网络处理器IP2022及其在嵌入式牌照识别系统中的应用设计

　　介绍了Ubicom公司的最新网络处理器IP2022以及专为网络优化而设计的嵌入式实时操作系统ipOS的特点。描述了如何在中ipOS下编制以太网应用程序。给出IP2022在一个嵌入式牌照识别系统中的应用实例。

　　随着Internet技术的广泛应用，许多专家预测Internet技术将会无所不在，且是一个嵌入式技术。这就导致了一个需求，即在某些电子、电器设备中，以低成本去执行物理层（PHY）与TCP/IP函数集。嵌入式互联网技术可广泛应用于家电产品、安全设备、自动售货机、远程抄表以及工业控制等领域。

　　在大量的嵌入式应用中，为物理层提供网络连接是一个关键。然而TCP/IP网络协议栈的供应商并没有意识到这一点。通常，即使协议栈是以软件形式执行，接口也是以某种专用的硬件形式提供。Ubicom的网络处理器IP2022已经能够执行TCP/IP协议模块，也能以软件形式执行物理口，例如UART、I2C等。随着以太网MAC／PHY物理层接口需求的增长，专为执行以太网协议的软件模块(ipModule)已经实现。

　　1 1P2022介绍

　　IP2022是Ubicom公司的最新产品。IP2022芯片为网络连接应用进行了优化，十分适用于Internet基础设备和网桥／网关部分。使用Ubicom的预制软件模块和配置工具可以对芯片编程和重新编程，为多种设备间和人机间通讯应用创建了真正的单芯片解决方案。

　　IP2022内含两个全双工串化器／解串器(Ser／Des)硬件单元，能直接与各种常用网络接口相连。这种功能使其能够实现片内10 Base-T以太网、USB以及其它各种快速串行协议。由于拥有Ser／Des硬件单元，IP2022也便于从一种协议转换到另一种协议，因而也能作为协议转换器。

　　IP2022的软件模块包括10base-T以太网、USB、UART、I2C、SPI、并行从设备物理接口以及一个完整的TCP／IP堆栈。正在开发的多种附加软件可用于构建完整的端到端连接解决方案。Ubicom的Internet处理器体系结构和软件模块的组合创建了一个强大灵活的平台，使设计人员能够有信心跟上标准的更新与市场需求的变化，设计出用于未来的产品。

　　IP2022具有100MIPS的处理能力，并为通讯应用进行了优化。它能够在执行应用程序的同时，提供高速计算、灵活的I／O控制和高效的数据处理功能，因此可用于高性能物理接口和网络协议的软件实现。IP2022的工作电压为2．5V，芯片上带有内置的电荷泵，因此不需要为闪存编程而提供高电压。

　　2 IP2022操作系统中OS简介

　　ipOS是Ubicom设计的可配置的嵌入式实时操作系统。它是专为网络应用而优化的，然而不论在哪儿执行通信网络协议，都存在一个问题，就是如何最好地支持各种不同通信缓冲区／包(Buffer／Packet)的协议层。ipOS所采用的数据结构、网络缓冲区(Netbuf)为此类问题提供了一个有力且灵活的解决方案，与此同时达到了最少使用存储器的目的。

　　ipOS支持单任务与多任务操作模式。要使用单任务模式可在配置工具中关闭多任务选项。在单任务模式下，需要尽可能快地轮询调用每个物理接口和一些操作系统函数。由于仅有一个任务，在轮询循环(Polling loop)中，任何被直接或间接调用的函数必须尽可能快地返回，因为这些函数阻碍了其它系统进程的继续进行。函数在等待I／0时，不能阻塞进程的执行，这是最重要的。

　　3 10Base-T以太网的软件执行

　　3.1硬件需求

　　要给10Base-T以太网设置串化器／解串器(Ser／Des)，来自差分线接收器或片上比较器的输人数据端应连接到IP2022 Ser／Des接收器的输入端，以太网的接收／发送信号要匹配Ser／Des指定的管脚。这些管脚通过一个带有终端的变压器连接到一个RJ45插座。IP2022与以太网接口连接示意图如图1所示。



　　在这个实现中，IP2022在单个芯片上从以太网MAC／PHY层到应用层完成了网络互连的所有方面。10Base-T以太网的实现利用了IP2022片内Ser／Des单元，从而使外围器件最少。

