嵌入式系统的实时数据接口扩展

    嵌入式系统目前已广泛应用于信息家电、网络通信和工业控制等各个领域。典型的嵌入式系统主要由嵌入式硬件和软件构成，其中硬件部分的核心为嵌入式处理器。与通用处理器相比，其在功耗、体积、成本等方面都受到应用要求的制约。嵌入式系统的软件部分可以像计算机一样使用操作系统，目前已有许多成熟嵌入式操作系统，如VxWorks、pSOS、Nucleus、Windows CE以及嵌入式Linux等。当然，在一些简单应用中许多嵌入式系统的软件并没有使用操作系统，只有一些循环控制。这样，软件复杂度大大降低，从而减少存储器的容量要求，但是这样的软件在重复使用、网络支持等方面的能力相对较弱。

    ARM系列内核是目前嵌入式处理器中广泛使用的内核。采用ARM内核的处理器具有体积小、功耗低、成本低和性能高的特点。在全球有众多生产ARM内核处理器的厂商。

    Linux是一种很受欢迎的开放源码操作系统，原先被设计应用于桌面系统，后被广泛应用于服务器。由于其开放源码和内核可裁减等特性，Linux逐渐被修改用于嵌入式领域。目前已有多个嵌入式应用的版本，μClinux是其中的一个分支，最早被设计应用于微控制领域。其最大特征就是没有MMU（内存管理单元），很适合于许多低端的、没有MMU的嵌入式处理器。

     本文设计了一种嵌入式系统用于多媒体实时数据的网络传输。ARM内核处理器与嵌入式Linux是目前嵌入式应用中的一种典型组合，选用了Samsung公司的16/32位ARM7TDMI内核的网络处理器S3C4510B为嵌入式硬件核心，μClinux为操作系统。该系统支持完整的TCP/IP协议以及许多其它的网络协议，同时它具有很低的成本。

１ 嵌入式系统的构成

１．１ 硬件系统

    嵌入式硬件系统主要由CPU、Flash ROM、SDRAM、以太网物理层、FIFO以及CPLD等芯片构成，如图１所示。

(1)CPU

   本系统采用了ARM7TDMI内核的RISC处理器S3C4510B。该芯片具有如下一些主要特点：

·8/16/32位的外部总线支持ROM、RAM、Flash存储器、DRAM和外部I/O；
·8K字节的Cache；
·一个I2C接口；
·一个带MII接口的100Mbps／10Mbps以太网控制器；
·两个UART通道；
·两个通用DMA通道；
·两个HDLC通道；
·18个通用I/O通道；
·两个32位定时器；
·共有21个中断源，其中4个用于外部中断；
·一个内部PLL用于提供高频率的系统时钟，最高系统时钟可达50MHz。

    由此可见，S3C4510B很适用于低端的网络设备，如集线器、交换机、家庭网关等。

(2)Flash ROM和SDRAM

    Flash ROM和SDRAM构成了系统的存储空间。其中Flash ROM作为程序存储器，用于存放操作系统、应用程序等；SDRAM为系统内存。

(3)以太网物理层和串行接口芯片

    CPU内部的以太网控制器只提供了MAC（媒体接入控制器），需在外部接一个物理层芯片完成编解码和时钟恢复等功能。串行接口芯片主要完成串行线路接口的电平转换。

(4)CPLD和FIFO

    为了能使系统支持实时数据通信，需要在外设和嵌入式系统的外部总线之间加上FIFO和CPLD。FIFO用于数据缓冲，CPLD用于产生FIFO控制逻辑和外部总线控制逻辑。

1.2 操作系统

   ARM7TDMI内核已被众多的嵌入式操作系统所支持，如VxWorks、pSOS及Nucleus等。这些商业化操作系统在网络和用户图形界面等方面都有很好的支持，并且在稳定性和实时性方面都有相应的保证，但其价格也相当高。这里选用了开放源码的嵌入式Linux，它一般免费或花较少的费用就可得到，同时它在网络和图形界面方面也有很好的支持。另外，嵌入式Linux的高度模块化使它可以根据实际应用需要灵活配置，能有效精简内核代码。嵌入式Linux具有很高的稳定性。在实时性方面，尽管linux本身未作过多关注，但可通过打实时Linux（RTLinux）补丁解决。

