基于HHBF561的家庭網(wǎng)關(guān)平臺的研究與設計

0 引言

家庭網(wǎng)絡(luò )的目標是將一個(gè)家庭中的各種信息家電(如數字電視、游戲機、PDA等)及其它控制設備(如電表、水表、汽表、能源自動(dòng)控制、保安系統等)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接為一個(gè)小范圍的局域網(wǎng)，以便集成控制網(wǎng)和信息網(wǎng)的服務(wù)，即解決“最后10米的問(wèn)題”，它主要包括家庭網(wǎng)絡(luò )的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和接人技術(shù)兩部分內容。由于未來(lái)家庭內部將會(huì )有多個(gè)信息設備(包括電腦、信息家電和控制設備)同時(shí)聯(lián)入Internet，為降低家庭用戶(hù)管理和維護的復雜性，一般不可能為每個(gè)信息設備都提供一個(gè)Internet出口，而且在目前沒(méi)有一種主導聯(lián)網(wǎng)解決方案的情況下，要解決各種信息設備之間的互聯(lián)和互操作問(wèn)題，通常在考慮家庭網(wǎng)絡(luò )的組成時(shí)，往往會(huì )設置一個(gè)家庭網(wǎng)關(guān)。家庭網(wǎng)關(guān)是家庭區域網(wǎng)的關(guān)鍵設備，它可使家庭中的信息設備相互通信，并可通過(guò)同一個(gè)Internet高速管道實(shí)現集成的語(yǔ)音、數據和視頻服務(wù)。

1 基于HHBF561的家庭網(wǎng)關(guān)技術(shù)

家庭網(wǎng)關(guān)平臺主要完成網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的轉換和處理，包括MPU，RAM、ROM、多種網(wǎng)絡(luò )接口及外設接口、RTOS、網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議和應用軟件等。家庭網(wǎng)關(guān)是一個(gè)家庭專(zhuān)用設備。與實(shí)現網(wǎng)關(guān)功能的普通PC機相比，傳統的操作系統往往不夠穩定，易用性較差。而作為提供關(guān)鍵功能(如安全可靠)的網(wǎng)關(guān)。專(zhuān)用設備則在性?xún)r(jià)比上存在較大優(yōu)勢?？紤]到家庭網(wǎng)關(guān)的靈活性、可移植性，本文基于HHBF561開(kāi)發(fā)板，并采用主流家庭聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和接入技術(shù)，來(lái)對家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行如下定義：

(1) 網(wǎng)關(guān)是一個(gè)協(xié)議轉換器，是一種可以對數據格式。傳輸速率和媒體驅動(dòng)方式等協(xié)議的轉換和通信轉發(fā)的設備。

(2) 設備資源管理器必須有一個(gè)I／O設備，通常應由一個(gè)輸入裝置(鍵盤(pán)，鼠標或話(huà)筒等)和顯示裝置組成，并應能解釋設備描述文件。

(3) Web服務(wù)器應具有瀏覽器功能，可以將設備配置管理文件轉換成操作頁(yè)面，并具有用超文本傳輸協(xié)議HTTP發(fā)送的能力。

(4) 網(wǎng)關(guān)還應該是一個(gè)防火墻，應能保證家庭網(wǎng)絡(luò )的信息安全。

2 基于HHBF561平臺的軟件開(kāi)發(fā)

整個(gè)開(kāi)發(fā)系統包括硬件開(kāi)發(fā)板、底層軟件支持庫、驅動(dòng)程序、操作系統和上層應用程序。這里以實(shí)現可視VoIP網(wǎng)關(guān)為例對其進(jìn)行詳細介紹。圖1所示是其軟件架構示意圖。 

 

在網(wǎng)關(guān)軟件的整體結構中，網(wǎng)關(guān)的上層應用包括最主要的控制部分程序，主要負責控制SIP核心協(xié)議棧SIP和RTP／RTCP核心協(xié)議棧的正常運轉。同時(shí)控制芯片工作以完成IP網(wǎng)側和PSTN網(wǎng)側協(xié)議的相互轉換。而其它部分軟件由于各自的功能比較集中，因而可單獨模塊化實(shí)現。而整個(gè)軟件運行的基礎則是嵌入式操作系統。

