嵌入式系统的实时数据接口扩展

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摘要：介绍了一种以Samsung公司的ARM7TDMI CPU S3C4510B为核心、μCUnux 为操作系统的嵌入式系统应用于MPEC-2或MPEG-4等实时多媒体数据的网络传输所面临的问题，并提出了相应的解决方案。

    关键词：嵌入式系统 μClinux 实时多媒体 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。
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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。
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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

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