網絡處理器IP2022及其在嵌入式牌照識別系統中的應用設計

　　介紹了Ubicom公司的最新網絡處理器IP2022以及專為網絡優化而設計的嵌入式實時操作系統ipOS的特點。描述了如何在中ipOS下編制以太網應用程序。給出IP2022在一個嵌入式牌照識別系統中的應用實例。

　　隨著Internet技術的廣泛應用，許多專家預測Internet技術將會無所不在，且是一個嵌入式技術。這就導致了一個需求，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。嵌入式互聯網技術可廣泛應用于家電產品、安全設備、自動售貨機、遠程抄表以及工業控制等領域。

　　在大量的嵌入式應用中，為物理層提供網絡連接是一個關鍵。然而TCP/IP網絡協議棧的供應商并沒有意識到這一點。通常，即使協議棧是以軟件形式執行，接口也是以某種專用的硬件形式提供。Ubicom的網絡處理器IP2022已經能夠執行TCP/IP協議模塊，也能以軟件形式執行物理口，例如UART、I2C等。隨著以太網MAC／PHY物理層接口需求的增長，專為執行以太網協議的軟件模塊(ipModule)已經實現。

　　1 1P2022介紹

　　IP2022是Ubicom公司的最新產品。IP2022芯片為網絡連接應用進行了優化，十分適用于Internet基礎設備和網橋／網關部分。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建了真正的單芯片解決方案。

　　IP2022內含兩個全雙工串化器／解串器(Ser／Des)硬件單元，能直接與各種常用網絡接口相連。這種功能使其能夠實現片內10 Base-T以太網、USB以及其它各種快速串行協議。由于擁有Ser／Des硬件單元，IP2022也便于從一種協議轉換到另一種協議，因而也能作為協議轉換器。

　　IP2022的軟件模塊包括10base-T以太網、USB、UART、I2C、SPI、并行從設備物理接口以及一個完整的TCP／IP堆棧。正在開發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建了一個強大靈活的平臺，使設計人員能夠有信心跟上標準的更新與市場需求的變化，設計出用于未來的產品。

　　IP2022具有100MIPS的處理能力，并為通訊應用進行了優化。它能夠在執行應用程序的同時，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絡協議的軟件實現。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簡介

　　ipOS是Ubicom設計的可配置的嵌入式實時操作系統。它是專為網絡應用而優化的，然而不論在哪兒執行通信網絡協議，都存在一個問題，就是如何最好地支持各種不同通信緩沖區／包(Buffer／Packet)的協議層。ipOS所采用的數據結構、網絡緩沖區(Netbuf)為此類問題提供了一個有力且靈活的解決方案，與此同時達到了最少使用存儲器的目的。

　　ipOS支持單任務與多任務操作模式。要使用單任務模式可在配置工具中關閉多任務選項。在單任務模式下，需要盡可能快地輪詢調用每個物理接口和一些操作系統函數。由于僅有一個任務，在輪詢循環(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程的繼續進行。函數在等待I／0時，不能阻塞進程的執行，這是最重要的。

　　3 10Base-T以太網的軟件執行

　　3.1硬件需求

　　要給10Base-T以太網設置串化器／解串器(Ser／Des)，來自差分線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，以太網的接收／發送信號要匹配Ser／Des指定的管腳。這些管腳通過一個帶有終端的變壓器連接到一個RJ45插座。IP2022與以太網接口連接示意圖如圖1所示。



　　在這個實現中，IP2022在單個芯片上從以太網MAC／PHY層到應用層完成了網絡互連的所有方面。10Base-T以太網的實現利用了IP2022片內Ser／Des單元，從而使外圍器件最少。

　　IP2022工作電壓為2．5V。在這個設計中，以太網接口需要5V電壓而IP2022 I／0卻工作在2．5V上，因此必須選擇一個正確轉換匝數的以太網變壓器。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5V的TTL緩沖器來允許使用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5V的CMOS緩沖器。在這個設計中，選擇了一個1：1的變壓器，因為它們更易購買，且價格合算；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，通過去掉電路中的緩沖器，可進一步簡化電路。


　　3.2軟件功能

　　以太網軟件執行以下操作

　　(1)極性檢測與反轉；

　　(2)載波偵聽；

　　(3)超時檢測；

　　(4)連接完整性測試與連接脈沖產生；

　　(5)一旦沖突，隨機后退；

　　(6)檢測到沖突時，發送一個32 bit的jam序列；

　　(7)以太網包的形成，通過把報頭、目的地址、源地址、長度／類型、MAC客戶數據放人到發送緩沖區，軟件必須計算幀校驗；

　　(8)MAC層函數。

　　發送連接通過把Ser／Des的發送管腳改為通用I／0腳，產生一個連接脈沖。它使用實時時鐘定時器產生一16ms的時基。發送后，連接脈沖定時器復位為0。

　　接收連接刷新一個定時器，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、數據和32 bit的CRC。如果通道不忙，則開始傳送幀。若檢測到沖突，發送ISR執行以下操作：

