基于EP7312的新一代公用信息終端的設(shè)計

1 信息終端的總體設(shè)計

    信息終端屬于公用電話領(lǐng)域，在功耗，接入方式，操作方便性等方面都有特殊要求，因此采用標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。

    信息終端的處理器選用SoC嵌入式處理器 ARM7系列中的EP7312。處理器采用ARM7TDMI的處理器內(nèi)核，有8k字節(jié)高速緩沖存儲器（CACHE），支持MMU，帶64路TLB（translation look-aside buffer）；寫緩沖器。超低功耗（典型值）74MHz工作狀態(tài)時為90mW， 18MHz工作狀態(tài)時為30mW，空閑狀態(tài)時為10mW（CPU時鐘停止，其余工作），掛起狀態(tài)時<1 mW（實時時鐘工作，其余停止工作）。

    操作系統(tǒng)采用NUCLEUS嵌入式操作系統(tǒng)。 NUCLEUS嵌入式操作系統(tǒng)提供源代碼，用戶能夠深入地了解底層內(nèi)核的運作方式，并可根據(jù)自己的特殊要求改動系統(tǒng)軟件。它采用了先進(jìn)的微內(nèi)核（Micro-kernel）技術(shù)，在優(yōu)先級安排，任務(wù)調(diào)度，任務(wù)切換等各個方面都有相當(dāng)大的優(yōu)勢，對防止優(yōu)先級倒轉(zhuǎn)等的方面都有一定的獨到之處。而且，能夠結(jié)合 Paradigm，SDS以及 ATI自己的多任務(wù)調(diào)試器組成功能強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境。另外 NUCLEUS除提供功能強(qiáng)大的內(nèi)核操作系統(tǒng)外，還提供種類豐富的功能模塊。

     信息終端利用ISDN接入公用互聯(lián)網(wǎng)，由于 ISDN交換機(jī)有遠(yuǎn)供的能力（可以提供1W的電力），接入終端不需要外接電源，接入方式簡單。這對于一種公用電話的替代產(chǎn)品來說是非常理想的。而且ISDN網(wǎng)性能穩(wěn)定，使用靈活，技術(shù)成熟。信息終端可以充分利用ISDN的兩個B通道可以給用戶提供一種公用互聯(lián)網(wǎng)接入方式，在這個平臺基礎(chǔ)上就可以開發(fā)出各種形式的增值服務(wù)。

2 信息終端的硬件設(shè)計

    信息終端硬件的核心是終端主板，它負(fù)責(zé)管理鍵盤掃描、外圍狀態(tài)監(jiān)測等。LCD接口提供 320×240分辨率的顯示屏用以顯示數(shù)據(jù)、圖像，以及與用戶交互信息。另外，由于信息終端屬于公用電話系統(tǒng)，還需包含讀卡器板、功能鍵盤板、門開及摘掛機(jī)檢測等功能模塊。

    本系統(tǒng)充分利用ISDN交換機(jī)的供電能力，電源板從ISDN線路取電，經(jīng)變換后向主板提供+5V和+3.3V電源。自帶后備電池，保證在線路掉電時，能完成正在進(jìn)行的操作和保存記錄。主板的原理框圖如圖1所示。

    主板由嵌入式處理器（EP7312）、FLASH （INTEL公司的28F320C3）、SDRAM（W986416DH）、ISDN參考模型中的U接口控制芯片（MC145576）、聲音編解碼芯片（MC145481）、ISDN數(shù)據(jù)鏈路控制芯片（HFC- S+）等芯片組成。

    EP7312通過總線對FLASH、SDRAM、HFC-S+進(jìn)行控制。處理器通過對HFC-S+進(jìn)行控制，實現(xiàn)ISDN 通話及通信的功能。MC145576芯片主要完成ISDN參考模型中的S/T接口和U接口之間轉(zhuǎn)換。主板上集成8M的FLASH存貯空間，分為兩個部分，其中3M作為程序空間，剩下存放和MS- DOS4兼容的文件系統(tǒng)。HFC-S+支持B通道和D通道高級數(shù)據(jù)鏈路控制（HDLC），向外提供GCI總線、FIFO控制等。MC145481 CODEC芯片是一個PCM編解碼芯片，它實現(xiàn)聲音的數(shù)字化和重組。

    在EP7312的鍵盤掃描各口線上都加上雙向過壓保護(hù)二極管BAV99及防短路的電阻，提高了防靜電能力及防短路能力。主板時鐘芯片采用PHILIPS的 PCF8563芯片以防止停振。

3 信息終端的軟件設(shè)計

    本系統(tǒng)的軟件主要分為啟動代碼，芯片驅(qū)動程序設(shè)計，操作系統(tǒng)和ISDN協(xié)議棧的移植，應(yīng)用程序的設(shè)計等。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2。

3.1 啟動代碼的設(shè)計
    啟動代碼在信息終端的設(shè)計中是很重要的一環(huán)，它是EP7312處理器在冷啟動后首先執(zhí)行的一段代碼，用ARM匯編指令編寫。在這一段程序中要執(zhí)行一些必須的初始化任務(wù) ，例如中斷向量表的初始化、SDRAM控制器初始化、存儲器管理單元（MMU）初始化等等。

    設(shè)置入口指針：啟動程序首先必須定義入口指針，而且整個應(yīng)用程序只有一個入口指針。

    設(shè)置中斷向量表：ARM7要求中斷向量表必須設(shè)置在從0地址開始，連續(xù)8×4字節(jié)的空間，分別是復(fù)位、未定義指令錯誤、軟件中斷、預(yù)取指令錯誤、數(shù)據(jù)存取錯誤、IRQ、FIQ和一個保留的中斷向量。

