智能网络设备开发中的硬件规划

摘要：从了解产品要求和规划约束动身，叙述智能网络设备的通讯部件和协议。经过全盘考虑存储器履行拜访速度、网络、重启各种要素对整个规划的影响，进步产品的规划成功率。 要害词：嵌入式体系 100Base-T MBPS RTOS 导言 嵌入式体系规划带来了与传统体系规划全然不同的挑占。其间包含从处理器和存储器的挑选到产品环境的考虑。在了解产品规划的许多杂乱方面和影响后，呵以直接进步产品规划成功的几率，关于规划者，仅仅了解需求什么部件来完结一个规划是不行的，还要考虑部件之间怎么交互、何种要素会带来影响和规划的产品将在何种环境中运转等问题。 本文试图用适宜的视角来盾待这些问题，为规划工程师们供给辅导和协助，从一切的层面上协助它们为往后的规划项目做更好的预备。 1 了解产品要求和规划约束 在发明一个智能的网络化设备时，第一步是要了解这个嵌入式产品自身内含的规范要求，迥然不同不仅仅是产品的功用要求。根本的元素，如处理器类型，会对吞吐量、可裁剪性和开发周期的长短产生广泛的影响。这一点必定在事先就了然于胸。相同重要的本钱，由于大都嵌入式产品对本钱是灵敏的。因而，资料清单的本钱需求比传统规划低许多。典型的具有以太网才能的嵌入式产品出产的资料清单的花费为$45～$100元。这些约束要求对性价比做很好的剖析。 关于串口、USB、I2C接口的规划决议也会对性价比产生影响。找到带集成接口的处理器并不难，比方带以太网口、串口、USB及其它接口。在适宜的价位找到这样的处理器，并且还能供给产品的可裁剪性，就不那么简略了。 还有2个重要的事项有时会被疏忽，便是电源要求和温度涠。假如产品是电池供电，要考虑体系一切部件的电流耗费;假如产品自身要求满意工业级温度要求，那么这个盒子中的一切部件都要是工业级的。最终一点，由于本文的焦点在硬件，需求记住，产品可裁剪性取决于软件。 除了区分一个产品的功用要求外，关于该产品功用环境的了解也相同重要。这个产品将在何处度过它的整个生命周期，那里的环境是否有特别性?这样的问题，规划者能够运用环境的先天优势，一起为最坏的景象做计划。如考虑露出状况、环境污梁状况、温度极限和更多的将影响功用和潜在的生命周期的状况。 人机交相互同是重要要素。如程序改动的频频度、产品或许维护计划等。必定要重视技能环境。比方，假如一个智能网络设备接到一个局域网上，相关的信息流量会怎么影响周围的设备?假如该产品是一个串口到以太网的网关，只担任从串口得到数据然后将它转换成以太网包，反之亦然，那么不只要考虑最大的数据延时答应网包，还要考虑有多少数据要传送。尽管延时对许多运用不是一个首要考虑要素(如当一个产品仅仅不时地搜集数据，定时地被取走)，但在一些运用中，延时是以太网拓扑中的约束要素。在需求对紧急状况作出当即反响的地址，如工厂地面上的阀门操控、通讯和反响，必定要真实实时地完结。 2 通讯、部件和协议 在根据以太网网络中有2个常用术语是10BaseT和100BaseT。为了高效地规划一个产品，了解这些术语的意义是很必要的。10BadeT和 100BaseT是线速度。线速度和能占用的持续速度是不同的。一般意义上讲，10BaseT线速度是10Mbit/s，100BaseT线速度是 100Mbit/s。作为一个同享的资源，一切局域网上的设备都要能相互通讯。因而，设备没有才能百分之百地具有悉数的带宽。假如真的存在这种状况，其它设备就不能进行任何通讯了。由此可知，在100BaseT的衔接中，设备能够用100BaseT的解码机制进行通讯，而不是坚持100Mbit/s的速度。总吞吐量能够被视作理论吞吐量，而净吞吐量能够视为实践的流量。 