基于HHBF561的家庭網(wǎng)關(guān)平臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)

　　引言

　　家庭網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是將一個(gè)家庭中的各種信息家電(如數(shù)字電視、游戲機(jī)、PDA等)及其它控制設(shè)備(如電表、水表、汽表、能源自動(dòng)控制、保安系統(tǒng)等)通過網(wǎng)絡(luò)連接為一個(gè)小范圍的局域網(wǎng)，以便集成控制網(wǎng)和信息網(wǎng)的服務(wù)，即解決“最后10米的問題”，它主要包括家庭網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和接人技術(shù)兩部分內(nèi)容。由于未來家庭內(nèi)部將會(huì)有多個(gè)信息設(shè)備(包括電腦、信息家電和控制設(shè)備)同時(shí)聯(lián)入Internet，為降低家庭用戶管理和維護(hù)的復(fù)雜性，一般不可能為每個(gè)信息設(shè)備都提供一個(gè)Internet出口，而且在目前沒有一種主導(dǎo)聯(lián)網(wǎng)解決方案的情況下，要解決各種信息設(shè)備之間的互聯(lián)和互操作問題，通常在考慮家庭網(wǎng)絡(luò)的組成時(shí)，往往會(huì)設(shè)置一個(gè)家庭網(wǎng)關(guān)。家庭網(wǎng)關(guān)是家庭區(qū)域網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，它可使家庭中的信息設(shè)備相互通信，并可通過同一個(gè)Internet高速管道實(shí)現(xiàn)集成的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和視頻服務(wù)。

　　1 基于HHBF561的家庭網(wǎng)關(guān)技術(shù)

　　家庭網(wǎng)關(guān)平臺(tái)主要完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換和處理，包括MPU，RAM、ROM、多種網(wǎng)絡(luò)接口及外設(shè)接口、RTOS、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和應(yīng)用軟件等。家庭網(wǎng)關(guān)是一個(gè)家庭專用設(shè)備。與實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)功能的普通PC機(jī)相比，傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)往往不夠穩(wěn)定，易用性較差。而作為提供關(guān)鍵功能(如安全可靠)的網(wǎng)關(guān)。專用設(shè)備則在性價(jià)比上存在較大優(yōu)勢(shì)?？紤]到家庭網(wǎng)關(guān)的靈活性、可移植性，本文基于HHBF561開發(fā)板，并采用主流家庭聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和接入技術(shù)，來對(duì)家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行如下定義：

　　(1) 網(wǎng)關(guān)是一個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換器，是一種可以對(duì)數(shù)據(jù)格式。傳輸速率和媒體驅(qū)動(dòng)方式等協(xié)議的轉(zhuǎn)換和通信轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)備。

　　(2) 設(shè)備資源管理器必須有一個(gè)I/O設(shè)備，通常應(yīng)由一個(gè)輸入裝置(鍵盤，鼠標(biāo)或話筒等)和顯示裝置組成，并應(yīng)能解釋設(shè)備描述文件。

　　(3) Web服務(wù)器應(yīng)具有瀏覽器功能，可以將設(shè)備配置管理文件轉(zhuǎn)換成操作頁(yè)面，并具有用超文本傳輸協(xié)議HTTP發(fā)送的能力。

　　(4) 網(wǎng)關(guān)還應(yīng)該是一個(gè)防火墻，應(yīng)能保證家庭網(wǎng)絡(luò)的信息安全。

　　2 基于HHBF561平臺(tái)的軟件開發(fā)

　　整個(gè)開發(fā)系統(tǒng)包括硬件開發(fā)板、底層軟件支持庫(kù)、驅(qū)動(dòng)程序、操作系統(tǒng)和上層應(yīng)用程序。這里以實(shí)現(xiàn)可視VoIP網(wǎng)關(guān)為例對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)介紹。圖1所示是其軟件架構(gòu)示意圖。

　　在網(wǎng)關(guān)軟件的整體結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)關(guān)的上層應(yīng)用包括最主要的控制部分程序，主要負(fù)責(zé)控制SIP核心協(xié)議棧SIP和RTP/RTCP核心協(xié)議棧的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)控制芯片工作以完成IP網(wǎng)側(cè)和PSTN網(wǎng)側(cè)協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換。而其它部分軟件由于各自的功能比較集中，因而可單獨(dú)模塊化實(shí)現(xiàn)。而整個(gè)軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)則是嵌入式操作系統(tǒng)。

　　2.1 μClinux操作系統(tǒng)

