可扩缩的家庭控制平台和体系结构的制作方法

专利名称：可扩缩的家庭控制平台和体系结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及计算机系统领域，具体来讲涉及一种用于提供可扩缩的家庭控制系统和网络的平台和体系结构。
传统的家庭控制系统本质上是不可扩缩的。随着用于多媒体的高级应用、高速分布式因特网访问、集成应用等等变得平常，传统的家庭控制系统很可能无法提供充分支持这些应用所需的带宽和灵活性。
传统的PC体系结构包括用于在各种功能板之间并行传输数据的总线结构。举例来说，PCMCIA标准接口包括16或者32位宽的数据接口，和26位宽的地址接口，再加上各种控制线。在一个设备使用该接口的同时，其他设备实际上被阻止使用该接口。常常使用时分多路复用来提供对该接口进行多个同时访问的现象，但是如果特定传输是时间敏感的，则时分多路复用方案不能为该应用提供足够的时隙数目。同样地，如果在将来、24位字的使用变得常见，则使用16或者32位宽的数据接口可能引起相当可观的系统开销低效率。
传统的PC体系结构在特定接口协议方面还需要相当可观的投资，包括用于掌握每一不断演变的标准的、相当可观的学习曲线。因而，由于不愿放弃已有接口技术，引进潜在地更加高效的处理技术常常受到妨碍。举例来说，上述的24位字结构可能经证明是一种对于RGB视频应用非常有效的结构，但是采用相应的24位接口体系结构的成本可能延缓采用这一结构，尤其是如果已经对已有的16或者32位标准投入了相当可观的时间或者金钱投资。此后，对于从这一24位结构的例子作出改变，将会有类似的阻力。
类似地，传统的家庭控制体系结构被设计用于容纳各种应用，这些应用中的一些可能具有显著不同的接口要求。举例来说，专门被设计用于为家庭提供分布式多媒体娱乐的系统，与专门被设计用于为家庭提供舒适的暖气和空调的系统相比，将具有显著不同的需求。传统的家庭控制体系结构通常针对更高的设计要求集合进行设计，并且针对具有较少的设计要求集合的设备超标准设计。当下一代设备集合变得可用的时候，则或者由于上述的更高要求集合没有预期到这一新的设备集合、因此该系统无法适应这些设备，或者该系统将能适应这些设备、并从而意味着该系统已经为前代设备作出了超标准设计。
因此，需要一种家庭控制平台和体系结构，它能允许家庭控制平台在未来的使用中的变化，而无须引入相当可观的设计更改来适应这一未来使用，并且也无需对这些未来改变可能要求什么而作出精确定义或者估计。这样一种家庭控制平台的特征在于是一种“可扩缩的”家庭控制平台，它具有对于大范围的应用都很高效的体系结构。
本发明的目的之一是提供一种可扩缩的家庭控制平台。本发明的进一步的目的是提供一种可扩缩的家庭控制平台，它均使用同一接口协议而不管由该平台所支持的应用的扩缩。本发明的进一步的目的是提供一种用于家庭控制平台的体系结构，可以预期该家庭控制平台能容纳各式各样的已有和未来的应用。
这些目的及其他目的是通过提供一种家庭控制平台和体系结构来实现的，所述家庭控制平台和体系结构包含有多个在连接到所述家庭控制平台的处理设备之间提供通信的串行总线。总线控制单元被配置为在请求通信服务的设备之间分配总线。所述平台支持一个或多个控制处理器，所述一个或多个控制处理器提供与传统设备的接口、用户和网络接口、浏览器等等。所述平台还接受可供选择的插件卡，所述插件卡作为用于特定任务的协处理器来执行，诸如MPEG编码和解码，信号处理，视频与音频编解码器，等等。用来支持这一平台的软件结构包括在控制处理器处使用实时微内核操作系统(OS)，用来与所述任务协处理器接口，并且与诸如Vxworks、WinCE或者LINUX之类的标准OS接口。所述微内核OS提供用于任务存储器和CPU空间隔离的原语、病毒防护以及安全财务交易服务。
将参照附图，更详细地、并且借助于范例来解释本发明，其中

图1示出根据本发明的家庭控制平台的范例方框图。
图2示出在根据本发明的家庭控制平台中使用的控制处理器的范例方框图。
图3示出在根据本发明的家庭控制平台的系统体系结构的范例方框图。
图4示出在根据本发明的家庭控制平台中使用的过滤器处理器的范例方框图。
图5示出在根据本发明的家庭控制平台中使用的软件体系结构的范例方框图。
在所有这些附图中，相同的附图标记指示类似的或者对应的特征或功能。
