嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口擴(kuò)展
摘要：介紹了一種以Samsung公司的ARM7TDMI CPU S3C4510B為核心、μCUnux 為操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于MPEC-2或MPEG-4等實(shí)時(shí)多媒體數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸所面臨的問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的解決方案。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。與通用處理器相比，其在功耗、體積、成本等方面都受到應(yīng)用要求的制約。嵌入式系統(tǒng)的軟件部分可以像計(jì)算機(jī)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(dāng)然，在一些簡(jiǎn)單應(yīng)用中許多嵌入式系統(tǒng)的軟件并沒(méi)有使用操作系統(tǒng)，只有一些循環(huán)控制。這樣，軟件復(fù)雜度大大降低，從而減少存儲(chǔ)器的容量要求，但是這樣的軟件在重復(fù)使用、網(wǎng)絡(luò)支持等方面的能力相對(duì)較弱。
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，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 及典型開發(fā)板，如果所采用的 CPU 及開發(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
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