MOST-Netzwerktechnologie Worin der Erfolg des Infotainmentsystem begründet ist

Autor / Redakteur: Miguel Estevez, Jürgen Baumgartner* / Holger Heller

Drei Jahre nachdem das erste Fahrzeug mit MOST (Media Oriented Systems Transport) in Serie ging, sind bereits über 30 Fahrzeugmodelle verschiedener Hersteller auf dem Markt, deren Infotainment-System MOST als Backbone verwendet. Die MOST-Multimedia-Netzwerktechnologie ist damit eine der am schnellsten verbreiteten Technologien in der Fahrzeugelektronik. Worin begründet sich der Erfolg und die schnelle Adaption dieses Standards?

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( Archiv: Vogel Business Media )

Die wesentlichen Gründe für den Erfolg von MOST liegen in den Vorteilen der Technologie, sowie in der frühzeitigen Standardisierung durch viele Fahrzeughersteller und Zulieferer in der MOST Corp. Die MOST-Technologie bietet in Kombination mit der MPEG-Technologie eine Basis für die gewünschten Multimedia-Anwendungen im Automobil zu einem attraktiven Preis. Die weitere Entwicklung von MOST ist auf eine Optimierung der Systemkosten ausgelegt, d.h. Multimedia-Anwendungen sollen selbst in Fahrzeuge des unteren Preissegments Einzug finden.

MOST definiert das Protokoll und die notwendigen Hardware- und Software-Layer, die für den Transport aller multimediarelevanten Daten (Kontrolldaten, Paketdaten, synchrone und isochrone Datenströme) notwendig sind. Mit MOST wird die Übertragung dieser Daten über ein einziges physikalisches Medium möglich.

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Softwareschnittstellen im Netzwerk inklusive

Die Technologie beinhaltet neben dem eigentlichen Netzwerk auch die Softwareschnittstellen, die es Anwendungen auf unterschiedlichen Netzwerkknoten erlauben, miteinander zu kommunizieren und Daten auszutauschen. Zudem wird ein Transportmechanismus definiert, um Multimediainhalte von einem Netzwerkknoten zu anderen Knoten zu streamen. Dies ist mit einem geringen Overhead möglich, sodass nahezu die volle Bandbreite auf dem Netzwerk für Daten zur Verfügung steht.

Der vollsynchrone Ansatz von MOST bietet maximale „Quality of Service“ und reduziert Kosten, da das Netzwerk ohne Zwischenspeicherung oder Signalverarbeitung an den einzelnen Netzwerkknoten auskommt. Der Overhead, der bei einer Paketverarbeitung von Streamingdaten anfallen würde, entfällt.

Videoübertragung mit MOST über MPEG-2-Standard

Bei der Vielfalt an Geräten, Medien und Datenformaten ist es sinnvoll, ein Netzwerkkonzept zum Streamen der Multimedia-inhalte zu finden, um von jedem Netzwerkknoten auf alle Multimedia-Inhalte zugreifen zu können. Empfänger sollten in der Regel jede Art von Inhalt (MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, DivX, JPEG, H.264, SDTV, HDTV) dekodieren können. Ein Ansatz ist die Übertragung aller Formate im Netzwerk und die Verarbeitung in den Netzwerkknoten, wobei das System aber unflexibel für neue Standards wird (zur Unterstützung neuer Standards sind alle Netzwerkknoten anzupassen).

Ebenso möglich ist die Dekodierung aller Inhalte in einer Zentraleinheit und die anschließende Kodierung auf ein Format. Werden z.B. nur MPEG-2-Streams im Netzwerk übertragen, hat dies mehrere Vorteile: Alle übrigen Geräte im Netzwerk benutzen dann eine etablierte Technologie und die Lebensdauer dieser Komponenten verlängert sich bei der Einführung neuer Standards, da nur mehr die Zent-raleinheit angepasst wird. Außerdem ist die Synchronität von Bild und Ton (Lip-Sync) sichergestellt oder eine Adaption der Datenrate/Bandbreite an die verwendeten Displaygrößen kann stattfinden.

