優於MOST150/超高速Ethernet
1394簡化車載資訊娛樂系統

2009-11-18

Waqar Saleem

目前人們對用於車載多媒體網路的1394汽車技術(1394 Automotive)關注度越來越高，而且期望它能在未來汽車市場上被普遍使用。近年來各國關注焦點逐漸轉向數位電視，有關高解析度的產品也越來越多，再加上2013年藍光(Blu-ray)播放器將停止提供類比輸出，使得1394汽車技術得以應用於愈來愈盛行的車載網路數位傳輸熱潮中。看好未來汽車後座娛樂系統的需求，已有業者早在2005年就帶領其他供應商引進1394汽車技術控制器。

從圖1可以看出連接到網路上的各式設備，並明白汽車網路的頻寬要求，例如用於避免碰撞的倒車用攝影機、全球衛星定位系統(GPS)裝置、MP3播放器、高解析度多媒體播放器和顯示器、遊戲控制台以及能通過蜂巢式和無線區域網路(Wi-Fi)訪問網頁與發送電子郵件的個人電腦和其他設備。

圖1　汽車網路元件

這些設備之間的通訊需要流量大的網路頻寬，將來傳輸量需求也會不斷提高。必須適當處理流量，才能提供良好的服務品質。該網路採用的技術包括硬體和軟體兩部分。

1394汽車技術其來有自

1394高速傳輸技術的第一種標準是IEEE 1394-1995，這個版本允許資料達到400Mbit/s，第二個版本是1394a-2000，它增加的功能有些像是非同步資料流程和串聯封包。1394a-2000可以支援800Mbit/s的資料速率。近年來，這個標準也可支援1,600Mbit/s和3,200Mbit/s。1394汽車標準1394b-2000已經在2000年得到批准。

一般來說，1394標準包含同步和非同步兩種資料通訊。同步資料(視訊和音訊)會保證即時性，但不保證送達。如果延遲送達，則這類資料將會判定成無用資料，但還是可以刪除某些資料，所以不會產生其他重大問題。1394規範分配了125秒的週期時間空隙來發送同步資料。另一方面，非同步資料會保證送達，但不保證其即時性。這類資料必定會到達目的地，但是時間則不是考量因素。如果資料未能送達，節點則會重新發送資料。

1394協定堆疊如圖2所示，由事物處理層、鏈路層和實體層組成。在1394控制器晶片中，在軟體中實現事物處理層，在軟體或硬體中實現鏈路層，在硬體中實現實體層。

圖2　IEEE 1394協定堆疊

1394汽車技術優勢盡顯

欲了解1394汽車技術的最簡便方法是將其與替代技術進行比較。跟1394技術相比，MOST150(MOST速度最高的版本)和超高速乙太網路(Gigabit Ethernet)明顯劣於1394技術，如下所述：

MOST150受限多

對於有意採用MOST150的業者來說，可能會面臨不少挑戰，其中包括缺乏數位傳輸內容保護、傳輸速度低、需要外部資料壓縮與軟體支援不足等，都是發展門檻。

內容保護是汽車數位多媒體網路必須具備的特性，而數位傳輸內容保護(DTCP)是實現這種功能的主要技術。由於MOST150產品缺乏這種特性，所以MOST網路需要其他元件來實現內容保護功能(圖3)。

圖3　MOST150缺乏DTCP在存儲媒體中的內容保護功能

缺乏內容保護導致硬體成本和其他軟體支援成本增加。並且，即使使用外部DTCP元件，也只能在網路而不能在儲存媒體(HDD等)上保護MOST150系統中的多媒體內容。

相反的，1394汽車IC具有內建DTCP。這種方法可將硬體和軟體成本最小化，同時還保證能全面保護資料。

‧	總線速度低
	MOST150網路只能實現150Mbit/s的速度，這只是目前的1394汽車元件的800Mbit/s總線速度的一小部分。將來，1394元件的總線速度預計將會加倍。

為了補償總線速度低的不足，MOST150網路可以通過使用資料壓縮將資料傳輸量提高到媲美1394汽車網路的水準。這種方案需要外部編解碼器來壓縮和解壓縮多媒體資料，但如此一來，將會產生兩個問題，首先，實現多媒體壓縮和解壓縮(如MPEG2-TS)需要典型元件，而這些元件會大幅增加延遲--可能高達400毫秒。因此，驅動器會發現視訊照相機的視訊出現明顯延遲。在用戶快轉DVD播放時，壓縮/解壓縮延遲還會導致重大延遲(圖4)。

圖4　外部多媒體編解碼器導致MOST150網路發生重大延遲

第二個問題是使用外部編解碼器會產生的成本問題。伴隨編解碼器的是這種設計需要外部記憶體來緩衝視訊。事實上，MOST150設計需要的晶片元件可能多達八個。

由於1394汽車網路的總線速度高很多，所以根本毋須壓縮。然而，如果預期的頻寬要求極高，則可以利用內建在1394汽車技術元件中的編解碼器來實現低延遲和低成本目標。一般認為，這些內置式編解碼器可以將延遲保持在4毫秒，並且只需兩塊晶片即可實現設計。1394汽車技術和MOST150所需的元件數量對比如圖5。

