基于DLNA數(shù)字媒體適配器的設(shè)計(jì)

李 欣，李軼婷

（哈爾濱理工大學(xué) 通信工程系，黑龍江 哈爾濱 150080）

隨著數(shù)字媒體的流行，大量的媒體資源已出現(xiàn)在家庭之中。然而，它們并不能相互合作，更困難的是不能將電腦中的資源應(yīng)用于其他設(shè)備。DLNA的出現(xiàn)，旨在連接有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)電腦、移動(dòng)設(shè)備之間的媒體資源相互連通，實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間，任何地點(diǎn)，無(wú)限制的分享音樂(lè)、照片以及視頻等。DLNA并不是創(chuàng)造了一種新的技術(shù)，而是制定了一種解決問(wèn)題的辦法，一種大家都需要遵守的規(guī)則[1]。

數(shù)字媒體適配器的主要價(jià)值是可以連接計(jì)算機(jī)或手機(jī)中的音頻、視頻文件，經(jīng)過(guò)數(shù)字媒體適配器的解碼，輸出到其他的展示設(shè)備。然而關(guān)鍵問(wèn)題是各種設(shè)備之間如何使用一種公共的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)互相連接，從而共享家庭網(wǎng)絡(luò)中的媒體資源[2]。另一方面，如何在低成本的前提下，實(shí)現(xiàn)高速率、低功耗。隨著數(shù)字媒體內(nèi)容種類(lèi)及數(shù)量的增多，人們迫切的等待著更加成熟的數(shù)字家庭技術(shù)方案，以更好地服務(wù)數(shù)字生活。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)整體上采用了ARM-Linux嵌入式體系，被廣泛的應(yīng)用于數(shù)字媒體設(shè)備中。圖1表明系統(tǒng)整體整體框架，包含了系統(tǒng)軟、硬件兩大部分的層次結(jié)構(gòu)。其中UPNP協(xié)議以及UPNP AV架構(gòu)作為整個(gè)系統(tǒng)最重要的構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備之間互通互控的主體功能，也是文中重要的研究部分。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖Fig.1 Framwork diagram of the system

2 數(shù)字媒體適配器的硬件設(shè)計(jì)

數(shù)字媒體適配器實(shí)現(xiàn)的主要功能是網(wǎng)絡(luò)流媒體數(shù)據(jù)接收、流媒體解碼、音視頻流格式轉(zhuǎn)換以及對(duì)流媒體服務(wù)的控制（如媒體內(nèi)容選擇、播放、暫停等）[3-4]。硬件設(shè)計(jì)上，文中選用了Amlogic公司的AML 8726-M作為主控芯片，專(zhuān)為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備、平板電腦、機(jī)頂盒以及電視應(yīng)用設(shè)備而設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用ARM Cortex-A9單核架構(gòu)，主頻800 MHz，大容量緩存提高了系統(tǒng)性能。另外配有MedioCPU完成音頻解碼，雙DSP硬件解碼器可以解碼所有的視頻格式，包括H.264，MVC，MPEG-1/2/4，VC-1/WMV，AVS，RealVideo 以及 MJPEG。

系統(tǒng)在主控芯片的基礎(chǔ)上，還配有豐富的輸出接口和外圍設(shè)備模塊。外圍存儲(chǔ)包括64 M字節(jié)的SDRAM，用來(lái)處理數(shù)據(jù)的外部緩存；通過(guò)NAND FLASH接口外接512 M大容量存儲(chǔ)芯片，用來(lái)存儲(chǔ)啟動(dòng)引導(dǎo)程序、U-boot、內(nèi)核以及文件系統(tǒng)；配有Mini SD接口，為媒體資源提供更大的存儲(chǔ)空間。網(wǎng)絡(luò)連接方面，總線連接網(wǎng)絡(luò)接口芯片，作為讀取接收流媒體的入口；WIFI無(wú)線網(wǎng)卡，實(shí)現(xiàn)無(wú)線上網(wǎng)功能；配有4個(gè)USB接口，讀入移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備中的媒體內(nèi)容。此外，系統(tǒng)配有3.5-mm標(biāo)準(zhǔn)音頻輸出接口和HDMI高清接口，支持多格式的音視頻媒體輸出。