    针对所采用的CPU没有MMU，选用了目前在嵌入式系统中被广泛使用的μClinux。μClinux是从标准的Linux2.0内核发展而来的，但其源代码针对典型的嵌入式应用已经作了许多精简和修改，使得其内核比标准的Linux内核要小很多，不过它仍然保留了标准Linux的主要特色。

    目前最新的μClinux版本已经支持S3C4510B及典型开发板，如果所采用的CPU及开发板没有被支持，应根据实际情况移植。此外，由于在外部总线接了CPLD和FIFO，为了使应用程序能访问它，需要在μClinux下开发相应的驱动程序。


2 实时数据接口的扩展

2.1 应用要求

    将上述嵌入式系统应用于实时多媒体数据的网络传输，如图2所示。这里的实时多媒体可以是MPEG-4或MPEG-2等，其数据流一般是连续、恒定码率的。

2.2 硬件扩展

    根据上述数据流的特点，需在嵌入式系统与外设（编、解码器）之间加入数据缓冲控制单元。对于发送端和接收端，数据缓冲控制单元的设计有所不同，下面以MPEG-2为例说明。这里考虑系统的处理能力、网络的承受能力以及图像质量，MPEG-2的输出为4Mbps的CBR（固定比特率）Ts流。

2.2.1 发送端

    编码器送出连续、恒定速率的码流。如果将此码流直接送到CPU外部总线，将会导致操作系统频繁地处理中断，甚至会产生中断不能及时处理从而导致数据丢失。因此，有必要在编码器与外部总线之间加上FIFO，同时用CPLD实现FIFO的读写控制逻辑。编码器送出的数据流连续不断地以恒定速率写入FIFO；当FIFO中的数据积聚到一定值后，每写入若干个数据就向CPU发一个中断；CPU在收到中断后通过外部总线读入相当量的数据，并将其打包送入网络。正常情况下，每个中断读数据个数是一定的，在一段时间内FIFO写入和读出将维持平衡，且不会产生“饥饿”状态；当操作系统因处理别的任务而没有及时响应中断时，FIFO将暂时进入“饱和”状态，但只要FIFO容量足够大就不会产生数据溢出现象。由于CPU从FIFO读取单位数据的速度大大高于外设向FIFO写单位数据的速度，“饱和”状态一般能消除。由此，可以解决前述问题。

2.2.2 接收端

    在接收端，由于解码器的输入要求是一个连续、恒定速率的码流，同样要求在CPU外部总线与编码器之间加上FIFO和CPLD。同时，接收端的数据包由于经过了网络，不可避免地会引入延时，且数据包之间的延时是不确定的，甚至会产生数据包的丢失。这些都需要在接收端予以考虑，增加了接收端数据缓冲控制单元的复杂度。

    为了解决数据包到达延时及抖动问题（数据包的丢失将间接导致延时的增加），可以简单地靠增大FIFO容量解决。但增大FIFO将意味着从编码器到解码器之间延时的增加，影响了实时性。因此，为了保证一定的实时性，同时考虑成本因素，不能单纯靠增大FIFO解决。

    由于FIFO容量的限制，在出现大延时的情况下，FIFO将可能出现“空”状态。这意味着送给解码器的数据流会有中断，从而可能导致解码器的不正常工作并可能不能恢复（在数据流恢复正常后）。为此，需要在FIFO出现“空”状态之前，即处于“饥饿”状态时（可以设置一个阈值），由CPLD停止向FIFO读数据而向解码器发填充包。填充包中含有同步头，可以维持解码器的同步。短时间的插空包会使视频图像出现马赛克，如果时间过长，可能会出现黑屏。在实际试验中，接收端视频的质量与网络的负载情况有关。当网络负载较重时，图像会出现马赛克，黑屏现象一般极少发生。

2.3 驱动程序

    为了使μClinux下的应用程序能通过外部总线访问FIFO，需要编写相应的驱动程序。驱动程序主要包括三个基本部分，即CPU相关寄存器的初始化设置以及CPU对外部I/O口的读操作和写操作。其中，初始化设置主要包括中断号及其类型设置、外部I/O口数据位宽度和读写时序设置等。