基于ＵＰｎＰ協議棧的嵌入式家庭媒體適配器的研究與設計

摘要：研究并設計了一種基于UPnP協議的嵌入式家庭媒體適配器，它使傳統的影音家電與網絡媒體服務能夠方便地互連，并實現零配置連接。該設計充分滿足了數字家庭媒體內部和外部Internet的數據流和媒體流共享的需求。

關鍵詞：數字家庭;數字媒體適配器;全球通用即插即用協議;嵌入式Linux

中圖分類號：TP303文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2008)05-1480-03

隨著數字技術的發展，家庭網絡產品日益成熟，以消費類電子產品為基礎的數字家庭模式已經漸漸成型，給消費者帶來了諸多娛樂體驗。這些新體驗的基本共同點是享受家庭網絡中豐富的多媒體內容，而不管這些內容的物理存儲位置[1]。數字家庭從組成上可以分為媒體適配器、各種信息終端設備（包括智能家電設備）以及有線或無線構成的家庭網絡三部分[2]。數字家庭媒體適配器可以將PC與傳統家電結合起來，將家庭中各式各樣的電器設備全部連接起來，使各種設備互相識別、資源共享，組成家庭娛樂中心，實現家電設備網絡化及遠端操作，具有高度的數字化和聯網化的特點。目前從事數字家庭標準化的組織非常多，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]聯盟等；國內有閃聯[8]和e家佳（家庭網絡標準產業聯盟——ITopHome）等。

數字家庭的關鍵問題是各種家電如何使用一種公共的協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計家庭網絡的重要因素[9]。由于UPnP架構具有無須驅動程序支持、使用通用的網絡協議、與媒體和傳輸類型無關、以HTTP技術為基礎等主要特點[10]，可以用來實現網絡設備的零配置互連[11]。本文采用UPnP協議棧來構建家庭媒體適配器。家庭網絡中的數字媒體內容持續增長，人們迫切需要增強對等通信與信息共享的能力。為了滿足數字媒體在家庭內部與外部充分流通和共享的需求，對成熟的數字家庭技術方案的需求迫在眉睫。

1數字媒體適配器的硬件框架設計

數字媒體適配器硬件系統如圖1所示，采用主從系統架構、可組合的模塊化硬件平臺，同時帶有MiniPCI、USB、百兆網口、音/視頻等擴展接口。IXP425網絡處理器主要運行嵌入式Linux操作系統、網絡協議棧以及應用程序，而EM8620則專注于各種媒體格式的解碼操作，它作為一個PCI從設備與IXP425相連。根據數字媒體適配器的特點，硬件平臺可分為三個主要的模塊：

a）系統總控模塊。系統的CPU模塊是以Intel的網絡處理器IXP425為核心的最小系統。網絡處理器IXP425由三條主要的32位總線架構組成各接口模塊。北橋總線AHB（advanced high performance bus）連接三個網絡處理器的引擎，同時連接SDRAM控制器和南北總線橋等。本系統設計中連接了四片32 MB的SDRAM，總計容量128 MB。南橋總線受處理器的XScale內核、PCI控制器和南北橋總線的控制，用于連接隊列管理器、擴展總線控制器以及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備，包括USB接口、中斷控制器、定時器、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備，工作在66 MHz。該平臺利用了IXP420處理器上絕大多數總線接口除了USB控制器、UTOPIA和HSS等接口。該模塊為硬件平臺的核心模塊，承擔著系統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是專門針對數字視頻通信設計的多格式解碼芯片，內嵌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的標清和高清解碼，支持VC－1的標清解碼口。在視頻上支持MPEG-2、MPEG-4的標清和高清解碼，支持VC－1的標清解碼。在音頻上支持Dolby AC3、MPEG-1、MPEG-2的前三層和Windows WMA。具有NTSC/PAL復合視頻及S－Video分量輸出、YpbPr/RGB分量視頻輸出、SPDIF數字音頻輸出以及三路I2S串行數字PCM音頻輸出，實現5.1聲道環繞聲。

c）外圍接口模塊。存儲總線接口完成數據的動態存儲和啟動信息存儲。SDRAM與網絡處理器的存儲接口直接相連，大小為128 MB，用來存放動態數據和可執行程序。Flash以及DOC與網絡處理器的擴展總線相連，用來存放嵌入式系統的redboot和文件系統。百兆網絡接口完成百兆以太網數據流的收發處理，百兆以太網控制器采用Relteck公司的RTL8201CP作為物理層驅動。RTL8201CP是個高度集成的低成本單芯片以太網控制器，通過使用魔術包和喚醒方式可以方便地實現網絡管理和維護功能。USB2.0主控制器采用VT6212L，它具有四個端口的USB2.0控制芯片，能支持高達480 Mbps的傳輸速度，并采用動態中止時序控制降低功耗。EM8620能夠提供模擬和數字視頻信號輸出，模擬視頻采用復合（CVBS）、分量（S－Video或YpbPr）方式直接輸出，在輸出中采用macrovision技術進行防盜版錄制保護。數字視頻連接到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等兩種串行數字音頻信號。SPDIF串行數字信號直接輸出，可承載兩路PCM音頻或5.1聲道Dolby AC3音頻，每路I2S信號承載兩個聲道的PCM數據，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，用于實現Dolby AC3 的5．1聲道環繞。

