網(wǎng)絡(luò)處理器IP2022及其在嵌入式牌照識(shí)別系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

介紹了Ubicom公司的最新網(wǎng)絡(luò)處理器IP2022以及專為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化而設(shè)計(jì)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)ipOS的特點(diǎn)。描述了如何在中ipOS下編制以太網(wǎng)應(yīng)用程序。給出IP2022在一個(gè)嵌入式牌照識(shí)別系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例。

隨著Internet技術(shù)的廣泛應(yīng)用，許多專家預(yù)測(cè)Internet技術(shù)將會(huì)無(wú)所不在，且是一個(gè)嵌入式技術(shù)。這就導(dǎo)致了一個(gè)需求，即在某些電子、電器設(shè)備中，以低成本去執(zhí)行物理層（PHY）與TCP/IP函數(shù)集。嵌入式互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可廣泛應(yīng)用于家電產(chǎn)品、安全設(shè)備、自動(dòng)售貨機(jī)、遠(yuǎn)程抄表以及工業(yè)控制等領(lǐng)域。

在大量的嵌入式應(yīng)用中，為物理層提供網(wǎng)絡(luò)連接是一個(gè)關(guān)鍵。然而TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的供應(yīng)商并沒(méi)有意識(shí)到這一點(diǎn)。通常，即使協(xié)議棧是以軟件形式執(zhí)行，接口也是以某種專用的硬件形式提供。Ubicom的網(wǎng)絡(luò)處理器IP2022已經(jīng)能夠執(zhí)行TCP/IP協(xié)議模塊，也能以軟件形式執(zhí)行物理口，例如UART、I2C等。隨著以太網(wǎng)MAC／PHY物理層接口需求的增長(zhǎng)，專為執(zhí)行以太網(wǎng)協(xié)議的軟件模塊(ipModule)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

1 1P2022介紹

IP2022是Ubicom公司的最新產(chǎn)品。IP2022芯片為網(wǎng)絡(luò)連接應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，十分適用于Internet基礎(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)橋／網(wǎng)關(guān)部分。使用Ubicom的預(yù)制軟件模塊和配置工具可以對(duì)芯片編程和重新編程，為多種設(shè)備間和人機(jī)間通訊應(yīng)用創(chuàng)建了真正的單芯片解決方案。

IP2022內(nèi)含兩個(gè)全雙工串化器／解串器(Ser／Des)硬件單元，能直接與各種常用網(wǎng)絡(luò)接口相連。這種功能使其能夠?qū)崿F(xiàn)片內(nèi)10 Base-T以太網(wǎng)、USB以及其它各種快速串行協(xié)議。由于擁有Ser／Des硬件單元，IP2022也便于從一種協(xié)議轉(zhuǎn)換到另一種協(xié)議，因而也能作為協(xié)議轉(zhuǎn)換器。

IP2022的軟件模塊包括10base-T以太網(wǎng)、USB、UART、I2C、SPI、并行從設(shè)備物理接口以及一個(gè)完整的TCP／IP堆棧。正在開(kāi)發(fā)的多種附加軟件可用于構(gòu)建完整的端到端連接解決方案。Ubicom的Internet處理器體系結(jié)構(gòu)和軟件模塊的組合創(chuàng)建了一個(gè)強(qiáng)大靈活的平臺(tái)，使設(shè)計(jì)人員能夠有信心跟上標(biāo)準(zhǔn)的更新與市場(chǎng)需求的變化，設(shè)計(jì)出用于未來(lái)的產(chǎn)品。

IP2022具有100MIPS的處理能力，并為通訊應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。它能夠在執(zhí)行應(yīng)用程序的同時(shí)，提供高速計(jì)算、靈活的I／O控制和高效的數(shù)據(jù)處理功能，因此可用于高性能物理接口和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)。IP2022的工作電壓為2．5V，芯片上帶有內(nèi)置的電荷泵，因此不需要為閃存編程而提供高電壓。

2 IP2022操作系統(tǒng)中OS簡(jiǎn)介

ipOS是Ubicom設(shè)計(jì)的可配置的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它是專為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而優(yōu)化的，然而不論在哪兒執(zhí)行通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，都存在一個(gè)問(wèn)題，就是如何最好地支持各種不同通信緩沖區(qū)／包(Buffer／Packet)的協(xié)議層。ipOS所采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)(Netbuf)為此類問(wèn)題提供了一個(gè)有力且靈活的解決方案，與此同時(shí)達(dá)到了最少使用存儲(chǔ)器的目的。

ipOS支持單任務(wù)與多任務(wù)操作模式。要使用單任務(wù)模式可在配置工具中關(guān)閉多任務(wù)選項(xiàng)。在單任務(wù)模式下，需要盡可能快地輪詢調(diào)用每個(gè)物理接口和一些操作系統(tǒng)函數(shù)。由于僅有一個(gè)任務(wù)，在輪詢循環(huán)(Polling loop)中，任何被直接或間接調(diào)用的函數(shù)必須盡可能快地返回，因?yàn)檫@些函數(shù)阻礙了其它系統(tǒng)進(jìn)程的繼續(xù)進(jìn)行。函數(shù)在等待I／0時(shí)，不能阻塞進(jìn)程的執(zhí)行，這是最重要的。