许多运用在规划时遵从所谓的“30%规矩”。简略讲，在有其它设备同享网络的环境中，一个设备应被规划为能运用30%的带宽。在一个100BaseT的网络中，这意味着30Mbit/s。很明显，智能化设备网络意味着规划一个嵌入式产品运用到一个已存在的网络中。在这里，规划得有必要面对此规划要素，即有必要估量在这个水平上，将不得不在什么条件下进行作业。 网络的布线费用一般是网络中比较贵的部分。由于这个费用，许多其它介质和协议，尤其是无线，正在被研讨用于承载通讯。802.11和蓝牙是2个无线的协议。 网络设备自身的价格在不断地下落。由于这个原因，许多运用着眼于现存的线路来坚持以太网布线。这在楼宇操控运用体系中是很常见的。由于数公里长的485或 422的线路现已存在，这些线路一般保存。由于要和楼宇操控外设进行通讯。因而，运用体系作为网关，用软件来桥接留传的串口协议和以太网之间的通讯。 现在，在许多修建的物理布线中一般包含规范的、屏蔽或非蔽的双绞线。不论屏蔽的还对错屏蔽的，双绞线在抗电磁搅扰上是很有用的。根本的不同在于(不比较本钱)屏蔽的双绞线能供给更好的噪音维护。除了从设备中现有部件产生的噪音外，比方电力线、变压器和发电机等，线路自身的数据传输也会产生噪音。这一状况使得装置和调试一个新硬件成为一种应战。在最坏状况下的或许影响，包含从传输灯亮时网络的不稳定，到高速传输数据时的数据过错。 一种特别等级的双绞线名叫5类电缆，能够用于许多一般双绞线难于敷衍的状况。5类线支撑100Mbit/s数据传输，而犯错概率很低。光纤线路也在以太网络中得到运用，特别是在电磁搅扰灵敏的环境中，光纤是抗电磁搅扰的，没有辐射，防偷听，彻底合适极高速率的数据传输。 需求着重的是，以太网拓扑与其它网络拓扑比较对错常不相同的。拓扑挑选将影响布线的费用。以太网不是根据多跳的网络，比方10Base-2的雏菊链网。以太网拓扑组成的是星状的装备。星上的每一个设备在物理上要么连在一个集线器上，要么连在一个交流机上。在以太网上，一个设备与另一个设备的通讯起处于发送设备端，然后到它衔接的集成器或交流机。 以太网有2种根据类型：平面式和多层结构式。在一个平面式的以太网，衔接在一个集线路上的一切设备能够看到这个集线器接角到的一切数据包。这还包含相互衔接在一起的集线器上的一切设备。在多层结构式以太网中，由于集线路之间由交流机衔接，只要衔接在一个集一器上的设备能够看到那些包，此外，交流机还能决议哪些设备能够看到包，而哪些不能。 值得注意的是，不论是平面式仍是多层结构式，以太网一个一起的优点是不会受毛病设备所牵连;而在雏菊链网络中，一旦1个网络设备贪婪作业，其它网上设备的通讯就无法进行了。在以太网的多层结构网中，数据抵触被最小化了。但它的最大缺乏便是线路总量和装置总费用添加了。 3 存储器的考虑 对一个体系来讲，挑选RAM是规划的一个很重要的方面，它会影响到产品的运用环境以及产品的全面的功用需求。运用自身往往会确认运用何种存储器。其它要素和本钱、实性、产品稳定性也会影响RAM的挑选。静态RAM以运用方便和速度快而著称。例如，SRAM的脉冲，一般由1个2-1-1-1的周期组成，意味着它要用2个时钟周期来取第1个长字，然后每1个时钟周期取1个。在规划中，SRAM也易于完成。受约束的要素包含低密度的封装以及较高的价格。 EDORAM和DRAM在老一点的规划中径常见到。但由于这些类型的RAM曼慢被筛选，现在很少能见到了。并且,EDORAM很难找到合适嵌入式规划的通用密度(1、2或8MB)。 SDRAM是今日的智能网络设备中最常见的RAM。SDRAM可用性很好，与SRAM比较，每兆字节的本钱比也不错。