新興存儲技術(shù)在住宅網(wǎng)關(guān)的應用及選擇策略
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住宅網(wǎng)關(guān)是在寬帶接入網(wǎng)(WAN)和家庭局域網(wǎng)(LAN)之間充當家庭網(wǎng)絡(luò )核心的一類(lèi)設備，支持互聯(lián)電器之間的雙向通信和數據傳輸，并可接入互聯(lián)網(wǎng)。住宅網(wǎng)關(guān)是提供通用高速互聯(lián)接入的關(guān)鍵設備，可為不同寬帶接入方式與多種家庭聯(lián)網(wǎng)解決方案，如HomePNA、HomeRF、無(wú)線(xiàn)LAN或IEEE1394的集成提供平臺和匯集點(diǎn)(convergencepoint)。同樣，住宅網(wǎng)關(guān)還是業(yè)務(wù)提供商通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對本地設備進(jìn)行遠程業(yè)務(wù)配置的重要手段。
推動(dòng)住宅網(wǎng)關(guān)發(fā)展有諸多因素，包括以下幾點(diǎn)：1.新興的本地網(wǎng)絡(luò )技術(shù)不斷涌現；2.帶有智能電子控制系統的家庭不斷增加；3.網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商不斷擴展新業(yè)務(wù)；4.互聯(lián)網(wǎng)應用持續增長(cháng)；5.國際通用標準的制訂；6.寬帶互聯(lián)應用不斷推廣；7.新興休閑娛樂(lè )方式(包括數字電視)涌現。
典型的網(wǎng)關(guān)架構
由于寬帶技術(shù)的應用相對行比較新，并在不斷發(fā)展，因此住宅網(wǎng)關(guān)的功能也在不斷完善。此外，住宅網(wǎng)關(guān)設計必須能滿(mǎn)足未來(lái)5至10年的發(fā)展變化，這意味著(zhù)必須以模塊化、著(zhù)眼于未來(lái)的方式設計相關(guān)的軟件和硬件。為了更好地理解住宅網(wǎng)關(guān)，首先有必須了解其核心器件：住宅網(wǎng)關(guān)主要由處理器、存儲器、數字調制解調器、家庭聯(lián)網(wǎng)芯片組和相關(guān)軟件組成，其中存儲器包括易失性存儲器(RAM)和非易失存儲器(閃存)。
處理器是住宅網(wǎng)關(guān)的核心器件，負責處理幾乎所有的任務(wù)。處理器決定了適用的操作系統、可運行的軟件、功耗及系統穩定程度等特性。此外，處理器還是整個(gè)系統成本的主要決定因素，處理器越新、越快、功能越強，住宅網(wǎng)關(guān)也就越昂貴，也更適用于未來(lái)的應用需要?，F有的一些主流處理器實(shí)際上是將網(wǎng)絡(luò )器件和CPU集成在高性?xún)r(jià)比芯片上的系統級芯片。
與計算機一樣，網(wǎng)關(guān)也需要存儲器對用戶(hù)或運營(yíng)商發(fā)出的指令進(jìn)行存儲和操作。存儲器可用的有效數據越多，網(wǎng)關(guān)運行的速度就越快。網(wǎng)關(guān)通常采用RAM和閃存，RAM存儲的數據易失，因此一旦電源關(guān)閉，RAM將丟失所存儲的內容。相反，即使斷電閃存也能保障網(wǎng)關(guān)的操作系統和專(zhuān)用特性以及用戶(hù)數據和網(wǎng)絡(luò )數據等信息。閃存是重要資源的“保護神”，在可能的條件下應當為存儲的代碼和數據提供可靠而持長(cháng)久的硬件和軟件保護。