Bild 1 zeigt die Architektur eines MOST-Netzwerks zur Videoübertragung im Auto. Die Videoinhalte werden im Netzwerk übertragen und sind an jedem Netzwerkknoten abrufbar. Das System verwendet MPEG-2-Streams, wobei standardisierte Chipsets zum Einsatz kommen. Dieser IC ist eine Lösung für MPEG-1/2 MP@ML, das sich in Europa etabliert hat: Blackbox-Konzept, erweiterter Temperaturbereich von –20 bis 85 °C und eine geringe Leistungsaufnahme von 550 mW.

Der Baustein kodiert Analog- (TV, DVD etc.) oder Digitalsignale innerhalb der verfügbaren Bandbreite für die Übertragung im Netzwerk. Die Parametrierung der MPEG-Kodierung (z.B. Bildformat, GOP-Struktur, Bitrate) wird über einfache Befehle festgelegt. Nach dem Startbefehl wird eine optimale Kodierung erzeugt, der MB86391 übermittelt anhand von Nachrichten an den Host-Controller den Status des Kodierprozesses. Die Kommunikation (für Kommandos und Statusmeldungen) wird über einen einfachen seriellen Port ausgetauscht, der synchron (mit max. 2 MHz Takt) oder asynchron konfiguriert werden kann. Der MB86391 unterstützt alle Parameter unter MP@ML und die Streamformate MPEG-2 TS/PS und MPEG-1 System, die mit den notwendigen „Stuffing“-Paketen automatisch erzeugt werden.

SmartMPEG-Decoder dekodiert in Digital- oder Analogsignale

Der MPEG-Decoder MB86H22A ist Teil der SmartMPEG-Chip-Familie, die in verschiedenen Applikationen wie Settop-Boxen (STBs) für Free-To-Air-Empfang (FTA), mit Conditional Access (CA), mit Unterstützung von Macrovision und hier für Automotive-Anwendungen mit erweitertem Temperaturbereich zum Einsatz kommt. Der SmartMPEG in einem MOST-System dekomprimiert den MPEG-Stream und gibt ein digitales Videosignal ITU-R 656 oder analoges CBVS/YC- oder RGB-Signal aus. Die interne ARC-CPU kann weit gehend für Grafik- (4-Layer-OSD mit voller Farbpalette) und MMI-Funktionen verwendet werden, da die MPEG-Dekodierung komplett in Hardware stattfindet.

Graphic-Display-Controller (GDC) kommen in allen Grafik-applikationen im Fahrzeug zur Anwendung: Navigationssystem, Head Units, Rücksitz-, Cluster- und Head-Up-Display (HUD). GDCs wie Fujitsus Coral P oder PA unterstützen einen digitalen Videoeingang, sodass die Navigationseinheit mit PiP oder Fullscreen-Videowiedergabe kombinierbar ist. Daneben sind 2D/3D-Graphikfunktionen und eine interne Weiterverarbeitung des Videobildes möglich. Ende 2005 erfolgt die Einführung des Fujitsu-GDCs „Lime“. Er bietet SmartMPEG für kostengünstige Navigationssysteme oder dient als Modul für Rücksitzdisplays mit erweiterter Funktion (Bild 2).

Die erste Generation der MOST-Netzwerk-Interface-Controller (NIC) umfasste ein Physical Layer Interface und eine Link Layer Engine sowie die unteren Layer des Netzwerkmanagements. Das höhere Netzwerkmanagement und die Transport-Layer wurden in einem Netzwerktreiber (MOST NetServices) realisiert, der auf dem externen Host Controller (EHC) lief. Dieser musste performant genug sein, um die zeitkritischen Teile des Netzwerk-Interfaces bedienen zu können. Die neue Generation intelligenter Netzwerk-Interface-Controller (INIC) enthält das Netzwerk-Interface und einen Controller, auf dem ein Netzwerktreiber läuft.

