嵌入式系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)接口擴展

針對所采用的 CPU 沒有 MMU，選用了目前在嵌入式系統(tǒng)中被廣泛使用的μClinux。μClinux 是從標(biāo)準(zhǔn)的Linux 2．0 內(nèi)核發(fā)展而來的，但其源代碼針對典型的嵌入式應(yīng)用已經(jīng)作了許多精簡和修改，使得其內(nèi)核比標(biāo)準(zhǔn)的 Linux 內(nèi)核要小很多，不過它仍然保留了標(biāo)準(zhǔn) Linux的主要特色。

目前最新的μClinux 版本已經(jīng)支持 S3C4510B 及典型開發(fā)板，如果所采用的 CPU 及開發(fā)板沒有被支持，應(yīng)根據(jù)實際情況移植。此外，由于在外部總線接了 CPLD和 FIFO，為了使應(yīng)用程序能訪問它，需要在μClinux 下開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動程序。

2 實時數(shù)據(jù)接口的擴展

2．1 應(yīng)用要求

將上述嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于實時多媒體數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，如圖2所示。這里的實時多媒體可以是 MPEG-4或 MPEG-2 等，其數(shù)據(jù)流一般是連續(xù)、恒定碼率的。

2．2 硬件擴展

根據(jù)上述數(shù)據(jù)流的特點，需在嵌入式系統(tǒng)與外設(shè)(編、解碼器)之間加入數(shù)據(jù)緩沖控制單元。對于發(fā)送端和接收端，數(shù)據(jù)緩沖控制單元的設(shè)計有所不同，下面以MPEG-2 為例說明。這里考慮系統(tǒng)的處理能力、網(wǎng)絡(luò)的承受能力以及圖像質(zhì)量，MPEG-2 的輸出為 4Mbps 的CBR(固定比特率)TS流。

2．2．1 發(fā)送端

編碼器送出連續(xù)、恒定速率的碼流。如果將此碼流直接送到 CPU 外部總線，將會導(dǎo)致操作系統(tǒng)頻繁地處理中斷，甚至?xí)a(chǎn)生中斷不能及時處理從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。因此，有必要在編碼器與外部總線之間加上 FIFO，同時用 CPLD 實現(xiàn) FIFO 的讀寫控制邏輯。編碼器送出的數(shù)據(jù)流連續(xù)不斷地以恒定速率寫入FIFO；當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)積聚到一定值后，每寫入若干個數(shù)據(jù)就向CPU發(fā)一個中斷；CPU在收到中斷后通過外部總線讀入相當(dāng)量的數(shù)據(jù)，并將其打包送入網(wǎng)絡(luò)。正常情況下，每個中斷讀數(shù)據(jù)個數(shù)是一定的，在一段時間內(nèi)FIFO寫入和讀出將維持平衡，且不會產(chǎn)生“饑餓”狀態(tài)；當(dāng)操作系統(tǒng)因處理別的任務(wù)而沒有及時響應(yīng)中斷時，F(xiàn)IFO將暫時進入“飽和”狀態(tài)，但只要FIFO容量足夠大就不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)溢出現(xiàn)象。由于CPU從FIFO讀取單位數(shù)據(jù)的速度大大高于外設(shè)向FIFO寫單位數(shù)據(jù)的速度，“飽和”狀態(tài)一般能消除。由此，可以解決前述問題。

2．2．2 接收端

在接收端，由于解碼器的輸入要求是一個連續(xù)、恒定速率的碼流，同樣要求在CPU外部總線與編碼器之間加上FIFO和CPLD。同時，接收端的數(shù)據(jù)包由于經(jīng)過了網(wǎng)絡(luò)，不可避免地會引入延時，且數(shù)據(jù)包之間的延時是不確定的，甚至?xí)a(chǎn)生數(shù)據(jù)包的丟失。這些都需要在接收端予以考慮，增加了接收端數(shù)據(jù)緩沖控制單元的復(fù)雜度。

為了解決數(shù)據(jù)包到達(dá)延時及抖動問題(數(shù)據(jù)包的丟失將間接導(dǎo)致延時的增加)，可以簡單地靠增大FIFO容量解決。但增大FIFO將意味著從編碼器到解碼器之間延時的增加，影響了實時性。因此，為了保證一定的實時性，同時考慮成本因素，不能單純靠增大FIFO解決。

由于FIFO容量的限制，在出現(xiàn)大延時的情況下，F(xiàn)IFO將可能出現(xiàn)“空”狀態(tài)。這意味著送給解碼器的數(shù)據(jù)流會有中斷，從而可能導(dǎo)致解碼器的不正常工作并可能不能恢復(fù)(在數(shù)據(jù)流恢復(fù)正常后)。為此，需要在FIFO出現(xiàn)“空”狀態(tài)之前，即處于“饑餓”狀態(tài)時(可以設(shè)置一個閾值)，由CPLD停止向FIFO讀數(shù)據(jù)而向解碼器發(fā)填充包。填充包中含有同步頭，可以維持解碼器的同步。短時間的插空包會使視頻圖像出現(xiàn)馬賽克，如果時間過長，可能會出現(xiàn)黑屏。在實際試驗中，接收端視頻的質(zhì)量與網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況有關(guān)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時，圖像會出現(xiàn)馬賽克，黑屏現(xiàn)象一般極少發(fā)生。

2．3 驅(qū)動程序

為了使μClinux下的應(yīng)用程序能通過外部總線訪問FIFO，需要編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序。驅(qū)動程序主要包括三個基本部分，即CPU相關(guān)寄存器的初始化設(shè)置以及CPU對外部I／O口的讀操作和寫操作。其中，初始化設(shè)置主要包括中斷號及其類型設(shè)置、外部I／O口數(shù)據(jù)位寬度和讀寫時序設(shè)置等。