系統(tǒng)通過(guò)有線或無(wú)線連接網(wǎng)絡(luò)，與手機(jī)或電腦互聯(lián)提供控制端；通過(guò)HDMI高清接口連接電視，作為顯示端。外存中的多媒體文件通過(guò)SDRAM緩沖后，將視頻流和音頻流進(jìn)行分解，在主控芯片解碼完成后，由音/視頻接口輸出。

圖2 硬件構(gòu)成圖Fig.2 Structure diagram of hardware

3 數(shù)字媒體適配器軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)作為DLNA產(chǎn)品，符合其開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)。表1中列出了DLNA互操作架構(gòu)下的關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)所需技術(shù)也如表1所列。軟件程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，利用Intel SDK for UPNP Devices的庫(kù)文件代碼一起進(jìn)行交叉編譯成ARM平臺(tái)Linux動(dòng)態(tài)連接庫(kù)文件，供上層應(yīng)用調(diào)用。開(kāi)發(fā)主機(jī)采取在VMWare中安裝Linux虛擬機(jī) （Ubuntu11.10），以及armlinux-gcc 4.3.2編譯器作為開(kāi)發(fā)工具鏈。

表1 DLNA互操作架構(gòu)下的關(guān)鍵技術(shù)Tab.1 Key technology under the interoperability architecture of DLNA

3.1 控制點(diǎn)軟件模塊設(shè)計(jì)

數(shù)字媒體適配器作為數(shù)字家庭中的重要設(shè)備，能夠根據(jù)用戶提供的某項(xiàng)服務(wù)，在設(shè)備間實(shí)現(xiàn)互操作，包括設(shè)備間的通信能力以及交換有效信息的能力。控制點(diǎn)（Control Point）作為UPNP AV網(wǎng)絡(luò)中最重要的節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)在網(wǎng)絡(luò)中搜索媒體服務(wù)器和媒體渲染器，發(fā)現(xiàn)用戶所需要的媒體信息，協(xié)調(diào)兩者之間的交互操作。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，全局分為4個(gè)模塊：設(shè)備列表模塊、主控管理模塊、交互通信模塊以及UPNP協(xié)議模塊。圖3為控制點(diǎn)軟件模塊結(jié)構(gòu)圖。

1）設(shè)備列表模塊

圖3 控制點(diǎn)軟件模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Software module structure of control point

設(shè)備列表模塊用來(lái)在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)、查找UPNP設(shè)備，對(duì)設(shè)備進(jìn)行添加和刪除，對(duì)設(shè)備表述的XML文件進(jìn)行解析，列表與設(shè)備之間一一對(duì)應(yīng)。此模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備信息的緩存處理。在設(shè)備列表中，包含所有控制點(diǎn)需要的設(shè)備信息和設(shè)置參數(shù)：設(shè)備唯一的識(shí)別名稱(chēng)、XML文件描述的網(wǎng)絡(luò)地址、基礎(chǔ)URL以及設(shè)備超時(shí)時(shí)間等。

2）主控管理模式

作為軟件模塊中的中樞部分，主控模塊基于UPNP協(xié)議模塊，與設(shè)備列表模塊與交互通信模塊均相連，完成的主要功能包括：管理設(shè)備緩存、處理客戶端命令、響應(yīng)設(shè)備請(qǐng)求、解析設(shè)備回應(yīng)。定義CtrlPointCallbackEventHandler（）函數(shù)注冊(cè)UPNP消息回調(diào)函數(shù)；接收到SSDP發(fā)現(xiàn)消息后，管理列表中的 UPNP設(shè)備，如使用CtrlPointAddDevice（）添加設(shè)備；調(diào)用CtrlPointHandleEvent（）函數(shù)接收客戶端的消息，對(duì)消息進(jìn)行處理；使用 CtrlPointHandleSubscribeUpdate（）和 StateUpdate（）更新訂閱和狀態(tài)列表；調(diào)用CtrlPointSendAction（）和CtrlPointSendActionNumericArg（）給網(wǎng)絡(luò)中的UPNP設(shè)備發(fā)送消息。

