基于ＵＰｎＰ協(xié)議棧的嵌入式家庭媒體適配器的研究與設(shè)計(jì)

摘要：研究并設(shè)計(jì)了一種基于UPnP協(xié)議的嵌入式家庭媒體適配器，它使傳統(tǒng)的影音家電與網(wǎng)絡(luò)媒體服務(wù)能夠方便地互連，并實(shí)現(xiàn)零配置連接。該設(shè)計(jì)充分滿足了數(shù)字家庭媒體內(nèi)部和外部Internet的數(shù)據(jù)流和媒體流共享的需求。

關(guān)鍵詞：數(shù)字家庭;數(shù)字媒體適配器;全球通用即插即用協(xié)議;嵌入式Linux

中圖分類號：TP303文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-3695(2008)05-1480-03

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，家庭網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品日益成熟，以消費(fèi)類電子產(chǎn)品為基礎(chǔ)的數(shù)字家庭模式已經(jīng)漸漸成型，給消費(fèi)者帶來了諸多娛樂體驗(yàn)。這些新體驗(yàn)的基本共同點(diǎn)是享受家庭網(wǎng)絡(luò)中豐富的多媒體內(nèi)容，而不管這些內(nèi)容的物理存儲(chǔ)位置[1]。數(shù)字家庭從組成上可以分為媒體適配器、各種信息終端設(shè)備（包括智能家電設(shè)備）以及有線或無線構(gòu)成的家庭網(wǎng)絡(luò)三部分[2]。數(shù)字家庭媒體適配器可以將PC與傳統(tǒng)家電結(jié)合起來，將家庭中各式各樣的電器設(shè)備全部連接起來，使各種設(shè)備互相識別、資源共享，組成家庭娛樂中心，實(shí)現(xiàn)家電設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化及遠(yuǎn)端操作，具有高度的數(shù)字化和聯(lián)網(wǎng)化的特點(diǎn)。目前從事數(shù)字家庭標(biāo)準(zhǔn)化的組織非常多，國外有DLNA（Digital Living Network Alliance）[3]、UPnP[4]論壇、ITU－T（ITU Telecommunication Standardization Sector）[5]、UOPF（Ubiquitous Open Platform Forum）[6]、ECHONET（Energy Conservation and Homecare Network）[7]聯(lián)盟等；國內(nèi)有閃聯(lián)[8]和e家佳（家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟——ITopHome）等。

數(shù)字家庭的關(guān)鍵問題是各種家電如何使用一種公共的協(xié)議來互相連接并交換信息。另一方面，安裝的簡易性和低成本也是設(shè)計(jì)家庭網(wǎng)絡(luò)的重要因素[9]。由于UPnP架構(gòu)具有無須驅(qū)動(dòng)程序支持、使用通用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、與媒體和傳輸類型無關(guān)、以HTTP技術(shù)為基礎(chǔ)等主要特點(diǎn)[10]，可以用來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的零配置互連[11]。本文采用UPnP協(xié)議棧來構(gòu)建家庭媒體適配器。家庭網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)字媒體內(nèi)容持續(xù)增長，人們迫切需要增強(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)部與外部充分流通和共享的需求，對成熟的數(shù)字家庭技術(shù)方案的需求迫在眉睫。

1數(shù)字媒體適配器的硬件框架設(shè)計(jì)

數(shù)字媒體適配器硬件系統(tǒng)如圖1所示，采用主從系統(tǒng)架構(gòu)、可組合的模塊化硬件平臺，同時(shí)帶有MiniPCI、USB、百兆網(wǎng)口、音/視頻等擴(kuò)展接口。IXP425網(wǎng)絡(luò)處理器主要運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧以及應(yīng)用程序，而EM8620則專注于各種媒體格式的解碼操作，它作為一個(gè)PCI從設(shè)備與IXP425相連。根據(jù)數(shù)字媒體適配器的特點(diǎn)，硬件平臺可分為三個(gè)主要的模塊：