由于網(wǎng)關(guān)支持多種調制解調器，因此具有較強的配置靈活性。這些調制解調器可為直播衛星、固定無(wú)線(xiàn)寬帶、雙向電纜網(wǎng)絡(luò )，以及電力線(xiàn)局域網(wǎng)和ISDN的寬帶接入網(wǎng)絡(luò )提供互聯(lián)。在住宅網(wǎng)關(guān)的本地網(wǎng)絡(luò )側，芯片組可為運行在本地網(wǎng)上的特定技術(shù)提供接口。除不同類(lèi)型的寬帶和本地網(wǎng)芯片組之外，所有的網(wǎng)關(guān)還包含支持設備運行所需軟件的計算資源。
住宅網(wǎng)關(guān)上運行的軟件能改善家庭信息設備與業(yè)務(wù)之間的協(xié)同工作。軟件雖然使用戶(hù)無(wú)須關(guān)心系統部件的復雜性，但住宅網(wǎng)關(guān)必須具有極其穩定的操作系統，以調節如存儲器和處理器利用率等資源的分配，操作系統還必須足夠小以降低存儲成本。此外，操作系統還必須具有靈活的模塊化軟件配置，以適應未來(lái)不斷增長(cháng)的器件架構需求，并進(jìn)行遠程更新和升級。
住宅網(wǎng)關(guān)的功能
住宅網(wǎng)關(guān)的設計決定于網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商提供的服務(wù)。傳統上，服務(wù)提供商僅僅只獲得接入上的收費，而住宅網(wǎng)關(guān)則有助于運營(yíng)商提供適用于家庭的傳統服務(wù)和增值服務(wù)。這些服務(wù)包括：
1.通信：為PC和互聯(lián)網(wǎng)設備提供網(wǎng)絡(luò )接入以及實(shí)現家庭多個(gè)設備互連的服務(wù)提供商將受到市場(chǎng)的歡迎。此外，增值電話(huà)業(yè)務(wù)，如基于IP的語(yǔ)音和單線(xiàn)多話(huà)路連接服務(wù)將得到更多用戶(hù)的響應。
2.安全：基于住宅網(wǎng)關(guān)的安全系統可取代現有的安全系統。新興的先進(jìn)業(yè)務(wù)，如系統的遠程監控可利用標準的互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器或移動(dòng)電話(huà)實(shí)現，這將有效集成現有的核心業(yè)務(wù)和安全業(yè)務(wù)，并為用戶(hù)提供更廣泛的安全措施。
3.家庭自動(dòng)化：將家庭自動(dòng)化和現有家庭服務(wù)捆綁起來(lái)，這樣可吸引更多以前對家庭自動(dòng)化不感興趣的用戶(hù)來(lái)關(guān)注住宅網(wǎng)關(guān)。
4．未知業(yè)務(wù)：如果設計能真正著(zhù)眼于未來(lái)應用，則必須考慮未來(lái)可能的需求，而這些需求目前還不被住宅網(wǎng)關(guān)設計工程師和業(yè)務(wù)提供商所了解。這只能通過(guò)真正的模塊化架構才能實(shí)現，這種設計必須集成靈活的可擴展硬件平臺，以及支持為開(kāi)展新服務(wù)而對操作系統和應用程序升級的魯棒性文件系統。
住宅網(wǎng)關(guān)的類(lèi)型
住宅網(wǎng)關(guān)是在互聯(lián)網(wǎng)和家庭內部網(wǎng)之間路由數字內容的面向用戶(hù)的設備，目前主要有以下幾類(lèi)網(wǎng)關(guān)：
1.基于計算機的家庭服務(wù)器：基于計算機的網(wǎng)關(guān)也稱(chēng)為家庭服務(wù)器，理論上是最簡(jiǎn)單易行的一種住宅網(wǎng)關(guān)，因為目前已經(jīng)具備了大量已安裝并具處理能力的計算機、數字調制解調器和軟件平臺，這完全適用于配置家庭聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。