3）交互通信模塊

交互通信模塊連接了主控模塊與UPNP客戶端，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與控制點(diǎn)之間的交互控制，負(fù)責(zé)與客戶端的通訊流程，完成服務(wù)端、渲染器以及控制點(diǎn)之間的交互操作。模塊首先確定了與UPNP客戶端的通信方式，定義Upnp Get ServerIp Address（）設(shè)定 IP 地址、UpnpGetServerProt（）設(shè)定端口，使用CtrlPointHandleGetVar（）處理主控模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包，完成對(duì)命令的解析，調(diào)用CtrlPointCommandLoop（）函數(shù)連續(xù)發(fā)送指令，使用 CtrlPointProcessCommand（）函數(shù)將指令傳送給主控模塊，完成對(duì)命令的解析和處理。

4）UPNP 協(xié)議模塊

負(fù)責(zé)所有與UPNP協(xié)議有關(guān)的內(nèi)容。系統(tǒng)采用libupnp開(kāi)發(fā)包，以UPNP庫(kù)作為底層協(xié)議，涵蓋UPNP協(xié)議所需要的API接口及庫(kù)函數(shù)。

5）UPNP 客戶端

UPNP客戶端即系統(tǒng)輸出展示設(shè)備，包括電視、音響等。

3.2 系統(tǒng)軟件工作流程

根據(jù)DLNA產(chǎn)品開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)中的關(guān)鍵技術(shù)，其中“設(shè)備發(fā)現(xiàn)與控制”和“媒體管理”是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重要功能，軟件開(kāi)發(fā)基于UPNP協(xié)議與UPNP AV協(xié)議架構(gòu)。下文分別說(shuō)明了兩主要功能的具體實(shí)現(xiàn)。

3.2.1 設(shè)備發(fā)現(xiàn)與控制工作流程

設(shè)備在發(fā)現(xiàn)與控制技術(shù)部分，采用了UPNP協(xié)議棧架構(gòu)。設(shè)備在此部分主要完成初始化以及異步操作處理兩大主要功能。其軟件工作流程如圖4所示。

初始化操作包括初始化UPNP協(xié)議棧、注冊(cè)根設(shè)備以及初始化設(shè)備。系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)UpnpInit（）初始化協(xié)議棧，制定模塊根目錄，通過(guò)注冊(cè)根設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與UPNP庫(kù)的關(guān)聯(lián)。設(shè)備以多播方式發(fā)布存在消息，進(jìn)入事件循環(huán)過(guò)程。當(dāng)監(jiān)聽(tīng)器接收到設(shè)備發(fā)出的事件請(qǐng)求后，創(chuàng)建時(shí)間處理線程，回調(diào)UPNP事件處理函數(shù)進(jìn)行處理，隨后開(kāi)始異步操作處理過(guò)程。

設(shè)備運(yùn)行期間，控制點(diǎn)會(huì)發(fā)送各種請(qǐng)求指令，處理這些異步請(qǐng)求就是設(shè)備最主要的工作。這些異步請(qǐng)求包含訂閱請(qǐng)求、取值請(qǐng)求和操作請(qǐng)求[5-6]。訂閱請(qǐng)求訂閱了UPNP設(shè)備中服務(wù)狀態(tài)改變事件，訂閱成功后，一旦控制點(diǎn)的訂閱信息發(fā)生改變，系統(tǒng)都會(huì)得到及時(shí)的通知。取值請(qǐng)求用于返回服務(wù)狀態(tài)變量的當(dāng)前值，設(shè)備監(jiān)聽(tīng)到控制點(diǎn)的取值請(qǐng)求后，會(huì)激活事件處理回調(diào)函數(shù)，將返回的當(dāng)前值提供給接口發(fā)送給控制點(diǎn)。操作請(qǐng)求用于改變服務(wù)狀態(tài)變量值，設(shè)備從請(qǐng)求文檔中得到操作所需的相關(guān)參數(shù)，建立響應(yīng)文檔后通知控制點(diǎn)設(shè)備。