2.1 μClinux操作系統

Linux是一種很受歡迎的操作系統，它與U-NIX系統兼容，并具有開(kāi)放的源代碼。它原本被設計為桌面系統，現在則廣泛應用于服務(wù)器領(lǐng)域。Linux更大的影響在于它正逐漸的應用于嵌入式設備。μClinux正是在這種氛圍下產(chǎn)生的。在μClinux這個(gè)英文單詞中，μ表示Micro(小的意思)，C表示Control(控制的意思)，所以uClinux就是Micro-Control-Linux，字面上的理解就是針對微控制領(lǐng)域而設計的Linux系統。

μClinux的一大特點(diǎn)是它沒(méi)有MMU(Mem-mory Management Unit，內存管理單元)，它是針對沒(méi)有MMU的CPU而設計的，并專(zhuān)為嵌入式系統做了許多小型化的工作。雖然μClinux不能使用處理器的虛擬內存管理技術(shù)，但出于移植簡(jiǎn)單和盡量靠攏標準Linux的需要，μClinux仍然沿用標準Linux的分頁(yè)內存管理結構。系統在啟動(dòng)時(shí)將對實(shí)際存儲器進(jìn)行分頁(yè)，它實(shí)際上采用的是實(shí)存儲器管理策略。μClinux系統對于內存的訪(fǎng)問(wèn)是直接的，它對地址的訪(fǎng)問(wèn)不需要經(jīng)過(guò)MMU，所有程序中訪(fǎng)問(wèn)的地址都是實(shí)際的物理地址。該操作系統對內存空間沒(méi)有保護，各個(gè)進(jìn)程實(shí)際上共享一個(gè)運行空間，而沒(méi)有獨立的地址轉換表。一個(gè)進(jìn)程在執行前，系統必須為進(jìn)程分配足夠的地址空間，然后再全部載入主存儲器的連續空間。

2.2 μClinux的移植

由于向一個(gè)新的平臺上移植μClinux會(huì )涉及到很多文件，但是最主要的還是要使uClinux在指定的平臺上正常啟動(dòng)，其它與平臺相關(guān)的文件可以在進(jìn)一步開(kāi)發(fā)過(guò)程中再進(jìn)行修改，我先分析一下在啟動(dòng)過(guò)程中都有哪些文件和具體硬件平臺相關(guān)，再修改相應文件，以便一步一步地完成系統的移植工作。

2.3 Bootlaoder

Bootlaoder在沒(méi)有操作系統支持的情況下，便可構建最簡(jiǎn)單的軟件運行環(huán)境，并可將其保存在BOOTROM中，這樣，系統上電就能直接運行，從而實(shí)現簡(jiǎn)單命令行控制和網(wǎng)絡(luò )通訊功能。該開(kāi)發(fā)板可從上位機通過(guò)tftp下載操作系統，并提供gdb調試，同時(shí)可以在此軟件平臺上搭建脫離操作系統的應用程序。Bootloader的啟動(dòng)模式要求其能夠實(shí)現自動(dòng)加載功能。這可借鑒vxworks中的啟動(dòng)方式，即可啟動(dòng)之初有一小段時(shí)間等待用戶(hù)輸入，一旦用戶(hù)輸人就進(jìn)入下載模式。下載模式可提供手動(dòng)下載和內存監控功能。

2.4 TCP／IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧

通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)可使網(wǎng)絡(luò )與各種信息設備相連，相互交互進(jìn)行工作，但需要支持多種協(xié)議。物理層和數據鏈路層協(xié)議主要包括UWB協(xié)議和Cable Modem鏈路控制協(xié)議；網(wǎng)絡(luò )層和傳送層協(xié)議主要包括ARP、RARP、ICMP、DHCP Client／Server／Proxv、PPP、TP、DNS、RIP V1.0／V2.0、TCP、UDP等協(xié)議；應用層協(xié)議主要包括TFTP、TFLNET、STMP、IMAP4、POP3、HTTP和SNMP等協(xié)議；安全協(xié)議可以采取一些較為簡(jiǎn)便的安全措施，如包過(guò)濾、NAT／PAT及多層次口令保護等。上述協(xié)議是家庭網(wǎng)關(guān)中可能用到的最大協(xié)議集合。實(shí)際上，在開(kāi)發(fā)具體產(chǎn)品時(shí)，可根據應用情況和產(chǎn)品配置情況進(jìn)行合理的裁剪。

