網(wǎng)絡(luò)處理器IP2022及其在嵌入式牌照識別系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計

介紹了Ubicom公司的最新網(wǎng)絡(luò)處理器IP2022以及專為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化而設(shè)計的嵌入式實時操作系統(tǒng)ipOS的特點。描述了如何在中ipOS下編制以太網(wǎng)應(yīng)用程序。給出IP2022在一個嵌入式牌照識別系統(tǒng)中的應(yīng)用實例。

隨著Internet技術(shù)的廣泛應(yīng)用，許多專家預(yù)測Internet技術(shù)將會無所不在，且是一個嵌入式技術(shù)。這就導(dǎo)致了一個需求，即在某些電子、電器設(shè)備中，以低成本去執(zhí)行物理層（PHY）與TCP/IP函數(shù)集。嵌入式互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可廣泛應(yīng)用于家電產(chǎn)品、安全設(shè)備、自動售貨機、遠程抄表以及工業(yè)控制等領(lǐng)域。

在大量的嵌入式應(yīng)用中，為物理層提供網(wǎng)絡(luò)連接是一個關(guān)鍵。然而TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的供應(yīng)商并沒有意識到這一點。通常，即使協(xié)議棧是以軟件形式執(zhí)行，接口也是以某種專用的硬件形式提供。Ubicom的網(wǎng)絡(luò)處理器IP2022已經(jīng)能夠執(zhí)行TCP/IP協(xié)議模塊，也能以軟件形式執(zhí)行物理口，例如UART、I2C等。隨著以太網(wǎng)MAC／PHY物理層接口需求的增長，專為執(zhí)行以太網(wǎng)協(xié)議的軟件模塊(ipModule)已經(jīng)實現(xiàn)。

1 1P2022介紹

IP2022是Ubicom公司的最新產(chǎn)品。IP2022芯片為網(wǎng)絡(luò)連接應(yīng)用進行了優(yōu)化，十分適用于Internet基礎(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)橋／網(wǎng)關(guān)部分。使用Ubicom的預(yù)制軟件模塊和配置工具可以對芯片編程和重新編程，為多種設(shè)備間和人機間通訊應(yīng)用創(chuàng)建了真正的單芯片解決方案。

IP2022內(nèi)含兩個全雙工串化器／解串器(Ser／Des)硬件單元，能直接與各種常用網(wǎng)絡(luò)接口相連。這種功能使其能夠?qū)崿F(xiàn)片內(nèi)10 Base-T以太網(wǎng)、USB以及其它各種快速串行協(xié)議。由于擁有Ser／Des硬件單元，IP2022也便于從一種協(xié)議轉(zhuǎn)換到另一種協(xié)議，因而也能作為協(xié)議轉(zhuǎn)換器。

IP2022的軟件模塊包括10base-T以太網(wǎng)、USB、UART、I2C、SPI、并行從設(shè)備物理接口以及一個完整的TCP／IP堆棧。正在開發(fā)的多種附加軟件可用于構(gòu)建完整的端到端連接解決方案。Ubicom的Internet處理器體系結(jié)構(gòu)和軟件模塊的組合創(chuàng)建了一個強大靈活的平臺，使設(shè)計人員能夠有信心跟上標(biāo)準(zhǔn)的更新與市場需求的變化，設(shè)計出用于未來的產(chǎn)品。

IP2022具有100MIPS的處理能力，并為通訊應(yīng)用進行了優(yōu)化。它能夠在執(zhí)行應(yīng)用程序的同時，提供高速計算、靈活的I／O控制和高效的數(shù)據(jù)處理功能，因此可用于高性能物理接口和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的軟件實現(xiàn)。IP2022的工作電壓為2．5V，芯片上帶有內(nèi)置的電荷泵，因此不需要為閃存編程而提供高電壓。

