（通信与信息系统专业论文）网络中央控制系统的研究与设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文详细论述了“网络中央控制系统”产品的软硬件实现方案。该中央控制系统属 于新一代系统，比目前大量使用的产品有了很多实用的功能改进和技术创新，是新一代 产品的优选产品。解决了多媒体教室增加和电教管理人员缺乏的矛盾，实现多媒体教室 设备的自动化管理并简化设备运用的复杂程度。 课题进行中做了大量的软硬件工作，主要解决了以下重要问题： ( 1 ) 选择价格、性能都较为合适的器件，设计满足系统要求的硬件系统； ( 2 ) 制作灵活、紧凑的t c p i p 通信协议栈程序； ( 3 ) 设计友好的用户接口； ( 5 ) 实现u s b 、串口和网络接口命令的无缝结合； ( 6 ) u s b 接口的固件程序设计； ( 7 ) 系统抗干扰设计。 在完成系统整体应用功能设计的同时，还完成了以下几方面的特色没计： ( 1 ) 采用网络接口，使中央控制系统成为网络上的一个节点，实现了远程监控与管 理： ( 2 ) 该套网络中央控制系统采用了u s b 2 0 和串行接口的双重接口方案，简化了设备 的操作难度，并解决了相关的技术和成本问题，具有廉价、方便、快捷等优点； ( 3 ) 采用高性能、低功耗的a r m 7 嵌入式处理器，在降低降低了系统的成本同时， 加强了整个系统的数据处理能力和稳定性。 本课题所研制的网络中央控控制系统是一款新颖实用的产品，相信该产品未来可以 成为上一代中央控制系统的优选替换产品。同时，本课题作为一个实用工程，设计巾的 很多方法和思想为今后同类课题的研究提供了有价值的参考。 关键词：嵌入式系统：t c p l p ：u s b ；a r m ；多媒体教室 人连理上大学硕学位论文 ar e s e a r c ha n d d e s i g no fc o n t r o ls y s t e mb a s e do ne t h e m e t a b s t r a c t t h et h e s i sd i s c u s s e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o no fac o n t r o ls y s t e m b a s e do ne t h e m e ti nd e t a i l t h es y s t e mw i t hm a n y - u s e f u lf e a t u r e sc a nb ec l a s s i f i e dt oan e w g e n e r a t i o n i ti sap r e f e r e n t i a ls e l e c t i o nf o rt h ec o n t r o ls y s t e mo fn e x tg e n e r a t i o n ，b e c a u s ei t h a ss o l v e dt h ec o n f l i c t sb e t w e e nt h ei n c r e a s eo fm u l t i m e d i ac l a s s r o o ma n dt h el a c ko f a d m i n i s t r a t o r s f u r t h e r m o r e ，i th a sr e a l i z e da u t o m a t i cm a n a g e m e n to fm u l t i m e d i ac l a s s r o o m a n ds i m p l i f i e dt h ec o m p l e x i t yo fe q u i p m e n ta p p l i c a t i o n w eh a v ed o n eal o to fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ew o r kt os o l v es o m ec r u c i a lt e c h n i c a i p r o b l e m sa sf o l l o w s ： ( 1 ) w es e l e c tp r o p e ra p p a r a t u st om e e tt h es y s t e mr e q u i r e m e n to f h a r d w a r es y s t e m ( 2 ) w ep r o g r a mac o m p a c tt c p i pc o m m u n i c a t i o np r o t o c o ls t a c k r 3 1w ed e s i g naf r i e n d l yu s e ri n t e r f a c e ( 4 ) w ec o m b i n et h eu s b ，s e r i a li n t e r f a c ea n de t h e r n e ti n t e r f a c ec o m m a n d s ( 5 ) w ed e s i g nt h eu s bf i r m w a r