住宅網(wǎng)關(RG)不僅是家庭中所有語音、視頻和數(shù)據(jù)業(yè)務的中心入口和控制點，而且還是未來業(yè)務發(fā)展的基礎。但由于缺乏具有魯棒性、安全而靈活的存儲系統(tǒng)，住宅網(wǎng)關設備發(fā)展緩慢。本文深入研究了采用增強型閃存解決方案開發(fā)住宅網(wǎng)關產(chǎn)品的技術和成本優(yōu)勢，以及發(fā)展趨勢。 


住宅網(wǎng)關是在寬帶接入網(wǎng)(WAN)和家庭局域網(wǎng)(LAN)之間充當家庭網(wǎng)絡核心的一類設備，支持互聯(lián)電器之間的雙向通信和數(shù)據(jù)傳輸，并可接入互聯(lián)網(wǎng)。住宅網(wǎng)關是提供通用高速互聯(lián)接入的關鍵設備，可為不同寬帶接入方式與多種家庭聯(lián)網(wǎng)解決方案，如HomePNA、HomeRF、無線LAN或IEEE1394的集成提供平臺和匯集點(convergence point)。同樣， 住宅網(wǎng)關還是業(yè)務提供商通過互聯(lián)網(wǎng)對本地設備進行遠程業(yè)務配置的重要手段。 


推動住宅網(wǎng)關發(fā)展有諸多因素，包括以下幾點：1. 新興的本地網(wǎng)絡技術不斷涌現(xiàn)；2. 帶有智能電子控制系統(tǒng)的家庭不斷增加；3. 網(wǎng)絡運營商不斷擴展新業(yè)務；4. 互聯(lián)網(wǎng)應用持續(xù)增長；5. 國際通用標準的制訂；6. 寬帶互聯(lián)應用不斷推廣；7. 新興休閑娛樂方式(包括數(shù)字電視)涌現(xiàn)。 


典型的網(wǎng)關架構(gòu) 


由于寬帶技術的應用相對行比較新，并在不斷發(fā)展，因此住宅網(wǎng)關的功能也在不斷完善。此外，住宅網(wǎng)關設計必須能滿足未來5至10年的發(fā)展變化，這意味著必須以模塊化、著眼于未來的方式設計相關的軟件和硬件。為了更好地理解住宅網(wǎng)關，首先有必須了解其核心器件：住宅網(wǎng)關主要由處理器、存儲器、數(shù)字調(diào)制解調(diào)器、家庭聯(lián)網(wǎng)芯片組和相關軟件組成，其中存儲器包括易失性存儲器(RAM)和非易失存儲器(閃存)。 


處理器是住宅網(wǎng)關的核心器件，負責處理幾乎所有的任務。處理器決定了適用的操作系統(tǒng)、可運行的軟件、功耗及系統(tǒng)穩(wěn)定程度等特性。此外，處理器還是整個系統(tǒng)成本的主要決定因素，處理器越新、越快、功能越強，住宅網(wǎng)關也就越昂貴，也更適用于未來的應用需要。現(xiàn)有的一些主流處理器實際上是將網(wǎng)絡器件和CPU集成在高性價比芯片上的系統(tǒng)級芯片。 


與計算機一樣，網(wǎng)關也需要存儲器對用戶或運營商發(fā)出的指令進行存儲和操作。存儲器可用的有效數(shù)據(jù)越多，網(wǎng)關運行的速度就越快。網(wǎng)關通常采用RAM和閃存，RAM存儲的數(shù)據(jù)易失，因此一旦電源關閉，RAM將丟失所存儲的內(nèi)容。相反，即使斷電閃存也能保障網(wǎng)關的操作系統(tǒng)和專用特性以及用戶數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)等信息。閃存是重要資源的“保護神”，在可能的條件下應當為存儲的代碼和數(shù)據(jù)提供可靠而持長久的硬件和軟件保護。 


由于網(wǎng)關支持多種調(diào)制解調(diào)器，因此具有較強的配置靈活性。這些調(diào)制解調(diào)器可為直播衛(wèi)星、固定無線寬帶、雙向電纜網(wǎng)絡，以及電力線局域網(wǎng)和ISDN的寬帶接入網(wǎng)絡提供互聯(lián)。在住宅網(wǎng)關的本地網(wǎng)絡側(cè)，芯片組可為運行在本地網(wǎng)上的特定技術提供接口。除不同類型的寬帶和本地網(wǎng)芯片組之外，所有的網(wǎng)關還包含支持設備運行所需軟件的計算資源。 


住宅網(wǎng)關上運行的軟件能改善家庭信息設備與業(yè)務之間的協(xié)同工作。軟件雖然使用戶無須關心系統(tǒng)部件的復雜性，但住宅網(wǎng)關必須具有極其穩(wěn)定的操作系統(tǒng)，以調(diào)節(jié)如存儲器和處理器利用率等資源的分配，操作系統(tǒng)還必須足夠小以降低存儲成本。此外，操作系統(tǒng)還必須具有靈活的模塊化軟件配置，以適應未來不斷增長的器件架構(gòu)需求，并進行遠程更新和升級。 