2 IP2022操作系統(tǒng)中OS簡介

ipOS是Ubicom設(shè)計的可配置的嵌入式實時操作系統(tǒng)。它是專為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而優(yōu)化的，然而不論在哪兒執(zhí)行通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，都存在一個問題，就是如何最好地支持各種不同通信緩沖區(qū)／包(Buffer／Packet)的協(xié)議層。ipOS所采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)(Netbuf)為此類問題提供了一個有力且靈活的解決方案，與此同時達到了最少使用存儲器的目的。

ipOS支持單任務(wù)與多任務(wù)操作模式。要使用單任務(wù)模式可在配置工具中關(guān)閉多任務(wù)選項。在單任務(wù)模式下，需要盡可能快地輪詢調(diào)用每個物理接口和一些操作系統(tǒng)函數(shù)。由于僅有一個任務(wù)，在輪詢循環(huán)(Polling loop)中，任何被直接或間接調(diào)用的函數(shù)必須盡可能快地返回，因為這些函數(shù)阻礙了其它系統(tǒng)進程的繼續(xù)進行。函數(shù)在等待I／0時，不能阻塞進程的執(zhí)行，這是最重要的。

3 10Base-T以太網(wǎng)的軟件執(zhí)行

3.1硬件需求

要給10Base-T以太網(wǎng)設(shè)置串化器／解串器(Ser／Des)，來自差分線接收器或片上比較器的輸人數(shù)據(jù)端應(yīng)連接到IP2022 Ser／Des接收器的輸入端，以太網(wǎng)的接收／發(fā)送信號要匹配Ser／Des指定的管腳。這些管腳通過一個帶有終端的變壓器連接到一個RJ45插座。IP2022與以太網(wǎng)接口連接示意圖如圖1所示。



在這個實現(xiàn)中，IP2022在單個芯片上從以太網(wǎng)MAC／PHY層到應(yīng)用層完成了網(wǎng)絡(luò)互連的所有方面。10Base-T以太網(wǎng)的實現(xiàn)利用了IP2022片內(nèi)Ser／Des單元，從而使外圍器件最少。

IP2022工作電壓為2．5V。在這個設(shè)計中，以太網(wǎng)接口需要5V電壓而IP2022 I／0卻工作在2．5V上，因此必須選擇一個正確轉(zhuǎn)換匝數(shù)的以太網(wǎng)變壓器。所選的變壓器或者能接受2．5V輸入，或者可在電路中插入一個5V的TTL緩沖器來允許使用1：1的變壓器。另一種方法是使IP2022的I／0工作在3．3V上，使用一個5V的CMOS緩沖器。在這個設(shè)計中，選擇了一個1：1的變壓器，因為它們更易購買，且價格合算；還有，大多數(shù)帶有內(nèi)置變壓器的RJ45連接器僅在較為流行的1：1轉(zhuǎn)換配置中有用，通過去掉電路中的緩沖器，可進一步簡化電路。


3.2軟件功能

以太網(wǎng)軟件執(zhí)行以下操作

(1)極性檢測與反轉(zhuǎn)；

(2)載波偵聽；

(3)超時檢測；

(4)連接完整性測試與連接脈沖產(chǎn)生；

(5)一旦沖突，隨機后退；

(6)檢測到?jīng)_突時，發(fā)送一個32 bit的jam序列；

(7)以太網(wǎng)包的形成，通過把報頭、目的地址、源地址、長度／類型、MAC客戶數(shù)據(jù)放人到發(fā)送緩沖區(qū)，軟件必須計算幀校驗；

(8)MAC層函數(shù)。

發(fā)送連接通過把Ser／Des的發(fā)送管腳改為通用I／0腳，產(chǎn)生一個連接脈沖。它使用實時時鐘定時器產(chǎn)生一16ms的時基。發(fā)送后，連接脈沖定時器復(fù)位為0。

接收連接刷新一個定時器，上界檢查是在24ms，不執(zhí)行下界檢查。連接脈沖寬度由硬件檢測。

在發(fā)送幀，包含了駐留在IP2022 PRAM中硬編碼的數(shù)據(jù)。幀包括目的／源地址、幀長、數(shù)據(jù)和32 bit的CRC。如果通道不忙，則開始傳送幀。若檢測到?jīng)_突，發(fā)送ISR執(zhí)行以下操作：