ep r o g r a m ( 6 ) w er e a l i z et h ed e s i g no fa n t i - j a m m i n g t h e r ea r es e v e r a li u n o v a t i o n si nt h ep r o i e c t f i r s t l y ，w ea d o p ta ni n t e r f a c eo f e t h e m e tt or e a l i z er e m o t ec o n t r 0 1 s e c o n d l y ，w ea d o p ts e v e r a li n t e r f a c e s ，s u c ha su s b 2 0a n du a r ti n t e r f a c e ，t os i m p l i f y t h ed i f f i c u l t yo f i m p l e m e n t a t i o na n ds o l v et h et e c h n i c a lp r o b l e m s t h i r d l y ，w ea d o p ta r m 7m c u a st h ec o n t r o lc o r eo ft h es y s t e m w h i c he v i d e n t l y i m p r o v e st h ew h o l ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma n dr e d u c e st h ec o s t a tl a s tw em a k eac o n c l u s i o nt ot h et h e s i sa n dw eb e l i e v et h a tt h en e wc o n t r o ls y s t e m w i l lr e p l a c et h eo l dg e n e r a t i o ns y s t e mi nt h ef u t u r e a tt h es a u l et i m e ，a sap r a c t i c a lp r o j e c t ， t h e r ea r es o m ev a l u a b l ei d e a sa n dw a y sf o rf u t u r er e s e a r c h k e yw o r d s ：e m m b e ds y s t e m ；t c p i p ；u s b ；a r m ；m u l t i m e d i ac l a s s r o m 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特另t l d h 以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了讶 意。 作者签名1 社日期：血 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 睾五! 车 乞链主丕 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题简介 在科技迅猛发展的今天，新兴的多媒体教学技术手段越来越多地被应用到教学过程 中，成为当今教育的技术基础。由于多媒体教学能充分利用图像、声音等多媒体设备、 信息资源，大大丰富了教学内容，使得教学过程变得更加直观明了。因此，多媒体教室 已经成为学校教学必不可少的组成部分。但是随着多媒体教室的增加，特别是在各个综 合型高校中，和电教管理人员缺乏的矛盾日趋明显。如何实现多媒体教室设备的自动化 管理并简化设备运用的复杂程度逐渐成为多媒体教室应用的主要问题。 多媒体教学管理是一个较为复杂的工作，给管理人员日常管理工作带来了巨大的麻 烦。对于多媒体教学管理而言，应以保证设备安全，方便教师使用，充分发挥教学资源 的作用为出发点。实行科学的管理，涉及到多媒体教室设备控制、维护、安全，对教师 进行现代教育技术技能培训，多媒体教室技术服务，多媒体教学效果的研究等等诸多方 面。 本网络中央控制系统就是在基于解决上述矛盾的基础上立项研制的。后续章节将具 体介绍本系统的创新点以及主要技术细节。 1 2 多媒体教室发展历程 像众多事物一样，多媒体教室并不是直接出现的，而是经过了一个漫长而复杂的发 展过程。早期的教室并不能成为多媒体教室，先是由于教室大，学生多而使用了扩音设 备，继而由于老师的需要，增加了投影机，老师使用事先做好的胶片，投影到屏幕上， 上课效率有了提高。之后同样，老师使用了录像机，演示各种教学录像。各种设备汇合 到一起就组成了电化教室的雏形，其中包括了现在多媒体教室的部分设备，但是并不包 括现在多媒体教室的核心设备中央控制器，老师上课讲课时，如果需要使用什么设 备，只要打开相应的设备，对其直接操作或者是使用其遥控器即可，对于教室内环境也 并没有什么控制。 随着计算机的普遍使用，多媒体教室有了质的飞跃，计算机作为多媒体教室的演示 设备之一，同时也作为多媒体教室的控制设备，控制教室内各种音视频教学设备和环境 设备。