　　IP2022工作电压为2．5V。在这个设计中，以太网接口需要5V电压而IP2022 I／0却工作在2．5V上，因此必须选择一个正确转换匝数的以太网变压器。所选的变压器或者能接受2．5V输入，或者可在电路中插入一个5V的TTL缓冲器来允许使用1：1的变压器。另一种方法是使IP2022的I／0工作在3．3V上，使用一个5V的CMOS缓冲器。在这个设计中，选择了一个1：1的变压器，因为它们更易购买，且价格合算；还有，大多数带有内置变压器的RJ45连接器仅在较为流行的1：1转换配置中有用，通过去掉电路中的缓冲器，可进一步简化电路。


　　3.2软件功能

　　以太网软件执行以下操作

　　(1)极性检测与反转；

　　(2)载波侦听；

　　(3)超时检测；

　　(4)连接完整性测试与连接脉冲产生；

　　(5)一旦冲突，随机后退；

　　(6)检测到冲突时，发送一个32 bit的jam序列；

　　(7)以太网包的形成，通过把报头、目的地址、源地址、长度／类型、MAC客户数据放人到发送缓冲区，软件必须计算帧校验；

　　(8)MAC层函数。

　　发送连接通过把Ser／Des的发送管脚改为通用I／0脚，产生一个连接脉冲。它使用实时时钟定时器产生一16ms的时基。发送后，连接脉冲定时器复位为0。

　　接收连接刷新一个定时器，上界检查是在24ms，不执行下界检查。连接脉冲宽度由硬件检测。

　　在发送帧，包含了驻留在IP2022 PRAM中硬编码的数据。帧包括目的／源地址、帧长、数据和32 bit的CRC。如果通道不忙，则开始传送帧。若检测到冲突，发送ISR执行以下操作：

　　(1)停止传送；

　　(2)发送32bit的jam序列；

　　(3)等待载波空闲；

　　(4)产生随机延迟；

　　(5)返回，重传条件集。

　　在接收帧，每个接收ISR检查接收到的包尾EOP（End Of Packet）。一帧接收到时，接收函数执行以下操作：

　　(1)帧校验序列；

　　(2)地址检查，单址通信和多址通信；

　　(3)检查保留地址；

　　(4)帧长度(太长或太短)检查。

　　冲突检测是通过监听载波侦听指示位来进行的。最大的延迟为16bit的时间。

　　在MAC层应用程序接口，MAC客户(上层)通过初始化数据指针和缓冲区长度发送一个包。然后调用“Transmit_Packet”函数，返回值是发送的结果。主程序通过轮询调用一个“Receive_ Packet”函数接收一个包。非零返回值指示接收到一个有效的包。

　　在网络缓冲区(Netbuffer)，较高层定义一个叫netbuffer的数据结构。这是访问TCP／UDP数据报不同元素的最好方法。与原始IP包一起，有一些分配给数据包元素(例如：源IP地址、目的IP地址、选项等)的指针。这些指针是静态的。与指针相关的还有长度域，这样很容易改变netbuffer的选项数目。为了构成一个MAC帧，发送程序必须根据指针和长度域从netbuffer中把数据级联起来。

　　4 ipOS应用程序的编写

　　ipOS操作系统可工作在单任务模式或多任务模式下。在大多数情况下单任务模式的程序足以满足实时应用需求。利用Ubicom的Unity IDE开发环境生成的一个工程，最基本的有3个文件：entry.s、isr.s和main.c。

　　4.1引导程序代码

　　所有引导程序代码都放在entry.s文件中。这段代码在复位向量处加载了一个占位程序。当IP2022上电时，IP2022跳到复位向量处执行引导程序代码。该代码完成以下功能：

　　(1)更新FCFG寄存器，这样代码执行速度对时钟频率而言是优化的；

　　(2)设置堆栈指针指向数据存储器的末端；

　　(3)通用寄存器初始化为0；

　　(4)把.data段从FLASH中加载到数据存储器的开始处；

　　(5)将.data段之后的数据存储器区域设置为0来容纳.bss段；

　　(6)把．pram段从FLASH加载到程序SRAM的开始处；

　　(7)将程序SRAM区域设置为0来容纳.pram_data段；

　　(8)引导程序完成，跳到main()主函数。

　　注意：用户的任何初始化代码应该加入到main()函数中，不应该加到entry.s文件中。

　　4.2中断服务函数

　　isr.s是中断服务函数(1SR)文件。当一个异步事件发生时，就会执行对应的ISR。在大多数使用虚拟外设的应用中，都要用到定时器timer0中断来控制周期性的进程。有两种ISR模板用于帮助基于timer0虚拟外设的开发。第一种是“Simple ISR template using timer0”，另一种是“Complex ISR Template”。

