網(wǎng)絡(luò)處理器IP2022及其在嵌入式牌照識(shí)別系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　介紹了Ubicom公司的最新網(wǎng)絡(luò)處理器IP2022以及專(zhuān)為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化而設(shè)計(jì)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)ipOS的特點(diǎn)。描述了如何在中ipOS下編制以太網(wǎng)應(yīng)用程序。給出IP2022在一個(gè)嵌入式牌照識(shí)別系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例。

　　隨著Internet技術(shù)的廣泛應(yīng)用，許多專(zhuān)家預(yù)測(cè)Internet技術(shù)將會(huì)無(wú)所不在，且是一個(gè)嵌入式技術(shù)。這就導(dǎo)致了一個(gè)需求，即在某些電子、電器設(shè)備中，以低成本去執(zhí)行物理層（PHY）與TCP/IP函數(shù)集。嵌入式互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可廣泛應(yīng)用于家電產(chǎn)品、安全設(shè)備、自動(dòng)售貨機(jī)、遠(yuǎn)程抄表以及工業(yè)控制等領(lǐng)域。

　　在大量的嵌入式應(yīng)用中，為物理層提供網(wǎng)絡(luò)連接是一個(gè)關(guān)鍵。然而TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的供應(yīng)商并沒(méi)有意識(shí)到這一點(diǎn)。通常，即使協(xié)議棧是以軟件形式執(zhí)行，接口也是以某種專(zhuān)用的硬件形式提供。Ubicom的網(wǎng)絡(luò)處理器IP2022已經(jīng)能夠執(zhí)行TCP/IP協(xié)議模塊，也能以軟件形式執(zhí)行物理口，例如UART、I2C等。隨著以太網(wǎng)MAC／PHY物理層接口需求的增長(zhǎng)，專(zhuān)為執(zhí)行以太網(wǎng)協(xié)議的軟件模塊(ipModule)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

　　1 1P2022介紹

　　IP2022是Ubicom公司的最新產(chǎn)品。IP2022芯片為網(wǎng)絡(luò)連接應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，十分適用于Internet基礎(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)橋／網(wǎng)關(guān)部分。使用Ubicom的預(yù)制軟件模塊和配置工具可以對(duì)芯片編程和重新編程，為多種設(shè)備間和人機(jī)間通訊應(yīng)用創(chuàng)建了真正的單芯片解決方案。

　　IP2022內(nèi)含兩個(gè)全雙工串化器／解串器(Ser／Des)硬件單元，能直接與各種常用網(wǎng)絡(luò)接口相連。這種功能使其能夠?qū)崿F(xiàn)片內(nèi)10 Base-T以太網(wǎng)、USB以及其它各種快速串行協(xié)議。由于擁有Ser／Des硬件單元，IP2022也便于從一種協(xié)議轉(zhuǎn)換到另一種協(xié)議，因而也能作為協(xié)議轉(zhuǎn)換器。

　　IP2022的軟件模塊包括10base-T以太網(wǎng)、USB、UART、I2C、SPI、并行從設(shè)備物理接口以及一個(gè)完整的TCP／IP堆棧。正在開(kāi)發(fā)的多種附加軟件可用于構(gòu)建完整的端到端連接解決方案。Ubicom的Internet處理器體系結(jié)構(gòu)和軟件模塊的組合創(chuàng)建了一個(gè)強(qiáng)大靈活的平臺(tái)，使設(shè)計(jì)人員能夠有信心跟上標(biāo)準(zhǔn)的更新與市場(chǎng)需求的變化，設(shè)計(jì)出用于未來(lái)的產(chǎn)品。

　　IP2022具有100MIPS的處理能力，并為通訊應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。它能夠在執(zhí)行應(yīng)用程序的同時(shí)，提供高速計(jì)算、靈活的I／O控制和高效的數(shù)據(jù)處理功能，因此可用于高性能物理接口和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)。IP2022的工作電壓為2．5V，芯片上帶有內(nèi)置的電荷泵，因此不需要為閃存編程而提供高電壓。

　　2 IP2022操作系統(tǒng)中OS簡(jiǎn)介

　　ipOS是Ubicom設(shè)計(jì)的可配置的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它是專(zhuān)為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而優(yōu)化的，然而不論在哪兒執(zhí)行通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，都存在一個(gè)問(wèn)題，就是如何最好地支持各種不同通信緩沖區(qū)／包(Buffer／Packet)的協(xié)議層。ipOS所采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)(Netbuf)為此類(lèi)問(wèn)題提供了一個(gè)有力且靈活的解決方案，與此同時(shí)達(dá)到了最少使用存儲(chǔ)器的目的。

　　ipOS支持單任務(wù)與多任務(wù)操作模式。要使用單任務(wù)模式可在配置工具中關(guān)閉多任務(wù)選項(xiàng)。在單任務(wù)模式下，需要盡可能快地輪詢調(diào)用每個(gè)物理接口和一些操作系統(tǒng)函數(shù)。由于僅有一個(gè)任務(wù)，在輪詢循環(huán)(Polling loop)中，任何被直接或間接調(diào)用的函數(shù)必須盡可能快地返回，因?yàn)檫@些函數(shù)阻礙了其它系統(tǒng)進(jìn)程的繼續(xù)進(jìn)行。函數(shù)在等待I／0時(shí)，不能阻塞進(jìn)程的執(zhí)行，這是最重要的。

　　3 10Base-T以太網(wǎng)的軟件執(zhí)行

　　3.1硬件需求

　　要給10Base-T以太網(wǎng)設(shè)置串化器／解串器(Ser／Des)，來(lái)自差分線接收器或片上比較器的輸人數(shù)據(jù)端應(yīng)連接到IP2022 Ser／Des接收器的輸入端，以太網(wǎng)的接收／發(fā)送信號(hào)要匹配Ser／Des指定的管腳。這些管腳通過(guò)一個(gè)帶有終端的變壓器連接到一個(gè)RJ45插座。IP2022與以太網(wǎng)接口連接示意圖如圖1所示。

　　在這個(gè)實(shí)現(xiàn)中，IP2022在單個(gè)芯片上從以太網(wǎng)MAC／PHY層到應(yīng)用層完成了網(wǎng)絡(luò)互連的所有方面。10Base-T以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)利用了IP2022片內(nèi)Ser／Des單元，從而使外圍器件最少。

　　IP2022工作電壓為2．5V。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，以太網(wǎng)接口需要5V電壓而IP2022  I／0卻工作在2．5V上，因此必須選擇一個(gè)正確轉(zhuǎn)換匝數(shù)的以太網(wǎng)變壓器。所選的變壓器或者能接受2．5V輸入，或者可在電路中插入一個(gè)5V的TTL緩沖器來(lái)允許使用1：1的變壓器。另一種方法是使IP2022的I／0工作在3．3V上，使用一個(gè)5V的CMOS緩沖器。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，選擇了一個(gè)1：1的變壓器，因?yàn)樗鼈兏踪?gòu)買(mǎi)，且價(jià)格合算；還有，大多數(shù)帶有內(nèi)置變壓器的RJ45連接器僅在較為流行的1：1轉(zhuǎn)換配置中有用，通過(guò)去掉電路中的緩沖器，可進(jìn)一步簡(jiǎn)化電路。