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

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

1 引  言

1.1 數(shù)字家庭的廣泛應用
    數(shù)字技術和計算機技術的飛速發(fā)展正不斷產(chǎn)生眾多的數(shù)碼產(chǎn)品，從個人電腦、手機、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)應用的普及也極大地促進了數(shù)字媒體內容的發(fā)展。因此，構建一個寬帶接入、內部互聯(lián)、內容共享的數(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)家庭內部所有設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、終端等相關軟/硬件的投資將超過100億美元，其中雙向機頂盒2008年約安裝3 300百萬臺，年復合增長率將達到311.7％，智能家庭網(wǎng)關由于其數(shù)字家庭高端解決方案的市場定位，2003～2008年的年復合增長率將高達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?。?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)字化生活已進入了真正的發(fā)展期。
1.2  ARM技術的發(fā)展
    嵌入式系統(tǒng)源自80年代以來的8位單片機技術。在90年代后期，隨著網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，人們的日常生活進入了后PC時代，許多電子設備需要TCP/IP網(wǎng)絡功能和更智能、更強大的計算能力，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，無線控制技術和相應的軟件協(xié)議等。因此，對功能更強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)領域中應用最廣泛的32位處理器體系結構，已遍及工業(yè)控制、消費類電子、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡應用、無線通信、成像和安全等各類應用領域，并成為多個應用領域的標準CPU，ARM技術已經(jīng)滲透到人們生活的各個方面。
    采用ARM技術知識產(chǎn)權（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；大部分數(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用領域。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用領域的需求；SecurCore系列專門為安全性要求較高的應用而設計，如電子商務、電子政務、電子銀行業(yè)務、網(wǎng)絡和認證系統(tǒng)等領域；Intel公司的StrongARM系列融合了Intel的設計和處理技術以及ARM體系結構的電源效率，在軟件上兼容ARMv4體系結構，同時還采用了具有Intel自身優(yōu)點的技術，適用于便攜式通信和消費類電子領域；Intel公司的XScale系列是基于ARMv5TE體系結構的解決方案，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)絡產(chǎn)品等領域。

2  數(shù)字家庭媒體中心系統(tǒng)的設計

    隨著電子消費類設備需求的不斷增加（如數(shù)碼相機、數(shù)字攝像機、MP3播放器和高清DVD等設備）以及Internet數(shù)字媒體內容的迅猛發(fā)展，家庭網(wǎng)絡中的數(shù)字媒體內容開始持續(xù)增長，人們更加迫切地需要增強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)結合Intel的IXP網(wǎng)絡處理器和ESS多媒體解碼芯片，無縫地連接家庭內部的個人電腦和家電，并通過以太網(wǎng)/無線網(wǎng)絡連接家庭外的寬帶Internet，在家庭環(huán)境內/外共享數(shù)字媒體內容，能夠對多種媒體格式進行管理、存儲、顯示以及分配，提供集成的數(shù)據(jù)、多媒體應用以及自動控制與遠程管理等功能。
    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、寬帶Internet連接的網(wǎng)絡、存儲卡和DVD等設備中獲取多媒體數(shù)據(jù)，并且將這些數(shù)字媒體內容在電視機和音響設備上播放。同時還提供媒體文件的管理以及遠程控制功能。

圖1  DHMCS系統(tǒng)整體框架

2.1  DHMCS的系統(tǒng)結構
    DHMCS由兩個子系統(tǒng)組成：一個是由IXP 425（Intel XScale系列）網(wǎng)絡處理器構成的網(wǎng)絡子系統(tǒng)；另一個是由ESS 6688 DVD解碼芯片構成的數(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)進行解碼并進行音頻/視頻輸出，同時也能對存儲卡和DVD上的播放資源進行處理。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總線主要負責控制命令和響應的傳輸；而DPRAM則主要負責媒體數(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詳細描述了DHMCS中IXP子系統(tǒng)和ESS子系統(tǒng)的結構。