处理器易于和SDRAM交互，并且 SDRAM也能进步功率。SDRAM的脉冲周期假如为3-1-1-1，但SDRAM第1个指令获取之后，每下一个获取有必要与时钟的上升沿步。DRAM在信号产生上有很地址和列地址之分。行地址和列地址在DRAM类型中都要给出来定位一个存储器地址。DRAM还有刷新周期，SDRAM有列地址推迟的值，以及需求存储器操控器操控的其它信号。在处理器中集成一个SRAM、DRAM和SDRAM的操控器在做嵌入式规划时肯定会让你受益非浅。 许多处理器需求一个担任内存遇像保存和程序履行的外部存储器子体系。关于映像存储，许多设备运用Flash。Flash有2个大的供货商AMD和 Intel。Flash自身与RAM来讲是相对较慢的，因而，大都运用中，程序在Flash中的履行功率不高——特别是在实时运用中。在大大都的规划中，16位的Flash用来下降本钱，而经过在RAM中履行映像文件，这种结构被采用后能够不影响产品的运转。 另一种非易失内存为电可擦除可编程只读存储器。EEPROM在许多运用中被用于为设备保存装备信息。这些参数一般至少包含MAC地址和IP地址。其它参数可包含子网掩码、序列号、网关、波特率或其它板级参数。EEPROM能够作为一个简略静态RAM类型设备来被设置和拜访。尽管EEPROM一般很慢，但它一般不会影响到嵌入式设备，由于它的首要用途是在启动时供给参数。为了高效地选取Flash习惯产品，Flash的密度要决议好。决议一个体系中 Flash的巨细，实践上就决议了设备的资料耗费费(BOM)。在Flash的问题上边界要很好地划定：太少，则约束了软件视点上的可裁剪性;太多，则为产品带来了本钱上不必要的添加。 4 添加价值的特性 许多工程开端就有一些限制的要求——使一个产品更快地投放商场和坚持一个合理的本钱。当产品饱尝住商场的检测时，产品批改需求从现存的硬件得到支撑。这包含了在保证了附加软件的规划中，能添加价值的特性。 录找一个TCP/IP层内存需求罗小的操作体系，有助于将资料本钱坚持在一个较低的价位，由于它对内存的需求减少了。比方，运用NetSilicon的 NET+OS集成的硬件和软件解决计划，操作体系和栈根本上只占用240 KB的内存。加上Web服务器和FTP服务器，整个体系只需310KB就能够启动了。 当有嵌入式Web服务器的时分，关于Web页面的构建需求细心考虑。一般的页面规划，用来操控和监督，350KB以内的Flash仍能满意运用。但当动态的GIF文件、杂乱的徽标和JPEG文件被引入时，内存的需求会急剧添加。许多规划带FTP、HTTP和Email功用，加上客户的运用，0.5MB乃至更少的Flash依然放得下。放1MB的Flash在板子上能够在板子不必从头规划布线的状况下添加有意义的特性。 RAM用来履行指令和数据贮存。因而，最小的RAM也要是Flash的巨细加上数据内存和以太缓冲区的巨细。有其它能影响RAM巨细的考虑，比方，产品要不要在线晋级。在有的机制中，比方NetSilicon公司的Net+Works计划供给的FTP可晋级特性，RAM的巨细需求是程序映像巨细的2倍。比方，刚说到的FTP完成需求的一个保存新程序的缓冲区。这个缓冲区会经过网络接纳1个新的映像文件，然后将它保存在RAM的1个区里。晋级例程然后会将新映像烧到Flash中。因而，在这个比方中，内存需求的添加包含可履行代码的巨细、别的添加的用于暂时保存晋级程序的缓冲区以及为数据和网络缓冲区添加的空间。 最终，堆的巨细必定要考虑，堆的巨细会有许多功用，如对每一个Socket衔接分配内存。具体的比方，如NET+OS中，每一个Socket衔接需求大约 400字节。