1 引言

隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)得到廣闊的發(fā)展空間，特別是進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，嵌入式技術(shù)的發(fā)展和普及更為引人注目，已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)控制、通信類和消費(fèi)類產(chǎn)品發(fā)展的方向，在通信領(lǐng)域，眾多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如VOIP，WirelessLAN，ADSL等都包含有大量嵌入式技術(shù)的成份，廣播電視在向數(shù)字化的趨勢(shì)發(fā)展，DVB，DAB技術(shù)也逐漸在全面推廣起來，個(gè)人消費(fèi)類產(chǎn)品，如PDA、數(shù)碼ARM以太網(wǎng)應(yīng)用相機(jī)、MP3播放器等產(chǎn)品都離不開嵌入式技術(shù)的支持，嵌入式技術(shù)在ATM、可視電話、汽車的ABS等產(chǎn)品中也都有大量的應(yīng)用，此外，軍事領(lǐng)域之中也處處可見嵌入式技術(shù)的身影，如單兵信息終端，便攜式保密機(jī)，戰(zhàn)場指揮系統(tǒng)等，可以說，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)滲透到人們?nèi)粘rm以太網(wǎng)應(yīng)用生活以至國家安全防御體系之中。

嵌入式技術(shù)發(fā)展的核心是嵌入式微控制芯片技術(shù)的ARM以太網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展，當(dāng)今微控制芯片功能變得越來越強(qiáng)，種類更為繁多，如MIPS，PowerPC，X86，ARM，PIC等，但這些嵌入式處理器受到價(jià)格以及兼容性等因素要求的限制，應(yīng)用狀況有所不同，MIPS和PowerPC處理器市場定位較高，對(duì)于成本敏感的應(yīng)用并不合適，而x86系列處理器要與8068、286、386等保持兼容性，使用相同的指令集，從而限制了CPU系統(tǒng)性能的提高，當(dāng)今嵌入式領(lǐng)域中使用ARM以太網(wǎng)應(yīng)用最為廣泛的是基于ARM體系結(jié)構(gòu)的嵌入式處理器，其占據(jù)了80％以上的32位嵌入式處理器市場份額，從發(fā)展之初至今，ARM公司已經(jīng)推出ARM7，ARM9，ARM9E，ARM10，SecurCore以及Intel的Strong ARM和Xscale等一系列的產(chǎn)品。這些不同版本的處理器內(nèi)核，雖一脈相承，但應(yīng)用背景ARM以太網(wǎng)應(yīng)用不同，例如，ARM7系列處理器針對(duì)功耗和陳本要求比較苛刻的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的；而arm9系列處理器主要應(yīng)用于下一代的無線設(shè)備；SecurCore則是專為安全設(shè)備而定制的。

技術(shù)的發(fā)展要與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，才能體現(xiàn)出技術(shù)ARM以太網(wǎng)應(yīng)用進(jìn)步的價(jià)值，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展正如日中天，基于ARM核嵌入式微處理器的以太網(wǎng)的嵌入式控制實(shí)現(xiàn)也正在國內(nèi)外如火如荼的展開，以太網(wǎng)在實(shí)時(shí)操作、可靠傳輸、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一等方面的卓越性能及其便于安裝、維護(hù)簡單、不受通信距離限制等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被國內(nèi)外很多arm以太網(wǎng)應(yīng)用監(jiān)控、控制領(lǐng)域的研究人員廣泛關(guān)注，并在實(shí)際應(yīng)用中展露出顯著的優(yōu)勢(shì)。

2 ARM處理器體系arm以太網(wǎng)應(yīng)用的結(jié)構(gòu)

迄今為止，ARM體系一共定義了6個(gè)版本，版本號(hào)為1－6，從版本1到版本6，ARM體系的指令集功能不斷增強(qiáng)，同時(shí)，各版本中還有一些變種，這些變種定義了該版本指令集ARM以太網(wǎng)應(yīng)用中不同的功能。如支持Thumb指令集、支持長乘法指令集、增量型DSP指令集、JAVA加速器、媒體功能擴(kuò)展指令等。這些變種的指令都是針對(duì)不同的應(yīng)用而產(chǎn)生的，ARM處理器系列中的各種處理器，由于采用的實(shí)現(xiàn)技術(shù)各不相同，性能差別很大，應(yīng)用的場合也有所不同，這必然引出應(yīng)用程序代碼的可重用性問題，例如：一段在SAMSUNG公司的ARM處理器上運(yùn)行良好的代碼，如果把處理器換成了ATMEL公司的ARM處理器，是否也可以穩(wěn)定可靠地ARM以太網(wǎng)應(yīng)用工作呢？答案就是只要處理器支持相同的arm體系版本，基于他們的應(yīng)用軟件將是兼容的。

