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基于嵌入式PC的PIII計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
摘要：介紹了嵌入式PC模塊的結(jié)構(gòu)，闡述了一種快速開發(fā)嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)的思路，并詳細(xì)描述了一種基于嵌入式PC的PIII計算機(jī)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)和設(shè)計實現(xiàn)過程。關(guān)鍵詞：嵌入式PC Compact PCI 橋接
目前嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用呈現(xiàn)多樣化、小型化、多層次的趨勢，在工業(yè)現(xiàn)場和軍事用途中扮演著越來越重要的角色。隨著各種應(yīng)用對操作系統(tǒng)和軟件要求的日益提高，使得具有廣泛適應(yīng)性的PC構(gòu)架的嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)倍受青睞。尤其是Compact PCI總線在工業(yè)和軍用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為PC構(gòu)架的嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)提供了更多的應(yīng)用環(huán)境。然而，對于一個計算機(jī)系統(tǒng)來說，主機(jī)開發(fā)周期一般都較長，也較為復(fù)雜。CompuLab公司開發(fā)的系列嵌入式PC模塊為開發(fā)PC構(gòu)架的嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)提供了新思路。即以嵌入式PC為核心，通過各種總線橋接電路開發(fā)出適應(yīng)各種總線要求的嵌入式計算機(jī)；同時也為迅速提高各種嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)的性能提供一條行之有效的途徑。
本文介紹以CompuLab公司的系列嵌入式PC模塊為核心的嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)的一個設(shè)計實例。
1 CompuLab 786CORE
以色列公司CompuLab生產(chǎn)的786CORE是一種小型的、功能很強(qiáng)的高性價比單板嵌入式PC模塊，它適用于各種以PC構(gòu)架為基礎(chǔ)的嵌入式應(yīng)用中。786CORE配置了運行WINDOWS、Linux、VxWorks和DOS等操作系統(tǒng)所需的各種芯片組，并配置了相應(yīng)的BIOS。
嵌入式PC模塊786CORE具有體積小、功能強(qiáng)等特點。整個模塊面積僅99mm×69mm，卻集成了PIII賽揚400～700MHz地CPU、32～256MB SDRAM、LPC、5V兼容的PCI及AC97總線控制，同時還提供VGA/SXGA、兩個USB接口、兩個PS/2接口、兩個10Mbps/100Mbps以太網(wǎng)接口、ATA IDE接口、軟驅(qū)接口、一個RS-232和一個RS-422串口。為了適應(yīng)嵌入式應(yīng)用，786CORE還內(nèi)置了嵌入式BIOS。
圖1為786CORE的體系結(jié)構(gòu)框圖。
786CORE強(qiáng)大和靈活的功能為嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計得提供了較為廣闊的設(shè)計空間。尤其是通過PCI總線開發(fā)出的Compact PCI總線體系結(jié)構(gòu)，更加擴(kuò)展了該嵌入式系統(tǒng)的功能和應(yīng)用領(lǐng)域。然而，由于Compact PCI總線的電氣性能和協(xié)議的特殊性，基于該總線的設(shè)備開發(fā)難度可想而知。通常采用多種PCI橋接邏輯，將Compact PCI總線上的操作轉(zhuǎn)換成其成較為簡單的總線操作。
圖1 786CORE的結(jié)構(gòu)框圖
2 基于786CORE的嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
嵌入式PC模塊的出現(xiàn)和發(fā)展，以及基于PCI總線的各種橋接電路的廣泛應(yīng)用，使得嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)周期大大縮短，并直接提高了系統(tǒng)的實用性和軟件應(yīng)用的靈活性。
2.1 系統(tǒng)組織與結(jié)構(gòu)
圖2描述一個以PIII CPU為核心的高性能嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)。它包括16路差分輸入A/D、4路RS-232/422串口和雙8139以太網(wǎng)控制器，以及與機(jī)箱相應(yīng)的抗惡劣環(huán)境電源。該系統(tǒng)的所有模塊均為標(biāo)準(zhǔn)的3U尺寸，機(jī)箱為加固的4槽3U機(jī)箱。
由于嵌入式PC模塊提供的PCI總線不能提供足夠的負(fù)責(zé)能力，因此主機(jī)模塊必須為其增加一個PCI-PCI的橋接芯片——Intel S21152BB。該芯片提供的PCI總線可支持四個PCI設(shè)備。而總線上的設(shè)備對于Compact PCI總線來說必須且只能是唯一的負(fù)載。如果要增加負(fù)載，則必須有一個橋接芯片擴(kuò)展總線的負(fù)載能力。如圖2中的雙網(wǎng)模塊。由于該模塊中的兩個以太網(wǎng)控制器RTL8193D均為PCI總線的負(fù)載，首先通過PCI-PCI橋接芯片——Intel S21152BB將總線擴(kuò)展，再完成兩個以太網(wǎng)卡的功能。
