網(wǎng)絡(luò )處理器IP2022及其在嵌入式牌照識別系統中的應用設計

　　介紹了Ubicom公司的最新網(wǎng)絡(luò )處理器IP2022以及專(zhuān)為網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化而設計的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統ipOS的特點(diǎn)。描述了如何在中ipOS下編制以太網(wǎng)應用程序。給出IP2022在一個(gè)嵌入式牌照識別系統中的應用實(shí)例。

　　隨著(zhù)Internet技術(shù)的廣泛應用，許多專(zhuān)家預測Internet技術(shù)將會(huì )無(wú)所不在，且是一個(gè)嵌入式技術(shù)。這就導致了一個(gè)需求，即在某些電子、電器設備中，以低成本去執行物理層（PHY）與TCP/IP函數集。嵌入式互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可廣泛應用于家電產(chǎn)品、安全設備、自動(dòng)售貨機、遠程抄表以及工業(yè)控制等領(lǐng)域。

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

　　1 1P2022介紹

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

　　IP2022內含兩個(gè)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。這種功能使其能夠實(shí)現片內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)議轉換到另一種協(xié)議，因而也能作為協(xié)議轉換器。

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

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

　　2 IP2022操作系統中OS簡(jiǎn)介

　　ipOS是Ubicom設計的可配置的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。它是專(zhuān)為網(wǎng)絡(luò )應用而優(yōu)化的，然而不論在哪兒執行通信網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，都存在一個(gè)問(wèn)題，就是如何最好地支持各種不同通信緩沖區／包(Buffer／Packet)的協(xié)議層。ipOS所采用的數據結構、網(wǎng)絡(luò )緩沖區(Netbuf)為此類(lèi)問(wèn)題提供了一個(gè)有力且靈活的解決方案，與此同時(shí)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(xún)調用每個(gè)物理接口和一些操作系統函數。由于僅有一個(gè)任務(wù)，在輪詢(xún)循環(huán)(Polling loop)中，任何被直接或間接調用的函數必須盡可能快地返回，因為這些函數阻礙了其它系統進(jìn)程的繼續進(jìn)行。函數在等待I／0時(shí)，不能阻塞進(jìn)程的執行，這是最重要的。

　　3 10Base-T以太網(wǎng)的軟件執行

　　3.1硬件需求

　　要給10Base-T以太網(wǎng)設置串化器／解串器(Ser／Des)，來(lái)自差分線(xiàn)接收器或片上比較器的輸人數據端應連接到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(guò)一個(gè)帶有終端的變壓器連接到一個(gè)RJ45插座。IP2022與以太網(wǎng)接口連接示意圖如圖1所示。



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

　　IP2022工作電壓為2．5V。在這個(gè)設計中，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(gè)正確轉換匝數的以太網(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(gè)5V的TTL緩沖器來(lái)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(gè)5V的CMOS緩沖器。在這個(gè)設計中，選擇了一個(gè)1：1的變壓器，因為它們更易購買(mǎi)，且價(jià)格合算；還有，大多數帶有內置變壓器的RJ45連接器僅在較為流行的1：1轉換配置中有用，通過(guò)去掉電路中的緩沖器，可進(jìn)一步簡(jiǎn)化電路。


　　3.2軟件功能

　　以太網(wǎng)軟件執行以下操作

　　(1)極性檢測與反轉；

　　(2)載波偵聽(tīng)；

　　(3)超時(shí)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(shí)，發(fā)送一個(gè)32 bit的jam序列；

　　(7)以太網(wǎng)包的形成，通過(guò)把報頭、目的地址、源地址、長(cháng)度／類(lèi)型、MAC客戶(hù)數據放人到發(fā)送緩沖區，軟件必須計算幀校驗；

　　(8)MAC層函數。

　　發(fā)送連接通過(guò)把Ser／Des的發(fā)送管腳改為通用I／0腳，產(chǎn)生一個(gè)連接脈沖。它使用實(shí)時(shí)時(shí)鐘定時(shí)器產(chǎn)生一16ms的時(shí)基。發(fā)送后，連接脈沖定時(shí)器復位為0。

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

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

　　(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(gè)接收ISR檢查接收到的包尾EOP（End Of Packet）。一幀接收到時(shí)，接收函數執行以下操作：

　　(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(cháng)度(太長(cháng)或太短)檢查。

　　沖突檢測是通過(guò)監聽(tīng)載波偵聽(tīng)指示位來(lái)進(jìn)行的。最大的延遲為16bit的時(shí)間。

　　在MAC層應用程序接口，MAC客戶(hù)(上層)通過(guò)初始化數據指針和緩沖區長(cháng)度發(fā)送一個(gè)包。然后調用“Transmit_Packet”函數，返回值是發(fā)送的結果。主程序通過(guò)輪詢(xún)調用一個(gè)“Receive_ Packet”函數接收一個(gè)包。非零返回值指示接收到一個(gè)有效的包。

　　在網(wǎng)絡(luò )緩沖區(Netbuffer)，較高層定義一個(gè)叫netbuffer的數據結構。這是訪(fǎng)問(wèn)TCP／UDP數據報不同元素的最好方法。與原始IP包一起，有一些分配給數據包元素(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(cháng)度域，這樣很容易改變netbuffer的選項數目。為了構成一個(gè)MAC幀，發(fā)送程序必須根據指針和長(cháng)度域從netbuffer中把數據級聯(lián)起來(lái)。

　　4 ipOS應用程序的編寫(xiě)

　　ipOS操作系統可工作在單任務(wù)模式或多任務(wù)模式下。在大多數情況下單任務(wù)模式的程序足以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)應用需求。利用Ubicom的Unity IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境生成的一個(gè)工程，最基本的有3個(gè)文件：entry.s、isr.s和main.c。