Die Funktion des Netzwerk-Interfaces wird somit auf dem INIC konzentriert, der EHC dabei entlastet. Auf dem EHC läuft dann nur noch ein relativ kleiner Teil des Netzwerktreibers, der einen Sockel für die Applikationen darstellt. Die INIC-Architektur bietet bei vollständiger Rückwärtskompatibilität eine Vereinfachung der Anwendung und stellt zugleich eine höhere Leis-tungsfähigkeit zur Verfügung (Bild 3).

MediaLB: Synchroner IC Interconnect

Da die zeitkritischen Teile des Netzwerktreibers nun auf dem INIC laufen, sind die sensitiven Anteile des Echtzeit-Managements gekapselt. Der EHC kann sich auf die applikationsbezogenen Aufgaben konzentrieren. Daneben bietet INIC eine prozedurale, objektorientierte Schnittstelle (INIC API), welche die MOST-Syntax nutzt. Der EHC kann damit in derselben Weise mit dem INIC kommunizieren, wie er z.B. auch einen CD-Player über MOST ansprechen würde. Auch das Management der synchronen Verbindungen im INIC und im System wurde stark abstrahiert.

INIC bietet ein objektorientiertes Port- und Socket-Konzept, wie es in einigen Betriebssystemen üblich ist. Da der Netzwerktreiber auf dem Chip integriert ist, läuft INIC autark und startet ohne Interaktion mit dem EHC als vollwertiger Knoten im MOST-Netzwerk, bis sich der EHC bei ihm anmeldet. Daneben bietet der INIC ein neues Multimedia-Interface, um ihn auf Board-Level an andere ICs innerhalb eines Gerätes anzukoppeln.

Ursprünglich gab es keinen Standard, der den Anforderungen einer seriellen Schnittstelle für Multimedia-Applikationen gerecht wurde. Dies hat sich mit MediaLB geändert. Niedrige Pinzahl bei hohem Datendurchsatz sind typische Merkmale für einen schnellen IC-Interconnect. Media-LB ist eine Weiterentwicklung von I2C und I2S und verwendet drei Leitungen (Clock, DATA, SIG). Es lassen sich alle Datenarten transportieren, die in Multimedia-Geräten anfallen: Kontroll- und Paketdaten, synchrone und isochrone Datenströme. MediaLB läuft streng synchron zu MOST. Die Notwendigkeit zum Zwischenspeichern von Daten, die zwischen MOST und MediaLB ausgetauscht werden müssen, entfällt. Die Geschwindigkeit von MediaLB lässt sich skalieren (256, 512 und 1024 fs). Das Interface lässt sich damit auf die Anforderungen der Applikation anpassen.

Im einfachsten Fall ist MediaLB eine Schnittstelle zum INIC, bietet jedoch so viele Vorteile, dass eine breitere Anwendung auf Board-Level wünschenswert ist. Daher wurde MediaLB als Bus ausgelegt, kann mehrere ICs verbinden und die Architektur innerhalb der Geräte optimieren (Bild 4). Die MediaLB-Spezifikation ist auf der Website von OASIS Silicon-Systems frei verfügbar (siehe InfoClick), der Media-LB-Standard kann kostenfrei lizenziert werden.

MOST als Vorreiternetzwerktechnologie in Sachen Kopierschutz

Mit der Integration von DVD-Audio und -Video in ein digitales Netzwerk ergibt sich auch die Forderung nach Kopierschutz (Content Protection). MOST war die erste Netzwerktechnologie, die zugelassen wurde, DVD-Video-Inhalte auf einem Netzwerk digital zu übertragen. Dies wurde durch die Einführung und Spezifikation von DTCP (Digital Transport Content Protection) auf MOST möglich. Bei diesem digitalen Kopierschutz ist es erforderlich, dass sich Geräte, die an der Übertragung teilnehmen sollen, gegenseitig authentifizieren und Multimedia-Inhalte verschlüsselt übertragen werden.