　　Linux是一種很受歡迎的操作系統(tǒng)，它與U-NIX系統(tǒng)兼容，并具有開放的源代碼。它原本被設(shè)計(jì)為桌面系統(tǒng)，現(xiàn)在則廣泛應(yīng)用于服務(wù)器領(lǐng)域。Linux更大的影響在于它正逐漸的應(yīng)用于嵌入式設(shè)備。μClinux正是在這種氛圍下產(chǎn)生的。在μClinux這個(gè)英文單詞中，μ表示Micro(小的意思)，C表示Control(控制的意思)，所以u(píng)Clinux就是Micro-Control-Linux，字面上的理解就是針對(duì)微控制領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的Linux系統(tǒng)。

　　μClinux的一大特點(diǎn)是它沒有MMU(Mem-mory Management Unit，內(nèi)存管理單元)，它是針對(duì)沒有MMU的CPU而設(shè)計(jì)的，并專為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。雖然μClinux不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，但出于移植簡(jiǎn)單和盡量靠攏標(biāo)準(zhǔn)Linux的需要，μClinux仍然沿用標(biāo)準(zhǔn)Linux的分頁(yè)內(nèi)存管理結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)將對(duì)實(shí)際存儲(chǔ)器進(jìn)行分頁(yè)，它實(shí)際上采用的是實(shí)存儲(chǔ)器管理策略。μClinux系統(tǒng)對(duì)于內(nèi)存的訪問是直接的，它對(duì)地址的訪問不需要經(jīng)過MMU，所有程序中訪問的地址都是實(shí)際的物理地址。該操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存空間沒有保護(hù)，各個(gè)進(jìn)程實(shí)際上共享一個(gè)運(yùn)行空間，而沒有獨(dú)立的地址轉(zhuǎn)換表。一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行前，系統(tǒng)必須為進(jìn)程分配足夠的地址空間，然后再全部載入主存儲(chǔ)器的連續(xù)空間。

　　2.2 μClinux的移植

　　由于向一個(gè)新的平臺(tái)上移植μClinux會(huì)涉及到很多文件，但是最主要的還是要使uClinux在指定的平臺(tái)上正常啟動(dòng)，其它與平臺(tái)相關(guān)的文件可以在進(jìn)一步開發(fā)過程中再進(jìn)行修改，我先分析一下在啟動(dòng)過程中都有哪些文件和具體硬件平臺(tái)相關(guān)，再修改相應(yīng)文件，以便一步一步地完成系統(tǒng)的移植工作。

　　2.3 Bootlaoder

　　Bootlaoder在沒有操作系統(tǒng)支持的情況下，便可構(gòu)建最簡(jiǎn)單的軟件運(yùn)行環(huán)境，并可將其保存在BOOTROM中，這樣，系統(tǒng)上電就能直接運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單命令行控制和網(wǎng)絡(luò)通訊功能。該開發(fā)板可從上位機(jī)通過tftp下載操作系統(tǒng)，并提供gdb調(diào)試，同時(shí)可以在此軟件平臺(tái)上搭建脫離操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序。Bootloader的啟動(dòng)模式要求其能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)加載功能。這可借鑒vxworks中的啟動(dòng)方式，即可啟動(dòng)之初有一小段時(shí)間等待用戶輸入，一旦用戶輸人就進(jìn)入下載模式。下載模式可提供手動(dòng)下載和內(nèi)存監(jiān)控功能。

　　2.4 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

　　通過家庭網(wǎng)關(guān)可使網(wǎng)絡(luò)與各種信息設(shè)備相連，相互交互進(jìn)行工作，但需要支持多種協(xié)議。物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議主要包括UWB協(xié)議和Cable Modem鏈路控制協(xié)議;網(wǎng)絡(luò)層和傳送層協(xié)議主要包括ARP、RARP、ICMP、DHCP Client/Server/Proxv、PPP、TP、DNS、RIP V1.0/V2.0、TCP、UDP等協(xié)議;應(yīng)用層協(xié)議主要包括TFTP、TFLNET、STMP、IMAP4、POP3、HTTP和SNMP等協(xié)議;安全協(xié)議可以采取一些較為簡(jiǎn)便的安全措施，如包過濾、NAT/PAT及多層次口令保護(hù)等。上述協(xié)議是家庭網(wǎng)關(guān)中可能用到的最大協(xié)議集合。實(shí)際上，在開發(fā)具體產(chǎn)品時(shí)，可根據(jù)應(yīng)用情況和產(chǎn)品配置情況進(jìn)行合理的裁剪。

