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嵌入式系統的實(shí)時(shí)數據接口擴展
摘要：介紹了一種以Samsung公司的ARM7TDMI CPU S3C4510B為核心、μCUnux 為操作系統的嵌入式系統應用于MPEC-2或MPEG-4等實(shí)時(shí)多媒體數據的網(wǎng)絡(luò )傳輸所面臨的問(wèn)題，并提出了相應的解決方案。嵌入式系統目前已廣泛應用于信息家電、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。嵌入式系統的軟件部分可以像計算機一樣使用操作系統，目前已有許多成熟嵌入式操作系統，如VxWorks、pSOS、Nucleus、Windows CE 以及嵌入式Linux 等。當然，在一些簡(jiǎn)單應用中許多嵌入式系統的軟件并沒(méi)有使用操作系統，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(wǎng)絡(luò )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(diǎn)。在全球有眾多生產(chǎn)ARM內核處理器的廠(chǎng)商。
Linux是一種很受歡迎的開(kāi)放源碼操作系統，原先被設計應用于桌面系統，后被廣泛應用于服務(wù)器。由于其開(kāi)放源碼和內核可裁減等特性，Linux逐漸被修改用于嵌入式領(lǐng)域。目前已有多個(gè)嵌入式應用的版本，μClinux 是其中的一個(gè)分支，最早被設計應用于微控制領(lǐng)域。其最大特征就是沒(méi)有MMU(內存管理單元)，很適合于許多低端的、沒(méi)有MMU的嵌入式處理器。
本文設計了一種嵌入式系統用于多媒體實(shí)時(shí)數據的網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )處理器 S3C4510B 為嵌入式硬件核心，μClinux 為操作系統。該系統支持完整的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 嵌入式系統的構成
1．1 硬件系統
嵌入式硬件系統主要由 CPU、Flash ROM、SDRAM、以太網(wǎng)物理層、FIFO以及CPLD等芯片構成，如圖1所示。
(1) CPU
本系統采用了 ARM7TDMI 內核的 RISC 處理器S3C4510B。該芯片具有如下一些主要特點(diǎn)：
8／16／32位的外部總線(xiàn)支持 ROM、RAM、Flash 存儲器、DRAM 和外部I／O；
·8K 字節的 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)內部 PLL 用于提供高頻率的系統時(shí)鐘，最高系統時(shí)鐘可達50MHz。
由此可見(jiàn)，S3C4510B 很適用于低端的網(wǎng)絡(luò )設備，如集線(xiàn)器、交換機、家庭網(wǎng)關(guān)等。
(2)Flash ROM 和 SDRAM
Flash ROM 和 SDRAM 構成了系統的存儲空間。其中Flash ROM 作為程序存儲器，用于存放操作系統、應用程序等；SDRAM為系統內存。
(3)以太網(wǎng)物理層和串行接口芯片
CPU 內部的以太網(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)鐘恢復等功能。串行接口芯片主要完成串行線(xiàn)路接口的電平轉換。
(4)CPLD 和 FIFO
為了能使系統支持實(shí)時(shí)數據通信，需要在外設和嵌入式系統的外部總線(xiàn)之間加上 FIFO 和CPLD。FIFO 用于數據緩沖，CPLD 用于產(chǎn)生 FIFO控制邏輯和外部總線(xiàn)控制邏輯。
1．2 操作系統
ARM7TDMI 內核已被眾多的嵌入式操作系統所支持，如 VxWorks、pSOS 及 Nucleus 等。這些商業(yè)化操作系統在網(wǎng)絡(luò )和用戶(hù)圖形界面等方面都有很好的支持，并且在穩定性和實(shí)時(shí)性方面都有相應的保證，但其價(jià)格也相當高。這里選用了開(kāi)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(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實(shí)際應用需要靈活配置，能有效精簡(jiǎn)內核代碼。嵌入式 Linux 具有很高的穩定性。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)打實(shí)時(shí) Linux(RTLinux)補丁解決。
針對所采用的 CPU 沒(méi)有 MMU，選用了目前在嵌入式系統中被廣泛使用的μClinux。μClinux 是從標準的Linux 2．0 內核發(fā)展而來(lái)的，但其源代碼針對典型的嵌入式應用已經(jīng)作了許多精簡(jiǎn)和修改，使得其內核比標準的 Linux 內核要小很多，不過(guò)它仍然保留了標準 Linux的主要特色。
目前最新的μClinux 版本已經(jīng)支持 S3C4510B 及典型開(kāi)發(fā)板，如果所采用的 CPU 及開(kāi)發(fā)板沒(méi)有被支持，應根據實(shí)際情況移植。此外，由于在外部總線(xiàn)接了 CPLD和 FIFO，為了使應用程序能訪(fǎng)問(wèn)它，需要在μClinux 下開(kāi)發(fā)相應的驅動(dòng)程序。
2 實(shí)時(shí)數據接口的擴展
2．1 應用要求
將上述嵌入式系統應用于實(shí)時(shí)多媒體數據的網(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，其數據流一般是連續、恒定碼率的。
2．2 硬件擴展
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