(1)停止傳送；

(2)發(fā)送32bit的jam序列；

(3)等待載波空閑；

(4)產(chǎn)生隨機延遲；

(5)返回，重傳條件集。

在接收幀，每個接收ISR檢查接收到的包尾EOP（End Of Packet）。一幀接收到時，接收函數(shù)執(zhí)行以下操作：

(1)幀校驗序列；

(2)地址檢查，單址通信和多址通信；

(3)檢查保留地址；

(4)幀長度(太長或太短)檢查。

沖突檢測是通過監(jiān)聽載波偵聽指示位來進行的。最大的延遲為16bit的時間。

在MAC層應(yīng)用程序接口，MAC客戶(上層)通過初始化數(shù)據(jù)指針和緩沖區(qū)長度發(fā)送一個包。然后調(diào)用“Transmit_Packet”函數(shù)，返回值是發(fā)送的結(jié)果。主程序通過輪詢調(diào)用一個“Receive_ Packet”函數(shù)接收一個包。非零返回值指示接收到一個有效的包。

在網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)(Netbuffer)，較高層定義一個叫netbuffer的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這是訪問TCP／UDP數(shù)據(jù)報不同元素的最好方法。與原始IP包一起，有一些分配給數(shù)據(jù)包元素(例如：源IP地址、目的IP地址、選項等)的指針。這些指針是靜態(tài)的。與指針相關(guān)的還有長度域，這樣很容易改變netbuffer的選項數(shù)目。為了構(gòu)成一個MAC幀，發(fā)送程序必須根據(jù)指針和長度域從netbuffer中把數(shù)據(jù)級聯(lián)起來。

4 ipOS應(yīng)用程序的編寫

ipOS操作系統(tǒng)可工作在單任務(wù)模式或多任務(wù)模式下。在大多數(shù)情況下單任務(wù)模式的程序足以滿足實時應(yīng)用需求。利用Ubicom的Unity IDE開發(fā)環(huán)境生成的一個工程，最基本的有3個文件：entry.s、isr.s和main.c。

4.1引導(dǎo)程序代碼

所有引導(dǎo)程序代碼都放在entry.s文件中。這段代碼在復(fù)位向量處加載了一個占位程序。當(dāng)IP2022上電時，IP2022跳到復(fù)位向量處執(zhí)行引導(dǎo)程序代碼。該代碼完成以下功能：

(1)更新FCFG寄存器，這樣代碼執(zhí)行速度對時鐘頻率而言是優(yōu)化的；

(2)設(shè)置堆棧指針指向數(shù)據(jù)存儲器的末端；

(3)通用寄存器初始化為0；

(4)把.data段從FLASH中加載到數(shù)據(jù)存儲器的開始處；

(5)將.data段之后的數(shù)據(jù)存儲器區(qū)域設(shè)置為0來容納.bss段；

(6)把．pram段從FLASH加載到程序SRAM的開始處；

(7)將程序SRAM區(qū)域設(shè)置為0來容納.pram_data段；

(8)引導(dǎo)程序完成，跳到main()主函數(shù)。

注意：用戶的任何初始化代碼應(yīng)該加入到main()函數(shù)中，不應(yīng)該加到entry.s文件中。

4.2中斷服務(wù)函數(shù)

isr.s是中斷服務(wù)函數(shù)(1SR)文件。當(dāng)一個異步事件發(fā)生時，就會執(zhí)行對應(yīng)的ISR。在大多數(shù)使用虛擬外設(shè)的應(yīng)用中，都要用到定時器timer0中斷來控制周期性的進程。有兩種ISR模板用于幫助基于timer0虛擬外設(shè)的開發(fā)。第一種是“Simple ISR template using timer0”，另一種是“Complex ISR Template”。

如果僅有一個虛擬外設(shè)或所有的虛擬外設(shè)需要以同樣的頻率執(zhí)行，那么使用第一個模板是很合適的。對于較為復(fù)雜的應(yīng)用，可以使用“Complex ISR template”模板。詳細的例子可參考其SDK幫助文件。

4.3主體結(jié)構(gòu)

main.c文件是應(yīng)用程序的主體結(jié)構(gòu)，主要包括配置塊(CONFIC_BLOCK)和main()函數(shù)。

配置塊是系統(tǒng)配置參數(shù)的信息，它存儲在IP2022的FLASH存儲器中，控制著系統(tǒng)時鐘、PLL分頻系數(shù)和其它的一些系統(tǒng)參數(shù)。

