将PC技术应用于网络电器

采用专门针对处理器性能和存储器空间都受到限制的实时系统而设计的标准化实时操作系统,是设计低成本网络电器的一种理想解决方案。

• 为什么要用PC技术
  

• 硬件及软件资源
  

• 现成应用软件
  

• 解决资源困扰
  

作者:Paul N. Leroux

技术分析师

QNX Software Systems

随着低成本32位处理器应用越来越广泛,过去只有在台式PC上才能实现的功能(如访问Internet)现在已可以集成到多种嵌入式系统和电器里,这样的设备包括与电视机配套的数字机顶盒、办公或家用智能电话以及工业专用的局域网设备如电子收款机等。本文中我们把所有具有Internet访问功能的设备都称为网络电器。

目前开发人员已经为网络电器设计出多种参考设计方案,包括在低成本嵌入式处理器上运行的操作系统内核,以及运行于改进的PC工作站上的桌面操作系统等,同时这些设计都带有用于实时视频播放的MPEG硬件。虽然这些参考平台是针对网络电器的最终用途而设计的,但大多数情况下,用户在接入Internet时由于基础设施和网络带宽的原因,使得在获取类似视频点播之类的服务时会受到很多限制。尽管如此,网络电器还是已经能够得到包括Web服务在内的多种信息服务。

Internet服务和技术目前正以惊人的速度在发展,那些不能跟随新技术前进的产品很难在市场上获得立足点。为了满足消费者的需求,网络电器的硬件和软件必须可以升级,这样有利于用户自行更新。此外,其部件的相对价格不能太高,使用户可以定期地进行升级。

在当今这个多变的市场里,开发人员不仅担负着开发低成本多功能产品的任务,而且还面临着巨大的面市时间的压力。比如,消费类电器制造商通常要投入大量精力研究产品的“可制造性”以降低生产成本,但由于Internet应用设备自身的产品生命周期都很短,因此降低成本的工作要尽早进行。

所幸的是制造商们不需要样样都从头做起以满足客户快速变化的功能方面的需求,相反,他们可以从现成的台式PC上获取所需技术。

为什么要用PC技术

由于PC拥有巨大的市场和遍布全球数以万计的供应商,因此PC平台在众多应用领域已经成为事实上的标准,并有一整套成熟现成的应用工具。实际上,网络电器用到的很多技术都是在台式电脑上开发并且都用在PC上,所以利用PC技术来设计网络电器可以减少工作量并降低开发风险。

例如在前面谈到的用于视频点播的电视机顶盒产品中,MPEG视频数据流的实时解压缩性能是一个重要指标,通常建议采用高速RISC处理器作为解决方案。但与此同时,随着台式电脑多媒体技术的发展,出现了具有MPEG功能的视频芯片组和CPU扩展指令集(如MMX),对台式多媒体的强劲需求又产生了专用的低成本硅芯片最终解决MPEG性能上的问题,这样即使这种硅片与低档PC处理器一起使用也可以取得良好的效果。最终的结果就是,源于PC的技术拿来用于动态视频机顶盒中。

随着多种台式PC技术整合入网络电器中,PC架构的其他优点也逐步显现出来。例如,台式电脑可以为嵌入式设备的开发人员提供丰富的操作系统、开发工具和外设等的选择；同时,由于从PC派生出的设备其结构与台式PC相同,所以对于网络电器开发者来说,台式PC及其软件工具自然就成为最佳的样机开发工具。

然而,追随PC技术太过紧密也有危险。虽然利用x86处理器和PC主机板芯片组来设计一个与PC兼容的嵌入式系统相对来说比较简单,但是技术升级使得大多数芯片组很快就过时。实际上由于竞争激烈,主板芯片组制造商每隔6个月就得推出新版本的产品。显然,为了保持产品的可制造性,那些使用这类元件的产品需要经常重新设计。网络电器制造商们要么与器件制造商签定长期的合作协议,要么就得加快重新设计的速度以赶上台式电脑的硬件更新速度。这其实也是一个办法,因为和其他消费类电子产品相比,网络电器市场的产品生命周期更短。尽管如此,还是有其他一些更能够满足电器制造商的PC硬件选件。

随着嵌入式x86芯片制造业的迅速发展,市面上已经有了多种高集成度x86芯片,包括AMD élanSC400/520、Intel386 EX、NS公司的Geode SC 1400以及ST公司的STPC Consumer。由于这些处理器是专门针对嵌入式产品市场的,因此制造商们非常希望它们能维持较长的市场周期,至少应比台式电脑主板的芯片组长很多。这些处理器将很多外围电路都集成到了CPU内部,从而减少器件数量降低系统成本。

硬件及软件资源

为了使电器制造厂商有一个良好的开端,x86芯片制造商还提供了评估板和参考设计,部分设计直接针对网络电器的低成本需求。这些产品包括AMD élanSC400/520开发平台、Intel EXPLR2评估板、STPC Consumer快速样机平台以及NS公司的WebPAD(一种无线手持式Web访问设备)等,电器制造商可以使用这些平台进行产品评估、快速制作样机以及系统开发,有时还可以作一些小批量生产。

很多PC兼容机厂商也看到了存在的商机,他们生产制造机顶盒的机壳、电源、红外无线键盘和鼠标等,这些硬件产品使机顶盒制造商可以像目前生产PC兼容机的厂商那样,直接利用现成的部件组成一个系统而不是样样都从头开始设计。虽然这种方式生产出的产品其价格不一定符合真正的消费类产品要求,但它可以促进产品很快打入市场。

