嵌入式系统的实时数据接口扩展

嵌入式系统的实时数据接口扩展

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。

1．1 硬件系统

(1) CPU

·8K 字节的 Cache；

·一个带 MII 接口的100Mbps／10Mbps 以太网控制器；

·两个 HDLC 通道；

·18个通用I／0通道；

·共有21个中断源，其中4个用于外部中断；

(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。

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

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。

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

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

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