教师的传统讲课方式有了一次较大的飞跃，不再以粉笔写字为主要讲课方式，而 是使用各种音、视频设备，一台多媒体计算机与一台大屏幕投影机连接，配以其他音频、 视频设备进行教学。这种模式适合于上大课，基本功能有：完成各种学科c a i 课件的演 示；计算机软件的教学；进行学术报告活动；通过调制解调器或集线器( h u b ) ，联入 网络中央控制系统的研究与设计 i n t e r n e t ，实现网络远程教学；播放电视节目，录像节目，以及近年来一些新的音视 频媒体，如c d 、v c d d v d 等：可对播放的节目进行录音、录像；可方便的对灯光、 通风条件等教学环境进行控制。但是计算机并不能直接控制各种教学设备和环境设备， 而是通过中央控制器进行了集中控制，计算机完成的只是和中央控制器之间的通讯。 1 3 传统多媒体教室使用中主要缺陷分析 由以上的论述，可以发现，传统的多媒体教室基本已经能满足教师教学使用的要求， 但是随之而来的多媒体教室的增加和电教管理人员缺乏及设备难以维护的矛盾日趋明 显，传统的多媒体教室已经无法解决此内问题。如何实现多媒体教室设备自动化管理成 为解决多媒体教室普及和应用的主要问题。下面将对影响多媒体教室设备管理的因素进 行分析： ( 1 ) 多媒体教室设备较多，比如：台式电脑、视频展台、投影仪、电动屏幕、音频 功率放大器、话筒、d v d 等设备，设备连接的越多操作就越复杂，产生错误的概率就 越大，给设备使用过程带来不可预测的问题也就越多。由于教师对设备使用的知识了解 不够，容易出现误操作，使设备过早损坏从而影响教学任务的完成，同时增加了维修费 用。 ( 2 ) 多媒体教室设备的控制工作实际上是简单的重复性劳动。教室上课前，在遇到 一些教师不熟悉系统的情况下，教学管理人员须打开设备，指导正确使用：在下课后， 教学管理人员检查教室设备关闭情况。由于多媒体教室必须满足教室同时使用多台设备 进行课堂教学的要求，因此在多媒体教室多而且有分散的情况下，教学管理人员就不得 不“楼上楼下”的跑。不难看出负责教学管理的人员始终干着开设备、关设备和维护设 备的简单重复性劳动，体现不出现代教育技术的优势。 ( 3 ) 高校很难建立一支较为合理、相对稳定的专业技术管理和维护队伍。而教室的 使用效率较高，出现故障率较大，多以多媒体教室的管理工作任务重，工作繁，时间长。 如果管理和维护不及时到位就会影响正常的教学秩序。 综上分析，多媒体教室设备正常运行是保障教学过程有序、高效的基础。因此，将 视频展台、投影仪、电动屏幕、音频功率放大器、话筒、d v d 等教学设备进行远程监 视和集中控制是电教管理的研究方向之一。将基于嵌入式微处理器和网络技术融合的多 媒体教室自动控制系统应用于多媒体教室管理上，将会为电教中心进行更加科学、高效 的管理提供一个良好的控制平台。 大连理工大学硕士学位论文 1 4 本人在课题中所做工作及课题的主要特点 本课题的主要特点是将基于嵌入式微处理器和网络技术融合于多媒体教室自动控 制系统中，为电教中心进行更加科学、高效的管理提供一个良好的控制平台。同时吸取 了多年来各代中央控制器的优点，实现了一套成熟、可靠的网络中央控制系统。 课题进行中做了大量的软硬件工作，主要解决了以下重要问题： ( 1 ) 选择价格、性能都较为合适的器件，设计满足系统要求的硬件系统： ( 2 ) 制作灵活、紧凑的t c p i p 通信协议栈程序； ( 3 ) 设计友好的用户接口； ( 4 ) 实现u s b 、串口和网络接口命令的无缝结合； ( 5 ) u s b 接口的固件程序设计； ( 6 ) 系统总体硬件和应用软件的设计； ( 7 ) 系统抗干扰设计。 同时，该系统有着以下显著特点： ( 1 ) 可靠、稳定的硬件系统：处理器是整个系统的控制主体，所有通讯及采集的数 据都将由它处理。处理器的处理水平和运行速度制约着整个系统运行的稳定性、可靠性 和实时性。同时作为一款通用的网络中央控制系统，需要处理器必须具有较为低廉的价 格。因此本系统选择了p h i l i p s 公司的a r m 7 微处理器l p c 2 1 0 3 ，因为本款a r m 7 芯片不 但有着较为强大的数据处理能力，同时具有稳定性好、体积小巧、价格低廉、技术资料 及支持较为丰富的优点。 ( 2 ) 高性能的控制接口：本系统具有本地的u s b 2 0 通信接口和支持远程的i n t e r n e t 网络接口。通过合理选择元器件和软件资源，解决了相关的技术和成本问题。u s b 接口 已经成为个人计算机的标准接口，本课题研制的网络中央控制系统只需用一条普通u s b 电缆就可将系统连接到计算机的u s b 接口上，所有的系统参数都可以直接通过p c 进行 设置，具有廉价、方便、快捷等优点。基于i n t e r n e t 的网络接口实现了本系统的远程 监视和集中控制功能。目前，随着互联网的发展与计算机的普及，t c p i p 协议正逐渐成 为一种通用的网络通讯协议标准。传统多媒体教室的中央控制系统都没有远程通讯接 口，每个教室只能独立运行。开发了具有网络接口功能的智能中央控制系统，使其成为 网络上的一个节点。管理人员可以通过网络监测、管理多个由此套系统构建成的多媒体 教室群，从而具有远程监控的能力，可以大大减少管理人员的工作量。 ( 3 ) 模块化设计：本系统从现代系统集成理论中发展了一套模块化设计思想，借鉴 了工业集散控制思想，设计了多个模块，单个模块都有不同的功能，用户可以根据具体 的需求构建自己的多媒体教室中央控制系统，既经济又实用。 网络中央控制系统的研究与设计 ( 4 ) 设备接口简单、标准：系统采用嵌入式组合式结构，微处理器完成所有的功能， 各种输入输出接口均采用标准接口，即使非专业人员也能轻松连接。 ( 5 ) 控制界面直观生动：上位机软件界面风格友好，控制键盘全部采用中文及图标 标识，美观简洁大方，每个按键都有相应的操作提示，操作轻松方便。 本课题所研制的网络中央控制系统是一款实用新颖的产品，相信能成为目前大量使 用的老一代中央控制系统的替代品。 1 5 论文章节的安排 论文以论述网络中央控制系统的软、硬件结构设计为主。论文第2 章整体介绍了网 络中央控制系统的功能、电气参数、使用方法、系统组成和各功能模块的作用；第3 章 详细介绍了硬件系统的设计方案、选型标准以及相关集成电路参数；第4 章介绍了系统 软件的功能和设计方法，重点叙述了一些特殊功能模块的编程方法和嵌入式t c p i p 协 议栈的移植；第5 章对网络中央控制系统中用到的提高系统可靠性的方法做了总结；第 6 章对整个课题作了总结和展望；附录中给出了论文中用到的核心控制原理图、音频切 换模块原理图、键盘和显示板电路原理图。 r 4 - - 大连理工大学硕士学位论文 2 系统总体设计 本章介绍系统的组成、各组成模块的具体功能，网络中央控制系统的电气性能、主 要功能。硬件电路器件选型和设计方法将在第3 章详细介绍，软件系统设计和程序流程 等内容将在第4 章详细介绍。 2 1 系统组成与功能 网络中央控制系统的功能模块以及外围设备的连接关系如图2 1 所示，完整的网络 中央控制系统有核心控制模块、外围模块( 音频切换、视频切换、r g b 信号切换等模块) 和相关的软件系统组成。 图2 1 系统功能框图 f i g 2 1f u c t i o no f t h es y s t e m 网络中央控制系统的研究与设计 2 1 1 系统硬件结构 从图2 1 中可以看出，网络中央控制系统是以中央控制模块为核心的多个功能模块 的有机接口体，而中央处理器使用采用a r m 7 内核、集成i 控制器、u a r t 控制器等功 能的低功耗嵌入式微处理器，再辅加上u s b 2 0 接口芯片和网络接口芯片。 u s b 及串行接口负责和p c 机联机，实现系统的参数配置和本地的操作，同时其中 一个串口还负责投影仪的控制，是整个系统的主要控制接口之一。 网络接口负责系统的远程监视和集中控制功能。主要解决了多媒体教室数目不断增 加且维护更为复杂，和电教管理人员缺乏的矛盾。实现了多媒体教室设备的自动化管理 并简化设备运用的复杂程度。 微控制器外挂专用的键盘管理显示驱动芯片，构成一块有2 0 按键和显示的控制面 板，网络中央控制系统的最终用户任课教师通可以过控制面板操作网络中央控制系 统，实现视频、音频信号的切换和系统开关机等功能。 为了简化外围设备，网络中央控制系统支持手持话筒外设。系统内部带有提供1 0 0 倍增益的放大电路，同时可以通过数字电位器调节输出信号的大小。 独立的音频切换模块，可以完成多路音频输入信号的切换和信号大小调节。该模块 采用的x 9 2 4 1 数字电位器可以完成切换后立体声的音量调节和2 路m i c 信号的音量调 节。同时采用了独立的模拟电源，与数字系统相连的控制信号完全用光耦隔离，大大降 低了数字电路对该模块的干扰。 视频切换模块采用n j m 2 2 9 6 专用芯片。该芯片抗干扰能力很强，较同类其它产品 价位低，是视频切换设备的优选解决方案。 由于系统同时具有数字和模拟两个部分，而且相互之间存在通信，为了解决数字部 分对模拟部分带来的干扰，整个系统采用了双电源设计，提高了系统的稳定性，降低了 数字模块对模拟模块的于扰。同时由于整个系统长时间的工作，而且系统外围设备的电 源都是由大功率继电器控制，在吸合的瞬间会产生强大的电磁干扰，若系统设计的不稳 定很容易造成系统重启，所以整个系统在多处采用了防于扰技术。 2 1 2 系统软件结构 系统软件主要分为两大类，第一内是运行在u s b 接口引擎中的固件代码，另一部 分是运行在微处理器中的代码。第一类代码主要是在c y p r e s s 提供的固件架构上改动 而成，实现了芯片的初始化配置。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 第二类软件是整个系统软件的核心部分，包括嵌入式t c p 仃p 协议栈代码、 r t l 9 0 1 9 a s 网络接口芯片的驱动代码、外围多个器件的通信接口代码和系统控制应用 层代码，每一部分代码的详细介绍参见本论文的第四章节。 2 1 3 系统功能 该套网络中央控制系统除了具有传统中央控制系统的功能外还有一些新的创新功 能：系统初始参数的在线设定、外围设备的监控保护、远程及本地的监控管理。下面简 要陈述本系统的创新点。 ( 1 ) 系统参数的在线设定：由于系统具有网络功能，所以在安装前要设定好系统的 网络i p 地址、m a c 地址、网关地址、n e n t a s k 等参数。同时由于中央控制系统要通 过串口2 控制投影仪的运彳亍，在此要设定串口2 的波特率和投影仪的开、关机码以及 r g b 、视频切换码。