基于ARM微處理器及嵌入試Linux的串口網(wǎng)橋軟硬件設(shè)計(jì)

許振山 晏寄夫 王富榮
西南交通大學(xué)電氣學(xué)院 四川成都 610031

l、引言

在電力系統(tǒng)自動(dòng)化控制及其他工業(yè)控制、民用設(shè)備如商場(chǎng)銷售系統(tǒng)等領(lǐng)域，眾多設(shè)備的對(duì)外通訊接口仍然是低速串口。串口由于其易用性、可靠性及相對(duì)于工控設(shè)備來(lái)說(shuō)足夠高的通信能力而長(zhǎng)盛不衰。然而，串口有一個(gè)重大弱點(diǎn)就是傳輸距離短且無(wú)法與網(wǎng)絡(luò)直接相連，造成設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)共享，而這些恰恰是實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制高度自動(dòng)化的必須條件。因此，要求設(shè)計(jì)一種使串口設(shè)備快捷方便地實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能的裝置，而且要求其成本低廉，我們稱之為串口網(wǎng)橋或串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。

2、串口網(wǎng)橋簡(jiǎn)介

我們?cè)O(shè)計(jì)的串口網(wǎng)橋是一個(gè)可以為RS-232串口設(shè)備提供聯(lián)網(wǎng)能力的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。裝置主要完成主機(jī)與串口設(shè)備間交流數(shù)據(jù)的過(guò)濾與轉(zhuǎn)發(fā)功能，將RS-232信號(hào)轉(zhuǎn)換成TCP／IP協(xié)議，使設(shè)備數(shù)據(jù)可以在I n t e r n e t或 Intranet上流通、共享。牢門網(wǎng)橋具體功能描述如下：

● (遠(yuǎn)程、本地)主機(jī)可以如操作本機(jī)串口一樣通過(guò)TCP／1P網(wǎng)絡(luò)對(duì)串口設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)讀取，資料處理和數(shù)據(jù)多點(diǎn)傳輸，即串口設(shè)備原有的主機(jī)方應(yīng)用程序不需任何修改即可重新利用；

●支持主機(jī)以Web方式及Telnet方式登錄修改配置；

●可在網(wǎng)橋裝置上直接設(shè)置IP地址；

●自動(dòng)檢測(cè)10／100Mbps Ethernet網(wǎng)絡(luò)；

●可同時(shí)操作8個(gè)串口設(shè)備。串口網(wǎng)橋裝置廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化、門禁考勤管理、商場(chǎng)銷售系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化、遠(yuǎn)程影像傳輸?shù)缺姸囝I(lǐng)域，它的典型應(yīng)用如圖1所示：

3、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

串口網(wǎng)橋的硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示：

各主要模塊基本組成描述如下：

●每微處理器MCU：采用SAMISUNG公司生產(chǎn)的ARM7TDMI內(nèi)核S3C4510B處理器；

● 1 0／100M以太網(wǎng)接口：用一片RTL8201與S3C4510B片內(nèi)的MAC控制器一起組成以太網(wǎng)接口電路，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器與RJ45以太網(wǎng)口相連；

●FLASH存儲(chǔ)器：采用一片39VFl60
FLASH存儲(chǔ)器，大小為2M字節(jié)，用于存
放已調(diào)試好的用戶應(yīng)用程序、嵌入式
操作系統(tǒng)以及其他在系統(tǒng)掉電后需要
保存的用戶數(shù)據(jù)等；

● S D R A M存儲(chǔ)器：用兩片HY57V641620HG并聯(lián)構(gòu)建32位的SDRAM存儲(chǔ)器系統(tǒng)，共16M字節(jié)，可滿足嵌入式操作系統(tǒng)及各種相對(duì)較復(fù)雜的算法的運(yùn)行要求；

●JTAG接口：可對(duì)芯片內(nèi)部的所有部件進(jìn)行訪問(wèn)，通過(guò)該接口可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、編程等；

●多串口擴(kuò)展：用兩片STl6C554擴(kuò)展出八個(gè)串口，以同時(shí)連接多臺(tái)串口設(shè)備。

下面分別對(duì)裝置硬件結(jié)構(gòu)中的主要模塊功能進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

3．1ARM微處理器S3C4510B

串口網(wǎng)橋的系統(tǒng)是一顆韓國(guó)三星電子生產(chǎn)的S3C45l0B-16／32位RI 5C(精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))微控制器。該微控制器專為以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的集線器和路由器而設(shè)計(jì)，具有低成本和高性能的特點(diǎn)。