    初始化堆棧和CPU寄存器：系統(tǒng)堆棧初始化取決于用戶使用的中斷，以及系統(tǒng)需要處理的錯誤類型。還需要設(shè)置CPU相關(guān)的寄存器，以確定系統(tǒng)使用的SDRAM和其它外設(shè)芯片的刷新頻率，數(shù)據(jù)總線寬度等信息。

    初始化存儲器系統(tǒng)：系統(tǒng)集成有MMU來管理內(nèi)存空間。

    改變處理器模式、狀態(tài)：本系統(tǒng)讓處理器一直處于超級用戶模式。

    初始化C語言所需的存儲器空間：在初始化期間應(yīng)將系統(tǒng)需要讀寫的數(shù)據(jù)和變量從

    FLASH拷貝到SDRAM里。并要對一些全局的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，如BSS數(shù)據(jù)段。

    跳轉(zhuǎn)到C程序入口：啟動代碼跳到C程序的入口，開始一段NUCLEUS操作系統(tǒng)的初始化和應(yīng)用程序初始化的代碼。

    啟動代碼的流程框圖如圖3。

3.2 ISDN協(xié)議棧的移植
    信息終端通過ISDN網(wǎng)接入INTERNET，因此必須在操作系統(tǒng)之上移植ISDN協(xié)議棧。本文采用的ISDN用戶-網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議棧和X.25協(xié)議棧是來自 ISDN-BRICKS的商用軟件包，它滿足ITU-T的I.430、Q.921、Q.931、X.25和X.31以及相應(yīng)的中國標(biāo)準(zhǔn)[1～5]。

    ISDN和X25協(xié)議棧軟件包是一個按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編寫的通用軟件包。該軟件包按多進(jìn)程/多任務(wù)操作系統(tǒng)環(huán)境設(shè)計，支持不同的實現(xiàn)環(huán)境，如操作系統(tǒng)、CPU和編譯系統(tǒng)等。一個多進(jìn)程/多任務(wù)操作系統(tǒng)環(huán)境一般必須具有以下功能：進(jìn)程/任務(wù)調(diào)度、進(jìn)程/任務(wù)之間的通信、共享資源的互斥訪問、內(nèi)存管理以及定時管理。但是，即使同是多任務(wù)操作系統(tǒng)，也還存在著實現(xiàn)機(jī)制和函數(shù)調(diào)用句法的不同。NUCLEUS雖是一個能提供上述功能的實時操作系統(tǒng)，但通用的ISDN和X25協(xié)議棧軟件包必須經(jīng)過移植，才能在NUCLEUS操作系統(tǒng)下運行。因此，ISDN和X25協(xié)議棧軟件包的移植工作必須在以下幾個方面進(jìn)行：

（1）將創(chuàng)建SERVER移植為創(chuàng)建NUCLEUS的任務(wù)；

共享資源，如消息塊、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)塊、定時管理單元數(shù)據(jù)塊以及動態(tài)分配內(nèi)存塊；

（3）將對通用郵箱的收發(fā)操作移植為對 NUCLEUS的消息隊列的收發(fā)操作；

（4）將對共享資源的鎖定管理移植為對 NUCLEUS的信號燈的管理；

（5）將定時管理模塊移植為NUCLEUS的定時超時函數(shù)；

（6）將通用的禁中斷操作移植為NUCLEUS的禁中斷操作。

3.3 應(yīng)用程序設(shè)計要點
    應(yīng)用程序包括主控模塊，廣告模塊，維護(hù)模塊，語音模塊，輸入法，瀏覽器等。

    在設(shè)計過程中要注意以下幾點：

    注意內(nèi)存釋放：內(nèi)存申請一定要釋放，特別是程序在對錯誤進(jìn)行處理的時候。

    特定地址保護(hù)：嵌入式操作系統(tǒng)并不像WIN DOWS操作系統(tǒng)那樣對一些重要的地址都作了保護(hù)。因此在寫應(yīng)用程序時要特別注意指針的運用，不能讓非法指針出現(xiàn)。

    注意多任務(wù)的環(huán)境：因為在嵌入式系統(tǒng)中每個模塊都有自己的任務(wù)，當(dāng)前任務(wù)的運行不能影響其它模塊。

4 結(jié)束語

     本文所介紹的信息終端在硬件上具有性能穩(wěn)定，功耗極低，接入方式簡便，使用方便的特點。在操作系統(tǒng)移植和驅(qū)動程序的開發(fā)上與硬件緊密結(jié)合，具有良好的入網(wǎng)兼容性，人機(jī)交互良好等特點。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于全國大部分的電信公話局，總裝機(jī)達(dá)兩萬臺，取得良好經(jīng)濟(jì)和社會效益。

參考文獻(xiàn)：
[1] EP7312 Datasheet.Cirrus Logic, Dec., 1999.
[2] Stallings W.Networking standars : a guide to OSI,ISDN,LAN, and MAN standars. Addison-Wesley , 1993
[3] ISDN-BRICKS System Management Interface Guide. NETBRICKS SA, 2000.9.
[4] Nucleus PLUS Reference Manual Accelerated Technology, Inc. 2001. [5] 王京林 岳春生 張海英 ARM7在嵌入式應(yīng)用中啟動程序的實現(xiàn)[J],計算機(jī)與信息技術(shù), 2000.10.