另外现在的视频展台有视频和r g b 两种接口，本系统为了提高兼 容性，同时兼顾了这两种接口，但在使用前要进行选择设定。用户可以通过u s b 接口 或者串口1 进行设定，在正常使用后，用户也可以通过网络进行上述参数的在线设置。 ( 2 ) 网络远程监视、控制功能：系统具有网络接1 2 1 ，配合远程服务器的控制软件， 可以根据每个教室的课程表，定时允许系统的开关机。当教室没有课程时，系统无法开 启，这样可以避免教学设备的乱用及教师下课离去时忘关机等问题。同时有了远程监视 和控制功能，当教师遇到问题了，管理人员可以远程协助教师解决问题，提高了管理人 员的工作效率。 ( 3 ) 外围设备的监控保护功能：该系统除了可以控制各种外围设备的运行外，还可 以监视保护外围设备，特别是对投影仪的保护。因为投影仪价格昂贵，操作不当易损坏， 特别是关机过程中，若在没有完全散热的情况下断开投影仪的电源，投影仪很容易因温 度过高而烧毁灯泡甚至内部电路。 2 2 整机电气参数 ( 1 ) 网络中央控制系统能在市电2 2 0 v 交流电情况下正常工作； ( 2 ) 系统电源输出标准为1 0 a ，2 2 0 v ； ( 3 ) 6x2 路音频矩阵切换，带宽为2 0 2 0 k h z ； ( 4 ) 4 x 2 路视频切换矩阵切换，带宽为1 0 0 m h z ； ( 5 ) 3 x 2 路r g b 信号矩阵切换，带宽为4 0 0 m h z 长线驱动； ( 6 ) 大气压力：8 6 - - 1 0 6 k p a ；相对湿度：3 0 9 5 ；环境温度：3 0 5 5 c 。 网络中央控制系统的研究与设计 3 系统硬件设计 3 1 系统硬件总体构成 本论文主要设计网络中央控制系统的软硬件，通过对传统中控的分析以及当前使用 的主要矛盾，将设计分为网络核心控制模块、音频切换模块、视频切换模块、r g b 信号 切换模块、红外信号收发模块、电源控制模块和多个检测模块( 温度、开关、电流等检 测模块) 组成。图3 1 是该系统的系统框图。由于红外信号收发模块、电源控制模块和检 测模块不是设计的重要部分，所以在此不作具体介绍。 。，! - j 图3 i 系统结构框图 f i g 3 1s y s t e ms t r u c t u r e 3 2 处理器选型 处理器是整个系统的控制主体，所有通讯及采集的数据都将由它处理。处理器的处 理水平和运行速度制约着整个系统运行的稳定性、可靠性和实时性。同时作为一款通用 的网络中央控制系统，需要处理器必须具有较为低廉的价格。此外，选择一款合适的处 理器，还需要考虑很多因素，包括处理器本身的参数、性能、处理器的开发环境，以及 各公司对各自处理器资料提供的详细情况、技术支持情况和网络资源情况。m i c r o c h i p 、 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 i n t e l 、a t m e l 、m o t o r o l a 、t i 、p h i l i p s 和a d 等公司生产的一些型号的处理器均被用作 对比。本设计最终选择了p h i l i p s 公司的a r m 7 处理器l p c 2 1 0 3 ，因为本款a r m 7 芯片不 但有着较为强大的数据处理能力，同时具有稳定性好、体积小巧、价格低廉、技术资料 及支持较为丰富的优点。 3 2 1a r m 的体系结构 a r m 处理器是典型的r i s c ( r e d u c e di n s t r u a i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集计算机) 处理器。传统的c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，复杂指令集计算机) 结构有其 固有的缺点，即随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集，为支持这些新增 的指令，计算机的体系结构会越来越复杂。然而，在c i s c 指令集的各种指令中，其使 用频率却相差悬殊，大约有2 0 的指令会被反复使用，占整个程序代码的8 0 。而余下 的8 0 的指令却不经常使用，在程序设计中只占2 0 ，显然，这种结构是不太合理的【l 】。 基于以上的不合理性，1 9 7 9 年美国加州大学伯克利分校提出r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns ac o m p u t e r ，精简指令集计算机) 的概念，r i s c 并非只是简单地去减少指令， 而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度上。r i s c 结构优 先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻址方 式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等措施来达到上述目的。 