ARM處理器目前包括下面幾個(gè)系列的處理器ARM以太網(wǎng)應(yīng)用產(chǎn)品：ARM7系列、ARM9系列，ARM9E系列、ARM10系列，SecurCore系列，Intel的Xscale和StrongARM，ARM9系列處理器是新近推出且性能比較穩(wěn)定的一個(gè)系列，包括ARM920T，ART922T，ARM940T三種類型，適用不同需求的市場，本課題所選用的S3C2410X嵌入式處理器就是以arm920T為核心的。

ARM9系列處理器主要特點(diǎn)如下：支持32位ARM指令集arm以太網(wǎng)應(yīng)用和16位Thumb指令集；5級(jí)流水線；單一的32位AMBA總線接口；MMU支持Windows CE。Palm OS，Symbian OS，Linux等，MPU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，包括Vxworks；統(tǒng)一的數(shù)據(jù)Cache和指令Cache［2］。

在arm存儲(chǔ)系統(tǒng)中，使用內(nèi)存管理單元（MMU）實(shí)現(xiàn)arm以太網(wǎng)應(yīng)用虛擬地址到實(shí)際物理地址的映射。利用MMU，可把SDRAM的地址完全映射到0x0起始的一片連續(xù)地址空間，而把原來占據(jù)這片空間的FLASH或者ROM映射到其他不相沖突的存儲(chǔ)空間位置。例如，F(xiàn)LASH的地址從0x0000 0000～0x00ff ffff，而SDRAM的地址范圍ARM以太網(wǎng)應(yīng)用是0x3000 0000～Ox3lff ffff，則可把SDRAM地址映射為0x0000 0000～Oxlfff ffff而FLASH的地址可以映射到Ox9000 0000～Ox90ffffff（此處地址空間為空閑，未被占用）。映射完成后，如果處理器發(fā)生異常，假設(shè)依然為IRQ中斷，PC指針指向Oxl8處的地址，而這個(gè)時(shí)候PC實(shí)際上是從位于物理地址的Ox3000 0018處讀取指令。通過MMU的映射，則可實(shí)現(xiàn)程序完全運(yùn)行在SDRAM之中。在實(shí)際的應(yīng)用中．可能會(huì)把兩片不連續(xù)的物理地址空間分配給SDRAM。而在操作系統(tǒng)中，習(xí)慣于arm以太網(wǎng)應(yīng)用把SDRAM的空間連續(xù)起來，方便內(nèi)存管理，且應(yīng)用程序申請(qǐng)大塊的內(nèi)存時(shí)，操作系統(tǒng)內(nèi)核也可方便地分配。通過MMU可實(shí)現(xiàn)不連續(xù)的物理地址空間映射為連續(xù)的虛擬地址空間。操作系統(tǒng)內(nèi)核或者一些比較關(guān)鍵的代碼，一般是不希望被用戶應(yīng)用程序訪問。通過MMU可以控制地址空間的訪問權(quán)限，從而保護(hù)這些代碼不被破壞。

MMU的實(shí)現(xiàn)過程，實(shí)際上就是一個(gè)查表映射ARM以太網(wǎng)應(yīng)用的過程。建立頁表（translate table）是實(shí)現(xiàn)MMU功能不可缺少的一步。頁表是位于系統(tǒng)的內(nèi)存中，頁表的每一項(xiàng)對(duì)應(yīng)于一個(gè)虛擬地址到物理地址的映射。每一項(xiàng)的長度即是一個(gè)字的長度（在ARM中，一個(gè)字的長度被定義為4B）。頁表項(xiàng)除完成虛擬地址到物理地址的映射arm以太網(wǎng)應(yīng)用功能之外，還定義了訪問權(quán)限和緩沖特性等。

MMU的映射分為兩種，一級(jí)頁表的變換和二級(jí)頁表變換。兩者的不同之處就是實(shí)現(xiàn)的變換地址空間大小不同。一級(jí)頁表變換支持1 M大小的存儲(chǔ)空間的映射，而二級(jí)可以支持64 kB，4 kB和1 kB大小地址空間的映射。

3 嵌入式處理器的選型

一個(gè)系統(tǒng)必然以硬件平臺(tái)為依托．設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)時(shí)，要從全局arm以太網(wǎng)應(yīng)用以及今后的發(fā)展角度出發(fā)考慮硬件平臺(tái)的整體設(shè)計(jì)，不能以簡單功能實(shí)現(xiàn)作為設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)。在設(shè)計(jì)過程中，主要需要考慮以下幾個(gè)方面：

