【文章內(nèi)容簡介】 件產(chǎn)生的噪音外，比如電力線、變壓器和發(fā)電機等，線路自身的數(shù)據(jù)傳輸也會產(chǎn)生噪音。這一情況使得安裝和調(diào)試一個新硬件成為一種挑戰(zhàn)。在最壞情況下的可能影響，包括從傳輸燈亮時網(wǎng)絡的不穩(wěn)定，到高速傳輸數(shù)據(jù)時的數(shù)據(jù)錯誤。 一種特殊級別的雙絞線名叫 5 類電纜，可以用于許多普通雙絞線難于應付的情況。 5 類線支持 100Mbit/s 數(shù)據(jù)傳輸，而出 錯概率很低。光纖線路也在以太網(wǎng)絡中得到應用，特別是在電磁干擾敏感的環(huán)境中，光纖是抗電磁干擾的，沒有輻射，防竊聽，完全適合極高速率的數(shù)據(jù)傳輸。 需要強調(diào)的是，以太網(wǎng)拓撲與其它網(wǎng)絡拓撲相比是非常不一樣的。拓撲選擇將影響布線的費用。以太網(wǎng)不是基于多跳的網(wǎng)絡，比如 10Base2 的雛菊鏈網(wǎng)。以太網(wǎng)拓撲組成的是星狀的配置。星上的每一個設(shè)備在物理上要么連在一個集線器上，要么連在一個交換機上。在以太網(wǎng)上，一個設(shè)備與另一個設(shè)備的通信起處于發(fā)送設(shè)備端，然后到它連接的集成器或交換機。 以太網(wǎng)有 2 種基于類型：平面式和多層結(jié)構(gòu)式。 在一個平面式的以太網(wǎng)，連接在一個集線路上的所有設(shè)備可以看到這個集線器接角到的所有數(shù)據(jù)包。這還包括相互連接在一起的集線器上的所有設(shè)備。在多層結(jié)構(gòu)式以太網(wǎng)中，由于集線路之間由交換機連接，只有連接在一個集一器上的設(shè)備可以看到那些包，此外，交換機還能決定哪些設(shè)備可以看到包，而哪些不能。 值得注意的是，不管是平面式還是多層結(jié)構(gòu)式，以太網(wǎng)一個共同的好處是不會受故障設(shè)備所牽連；而在雛菊鏈網(wǎng)絡中，一旦 1 個網(wǎng)絡設(shè)備貪婪工作，其它網(wǎng)上設(shè)備的通信就無法進行了。在以太網(wǎng)的多層結(jié)構(gòu)網(wǎng)中，數(shù)據(jù)沖突被最小化了。但它的最大不足就是線路總量 和安裝總費用增加了。 存儲器的考慮 對一個系統(tǒng)來講，選擇 RAM 是設(shè)計的一個很重要的方面，它會影響到產(chǎn)校園網(wǎng)組網(wǎng)方案的研究與設(shè)計 10 品的使用環(huán)境以及產(chǎn)品的全面的功能需求。應用本身往往會確定使用何種存儲器。其它因素和成本、實性、產(chǎn)品穩(wěn)定性也會影響 RAM 的選擇。靜態(tài) RAM以使用方便和速度快而著稱。例如， SRAM 的脈沖，通常由 1 個 2111 的周期組成，意味著它要用 2 個時鐘周期來取第 1 個長字，然后每 1 個時鐘周期取1 個。在設(shè)計中， SRAM 也易于實現(xiàn)。受限制的因素包括低密度的封裝以及較高的價格。 EDORAM和 DRAM在老一點的設(shè)計 中徑常見到。但由于這些類型的 RAM曼慢被淘汰，現(xiàn)在很少能見到了。而且 ,EDORAM 很難找到適合嵌入式設(shè)計的通用密度（ 2 或 8MB）。 SDRAM 是今天的智能網(wǎng)絡設(shè)備中最常見的 RAM。 SDRAM 可用性很好，與 SRAM 相比，每兆字節(jié)的成本比也不錯。處理器易于和 SDRAM 交互，而且 SDRAM 也能提高效率。 SDRAM 的脈沖周期如果為 3111，但 SDRAM第 1 個指令獲取之后，每下一個獲取必須與時鐘的上升沿步。 DRAM 在信號產(chǎn)生上有很地址和列地址之分。行地址和列地址在 DRAM 類型中都要給出來定位一個存儲器地址。 DRAM 還有刷新周期， SDRAM 有列地址延遲的值，以及需要存儲器控制器控制的其它信號。在處理器中集成一個 SRAM、 DRAM 和SDRAM 的控制器在做嵌入式設(shè)計時絕對會讓你受益非淺。 