嵌入式系統(tǒng)的實時數據接口擴展

嵌入式系統(tǒng)目前已廣泛應用于信息家電、網絡通信和工業(yè)控制等各個領域。典型的嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式硬件和軟件構成，其中硬件部分的核心為嵌入式處理器。與通用處理器相比，其在功耗、體積、成本等方面都受到應用要求的制約。嵌入式系統(tǒng)的軟件部分可以像計算機一樣使用操作系統(tǒng)，目前已有許多成熟嵌入式操作系統(tǒng)，如VxWorks、pSOS、Nucleus、Windows CE以及嵌入式Linux等。當然，在一些簡單應用中許多嵌入式系統(tǒng)的軟件并沒有使用操作系統(tǒng)，只有一些循環(huán)控制。這樣，軟件復雜度大大降低，從而減少存儲器的容量要求，但是這樣的軟件在重復使用、網絡支持等方面的能力相對較弱。

ARM系列內核是目前嵌入式處理器中廣泛使用的內核。采用ARM內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ARM內核處理器的廠商。

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

本文設計了一種嵌入式系統(tǒng)用于多媒體實時數據的網絡傳輸。ARM內核處理器與嵌入式Linux是目前嵌入式應用中的一種典型組合，選用了Samsung公司的16/32位ARM7TDMI內核的網絡處理器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絡協(xié)議，同時它具有很低的成本。

1 嵌入式系統(tǒng)的構成

1.1 硬件系統(tǒng)

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

(1)CPU

本系統(tǒng)采用了ARM7TDMI內核的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/O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很適用于低端的網絡設備，如集線器、交換機、家庭網關等。

(2)Flash ROM和SDRAM

Flash ROM和SDRAM構成了系統(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)、應用程序等;SDRAM為系統(tǒng)內存。

(3)以太網物理層和串行接口芯片

CPU內部的以太網控制器只提供了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換。

(4)CPLD和FIFO

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

1.2 操作系統(tǒng)

ARM7TDMI內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)在網絡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，同時它在網絡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實際應用需要靈活配置，能有效精簡內核代碼。嵌入式 Linux具有很高的穩(wěn)定性。在實時性方面，盡管linux本身未作過多關注，但可通過打實時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Linux2.0內核發(fā)展而來的，但其源代碼針對典型的嵌入式應用已經作了許多精簡和修改，使得其內核比標準的Linux內核要小很多，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，應根據實際情況移植。此外，由于在外部總線接了CPLD和FIFO，為了使應用程序能訪問它，需要在μClinux下開發(fā)相應的驅動程序。

2 實時數據接口的擴展

2.1 應用要求

將上述嵌入式系統(tǒng)應用于實時多媒體數據的網絡傳輸，如圖2所示。這里的實時多媒體可以是MPEG-4或MPEG-2等，其數據流一般是連續(xù)、恒定碼率的。

2.2 硬件擴展

根據上述數據流的特點，需在嵌入式系統(tǒng)與外設(編、解碼器)之間加入數據緩沖控制單元。對于發(fā)送端和接收端，數據緩沖控制單元的設計有所不同，下面以 MPEG-2為例說明。這里考慮系統(tǒng)的處理能力、網絡的承受能力以及圖像質量，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，將會導致操作系統(tǒng)頻繁地處理中斷，甚至會產生中斷不能及時處理從而導致數據丟失。因此，有必要在編碼器與外部總線之間加上FIFO，同時用CPLD實現FIFO的讀寫控制邏輯。編碼器送出的數據流連續(xù)不斷地以恒定速率寫入FIFO;當 FIFO中的數據積聚到一定值后，每寫入若干個數據就向CPU發(fā)一個中斷;CPU在收到中斷后通過外部總線讀入相當量的數據，并將其打包送入網絡。正常情況下，每個中斷讀數據個數是一定的，在一段時間內FIFO寫入和讀出將維持平衡，且不會產生“饑餓”狀態(tài);當操作系統(tǒng)因處理別的任務而沒有及時響應中斷時，FIFO將暫時進入“飽和”狀態(tài)，但只要FIFO容量足夠大就不會產生數據溢出現象。由于CPU從FIFO讀取單位數據的速度大大高于外設向FIFO 寫單位數據的速度，“飽和”狀態(tài)一般能消除。由此，可以解決前述問題。[!--empirenews.page--]

2.2.2 接收端

在接收端，由于解碼器的輸入要求是一個連續(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，接收端的數據包由于經過了網絡，不可避免地會引入延時，且數據包之間的延時是不確定的，甚至會產生數據包的丟失。這些都需要在接收端予以考慮，增加了接收端數據緩沖控制單元的復雜度。

為了解決數據包到達延時及抖動問題(數據包的丟失將間接導致延時的增加)，可以簡單地靠增大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的增加，影響了實時性。因此，為了保證一定的實時性，同時考慮成本因素，不能單純靠增大FIFO解決。

由于FIFO容量的限制，在出現大延時的情況下，FIFO將可能出現“空”狀態(tài)。這意味著送給解碼器的數據流會有中斷，從而可能導致解碼器的不正常工作并可能不能恢復(在數據流恢復正常后)。為此，需要在FIFO出現“空”狀態(tài)之前，即處于“饑餓”狀態(tài)時(可以設置一個閾值)，由CPLD停止向FIFO讀數據而向解碼器發(fā)填充包。填充包中含有同步頭，可以維持解碼器的同步。短時間的插空包會使視頻圖像出現馬賽克，如果時間過長，可能會出現黑屏。在實際試驗中，接收端視頻的質量與網絡的負載情況有關。當網絡負載較重時，圖像會出現馬賽克，黑屏現象一般極少發(fā)生。

2.3 驅動程序

為了使μClinux下的應用程序能通過外部總線訪問FIFO，需要編寫相應的驅動程序。驅動程序主要包括三個基本部分，即CPU相關寄存器的初始化設置以及CPU對外部I/O口的讀操作和寫操作。其中，初始化設置主要包括中斷號及其類型設置、外部I/O口數據位寬度和讀寫時序設置等。