a）系統(tǒng)總控模塊。系統(tǒng)的CPU模塊是以Intel的網(wǎng)絡(luò)處理器IXP425為核心的最小系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)處理器IXP425由三條主要的32位總線架構(gòu)組成各接口模塊。北橋總線AHB（advanced high performance bus）連接三個(gè)網(wǎng)絡(luò)處理器的引擎，同時(shí)連接SDRAM控制器和南北總線橋等。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中連接了四片32 MB的SDRAM，總計(jì)容量128 MB。南橋總線受處理器的XScale內(nèi)核、PCI控制器和南北橋總線的控制，用于連接隊(duì)列管理器、擴(kuò)展總線控制器以及AHB/APB(advanced peripheral bus)總線橋。APB總線在AHB/APB總線橋的控制下，主要用于連接一些外部設(shè)備，包括USB接口、中斷控制器、定時(shí)器、UART接口等。三條總線中南北AHB總線均工作在133 MHz，APB總線由于連接外圍設(shè)備，工作在66 MHz。該平臺利用了IXP420處理器上絕大多數(shù)總線接口除了USB控制器、UTOPIA和HSS等接口。該模塊為硬件平臺的核心模塊，承擔(dān)著系統(tǒng)核心處理的重要功能。

b）多媒體解碼模塊。媒體編碼處理器Sigma Designs 公司的EM8620是專門針對數(shù)字視頻通信設(shè)計(jì)的多格式解碼芯片，內(nèi)嵌166 MHz的32位RISC處理器，具有豐富的音/視頻接口；此外還包括PCI總線控制器和IDE總線接口。在視頻上支持MPEG-2、MPEG-4的標(biāo)清和高清解碼，支持VC－1的標(biāo)清解碼口。在視頻上支持MPEG-2、MPEG-4的標(biāo)清和高清解碼，支持VC－1的標(biāo)清解碼。在音頻上支持Dolby AC3、MPEG-1、MPEG-2的前三層和Windows WMA。具有NTSC/PAL復(fù)合視頻及S－Video分量輸出、YpbPr/RGB分量視頻輸出、SPDIF數(shù)字音頻輸出以及三路I2S串行數(shù)字PCM音頻輸出，實(shí)現(xiàn)5.1聲道環(huán)繞聲。

c）外圍接口模塊。存儲(chǔ)總線接口完成數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)和啟動(dòng)信息存儲(chǔ)。SDRAM與網(wǎng)絡(luò)處理器的存儲(chǔ)接口直接相連，大小為128 MB，用來存放動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和可執(zhí)行程序。Flash以及DOC與網(wǎng)絡(luò)處理器的擴(kuò)展總線相連，用來存放嵌入式系統(tǒng)的redboot和文件系統(tǒng)。百兆網(wǎng)絡(luò)接口完成百兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流的收發(fā)處理，百兆以太網(wǎng)控制器采用Relteck公司的RTL8201CP作為物理層驅(qū)動(dòng)。RTL8201CP是個(gè)高度集成的低成本單芯片以太網(wǎng)控制器，通過使用魔術(shù)包和喚醒方式可以方便地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)功能。USB2.0主控制器采用VT6212L，它具有四個(gè)端口的USB2.0控制芯片，能支持高達(dá)480 Mbps的傳輸速度，并采用動(dòng)態(tài)中止時(shí)序控制降低功耗。EM8620能夠提供模擬和數(shù)字視頻信號輸出，模擬視頻采用復(fù)合（CVBS）、分量（S－Video或YpbPr）方式直接輸出，在輸出中采用macrovision技術(shù)進(jìn)行防盜版錄制保護(hù)。數(shù)字視頻連接到DVI合成芯片Si164B，編碼后為DVI格式輸出[12]。EM8620可提供三路I2S和兩路SPDIF等兩種串行數(shù)字音頻信號。SPDIF串行數(shù)字信號直接輸出，可承載兩路PCM音頻或5.1聲道Dolby AC3音頻，每路I2S信號承載兩個(gè)聲道的PCM數(shù)據(jù)，三路I2S信號連接到音頻DAC芯片CE2711上，其輸出為六路模擬音頻，用于實(shí)現(xiàn)Dolby AC3 的5．1聲道環(huán)繞。

