2001年的市场热点无疑已是可随时访问因特网的信息家电,如何快人一步将产品推向市场便成为中国工程师日益关注的焦点。集成化平台设计方法可以更容易地快速开发出新产品、升级产品和派生产品,本文以信息家电的设计为例对集成化平台设计方法进行了阐述。
Bill Murray
计服务部门总监
Cadence Design Systems公司
信息家电(IA)是指任何可进行交互式信息存取、储存、控制和检索的设备。目前,业界将信息家电分为四类:智能终端、个人上网机、机顶盒和家庭网络,在欧美市场,IA已经取得初步成功,据估计,从现在到2004年,IA的增长率将达到平均每年156%。硬件平台提供商,如美国国家半导体,目前已经推出一系列标准硬件平台,软件供应商、网络内容提供商和整机制造商可以就此平台开展广泛的技术和市场合作。IA应用的核心是内容服务,快速开发通用的设计平台,以便满足各类产品设计和更新换代的需要,是工程师必须关注的重要课题。
现有的绝大部分移动式信息家电采用两种数据输入方法:一是个人输入(用手写笔或者袖珍键盘),二是PC的同步传输。专责市场研究的国际数据(International Data)公司预测,到2002年,超过60%的个人信息管理器和掌上电脑将可以直接访问因特网,而且年销售增长将会超过2.5倍。这意味着可直接访问因特网的设计将会有大幅增长。
而且,低成本移动上网和通讯技术的出现,必将产生针对特定应用和使用模式的设备,亦即专用设备。由于这些设备往往要求较多功能,因此设计复杂性也大为增加。产品性能包括视频和音频处理、各种可选无线和有线通讯以及常见的便携式计算和个人信息管理功能。
这种设计的复杂性决定了必须采用支持整个产品生命周期的结构化设计和验证方法,它不仅必须能够快速设计出产品以便在第一时间进入市场,并要求在被市场接受后易于改进及再度降低成本,而且必须支持产品的升级以维持产品在市场上的技术领先地位。如果某家公司不能实现这样一种结构化设计方法,那么在今天这样一个动态竞争市场环境中它的竞争力将会严重受损。
集成化平台设计方法
集成化设计平台是结构化设计方法的一个例子,它可以对多个组件和功能块进行快速组合,以设计出一个板级系统或者系统级芯片。一个集成化设计平台可用来设计开发全系列产品,而不仅仅是一个产品,因此,这个平台所采用的子系统必须具有相当的技术独立性,而且该平台必须易于生成一种可扩展系统架构,它可使派生产品和下一代产品的设计更加简单。板级集成平台用于集成最新组件(包括硬件和软件)和子系统,以创建一个可快速进入市场的产品。板级集成平台都是具有灵活总线结构和硬件驱动方案的模块化系统集成工具。
而个人多媒体设备集成平台(如图1所示)专为移动上网设备而开发,它集成了大量控制、计算、信号处理引擎、多媒体通讯功能和多个用户接口,因此这一全功能设计平台可提供最大的设计灵活性。对于任一特定设计,不需要的功能可以简单地加以忽略。该平台曾只用了97天为一家公司设计出可无线上网的移动设备,从概念到样机(见图2)。
网络运作
图3显示了一条NTSC视频流,将它输送到Optivision NAC-3001视频编码器中进行数字量化和压缩成MPEG-1格式。该视频流以每秒29.95帧的速率使用10Mbps/100Mbps网络传输到一个5.8GHz无线IEEE 802.3以太网设备,然后以无线方式传输到网络交换机,随后再通过一个或者多个广播天线将视频流传送到手持式信息家电上。如果该信息家电的内存为64MB,那么大约可存储20分钟的MPEG视频信息。该视频流可以实时或者慢动作播放,还可以四分之一屏幕播放、缩放2倍和3倍、切换、快进和快倒。
该网络要求在比赛的间隙点将“播放开始”(SOP)标记插入到视频流中,比如在美国橄榄球赛中每一“局”的开始。这个标记向信息家电指出回放点。目前,SOP标记是通过使用TV广播间便携式电脑中的播放控制软件,人为地加入。
从视频编码器到手持式设备的数据传输是采用不确认数据协议(UDP)实现的。多分组数据组成一个五帧数据包。只要丢失一个分组,IA就丢掉整个数据包,这会导致回放中产生大约0.2秒的闪烁。
经验证明这种丢包的发生频率很低,几乎可以忽略不计。不过,在这种现象发生之前,IA可以要求重发丢失的数据包。每一个分组数据包含帧和顺序信息,它使IA很容易辨认数据包。虽然现在IA已经取消了这种功能,但如有必要,可以方便地重新启用。
硬件
控制和媒体数据处理由NEC的168MHz、64位的RISC处理器VR4121完成。该处理器接受32位MAC指令,而且它的直接存储器存取(DMA)控制器能够简便地管理Scannor的64MB SDRAM和4MB闪存。该处理器与图形显示控制器VRC4171A组合在一起,比其它可选组合占据更小的底板面积。