到目前为止，r i s c 体系结构也还没有严格的定义，一般认为，r i s c 体系结构应具 有如下特点： ( 1 ) 采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有2 3 种； ( 2 ) 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载存储指令可 以访问存储器，以提高指令的执行效率。 除此以外，a r m 体系结构还采用了一些特别的技术，在保证高性能的的提下尽量缩 小芯片的面积，并降低功耗： ( 1 ) 所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效 率； ( 2 ) 可用加载存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率； ( 3 ) 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理； ( 4 ) 在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。 当然，和c i s c 架构相比较，尽管r i s c 架构有上述的优点，但决不能认为r i s c 架 构就可以取代c i s c 架构，事实上，r i s c 和c i s c 各有优势，而且界限并不那么明显。现 网络中央控制系统的研究与设计 代的c p u 往往采用c l s c 的外围，内部加入了r i s c 的特性，如超长指令集c p u 就是融合 了r i s c 和c i s c 的优势，成为未来的c p u 发展方向之一。 3 2 2a r m 7 t d m i ( - s ) 介绍 a r m 7 t d m i 是目前底端的a r m 核，具有广泛的应用，其最显著的应用为数字移动电话。 a r m 7 t d m i 是从a r m 6 核发展而来的，弥补了a r m 6 的不足，且在短时间增加了6 4 位乘法 指令( 带m 后缀) 、支持片上调试( 带d 结尾的) 、高密度1 6 位的t h u m b 指令扩展( 带t 结尾的) 和e m b e d e d l c e 观察点硬件( 带i 结尾的) ，形成了a r m 7 t d m i 。a r m 7 t d m i ( s ) 是a r m 7 t d m i 的可综合( s y n t h e s i z a b l e ) 版本。a r m 7 t d m i ( s ) 处理器使用流水线来增加 处理器指令流的速度。这样可使几个操作同时进行，并使处理和存储系统连续操作，能 提供0 9 m i p s m h z 的指令执行速度【2 】。 ( 1 ) 指令流水线 流水线允许几个操作同时进行，以及处理和存储系统连续操作。a r m 7 t d m i ( s ) 使 用3 级流水线，因此，指令的执行分为3 个阶段：取指、译码和执行。当正常操作时， 在执行一条指令期间，其后续的一个指令进行译码，且第3 条指令从存储器中取指令。 3 阶段流水线如图3 2 所示。 ( 2 ) 存储器访问 a r m 7 t d m i ( s ) 处理器使用了冯诺依曼w o nn e u m a n n ) 结构，指令和数据共用一 条3 2 位总线。只有加载、存储和交换指令可以对存储器中的数据进行访问。数据可以 是8 位字节、1 6 位半字或者3 2 位字。字必须分配为占用4 字节，而半字必须分配为占 用2 字节。 ( 3 ) 存储器接口 a r m 7 t d m i ( ，s ) 的存储器接1 2 1 被设计成在使用存储器最少的情况下实现其潜能。速 度的关键控制信号是流水作业的，以允许在标准低功耗逻辑下实现系统功能。这些控制 信号方便了许多片内和片外存储器技术支持快速突发( b u r s t ) 访问模式的开发。 a r m 7 t d m i ( s ) 有4 种存储周期的基本类型：空闲周期、非顺序周期、顺序周期和协处 理器存储器传送周期。 ( 4 ) 嵌入式i c e r t 逻辑 嵌入式i c e r t 逻辑为a r m 7 t d m i ( s ) 核提供了集成在片调试支持。可以使用嵌入 式i c e - r t 逻辑来编写断点或观察断点出现的条件。 嵌入式i c e r t 逻辑包含调试通信通道( d c c ，d e b u gc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l ) 。d c c 用于在目标和宿主调试器之间传送信息。嵌入式i c e - r t 逻辑通过j t a g ( j o i n t t e s t a c t i o n 大连理工大学硕士学位论文 o r o u p ) 测试访问口进行控制。a r m 7 t d m i ( - s ) 有2 个指令集：3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集。 a r mt h u m b p cp c p c - 4p c - 2 p c 一8p c - 4 指令从存储器中取出 对指令使用的寄存器进行译码 从寄存器组中读出寄存器执 行移位和a l u 操作 寄存器写回到寄存器组 图3 2 指令流水线 f i g 3 2i n s t r u c t i o np i p e l i n i n g 3 2 3l p c 2 1 0 3 处理器介绍 l p c 2 1 0 3 是p h i l i p s 公司生产的一款带有一个支持实时仿真和跟踪的a r m 7 t d m i ( s ) c p u ，并嵌入了3 2 k b 高速f l a s h 存储器 3 】。