S3C2410X在無(wú)線(xiàn)寬帶通信網(wǎng)中的應用

1 無(wú)線(xiàn)寬帶通信簡(jiǎn)介
自1997年IEEE802工作組制定了802.11無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)標準,基于WLAN技術(shù)的無(wú)線(xiàn)寬帶通信得到了迅速發(fā)展。在短短的六年發(fā)展歷程中,WLAN技術(shù)不斷地發(fā)展和成熟,先后推出了802.11b/a/g協(xié)議?；?02.11b協(xié)議的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng),工作在2.4GHz頻段,采用CCK調制技術(shù),最高數據傳輸速率能夠達到11Mbps?；?02.11a協(xié)議的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng),工作在5GHz頻段,采用OFDM調制技術(shù),使數據的傳輸速率可高達54Mbps。802.11g協(xié)議結合802.11a和802.11b的優(yōu)點(diǎn),工作在2.4GHz頻段,采用OFDM調制技術(shù),具有與802.11a標準相同的速率。為了解決通信設備在三個(gè)不同標準的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )間的兼容問(wèn)題,現已有幾家公司提供了IEEE802.11a/b/g的雙頻多模的解決方案。802.11e和802.11i標準即將出爐。這兩個(gè)標準將分別解決目前WLAN突出的兩個(gè)問(wèn)題:QoS和網(wǎng)絡(luò )安全。Intel公司將迅馳技術(shù)成功地應用到筆記本上,人們可以通過(guò)WLAN技術(shù)輕松地進(jìn)行無(wú)線(xiàn)寬帶上網(wǎng)。然而人們對WLAN技術(shù)的應用不僅僅局限于通用的PC機或筆記本的無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng),嵌入式系統整合WLAN技術(shù)實(shí)現無(wú)線(xiàn)寬帶通信成為今后應用的熱點(diǎn)。例如由無(wú)線(xiàn)數字機頂盒、計算機、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)等構成的家庭無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ),嵌入式手持移動(dòng)終端和工業(yè)控制現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)設備等。近年來(lái),嵌入式微處理器性能的大力提高,基于嵌入式系統的無(wú)線(xiàn)寬帶通信模塊不僅能實(shí)現數據傳輸,而且還能夠滿(mǎn)足人們對于多媒體通信的需求。在這里,利用一款基于A(yíng)RM920T內核的微處理器S3C2410X構建一個(gè)嵌入式系統完成無(wú)線(xiàn)寬帶通信的功能。
2 S3C2410X嵌入式處理器
S3C2410是韓國三星電子公司最近推出的一款基于A(yíng)RM920T內核的16/32位RISC嵌入式微處理器。該處理器主要面向手持式設備以及高性?xún)r(jià)比、低功耗的應用。圖1為ARM920T的結構框圖,圖2為S3C2410X在內核外所集成資源的功能框圖^[1]。

ARM920T核由ARM9TDMI、存儲管理單元MMU和高速緩存三部分組成。其中,MMU可以管理虛擬內存,高速緩存由獨立的16KB地址和16KB數據高速Cache組成。ARM920T有兩個(gè)內部協(xié)處理器:CP14和CP15。CP14用于調試控制,CP15用于存儲系統控制以及測試控制。S3C2410X集成了一個(gè)LCD控制器(支持STN和TFT帶有觸摸屏的液晶顯示屏)、SDRAM控制器、3個(gè)通道的UART、4個(gè)通道的DMA、4個(gè)具有PWM功能的計時(shí)器和一個(gè)內部時(shí)鐘、8通道的10位ADC。S3C2410還有很多豐富的外部接口,例如觸摸屏接口、I²C總線(xiàn)接口、I²S總線(xiàn)接口、兩個(gè)USB主機接口、一個(gè)USB設備接口、兩個(gè)SPI接口、SD接口和MMC卡接口。在時(shí)鐘方面S3C2410X也有突出的特點(diǎn),該芯片集成了一個(gè)具有日歷功能的RTC和具有PLL(MPLL和UPLL)的芯片時(shí)鐘發(fā)生器。MPLL產(chǎn)生主時(shí)鐘,能夠使處理器工作頻率最高達到203MHz。這個(gè)工作頻率能夠使處理器輕松運行WinCE、Linux等操作系統以及進(jìn)行較為復雜的信息處理。UPLL產(chǎn)生實(shí)現主從USB功能的時(shí)鐘。