在这种状况下，一般用将履行文件巨细加倍的计划来确认RAM的巨细。 5 履行、拜访和速度 在Flash中履行，对许多低端运用来说并不坏。如一个简略的串口到以太网的网关设备，在Flash中运转一般不需求功用上的补偿。有一些处理器，如 NET+ARM，能够运用内部产生的与Flash相关的信号来取得功率。例如，关于一个16位的AMD Fash设备，Flash的片选能够接地，然后在100%的时刻内，它都是活动的。当电源能够承当这样的耗费，此特功用够进步Flash的功率。写使能和输出使能信号能够直接从处理器得到。例如，NET+ARM处理器有5个可用的片选。一个一般的写使能和输出使能存在于内存外设中。片选0一般用于 Flash。咱们不将NET+ARM的片选0接到Flash上，也便是不必NET+ARM的片选0的输出使能和写使能。与此对应，将Flash上的片选使能接地，而一起写使能和输出使能用NET+ARM的26、27地址线来驱动。这样，数据有用是依靠输出使能而不是片选使能。然后，就能够绕过与Flash 设备相关的几个慢速拜访周期。 除了了解不同的类型和内存需求，找到正确的内存巨细依靠于内存答应的拜访时刻。内存速度直接影响传输率功用，而传输率直接影响到处理器能处理多少数据。内存慢导致取指令慢，接着就下降了整个产品功率。了解这些产品需求中的依靠性对制作一个嵌入式产品是必不可少的。要了解内存速度的需求，需求对 NET+ARM了解得更具体一些。NET+ARM的体系周期在它的总线主操控者之间同享。也便是说，体系时钟周期在ARM7内核和内部10通道的DMA操控器之间共享。在这样的规划中，ARM内核每得到一个时钟周期，DMA也相同得到一个时钟周期，在将总线交回下一个操控者之间，总线主操控者被答应能够突发至4个长字。 下一个较要害的功用是时钟速度。NET+ARM一般运用33MHz的时钟。这样就给它的处理时刻差据周期的单位数，将成果乘上30ns，再将所得成果乘 2，就得到了整个体系时钟周期的时刻。请注意每一个总线操控者都能够突发至4个字长或16个字节。整个体系周期根本上是ARM、DMA1、ARM、 DMA2，顺次类推。咱们看一下DMA通道1(以太网接纳通道)，能够简略地将每个体系周期移动16个字节转换成每秒多少兆字节。 除了Flash，附加的NVRAM有时会被疏忽。许多RTOS广商引荐运用一些如EEPROM的小型NVRAM设备来存储装备信息。为了增强易用性，NetSilicon引荐用EEPROM来保存如MAC地址、序列号、IP地址一类的设备装备。当产品的IP地址或装备设定被改动时，程序能够简略地将新的值写到EEPROM中，而不需求保存装备信息的Flash的该扇区从头擦写。由于需求的EEPROM的容量一般较小，运用的NVRAM设备也是小设备。在NetSilicon公司的NET+ARM开发包中，有针对MAC地址、IP装备、序列号的程序。运用这些东西能够大大地节省时刻和开发精力。 板级部件之间的通讯有一个通用的机制是内存映射。处理器一般有一个体系总线，由地址和数据总线组成，它们都会被用来与外设进行通讯。内存，如Flash和 SDRAM，一般会驻留在处理器的体系总线上。其它的外围部件，如FPGA、LCD显现、编码器、其它类型的设备等，也会需求添加到这个总线上。 这一类型的完成一般有2个原因：功率和易用性。与许多其它类型的接口比较，体系总线上的功率对错常重要的。需求慎重考虑的是，究竟是何种其它外设是经过体系总线进行通讯的。假如有许多高带宽的部件要进行通讯，那么总线争用就会呈现。从易用性视点动身，一切体系总线上的设备根本上类似于内存。运用智能的内存处理器，能够使得运用的硬件之间的通讯简略得好像拜访一内存区。 