圖2  DHMCS中IXP子系統(tǒng)和ESS子系統(tǒng)的結構

    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)絡媒體文件的按鍵轉換為一個請求信息，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器，建立Ethernet/WiFi網(wǎng)絡連接；④ 服務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)通過相應的應用函數(shù)接口寫入DPRAM；⑥ IXP子系統(tǒng)使能相應的中斷，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)絡功能，將IXP子系統(tǒng)的軟件功能劃分為以下3層： 應用層、操作系統(tǒng)層和驅動層。應用層主要提供網(wǎng)絡功能模塊以及和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內核，具有內存管理、進程調度、設備管理、文件系統(tǒng)、中斷處理和網(wǎng)絡協(xié)議棧等功能。驅動層主要提供各種設備的驅動，包括以太網(wǎng)驅動、無線WiFi驅動、Flash驅動、DPRAM驅動、I2C驅動，以及USB驅動。圖3描述了上述軟件結構。

圖3  IXP子系統(tǒng)的軟件結構

2.2  IXP子系統(tǒng)的應用層設計
    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)的設置或者命令請求，以及UPnP媒體流請求。對應于以上請求，將IXP子系統(tǒng)的應用層劃分為：應用代理模塊、媒體文件下載模塊（負責通過TCP/IP協(xié)議取得請求文件）、UPnP媒體流模塊（負責處理UPnP請求）、用戶遠程設置模塊（負責處理系統(tǒng)設置請求），以及與ESS子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸和命令控制的通信協(xié)議模塊。應用代理模塊層在DHMCS系統(tǒng)中處于樞紐位置，它將各種網(wǎng)絡應用（如FTP、HTTP、UPnP以及用戶遠程設置）有效地連接起來，起到應用代理的作用。應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；然后交給相應的模塊處理；最后將服務器返回的數(shù)據(jù)和響應通過通信協(xié)議模塊返回給ESS子系統(tǒng)。圖4描述了IXP子系統(tǒng)應用層的模塊劃分。

圖4  IXP子系統(tǒng)應用層的模塊劃分

    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)議模塊和通信驅動模塊共同完成。通信協(xié)議模塊主要負責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器返回的媒體數(shù)據(jù)構造成數(shù)據(jù)包（Packet），并將每個Packet拆分為幾個更小的mPacket，以便通信驅動模塊的傳輸，另外兩個子系統(tǒng)之間的確認消息也在這一層實現(xiàn)；而通信驅動模塊主要負責具體的硬件傳輸，它直接控制I2C總線和DPRAM硬件，能夠將信息準確無誤地傳輸?shù)紼SS子系統(tǒng)中。參考OSI標準的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：應用層進行ESS子系統(tǒng)的請求消息和IXP子系統(tǒng)的響應消息的交互，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；鏈路層主要是進行DPRAM內存塊的讀/寫以及I2C總線上的控制命令傳輸，提供兩端訪問DPRAM和I2C總線的通信機制；DPRAM提供雙端口讀/寫內存塊的通道，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)范將媒體設備劃分為3部分： 媒體服務器（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，媒體服務器可以是符合NMPR規(guī)范的任意的PC機。

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器進行通信；然后將媒體服務器的響應信息返回給應用代理模塊，隨后媒體服務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；向通信驅動模塊發(fā)送或接收mPacket；向應用代理模塊發(fā)送用戶的數(shù)據(jù)請求和控制命令，并接收服務器的響應消息；管理請求隊列和響應隊列。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

    應用代理層到DPRAM的數(shù)據(jù)傳輸過程為：① 應用層根據(jù)需要將相應的數(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，則傳輸層將報文進行拆分，添加相應的報頭信息，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，然后傳遞給應用層。

4  結束語

    本文結合了IXP網(wǎng)絡處理器和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)字媒體在家庭內部以及外部Internet充分流通和共享的需求。