S3C45l0B中內(nèi)置了ARM公司設(shè)計(jì)的16/32位ARM7TDMI處理器，提供了8K字節(jié)的Cache(高速緩存)和以太控制器，內(nèi)置2通道的HDLC(數(shù)據(jù)鏈路控制)，2個(gè)UART(通用異步收發(fā))通道，內(nèi)置32位定時(shí)器和18個(gè)通用可編程I／O端口。S3C4510B內(nèi)部采用32位系統(tǒng)總線，有I2C接口，還集成了中斷控制器、DRAM／SDRAM控制器、ROM／SRAM和閃存控制器。以上功能特點(diǎn)均集成在此單芯片中，可大大減少系統(tǒng)成本。 軟件方面，S3C45l 0B因內(nèi)置ARSM7TDMI核，可以執(zhí)行32位的ARM指令，也可執(zhí)行16位的THUMB指令。

S3C4510B采用3．3V電壓供電，208腳的QFP封裝，操作頻率達(dá)50MHz。

3．2 10/100M以太網(wǎng)接口電路

S3C4510B內(nèi)嵌了一個(gè)以太網(wǎng)控制器，支持媒體獨(dú)立接口(Media Independent Interface，UII)和帶緩沖DMA接口(Buffered DMA Interface，BDI)，可在半雙工或全雙工模式下提供10／100Mbps的以太網(wǎng)接入。在半雙工模式下，控制器支持CSMA／CD協(xié)議，在全雙工模式下支持IEEE802．3 MAC控制層協(xié)議。

但S3C4510B并未提供物理層接口，因此，需外接一片物理層芯片以提供以太網(wǎng)的接入通道。常用的單口10／l00Mbps高速以太網(wǎng)物理層接口器件主要有RTL8201，DM9161等，均提供MII接口和傳統(tǒng)7線制網(wǎng)絡(luò)接口，可方便地與S3C4510B相連。串口網(wǎng)橋的設(shè)計(jì)中使用RTL8201作為以太網(wǎng)的物理層接口。

3．3 Flash存儲(chǔ)器接口電路

Flash存儲(chǔ)器具有低功耗、大容量、擦寫(xiě)速度快．可整片或分扇區(qū)在系統(tǒng)編程(燒寫(xiě))、擦除等特點(diǎn)，因而在各種嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。作為一種非易失性存儲(chǔ)器，F(xiàn)lash在系統(tǒng)中通常用于存放程序代碼以及一些在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)中用了一片39VFl60 FLASH存儲(chǔ)器，其單片存儲(chǔ)容量為16M位(2M字節(jié))，工作電壓為2．7V~3．6V，采用48腳TSOP封裝或48腳FBGA封裝，16位數(shù)據(jù)寬度。

39VF160僅需單3V電壓即可完成在系統(tǒng)的編程與擦除操作，通過(guò)對(duì)其內(nèi)部的命令寄存器寫(xiě)入標(biāo)準(zhǔn)的命令序列，可對(duì)Flash進(jìn)行編程(燒寫(xiě))、整片擦除、按扇區(qū)擦除以及其他操作。

3．4 SDRAM接口電路

SDPAM在系統(tǒng)中主要用作程序的運(yùn)行空間，數(shù)據(jù)及堆棧。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)
時(shí)，CPU首先從復(fù)位地址起始處開(kāi)始讀取啟動(dòng)代碼，在完成系統(tǒng)的初始化后，程序代碼一般應(yīng)調(diào)入SDRAM中運(yùn)行，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，同時(shí)，系統(tǒng)堆棧，用戶堆棧以及運(yùn)行數(shù)據(jù)也都放在SDRAM中。

要在系統(tǒng)中使用SDRAM．要求微處理器具有刷新控制邏輯，或在系統(tǒng)中另外加入刷新控制邏輯電路。S3C4510B及其他一些ARM芯片在片內(nèi)具有獨(dú)立的SDRAM刷新控制邏輯，可方便地與SDRAM相連接。

HY57V641620HG為16位數(shù)據(jù)寬度，單片容量為8M字節(jié)，為充分發(fā)揮32位CPU的數(shù)據(jù)處理能力，串口網(wǎng)橋設(shè)計(jì)中用兩片HY57V641620HG并聯(lián)構(gòu)成32位的SDRAM存儲(chǔ)器系統(tǒng)，共16M字節(jié)的SDRAM空間，可滿足嵌入式操作系統(tǒng)及各種相對(duì)較復(fù)雜的算法的運(yùn)行要求。