3.2.2 媒體管理工作流程

系統(tǒng)媒體管理部分基于UPNP AV架構(gòu)，設(shè)備用來(lái)連接一個(gè)或多個(gè)媒體服務(wù)器，允許控制點(diǎn)在家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)對(duì)媒體資源（例如音頻、視頻、圖片等）進(jìn)行控制。

圖4 設(shè)備發(fā)現(xiàn)與控制工作流程Fig.4 Discover and control working process of the device

圖5為媒體管理工作流程。系統(tǒng)進(jìn)程開(kāi)始于控制點(diǎn)對(duì)媒體服務(wù)器的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)選擇好媒體內(nèi)容進(jìn)行播放控制時(shí)，首先要對(duì)媒體資源進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，控制點(diǎn)確定以何種傳輸協(xié)議以及數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所有傳輸參數(shù)建立后，控制點(diǎn)通過(guò)調(diào)用Connection Manager::PrepareForConection（）發(fā)布通知，控制媒體流。隨后服務(wù)器或渲染器將向控制點(diǎn)返回一個(gè)AV Transport InstanclID，用來(lái)控制媒體內(nèi)容的傳輸，例如播放、暫停等。同樣，當(dāng)媒體渲染器返回一個(gè)渲染控制ID，就可以用來(lái)對(duì)媒體進(jìn)行控制，例如音量調(diào)節(jié)、亮度調(diào)節(jié)等。實(shí)際上，媒體內(nèi)容的傳輸是媒體服務(wù)器和渲染器之間的操作，UPNP本身并不參與?？刂泣c(diǎn)利用UPNP協(xié)議建立設(shè)備間的連接，而媒體傳輸采用的則是具體的傳輸協(xié)議。

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)作為DLNA產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，完成了數(shù)字媒體適配器軟、硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了媒體資源共享及設(shè)備間的互控，能夠?qū)γ襟w內(nèi)容進(jìn)行傳輸控制和渲染控制。系統(tǒng)作為數(shù)字家庭媒體的中心產(chǎn)品之一，很好的實(shí)現(xiàn)了DLNA家庭網(wǎng)絡(luò)的娛樂(lè)功能，也預(yù)示了電腦與家電產(chǎn)品互聯(lián)互通的美好前景。

圖5 媒體管理工作流程Fig.5 Media manage working process

[1]葛體富，鄭志強(qiáng).基于uPnP協(xié)議在DLNA架構(gòu)中的DMS開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)介[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010（8）：247，249.GE Ti-fu，ZHENG Zhi-qiang. Introduction of DMS development in the PLNA architecture baseol on uPnP protocol[J].Science and Technology Innovation Herald，2010（8）：247，249.

[2]UPNP Forum.UPnP Device Archtecture 1.0[S].2000.

[3]邢金閣.流媒體服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004.

[4]蔡蘊(yùn)文.UPnP協(xié)議及其在嵌入式通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].成都：四川大學(xué)，2005.

[5]張群哲，吳慶波.基于UPnP的數(shù)字家庭研究[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2007（5）:130-134.ZHANG Qun-zhe，WU Qing-bo.The research of degitial home based on the UPNP[J].The Computer Engineering and Science，2007（5）:130-134

[6]童得.基于UPnP協(xié)議的媒體服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)[J].軟件導(dǎo)刊，2008（5）:63-64.TONG De.The implementation of the media server based on the UPnP[J].Software Guide，2008（5）:63-64.