数位家庭网路的新兴应用.doc

數位家庭網路的新興應用上網時間：2004年06月26日 下一代數位家庭網路正從已往僅能傳輸一般數據資料的功能提昇到可以支援網路上進行多媒體傳輸，所以對能支援這些下一代網路設備的功能需求也愈趨複雜與多元化。除了必須傳輸資料及如影片、音樂等多媒體內容外，還要能支援系統服務供應者隨時可能增加的新服務內容。這種演進的結果，就是不斷有可以和家庭網路交互作用的一些新興的多媒體設備及相對市場。同時OEM廠商的設計工程師也必須面臨不斷的新挑戰及問題，如和傳統以資料處理為中心平台大異其趣的不同的軟體或硬體需求。 數位家庭網路的進化 拜寬頻網路之賜，家庭網路開始蓬勃發展。使用DSL與纜線數據機接上寬頻，使得家中的電腦搖身一變成為現今家裡自有的資料網路中心。家裡任何成員都可以自在地操作自已的電腦，但只要分享一個寬頻連網，不論要列印、或要使用其它週邊設備或檔案，都暢通無阻。因此現在大部分的家庭網路應用都是以資料連網為主。 當然，消費者還是希望家庭網路能帶來更多便利，除了透過PC上網下載音樂，然後變成可存取的影音內容外，如果還能有分流到不同家庭影音設備的功能，就更為受歡迎。譬如可以將這些影音內容載存到家裡的中央伺服器，一台PC，或其它的數位裝置。隨著個人數位裝置如MP3、數位相機的普及以及無線網路技術愈趨先進，家庭網路也與電腦和這些數位裝置融合更緊密而成為數位家庭網路的架構。加上幾種多媒體產品如媒體配接器(media adapter)、媒體伺服器(media server)等產品的導入，更帶動家庭中數位設備的推陳出新(見圖一)。媒體配接器可以將數位多媒體內容分流、傳送到數位娛樂中心；而媒體伺服器則可以將數位多媒體內容儲存並供家庭網路中的每一成員分享使用。 多媒體裝置的要件 如前所述，家庭網路多媒體產品的軟硬體設計概念，是從傳統資料處理導向的家庭網路與一般消費性電子中整合而來講求輕薄短小、容易使用與裝置、支援所有家庭影音設備；就網路技術設計考量，則講究LAN/WLAN的連接性、網路安全考量、應用開發容易；但所有這些應用設計的基本要求都是要具備高度彈性。製造供應商的任務便是要能設計出一個不但可以滿足現有所有需求的平台，還要俱備隨時可以輕易快速加入新特色及功能的能力。 而現有大多製造廠商多半選擇矽晶元件製造產品，成本和產品導入週期等因素也需列入考量。採用客製化的晶片可符合尺寸大小的要求、還可以支援影音、LAN/WLAN連結，但由於這些多媒體產品的規格仍在持續制訂中，新晶片的研發費用與時間也相當昂貴。 即使使用市面流通的商業性晶片，也要考量到效能、整合性、及可與各種不同介面連接的彈性度。設計工程師也應該要考量是否可以前瞻性証明(future-proof)所設計的平台有足夠的效能及彈性，不但可以滿足現有的需求，也能因應隨時需要升級或加入新功能的要求。所以當設計工程師在設計多媒體產品時，其中一個影響效能的重要因素之一是加入通訊處理器，因為工程師需要在平台上支援不同網路技術的路由規格，從乙太網路、無線產品、及連接許多現有制式規格的周邊。從圖二可看出，一個好的多媒體裝置，如媒體配接器，必須能支援網路連結並與電腦磁碟與電視或電腦顯示器等周邊產品連接。 RC32434 Interprise整合通訊處理器 IDT RC32434 Interprise整合通訊處理器是IDT最高階的產品，和IDT的整合處理器RC32438與RC323xx相當類似，全部都具備32-bit MIPS指令集架構(ISA-instruction set architecture)核心、一個記憶體控制器(memory controller)一個可以和32-bit PCI 2.2版相容的介面。 核心差異 IDT RC32434 Interprise處理器係針對數位家庭網路多媒體產品所設計。如前所述，RC32434整合通訊處理器與家族其他產品的差異在於CPU核心。MIPS CPU核心的架構讓使用RC3233x產品系列的工程師可以利用原有的經驗法則，輕易就可以設計出昇級的平台及應用項目。而RC32434處理器的CPU核心能讓他們應付更具挑戰性的應用設計所需增加的功能需求。