住宅網(wǎng)關的功能 


住宅網(wǎng)關的設計決定于網(wǎng)絡運營商提供的服務。傳統(tǒng)上，服務提供商僅僅只獲得接入上的收費，而住宅網(wǎng)關則有助于運營商提供適用于家庭的傳統(tǒng)服務和增值服務。這些服務包括： 


1. 通信：為PC和互聯(lián)網(wǎng)設備提供網(wǎng)絡接入以及實現(xiàn)家庭多個設備互連的服務提供商將受到市場的歡迎。此外，增值電話業(yè)務，如基于IP的語音和單線多話路連接服務將得到更多用戶的響應。 


2. 安全：基于住宅網(wǎng)關的安全系統(tǒng)可取代現(xiàn)有的安全系統(tǒng)。新興的先進業(yè)務，如系統(tǒng)的遠程監(jiān)控可利用標準的互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器或移動電話實現(xiàn)，這將有效集成現(xiàn)有的核心業(yè)務和安全業(yè)務，并為用戶提供更廣泛的安全措施。 


3. 家庭自動化：將家庭自動化和現(xiàn)有家庭服務捆綁起來，這樣可吸引更多以前對家庭自動化不感興趣的用戶來關注住宅網(wǎng)關。 


4． 未知業(yè)務：如果設計能真正著眼于未來應用，則必須考慮未來可能的需求，而這些需求目前還不被住宅網(wǎng)關設計工程師和業(yè)務提供商所了解。這只能通過真正的模塊化架構(gòu)才能實現(xiàn)，這種設計必須集成靈活的可擴展硬件平臺，以及支持為開展新服務而對操作系統(tǒng)和應用程序升級的魯棒性文件系統(tǒng)。 


住宅網(wǎng)關的類型 


住宅網(wǎng)關是在互聯(lián)網(wǎng)和家庭內(nèi)部網(wǎng)之間路由數(shù)字內(nèi)容的面向用戶的設備，目前主要有以下幾類網(wǎng)關： 


1. 基于計算機的家庭服務器：基于計算機的網(wǎng)關也稱為家庭服務器，理論上是最簡單易行的一種住宅網(wǎng)關，因為目前已經(jīng)具備了大量已安裝并具處理能力的計算機、數(shù)字調(diào)制解調(diào)器和軟件平臺，這完全適用于配置家庭聯(lián)網(wǎng)業(yè)務。 


2. 數(shù)字視頻錄像機(DVR)：DVR可安裝軟件，這有助于用戶以數(shù)字方式記錄并存儲電視節(jié)目。電視觀眾利用DVR可以暫停直播電視節(jié)目，甚至還能繞開商業(yè)廣告。目前，DVR已能提供寬帶數(shù)字網(wǎng)絡接口，在不遠的將來，DVR有望成為提供各種新業(yè)務的網(wǎng)關設備。 


3. 數(shù)字機頂盒(STB)：數(shù)字STB仍是消費電子產(chǎn)品市場上發(fā)展最快的一種數(shù)字設備，數(shù)字STB為內(nèi)容提供商、服務提供商、設備生產(chǎn)商和半導體供應商提供了一個大有潛力的市場。STB以前只是一種單純的接收設備，而現(xiàn)在則能處理傳統(tǒng)的計算和DVR功能。對通信公司來說，采用集成DVR的STB很重要，這樣可以使其服務和平臺區(qū)別于其它的競爭對手。 


4. 其它類型：游戲機和多用途測量設備提供了一種富有想象力、有意義的平臺，并將發(fā)展為具有市場潛力的住宅網(wǎng)關類型。像微軟和索尼這些公司都相信高速游戲平臺完全可作為未來數(shù)字家庭的網(wǎng)關或集線器。 


共享存儲器件 


所有期望在家庭網(wǎng)關市場上占有一席之地的數(shù)字消費電子產(chǎn)品都具有共同的一點，即需要高可靠性、高性能、低成本和低功耗的存儲器。目前，存儲器已成為業(yè)務增長最快的領域，這不僅體現(xiàn)在存儲器的規(guī)格和數(shù)量不斷增大而封裝卻越來越小，而且存儲器的成本和功耗也不斷下降。住宅網(wǎng)關的存儲器可分為基于閃速半導體的固態(tài)存儲器和硬盤存儲器，這些存儲器基于不同的標準，并具有不同的外形和規(guī)格。 


眾所周知，硬盤的壽命低于消費電子產(chǎn)品的平均壽命。硬盤固有的耐用性受限于內(nèi)部的可動部件，并受其所處的環(huán)境因素影響，硬盤的故障可能嚴重影響服務提供商的商業(yè)利益。據(jù)一些機頂盒生產(chǎn)商反映，PVR硬盤驅(qū)動的年故障率可達2%至8%，而且目前還沒有降低該故障率的有效途徑。此外，由于電子設備的成本原因，硬件設計工程師因此轉(zhuǎn)向固態(tài)閃存器件以滿足下一代住宅網(wǎng)關的存儲需求。目前，包括AMD、英特爾、M-Systems、東芝和三星均可提供固態(tài)閃存解決方案，典型固態(tài)閃存的容量可達1MB至128GB。 