与片内存储器控制器接口的a r m 7 局部总线、 与终端控制器接口的a m b a 高性能总线( a h b ) 和连接片内外设功能的v l s i 外设总线( v p b 、 a r ma m b a 总线的兼容超集) 。l p c 2 1 0 3 将a r m 7 t d m i ( s ) 配置为小端( 1 i t t l e e n d i a n ) 字节顺 序。1 2 8 位宽的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟频率下运行。 对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式，将代码规模减少超过3 0 ，而 性能的损失却很小。 由于l p c 2 1 0 3 具有非常小的尺寸和极低的功耗，因此他们非常适合于那些将小型化 作为主要要求的应用，例如访问控制和电子收款机。带有宽范围的串行通信接口和片内 8 k 的s r a m ，由于具有大的缓冲区规模和强大的处理能力，它们非常适合于通信网关和 协议转换器、软件调制解调器、声音识别以及底端的图像处理。而多个3 2 位和1 6 位定 时器、1 0 一b i ta d c 、p v b 4 输出和3 2 个g p l 0 使它们特别适合用于工业控制和医疗系统。 如图3 3 所示，除了内部包含一个由a r m 公司设计的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i ( s ) r i s c 处 理器核外，l p c 2 1 0 3 比较重要的功能如下所示： 网络中央控制系统的研究与设计 o 管舅趣锄井翔+ 图3 3l p c 2 1 0 3 方框图 f i g 3 3l p c 2 1 0 3b l o c kd i a g r a m 阿迪斯 ( 1 ) 1 6 3 2 位a r m 7t d m i s 微控制器，超小l q f p 4 8 封装； ( 2 ) 2 k b 4 k b 8 k b 的片内静态r a m 和8 k b 1 6 k b 3 2 k b 的片内f l a s h 程序存储器。1 2 8 位宽度接口加速器可实现高达7 0 m h z 工作频率； ( 3 ) 通过片内b o o t 装载程序实现在系统在应用编程( i s p i a p ) 。单个f l a s h 扇区或 整片擦除时间为l o o m s 。2 5 6 字节编程时间为l m s ； ( 4 ) 嵌入式i c er t 通过片内r e a l m o n i t o r 软件提供实时调试； ( 5 ) 1 0 位a d 转换器提供8 路模拟输入( 每个通道的转换时间低至2 4 4 u s ) ，以及 特定的结果寄存器来最大限度地减少中断开销； 大连理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 2 个3 2 位定时器外部事件计数器( 带7 路捕获和7 路比较通道) ： ( 7 ) 低功耗实时时钟( r t c ) 具有独立的电源和特定的3 2 k h z 时钟输入； ( 8 ) 多个串行接口，包括2 个u a r t ( 1 6 c 5 5 0 ) 、2 个高速1 2 c 总线( 4 0 0 k b i t s ) 、s p i 和具有缓冲作用和数据长度可变功能的s s p ； ( 9 ) 向量中断控制器r ( v i c ) ，可配置优先级和向量地址； ( 1 0 ) 多达3 2 个通用i o 口( 可承受5 v 电压) ； ( 1 1 ) 多达1 3 个边沿或电平触发的外部中断管脚； ( 1 2 ) 通过一个可编程的片内p l l ( i o o u s 的设置时间) 可实现最大为7 0 m h z 的c p u 操作频率，其具有1 0 m h z 2 5 m h z 的输入频率； ( 1 3 ) 片内集成振荡器与外部晶体的操作频率范围为l 2 5 m h z ： ( 1 4 ) 低功耗模式包括空闲模式、掉电模式和带有效r t c 的掉电模式； ( 1 5 ) 可通过个别使能禁止外围功能和外围时钟分频来优化额外功耗： ( 1 6 ) 通过外部中断或r t c 将处理器从掉电模式中唤醒。 l p c 2 1 0 3 的具体信息详见参考文献【”。 3 3 网络接口电路设计 i s o ( 国际标准化组织) 定义的o s i 网络模型中的数据链路层又被划分为l l c 和 m a c 两个层。l l c 子层( 逻辑链路层) 建立并终止逻辑链路，控制帧传输，帧排序，确认 帧和再次传输非确认帧。m a c 子层( 介质访问控制层) 存取网络媒介，检查帧错误，并管 理接收帧地址确认。在o s i 网络体系结构中，m a c 子层由网络接口芯片实现，l l c 子层 由传输驱动程序实现。 t c p i p 协议和以太网协议是使用能够最为广泛的通讯协议，而底层以太网漭议的实 现由以太网控制器来负责，目前比较常用的嵌入式以太网控制芯片有r t l 8 1 0 9 a s 、c s 8 9 0 0 等。