??? 摘 要：?介紹了一種以Samsun公司的ARM7TDMI CPU S3C4510B為核心、μClinux為操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)" title="嵌入式系統(tǒng)">嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于MPEG-2或MPEG-4等實時多媒體數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸所面臨的問題，并提出了相應(yīng)的解決方案。
??? 關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)? μClinux? 實時多媒體? 接口擴展
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??? 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)控制等各個領(lǐng)域。典型的嵌入式" title="的嵌入式">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算機一樣使用操作系統(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，在一些簡單應(yīng)用中許多嵌入式系統(tǒng)的軟件并沒有使用操作系統(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。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。目前已有多個嵌入式應(yīng)用的版本，μClinux是其中的一個分支，最早被設(shè)計應(yīng)用于微控制領(lǐng)域。其最大特征就是沒有MMU（內(nèi)存管理單元），很適合于許多低端的、沒有MMU的嵌入式處理器。
??? 本文設(shè)計了一種嵌入式系統(tǒng)用于多媒體實時數(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。
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??? (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：
??? ·8/16/32位的外部總線支持ROM、RAM、Flash存儲器、DRAM和外部I/O" title="I/O">I/O；
??? ·8K字節(jié)的Cache；
??? ·一個I2C接口；
??? ·一個帶MII接口的100Mbps／10Mbps以太網(wǎng)控制器；
??? ·兩個UART通道；
??? ·兩個通用DMA通道；
??? ·兩個HDLC通道；
??? ·18個通用I/O通道；
??? ·兩個32位定時器；
??? ·共有21個中斷源，其中4個用于外部中斷；
??? ·一個內(nèi)部PLL用于提供高頻率的系統(tǒng)時鐘，最高系統(tǒng)時鐘可達(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、家庭網(wǎng)關(guān)等。
??? (2)Flash ROM和SDRAM
??? Flash ROM和SDRAM構(gòu)成了系統(tǒng)的存儲空間。其中Flash ROM作為程序存儲器，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），需在外部接一個物理層芯片完成編解碼和時鐘恢復(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)支持實時數(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)定性和實時性" title="實時性">實時性方面都有相應(yīng)的保證，但其價格也相當(dāng)高。這里選用了開放源碼的嵌入式Linux，它一般免費或花較少的費用就可得到，同時它在網(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)實際應(yīng)用需要靈活配置，能有效精簡內(nèi)核代碼。嵌入式Linux具有很高的穩(wěn)定性。在實時性方面，盡管linux本身未作過多關(guān)注，但可通過打?qū)崟rLinux（RTLinux）補丁解決。
??? 針對所采用的CPU沒有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Linux2.0內(nèi)核發(fā)展而來的，但其源代碼針對典型的嵌入式應(yīng)用已經(jīng)作了許多精簡和修改，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)板沒有被支持，應(yīng)根據(jù)實際情況移植。此外，由于在外部總線接了CPLD和FIFO，為了使應(yīng)用程序能訪問它，需要在μClinux下開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動程序。
2?實時數(shù)據(jù)接口的擴展
2.1 應(yīng)用要求