以上我们讨论的是PC硬件的适用性,而网络电器的主要功能则是通过软件实现的。这些软件早已在台式电脑里得到应用,但是运行这些软件的操作系统需要惊人的内存、磁盘空间和CPU时间。如果给网络电器配备足够的资源去运行桌面操作系统和图形用户界面程序(GUI),如Internet浏览器等,会使得添加了各种补充硬件的网络电器也变成一种台式电脑,因而完全偏离消费类电器的价位水平。

既然网络电器是一种专用设备,不是一个通用型电脑,因此它不需要使用支持一般桌面应用程序的庞大桌面操作系统,如耗费资源的视窗系统,也不必去和已有的应用程序完全兼容。相反,这类设备可使用专为便携式应用而设计的更加小巧的专用操作系统。这样可以提高效率并且减少对存储器/磁盘的需求,因而降低硬件成本。

除了基本的多任务处理能力外,网络电器应提供Web浏览器、e-mail功能和频道指南以及消费者期望的其他功能。为了给用户提供一个易用的界面以运行这些程序,它还需要有图形用户接口。考虑到一些应用程序处理视频数据和音频数据流对时间精度的要求,操作系统还要能提供实时服务。

现成应用软件

嵌入式设备使用的实时操作系统能够很方便地提供适合于该应用的高效率处理器和存储环境。为了减少工作量,电器制造商们纷纷借鉴PC硬件标准,然而同样也是为了减少工作量,还使得制造商转而采用软件API标准。如果所选的操作系统提供的API与电器设备上运行的应用程序API兼容,那么制造商只需要将这些程序从PC或其他环境移植过来即可,从而大大节省开发投入。除此以外,标准API还能让制造商紧紧跟随迅猛发展的技术。

以Spyglass HTML3.2版Web浏览器移植到QNX实时操作系统为例可以看到操作系统平台实现标准化带来的好处,这里只需要一天时间就可以完成X Window版本Spyglass技术移植的“概念验证”。显然,网络电器因资源有限无法使用X Window,所以Spyglass为QNX的Photon microGUI视窗系统进行了修改,可以在400K ROM或Flash以及1M RAM系统上运行。这是一个很好的例子,说明标准环境可以使流行的Internet技术非常容易地移植到网络电器中。

由于现有的很多Internet软件都创建于UNIX系统,因此在便携式操作系统内建立一个UNIX(POSIX) API接口是一个好办法。此外,分析Java运行引擎源代码可以发现,它更支持一种具有异步I/O、通用线程支持、文件系统、网络支持和窗口系统的POSIX兼容操作系统。由于POSIX环境以耗费资源而著称,因此POSIX标准的相关文件对接口进行了详细的定义,但是不包含执行的定义。所以,可以用一种微核结构提供POSIX API,而不用像UNIX内核结构那样复杂。

例如,QNX的Neutrino实时微核可以提供多级内存保护功能。在无保护系统中,程序进程在一个地址空间里以线程形式运行,而在多进程保护系统中,每个进程都在独立的MMU保护地址空间里运行(大多数嵌入式x86处理器都集成有MMU)。

对于通过Web下载的Java插件,这种保护就没有必要,因为Java本身提供了安全的运行环境。但是对于不在Java内执行的系统组件,存储器保护可通过在组件之间设立防火墙来保持系统的可靠性。因此,网络电器可以同时支持Java插件和高性能的实处理器应用程序而不会降低其可靠性。由于能够利用到POSIX源代码,网络电器制造商就可以最小的成本跟随不断发展的电脑或其他技术。

解决资源困扰

为了能运行用户希望的各种图形应用程序,网络电器需要有一个视窗系统。传统的图形库虽然空间小,却不能支持如Web浏览器之类的全屏幕应用程序的运行,而另一方面,普通的桌面视窗系统虽可以提供所有的功能,却又要耗用过多的资源。

有一个方法可以打破这种尴尬局面。我们知道微核技术能在有限内存条件下建立一个功能完整的操作系统环境,这项技术同样可用于视窗环境。比如基于“图形”微核技术的QNX Photon microGUI就是一个可扩展的视窗系统,只需用非常小的内存空间就能得到高端图形用户界面的性能。为了实现网络电器所需的功能,QNX/Photon运行环境支持一个最小的TCP/IP,仅占用50K空间,同时支持基于Flash存储器的文件系统,这些都是由操作系统微核管理进程方式实现的。

该环境包括有操作系统、视窗系统、网络功能、文件系统、HTML3.2 Web浏览器、e-mail、Internet新闻阅读器和个人信息管理器(日程安排、地址簿等等),所需全部内存加起来不超过2M闪存和2M RAM。这种“2+2”存储结构显然比实现同样功能的台式操作系统要小,同时,比Java操作系统环境所需的空间也要小很多。

由于网络电器本质上也是一种PC兼容平台,因此开发人员可以使用普通台式电脑作为最终产品的开发平台和样机平台,所需的外围硬件如线缆调制解调器等都可以安装在PC里面,这样软件开发就可以和硬件队伍的工作同步进行。

图1:NS的WebPAD采用基于该公司Geode设计的x86处理器实现网上浏览。

图2:Netpliance I-Opener可为PC和非PC家庭用户提供e-mail和Internet访问服务。