图1示出根据本发明的家庭控制平台100的范例方框图。所述平台100提供一种结构和体系结构，用于使得处理单元110、控制处理器120和辅助单元130能够经由多个高速串行总线150高效地传输和处理数据。根据本发明的一个方面，所述串行总线最好是自定时的，从而保证带宽和数据吞吐率的可扩缩性。
与所述家庭控制平台100耦合的每一设备均包含总线接口单元160，所述总线接口单元160被配置为通过所选择的一条或多条串行总线150来发送和/或接收数据。所述总线接口单元160提供在需要时、从总线150的并行格式到串行格式以及从串行格式到并行格式的转换，以及总线仲裁和路由。在一个优选实施例中，所述总线接口单元160支持直接存储器存取(DMA)复制。此外，在一个优选实施例中，所述总线150是可延伸的。举例来说，所述辅助单元130包括光电耦合设备，它使得所述平台100能够经由光纤131延伸到另一组设备110、120、130。另一组设备110、120、130上的对应单元130提供与另一组上的对应多个串行总线的接口。
图2示出在根据本发明的家庭控制平台中使用的控制处理器120的范例方框图。正如所示出的那样，所述总线接口单元(BIU)160包括用于与图1中的串行总线150连接的连接161。本范例中的处理器120包括总线控制单元(BCU)210，它被配置成用于控制在图1中的各个设备110、120、130之间总线150的分配。在本发明的一个优选实施例中，所述总线150之一专用于这一控制功能。需要访问一条或多条其余总线150的设备经由所述专用控制总线将分配请求传递至所述总线控制单元210。响应于这一分配请求，所述总线控制单元210将一条或多条总线150分配给请求单元，并经由所述专用控制总线将该分配传递至请求设备。
各种传统技术中的任何一种都可以用于提供这种分配。在一个直观的实施例中，可以使用先来先服务的分配过程。其他的分配技术可以包括服务质量(QoS)分配等等，它们被设计成用于为每一设备提供至少某种双方商定的最小分配，并且如果当前可用的话，增加分配。可能使用要么全有要么全无的策略为诸如实时视频处理之类的一些应用进行分配，在这里，直到所请求资源的总量可用的时候才分配资源。
在传统的并行总线体系结构中，一次只能有一个设备在总线上进行通信。因而，每一设备被分配了相同的资源，即单一的并行总线。因此，在并行总线体系结构中，诸如文本处理或者报警监视之类的低带宽应用必定干挠诸如视频处理之类的高带宽应用，因为每一次将总线分配给低带宽应用，都阻止了为高速应用作出分配。一般来讲，采用并行总线配置的系统被设计为提供足够的缓冲，以便确保所述“干挠”对于每一应用的性能都无影响。也就是说，尽管高带宽应用必须为低带宽应用的每一次通信而释放并行总线，但是基于并行总线的高带宽应用将被配置为提供足够的缓冲，以便在其访问并行总线时允许“间隙”。然而，当并行总线系统随着增加的应用带宽要求而变得饱和的时候，由共享公共总线所引起的干挠变得很明显。举例来说，传统的基于PC的视频应用常常在其他应用访问总线、而该视频应用已经用尽它的缓冲的帧的时候，进行“冻结”。随着应用继续可用于要求增加的带宽的用户，必定会在到达其饱和点的时候发现所述并行总线体系结构不足。
因为在本发明中的通信资源分配是基于各个串行总线150，所以能够在不影响其他分配的情况下为一个应用提供资源分配。也就是说，例如假定十条总线150可用于分配，并且已经为实时视频处理应用分配了这些总线中的八条，以便经由所述八条并联的串行总线150为这些应用提供并行处理。还为针对其他应用的分配保留两条总线可用。当每一应用请求一个分配的时候，总线控制单元210分配其余的这两条串行总线。如果后续的应用请求比这两条串行总线之间的可用资源更多的资源，则这两条串行总线将饱和，并且请求将被拒绝。然而，这两条串行总线的饱和对于已经被分配了另外八条串行总线的视频处理应用来讲，将没有影响。这样一种隔离在并行总线体系结构中是很难实现的，因为在不同应用之间必须分配单一资源(并行总线)的系统中，对资源的共享、以及对资源不足的冲突的共享是固有的。串行总线150的数目决定了能够提供的隔离程度，这是一个体系结构的参数，它基于对峰值吞吐量要求的估计。在一个优选实施例中，至少提供十六条串行总线150。