3.1 芯片選擇

要選擇通用性強(qiáng)、功能完備、穩(wěn)定可靠ARM以太網(wǎng)應(yīng)用的芯片。當(dāng)今的很多處理器芯片，多為基于SoC結(jié)構(gòu)，內(nèi)置很多通用接口控制器，使用簡單且可極大地降低成本；要選擇具有代表性的芯片，市場上的某些芯片只是作為過渡產(chǎn)品銷售，用于原理性、市場性驗(yàn)證，當(dāng)芯片功能趨于穩(wěn)定、市場需求較大時(shí)，通常會(huì)推出一款代表性芯片。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來說，需要了解什么型號(hào)是具有代表性的，以保證可靠的貨源供應(yīng)。不同的應(yīng)用場合，對(duì)芯片的級(jí)別要求arm以太網(wǎng)應(yīng)用不同，盡可能選擇符合更高標(biāo)準(zhǔn)的芯片，以保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性［4］。

3.2 電路設(shè)計(jì)上要有處理突發(fā)事件的能力并易于功能arm以太網(wǎng)應(yīng)用擴(kuò)展

系統(tǒng)在運(yùn)行的情況下，常會(huì)遇到不可預(yù)測(cè)的外部事件，這就要求系統(tǒng)具有處理突發(fā)事件的能力．如利用看門狗、軟復(fù)位措施保證系統(tǒng)遇到非期望事件后可以重新啟動(dòng)運(yùn)行。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)也要考慮到硬件擴(kuò)展以及升級(jí)的能力，如，在設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)時(shí)，要考慮電路結(jié)構(gòu)可兼容不同容量的存儲(chǔ)器甚至于不同廠家的arm以太網(wǎng)應(yīng)用芯片；如使用可編程邏輯器件CPLD或者FPGA時(shí)，宏單元要有盈余等。

3.3 以軟件代硬件

嵌入式系統(tǒng)的軟件升級(jí)要比硬件升級(jí)更容易，且在開發(fā)過程中，軟件調(diào)試一般不會(huì)對(duì)硬件造成物理上的損壞。在滿足實(shí)時(shí)性的前提下，盡可能地用軟件代替硬件。不僅可減小硬件arm以太網(wǎng)應(yīng)用電路的開銷和電路板的尺寸，同時(shí)又方便調(diào)試，減小了硬件損壞的可能，并進(jìn)一步降低成本。

3.4 布局布線

嵌入式處理器工作在幾百兆的頻率下已是很常見arm以太網(wǎng)應(yīng)用的事情了，在高頻電路板設(shè)計(jì)時(shí)，要注意電路的布局和信號(hào)線的走向，高頻信號(hào)要盡量遠(yuǎn)離其他信號(hào)，盡量減小地彈、串?dāng)_等干擾，以及電路中的電磁干擾和熱設(shè)計(jì)等。

目前，世界上各大芯片生產(chǎn)商紛紛推出自己的ARM芯片，其專注的應(yīng)用背景不同，各有自己的特色。ARM7和ARM9是目前ARM處理器中應(yīng)用較多、技術(shù)成熟的兩大系列ARM芯片。相比較而言，ARM9系列處理器無論從處理速度、外設(shè)接口以及應(yīng)用范圍等方面都更勝一籌。Intel的Xscale系列處理器，雖然各方面性能比較突出，但是其較高的定位，并不適合于大多數(shù)應(yīng)用場合。而ATMEL公司生產(chǎn)的AT91RM9200處理器，定位于工業(yè)過程控制，外設(shè)接口不夠arm以太網(wǎng)應(yīng)用齊全。

本文選擇了SAMSUNG公司的SS3C2410X作為系統(tǒng)的嵌入式處理器。這是一款以ARM920T為核心的嵌入式處理器，面向低端應(yīng)用，價(jià)格低廉。該芯片具有較高的處理速度，通過內(nèi)部的鎖相環(huán)，最高可在200

MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘下運(yùn)行。并且，S3C2410X具有極低的功耗。核電壓為1.8 V供電，外圍I/O口使用3.3

V的電壓，具有3種低功耗控制方式，甚至可以把CPU中除了喚醒邏輯之外的所有功能都關(guān)閉，極大地降低了功耗。與其他的ARM芯片相比，S3C2410X在片上集成了更多外設(shè)接口。例如：外部存儲(chǔ)器控制器；LCD，DMA，USB1.1，SD，MMC卡控制器，UART，SPI接口；I2C總線控制器和IIS總線控制器，PWM定時(shí)器，看門狗，117個(gè)外部I/O口，24個(gè)外部中斷源，ADC和觸摸屏接口，實(shí)時(shí)時(shí)鐘以及片上PLL的時(shí)鐘arm以太網(wǎng)應(yīng)用產(chǎn)生等。使用集成的接口，可方便地進(jìn)行功能擴(kuò)展。