2.數字視頻錄像機(DVR)：DVR可安裝軟件，這有助于用戶(hù)以數字方式記錄并存儲電視節目。電視觀(guān)眾利用DVR可以暫停直播電視節目，甚至還能繞開(kāi)商業(yè)廣告。目前，DVR已能提供寬帶數字網(wǎng)絡(luò )接口，在不遠的將來(lái)，DVR有望成為提供各種新業(yè)務(wù)的網(wǎng)關(guān)設備。
3.數字機頂盒(STB)：數字STB仍是消費電子產(chǎn)品市場(chǎng)上發(fā)展最快的一種數字設備，數字STB為內容提供商、服務(wù)提供商、設備生產(chǎn)商和半導體供應商提供了一個(gè)大有潛力的市場(chǎng)。STB以前只是一種單純的接收設備，而現在則能處理傳統的計算和DVR功能。對通信公司來(lái)說(shuō)，采用集成DVR的STB很重要，這樣可以使其服務(wù)和平臺區別于其它的競爭對手。
4.其它類(lèi)型：游戲機和多用途測量設備提供了一種富有想象力、有意義的平臺，并將發(fā)展為具有市場(chǎng)潛力的住宅網(wǎng)關(guān)類(lèi)型。像微軟和索尼這些公司都相信高速游戲平臺完全可作為未來(lái)數字家庭的網(wǎng)關(guān)或集線(xiàn)器。
共享存儲器件
所有期望在家庭網(wǎng)關(guān)市場(chǎng)上占有一席之地的數字消費電子產(chǎn)品都具有共同的一點(diǎn)，即需要高可靠性、高性能、低成本和低功耗的存儲器。目前，存儲器已成為業(yè)務(wù)增長(cháng)最快的領(lǐng)域，這不僅體現在存儲器的規格和數量不斷增大而封裝卻越來(lái)越小，而且存儲器的成本和功耗也不斷下降。住宅網(wǎng)關(guān)的存儲器可分為基于閃速半導體的固態(tài)存儲器和硬盤(pán)存儲器，這些存儲器基于不同的標準，并具有不同的外形和規格。
眾所周知，硬盤(pán)的壽命低于消費電子產(chǎn)品的平均壽命。硬盤(pán)固有的耐用性受限于內部的可動(dòng)部件，并受其所處的環(huán)境因素影響，硬盤(pán)的故障可能?chē)乐赜绊懛?wù)提供商的商業(yè)利益。據一些機頂盒生產(chǎn)商反映，PVR硬盤(pán)驅動(dòng)的年故障率可達2%至8%，而且目前還沒(méi)有降低該故障率的有效途徑。此外，由于電子設備的成本原因，硬件設計工程師因此轉向固態(tài)閃存器件以滿(mǎn)足下一代住宅網(wǎng)關(guān)的存儲需求。目前，包括AMD、英特爾、M-Systems、東芝和三星均可提供固態(tài)閃存解決方案，典型固態(tài)閃存的容量可達1MB至128GB。
NAND閃存和NOR閃存
NOR閃存和NAND閃存是目前閃存市場(chǎng)上的主導產(chǎn)品，這兩種技術(shù)獨具特色并面向不同的目標市場(chǎng)。在下一代住宅網(wǎng)關(guān)設計中，當采用閃存時(shí)，設計工程師應當對每種可選的技術(shù)進(jìn)行仔細權衡，以選擇最適合的產(chǎn)品和技術(shù)。
首先，NOR通常只用于代碼存儲，因此主要應用于簡(jiǎn)單的數字設備，如低端蜂窩電話(huà)或不含任何網(wǎng)關(guān)功能的簡(jiǎn)單電纜調制解調器。相反，NAND通常既能應用于數字設備，如機頂盒、MP3播放器、數碼相機、高端蜂窩電話(huà)和住宅網(wǎng)關(guān)的代碼存儲，也能應用于數據存儲。然而，未經(jīng)處理的NAND并不能取代NOR，NAND必須與分離的引導ROM和控制器相結合，以克服NAND固有的數據完整性缺陷，或者與特殊軟件相結合，管理并糾正數據錯誤。
在性能上，NOR最適用于讀取數據，但寫(xiě)數據或擦除數據的速率則不如NAND，因此NOR通常不適用于像住宅網(wǎng)關(guān)和需要文件處理功能的設備。在上述操作中，NAND的性能通常比NOR高幾個(gè)數量級。