S3C2410X將系統的存儲空間分成8個(gè)bank,每個(gè)bank的大小是128M字節,共1G字節。bank0到bank5的開(kāi)始地址是固定的,用于ROM或SRAM。bank6和bank7用于ROM、SRAM或SDRAM,這兩個(gè)bank可編程,且大小相同。bank7的開(kāi)始地址是bank6的結束地址,靈活可變。所有內存塊的訪(fǎng)問(wèn)周期都可編程,外部Wait擴展了訪(fǎng)問(wèn)周期。S3C2410X采用nGCS[7:0]8個(gè)通用片選線(xiàn)選擇8個(gè)bank區。
S3C2410X支持NAND閃存Boot Load, NAND閃存具有容量大、比NOR閃存更具競爭力的價(jià)格等特點(diǎn),系統采用NAND閃存與SDRAM組合,可以獲得非常高的性?xún)r(jià)比。S3C2410X具有三種boot方式,由OM[1:0]管腳選擇:00時(shí)處理器從NAND閃存boot;01時(shí)從16位寬的ROM boot;10時(shí)從32位寬ROM boot。用戶(hù)將bootload代碼和操作系統鏡像放在外部的NAND閃存,采用NAND閃存boot。處理器上電復位時(shí),通過(guò)內置的NAND閃存訪(fǎng)問(wèn)控制接口將bootload代碼自動(dòng)加載到內部的4KB SRAM(此時(shí)該SRAM定位于起始地址空間0x00000000)并且運行,在boot SRAM運行的bootload程序將操作系統的鏡像加載到SDRAM,之后操作系統就能夠在SDRAM運行。啟動(dòng)完畢后,4KB boot SRAM就可以用于其他用途。如果從其他方式boot,boot ROM就要被定位于內存的起始地址空間0x00000000,處理器直接在ROM上運行boot程序,此時(shí)4KB boot SRAM被定位于內存地址0x40000000處。
S3C2410X對于片內的各個(gè)部件采用了獨立的電源供給:內核采用1.8V供電;存儲單元采用3.3V獨立供電,對于一般SDRAM可以采用3.3V,對于移動(dòng)SDRAM可以采用VDD等于1.8/2.5V,VDDQ等于3.0/3.3V;I/O采用獨立3.3V供電^[1]。
3 系統硬件平臺
利用S3C2410X出色的內核性能和豐富的外部接口構造一個(gè)嵌入式系統平臺,用于嵌入式無(wú)線(xiàn)寬帶通信。圖3是該系統的硬件框圖。

在這個(gè)嵌入式硬件平臺中,主CPU是SAMSUNG公司的S3C2410X。作為boot的NAND閃存是SAMSUNG公司的SmartMedia卡。根據應用中對于容量的需求可以選用K9S1208VOM,容量為64MB,或者K9D1G08,容量為128MB。
SmartMedia卡為大容量的固態(tài)存儲提供了相當高的性?xún)r(jià)比。它按照頁(yè)進(jìn)行自動(dòng)編程,每一頁(yè)大小為528個(gè)字節,編程的典型時(shí)間為200μs;擦除則按照塊進(jìn)行,每一塊的大小為16K字節,典型的擦除時(shí)間為2ms。它在頁(yè)面中讀取單個(gè)數據的時(shí)間為50ns。SmartMedia卡總共只有22個(gè)引腳,8根I/O口線(xiàn)、讀寫(xiě)控制線(xiàn)和電源線(xiàn)。I/O口是地址、命令輸入和數據輸出輸入的復用端口。SmartMedia卡還提供了ECC錯誤糾正碼,實(shí)現壞區檢測以及實(shí)時(shí)映射,這樣它具有高達10萬(wàn)次的編程/擦除周期,數據保存長(cháng)達10年。S3C2410X專(zhuān)門(mén)有NAND閃存的接口,所以在硬件上SmartMedia卡直接與這個(gè)接口相連。在這個(gè)平臺中,SmartMedia卡可以被用作裝載操作系統鏡像以及大容量的數據存儲。
SDRAM被用來(lái)運行操作系統以及各類(lèi)數據的緩存,可采用三星、現代等廠(chǎng)家的產(chǎn)品。這里采用SAMSUNG公司的K4S561632C,它是4M×16bit×4bank的同步DRAM,容量為32MB。用2片K4S561632C,實(shí)現位擴展,使數據總線(xiàn)寬度為32bit,總容量為64MB。它的地址空間映射在S3C2410的bank6。
