嵌入式系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)接口擴展研究

嵌入式系統(tǒng)目前已廣泛應(yīng)用于信息家電、網(wǎng)絡(luò)通信和工業(yè)控制等各個領(lǐng)域。典型的嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式硬件和軟件構(gòu)成，其中硬件部分的核心為嵌入式處理器。

　　ARM系列內(nèi)核是目前嵌入式處理器中廣泛使用的內(nèi)核。采用ARM內(nèi)核的處理器具有體積小、功耗低、成本低和性能高的特點。在全球有眾多生產(chǎn)ARM內(nèi)核處理器的廠商。

　　Linux是一種很受歡迎的開放源碼操作系統(tǒng)，原先被設(shè)計應(yīng)用于桌面系統(tǒng)，后被廣泛應(yīng)用于服務(wù)器。由于其開放源碼和內(nèi)核可裁減等特性，Linux逐漸被修改用于嵌入式領(lǐng)域。目前已有多個嵌入式應(yīng)用的版本，μClinux 是其中的一個分支，最早被設(shè)計應(yīng)用于微控制領(lǐng)域。其最大特征就是沒有MMU(內(nèi)存管理單元)，很適合于許多低端的、沒有MMU的嵌入式處理器。

　　本文設(shè)計了一種嵌入式系統(tǒng)用于多媒體實時數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。ARM內(nèi)核處理器與嵌入式 Linux 是目前嵌入式應(yīng)用中的一種典型組合，選用了 Samsung 公司的16/32位ARM7TDMI 內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)處理器 S3C4510B 為嵌入式硬件核心，μClinux 為操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)支持完整的TCP/IP協(xié)議以及許多其它的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，同時它具有很低的成本。

　　1 嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)成

　　1.1 硬件系統(tǒng)

　　嵌入式硬件系統(tǒng)主要由 CPU、Flash ROM、SDRAM、以太網(wǎng)物理層、FIFO以及CPLD等芯片構(gòu)成，如圖1所示。

　　(1) CPU

　　本系統(tǒng)采用了 ARM7TDMI 內(nèi)核的 RISC 處理器S3C4510B。該芯片具有如下一些主要特點：

　　8/16/32位的外部總線支持 ROM、RAM、Flash 存儲器、DRAM 和外部I/O;

　　8K 字節(jié)的 Cache;

　　一個I2C 接口;

　　一個帶 MII 接口的100Mbps/10Mbps 以太網(wǎng)控制器;

　　兩個 UART 通道;

　　兩個通用 DMA 通道;

　　兩個 HDLC 通道;

　　18個通用I/0通道;

　　兩個32位定時器;

　　共有21個中斷源，其中4個用于外部中斷;

　　一個內(nèi)部 PLL 用于提供高頻率的系統(tǒng)時鐘，最高系統(tǒng)時鐘可達50MHz。

　　由此可見，S3C4510B 很適用于低端的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如集線器、交換機、家庭網(wǎng)關(guān)等。

　　(2)Flash ROM 和 SDRAM

　　Flash ROM 和 SDRAM 構(gòu)成了系統(tǒng)的存儲空間。其中Flash ROM 作為程序存儲器，用于存放操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序等;SDRAM為系統(tǒng)內(nèi)存。

　　(3)以太網(wǎng)物理層和串行接口芯片

　　CPU 內(nèi)部的以太網(wǎng)控制器只提供了MAC(媒體接入控制器)，需在外部接一個物理層芯片完成編解碼和時鐘恢復等功能。串行接口芯片主要完成串行線路接口的電平轉(zhuǎn)換。

　　(4)CPLD 和 FIFO

　　為了能使系統(tǒng)支持實時數(shù)據(jù)通信，需要在外設(shè)和嵌入式系統(tǒng)的外部總線之間加上 FIFO 和CPLD。FIFO 用于數(shù)據(jù)緩沖，CPLD 用于產(chǎn)生 FIFO控制邏輯和外部總線控制邏輯。

　　1.2 操作系統(tǒng)

　　ARM7TDMI 內(nèi)核已被眾多的嵌入式操作系統(tǒng)所支持，如 VxWorks、pSOS 及 Nucleus 等。這些商業(yè)化操作系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)和用戶圖形界面等方面都有很好的支持，并且在穩(wěn)定性和實時性方面都有相應(yīng)的保證，但其價格也相當高。這里選用了開放源碼的嵌入式 Linux，它一般免費或花較少的費用就可得到，同時它在網(wǎng)絡(luò)和圖形界面方面也有很好的支持。另外，嵌入式 Linux 的高度模塊化使它可以根據(jù)實際應(yīng)用需要靈活配置，能有效精簡內(nèi)核代碼。嵌入式 Linux 具有很高的穩(wěn)定性。在實時性方面，盡管 Linux 本身未作過多關(guān)注，但可通過打?qū)崟r Linux(RTLinux)補丁解決。

　　針對所采用的 CPU 沒有 MMU，選用了目前在嵌入式系統(tǒng)中被廣泛使用的μClinux。μClinux 是從標準的Linux 2.0 內(nèi)核發(fā)展而來的，但其源代碼針對典型的嵌入式應(yīng)用已經(jīng)作了許多精簡和修改，使得其內(nèi)核比標準的 Linux 內(nèi)核要小很多，不過它仍然保留了標準 Linux的主要特色。

　　目前最新的μClinux 版本已經(jīng)支持 S3C4510B 及典型開發(fā)板，如果所采用的 CPU及開發(fā)板沒有被支持，應(yīng)根據(jù)實際情況移植。此外，由于在外部總線接了 CPLD和 FIFO，為了使應(yīng)用程序能訪問它，需要在μClinux 下開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動程序。