??? 將上述嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于實時多媒體數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，如圖2所示。這里的實時多媒體可以是MPEG-4或MPEG-2等，其數(shù)據(jù)流一般是連續(xù)、恒定碼率的。
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2.2 硬件擴展
??? 根據(jù)上述數(shù)據(jù)流的特點，需在嵌入式系統(tǒng)與外設(shè)（編、解碼器）之間加入數(shù)據(jù)緩沖控制單元。對于發(fā)送端和接收端" title="接收端">接收端，數(shù)據(jù)緩沖控制單元的設(shè)計有所不同，下面以MPEG-2為例說明。這里考慮系統(tǒng)的處理能力、網(wǎng)絡(luò)的承受能力以及圖像質(zhì)量，MPEG-2的輸出為4Mbps的CBR（固定比特率）Ts流。
2.2.1 發(fā)送端
??? 編碼器送出連續(xù)、恒定速率的碼流。如果將此碼流直接送到CPU外部總線，將會導(dǎo)致操作系統(tǒng)頻繁地處理中斷，甚至?xí)a(chǎn)生中斷不能及時處理從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。因此，有必要在編碼器與外部總線之間加上FIFO，同時用CPLD實現(xiàn)FIFO的讀寫控制邏輯。編碼器送出的數(shù)據(jù)流連續(xù)不斷地以恒定速率寫入FIFO；當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)積聚到一定值后，每寫入若干個數(shù)據(jù)就向CPU發(fā)一個中斷；CPU在收到中斷后通過外部總線讀入相當(dāng)量的數(shù)據(jù)，并將其打包送入網(wǎng)絡(luò)。正常情況下，每個中斷讀數(shù)據(jù)個數(shù)是一定的，在一段時間內(nèi)FIFO寫入和讀出將維持平衡，且不會產(chǎn)生“饑餓”狀態(tài)；當(dāng)操作系統(tǒng)因處理別的任務(wù)而沒有及時響應(yīng)中斷時，F(xiàn)IFO將暫時進(jìn)入“飽和”狀態(tài)，但只要FIFO容量足夠大就不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)溢出現(xiàn)象。由于CPU從FIFO讀取單位數(shù)據(jù)的速度大大高于外設(shè)向FIFO寫單位數(shù)據(jù)的速度，“飽和”狀態(tài)一般能消除。由此，可以解決前述問題。
2.2.2 接收端
??? 在接收端，由于解碼器的輸入要求是一個連續(xù)、恒定速率的碼流，同樣要求在CPU外部總線與編碼器之間加上FIFO和CPLD。同時，接收端的數(shù)據(jù)包由于經(jīng)過了網(wǎng)絡(luò)，不可避免地會引入延時，且數(shù)據(jù)包之間的延時是不確定的，甚至?xí)a(chǎn)生數(shù)據(jù)包的丟失。這些都需要在接收端予以考慮，增加了接收端數(shù)據(jù)緩沖控制單元的復(fù)雜度。
??? 為了解決數(shù)據(jù)包到達(dá)延時及抖動問題（數(shù)據(jù)包的丟失將間接導(dǎo)致延時的增加），可以簡單地靠增大FIFO容量解決。但增大FIFO將意味著從編碼器到解碼器之間延時的增加，影響了實時性。因此，為了保證一定的實時性，同時考慮成本因素，不能單純靠增大FIFO解決。
??? 由于FIFO容量的限制，在出現(xiàn)大延時的情況下，F(xiàn)IFO將可能出現(xiàn)“空”狀態(tài)。這意味著送給解碼器的數(shù)據(jù)流會有中斷，從而可能導(dǎo)致解碼器的不正常工作并可能不能恢復(fù)（在數(shù)據(jù)流恢復(fù)正常后）。為此，需要在FIFO出現(xiàn)“空”狀態(tài)之前，即處于“饑餓”狀態(tài)時（可以設(shè)置一個閾值），由CPLD停止向FIFO讀數(shù)據(jù)而向解碼器發(fā)填充包。填充包中含有同步頭，可以維持解碼器的同步。短時間的插空包會使視頻圖像出現(xiàn)馬賽克，如果時間過長，可能會出現(xiàn)黑屏。在實際試驗中，接收端視頻的質(zhì)量與網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況有關(guān)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時，圖像會出現(xiàn)馬賽克，黑屏現(xiàn)象一般極少發(fā)生。
2.3 驅(qū)動程序
??? 為了使μClinux下的應(yīng)用程序能通過外部總線訪問FIFO，需要編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序。驅(qū)動程序主要包括三個基本部分，即CPU相關(guān)寄存器的初始化設(shè)置以及CPU對外部I/O口的讀操作和寫操作。其中，初始化設(shè)置主要包括中斷號及其類型設(shè)置、外部I/O口數(shù)據(jù)位寬度和讀寫時序設(shè)置等。
參考文獻(xiàn)
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2 杜春雷．ARM體系結(jié)構(gòu)與編程．北京：清華大學(xué)出版社，2003
3 Samsung Electronics Semiconductors．S3C4510B User＇s?Manual(Rev．1.0)．Feb.2001