NAND閃存和NOR閃存 


NOR閃存和NAND閃存是目前閃存市場上的主導產(chǎn)品，這兩種技術獨具特色并面向不同的目標市場。在下一代住宅網(wǎng)關設計中，當采用閃存時，設計工程師應當對每種可選的技術進行仔細權衡，以選擇最適合的產(chǎn)品和技術。 


首先，NOR通常只用于代碼存儲，因此主要應用于簡單的數(shù)字設備，如低端蜂窩電話或不含任何網(wǎng)關功能的簡單電纜調(diào)制解調(diào)器。相反，NAND通常既能應用于數(shù)字設備，如機頂盒、MP3播放器、數(shù)碼相機、高端蜂窩電話和住宅網(wǎng)關的代碼存儲，也能應用于數(shù)據(jù)存儲。然而，未經(jīng)處理的NAND并不能取代NOR，NAND必須與分離的引導ROM和控制器相結(jié)合，以克服NAND固有的數(shù)據(jù)完整性缺陷，或者與特殊軟件相結(jié)合，管理并糾正數(shù)據(jù)錯誤。 


在性能上，NOR最適用于讀取數(shù)據(jù)，但寫數(shù)據(jù)或擦除數(shù)據(jù)的速率則不如NAND，因此NOR通常不適用于像住宅網(wǎng)關和需要文件處理功能的設備。在上述操作中，NAND的性能通常比NOR高幾個數(shù)量級。 


通過比較兩種技術的物理架構(gòu)，不難發(fā)現(xiàn)為什么對于給定的裸片尺寸，NAND可提供更高的密度和容量，并具有很高的性價比。NAND實現(xiàn)高容量的關鍵在于NAND的單元尺寸只有NOR的一半。即使將單級單元NAND技術與多級NOR相比，結(jié)論也是如此。 


通過采用簡單的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)商可以很容量地生產(chǎn)8MB至128MB的NAND產(chǎn)品。因此，越來越多的生產(chǎn)商樂于選擇NAND產(chǎn)品以滿足業(yè)務提供商提出的BOM成本目標。然而，要將NAND應用到可靠性和穩(wěn)定性要求較高的住宅網(wǎng)關設備中，設計工程師將面臨艱巨的挑戰(zhàn)。 


控制NAND性能的三種機制 


1. 外部硬件控制器：除NAND自帶的硅芯片外，還需要與實際閃存陣列相結(jié)合的控制器，從而在固態(tài)硅芯片上提供硬盤所能實現(xiàn)的功能。這類NAND管理系統(tǒng)的性能較高，但相應的成本也較高，其整體的耐久性和可靠性并不理想。 


2. 管理軟件：NAND閃存管理軟件系統(tǒng)的代碼非常復雜，且通常運行于住宅網(wǎng)關的主機CPU上。盡管采用管理軟件具有低成本的優(yōu)勢，但同時也有嚴重可靠性問題。由于操作系統(tǒng)或閃存容量的每次變化都需要增加額外的成本，需要設計新的驅(qū)動程序和算法，從而限制了該解決方案的推廣應用。 


3. 硬件和軟件結(jié)合：硬件和軟件結(jié)合的方式，即硬件嵌入在閃存硅裸片上，與可選方案1相比，系統(tǒng)開銷略微增加。該類產(chǎn)品是唯一無需分離引導ROM器件即可啟動系統(tǒng)的基于NAND的產(chǎn)品，因此該類住宅網(wǎng)關的模塊結(jié)構(gòu)極具成本效益?；旌辖Y(jié)構(gòu)方法是住宅網(wǎng)關設計工程師最樂意采用的解決方案，該方法具有很高的可靠性和性能，并具有較高的成本優(yōu)勢。盡管其初始成本比原始的NAND閃存解決方案略高，但減少了一般方案中NAND數(shù)據(jù)和可靠性問題可能額外增加的成本，因此從長遠的角度看，混合設計具有較好的成本效益。 


選擇合適的存儲容量 


設計工程師為住宅網(wǎng)關提供的存儲器容量多大才最合適呢？目前市場上已出現(xiàn)許多不同容量的存儲器，包括1MB到64MB的閃存，以及上千兆字節(jié)的硬盤存儲器。在一些需要大量媒體存儲的應用中，必須采用硬盤存儲器，同時用閃存作為軟件代碼存儲。目前市場上出現(xiàn)采用1MB、2MB或4MB閃存的設計，這種似乎為占領市場的1-4MB存儲器的設計難以帶來任何市場增值，僅僅略微降低了一點產(chǎn)品市場價格。 


真正的住宅網(wǎng)關必須具備使ISP能為用戶提供眾多業(yè)務選擇的能力：一些業(yè)務是目前已有的，而有些業(yè)務則尚未可知。要提供充足的空間，當前設計的最小閃存容量應為8MB至16MB，預計到2003年則將達到32MB至64MB。而實際上，采用單級單元技術或多級單元技術的16MB至32MB NAND閃存的成本與4MB至8MB的NOR閃存相當。