　　4.1引導程序代碼

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

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

　　(2)設置堆棧指針指向數據存儲器的末端；

　　(3)通用寄存器初始化為0；

　　(4)把.data段從FLASH中加載到數據存儲器的開(kāi)始處；

　　(5)將.data段之后的數據存儲器區域設置為0來(lái)容納.bss段；

　　(6)把．pram段從FLASH加載到程序SRAM的開(kāi)始處；

　　(7)將程序SRAM區域設置為0來(lái)容納.pram_data段；

　　(8)引導程序完成，跳到main()主函數。

　　注意：用戶(hù)的任何初始化代碼應該加入到main()函數中，不應該加到entry.s文件中。

　　4.2中斷服務(wù)函數

　　isr.s是中斷服務(wù)函數(1SR)文件。當一個(gè)異步事件發(fā)生時(shí)，就會(huì )執行對應的ISR。在大多數使用虛擬外設的應用中，都要用到定時(shí)器timer0中斷來(lái)控制周期性的進(jìn)程。有兩種ISR模板用于幫助基于timer0虛擬外設的開(kāi)發(fā)。第一種是“Simple ISR template using timer0”，另一種是“Complex ISR Template”。

　　如果僅有一個(gè)虛擬外設或所有的虛擬外設需要以同樣的頻率執行，那么使用第一個(gè)模板是很合適的。對于較為復雜的應用，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主體結構

　　main.c文件是應用程序的主體結構，主要包括配置塊(CONFIC_BLOCK)和main()函數。

　　配置塊是系統配置參數的信息，它存儲在IP2022的FLASH存儲器中，控制著(zhù)系統時(shí)鐘、PLL分頻系數和其它的一些系統參數。

　　在main()函數中，主程序的結構非常簡(jiǎn)單。首先是調用debug_init()、heap add()和timer_init()這3個(gè)函數對操作系統進(jìn)行初始化；然后是創(chuàng )建虛擬外設實(shí)例進(jìn)行監聽(tīng)，用戶(hù)的回調函數(Callback Function)作為監聽(tīng)函數的參數；接著(zhù)是設置中斷服務(wù)函數并使其開(kāi)始運行；最后是對虛擬外設的端口進(jìn)行輪詢(xún)。當輪詢(xún)函數檢測到相應的狀態(tài)時(shí)，就會(huì )調用相應的回調函數。一般來(lái)說(shuō)，這些叵調函數是用戶(hù)自己設計的處理函數。


　　下面是一個(gè)使用UART虛擬外設的例子：

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

　　5 應用實(shí)例

　　高德威智能交通系統有限公司開(kāi)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，其片上虛擬外設包括UART、USB和以太網(wǎng)等接口，可以方便地接人Internet，從而實(shí)現遠程程序更新和數據下載等功能。DSP采用TI的定點(diǎn)處理器TMS320C6204，完全滿(mǎn)足實(shí)時(shí)處理的要求。視頻處理器為Philips的SAA711lA，FPGA使用Altera的EPlK300QC，FLASH為SST的SST39LV016，SDRAM為ICSI的IS42S16400。



　　下面簡(jiǎn)要介紹一下牌照識別器的工作流程。系統上電，IP2022復位并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )操作系統初始化工作。初始化完成后，IP2022取得對FLASH操作的總線(xiàn)控制權，開(kāi)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控制位寫(xiě)一跳變脈沖復位DSP，并釋放對FLASH的操作控制權。IP2022開(kāi)始等待DSP啟動(dòng)的完成。

　　DSP的Reset腳連接到FPGA控制寄存器的對應控制位。DSP通過(guò)FPGA控制邏輯以DMA方式從FLASH中讀取64K字節的程序。這64K程序中的引導程序負責把余下的DSP程序調度到SDRAM中。程序調度完成后，DSP釋放對FLASH的總線(xiàn)控制權，并通知IP2022自己?jiǎn)?dòng)完成。DSP進(jìn)入正常工作狀態(tài)，通過(guò)12C總線(xiàn)設置SAA7111A，然后循環(huán)檢查FPGA控制寄存器的狀態(tài)位以等待汽車(chē)的到來(lái)。

　　DSP啟動(dòng)完成后，IP2022重新取得對FLASH的控制權，進(jìn)入輪詢(xún)狀態(tài)監聽(tīng)以太網(wǎng)和UART口。此時(shí)，遠程主機可以通過(guò)以太網(wǎng)口對系統進(jìn)行調試，更新DSP或FPGA程序。

　　當汽車(chē)到來(lái)時(shí)，埋在地下的線(xiàn)圈便會(huì )觸發(fā)，FPGA的控制寄存器的相應狀態(tài)位發(fā)生變化。DSP檢測到該變化時(shí)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(guò)視頻處理器進(jìn)行A／D變換后，形成YUV數字視頻信號，再通過(guò)FPGA邏輯傳輸到DSP的SDRAM中。DSP開(kāi)始執行牌照識別算法，所識別的牌照號可通過(guò)串口或網(wǎng)口傳送到主機。而抓拍的圖像經(jīng)過(guò)JPEG壓縮后也可通過(guò)以太網(wǎng)傳輸到遠程主機。

　　通過(guò)使用本文介紹的方案，原先需要通過(guò)專(zhuān)用通信鏈路進(jìn)行數據傳輸的各種電子設備，現在只要在其中加上一個(gè)廉價(jià)的網(wǎng)絡(luò )處理器，而無(wú)需昂貴的PC機或工作站就可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數據傳輸。這就給電子設備的升級、維護等帶來(lái)了極大的方便性和靈活性?？梢灶A料，嵌入式互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必將在各個(gè)領(lǐng)域得到更為廣泛的應用。

　　參考文獻

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