　　(1)停止傳送；

　　(2)發送32bit的jam序列；

　　(3)等待載波空閑；

　　(4)產生隨機延遲；

　　(5)返回，重傳條件集。

　　在接收幀，每個接收ISR檢查接收到的包尾EOP（End Of Packet）。一幀接收到時，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)幀長度(太長或太短)檢查。

　　沖突檢測是通過監聽載波偵聽指示位來進行的。最大的延遲為16bit的時間。

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

　　在網絡緩沖區(Netbuffer)，較高層定義一個叫netbuffer的數據結構。這是訪問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。這些指針是靜態的。與指針相關的還有長度域，這樣很容易改變netbuffer的選項數目。為了構成一個MAC幀，發送程序必須根據指針和長度域從netbuffer中把數據級聯起來。

　　4 ipOS應用程序的編寫

　　ipOS操作系統可工作在單任務模式或多任務模式下。在大多數情況下單任務模式的程序足以滿足實時應用需求。利用Ubicom的Unity IDE開發環境生成的一個工程，最基本的有3個文件：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占位程序。當IP2022上電時，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鐘頻率而言是優化的；

　　(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始處；

　　(5)將.data段之后的數據存儲器區域設置為0來容納.bss段；

　　(6)把．pram段從FLASH加載到程序SRAM的開始處；

　　(7)將程序SRAM區域設置為0來容納.pram_data段；

　　(8)引導程序完成，跳到main()主函數。

　　注意：用戶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中斷服務函數

　　isr.s是中斷服務函數(1SR)文件。當一個異步事件發生時，就會執行對應的ISR。在大多數使用虛擬外設的應用中，都要用到定時器timer0中斷來控制周期性的進程。有兩種ISR模板用于幫助基于timer0虛擬外設的開發。第一種是“Simple ISR template using timer0”，另一種是“Complex ISR Template”。

　　如果僅有一個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，控制著系統時鐘、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單。首先是調用debug_init()、heap add()和timer_init()這3個函數對操作系統進行初始化；然后是創建虛擬外設實例進行監聽，用戶的回調函數(Callback Function)作為監聽函數的參數；接著是設置中斷服務函數并使其開始運行；最后是對虛擬外設的端口進行輪詢。當輪詢函數檢測到相應的狀態時，就會調用相應的回調函數。一般來說，這些叵調函數是用戶自己設計的處理函數。


　　下面是一個使用UART虛擬外設的例子：

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

　　5 應用實例

　　高德威智能交通系統有限公司開發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的網絡處理器IP2022，其片上虛擬外設包括UART、USB和以太網等接口，可以方便地接人Internet，從而實現遠程程序更新和數據下載等功能。DSP采用TI的定點處理器TMS320C6204，完全滿足實時處理的要求。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。



　　下面簡要介紹一下牌照識別器的工作流程。系統上電，IP2022復位并進行網絡操作系統初始化工作。初始化完成后，IP2022取得對FLASH操作的總線控制權，開始讀取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一跳變脈沖復位DSP，并釋放對FLASH的操作控制權。IP2022開始等待DSP啟動的完成。

　　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的總線控制權，并通知IP2022自己啟動完成。DSP進入正常工作狀態，通過12C總線設置SAA7111A，然后循環檢查FPGA控制寄存器的狀態位以等待汽車的到來。

　　DSP啟動完成后，IP2022重新取得對FLASH的控制權，進入輪詢狀態監聽以太網和UART口。此時，遠程主機可以通過以太網口對系統進行調試，更新DSP或FPGA程序。

　　當汽車到來時，埋在地下的線圈便會觸發，FPGA的控制寄存器的相應狀態位發生變化。DSP檢測到該變化時便向攝像機發送抓圖命令。攝像機輸出的模擬視頻信號通過視頻處理器進行A／D變換后，形成YUV數字視頻信號，再通過FPGA邏輯傳輸到DSP的SDRAM中。DSP開始執行牌照識別算法，所識別的牌照號可通過串口或網口傳送到主機。而抓拍的圖像經過JPEG壓縮后也可通過以太網傳輸到遠程主機。

　　通過使用本文介紹的方案，原先需要通過專用通信鏈路進行數據傳輸的各種電子設備，現在只要在其中加上一個廉價的網絡處理器，而無需昂貴的PC機或工作站就可以通過互聯網進行數據傳輸。這就給電子設備的升級、維護等帶來了極大的方便性和靈活性。可以預料，嵌入式互聯網技術必將在各個領域得到更為廣泛的應用。

　　參考文獻

　　l ipOS-An Embedded Operating System．Ubicom lnc，May 24，2001

　　2 Ubicom Networking Protocols and Application Software．Ubicom lnc，May 10，2001

　　3 ipEthernet lmplementation Of 10Base-T Ethernet in Software．Ubicom lnc，May 18，2001

　　4 1P2022 Internet Processor Data Sheet．Ubicom lnc，December 14，2001