摘要：介紹了一種以Samsung公司的ARM7TDMI CPU S3C4510B為核心、μCUnux 為操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)應用于MPEC-2或MPEG-4等實時多媒體數(shù)據的網絡傳輸所面臨的問題，并提出了相應的解決方案。

嵌入式系統(tǒng)目前已廣泛應用于信息家電、網絡通信和工業(yè)控制等各個領域。典型的嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式硬件和軟件構成，其中硬件部分的核心為嵌入式處理器。與通用處理器相比，其在功耗、體積、成本等方面都受到應用要求的制約。嵌入式系統(tǒng)的軟件部分可以像計算機一樣使用操作系統(tǒng)，目前已有許多成熟嵌入式操作系統(tǒng)，如VxWorks、pSOS、Nucleus、Windows CE 以及嵌入式Linux 等。當然，在一些簡單應用中許多嵌入式系統(tǒng)的軟件并沒有使用操作系統(tǒng)，只有一些循環(huán)控制。這樣，軟件復雜度大大降低，從而減少存儲器的容量要求，但是這樣的軟件在重復使用、網絡支持等方面的能力相對較弱。

ARM系列內核是目前嵌入式處理器中廣泛使用的內核。采用ARM內核的處理器具有體積小、功耗低、成本低和性能高的特點。在全球有眾多生產ARM內核處理器的廠商。

Linux是一種很受歡迎的開放源碼操作系統(tǒng)，原先被設計應用于桌面系統(tǒng)，后被廣泛應用于服務器。由于其開放源碼和內核可裁減等特性，Linux逐漸被修改用于嵌入式領域。目前已有多個嵌入式應用的版本，μClinux 是其中的一個分支，最早被設計應用于微控制領域。其最大特征就是沒有MMU(內存管理單元)，很適合于許多低端的、沒有MMU的嵌入式處理器。

本文設計了一種嵌入式系統(tǒng)用于多媒體實時數(shù)據的網絡傳輸。ARM內核處理器與嵌入式 Linux 是目前嵌入式應用中的一種典型組合，選用了 Samsung 公司的16／32位ARM7TDMI 內核的網絡處理器 S3C4510B 為嵌入式硬件核心，μClinux 為操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)支持完整的TCP／IP協(xié)議以及許多其它的網絡協(xié)議，同時它具有很低的成本。

1 嵌入式系統(tǒng)的構成

1．1 硬件系統(tǒng)

嵌入式硬件系統(tǒng)主要由 CPU、Flash ROM、SDRAM、以太網物理層、FIFO以及CPLD等芯片構成，如圖1所示。

(1) CPU

本系統(tǒng)采用了 ARM7TDMI 內核的 RISC 處理器S3C4510B。該芯片具有如下一些主要特點：

8／16／32位的外部總線支持 ROM、RAM、Flash 存儲器、DRAM 和外部I／O；

·8K 字節(jié)的 Cache；

·一個I2C 接口；

·一個帶 MII 接口的100Mbps／10Mbps 以太網控制器；

·兩個 UART 通道；

·兩個通用 DMA 通道；

·兩個 HDLC 通道；

·18個通用I／0通道；

·兩個32位定時器；

·共有21個中斷源，其中4個用于外部中斷；

·一個內部 PLL 用于提供高頻率的系統(tǒng)時鐘，最高系統(tǒng)時鐘可達50MHz。

由此可見，S3C4510B 很適用于低端的網絡設備，如集線器、交換機、家庭網關等。

(2)Flash ROM 和 SDRAM

Flash ROM 和 SDRAM 構成了系統(tǒng)的存儲空間。其中Flash ROM 作為程序存儲器，用于存放操作系統(tǒng)、應用程序等；SDRAM為系統(tǒng)內存。

(3)以太網物理層和串行接口芯片

CPU 內部的以太網控制器只提供了MAC(媒體接入控制器)，需在外部接一個物理層芯片完成編解碼和時鐘恢復等功能。串行接口芯片主要完成串行線路接口的電平轉換。

(4)CPLD 和 FIFO

為了能使系統(tǒng)支持實時數(shù)據通信，需要在外設和嵌入式系統(tǒng)的外部總線之間加上 FIFO 和CPLD。FIFO 用于數(shù)據緩沖，CPLD 用于產生 FIFO控制邏輯和外部總線控制邏輯。

1．2 操作系統(tǒng)

ARM7TDMI 內核已被眾多的嵌入式操作系統(tǒng)所支持，如 VxWorks、pSOS 及 Nucleus 等。這些商業(yè)化操作系統(tǒng)在網絡和用戶圖形界面等方面都有很好的支持，并且在穩(wěn)定性和實時性方面都有相應的保證，但其價格也相當高。這里選用了開放源碼的嵌入式 Linux，它一般免費或花較少的費用就可得到，同時它在網絡和圖形界面方面也有很好的支持。另外，嵌入式 Linux 的高度模塊化使它可以根據實際應用需要靈活配置，能有效精簡內核代碼。嵌入式 Linux 具有很高的穩(wěn)定性。在實時性方面，盡管 Linux 本身未作過多關注，但可通過打實時 Linux(RTLinux)補丁解決。