Aus Systemsicht bietet es sich an, die DTCP-spezifischen Funktionsblöcke außerhalb des Netzwerk-Interface unterzubringen. Das hat den Vorteil einer klaren Trennung von Netzwerk, Netzwerk-Interface und Applikation. Daneben bietet sich die Integration der DTCP-spezifischen Funktionsblöcke in rein digitalen VLSI-Bausteinen an, da dies kosteneffizient möglich ist. DTCP-Lösungen für MOST sind als Hardware- und Software-Implementierungen von unterschiedlichen Herstellern verfügbar. OASIS Silicon-Systems bietet eine generische Lösung als VHDL IP, sowie Bausteine für dedizierte Applikationen an.

In den letzten Jahren haben zahlreiche Unternehmen Embedded-Software auf den SmartMPEG portiert, sodass diese Software zusammen mit der Fujitsu API (F-API) fast alle Anwendungsfälle abdeckt. Daneben existieren die MOST NetServices als Software-Stack für das MOST-Netzwerk. Die F-API basiert auf Software-Layern (Bild 5) mit einer klaren Trennung zwischen Hardware-Registerzugriffen und Funktionsgruppen. Die Zugriffe auf die Hardware-Register werden über die Bibliothek FH-Lib ermöglicht, wobei jedes Register sowohl bitweise als auch bitgruppenweise geschrieben oder gelesen werden kann.

Die Bibliothek FD-Lib beinhaltet die eigentlichen Treiber (z.B. Video- und Audio-Decoder, TS Demux) und deckt alle möglichen Konfigurationen des SmartMPEG ab. Die Bibliothek FM-Lib bietet Middleware, z.B. zur Auswertung von Service-Informationen, Aufbereitung von Service- und Transponder-Listen, Steuerung der Fernbedienung. Eine Besonderheit der F-API ist, dass die Bibliotheken sowohl mit als auch ohne RTOS eingesetzt werden können. Einfache Empfänger-Decoder benutzen den SmartMPEG ohne RTOS, was zu weiterer Kostenoptimierung beiträgt.

NetServices stellen die API zum MOST-Netzwerk her und beinhalten alle MOST-relevanten Funktionen wie Adresshandler, Befehlsinterpreter oder den für MOST obligatorischen NetBlock. Es werden alle auf MOST existierenden Datentypen über entsprechende Kommunikationsdienste unterstützt. Neben den Basislayern 1 und 2 gibt es auch Erweiterungsmodule für die Verarbeitung und Übertragung von Paketdaten und Module für systembezogene Aufgaben (wie z.B. der für jedes Netzwerk obligatorische Netzwerkmaster). Der Quellcode steht in ANSI C oder für Prototypingzwecke auch als DLL oder ActiveX-Komponente zur Verfügung.

Get the MOST out of it

Die Weiterentwicklung von MOST zu höherer Bandbreite führt dazu, digitale Streams ohne Transcodierung im Netzwerk zur Verfügung zu stellen. Die Integration im INIC und die Einführung einer leistungsfähigen und flexiblen Schnittstelle wie MediaLB vereinfacht die Ankopplung neuer Physical Layer und MOST-Netzwerke höherer Bandbreite. So wird es demnächst INICs mit 50 bzw. 150 MBit/s Datenübertragungsrate für optische oder auch elektrische Physical Layer geben. Dabei ändern sich das elektrische Interface (MediaLB) und das logische Interface (INIC API und NetServices) zum Netzwerk nicht.

SmartMPEG in vielen Automotive-Projekten bildet die Grundlage für Fujitsu, hier seine Präsenz auszubauen: Neue Multimedia-Produkte mit Netzwerkfunktionen werden entwickelt. Die Optimierung eines MOST-Systems in Abstimmung mit OASIS und den Automobilherstellern wird in Sachen Schnittstellen, Funktionalität, Integrationsgrad und Preis-Leistungs-Verhältnis vorangetrieben.

*Miguel Estevez ist Senior Marketing Engineer Multimedia bei Fujitsu Microelectronics Europe in Frankfurt; Jürgen Baumgartner ist Produkt Marketing Manager Sys-tems & Solutions bei OASIS SiliconSystems in Karlsruhe.

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