這些效能提昇則要歸功於更快的時脈速度(如266、300、350與400MHz等版本)以及8KB、4路固定式關聯指令(4-way set-associative instruction)以及資料快取(data cache)。 RC32434處理器最高速度為400MHz，支援網路標準，如乙太網路、通訊標準802.11a/b/g，以及支援其它的網路協定，如通用隨插即用(Universal plug/playUPnP)，如下圖所示。 DDR差異 當處理器速度增加時並不保證整體系統的效能也隨之上升，這是普遍知道的事實。因此，IDT加入雙倍資料傳輸(DDR)記憶體控制器希望打破這項認知。使用DDR技術為基礎的外部記憶體次系統與控制器有二項好處，其一是與SDRAM次系統的頻寬相較，DDR的記憶體頻寬立即變為雙倍；再來則是目前電腦組裝都傾向採用DDR記憶體，整體花費將降低。正因如此，16-bit資料寬度的DDR設定逐漸成為電腦記憶體發展曲線中備受矚目的甜蜜點(sweet spot)。IDT所設計的DDR記憶體控制器可以支援x16的外部記憶體設定，最高並支援256MB的DDR SRAM。DDR記憶體控制器與佔位面積較小的x32的SDRAM共同整合，將提供消費者一個深具成本效益的記憶體解決方案。 DDR記憶體控制器系統擁有解多工(de-multiplexed)，可以從區域記憶體與I/O裝置相連的匯流排，將位址與數據匯流排分離出來。設計的邏輯很簡單，因為如欲支援前述的DDR頻寬優勢，只為了讓多工位址與資料匯流排回頭再降低頻寬優勢，實在是沒有什麼道理。 PCI的限制與未來前景 PCI bus是業界非常受到歡迎的標準，許多低價、網路、儲存與影像的周邊產品都支援PCI介面。就像處理器和系統速度不一定會同步提昇一樣，具有PCI規格也不能保證整體處理效能會達到最高，因為決定因素在於PCI的設計方式。 RC32434 Interprise整合通訊處理器完全保有PCI 2.2版的優勢點。該介面支援匯流排調解邏輯，達到控制六個外部匯流排主控裝置要求並擁有匯流排主導權的目的，更特別的是讓外部的裝置以固定或循環優先的方式存取匯流排。如此一來，系統工程師可以調整PCI效能以符合特定系統與周邊匯流排實際的存取與資料流量模式。為增加系統彈性，RC32434處理器也同時支援host與satellite PCI模式、同步或非同步時域。 RC32434處理器的PCI匯流排介面速度最高達66MHz，處理猝發資料(bursting data)時效率達到最高，持續輸出處理資資料量為166MPps。並率先採用四個256byte暫存器與資料緩衝區容許持續的猝發，甚至當CPU持續抓取所需的資料時也不停止。 嵌入式乙太網路 為了設計與製造上的方便，整合通訊處理器並不見得要內嵌乙太網路，系統工程師只要另外把乙太網路埠掛在PCI匯流排上就可以。不過，這樣一來除了提高系統的花費外，晶片相互交流和匯流排運作的延遲將使整體效能大打折扣。因此，IDT選擇在新的整合通訊處理器上面內建一顆標準的10/100乙太網路介面，連結媒體獨立介面(MII)或精簡媒體獨立介面(RMII)，在連結不同的周邊設備時保有最高的彈性。 比起外接式乙太網路埠，嵌入式乙太網路介面的好處在於幫助IDT處理器降低PCI匯流排流量。此外，乙太網路埠直接與其它內嵌的系統資源，如專有的直接記憶體存取(direct memory access，DMA)通道相互合作，帶動系統效能的改善。RC32434另外有二個512byte傳送/接收的先進/先出(FIFO)支援網路卡實體位址(MAC address)，網路辨識邏輯的功能負責檢查輸入的位址。如此，不需要額外的設計、不需要多餘的零組件，卻贏得高效率的內嵌式乙太網路。 直接記憶體存取 直接記憶體存取DMA的發展幾乎掀起了一波微電腦設計的革命，因為當CPU內核不需要事必躬親處理每一個記憶體的存取，系統處理的效能就呈等比級數速度增加。幾乎三十個年頭過去，DMA的價值似乎有些被遺忘，但它對系統處理能力的貢獻卻是不能輕忽的。 RC32434整合通訊晶片有六個專有的DMA通道，二個供PCI控制器所用，處理PCI到記憶體間的雙向溝通；二個則作為乙太網路介面；最後二個負責記憶體到記憶體的運作。RC32434處理器在六個DMA頻道上設計飛掠(fly-by)的功能，核心處理器不需要另外處理儲存或是透通的工作，讓核心CPU全心進行其它工作，系統的效能也將因而提昇。 