嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口擴(kuò)展研究 - 全文

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(gè)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(diǎn)。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(kāi)放源碼操作系統(tǒng)，原先被設(shè)計(jì)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(kāi)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(gè)嵌入式應(yīng)用的版本，μClinux 是其中的一個(gè)分支，最早被設(shè)計(jì)應(yīng)用于微控制領(lǐng)域。其最大特征就是沒(méi)有MMU(內(nèi)存管理單元)，很適合于許多低端的、沒(méi)有MMU的嵌入式處理器。

　　本文設(shè)計(jì)了一種嵌入式系統(tǒng)用于多媒體實(shí)時(shí)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(shí)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(diǎn)：

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

　　8K 字節(jié)的 Cache;

　　一個(gè)I2C 接口;

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

　　兩個(gè) UART 通道;

　　兩個(gè)通用 DMA 通道;

　　兩個(gè) HDLC 通道;

　　18個(gè)通用I/0通道;

　　兩個(gè)32位定時(shí)器;

　　共有21個(gè)中斷源，其中4個(gè)用于外部中斷;

　　一個(gè)內(nèi)部 PLL 用于提供高頻率的系統(tǒng)時(shí)鐘，最高系統(tǒng)時(shí)鐘可達(dá)50MHz。

　　由此可見(jiàn)，S3C4510B 很適用于低端的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如集線器、交換機(jī)、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(chǔ)空間。其中Flash ROM 作為程序存儲(chǔ)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(gè)物理層芯片完成編解碼和時(shí)鐘恢復(fù)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性方面都有相應(yīng)的保證，但其價(jià)格也相當(dāng)高。這里選用了開(kāi)放源碼的嵌入式 Linux，它一般免費(fèi)或花較少的費(fèi)用就可得到，同時(shí)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(shí)際應(yīng)用需要靈活配置，能有效精簡(jiǎn)內(nèi)核代碼。嵌入式 Linux 具有很高的穩(wěn)定性。在實(shí)時(shí)性方面，盡管 Linux 本身未作過(guò)多關(guān)注，但可通過(guò)打?qū)崟r(shí) Linux(RTLinux)補(bǔ)丁解決。

　　針對(duì)所采用的 CPU 沒(méi)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(biāo)準(zhǔn)的Linux 2.0 內(nèi)核發(fā)展而來(lái)的，但其源代碼針對(duì)典型的嵌入式應(yīng)用已經(jīng)作了許多精簡(jiǎn)和修改，使得其內(nèi)核比標(biāo)準(zhǔn)的 Linux 內(nèi)核要小很多，不過(guò)它仍然保留了標(biāo)準(zhǔn) Linux的主要特色。

　　目前最新的μClinux 版本已經(jīng)支持 S3C4510B 及典型開(kāi)發(fā)板，如果所采用的 CPU及開(kāi)發(fā)板沒(méi)有被支持，應(yīng)根據(jù)實(shí)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(wèn)它，需要在μClinux 下開(kāi)發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。

　　2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口的擴(kuò)展

　2.1 應(yīng)用要求

　　將上述嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)時(shí)多媒體數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，如圖2所示。這里的實(shí)時(shí)多媒體可以是 MPEG-4或 MPEG-2 等，其數(shù)據(jù)流一般是連續(xù)、恒定碼率的。

　　2.2 硬件擴(kuò)展

　　根據(jù)上述數(shù)據(jù)流的特點(diǎn)，需在嵌入式系統(tǒng)與外設(shè)(編、解碼器)之間加入數(shù)據(jù)緩沖控制單元。對(duì)于發(fā)送端和接收端，數(shù)據(jù)緩沖控制單元的設(shè)計(jì)有所不同，下面以MPEG-2 為例說(shuō)明。這里考慮系統(tǒng)的處理能力、網(wǎng)絡(luò)的承受能力以及圖像質(zhì)量，MPEG-2 的輸出為 4Mbps 的CBR(固定比特率)TS流。