3．5 JTAG接口電路

JTAG(Joint Test Action Group)是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試。JTAG技術(shù)是一種嵌入式調(diào)試技術(shù)，它在芯片內(nèi)部封裝了專門的測(cè)試電路，可以通過(guò)專用的JTAG測(cè)試軟件對(duì)芯片內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。目前大多數(shù)比較復(fù)雜的器件都支持JTAG協(xié)議，如ARM、DSP，F(xiàn)PGA器件等。JTAG接口常用于實(shí)現(xiàn)ISP(In-System Programmable，在系統(tǒng)編程)功能，如對(duì)FLASH器件進(jìn)行編程等。通過(guò)JTAG接口，可對(duì)芯片內(nèi)部的所有部件進(jìn)行訪問(wèn)，因而是開(kāi)發(fā)調(diào)試嵌入式系統(tǒng)的一種簡(jiǎn)潔而高效的手段。

3．6多串口擴(kuò)展

串口網(wǎng)橋提供八個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS232串口以連接多臺(tái)串口設(shè)備。當(dāng)然。S3C4510B不可能提供這么多個(gè)串口，因此我們需要自己擴(kuò)展。

多串口擴(kuò)展原理如圖3所示。

STl6C554是集成異步通信元件，每片16C554中包含4個(gè)改良的16C350異步傳輸器件，每個(gè)通道有獨(dú)立的16字節(jié)接收緩沖器和16字節(jié)發(fā)送緩沖器，可以達(dá)到更高的通訊速率而無(wú)需占用過(guò)多的CPU資源。

Maxim公司的MAX202芯片是標(biāo)準(zhǔn)的RS232電平轉(zhuǎn)換器，是符合RS232通信標(biāo)準(zhǔn)的接口芯片，該芯片功耗低，集成度高，使用單一5V電源，每片有2個(gè)驅(qū)動(dòng)器和2個(gè)接收器，具有2組接收和發(fā)送通道，接口電路簡(jiǎn)單，可靠性高，可實(shí)現(xiàn)TTL電平和RS232電平的直接轉(zhuǎn)換。

串口數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)MAX202轉(zhuǎn)換成TTL電平，再通過(guò)STl6C554輸出中斷請(qǐng)求。八個(gè)串口的中斷請(qǐng)求或起來(lái)產(chǎn)生IRQ信號(hào)INTREQ，經(jīng)CPLD再與CPU的中斷控制器相連。

設(shè)計(jì)中使用CPLD主要是為了解決多串口共享一個(gè)中斷源時(shí)必然產(chǎn)生的中斷重疊問(wèn)題。為提高可靠性，系統(tǒng)中的八個(gè)串口均采用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并且八個(gè)串口共享一個(gè)中斷源。在共用的中斷服務(wù)程序中，程序按順序?qū)Π藗€(gè)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)。若發(fā)現(xiàn)某個(gè)串口有數(shù)據(jù)，則進(jìn)行相應(yīng)處理。但這樣一來(lái)，將會(huì)產(chǎn)生如下問(wèn)題：例如，中斷服務(wù)程序剛對(duì)串口l進(jìn)行檢測(cè)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)，則轉(zhuǎn)向串口2進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)串口2有數(shù)據(jù)，因此程序?qū)⑦M(jìn)行串口2的數(shù)據(jù)處理，如果這時(shí)串口l發(fā)生中斷請(qǐng)求，由于CPU無(wú)法保存該請(qǐng)求脈沖，串口l的中斷請(qǐng)求將被忽略。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以在共享中斷源后面加一個(gè)用CPLD實(shí)現(xiàn)的邏輯電路。該邏輯電路由兩部分組成，部分是一個(gè)可尋址的寄存器INTEN，作為共享中斷的允許位。第二部分是一個(gè)狀態(tài)機(jī)邏輯電路，該電路共有三個(gè)狀態(tài)：S 0是等待狀態(tài)，該狀態(tài)下INTEN=I，只要任何一個(gè)串口產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，CPU將馬上響應(yīng)該中斷；Sl是中斷服務(wù)狀態(tài)，中斷服務(wù)程序一開(kāi)始執(zhí)行，馬上將INTEN設(shè)置為0，以屏蔽其他中斷請(qǐng)求，退出中斷服務(wù)程序時(shí)，再將INTEN設(shè)置為1，中斷服務(wù)程序執(zhí)行期間產(chǎn)生的串口中斷請(qǐng)求由INTREQ鎖存；S2為延時(shí)狀態(tài)，延時(shí)50us，以確保中斷服務(wù)程序完全退出。

