嵌入式系统的实时数据接口扩展研究

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。

　　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/0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Linux 2.0 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。