　　2.2.1 發(fā)送端

　　編碼器送出連續(xù)、恒定速率的碼流。如果將此碼流直接送到 CPU 外部總線，將會(huì)導(dǎo)致操作系統(tǒng)頻繁地處理中斷，甚至?xí)a(chǎn)生中斷不能及時(shí)處理從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。因此，有必要在編碼器與外部總線之間加上 FIFO，同時(shí)用 CPLD 實(shí)現(xiàn) FIFO 的讀寫(xiě)控制邏輯。編碼器送出的數(shù)據(jù)流連續(xù)不斷地以恒定速率寫(xiě)入FIFO;當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)積聚到一定值后，每寫(xiě)入若干個(gè)數(shù)據(jù)就向CPU發(fā)一個(gè)中斷;CPU在收到中斷后通過(guò)外部總線讀入相當(dāng)量的數(shù)據(jù)，并將其打包送入網(wǎng)絡(luò)。正常情況下，每個(gè)中斷讀數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)是一定的，在一段時(shí)間內(nèi)FIFO寫(xiě)入和讀出將維持平衡，且不會(huì)產(chǎn)生“饑餓”狀態(tài);當(dāng)操作系統(tǒng)因處理別的任務(wù)而沒(méi)有及時(shí)響應(yīng)中斷時(shí)，F(xiàn)IFO將暫時(shí)進(jìn)入“飽和”狀態(tài)，但只要FIFO容量足夠大就不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)溢出現(xiàn)象。由于CPU從FIFO讀取單位數(shù)據(jù)的速度大大高于外設(shè)向FIFO寫(xiě)單位數(shù)據(jù)的速度，“飽和”狀態(tài)一般能消除。由此，可以解決前述問(wèn)題。

　　2.2.2 接收端

　　在接收端，由于解碼器的輸入要求是一個(gè)連續(xù)、恒定速率的碼流，同樣要求在CPU外部總線與編碼器之間加上FIFO和CPLD。同時(shí)，接收端的數(shù)據(jù)包由于經(jīng)過(guò)了網(wǎng)絡(luò)，不可避免地會(huì)引入延時(shí)，且數(shù)據(jù)包之間的延時(shí)是不確定的，甚至?xí)a(chǎn)生數(shù)據(jù)包的丟失。這些都需要在接收端予以考慮，增加了接收端數(shù)據(jù)緩沖控制單元的復(fù)雜度。

　　為了解決數(shù)據(jù)包到達(dá)延時(shí)及抖動(dòng)問(wèn)題(數(shù)據(jù)包的丟失將間接導(dǎo)致延時(shí)的增加)，可以簡(jiǎn)單地靠增大FIFO容量解決。但增大FIFO將意味著從編碼器到解碼器之間延時(shí)的增加，影響了實(shí)時(shí)性。因此，為了保證一定的實(shí)時(shí)性，同時(shí)考慮成本因素，不能單純靠增大FIFO解決。

　　由于FIFO容量的限制，在出現(xiàn)大延時(shí)的情況下，F(xiàn)IFO將可能出現(xiàn)“空”狀態(tài)。這意味著送給解碼器的數(shù)據(jù)流會(huì)有中斷，從而可能導(dǎo)致解碼器的不正常工作并可能不能恢復(fù)(在數(shù)據(jù)流恢復(fù)正常后)。為此，需要在FIFO出現(xiàn)“空”狀態(tài)之前，即處于“饑餓”狀態(tài)時(shí)(可以設(shè)置一個(gè)閾值)，由CPLD停止向FIFO讀數(shù)據(jù)而向解碼器發(fā)填充包。填充包中含有同步頭，可以維持解碼器的同步。短時(shí)間的插空包會(huì)使視頻圖像出現(xiàn)馬賽克，如果時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能會(huì)出現(xiàn)黑屏。在實(shí)際試驗(yàn)中，接收端視頻的質(zhì)量與網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況有關(guān)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)，圖像會(huì)出現(xiàn)馬賽克，黑屏現(xiàn)象一般極少發(fā)生。

　　2.3 驅(qū)動(dòng)程序

　　為了使μClinux下的應(yīng)用程序能通過(guò)外部總線訪問(wèn)FIFO，需要編寫(xiě)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序主要包括三個(gè)基本部分，即CPU相關(guān)寄存器的初始化設(shè)置以及CPU對(duì)外部I/O口的讀操作和寫(xiě)操作。其中，初始化設(shè)置主要包括中斷號(hào)及其類型設(shè)置、外部I/O口數(shù)據(jù)位寬度和讀寫(xiě)時(shí)序設(shè)置等。