通過(guò)比較兩種技術(shù)的物理架構，不難發(fā)現為什么對于給定的裸片尺寸，NAND可提供更高的密度和容量，并具有很高的性?xún)r(jià)比。NAND實(shí)現高容量的關(guān)鍵在于NAND的單元尺寸只有NOR的一半。即使將單級單元NAND技術(shù)與多級NOR相比，結論也是如此。
通過(guò)采用簡(jiǎn)單的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)商可以很容量地生產(chǎn)8MB至128MB的NAND產(chǎn)品。因此，越來(lái)越多的生產(chǎn)商樂(lè )于選擇NAND產(chǎn)品以滿(mǎn)足業(yè)務(wù)提供商提出的BOM成本目標。然而，要將NAND應用到可靠性和穩定性要求較高的住宅網(wǎng)關(guān)設備中，設計工程師將面臨艱巨的挑戰。
控制NAND性能的三種機制
1.外部硬件控制器：除NAND自帶的硅芯片外，還需要與實(shí)際閃存陣列相結合的控制器，從而在固態(tài)硅芯片上提供硬盤(pán)所能實(shí)現的功能。這類(lèi)NAND管理系統的性能較高，但相應的成本也較高，其整體的耐久性和可靠性并不理想。
2.管理軟件：NAND閃存管理軟件系統的代碼非常復雜，且通常運行于住宅網(wǎng)關(guān)的主機CPU上。盡管采用管理軟件具有低成本的優(yōu)勢，但同時(shí)也有嚴重可靠性問(wèn)題。由于操作系統或閃存容量的每次變化都需要增加額外的成本，需要設計新的驅動(dòng)程序和算法，從而限制了該解決方案的推廣應用。
3.硬件和軟件結合：硬件和軟件結合的方式，即硬件嵌入在閃存硅裸片上，與可選方案1相比，系統開(kāi)銷(xiāo)略微增加。該類(lèi)產(chǎn)品是唯一無(wú)需分離引導ROM器件即可啟動(dòng)系統的基于NAND的產(chǎn)品，因此該類(lèi)住宅網(wǎng)關(guān)的模塊結構極具成本效益?；旌辖Y構方法是住宅網(wǎng)關(guān)設計工程師最樂(lè )意采用的解決方案，該方法具有很高的可靠性和性能，并具有較高的成本優(yōu)勢。盡管其初始成本比原始的NAND閃存解決方案略高，但減少了一般方案中NAND數據和可靠性問(wèn)題可能額外增加的成本，因此從長(cháng)遠的角度看，混合設計具有較好的成本效益。
選擇合適的存儲容量
設計工程師為住宅網(wǎng)關(guān)提供的存儲器容量多大才最合適呢？目前市場(chǎng)上已出現許多不同容量的存儲器，包括1MB到64MB的閃存，以及上千兆字節的硬盤(pán)存儲器。在一些需要大量媒體存儲的應用中，必須采用硬盤(pán)存儲器，同時(shí)用閃存作為軟件代碼存儲。目前市場(chǎng)上出現采用1MB、2MB或4MB閃存的設計，這種似乎為占領(lǐng)市場(chǎng)的1-4MB存儲器的設計難以帶來(lái)任何市場(chǎng)增值，僅僅略微降低了一點(diǎn)產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格。
真正的住宅網(wǎng)關(guān)必須具備使ISP能為用戶(hù)提供眾多業(yè)務(wù)選擇的能力：一些業(yè)務(wù)是目前已有的，而有些業(yè)務(wù)則尚未可知。要提供充足的空間，當前設計的最小閃存容量應為8MB至16MB，預計到2003年則將達到32MB至64MB。而實(shí)際上，采用單級單元技術(shù)或多級單元技術(shù)的16MB至32MBNAND閃存的成本與4MB至8MB的NOR閃存相當。
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