另外，作為Compact PCI總線系統(tǒng)，所有模塊包括系統(tǒng)底板（Backplane）均按照Compact PCI規(guī)范PCIMG2.0 R2.1設(shè)計，包括終端匹配電阻的設(shè)計（如圖2）、底板時鐘和中斷設(shè)計以及其他電氣性能的設(shè)計。
2.2 擴(kuò)展模塊的設(shè)計與實現(xiàn)
本系統(tǒng)中，除主機(jī)模塊外還有三個擴(kuò)展模塊，它們分別完成系統(tǒng)對模擬信號的采樣及處理（AD模塊）、系統(tǒng)與其他設(shè)備的通信（4串口模塊）以及系統(tǒng)與Internet的連接（雙網(wǎng)模塊）。
本系統(tǒng)中除了上文指出的雙網(wǎng)模塊需要PCI-PCI的橋接芯片外，AD模塊和串口模塊與CPCI總線連接同樣需要橋接芯片AMCC S5920的支持（如圖2所示）。AMCC S5920是單一芯片的多功能設(shè)備，它為設(shè)計者提供了一條靈活而簡便的通往PCI總線的道路。通過使用S5920，模塊設(shè)計者無須考慮PCI總線的各種電氣性能和時序的特殊要求，只需根據(jù)S5920轉(zhuǎn)換后的類似ISA的TTL電平的ADD-ON總線進(jìn)行設(shè)計即可。作為PCI上的目標(biāo)設(shè)備，S5920可提供132Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率，兼容33MHz的PCI總線和高達(dá)40MHz的ADD-ON總線，由它轉(zhuǎn)換出的ADD-ON總線可支持8、16和32位的數(shù)據(jù)寬度。
（1）AD模塊
支持16路模擬差分輸入，信號的采樣及AD轉(zhuǎn)換由AD976完成，采樣結(jié)果由單片機(jī)89C52平滑處理后通過光電隔離器件發(fā)送到CPLD，
再由CPLD存放于靜態(tài)RAM中供上位機(jī)讀取。
該模塊占用32字節(jié)8位寬I/O空間，用于存儲16路16位精度的AD采樣結(jié)果。
（2）串口模塊
通過CD1865支持4路RS-232/422串口，占用512字節(jié)8位寬I/O空間、1路中斷。
圖2 基于786CORE的嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)
2.3 軟件設(shè)計
本系統(tǒng)采用VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)。它是目前所有獨立于處理器的實時系統(tǒng)中最具特色的操作系統(tǒng)之一。VxWorks的微內(nèi)核Wind是一個具有較高性能的、標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核。其主要特點包括：快速多任務(wù)切換、搶占式任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間通信手段多樣化等。該內(nèi)核具有任務(wù)切換時間短、中斷延遲小、網(wǎng)絡(luò)流量大等特點，與其他嵌入式實時操作系統(tǒng)相比具有一定的優(yōu)勢。
所有模塊的驅(qū)動程序均在VxWorks下開發(fā)，開發(fā)環(huán)境為Tornado II。它是嵌入式實時領(lǐng)域里最新一代的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，是實現(xiàn)嵌入式實時應(yīng)用程序的完整的軟件開發(fā)平臺。本系統(tǒng)各個模塊的驅(qū)動程序均用C語言編寫，并在Tornado II下編譯成“.O”文件用以提供給用戶作為二次開發(fā)的中間件。
操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序均存放于主機(jī)模塊的192MB電子盤上，使得軟件的運行速度大大提高，也使系統(tǒng)可以工作在溫度和穩(wěn)定性條件都非常惡劣的環(huán)境里。
2.4 該系統(tǒng)的特點及技術(shù)指標(biāo)
（1）高性能PIII700MHz CPU核心，128MBSDRAM，192MB電子盤；
（2）支持多種操作系統(tǒng)：DOS、VxWorks、Windows X、Linux等；
（3）串口模塊：4路全雙工異步串口，傳輸速率可達(dá)115.2kbps，通過軟件設(shè)置可選擇不同的串口通信方式，RS-232（V.28）或RS-422（V.11，X.21）；
（4）AD模塊：16路模擬差分輸入，支持AD數(shù)據(jù)智能調(diào)理，AD轉(zhuǎn)換時間最短可達(dá)5μs/Sample，有效輸入信號范圍：-15V～+15V，模擬采樣部分與CPCI總線數(shù)字部分光電隔離；
（5）雙網(wǎng)卡：10Mbps/100Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)，支持自動故障診斷、切換和恢復(fù)；
（6）先天加固抗震設(shè)計；
（7）熱傳導(dǎo)散熱設(shè)計；
（8）電磁兼容性設(shè)計；
（9）3U標(biāo)準(zhǔn)尺寸。
本文描述的嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)具有廣泛的適用性，由于采用了先天的加固、抗震和熱傳導(dǎo)設(shè)計，在環(huán)境特別惡劣的工業(yè)現(xiàn)場和軍事領(lǐng)域適應(yīng)性極強(qiáng)。此外，該系統(tǒng)的設(shè)計過程是一條行之有效的快速開發(fā)嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)的道路，并較易形成產(chǎn)品的系列化，提高產(chǎn)品的高層競爭力。
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