針對所采用的 CPU 沒有 MMU，選用了目前在嵌入式系統(tǒng)中被廣泛使用的μClinux。μClinux 是從標準的Linux 2．0 內核發(fā)展而來的，但其源代碼針對典型的嵌入式應用已經作了許多精簡和修改，使得其內核比標準的 Linux 內核要小很多，不過它仍然保留了標準 Linux的主要特色。

目前最新的μClinux 版本已經支持 S3C4510B 及典型開發(fā)板，如果所采用的 CPU 及開發(fā)板沒有被支持，應根據實際情況移植。此外，由于在外部總線接了 CPLD和 FIFO，為了使應用程序能訪問它，需要在μClinux 下開發(fā)相應的驅動程序。

2 實時數(shù)據接口的擴展

2．1 應用要求

將上述嵌入式系統(tǒng)應用于實時多媒體數(shù)據的網絡傳輸，如圖2所示。這里的實時多媒體可以是 MPEG-4或 MPEG-2 等，其數(shù)據流一般是連續(xù)、恒定碼率的。

2．2 硬件擴展

根據上述數(shù)據流的特點，需在嵌入式系統(tǒng)與外設(編、解碼器)之間加入數(shù)據緩沖控制單元。對于發(fā)送端和接收端，數(shù)據緩沖控制單元的設計有所不同，下面以MPEG-2 為例說明。這里考慮系統(tǒng)的處理能力、網絡的承受能力以及圖像質量，MPEG-2 的輸出為 4Mbps 的CBR(固定比特率)TS流。

2．2．1 發(fā)送端

編碼器送出連續(xù)、恒定速率的碼流。如果將此碼流直接送到 CPU 外部總線，將會導致操作系統(tǒng)頻繁地處理中斷，甚至會產生中斷不能及時處理從而導致數(shù)據丟失。因此，有必要在編碼器與外部總線之間加上 FIFO，同時用 CPLD 實現(xiàn) FIFO 的讀寫控制邏輯。編碼器送出的數(shù)據流連續(xù)不斷地以恒定速率寫入FIFO；當FIFO中的數(shù)據積聚到一定值后，每寫入若干個數(shù)據就向CPU發(fā)一個中斷；CPU在收到中斷后通過外部總線讀入相當量的數(shù)據，并將其打包送入網絡。正常情況下，每個中斷讀數(shù)據個數(shù)是一定的，在一段時間內FIFO寫入和讀出將維持平衡，且不會產生“饑餓”狀態(tài)；當操作系統(tǒng)因處理別的任務而沒有及時響應中斷時，F(xiàn)IFO將暫時進入“飽和”狀態(tài)，但只要FIFO容量足夠大就不會產生數(shù)據溢出現(xiàn)象。由于CPU從FIFO讀取單位數(shù)據的速度大大高于外設向FIFO寫單位數(shù)據的速度，“飽和”狀態(tài)一般能消除。由此，可以解決前述問題。

2．2．2 接收端

在接收端，由于解碼器的輸入要求是一個連續(xù)、恒定速率的碼流，同樣要求在CPU外部總線與編碼器之間加上FIFO和CPLD。同時，接收端的數(shù)據包由于經過了網絡，不可避免地會引入延時，且數(shù)據包之間的延時是不確定的，甚至會產生數(shù)據包的丟失。這些都需要在接收端予以考慮，增加了接收端數(shù)據緩沖控制單元的復雜度。

為了解決數(shù)據包到達延時及抖動問題(數(shù)據包的丟失將間接導致延時的增加)，可以簡單地靠增大FIFO容量解決。但增大FIFO將意味著從編碼器到解碼器之間延時的增加，影響了實時性。因此，為了保證一定的實時性，同時考慮成本因素，不能單純靠增大FIFO解決。

由于FIFO容量的限制，在出現(xiàn)大延時的情況下，F(xiàn)IFO將可能出現(xiàn)“空”狀態(tài)。這意味著送給解碼器的數(shù)據流會有中斷，從而可能導致解碼器的不正常工作并可能不能恢復(在數(shù)據流恢復正常后)。為此，需要在FIFO出現(xiàn)“空”狀態(tài)之前，即處于“饑餓”狀態(tài)時(可以設置一個閾值)，由CPLD停止向FIFO讀數(shù)據而向解碼器發(fā)填充包。填充包中含有同步頭，可以維持解碼器的同步。短時間的插空包會使視頻圖像出現(xiàn)馬賽克，如果時間過長，可能會出現(xiàn)黑屏。在實際試驗中，接收端視頻的質量與網絡的負載情況有關。當網絡負載較重時，圖像會出現(xiàn)馬賽克，黑屏現(xiàn)象一般極少發(fā)生。

2．3 驅動程序

為了使μClinux下的應用程序能通過外部總線訪問FIFO，需要編寫相應的驅動程序。驅動程序主要包括三個基本部分，即CPU相關寄存器的初始化設置以及CPU對外部I／O口的讀操作和寫操作。其中，初始化設置主要包括中斷號及其類型設置、外部I／O口數(shù)據位寬度和讀寫時序設置等。