显示器采用3.8英寸反射式LCD,亮度取决于环境光线。该版本的产品还配有前置照明的3.9英寸反射式显示器,用于光线暗淡的环境。
数据链路由10Mbps无线局域网模块构成,它工作在无需许可的5.8GHz工业、科学和医药(ISM)频段。其构成为单片16位Type II PC卡,与IEEE 802.3以太网标准兼容。采用适当的本地天线足以覆盖一个大约1000平方米的运动场。该模块配有40位的RSA兼容加密功能防止信号被截获,这对收费昂贵的大众体育广播尤为关键。
5.8GHz解决方案在雨天环境的传播能力可适应拥挤和恶劣天气条件,2.4GHz频率波段在雨天环境的传播能力相对较强,但IEEE 802.11的1到2Mbps数据率与MPEG视频流所要求的1.8Mbps相比有一定差距,而且,因为这种方案缺乏以太网兼容性,因而要进行帧变换。
软件
软件模块的基本构成如图4所示。在客户应用层,应用程序加载器与服务器通讯以指定从服务器拷贝到IA的文件和需要在IA上运行的程序。应用程序加载器还允许对闪存中的软件进行现场升级或者修改,不再需要艰苦的重新编程。因此,IA可以重编程以适应多种应用,比如比赛裁判、安全和监视。
即时重放软件直接在LCD视频缓存中重新组合输入信号。为无线模块定制设计的驱动程序使应用程序和网络驱动程序之间能够直接通讯,从而绕过了整个网络协议栈。
操作系统采用微软的WinMgr,大约需要3.5M内存(大致是完整的Windows CE版本所需内存的一半),可以省掉诸如GUI前端、打印功能、红外传输以及通讯等功能,进一步缩减内存需求。
定制的OEM适配层(OAL)或者硬件适配层(HAL)通过OS核心与微处理器连接,提供CPU初始化、中断使能/禁止、中断子程序、间歇定时器及实时时钟。虽然OAL及其硬件驱动程序是根据特定CPU进行开发的,但其核心功能支持多种CPU类型。在这种情况下,可以通过修改成品VR4111 OAL开发VR4121 OAL。
通过修改Windows NT中现有的无线网络接口卡(NIC)微型端口驱动程序,可以开发NIC的驱动程序,其编写过程相当简单,因为多数Windows NT驱动程序和Windows CE网络驱动接口规范(NDIS)驱动程序都兼容。PCMCIA驱动程序由早期的8位版本升级为16位而成。LCD驱动程序要重新开发。
设备功率消耗
间歇使用IA的情况下,电池每充电一次可连续工作3个小时。这对于多数体育比赛时间是足够的,尽管监测板球比赛要持续几天,但是可以在茶点时进行充电。
产品寿命管理
对消费类产品投资的回报率取决于成本、功能增强以及新增附加值,IA设计必须牢记这个基本出发点。
VR4121的DMA管理128M同步DRAM和64M闪存。因此,它可以支持应用和功能的扩展设计。MIPS架构的优势在于,其MIPS核心的多种资源能够嵌入在SoC中,从而缩小系统体积并降低成本。
无线NIC PC卡模块的选择对IA产品的尺寸和生产成本的降低至关重要。模块中使用的IC元件要单独设计,还要为SoC设计提供该IC的HDL描述,因此,这种选择既方便板级设计也能进行IC集成。
应用程序加载器能下载应用软件,能够将产品的功能从运动裁判等调试为安全和监视应用系统。
应用软件能够通过Windows CE图形显示界面显示创建出来的Windows位图。尽管Windows位图在IA中无法使用,但是这样的工具允许该应用软件运行在基于Win32环境和其它硬件环境,这种灵活性和硬件独立性促进了产品的更新换代,并且支持其它监视和监控器件。
IA配备了Winsock和网络协议栈, Winsock可以使用标准的TCP/IP插槽从一个IP多点传送口(multicast)中读取视频流,并能读取和执行控制命令。
派生产品设计
IA设计不仅仅针对一个特定应用的移动媒体产品,它还是所有类似产品的参考设计,该产品的基本架构中可以派生出类似的产品。供应商正在计划将IA及其派生产品带给更多的消费者以及更多的安全与监控场合。许多这样的派生产品将仅需改变应用软件。某些产品可能需要改变硬件,比如更大范围的无线通讯,如今可以利用集成平台迅速实现产品设计的更新换代并加以验证。
因为信息家电的标准尚未形成,多种架构将会相互竞争,其情形类似于PC世界中Wintel的工业标准,集成平台向设计者提供灵活的设计和验证工具,可以开发各种各样的产品架构。
作者简介:Bill Murray获得英国的Sussex大学应用物理学士学位和英国Brighton Polytechnic应用固态物理的硕士学位。
京公网安备 11011202001138号