NOR FLASH采用AMD公司的AM29LV800B,容量為1MB。其工作電壓可在2.7V到3.6V之間,訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間為70ns,可以作為boot ROM Flash。與其它的Flash不同的是它具有靈活的頁(yè)面結構,一個(gè)16K字節頁(yè),2個(gè)8K字節頁(yè),一個(gè)32K字節頁(yè)和15個(gè)64K字節頁(yè)。至于它的讀寫(xiě)和擦除操作與一般的線(xiàn)性閃存沒(méi)有區別。在這里AMD閃存主要用于前期的調試和操作系統的下載。
因為S3C2410X本身沒(méi)有PCMCIA接口,所以為了連接PCMCIA接口的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡,必須采用一個(gè)專(zhuān)用的芯片作為轉接。在這里,采用Intel公司生產(chǎn)的ISA-TO-PC-Card控制器――PD6710。PD6710能夠控制一個(gè)PC-Card插槽,兼容PC卡標準、PCMCIA2.1和JEIDA4.1。PD6710采用有效功率和混合電壓技術(shù)減少系統的功耗,同時(shí)該芯片具有軟控制掛起模式和硬件超級掛起模式實(shí)現低功耗的控制。該芯片采用82365SL兼容的寄存器組,具有5個(gè)可編程的存儲區和兩個(gè)可編程的I/O區。PD6710與S3C2410X連接端采用8位或16位的類(lèi)ISA系統總線(xiàn)(這里采用16位的系統總線(xiàn)),與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡連接端采用8位或16位PC卡總線(xiàn)接口。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡是802.11b標準,這個(gè)標準應用最廣泛,而且各大公司的產(chǎn)品都提供了現成的驅動(dòng)程序。隨著(zhù)USB接口的廣泛應用,市場(chǎng)上已有USB接口的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡,S3C2410X集成了USB主機接口,可與USB接口的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡直接相連。如果想使用CF卡接口的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡,只需找一個(gè)CF-PCMCIA適配器就能完成轉接。
在這個(gè)平臺里,采用CS8900網(wǎng)卡芯片實(shí)現與以太網(wǎng)的連接,FPGA采用Xilinx公司的SpartanXL系列產(chǎn)品,根據功能要求可以選用XCS40XL型號,使可用門(mén)數目高達40K。利用SpartanXL系列器件里的RAM可以實(shí)現高速的FIFO或者利用其靈活的可編程性,可以作為這個(gè)平臺與外部其他功能模塊的通用接口。例如需要進(jìn)行多媒體數據的處理時(shí),可以外加一個(gè)DSP來(lái)完成,這樣S3C2410X就可以通過(guò)FPGA實(shí)現高速FIFO與DSP的數據交換。
至于人機接口方面的設計,筆者使用SAMSUNG公司的3.5英寸TFT LCD,并帶有觸摸屏。輸入則采用PDA常用的軟鍵盤(pán)。
4 軟件平臺及系統開(kāi)發(fā)
S3C2410X集成了內存管理單元,因此能夠嵌入多種主流操作系統,包括Windows CE、Linux、VxWorks等。在這個(gè)系統中,選用Windows CE嵌入式操作系統。對于已經(jīng)熟悉Windows環(huán)境的應用程序開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō),Windows CE提供了友好熟悉的開(kāi)發(fā)環(huán)境,如Microsoft Win32 API、ActiveX控件、消息隊列、COM接口、ATL和MFC,而且有很多Windows成功的程序可以移植到Windows CE中去,大大提高了開(kāi)發(fā)的效率。Windows CE嵌入式操作系統能夠給用戶(hù)提供熟悉和操作方便的GUI。
WinCE開(kāi)發(fā)平臺由兩部分組成:Platform Builder和軟件開(kāi)發(fā)包SDK(Embedded Visual C++和Embedded Visual Basic)。Platform Builder用來(lái)定制操作系統,SDK則用來(lái)開(kāi)發(fā)應用程序。整個(gè)Windows CE系統由三部分組成:應用程序、WinCE各個(gè)部件和OEM層。OEM層接口又包括OEM適配層、本地驅動(dòng)和流接口驅動(dòng)。定制操作系統的步驟如下:(1)編寫(xiě)板基支持包BSP(包括OEM適配層OAL和硬件驅動(dòng));(2)裁減和配置操作系統的各個(gè)部件,并修改相應的配置文件;(3)編譯Kernal、組件和BSP,生成操作系統鏡像文件;(4)將鏡像文件下載到目標設備上,進(jìn)行調試。定制完操作系統后,在Platform Builder里導出SDK,就可以在Embedded Visual C++或Embedded Visual Basic環(huán)境下針對平臺開(kāi)發(fā)應用程序^[2]。
