīng)隊列。完成一次IXP子系統(tǒng)和ESS子系統(tǒng)之間媒體數(shù)據(jù)傳輸所涉及的數(shù)據(jù)變化如圖7所示。

圖7 IXP子系統(tǒng)和ESS子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸所涉及的數(shù)據(jù)變化

應(yīng)用代理層到DPRAM的數(shù)據(jù)傳輸過程為：① 應(yīng)用層根據(jù)需要將相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳遞到傳輸層；② 傳輸層收到報文后檢查報文的長度，如果報文長度大于底層所能夠傳輸?shù)膱笪拈L度，則傳輸層將報文進(jìn)行拆分，添加相應(yīng)的報頭信息，以保證接收端能夠正確地重組，并傳遞給鏈路層；③ 鏈路層收到上層報文后，在報頭添加相應(yīng)的控制信息，以保證接收端能夠正確地存取數(shù)據(jù)，然后將報文發(fā)送到DPRAM上。反之，由DPRAM到應(yīng)用層的數(shù)據(jù)傳輸過程為：① 鏈路層從DPRAM中讀取報文，并去掉相應(yīng)的報頭信息，將數(shù)據(jù)傳遞給傳輸層；② 傳輸層收到底層傳遞的數(shù)據(jù)后，根據(jù)該層添加的報頭信息重組報文，然后傳遞給應(yīng)用層。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合了IXP網(wǎng)絡(luò)處理器和ESS解碼芯片的特點，實現(xiàn)了一種具有高性價比的家庭媒體中心系統(tǒng)。它充分滿足了數(shù)字媒體在家庭內(nèi)部以及外部Internet充分流通和共享的需求。