在本发明的一个优选实施例中，控制处理器120包括允许运行已有软件的传统微处理器体系结构，包括浏览器，网络接口管理，协议栈，等等。典型的控制处理器120根据需要包括存储器资源，通常是以一组或多组SDRAM 220的形式。如在传统的微处理器系统中，控制处理器120包括中央处理单元(CPU)230，一个或多个协处理器240，以及输入/输出(I/O)接口250。在一个优选实施例中，控制处理器120或者辅助设备130(图1中)包括电源模块260，它被配置成用于为平台100内的其他设备110、120、130提供调整后的电力。此外，在一个优选实施例中，设备110、120、130均被配置为允许设备110、120、130的“热”插入，以致能够在不停止平台100和已有设备110、120、130的操作的情况下，为平台100添加设备110、120、130、或者从平台100去除设备110、120、130。用于将每一设备110、120、130连接至平台100的连接器便于设备110、120、130的热插接，例如EuroCard96线的连接器。
图3示出在根据本发明的家庭控制平台100的系统体系结构的范例方框图。最重要的是，家庭控制平台100被配置成用于支持“传统”设备，例如当前与已有家庭控制网络耦合的设备。与家庭控制平台100耦合的设备110、120、130中的一个或多个最好是被配置成提供对这些传统设备的支持，例如现有的电视301、电话302，以及诸如此类的303、304。
平台100的传统I/O部件310通过为传统外围设备301-304提供诸如电子邮件和基本家庭控制功能这类的服务，支持这些外围设备301-304。
附加部件320提供了平台100的附加价值，用于集成和支持现在及将来的应用。例如，将一个接口(调制解调器或者调谐器)添加至电缆或者卫星网络331使得用户能够下载视频点播节目，用来在传统电视301上观看。同样地，将一个与媒体中心332的接口添加到平台100使得媒体中心332能够使用现有的传统扬声器304。类似地，提供对于家庭安全性系统333的支持使得所述安全性系统333能够潜在地监视传统系统以及为与平台100接口而设计的系统、例如媒体中心332的状态。举例来说，冰箱334可以被配置为如果温度梯度指示出朝向特别高或低温度界限的递进，则经由家庭安全性系统333发出警报声音。与无线网络390的接口使得用户能够使用诸如笔记本计算机、蜂窝式电话和个人数字助理(PDA)之类的便携式设备进入家庭控制网络。
这些部件320在图3中示出，包括控制处理部件340，过滤器处理部件350，以及话音输入/输出部件360。鉴于本公开内容，其他添加至家庭控制系统的部件对于本领域中一名普通技术人员来讲，是显而易见的。所述控制处理部件包括在上文中就图2中的范例控制处理器120所论述的、以及将在下文中就图5中的范例软件体系结构作进一步论述的功能和能力。正如将在下文中就图4中的处理单元110所进一步论述的那样，所述过滤器处理部件350包括被配置为提供专用数据处理的部件，它们通常受控于控制处理部件340。
在一个优选实施例中，与家庭控制平台100的用户交互是使用话音I/O部件360，经由声音输入和输出来进行的。举例来说，这些部件360包括在图1和2中的控制处理器120上运行的传统的话音合成器应用，根据需要、使用处理单元110和辅助单元130来有效地处理和传送声音输出给用户。同样地，部件360包括控制、处理和辅助单元120、110、130，它们被配置为实现话音识别功能，以便允许用户经由声音输入与系统100通信。
图4示出在根据本发明的家庭控制平台100中使用的过滤器处理器115的范例方框图。正如图1中所示出的，处理单元110通常包括以路由矩阵方式布置的多个过滤器处理器115。这样一种矩阵对于位片和流水线体系结构特别有用，在这种体系结构中，每一过滤器处理器115对一个数据项执行一个特定的任务，然后将其以“锁步”的方式传递到下一过滤器处理器115。在处理数据项的同时，从对应的串行总线150处获得处理下一数据项所需的参数。同样地，在处理每一数据项之后，能够经由对应的串行总线150将已处理的数据项传递给其他的设备。通过从图4中的总线接口单元460发源的通信路径461，来从概念上阐明这一点。总线接口单元460用于举例说明图1中的处理单元110的总线接口单元160的子集，也就是在上文中所论述的、图2中的电总线控制单元210分配给特定过滤器115的那些总线接口单元160。