3 基于HHBF561平臺的硬件設計

本文給出了兩種硬件設計方案，分別為IPTV機頂盒解決方案和可視VoIP解決方案。

3.1 IPTV機頂盒解決方案

圖2所示是IPTV機頂盒解決方案的功能框圖。在該方案中，32位RISC MCU負責運行嵌入式Llinux，以進(jìn)行無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)／以太網(wǎng)傳輸、硬盤(pán)存儲、音頻編解碼、文件管理以及控制處理等。MCU從網(wǎng)絡(luò )接收到的媒體流可以存儲到硬盤(pán)或者通過(guò)SPI接口(速率可達12 Mbps)傳給BF533，然后由BF533負責H.264@D1格式的視頻編解碼。該產(chǎn)品可實(shí)現的功能如下： 

 

(1)支持H.264@D1格式的視頻播放；

(2)支持PCMCIA+802.11b無(wú)線(xiàn)接入；

(3)支持IrDA紅外遙控；

(4)支持100Mbps以太網(wǎng)；

(5)支持硬盤(pán)存儲；

(6)實(shí)現VGA／S port／CVBS視頻輸出和立體聲音頻輸出；

(7)支持PS2鍵盤(pán)輸入。

3.2 可視化VoIP解決方案

目前，ARM9系列的處理器在手持終端(如PDA、Smart Phone、PMP)產(chǎn)品上已經(jīng)有了非常廣泛的應用。而實(shí)際上，它在可視電話(huà)上也有非常明顯的優(yōu)勢。因此，設計一個(gè)基于BF533和ARM9(400 MHz) MCU的可視VoIP電話(huà)方案是非?？尚械?。圖3所示是即是一個(gè)可視化的VOIP解決方案的結構框圖。 

 

該方案通過(guò)使用ARM9+BF533以及相關(guān)的軟件支持可以實(shí)現以下功能：

(1)在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)內進(jìn)行音視頻的電話(huà)對講；

(2)通過(guò)多媒體娛樂(lè )功能可以播放MPEG4視頻和MP3、WMA音樂(lè )；

(3)支持email服務(wù)；

(4)支持軟鍵盤(pán)和手寫(xiě)輸入；

(5)可外接鍵盤(pán)和鼠標。

4 相關(guān)說(shuō)明

4.1 語(yǔ)音編碼技術(shù)

語(yǔ)音通信是可視電話(huà)最基本的功能。然而，受網(wǎng)絡(luò )條件的限制，可視電話(huà)不可能占用太大的帶寬。為了適應低碼率語(yǔ)音通信的要求，ITU-T推出了G.72X系列語(yǔ)音壓縮標準。其中G.723.1、G.728、G.729和G.729A已在IP電話(huà)中得到了廣泛應用。不同的語(yǔ)音壓縮標準所采用的技術(shù)不同，它們可提供不同的碼率、時(shí)延和語(yǔ)音質(zhì)量。

4.2 視頻編碼技術(shù)

原始的視頻數據需要占用非常高的帶寬。因此，如果要通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸，必須通過(guò)壓縮技術(shù)盡量降低視頻資料的碼率，以適應不同的網(wǎng)絡(luò )條件。事實(shí)上，視頻壓縮算法的效率決定著(zhù)可視電話(huà)的圖像質(zhì)量和應用前景。

4.3 通信協(xié)議

為保證可視電話(huà)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行可靠的通信，不同的終端必須運行統一的通信控制協(xié)議，以保證相互協(xié)同工作。ITU-T推出的H.320／323標準是面向不同網(wǎng)絡(luò )、不同網(wǎng)絡(luò )介面，不同信令過(guò)程、以及為適應不同網(wǎng)絡(luò )而優(yōu)化設計的包結構。其中復用協(xié)定規定了視頻資料、語(yǔ)音資料等的打包標準，而控制協(xié)定的作用則是在終端之間協(xié)商通信方式，如視頻編碼標準的協(xié)商，語(yǔ)音編碼標準的協(xié)商，通道帶寬的協(xié)商等?；谝蕴W(wǎng)的可視電話(huà)通常采用H.323控制協(xié)議。

5 結束語(yǔ)

家庭網(wǎng)關(guān)做為家庭網(wǎng)絡(luò )中最重要的一個(gè)設備，它連接著(zhù)家庭網(wǎng)絡(luò )與運營(yíng)商，因此，對于家庭網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)展至關(guān)重要。本文基于華恒科技的HHBF561開(kāi)發(fā)板所設計的嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)平臺，提出了兩種家庭網(wǎng)關(guān)設計方法，并對可實(shí)現的功能進(jìn)行了描述。 

 

tcp/ip相關(guān)文章:tcp/ip是什么