2數字媒體適配器軟件框架的設計

為了實現家庭媒體中心的網絡和媒體處理能力，本文將系統的軟件功能劃分為三個模塊，即多媒體解碼Codec模塊、內核/驅動模塊和中間件/應用模塊[13]。其結構如圖2所示。內核驅動模塊基于MotaVista 3.0的嵌入式操作系統之上，采用Linux2.4的內核?；谟布涌趯拥呐渲眯杼峁┤缦聨追N設備的驅動，包括無線網卡WiFi的驅動、USB2.0驅動、紅外IrDA驅動、網絡處理器NPE驅動、媒體處理器EM8620驅動等。Codec模塊對MPEG－1/2/4、H.264、WMV、WMA以及MP3等媒體格式的數據流進行相應的解碼操作。對于RM格式的媒體，可先通過軟件將RM格式的媒體數據流轉換為MPEG的數據流，再進行相應的解碼操作。中間件/應用模塊在幀緩存（frame buffer）的基礎上移植了嵌入式GUI，結合TCP/IP、HTTP、UPnP等協議以及文件系統實現了瀏覽及管理大容量存儲設備上數字媒體內容的應用，媒體播放中間件則抽象系統功能，提供應用層需要的播放、Playback等API接口，并對上層應用屏蔽底層硬件差異，增強應用層的可移植性[14]。其中UPnP協議可以解決傳統的網絡設備互連需要較為復雜的配置過程(如IP地址、網關、通信協議)而帶來安裝困難、維護麻煩等很多問題。它簡化了網絡設備聯網的過程。使用UPnP技術的智能設備以物理形式連接到網絡中后，可以實現自動配置、彼此發現、彼此連接并交換數據。其過程無須用戶參與，也無須第三方服務器幫助。

3基于UPnP協議棧中間層軟件的設計與優化

UPnP規范定義在網絡中節點之間采用客戶端—服務器的方式互連?？蛻舳吮环Q為控制點（control points， CP），而服務器則稱為設備（devices）。為了達到不同設備間的自動互連，可采用音/視頻設備（UPnP AV）、網關設備（UPnP IGD）、遠程輸入/輸出設備（UPnP RIO）等互連設備標準。數字媒體適配器采用UPnP AV規范來構建UPnP中間層軟件。其架構包含了媒體服務器（media server）、媒體渲染設備（media renderer）和控制點三個基本實體。三方的交互模型如圖3所示。服務器與渲染設備之間的內容是依靠第三方協議（out－of－band protocol）來傳輸（如HTTP GET、IEEE1394和RTSP等），控制點并不直接參與傳輸的過程，因此媒體內容的傳輸可以在無控制點干預的情況下進行。

為了使整個傳輸過程更高效，可對媒體服務器控制點（MSCP）進行連接控制、渲染設備控制兩方面的優化。UPnP規范定義的控制點可以同時控制多個媒體服務器和渲染設備。這種能力的實現通過調用connection manager（CM）服務來完成。一方面由于用戶無須使用媒體適配器同時觀看多個媒體文件內容，且實時傳輸、實時解碼對網絡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服務的請求與響應，簡化了控制點的開發，同時也降低了代碼的耦合度與復雜度；另一方面控制點利用AV transport（AVT）服務來控制渲染設備的播放狀態，如播放、停止、快進、快退等操作。系統采用的媒體處理器EM8620中包含了控制點和物理渲染設備的復合設備，所有的播放控制可以在系統內部直接用媒體處理器的控制界面來操作，無須通過UPnP控制點來完成，因此實現的MSCP不必處理AV transport服務的響應和請求，可大大簡化協議棧的處理過程。圖4描述了一個復合設備在精簡后的MSCP控制下的媒體傳輸過程，包括控制器查詢媒體服務器、控制器獲取媒體服務器描述、控制點查詢媒體內容、使用HTTP GET傳輸四個基本過程。

4結束語

本文設計了一種高性價比基于UPnP協議棧的嵌入式家庭媒體適配器，并提出了對UPnP協議棧中間層軟件的優化方法，實現了一個小型、高效、可移植性強的MSCP微協議棧。

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