缓存的概念，便是查看每一次内存拜访，看它是否在缓冲区中。假如不是，一个惯例的内存拜访会进行。假如该地址呈现在在缓冲区中，指令或数据会直接在缓存中存取，而不需求测验总线来进行外部的拜访。这样一来，DMA操控器就能够持续运用总线而ARM内核直接从缓存操控器中取得指令。 6 其它网络要素 以太网通讯所需的包含MAC、PHY、1个电压转换器和1个衔接器。挑选一个集成了MAC的处理器对错常有好处的，由于许多规划部件减少了。 在有外部MAC的状况下，有时附加的内存是需求的。经过集成MAC，体系的本钱也会跟着下降。MAC的首要任务包含处理以太网上的抵触状况。当侦测到一个抵触时，MAC会将包放入发送单元，一直到将包发送出去停止。 许多运用为了与其它外设进行通讯，既需求内部接口，也需求外部接口。内部接口一般是部件之间通讯板级接口。许多状况下，处理器的体系总线会用来为外设做内存映射，比方USB、LCD、FPGA、MPEG编码器等。GPIO(通用I/O)能够用来构造像串行EEPROM的接口设备。除了外部设备(如硬盘或相机)的接口，还能够用来做部件通讯相关设备(如Modem、CODEC)接口。 关于许多类型的产品和部件，串行接口是常见的。串行拓扑，如RS232、422、485，在与外部设备通讯时经常用到。用到485的有2个首要商场：工业自动化和楼宇操控。而现在以太网成了许多运用的常见衔接方法，就像曩昔串行、并行衔接相同。无线以太网又增添了长途的运用和功用，使得以太网能够延伸到那些不或许布线或布线本钱太高的地址。802.11和蓝牙技能正在被不断地改善。 7 重启 重启也是规划中的要害要素。了解什么类型的重启可用，它们将对体系产生保种影响，以协助规划者运用特定的状况。在NET+ARM芯片中，有5种重启能够运用：加电重启、经过RESET引脚的硬重启、看门狗重启、ENI重启和软件重启。 ENI重启答应NET+ARM被一个外部处理器重启。这是在NET+ARM作为一个协处理器担任网络通讯的状况下运用的。加电重启、硬重启和看门狗重启都会导致NET+ARM内部模块重启。但ENI重启却不会影响到NET+ARM的内存操控器和ENI模块自身。软件重启不会影响ARM处理器、ENI和内存模块。经过了解可用的重启类型，就能够在得启单个部分时无须影响到整个体系。 有2点本文没有评论，分别是电源的稳定性和设备失效后的康复。当体系中只要一闪存设备时(在本钱灵敏的规划中往往如此)，假如电源失效，闪存就会瘫痪。这种状况假如产生，就得被逼用别的的方法来拜访处理器。在NET+ARM的规划中，可选的方法包含JTAG衔接，它答应编程者取得处理器的操控来纠正闪存中映像。 8 定论 最有用的体系规划必定要看到未来的开展并有所计划。近年来的半导体开展就反映了这个趋势。1μm的半导体处理技能被分别由0.8、0.5、0.35、 0.25和0.18μm处理技能替代。每一次处理尺度的缩小，就带来相关价格的下降和完成功用的进步。例如，前期的NET+ARM规划运用NET+12，现在就能够被NET+40或NET+50所替代。 假如规划妥当，了解产品开展的未来道路和得到NetSilicon公司为客户所做的硬件规划查看，运用NET+ARM做规划时假如保证了这三点要素，客户就能够挑选不同的NET+ARM产品而运用相同的板子。别的，额定的内存和部件的布局规划也能够添加，保证整个体系的规划更通用、能坚持更长的运用时刻。经过了解产品需求、了解产品环境、精心挑选部件、运用集成的计划、在为今日的需求规划产品时能为明日的改善计划出相应的道路，聪明的规划者能够最大极限地发挥产品的成效。这些要素会协助你的规划和产品取得成功。