2數(shù)字媒體適配器軟件框架的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)家庭媒體中心的網(wǎng)絡(luò)和媒體處理能力，本文將系統(tǒng)的軟件功能劃分為三個(gè)模塊，即多媒體解碼Codec模塊、內(nèi)核/驅(qū)動(dòng)模塊和中間件/應(yīng)用模塊[13]。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。內(nèi)核驅(qū)動(dòng)模塊基于MotaVista 3.0的嵌入式操作系統(tǒng)之上，采用Linux2.4的內(nèi)核。基于硬件接口層的配置需提供如下幾種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，包括無線網(wǎng)卡WiFi的驅(qū)動(dòng)、USB2.0驅(qū)動(dòng)、紅外IrDA驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)處理器NPE驅(qū)動(dòng)、媒體處理器EM8620驅(qū)動(dòng)等。Codec模塊對MPEG－1/2/4、H.264、WMV、WMA以及MP3等媒體格式的數(shù)據(jù)流進(jìn)行相應(yīng)的解碼操作。對于RM格式的媒體，可先通過軟件將RM格式的媒體數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為MPEG的數(shù)據(jù)流，再進(jìn)行相應(yīng)的解碼操作。中間件/應(yīng)用模塊在幀緩存（frame buffer）的基礎(chǔ)上移植了嵌入式GUI，結(jié)合TCP/IP、HTTP、UPnP等協(xié)議以及文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了瀏覽及管理大容量存儲(chǔ)設(shè)備上數(shù)字媒體內(nèi)容的應(yīng)用，媒體播放中間件則抽象系統(tǒng)功能，提供應(yīng)用層需要的播放、Playback等API接口，并對上層應(yīng)用屏蔽底層硬件差異，增強(qiáng)應(yīng)用層的可移植性[14]。其中UPnP協(xié)議可以解決傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互連需要較為復(fù)雜的配置過程(如IP地址、網(wǎng)關(guān)、通信協(xié)議)而帶來安裝困難、維護(hù)麻煩等很多問題。它簡化了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的過程。使用UPnP技術(shù)的智能設(shè)備以物理形式連接到網(wǎng)絡(luò)中后，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配置、彼此發(fā)現(xiàn)、彼此連接并交換數(shù)據(jù)。其過程無須用戶參與，也無須第三方服務(wù)器幫助。

3基于UPnP協(xié)議棧中間層軟件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

UPnP規(guī)范定義在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間采用客戶端—服務(wù)器的方式互連。客戶端被稱為控制點(diǎn)（control points， CP），而服務(wù)器則稱為設(shè)備（devices）。為了達(dá)到不同設(shè)備間的自動(dòng)互連，可采用音/視頻設(shè)備（UPnP AV）、網(wǎng)關(guān)設(shè)備（UPnP IGD）、遠(yuǎn)程輸入/輸出設(shè)備（UPnP RIO）等互連設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字媒體適配器采用UPnP AV規(guī)范來構(gòu)建UPnP中間層軟件。其架構(gòu)包含了媒體服務(wù)器（media server）、媒體渲染設(shè)備（media renderer）和控制點(diǎn)三個(gè)基本實(shí)體。三方的交互模型如圖3所示。服務(wù)器與渲染設(shè)備之間的內(nèi)容是依靠第三方協(xié)議（out－of－band protocol）來傳輸（如HTTP GET、IEEE1394和RTSP等），控制點(diǎn)并不直接參與傳輸?shù)倪^程，因此媒體內(nèi)容的傳輸可以在無控制點(diǎn)干預(yù)的情況下進(jìn)行。