3 10Base-T以太網(wǎng)的軟件執(zhí)行

3.1硬件需求

要給10Base-T以太網(wǎng)設(shè)置串化器／解串器(Ser／Des)，來(lái)自差分線接收器或片上比較器的輸人數(shù)據(jù)端應(yīng)連接到IP2022 Ser／Des接收器的輸入端，以太網(wǎng)的接收／發(fā)送信號(hào)要匹配Ser／Des指定的管腳。這些管腳通過(guò)一個(gè)帶有終端的變壓器連接到一個(gè)RJ45插座。IP2022與以太網(wǎng)接口連接示意圖如圖1所示。



在這個(gè)實(shí)現(xiàn)中，IP2022在單個(gè)芯片上從以太網(wǎng)MAC／PHY層到應(yīng)用層完成了網(wǎng)絡(luò)互連的所有方面。10Base-T以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)利用了IP2022片內(nèi)Ser／Des單元，從而使外圍器件最少。

IP2022工作電壓為2．5V。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，以太網(wǎng)接口需要5V電壓而IP2022 I／0卻工作在2．5V上，因此必須選擇一個(gè)正確轉(zhuǎn)換匝數(shù)的以太網(wǎng)變壓器。所選的變壓器或者能接受2．5V輸入，或者可在電路中插入一個(gè)5V的TTL緩沖器來(lái)允許使用1：1的變壓器。另一種方法是使IP2022的I／0工作在3．3V上，使用一個(gè)5V的CMOS緩沖器。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，選擇了一個(gè)1：1的變壓器，因?yàn)樗鼈兏踪?gòu)買，且價(jià)格合算；還有，大多數(shù)帶有內(nèi)置變壓器的RJ45連接器僅在較為流行的1：1轉(zhuǎn)換配置中有用，通過(guò)去掉電路中的緩沖器，可進(jìn)一步簡(jiǎn)化電路。


3.2軟件功能

以太網(wǎng)軟件執(zhí)行以下操作

(1)極性檢測(cè)與反轉(zhuǎn)；

(2)載波偵聽(tīng)；

(3)超時(shí)檢測(cè)；

(4)連接完整性測(cè)試與連接脈沖產(chǎn)生；

(5)一旦沖突，隨機(jī)后退；

(6)檢測(cè)到?jīng)_突時(shí)，發(fā)送一個(gè)32 bit的jam序列；

(7)以太網(wǎng)包的形成，通過(guò)把報(bào)頭、目的地址、源地址、長(zhǎng)度／類型、MAC客戶數(shù)據(jù)放人到發(fā)送緩沖區(qū)，軟件必須計(jì)算幀校驗(yàn)；

(8)MAC層函數(shù)。

發(fā)送連接通過(guò)把Ser／Des的發(fā)送管腳改為通用I／0腳，產(chǎn)生一個(gè)連接脈沖。它使用實(shí)時(shí)時(shí)鐘定時(shí)器產(chǎn)生一16ms的時(shí)基。發(fā)送后，連接脈沖定時(shí)器復(fù)位為0。

接收連接刷新一個(gè)定時(shí)器，上界檢查是在24ms，不執(zhí)行下界檢查。連接脈沖寬度由硬件檢測(cè)。

在發(fā)送幀，包含了駐留在IP2022 PRAM中硬編碼的數(shù)據(jù)。幀包括目的／源地址、幀長(zhǎng)、數(shù)據(jù)和32 bit的CRC。如果通道不忙，則開(kāi)始傳送幀。若檢測(cè)到?jīng)_突，發(fā)送ISR執(zhí)行以下操作：