許多處理器需要一個負責內(nèi)存遇像保存和程序執(zhí)行的外部存儲器子系統(tǒng)。對于映像存儲，許多設(shè)備使用 Flash。 Flash 有 2 個大的供應商 AMD 和 Intel。Flash 本身與 RAM 來講是相對較慢的，因此，多數(shù)應用中，程序在 Flash 中的執(zhí)行效率不高 —— 特別是在實時應用中。在大多數(shù)的設(shè)計中， 16 位的 Flash 用來降低成本，而通過在 RAM 中執(zhí)行 映像文件，這種結(jié)構(gòu)被采用后可以不影響產(chǎn)品的運行。 另一種非易失內(nèi)存為電可擦除可編程只讀存儲器。 EEPROM 在許多應用中被用于為設(shè)備保存配置信息。這些參數(shù)通常至少包括 MAC 地址和 IP 地址。其它參數(shù)可包括子網(wǎng)掩碼、序列號、網(wǎng)關(guān)、波特率或其它板級參數(shù)。 EEPROM可以作為一個簡單靜態(tài) RAM 類型設(shè)備來被設(shè)置和訪問。雖然 EEPROM 通常很慢，但它一般不會影響到嵌入式設(shè)備，因為它的主要用途是在啟動時提供參數(shù)。為了高效地選取 Flash 適應產(chǎn)品 ， Flash 的密度要決定好。決定一個系統(tǒng)中校園網(wǎng)組網(wǎng)方案的研究與設(shè)計 11 Flash 的大小，實際上就決定了設(shè)備的 材料消耗費（ BOM）。在 Flash 的問題上界限要很好地劃定：太少，則限制了軟件角度上的可裁剪性；太多，則為產(chǎn)品帶來了成本上不必要的增加。 增加價值的特性 許多工程開始就有一些限定的要求 —— 使一個產(chǎn)品更快地投放市場和保持一個合理的成本。當產(chǎn)品經(jīng)受住市場的考驗時，產(chǎn)品修正需要從現(xiàn)存的硬件得到支持。這包括了在保證了附加軟件的設(shè)計中，能增加價值的特性。 錄找一個 TCP/IP 層內(nèi)存需求羅小的操作系統(tǒng)，有助于將材料成本保持在一個較低的價位，因為它對內(nèi)存的需求減少了。比如，使用 NetSilicon 的NET+OS 集成的硬件和軟件解決方案，操作系統(tǒng)和?；旧现徽加?240 KB的內(nèi)存。加上 Web 服務器和 FTP 服務器，整個系統(tǒng)只需 310KB 就可以啟動了。 當有嵌入式 Web 服務器的時候，對于 Web 頁面的構(gòu)建需要仔細考慮。普通的頁面設(shè)計，用來控制和監(jiān)視， 350KB 以內(nèi)的 Flash 仍能滿足使用。但當動態(tài)的 GIF 文件、復雜的徽標和 JPEG 文件被引進時，內(nèi)存的需求會急劇增加。許多設(shè)計帶 FTP、 HTTP 和 Email 功能，加上客戶的應用， 甚至更少的 Flash 仍然放得下。放 1MB 的 Flash 在板子上可以在板子不用重新設(shè)計布線 的情況下增加有意義的特性。 RAM 用來執(zhí)行指令和數(shù)據(jù)儲存。因此，最小的 RAM 也要是 Flash的大小加上數(shù)據(jù)內(nèi)存和以太緩沖區(qū)的大小。有其它能影響 RAM 大小的考慮，比如，產(chǎn)品要不要在線升級。在有的機制中，比如 NetSilicon 公司的Net+Works 方案提供的 FTP 可升級特性， RAM 的大小需要是程序映像大小的 2 倍。比如，剛提到的 FTP 實現(xiàn)需要的一個保存新程序的緩沖區(qū)。這個緩沖區(qū)會通過網(wǎng)絡接收 1 個新的映像文件，然后將它保存在 RAM 的 1 個區(qū)校園網(wǎng)組網(wǎng)方案的研究與設(shè)計 12 里。升級例程然后會將新映像燒到 Flash 中。因此，在這個例子中，內(nèi)存需求的 增加包括可執(zhí)行代碼的大小、另外增加的用于暫時保存升級程序的緩沖區(qū)以及為數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡緩沖區(qū)增加的空間。 