在main()函數(shù)中，主程序的結(jié)構(gòu)非常簡單。首先是調(diào)用debug_init()、heap add()和timer_init()這3個函數(shù)對操作系統(tǒng)進行初始化；然后是創(chuàng)建虛擬外設(shè)實例進行監(jiān)聽，用戶的回調(diào)函數(shù)(Callback Function)作為監(jiān)聽函數(shù)的參數(shù)；接著是設(shè)置中斷服務(wù)函數(shù)并使其開始運行；最后是對虛擬外設(shè)的端口進行輪詢。當(dāng)輪詢函數(shù)檢測到相應(yīng)的狀態(tài)時，就會調(diào)用相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。一般來說，這些叵調(diào)函數(shù)是用戶自己設(shè)計的處理函數(shù)。


下面是一個使用UART虛擬外設(shè)的例子：

其它諸如以太網(wǎng)、USB等通信程序，結(jié)構(gòu)與此基本上相同，只是通信協(xié)議不同，程序的基本思想是一致的。

5 應(yīng)用實例

高德威智能交通系統(tǒng)有限公司開發(fā)的新一代嵌入式牌照識別器(License Plate Recognition)功能框圖如圖2所示。通信接口芯片采用Ubicom的網(wǎng)絡(luò)處理器IP2022，其片上虛擬外設(shè)包括UART、USB和以太網(wǎng)等接口，可以方便地接人Internet，從而實現(xiàn)遠程程序更新和數(shù)據(jù)下載等功能。DSP采用TI的定點處理器TMS320C6204，完全滿足實時處理的要求。視頻處理器為Philips的SAA711lA，F(xiàn)PGA使用Altera的EPlK300QC，F(xiàn)LASH為SST的SST39LV016，SDRAM為ICSI的IS42S16400。



下面簡要介紹一下牌照識別器的工作流程。系統(tǒng)上電，IP2022復(fù)位并進行網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)初始化工作。初始化完成后，IP2022取得對FLASH操作的總線控制權(quán)，開始讀取FLASH中的FPGA程序配置邏輯。FPGA電路配置完成后，IP2022向FPGA中的控制寄存器的相應(yīng)控制位寫一跳變脈沖復(fù)位DSP，并釋放對FLASH的操作控制權(quán)。IP2022開始等待DSP啟動的完成。

DSP的Reset腳連接到FPGA控制寄存器的對應(yīng)控制位。DSP通過FPGA控制邏輯以DMA方式從FLASH中讀取64K字節(jié)的程序。這64K程序中的引導(dǎo)程序負責(zé)把余下的DSP程序調(diào)度到SDRAM中。程序調(diào)度完成后，DSP釋放對FLASH的總線控制權(quán)，并通知IP2022自己啟動完成。DSP進入正常工作狀態(tài)，通過12C總線設(shè)置SAA7111A，然后循環(huán)檢查FPGA控制寄存器的狀態(tài)位以等待汽車的到來。

DSP啟動完成后，IP2022重新取得對FLASH的控制權(quán)，進入輪詢狀態(tài)監(jiān)聽以太網(wǎng)和UART口。此時，遠程主機可以通過以太網(wǎng)口對系統(tǒng)進行調(diào)試，更新DSP或FPGA程序。

當(dāng)汽車到來時，埋在地下的線圈便會觸發(fā)，F(xiàn)PGA的控制寄存器的相應(yīng)狀態(tài)位發(fā)生變化。DSP檢測到該變化時便向攝像機發(fā)送抓圖命令。攝像機輸出的模擬視頻信號通過視頻處理器進行A／D變換后，形成YUV數(shù)字視頻信號，再通過FPGA邏輯傳輸?shù)紻SP的SDRAM中。DSP開始執(zhí)行牌照識別算法，所識別的牌照號可通過串口或網(wǎng)口傳送到主機。而抓拍的圖像經(jīng)過JPEG壓縮后也可通過以太網(wǎng)傳輸?shù)竭h程主機。

通過使用本文介紹的方案，原先需要通過專用通信鏈路進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鞣N電子設(shè)備，現(xiàn)在只要在其中加上一個廉價的網(wǎng)絡(luò)處理器，而無需昂貴的PC機或工作站就可以通過互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸。這就給電子設(shè)備的升級、維護等帶來了極大的方便性和靈活性?？梢灶A(yù)料，嵌入式互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必將在各個領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。

參考文獻

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