圖5　MOST150與1394車用技術之元件對比

‧	軟體
	由於MOST技術只由少數公司控制，所以只有少數公司能掌握該多媒體匯流排的軟體專業知識。因此，MOST系統的軟體發展成本較高，而系統整合廠商也只能控制有限的軟體。

超高速乙太網路有劣勢

超高速太網路雖然傳輸速度較快，但仍有不少挑戰，包括同樣欠缺數位傳輸內容保護、需要外部編解碼器、缺少服務品質(QoS)與高成本等，同樣限制了發展。

‧	缺乏整合式DTCP
	與MOST一樣，乙太網控制器缺乏整合式DTCP功能。用於實現外部DTCP功能的其他元件將會增加成本，並且損害記憶體件內的資料保護功能。

‧	可能的外部編解碼器
	雖然超高速乙太網路的頻寬比MOST150高得多，但是不斷增加的頻寬需求(如用於高解晰度視訊)最終可能會迫使乙太網路使用資料壓縮。由於乙太網路控制器缺乏整合式編解碼器，所以會要求使用外部元件，因此也增加所需晶片數量和成本。

‧	沒有內在服務品質
	乙太網路標準不包含QoS規定。要實現與1394汽車網路同等的QoS水準，乙太網路需要其他軟體開銷、記憶體緩衝器和時間戳電路。要保證實現可靠的視訊和音訊資料通訊，這些都是必須的。

‧	分立PHY和LINK元件的成本
	大多數乙太網路媒體訪問控制器需要外部實體層(PHY Layer)晶片。雖然這些晶片不貴，但系統總成本仍然會高於1394汽車網路。

‧	高CPU需求成本
	由於乙太網路不具備固有多媒體功能，所以外部CPU必須提供大量輔助功能。特別是，CPU必須截取和分析來自於網路的封包，並將它們發送給適當元件以將資料轉化成音訊和視訊。這種處理需求明顯提高了通過乙太網提供多媒體支援的CPU需求。

‧	軟體成本
	跟乙太網路需要大量CPU支援來處理多媒體內容一樣，網路標準需要大量軟體來確實地實現這些功能。提供許多乙太網路軟體，由於需要獲得使用權，所以也大大地增加了許可成本。

車用控制器已問世

稍早時問世的最新1394汽車串列匯流排控制器已符合IEEE標準1394b-2008的要求。晶片將PHY和鏈接(Link)層整合到單晶片解決方案中，並且具有兩個可用於連接1394電纜的連接埠。它還整合了DTCP協定。基於IDB-1394車載多媒體網路協定，能夠實現高畫質(HD)(1,280×720)視訊傳輸，還能同時在汽車上傳輸多個串流，例如從藍光DVD傳輸高解析視訊、數位電視、音訊和汽車導航圖片。

而能實現這些功能，是因為此款晶片利用了高速800Mbit/s實體層及高速解壓縮編解碼器進行高解析視訊傳輸。因此不僅為後座乘客帶來豐富的高解析度體驗，並可降低車載多媒體網路系統成本達30%，同時還使線束(電纜)數量減少70%，並進一步減輕車身重量，及提高燃油效率。

如圖6所示，元件具有記憶體保護單元(MPU)與直接記憶存取(DMA)或用於實現主要控制端的串列介面。此款新晶片與早期1394控制器一樣，所有功能的硬體加速允許可將低每秒百萬指令(MIPS)的微控制器(MCU)作為主處理器來控制元件。為同步和非同步資料提供兩條內部通道。同步通道如圖6。

圖6　1394汽車控制器

新型控制器的關鍵性能在於其實體層能夠相容1394汽車技術的800Mbit/s規格(這是以往產品速度400Mbit/s的兩倍)，而且在於其視訊壓縮編解碼器版本具有更高的壓縮速度，能把視訊壓縮至原先容量的四分之一，而以往產品僅能壓縮至三分之一。

此視訊壓縮編解碼器乃基於IEEE-1394為基礎的BT.601傳輸標準所開發。它能在2～3毫秒內壓縮/解壓縮高解析度視訊，而且在前後座顯示器觀看同一內容時，並不會產生任何時間遲滯或者內容不同步問題。

產品的關鍵性能使其具有能夠傳輸藍光DVD、數位電視的高解析度視訊及高解析度導航圖片，而且不會產生任何明顯的時間遲滯，因此成為世上首款採用1394汽車技術來處理多個高解析視訊流量和導航圖片的晶片。例如，藍光DVD上已解壓縮的高解析度視訊流量(1,280×720)的處理速度為885Mbit/s。使用視訊壓縮編解碼器可以把容量壓縮為原先的四分之一，速度變為249Mbit/s，所以兩路通道可以在800Mbit/s的頻寬上傳輸，但不能在400Mbit/s產品上進行傳輸。

視訊壓縮編解碼器流程圖如圖7所示。該功能模組利用預測編碼相鄰圖元相關技術來進行視訊壓縮。