最后，堆的大小一定要考慮，堆的大小會有很多職能，如對每一個 Socket連接分配內(nèi)存。具體的例子，如 NET+OS 中，每一個 Socket 連接需要大約 400 字節(jié)。在這種情況下，通常用將執(zhí)行文件大小加倍的方案來確定 RAM的大小。 執(zhí)行、訪問和速度 在 Flash 中執(zhí)行，對許多低端應用來說并不壞。如一個簡單的串口到以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，在 Flash 中運行通常不需要性能上的補償。有一些處理器，如NET+ARM，可以 利用內(nèi)部產(chǎn)生的與 Flash 相關(guān)的信號來獲得效率。例如，對于一個 16 位的 AMD Fash 設(shè)備， Flash 的片選可以接地，從而在 100%的時間內(nèi)，它都是活動的。當電源可以承擔這樣的消耗，此特性可以提高 Flash 的效率。 使能和輸出使能信號可以直接從處理器得到。例如， NET+ARM 處理器有5 個可用的片選。一個普通的寫使能和輸出使能存在于內(nèi)存外設(shè)中。片選 0 通常用于 Flash。我們不將 NET+ARM 的片選 0 接到 Flash 上，也就是不用NET+ARM 的片選 0 的輸出使能和寫使能。與此對應，將 Flash 上的片選使能接地， 而同時寫使能和輸出使能用 NET+ARM 的 2 27 地址線來驅(qū)動。這樣，數(shù)據(jù)有效是依賴輸出使能而不是片選使能。從而，就可以繞過與 Flash 設(shè)備相關(guān)的幾個慢速訪問周期。 除了理解不同的類型和內(nèi)存需求，找到正確的內(nèi)存大小依賴于內(nèi)存允許的訪問時間。內(nèi)存速度直接影響傳輸率性能，而傳輸率直接影響到處理器能處理多少數(shù)據(jù)。內(nèi)存慢導致取指令慢，接著就降低了整個產(chǎn)品效率。理解這些產(chǎn)品需求中的依賴性對建造一個嵌入式產(chǎn)品是必不可少的。要理解內(nèi)存速度的需求，需要對 NET+ARM 了解得更詳細一些。 NET+ARM 的系統(tǒng)周期在它的總線主控 制者之間共享。也就是說，系統(tǒng)時鐘周期在 ARM7 內(nèi)核和內(nèi)部 10 通道的 DMA 控制器之間分享。在這樣的設(shè)計中， ARM 內(nèi)核每得到一個時鐘周期，校園網(wǎng)組網(wǎng)方案的研究與設(shè)計 13 DMA 也同樣得到一個時鐘周期，在將總線交回下一個控制者之間，總線主控制者被允許可以突發(fā)至 4 個長字。 下一個較關(guān)鍵的性能是時鐘速度。 NET+ARM 通常使用 33MHz 的時鐘。這樣就給它的處理時間差據(jù)周期的單位數(shù)，將結(jié)果乘上 30ns，再將所得結(jié)果乘2，就得到了整個系統(tǒng)時鐘周期的時間。請注意每一個總線控制者都可以突發(fā)至 4 個字長或 16 個字節(jié)。整個系統(tǒng)周期基本上是 ARM、 DMA ARM、 DMA2，依次類推。我們看一下 DMA 通道 1（以太網(wǎng)接收通道），可以簡單地將每個系統(tǒng)周期移動 16 個字節(jié)轉(zhuǎn)換成每秒多少兆字節(jié)。 除了 Flash，附加的 NVRAM 有時會被忽略。 許 多 RTOS 廣商推薦使用一些如 EEPROM 的小型 NVRAM 設(shè)備來存儲配置信息。為了增強易用性， NetSilicon推薦用 EEPROM 來保存如 MAC 地址、序列號、 IP 地址一類的設(shè)備配置。當產(chǎn)品的 IP 地址或配置設(shè)定被改動時，程序可以簡單地將新的值寫到 EEPROM中，而不需要保存配置信息的 Flash 的該扇區(qū)重新擦寫。由于需要的 EEPROM的容量 通常較小，使用的 NVRAM 設(shè)備也是小設(shè)備。在 NetSilicon 公司的NET+ARM 開發(fā)包中，有針對 MAC 地址、 IP 配置、序列號的程序。利用這些工具可以大大地節(jié)省時間和開發(fā)精力。 板級部件之間的通信有一個通用的機制是內(nèi)存映射。