在此设计中选择了r t l 8 1 0 9 a s 以太网控制芯片。 3 3 1r t l 8 1 0 9 a s 简介 r t l 8 0 1 9 a s 是一种高度集成的以太网控制芯片，能简单的实现p l u ga n dp l a y 并兼 容n e 2 0 0 0 4 i 。在全双工模式下，如果是连接到一个同样是全双工的交换机或集线器，就 可实现同时接收和发送。这个特性虽然不能把传输速率从l o m b p s 提高到2 0 m b p s ，但 是在执行以太网c s m a c d 协议时，可以避免更多的冲突的发生。而m i c r o s o f t sp l u ga n d p l a y 功能就可以为用户减轻对资源配置的烦恼( 如m q 、i oa d d r e s s 等) 。又或者是在一 些特殊的场合，为了对一些不支持m i c r o s o f t sp l u ga n dp l a y 的器件的兼容，r t l 8 0 9 1 a s 还可以选择跳线模式或非跳线模式。其特性如下所示： 网络中央控制系统的研究与设计 ( 1 ) 支持p 1 1 p 自动检测模式； ( 2 ) 支持e t h e m e ti i 和i e e e 8 0 2 31 0 b a s e 5 ，1 0 b a s e 2 ，1 0 b a s e t ； ( 3 ) 软件兼容8 位或】6 位的n e 2 0 0 0 模式； h ) 支持跳线和非跳线模式； ( 5 ) 支持在非跳线模式下的m i c r o s o f t sp l u ga n dp l a y 配置； ( 6 ) 支持在全双工模式下的双倍信道带宽； ( 7 ) 支持u t p 、a u i 、b n c 的自动检测； ( 8 ) 在1 0 b a s e t 下支持自动极性修正； ( 9 ) 支持8 路中断请求( i r q ) ( 1 0 1 支持1 6 位i o 地址； ( 1 1 ) 内建1 6 k s r a m ： f 1 2 ) 支持四盏可编程诊断l e d 。 r t l 8 0 1 9 a s 内部功能框图如图3 4 所示。 网络数铤 f i f 0 r i s a 总线接口 一 1 6盥一 1 一 、 一 yr _ 本地d 姒l 爨 1 6 位监 l 远程1 ) y ti 甥系统i o 潲疆 璺 崮 囊 餐 餐型 裂 剖 z e xs s 埘b j 魁爰 ， 叫p 。 li 暂掇枯嵌 图3 4r t l 8 0 1 9 a s 功能框图 f i g 3 , 4r t l 8 0 1 9 a s b l o c kd i a g r a m 如图3 4 所示，r t l 8 0 1 9 a s 芯片内部集成了d m a 控制器、i s a 总线控制器和集成 1 6 ks r a m 、网络p h y 收发器。用户可以通过d m a 方式把需要发送的数据写入片内 s r a m 中，让芯片自动将数据发送出去；而芯片在接收到数据后，用户也可以通过d m a 方式将其读出。 大连理工大学硕士学位论文 m a c 逻辑完成以下功能：当处理器发送数据时，先将一帧数据通过远程d m a 通道送 到r t l 8 0 1 9 a s 中的发送缓冲区，再发出传送命令：再开始此帧的发送 r t l 8 0 1 9 a s 的详细介绍请见r t l 8 0 1 9 a s 数据手册【4 1 。当r t l 8 0 1 9 a s 完成了上一帧的 发送后，再开始此帧的发送。r t l 8 0 1 9 a s 接收到的数据通过m a c 比较、c r c 校验后，由 f i f o 存到接收缓冲区；收满一帧后，以置位中断寄存器标志的方式通知处理器。f i f o 逻辑对收发数据作1 6 字节的缓冲，以减少对本地d m a 请求的频率。 3 3 ，2r t l s 0 1 9 a s 内部存储器1 4 j r t l s o l 9 a s 片内寄存器分为n e 2 0 0 0 寄存器和p n p 寄存器组。n e 2 0 0 0 寄存器组分为4 页，都映射到1 6 个i o 地址空间上。主机通过命令寄存器( c r ) 中的p s o ，p s i 位来寻址 不同的页，通过1 6 位i o 口地址来寻址页内寄存器。寄存器地址如表3 1 所示。 表3 1 寄存器地址 t a b 3 ir e g i s t e r sa d r e s s 网络中央控制系统的研究与设计 3 3 3r t l 8 0 1 9 a s 的逻辑功能例 r t l 8 0 1 9 a s 以太网控制器可以与n e 2 0 0 0 软件兼容。它的逻辑功能分为以下几个部 分： ( 1 ) 接收逻辑：实现接收过程由串行到并行数据转换，在每次接收脉冲之后将一个 字节数据送入1 6 字节f i f o 中，将检测到帧定界符后的6 个字节送到地址识别逻辑比较； ( 2 ) c r c 产生校验逻辑：在发送过程中用c r c 算法对数据帧进行计算，在数据域后 将产生的c r c 码发送到接收过程，对接收帧进行c r c 校验； ( 3 ) 发送逻辑：实现在发送过程从f i f o 读取并行数据并转换成串行位流发送出去， 在每个数据帧发送之前，自动加入6 4 位的帧前同步字符序列，在