操作系統定制完后,就要將它下載到目標設備上。常用的方法有以下幾種:通過(guò)JTAG接口下載、EBOOT下載、USB下載、串口下載。后面三種下載方法都要先通過(guò)JTAG接口將相應的監控程序下載到Flash中,然后CPU從Flash啟動(dòng)。因為S3C2410X集成了一個(gè)從USB接口,因此在沒(méi)有以太網(wǎng)的情況下,通過(guò)USB下載特別方便,而且下載速度遠遠大于串口下載。在實(shí)際的系統開(kāi)發(fā)中,利用JTAG調試器將USB監控程序編程到AMD 閃存,然后讓S3C2410X從AMD 閃存boot。主機運行SAMSUNG公司提供的DNW程序,利用串口進(jìn)行信息交互,通過(guò)USB將BootLoader和操作系統鏡像下載到SDRAM中,然后通過(guò)USB下載一個(gè)NAND閃存的寫(xiě)程序到SDRAM并運行,將SDRAM中的BootLoader和操作系統鏡像寫(xiě)到SmartMedia卡中。下載完畢后,改變boot方法,讓S3C2410X從SmartMedia卡開(kāi)始boot,操作系統即能在平臺中運行起來(lái)了。
一旦操作系統裝載完后,就可以通過(guò)Microsoft ActiveSync安裝無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的驅動(dòng)程序和相應的應用程序了。為了避免掉電后重新安裝無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡驅動(dòng)程序,可以將驅動(dòng)程序直接打包在操作系統中。為了避免每次開(kāi)機時(shí)IP地址的重新設置,利用塊設備進(jìn)行永久注冊表存儲。在具體實(shí)現中,WinCE提供RegCopyFile函數保存注冊表信息和RegRestoreFile函數加載注冊表信息。如果在一個(gè)無(wú)線(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò )中,存在一個(gè)DHCP服務(wù)器,那么這個(gè)嵌入式系統可以通過(guò)DHCP動(dòng)態(tài)獲得IP地址,解決了在沒(méi)有人機接口的情況下設置IP地址的問(wèn)題。因為WinCE集成了TCP/IP協(xié)議,所以直接利用操作系統所提供的Socket接口開(kāi)發(fā)各類(lèi)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )應用程序^[3]。
5 應用
基于S3C2410X的無(wú)線(xiàn)寬帶通信模塊可被廣泛地應用到WLAN網(wǎng)絡(luò )中的各類(lèi)移動(dòng)終端,實(shí)現數據和多媒體的傳輸。圖4為該模塊在WLAN中應用示意圖。AP為無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn),MT為基于S3C2410X的現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)通信移動(dòng)終端,它們之間通過(guò)802.11b協(xié)議進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。DS為分布式系統,AP通過(guò)它進(jìn)行通信。一般AP與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )相連,這樣MT不僅可以相互通信,而且還能與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現數據傳輸。

這個(gè)嵌入式模塊集成豐富的接口,不僅可以實(shí)現有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫連接,而且如果附加一個(gè)CCD攝像頭和一個(gè)DSP處理模塊就可以實(shí)現圖像的無(wú)線(xiàn)監控。目前,該模塊已經(jīng)在現場(chǎng)總線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信中得到了應用。