NVRAM與認證單元 多媒體產品在數位家庭網路中不斷成長，安全防護的問題開始受到矚目。寬頻網路下載分流檔案以及儲存衍生出內容保護(content protection，CP)以及數位版權管理(digital rights management，DRM)的爭議。為了符合不斷增長和改變的CP/DRM標準，RC32434整合先進的功能讓不同多媒體產品都能符合CP/DRM標準。 IDT加入認證單元(authentication unit，AU)以及64-byte的非揮發性記憶體NVRAM)，OEM廠商可以選擇在上面規劃存取控制、防止駭客入侵、防止複製等功能。像OEM廠商可以使用NVRAM儲存客製化的安全金鎖，透過不同的加密防護，確保每個平台的安全固若金湯。每個平台都擁有專屬的認證，在獲得授權後得以下載影片、音樂或其他多媒體內容；假設認證無效，平台的運作就會失靈，能防止駭客試圖入侵竊取受保護的資料。AU、NVRAM不但適用於內容保護，供應商也可使用認證單元和一連串的加密協定，在適合、有效的平台上升級硬體加強防護。 除了內容保護的作用外，NVRAM也能增加一般功能的附加價值，移除特定的外部周邊，以免消耗系統配置資料和裝置認證，例如IP網址。 RC32434 Interprise處理器的應用 以下則以簡易圖示舉例IDT在媒體轉接器、媒體伺服器和安全IP視訊攝影機的解決方案。值得注意的是，下面的每一個例子中，PCI介面都佔有的重要角色，因為該介面是處理器與多媒體產品所需之現有周邊之間互通的橋樑。 媒體轉接器 媒體轉接器是數位家庭網路中分流多媒體資訊的展示終端機，可以接收、編碼與展示壓縮的數位影片、聲音與靜態影像。在下面的圖表中，媒體伺服器利用RC32434處理器的內嵌式Ethernet MAC接通數位家庭網路，再以PCI介面連結WLAN、多媒體編碼晶片組等周邊。CPU將扮演用戶端的角色，負責執行相關的網路協定如TCP/IP、RTSP、RTP/RTCP、UPnP等，以溝通LAN與WAN。該裝置也加入一個繪圖介面(GUI)推動PCI匯流排上外部多媒體編碼晶片組的影像引擎。另外，RC32434在晶片內則直接內嵌認證單元與保護金鑰，支援業界標準的DRM機制。 媒體伺服器 媒體伺服器式數位家庭網路分配多媒體內容的中心，具有擷取、編碼與傳輸檔案的功能，從影片、聲音到靜態影像皆然。從下面的圖來看，媒體伺服器大大地利用PRC32434處理器內嵌Ethernet MAC的特點連結數位家庭網路，並使用PCI介面連接主要的周邊晶片組。 媒體伺服器的效能需求一向比媒體轉接器高，除了有一組WLAN晶片組，媒體伺服器還有一個多媒體編碼器、ATA/SATA儲存晶片組和一個USB 2.0 host或1394 Firewire的控制器。多媒體編碼器可以即時擷取及編碼類比式訊號，變轉換成MPEG-r或Windows Media9(WM9)的檔案格式。ATA/SATA晶片組則是提供硬碟區的標準連結。最後，USB 2.0主機控制器幫助外部裝置銜接外接盒，包括記憶卡讀寫器、CD/DVD磁碟或外接式HDD儲存裝置。再來，CPU可以執行不同的網路協定，同時也可以充當伺服器和用戶端，負責內域儲存檔案的儲存與傳送。當從網際網路上接收到內容，媒體伺服器則充當用戶端。 在數位家庭網路中，媒體伺服器分流內容到其他連網裝置上，像是媒體轉接器。RC32434處理器的最大價值就是協助不同裝置同時連結。 安全的IP視訊攝影機 監視用IP網路攝影機的發展方興未艾，可將拍攝的影像壓縮為數位資訊流，透過LAN或是WAN傳送，甚至藉由遠端控制平移、調焦與變焦。當然，RC32434也跟上趨勢在其中加入相關功能，RC32434高效能與彈性如何應用到網路攝影機上都列舉在下張圖表上。網路連結就由Ethernet MAC或PCI-based 802.11x晶片組負責；PCI匯流排則是連結影像編碼器，製作動態JPEG或MPEG-4數位影像壓縮檔；CPU執行的是網路與安全機制，例如控制連結LAN的UPnP，管理IPSec以加密影像資訊流，甚至是加密郵件伺服器以傳送動態偵測模組抓到的影像。另外，視訊攝影機也必須要支援來自CPU的HTML伺服器以網路為基礎的管理設定