處理器通常有一個系統(tǒng)總線，由地址和數(shù)據(jù)總線組成，它們都會被用來與外設(shè)進行通信。內(nèi)存，如Flash 和 SDRAM，一般會駐留在處理器的系統(tǒng)總線上。其它的外圍部件，如FPGA、 LCD 顯示、編碼器、其它類型的設(shè)備等，也會需要添加到這個總線上。 這 一類型的實現(xiàn)通常有 2 個原因：效率和易用性。與許多 其它類型的接口比較，系統(tǒng)總線上的效率是非常重要的。需要慎重考慮的是，究竟是何種其它外設(shè)是通過系統(tǒng)總線進行通信的。如果有許多高帶寬的部件要進行通信，那么總線爭用就會出現(xiàn)。從易用性角度出發(fā)，所有系統(tǒng)總線上的設(shè)備基本上類似于內(nèi)存。使用智能的內(nèi)存處理器，可以使得應用的硬件之間的通信容易得如同訪問一內(nèi)存區(qū)。 緩存的概念，就是檢查每一次內(nèi)存訪問，看它是否在緩沖區(qū)中。如果不是，一個常規(guī)的內(nèi)存訪問會進行。如果該地址出現(xiàn)在在緩沖區(qū)中，指令或數(shù)據(jù)會直接在緩存中存取，而不需要嘗試總線來進行外部的訪問。這樣一來， DMA 控校園網(wǎng)組網(wǎng)方案的研究與設(shè)計 14 制器就可以 繼續(xù)使用總線而 ARM 內(nèi)核直接從緩存控制器中取得指令。 其它網(wǎng)絡因素 以太網(wǎng)通信所需的包含 MAC、 PHY、 1 個電壓轉(zhuǎn)換器和 1 個連接器。選擇一個集成了 MAC 的處理器是非常有益處的，因為許多設(shè)計部件減少了。 在有外部 MAC 的情況下，有時附加的內(nèi)存是需要的。通過集成 MAC，系統(tǒng)的成本也會跟著降低。 MAC 的主要任務包括處理以太網(wǎng)上的沖突情況。當偵測到一個沖突時， MAC 會將包放入發(fā)送單元，一直到將包發(fā)送出去為止。 許多應用為了與其它外設(shè)進行通信，既需要內(nèi)部接口，也需要外部接口。內(nèi)部接口通常是部件之間通信板 級接口。許多情況下，處理器的系統(tǒng)總線會用來為外設(shè)做內(nèi)存映射，比如 USB、 LCD、 FPGA、 MPEG 編碼器等。 GPIO（通用 I/O）可以用來構(gòu)造像串行 EEPROM 的接口設(shè)備。除了外部設(shè)備（如硬盤或相機）的接口，還可以用來做部件通信相關(guān)設(shè)備（如 Modem、 CODEC）接口。 對于很多類型的產(chǎn)品和部件，串行接口是常見的。串行拓撲，如 RS2342 485，在與外部設(shè)備通信時經(jīng)常用到。用到 485 的有 2 個主要市場：工業(yè)自動化和樓宇控制。而現(xiàn)在以太網(wǎng)成了很多應用的常見連接方式，就像過去串行、并行連接一樣。無線以太網(wǎng) 又增添了遠程的應用和功能，使得以太網(wǎng)可以延伸到那些不可能布線或布線成本太高的地點。 和藍牙技術(shù)正在被不斷地改進。 重啟 重啟也是設(shè)計中的關(guān)鍵因素。理解什么類型的重啟可用，它們將對系統(tǒng)產(chǎn)生保種影響，以幫助設(shè)計者利用特定的情況。在 NET+ARM 芯片中，有 5 種重啟可以使用：加電重啟、通過 RESET 引腳的硬重啟、看門狗重啟、 ENI 重啟和軟件重啟。 ENI 重啟允許 NET+ARM 被一個外部處理器重啟。這是在 NET+ARM 作為一個協(xié)處理器負責網(wǎng)絡通信的情況下使用的。加電重啟、硬重啟和看門狗重校園網(wǎng)組網(wǎng)方案的研究與設(shè)計 15 啟都會 導致 NET+ARM 內(nèi)部模塊重啟。但 ENI 重啟卻不會影響到 NET+ARM的內(nèi)存控制器和 ENI 模塊本身。軟件重啟不會影響 ARM 處理器、 ENI 和內(nèi)存模塊。通過了解可用的重啟類型，就可以在得啟個別部分時無須影響到整個系統(tǒng)。 有 2 點本文沒有討論，分別是電源的穩(wěn)定性和設(shè)備失效后