狀態(tài)機(jī)邏輯電路狀態(tài)圖如圖4所示：

4．系統(tǒng)軟件平臺(tái)

4．5 uC1inux操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介

Linux是一種很受歡迎的類UNIX操作系統(tǒng)，它并開(kāi)放源代碼，在個(gè)人計(jì)算機(jī)、服務(wù)器領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。更重要的是，Linux采取模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)際應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)定制，因此Linux也適用于嵌入式領(lǐng)域。uClinux正是Linux的一個(gè)嵌入式版本，其內(nèi)核的二進(jìn)制映像文件可以做到小于512K。

uClinux針對(duì)無(wú)MMU(Memory Management Unit，內(nèi)存管理單元)的處理器設(shè)計(jì)，支持多任務(wù)，具有完備的TCP／IP協(xié)議棧并支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。uClinux還支持多種文件系統(tǒng)，如ROMFS，NFS，F(xiàn)ATl6／32。實(shí)際上，uClinux已經(jīng)成功應(yīng)用于路由器、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、機(jī)頂盒、PDA等諸多領(lǐng)域。

另外，uClinux可移植性很強(qiáng)，用戶通過(guò)重新配置、編譯內(nèi)核，可以很方便地將其移植到ARM，Dragon Ball、ColdFire、Power PC等多種處理器計(jì)算平臺(tái)。當(dāng)前uClinux主要提供2．0和2．4兩個(gè)內(nèi)核版本。

4．2軟件開(kāi)發(fā)調(diào)試方法

嵌入式Linux軟件開(kāi)發(fā)可以采用一種特殊的模式：主機(jī)--目標(biāo)機(jī)模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其中主機(jī)就是常用的PC或工作站，開(kāi)發(fā)環(huán)境運(yùn)行在主機(jī)上，主機(jī)的操作系統(tǒng)是通用的Windows或Linux系統(tǒng)。目標(biāo)機(jī)就是嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，它與主機(jī)間通過(guò)串行口、以太網(wǎng)或其他方式通信，從主機(jī)編譯好的代碼并運(yùn)行。

利用GNU提供的交叉調(diào)試工具，開(kāi)發(fā)人員可以在主機(jī)上調(diào)試目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行的程序。在目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行一個(gè)代理，以接收主機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的命令和代碼，并解釋執(zhí)行。通過(guò)調(diào)試器。開(kāi)發(fā)者可以設(shè)定程序運(yùn)行的起止位置和斷點(diǎn)，同時(shí)可以查看和改變變量、寄存器和內(nèi)存中的值，設(shè)置程序運(yùn)行條件等，使開(kāi)發(fā)人員感到如同在本機(jī)上調(diào)試程序一樣方便。

4．3程序框圖

串口網(wǎng)橋控制程序的主要功能就是實(shí)現(xiàn)對(duì)串口數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的重組與轉(zhuǎn)發(fā)。本地主機(jī)或遠(yuǎn)端主機(jī)上的應(yīng)用程序以原有的操作本機(jī)串口的方式與連接在串口網(wǎng)橋上的設(shè)備進(jìn)行信息交互，主機(jī)上的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)?yīng)用程序要求發(fā)送的串口數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)串口號(hào)等輔助信息轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，發(fā)送到以太網(wǎng)上；串口網(wǎng)橋的控制程序接收到經(jīng)以太網(wǎng)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)包解包并提取其中的串口命令數(shù)據(jù)以及目標(biāo)串口號(hào)等信息，而后重組成串口數(shù)據(jù)并發(fā)送到相應(yīng)串口。控制程序處理串口設(shè)備上傳給本地主機(jī)或遠(yuǎn)端主機(jī)的數(shù)據(jù)的方式與上述過(guò)程相反。

串口網(wǎng)橋軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示：

5，結(jié)束語(yǔ)

本文討論了一個(gè)基于ARM微處理器S3C4510B及uClinux的串口網(wǎng)橋設(shè)備的軟硬件設(shè)計(jì)，對(duì)S3C4510B芯片功能進(jìn)行了簡(jiǎn)要描述，并探討了基于該芯片的嵌入式Linux軟件開(kāi)發(fā)模式．事實(shí)證明，采用Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)并充分利用GNU提供的開(kāi)發(fā)工具包，降低了嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)門檻，使更多的人能夠掌握相關(guān)技術(shù)，代表了嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一種新方向。

  

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