(1)停止傳送；

(2)發(fā)送32bit的jam序列；

(3)等待載波空閑；

(4)產(chǎn)生隨機(jī)延遲；

(5)返回，重傳條件集。

在接收幀，每個(gè)接收ISR檢查接收到的包尾EOP（End Of Packet）。一幀接收到時(shí)，接收函數(shù)執(zhí)行以下操作：

(1)幀校驗(yàn)序列；

(2)地址檢查，單址通信和多址通信；

(3)檢查保留地址；

(4)幀長(zhǎng)度(太長(zhǎng)或太短)檢查。

沖突檢測(cè)是通過(guò)監(jiān)聽(tīng)載波偵聽(tīng)指示位來(lái)進(jìn)行的。最大的延遲為16bit的時(shí)間。

在MAC層應(yīng)用程序接口，MAC客戶(上層)通過(guò)初始化數(shù)據(jù)指針和緩沖區(qū)長(zhǎng)度發(fā)送一個(gè)包。然后調(diào)用“Transmit_Packet”函數(shù)，返回值是發(fā)送的結(jié)果。主程序通過(guò)輪詢調(diào)用一個(gè)“Receive_ Packet”函數(shù)接收一個(gè)包。非零返回值指示接收到一個(gè)有效的包。

在網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)(Netbuffer)，較高層定義一個(gè)叫netbuffer的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這是訪問(wèn)TCP／UDP數(shù)據(jù)報(bào)不同元素的最好方法。與原始IP包一起，有一些分配給數(shù)據(jù)包元素(例如：源IP地址、目的IP地址、選項(xiàng)等)的指針。這些指針是靜態(tài)的。與指針相關(guān)的還有長(zhǎng)度域，這樣很容易改變netbuffer的選項(xiàng)數(shù)目。為了構(gòu)成一個(gè)MAC幀，發(fā)送程序必須根據(jù)指針和長(zhǎng)度域從netbuffer中把數(shù)據(jù)級(jí)聯(lián)起來(lái)。

4 ipOS應(yīng)用程序的編寫(xiě)

ipOS操作系統(tǒng)可工作在單任務(wù)模式或多任務(wù)模式下。在大多數(shù)情況下單任務(wù)模式的程序足以滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用需求。利用Ubicom的Unity IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境生成的一個(gè)工程，最基本的有3個(gè)文件：entry.s、isr.s和main.c。

4.1引導(dǎo)程序代碼

所有引導(dǎo)程序代碼都放在entry.s文件中。這段代碼在復(fù)位向量處加載了一個(gè)占位程序。當(dāng)IP2022上電時(shí)，IP2022跳到復(fù)位向量處執(zhí)行引導(dǎo)程序代碼。該代碼完成以下功能：

(1)更新FCFG寄存器，這樣代碼執(zhí)行速度對(duì)時(shí)鐘頻率而言是優(yōu)化的；

(2)設(shè)置堆棧指針指向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的末端；

(3)通用寄存器初始化為0；

(4)把.data段從FLASH中加載到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的開(kāi)始處；

(5)將.data段之后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器區(qū)域設(shè)置為0來(lái)容納.bss段；

(6)把．pram段從FLASH加載到程序SRAM的開(kāi)始處；

(7)將程序SRAM區(qū)域設(shè)置為0來(lái)容納.pram_data段；

(8)引導(dǎo)程序完成，跳到main()主函數(shù)。

注意：用戶的任何初始化代碼應(yīng)該加入到main()函數(shù)中，不應(yīng)該加到entry.s文件中。

4.2中斷服務(wù)函數(shù)

isr.s是中斷服務(wù)函數(shù)(1SR)文件。當(dāng)一個(gè)異步事件發(fā)生時(shí)，就會(huì)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的ISR。在大多數(shù)使用虛擬外設(shè)的應(yīng)用中，都要用到定時(shí)器timer0中斷來(lái)控制周期性的進(jìn)程。有兩種ISR模板用于幫助基于timer0虛擬外設(shè)的開(kāi)發(fā)。第一種是“Simple ISR template using timer0”，另一種是“Complex ISR Template”。

如果僅有一個(gè)虛擬外設(shè)或所有的虛擬外設(shè)需要以同樣的頻率執(zhí)行，那么使用第一個(gè)模板是很合適的。對(duì)于較為復(fù)雜的應(yīng)用，可以使用“Complex ISR template”模板。詳細(xì)的例子可參考其SDK幫助文件。

4.3主體結(jié)構(gòu)

main.c文件是應(yīng)用程序的主體結(jié)構(gòu)，主要包括配置塊(CONFIC_BLOCK)和main()函數(shù)。

配置塊是系統(tǒng)配置參數(shù)的信息，它存儲(chǔ)在IP2022的FLASH存儲(chǔ)器中，控制著系統(tǒng)時(shí)鐘、PLL分頻系數(shù)和其它的一些系統(tǒng)參數(shù)。