S3C2410X另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是具有小巧的外形，嵌入式應(yīng)用希望硬件尺寸越小越好S3C2410X采取了uBGA封裝，整個(gè)芯片大小僅為14 mm×14 mm，相當(dāng)于普通人拇指指甲的大小。雖然在如此小的體積上，集成了如此之多的功能，但其價(jià)格與普通處理器相當(dāng)。從各種方面考慮，S3C2410X具有極高的性價(jià)比以及應(yīng)用價(jià)值，且易于開發(fā)和功能擴(kuò)展，因此很適合作為嵌入式系統(tǒng)的中央處理器。

4 以太網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)

S3C2410X本身并無網(wǎng)絡(luò)控制器，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接入需增加獨(dú)立的以太網(wǎng)控制器。以太網(wǎng)控制器芯片選用CIRRUS公司的CS8900a。他是一個(gè)真正的單芯片，全雙工以太網(wǎng)解決方案。本身集成了由MAC層到PHY層所有的邏輯功能，包括了一個(gè)以太網(wǎng)電路所必需的所有的模擬和數(shù)字電路。芯片可以自動(dòng)檢查連接狀態(tài)，單獨(dú)進(jìn)行載波偵聽、沖突檢測(cè)、錯(cuò)誤重傳以及自動(dòng)填充、CRC校驗(yàn)等功能。對(duì)于處理器來說，對(duì)網(wǎng)絡(luò)芯片的訪問和控制，如同一段內(nèi)存arm以太網(wǎng)應(yīng)用空間或者是分配的幾個(gè)I/O空間一樣。集成了一個(gè)4 kB的片上存儲(chǔ)器，用于臨時(shí)保存發(fā)送和接收到的物理幀以及內(nèi)部寄存器的值，從而減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，簡化了軟件的復(fù)雜度。CS8900A還支持軟件復(fù)位，當(dāng)由于某些預(yù)料之外的事件發(fā)生，致使芯片功能紊亂網(wǎng)絡(luò)通信阻斷，可通過軟件復(fù)位重新啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信功能，保證網(wǎng)絡(luò)通信的健壯性。

以太網(wǎng)與CPU的示意性連接如圖2所示，CS8900A與CPU可以arm以太網(wǎng)應(yīng)用使用DMA，I/O以及Memory方式通信。為了提高與處理器間的訪問速度，圖中把CS8900A設(shè)計(jì)為Memory模式。CS8900A復(fù)位默認(rèn)方式為I/O模式，雖可通過E2PROM將其配置為Memory模式，但處于降低成本考慮，把電路設(shè)計(jì)為I/O，Memory兼容的連接方式，由軟件將其設(shè)置為Memory模式。相對(duì)于S3C2410X的訪問周期來說，CS8900A響應(yīng)時(shí)間大于其訪問周期，屬慢速設(shè)備?？赏ㄟ^nWait信號(hào)延長處理器的訪問周期。使用全局復(fù)位信號(hào)作為芯片的復(fù)位信號(hào)，利用高電平觸發(fā)中斷，通知CPU事件的發(fā)生。

5 結(jié)語

隨著電路中信號(hào)頻率的提高，嵌入式系統(tǒng)中高速電路板設(shè)計(jì)已經(jīng)成為沒計(jì)人員非常關(guān)心的問題了。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，還要考慮當(dāng)信號(hào)速度高，端接元件的布局不正確或者高速信號(hào)的錯(cuò)誤布局等引起的信號(hào)完整性問題，這些問題都可能導(dǎo)致系統(tǒng)輸出不正確的數(shù)據(jù)，電路不能正常工作甚至完全不能工作。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)充分考慮到走線技巧。對(duì)外加電源以及DC—DC變換輸出，利川22μF的電解電容和O.01μF的陶瓷電容濾波；在芯片的每個(gè)電源引腳，就近使用O.1μF的濾波電容；CPU的片選、讀寫、中斷等信號(hào)線串聯(lián)22Ω的電阻，達(dá)到阻抗匹配的目的；對(duì)數(shù)據(jù)線、地址線等，進(jìn)行等長處理；時(shí)鐘線對(duì)其進(jìn)行包地保護(hù)；利用EDA工具的在線檢查功能，避免了人造環(huán)路的產(chǎn)生等。采取這些措施后，整個(gè)系統(tǒng)多次在不同環(huán)境連續(xù)運(yùn)行數(shù)百小時(shí)以上未出現(xiàn)任何故障，足以證明其良好的穩(wěn)定性和可靠性。