為了使整個(gè)傳輸過程更高效，可對媒體服務(wù)器控制點(diǎn)（MSCP）進(jìn)行連接控制、渲染設(shè)備控制兩方面的優(yōu)化。UPnP規(guī)范定義的控制點(diǎn)可以同時(shí)控制多個(gè)媒體服務(wù)器和渲染設(shè)備。這種能力的實(shí)現(xiàn)通過調(diào)用connection manager（CM）服務(wù)來完成。一方面由于用戶無須使用媒體適配器同時(shí)觀看多個(gè)媒體文件內(nèi)容，且實(shí)時(shí)傳輸、實(shí)時(shí)解碼對網(wǎng)絡(luò)帶寬和硬件的要求均十分高，可采用單連接方式，不必處理ＣＭ服務(wù)的請求與響應(yīng)，簡化了控制點(diǎn)的開發(fā)，同時(shí)也降低了代碼的耦合度與復(fù)雜度；另一方面控制點(diǎn)利用AV transport（AVT）服務(wù)來控制渲染設(shè)備的播放狀態(tài)，如播放、停止、快進(jìn)、快退等操作。系統(tǒng)采用的媒體處理器EM8620中包含了控制點(diǎn)和物理渲染設(shè)備的復(fù)合設(shè)備，所有的播放控制可以在系統(tǒng)內(nèi)部直接用媒體處理器的控制界面來操作，無須通過UPnP控制點(diǎn)來完成，因此實(shí)現(xiàn)的MSCP不必處理AV transport服務(wù)的響應(yīng)和請求，可大大簡化協(xié)議棧的處理過程。圖4描述了一個(gè)復(fù)合設(shè)備在精簡后的MSCP控制下的媒體傳輸過程，包括控制器查詢媒體服務(wù)器、控制器獲取媒體服務(wù)器描述、控制點(diǎn)查詢媒體內(nèi)容、使用HTTP GET傳輸四個(gè)基本過程。

4結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種高性價(jià)比基于UPnP協(xié)議棧的嵌入式家庭媒體適配器，并提出了對UPnP協(xié)議棧中間層軟件的優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)小型、高效、可移植性強(qiáng)的MSCP微協(xié)議棧。

參考文獻(xiàn)：

［1］OH Y J，LEE H K，KIM J T，et al.The DLNA proxy system architecture for sharing in－h(huán)ome media contents via Internet[C]//Proc ofthe 8th International Conference on Advanced Communication Technology.Korea:[s.n.]，2006:1855－1858.

[2]黃威.推動(dòng)數(shù)字家庭業(yè)務(wù)的家庭網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵設(shè)備——家庭網(wǎng)關(guān)[J].大眾科技，2005(11):124－125.

[3]MATSUBARA F M，HANADA T，IMAI S，et al.Design and implementation of a net－enabled DTV using DLNA features[C]//Proc of International Conference on Consumer Electronics.2006:119－120.

[4]BOBEK A，BOHN H，GOLATOWSKI F，et al.Enabling workflow in UPnP networks[C]//Proc of the 3rd IEEE International Conference on Industrial Informatics.Perth，Australia：[s.n.]，2005:166－171.

[5]COCHENNEC J Y.Activities on next－generation networks under glo-bal information infrastructure in ITU－T[J].IEEE Communications Magazine，2002，40(7):98－101.

[6]林治.數(shù)字家庭背后的戰(zhàn)役[J].現(xiàn)代傳輸，2006(4):32-36.

[7]陳佳宜.從日本在ECHONET的布局看網(wǎng)絡(luò)家電的發(fā)展[J].電子與電腦，2004(8):79-85.

[8]羅予晉.IGRS（閃聯(lián)）概述[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2006(3):42-46.

[9]KIM D S，LEE J M，KWON W H，et al.Design and implementation of home server system using UPnP middleware[R].[S.l.]:Consumer Electronics，2002:106－107.

[10]KIM D S，LEE J M，KWON W H，et al.Design and implementation of home network systems using UPnP middleware for networked appliances[J].IEEE Trans on Consumer Electronics，2002，48(4):963-972.

[11]UPnP Forum.UPnPdevice architecture[R].[S.l.]:UPnP Forum，2000.

[12]SHORFUZZAMAN M，ESKICIOGLU R，GRAHAM P.Video transco-ding using network processors to support dynamically adaptive video multicast[C]//Proc of the 20th International Conference on Advanced Information Networking and Applications.2006:50-56.

[13]解偉，全子一.基于EM8620的IPTV機(jī)頂盒的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2006(6):106－109.

[14]LEE I W，PARK H J，PARK K R，et al.Developments and performance evaluation of digital－h(huán)ome service delivery management systems[C]//Proc of Networking International Conference on Systems and International Conference on Mobile Communications Learning Technologies.2006:23.

“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文”