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。
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。
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(1) cpu
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8/16/32位的外部总线支持 rom、ram、flash 存储器、dram 和外部i/o;
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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。
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(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。
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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。
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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。
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