过滤器单元115可以是使用程序存储器410可编程的、或者专用的、或者两者相结合的。专用的过滤器单元115是专用于特定应用的，例如MPEG编码或者解码应用。一般来讲，可编程过滤器单元115具有专用于信号处理功能的有限指令集，例如压缩和解压缩(可变长度编码和解码(VLE，VLD))，视频与音频编解码器(CODEC)的核心功能(快速傅里叶变换(FFT)，离散余弦变换(DCT)，等等)，及其他专用处理功能。
最好是，每一过滤器单元115与一个SDRAM 220配对，所述SDRAM220通常被包括在正驻留着使用所述过滤器单元115的应用的控制处理器120中(参见图2)。举例来说，控制处理器120可以驻留MPEG视频应用并且执行MPEG的视频解码，并且调用一组过滤器单元115来处理SDRAM 220中包含的MPEG数据。所述过滤器单元115随后将解码后的数据提供给SDRAM 220。为了经由总线接口单元460向和自SDRAM220高效传递数据，使用了多缓冲器环，其包括多个流式缓冲器420，这通过将SDRAM 220连接至缓冲器420的短划线指示出。替换地，也可以几乎完全地在处理单元110处执行诸如媒体处理之类的处理密集型任务。在这样一个实施例中，处理单元110最好同时包含过滤器单元115和SDRAM两者。
图5示出在根据本发明的家庭控制平台中的软件体系结构的范例方框图。图1中的每一控制处理器120包括小的实时微内核510，它至少提供最小化操作系统功能，包括信号量、传送消息、调度、异常以及任务和存储器管理。最好是，所述微内核510还包括用于任务存储器和CPU空间隔离的原语、病毒防护以及安全财务交易服务。诸如Vxworks、WinCE或者LINUX的标准操作系统最好是在微内核510层、而不是硬件级上接口。
正如所示出的，协处理器接口层520提供微内核510与位于图1中的处理单元110处的过滤器程序530之间的接口。任务应用540、550还经由接口层520，对过滤器程序530进行直接访问。这些任务应用被举例说明为包括用户任务540和服务任务550。举例来说，用户任务540包括浏览器应用。服务任务550包括高层操作系统功能，例如闪速文件系统、联网等等，这些都是建立在由微内核510提供原语和基本服务上的。
如上所述，处理是密集型的任务最好被下载到处理单元110，并在那里执行。过滤器预处理器560最好建立在传统的C或者JAVA程序之上，以便将语法延伸至包括过滤器115的能力。编译器570允许直接地并且容易地产生用于过滤器程序530的代码。
上述仅仅举例说明了本发明的原理。因此能理解的是本领域中技术人员将能设计出各种尽管没有在此明确地说明或者示出的、但是具体实现了本发明的原理并且因此属于以下权利要求书的精神和范围之内的方案。
在第一实施例中，至少一个处理单元110包括以下各项中的至少一项MPEG解码器，MPEG编码器，信号处理器，可变长度解码器，可变长度编码器，编解码器，视频编解码器，音频编解码器，快速傅里叶变换设备，离散余弦变换设备，视频处理器，以及音频处理器。
在第二实施例中，至少一个处理单元110包括以下各项中的至少一项串行-并行转换器，并行-串行转换器，总线仲裁器，总线路由器，以及直接存储器存取(DMA)设备。
在第三实施例中，至少一个处理单元110包括过滤器单元115，以及SDRAM 220。
举例来说，所述过滤器单元115被配置为可编程的。
在第一实施例中，至少一个控制处理器120包括以下各项中的至少一项网络接口，网络管理器，浏览器，以及用户接口。
在另一实施例中，至少一个控制处理器120包括以下各项中的至少一项串行-并行转换器，并行-串行转换器，总线仲裁器，总线路由器，协议栈，以及直接存储器存取(DMA)设备。
举例来说，所述至少一个控制处理器120进一步被配置为提供以下各项中的至少一项任务存储器和CPU空间隔离，病毒防护，以及货币管理。
在另一范例中，至少一个控制处理器120进一步被配置为提供家庭控制平台100与至少一种传统消费产品301-304之间的接口，所述至少一种传统消费产品301-304包括以下各项中的至少一项电视机301，电话302，音频系统304，视频系统，以及家用电器。