　　3 基于HHBF561平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

　　本文給出了兩種硬件設(shè)計(jì)方案，分別為IPTV機(jī)頂盒解決方案和可視VoIP解決方案。

　　3.1 IPTV機(jī)頂盒解決方案

　　圖2所示是IPTV機(jī)頂盒解決方案的功能框圖。在該方案中，32位RISC MCU負(fù)責(zé)運(yùn)行嵌入式Llinux，以進(jìn)行無線局域網(wǎng)/以太網(wǎng)傳輸、硬盤存儲(chǔ)、音頻編解碼、文件管理以及控制處理等。MCU從網(wǎng)絡(luò)接收到的媒體流可以存儲(chǔ)到硬盤或者通過SPI接口(速率可達(dá)12 Mbps)傳給BF533，然后由BF533負(fù)責(zé)H.264@D1格式的視頻編解碼。該產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)的功能如下：

　　(1)支持H.264@D1格式的視頻播放;

　　(2)支持PCMCIA+802.11b無線接入;

　　(3)支持IrDA紅外遙控;

　　(4)支持100Mbps以太網(wǎng);

　　(5)支持硬盤存儲(chǔ);

　　(6)實(shí)現(xiàn)VGA/S port/CVBS視頻輸出和立體聲音頻輸出;

　　(7)支持PS2鍵盤輸入。

　　3.2 可視化VoIP解決方案

　　目前，ARM9系列的處理器在手持終端(如PDA、Smart Phone、PMP)產(chǎn)品上已經(jīng)有了非常廣泛的應(yīng)用。而實(shí)際上，它在可視電話上也有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)基于BF533和ARM9(400 MHz) MCU的可視VoIP電話方案是非?？尚械?。圖3所示是即是一個(gè)可視化的VOIP解決方案的結(jié)構(gòu)框圖。

　　該方案通過使用ARM9+BF533以及相關(guān)的軟件支持可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

　　(1)在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行音視頻的電話對(duì)講;

　　(2)通過多媒體娛樂功能可以播放MPEG4視頻和MP3、WMA音樂;

　　(3)支持email服務(wù);

　　(4)支持軟鍵盤和手寫輸入;

　　(5)可外接鍵盤和鼠標(biāo)。

　　4 相關(guān)說明

　　4.1 語(yǔ)音編碼技術(shù)

　　語(yǔ)音通信是可視電話最基本的功能。然而，受網(wǎng)絡(luò)條件的限制，可視電話不可能占用太大的帶寬。為了適應(yīng)低碼率語(yǔ)音通信的要求，ITU-T推出了G.72X系列語(yǔ)音壓縮標(biāo)準(zhǔn)。其中G.723.1、G.728、G.729和G.729A已在IP電話中得到了廣泛應(yīng)用。不同的語(yǔ)音壓縮標(biāo)準(zhǔn)所采用的技術(shù)不同，它們可提供不同的碼率、時(shí)延和語(yǔ)音質(zhì)量。

　　4.2 視頻編碼技術(shù)

　　原始的視頻數(shù)據(jù)需要占用非常高的帶寬。因此，如果要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，必須通過壓縮技術(shù)盡量降低視頻資料的碼率，以適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)條件。事實(shí)上，視頻壓縮算法的效率決定著可視電話的圖像質(zhì)量和應(yīng)用前景。

　　4.3 通信協(xié)議

　　為保證可視電話通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可靠的通信，不同的終端必須運(yùn)行統(tǒng)一的通信控制協(xié)議，以保證相互協(xié)同工作。ITU-T推出的H.320/323標(biāo)準(zhǔn)是面向不同網(wǎng)絡(luò)、不同網(wǎng)絡(luò)介面，不同信令過程、以及為適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)而優(yōu)化設(shè)計(jì)的包結(jié)構(gòu)。其中復(fù)用協(xié)定規(guī)定了視頻資料、語(yǔ)音資料等的打包標(biāo)準(zhǔn)，而控制協(xié)定的作用則是在終端之間協(xié)商通信方式，如視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)商，語(yǔ)音編碼標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)商，通道帶寬的協(xié)商等。基于以太網(wǎng)的可視電話通常采用H.323控制協(xié)議。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　家庭網(wǎng)關(guān)做為家庭網(wǎng)絡(luò)中最重要的一個(gè)設(shè)備，它連接著家庭網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)營(yíng)商，因此，對(duì)于家庭網(wǎng)絡(luò)的開展至關(guān)重要。本文基于華恒科技的HHBF561開發(fā)板所設(shè)計(jì)的嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)平臺(tái)，提出了兩種家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方法，并對(duì)可實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了描述。