在main()函數(shù)中，主程序的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。首先是調(diào)用debug_init()、heap add()和timer_init()這3個(gè)函數(shù)對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行初始化；然后是創(chuàng)建虛擬外設(shè)實(shí)例進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，用戶的回調(diào)函數(shù)(Callback Function)作為監(jiān)聽(tīng)函數(shù)的參數(shù)；接著是設(shè)置中斷服務(wù)函數(shù)并使其開(kāi)始運(yùn)行；最后是對(duì)虛擬外設(shè)的端口進(jìn)行輪詢。當(dāng)輪詢函數(shù)檢測(cè)到相應(yīng)的狀態(tài)時(shí)，就會(huì)調(diào)用相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，這些叵調(diào)函數(shù)是用戶自己設(shè)計(jì)的處理函數(shù)。


下面是一個(gè)使用UART虛擬外設(shè)的例子：

其它諸如以太網(wǎng)、USB等通信程序，結(jié)構(gòu)與此基本上相同，只是通信協(xié)議不同，程序的基本思想是一致的。

5 應(yīng)用實(shí)例

高德威智能交通系統(tǒng)有限公司開(kāi)發(fā)的新一代嵌入式牌照識(shí)別器(License Plate Recognition)功能框圖如圖2所示。通信接口芯片采用Ubicom的網(wǎng)絡(luò)處理器IP2022，其片上虛擬外設(shè)包括UART、USB和以太網(wǎng)等接口，可以方便地接人Internet，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程程序更新和數(shù)據(jù)下載等功能。DSP采用TI的定點(diǎn)處理器TMS320C6204，完全滿足實(shí)時(shí)處理的要求。視頻處理器為Philips的SAA711lA，F(xiàn)PGA使用Altera的EPlK300QC，F(xiàn)LASH為SST的SST39LV016，SDRAM為ICSI的IS42S16400。



下面簡(jiǎn)要介紹一下牌照識(shí)別器的工作流程。系統(tǒng)上電，IP2022復(fù)位并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)初始化工作。初始化完成后，IP2022取得對(duì)FLASH操作的總線控制權(quán)，開(kāi)始讀取FLASH中的FPGA程序配置邏輯。FPGA電路配置完成后，IP2022向FPGA中的控制寄存器的相應(yīng)控制位寫(xiě)一跳變脈沖復(fù)位DSP，并釋放對(duì)FLASH的操作控制權(quán)。IP2022開(kāi)始等待DSP啟動(dòng)的完成。

DSP的Reset腳連接到FPGA控制寄存器的對(duì)應(yīng)控制位。DSP通過(guò)FPGA控制邏輯以DMA方式從FLASH中讀取64K字節(jié)的程序。這64K程序中的引導(dǎo)程序負(fù)責(zé)把余下的DSP程序調(diào)度到SDRAM中。程序調(diào)度完成后，DSP釋放對(duì)FLASH的總線控制權(quán)，并通知IP2022自己?jiǎn)?dòng)完成。DSP進(jìn)入正常工作狀態(tài)，通過(guò)12C總線設(shè)置SAA7111A，然后循環(huán)檢查FPGA控制寄存器的狀態(tài)位以等待汽車的到來(lái)。

DSP啟動(dòng)完成后，IP2022重新取得對(duì)FLASH的控制權(quán)，進(jìn)入輪詢狀態(tài)監(jiān)聽(tīng)以太網(wǎng)和UART口。此時(shí)，遠(yuǎn)程主機(jī)可以通過(guò)以太網(wǎng)口對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，更新DSP或FPGA程序。

當(dāng)汽車到來(lái)時(shí)，埋在地下的線圈便會(huì)觸發(fā)，F(xiàn)PGA的控制寄存器的相應(yīng)狀態(tài)位發(fā)生變化。DSP檢測(cè)到該變化時(shí)便向攝像機(jī)發(fā)送抓圖命令。攝像機(jī)輸出的模擬視頻信號(hào)通過(guò)視頻處理器進(jìn)行A／D變換后，形成YUV數(shù)字視頻信號(hào)，再通過(guò)FPGA邏輯傳輸?shù)紻SP的SDRAM中。DSP開(kāi)始執(zhí)行牌照識(shí)別算法，所識(shí)別的牌照號(hào)可通過(guò)串口或網(wǎng)口傳送到主機(jī)。而抓拍的圖像經(jīng)過(guò)JPEG壓縮后也可通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程主機(jī)。

通過(guò)使用本文介紹的方案，原先需要通過(guò)專用通信鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鞣N電子設(shè)備，現(xiàn)在只要在其中加上一個(gè)廉價(jià)的網(wǎng)絡(luò)處理器，而無(wú)需昂貴的PC機(jī)或工作站就可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這就給電子設(shè)備的升級(jí)、維護(hù)等帶來(lái)了極大的方便性和靈活性。可以預(yù)料，嵌入式互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必將在各個(gè)領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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