基于嵌入式PC的PIII計算機系統設計與實(shí)現

摘要：介紹了嵌入式PC模塊的結構，闡述了一種快速開(kāi)發(fā)嵌入式計算機系統的思路，并詳細描述了一種基于嵌入式PC的PIII計算機系統組織結構和設計實(shí)現過(guò)程。關(guān)鍵詞：嵌入式PC Compact PCI 橋接 目前嵌入式計算機系統應用呈現多樣化、小型化、多層次的趨勢，在工業(yè)現場(chǎng)和軍事用途中扮演著(zhù)越來(lái)越重要的角色。隨著(zhù)各種應用對操作系統和軟件要求的日益提高，使得具有廣泛適應性的PC構架的嵌入式計算機系統倍受青睞。尤其是Compact PCI總線(xiàn)在工業(yè)和軍用領(lǐng)域的廣泛應用，為PC構架的嵌入式計算機系統提供了更多的應用環(huán)境。然而，對于一個(gè)計算機系統來(lái)說(shuō)，主機開(kāi)發(fā)周期一般都較長(cháng)，也較為復雜。CompuLab公司開(kāi)發(fā)的系列嵌入式PC模塊為開(kāi)發(fā)PC構架的嵌入式計算機系統提供了新思路。即以嵌入式PC為核心，通過(guò)各種總線(xiàn)橋接電路開(kāi)發(fā)出適應各種總線(xiàn)要求的嵌入式計算機；同時(shí)也為迅速提高各種嵌入式計算機系統的性能提供一條行之有效的途徑。 本文介紹以CompuLab公司的系列嵌入式PC模塊為核心的嵌入式計算機系統的一個(gè)設計實(shí)例。 1 CompuLab 786CORE 以色列公司CompuLab生產(chǎn)的786CORE是一種小型的、功能很強的高性?xún)r(jià)比單板嵌入式PC模塊，它適用于各種以PC構架為基礎的嵌入式應用中。786CORE配置了運行WINDOWS、Linux、VxWorks和DOS等操作系統所需的各種芯片組，并配置了相應的BIOS。 嵌入式PC模塊786CORE具有體積小、功能強等特點(diǎn)。整個(gè)模塊面積僅99mm%26;#215;69mm，卻集成了PIII賽揚400～700MHz地CPU、32～256MB SDRAM、LPC、5V兼容的PCI及AC97總線(xiàn)控制，同時(shí)還提供VGA/SXGA、兩個(gè)USB接口、兩個(gè)PS/2接口、兩個(gè)10Mbps/100Mbps以太網(wǎng)接口、ATA IDE接口、軟驅接口、一個(gè)RS-232和一個(gè)RS-422串口。為了適應嵌入式應用，786CORE還內置了嵌入式BIOS。 圖1為786CORE的體系結構框圖。 786CORE強大和靈活的功能為嵌入式計算機系統設計得提供了較為廣闊的設計空間。尤其是通過(guò)PCI總線(xiàn)開(kāi)發(fā)出的Compact PCI總線(xiàn)體系結構，更加擴展了該嵌入式系統的功能和應用領(lǐng)域。然而，由于Compact PCI總線(xiàn)的電氣性能和協(xié)議的特殊性，基于該總線(xiàn)的設備開(kāi)發(fā)難度可想而知。通常采用多種PCI橋接邏輯，將Compact PCI總線(xiàn)上的操作轉換成其成較為簡(jiǎn)單的總線(xiàn)操作。圖1 786CORE的結構框圖2 基于786CORE的嵌入式計算機系統設計與實(shí)現 嵌入式PC模塊的出現和發(fā)展，以及基于PCI總線(xiàn)的各種橋接電路的廣泛應用，使得嵌入式計算機系統的開(kāi)發(fā)周期大大縮短，并直接提高了系統的實(shí)用性和軟件應用的靈活性。 2.1 系統組織與結構 圖2描述一個(gè)以PIII CPU為核心的高性能嵌入式計算機系統。它包括16路差分輸入A/D、4路RS-232/422串口和雙8139以太網(wǎng)控制器，以及與機箱相應的抗惡劣環(huán)境電源。該系統的所有模塊均為標準的3U尺寸，機箱為加固的4槽3U機箱。 由于嵌入式PC模塊提供的PCI總線(xiàn)不能提供足夠的負責能力，因此主機模塊必須為其增加一個(gè)PCI-PCI的橋接芯片——Intel S21152BB。該芯片提供的PCI總線(xiàn)可支持四個(gè)PCI設備。而總線(xiàn)上的設備對于Compact PCI總線(xiàn)來(lái)說(shuō)必須且只能是唯一的負載。如果要增加負載，則必須有一個(gè)橋接芯片擴展總線(xiàn)的負載能力。如圖2中的雙網(wǎng)模塊。由于該模塊中的兩個(gè)以太網(wǎng)控制器RTL8193D均為PCI總線(xiàn)的負載，首先通過(guò)PCI-PCI橋接芯片——Intel S21152BB將總線(xiàn)擴展，再完成兩個(gè)以太網(wǎng)卡的功能。 另外，作為Compact PCI總線(xiàn)系統，所有模塊包括系統底板（Backplane）均按照Compact PCI規范PCIMG2.0 R2.1設計，包括終端匹配電阻的設計（如圖2）、底板時(shí)鐘和中斷設計以及其他電氣性能的設計。 