在最后的实施例中，至少一个控制处理器120包括以下各项中的至少一项语音识别系统360，语音合成系统360，以及无线设备接口系统。
权利要求
1.一种家庭控制平台(100)，包括多条串行总线(150)，被配置为提供在多个处理单元(110)之间的互连；总线分配控制单元(210)，被配置为接收来自所述多个处理单元(110)的、对带宽分配的请求，并被配置为提供所述多条串行总线(150)的子集的分配，以满足所述请求。
2.如权利要求1所述的家庭控制平台(100)，进一步包括所述多个处理单元(110)中的至少一个处理单元。
3.如权利要求1所述的家庭控制平台(100)，其中所述多条串行总线(150)中的每一条均被配置为自定时的。
4.如权利要求1所述的家庭控制平台(100)，进一步包括至少一个控制处理器(120)，被配置为提供对所述多个处理单元(110)之间的数据传输的控制。
5.如权利要求4所述的家庭控制平台(400)，其中所述至少一个控制处理器(120)包括总线接口单元(160)，可操作地与所述多条串行总线(150)相耦合，被配置为经由所述多条串行总线(150)执行数据的传输，以及中央处理单元(230)，可操作地与所述总线接口单元(160)相耦合，被配置为处理来自所述总线接口单元(160)的输入数据，并且被配置为向所述总线接口单元(160)提供处理过的数据。
6.如权利要求4所述的家庭控制平台(100)，其中所述至少一个控制处理器(120)进一步包括微内核(510)，被配置为提供基本操作系统服务，所述基本操作系统服务包括以下各项中的至少一项信号量，传送消息，调度，异常管理，任务管理，以及存储器管理。
7.如权利要求6所述的家庭控制平台(100)，其中所述至少一个控制处理器(120)进一步包括接口，被配置为将所述微内核(510)耦合至标准操作系统。
8.如权利要求6所述的家庭控制平台(100)，其中所述任务管理被配置为提供对所述多个处理单元(110)中的至少一个进行直接访问，所述多个处理单元(110)中的至少一个被配置为协处理器，以及所述直接访问是通过协处理器接口层(520)提供的。
9.一种供在家庭控制平台(100)中使用的处理单元(110)，包括一个或多个过滤器单元(115)，总线接口单元(160)，可操作地与所述家庭控制平台(100)的多条串行总线(150)相耦合，被配置为从所述家庭控制平台(100)接收对于所述多条总线中的选定的一条或多条总线的分配，以及经由所选定的一条或多条总线、在所述家庭控制平台(100)和所述一个或多个过滤器单元(115)之间提供通信。
10.一种供在家庭控制平台(100)中使用的控制处理器(120)，包括总线接口单元(160)，可操作地与所述家庭控制平台(100)的多条串行总线(150)相耦合，被配置为基于由所述家庭控制平台(100)对于所述多条串行总线(150)中的选定的一条或多条总线的分配，经由所述多条串行总线(150)执行数据的传输，以及中央处理单元(230)，可操作地与所述总线接口单元(160)相耦合，被配置为处理来自所述总线接口单元(160)的输入数据，并且被配置为将处理过的数据提供给所述总线接口单元(160)。
全文摘要
一种家庭控制平台和体系结构包括多条串行总线，所述多条串行总线提供在连接到所述家庭控制平台的处理设备之间的通信。总线控制单元被配置为在请求通信服务的设备之间分配总线。所述平台支持一个或多个控制处理器，所述一个或多个控制处理器提供与传统设备的接口、用户和网络接口、浏览器、等等。所述平台还接受可供选择的插件卡，所述插件卡作为用于特定任务的协处理器来执行，诸如MPEG编码和解码，信号处理，视频与音频编解码器，等等。用来支持这一平台的软件体系结构包括在控制处理器处使用实时微内核操作系统(OS)，用来与所述任务协处理器接口，并且与诸如Vxworks、WinCE或者LINUX之类的标准OS接口。所述微内核OS提供用于任务存储器和CPU空间隔离的原语、病毒防护以及安全财务交易服务。
文档编号G06F9/46GK1556957SQ02818435
公开日2004年12月22日 申请日期2002年9月4日 优先权日2001年9月21日
发明者C·奥当内尔, C 奥当内尔 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司