　　如果仅有一个虚拟外设或所有的虚拟外设需要以同样的频率执行，那么使用第一个模板是很合适的。对于较为复杂的应用，可以使用“Complex ISR template”模板。详细的例子可参考其SDK帮助文件。

　　4.3主体结构

　　main.c文件是应用程序的主体结构，主要包括配置块(CONFIC_BLOCK)和main()函数。

　　配置块是系统配置参数的信息，它存储在IP2022的FLASH存储器中，控制着系统时钟、PLL分频系数和其它的一些系统参数。

　　在main()函数中，主程序的结构非常简单。首先是调用debug_init()、heap add()和timer_init()这3个函数对操作系统进行初始化；然后是创建虚拟外设实例进行监听，用户的回调函数(Callback Function)作为监听函数的参数；接着是设置中断服务函数并使其开始运行；最后是对虚拟外设的端口进行轮询。当轮询函数检测到相应的状态时，就会调用相应的回调函数。一般来说，这些叵调函数是用户自己设计的处理函数。


　　下面是一个使用UART虚拟外设的例子：

　　其它诸如以太网、USB等通信程序，结构与此基本上相同，只是通信协议不同，程序的基本思想是一致的。

　　5 应用实例

　　高德威智能交通系统有限公司开发的新一代嵌入式牌照识别器(License Plate Recognition)功能框图如图2所示。通信接口芯片采用Ubicom的网络处理器IP2022，其片上虚拟外设包括UART、USB和以太网等接口，可以方便地接人Internet，从而实现远程程序更新和数据下载等功能。DSP采用TI的定点处理器TMS320C6204，完全满足实时处理的要求。视频处理器为Philips的SAA711lA，FPGA使用Altera的EPlK300QC，FLASH为SST的SST39LV016，SDRAM为ICSI的IS42S16400。



　　下面简要介绍一下牌照识别器的工作流程。系统上电，IP2022复位并进行网络操作系统初始化工作。初始化完成后，IP2022取得对FLASH操作的总线控制权，开始读取FLASH中的FPGA程序配置逻辑。FPGA电路配置完成后，IP2022向FPGA中的控制寄存器的相应控制位写一跳变脉冲复位DSP，并释放对FLASH的操作控制权。IP2022开始等待DSP启动的完成。

　　DSP的Reset脚连接到FPGA控制寄存器的对应控制位。DSP通过FPGA控制逻辑以DMA方式从FLASH中读取64K字节的程序。这64K程序中的引导程序负责把余下的DSP程序调度到SDRAM中。程序调度完成后，DSP释放对FLASH的总线控制权，并通知IP2022自己启动完成。DSP进入正常工作状态，通过12C总线设置SAA7111A，然后循环检查FPGA控制寄存器的状态位以等待汽车的到来。

　　DSP启动完成后，IP2022重新取得对FLASH的控制权，进入轮询状态监听以太网和UART口。此时，远程主机可以通过以太网口对系统进行调试，更新DSP或FPGA程序。

　　当汽车到来时，埋在地下的线圈便会触发，FPGA的控制寄存器的相应状态位发生变化。DSP检测到该变化时便向摄像机发送抓图命令。摄像机输出的模拟视频信号通过视频处理器进行A／D变换后，形成YUV数字视频信号，再通过FPGA逻辑传输到DSP的SDRAM中。DSP开始执行牌照识别算法，所识别的牌照号可通过串口或网口传送到主机。而抓拍的图像经过JPEG压缩后也可通过以太网传输到远程主机。

　　通过使用本文介绍的方案，原先需要通过专用通信链路进行数据传输的各种电子设备，现在只要在其中加上一个廉价的网络处理器，而无需昂贵的PC机或工作站就可以通过互联网进行数据传输。这就给电子设备的升级、维护等带来了极大的方便性和灵活性。可以预料，嵌入式互联网技术必将在各个领域得到更为广泛的应用。

　　参考文献

　　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