2.2 擴展模塊的設計與實(shí)現 本系統中，除主機模塊外還有三個(gè)擴展模塊，它們分別完成系統對模擬信號的采樣及處理（AD模塊）、系統與其他設備的通信（4串口模塊）以及系統與Internet的連接（雙網(wǎng)模塊）。 本系統中除了上文指出的雙網(wǎng)模塊需要PCI-PCI的橋接芯片外，AD模塊和串口模塊與CPCI總線(xiàn)連接同樣需要橋接芯片AMCC S5920的支持（如圖2所示）。AMCC S5920是單一芯片的多功能設備，它為設計者提供了一條靈活而簡(jiǎn)便的通往PCI總線(xiàn)的道路。通過(guò)使用S5920，模塊設計者無(wú)須考慮PCI總線(xiàn)的各種電氣性能和時(shí)序的特殊要求，只需根據S5920轉換后的類(lèi)似ISA的TTL電平的ADD-ON總線(xiàn)進(jìn)行設計即可。作為PCI上的目標設備，S5920可提供132Mbps的數據傳輸率，兼容33MHz的PCI總線(xiàn)和高達40MHz的ADD-ON總線(xiàn)，由它轉換出的ADD-ON總線(xiàn)可支持8、16和32位的數據寬度。 （1）AD模塊 支持16路模擬差分輸入，信號的采樣及AD轉換由AD976完成，采樣結果由單片機89C52平滑處理后通過(guò)光電隔離器件發(fā)送到CPLD，再由CPLD存放于靜態(tài)RAM中供上位機讀取。 該模塊占用32字節8位寬I/O空間，用于存儲16路16位精度的AD采樣結果。 （2）串口模塊 通過(guò)CD1865支持4路RS-232/422串口，占用512字節8位寬I/O空間、1路中斷。圖2 基于786CORE的嵌入式計算機系統2.3 軟件設計 本系統采用VxWorks嵌入式操作系統。它是目前所有獨立于處理器的實(shí)時(shí)系統中最具特色的操作系統之一。VxWorks的微內核Wind是一個(gè)具有較高性能的、標準的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統內核。其主要特點(diǎn)包括：快速多任務(wù)切換、搶占式任務(wù)調度、任務(wù)間通信手段多樣化等。該內核具有任務(wù)切換時(shí)間短、中斷延遲小、網(wǎng)絡(luò )流量大等特點(diǎn)，與其他嵌入式實(shí)時(shí)操作系統相比具有一定的優(yōu)勢。 所有模塊的驅動(dòng)程序均在VxWorks下開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)環(huán)境為T(mén)ornado II。它是嵌入式實(shí)時(shí)領(lǐng)域里最新一代的開(kāi)發(fā)調試環(huán)境，是實(shí)現嵌入式實(shí)時(shí)應用程序的完整的軟件開(kāi)發(fā)平臺。本系統各個(gè)模塊的驅動(dòng)程序均用C語(yǔ)言編寫(xiě)，并在Tornado II下編譯成“.O”文件用以提供給用戶(hù)作為二次開(kāi)發(fā)的中間件。 操作系統及應用程序均存放于主機模塊的192MB電子盤(pán)上，使得軟件的運行速度大大提高，也使系統可以工作在溫度和穩定性條件都非常惡劣的環(huán)境里。 2.4 該系統的特點(diǎn)及技術(shù)指標 （1）高性能PIII700MHz CPU核心，128MBSDRAM，192MB電子盤(pán)； （2）支持多種操作系統：DOS、VxWorks、Windows X、Linux等； （3）串口模塊：4路全雙工異步串口，傳輸速率可達115.2kbps，通過(guò)軟件設置可選擇不同的串口通信方式，RS-232（V.28）或RS-422（V.11，X.21）； （4）AD模塊：16路模擬差分輸入，支持AD數據智能調理，AD轉換時(shí)間最短可達5μs/Sample，有效輸入信號范圍：-15V～+15V，模擬采樣部分與CPCI總線(xiàn)數字部分光電隔離； （5）雙網(wǎng)卡：10Mbps/100Mbps自適應以太網(wǎng)，支持自動(dòng)故障診斷、切換和恢復； （6）先天加固抗震設計； （7）熱傳導散熱設計； （8）電磁兼容性設計； （9）3U標準尺寸。 本文描述的嵌入式計算機系統具有廣泛的適用性，由于采用了先天的加固、抗震和熱傳導設計，在環(huán)境特別惡劣的工業(yè)現場(chǎng)和軍事領(lǐng)域適應性極強。此外，該系統的設計過(guò)程是一條行之有效的快速開(kāi)發(fā)嵌入式計算機系統的道路，并較易形成產(chǎn)品的系列化，提高產(chǎn)品的高層競爭力。 linux操作系統文章專(zhuān)題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）