嵌入式微控制器通過無線網(wǎng)卡接入網(wǎng)絡的方案比較

1、嵌入式微控制器通過無線網(wǎng)卡接入網(wǎng)絡的方案比較作者：胡雙喜、 吳長奇 、王毅單位：燕山大學 信息科學與工程學院轉載： 發(fā)布時間：2008-09-26引言 目前, 嵌入式系統(tǒng)已成為當前的技術熱點之一,也是目前國內(nèi)外一個十分時髦的技術用語。它集成了計算機技術、通信技術、半導體微電子技術等先進技術，屬于技術密 集, 充分體現(xiàn)出當代最新技術的知識密集型系統(tǒng)。但是對于嵌入式微控制器的資源來說，它是非常有限的，不能像計算機的資源那樣可以隨意使用，所以對于設計方案的 選擇尤為重要。而且現(xiàn)在系統(tǒng)的構建都趨于網(wǎng)絡化，目的是能夠實現(xiàn)工作效率的提高和資源的共享，網(wǎng)絡化勢在必行?；诖?，本文主要就對嵌入式微控制器通過無

2、 線網(wǎng)卡接入網(wǎng)絡的方案進行比較研究。 無線網(wǎng)絡的接入采用無線網(wǎng)卡的方式。無線網(wǎng)卡主要有三種，分別是基于pci、pcmcia、usb總線的無線網(wǎng)卡。對于不同的網(wǎng)卡進行組網(wǎng)，其在總線的性 能指標、硬件電路設計實現(xiàn)的復雜程度、軟件開發(fā)復雜程度、占用系統(tǒng)資源、可集合度和傳輸方式等都是不一樣的。本文就從這幾個方面對于嵌入式微控制器通過各 種無線網(wǎng)卡接入網(wǎng)絡方案的復雜度和綜合進行比較，總結各種方式的優(yōu)缺點，為選擇一種比較合適的組網(wǎng)方式進行實驗提供了合適的選擇和參考。1 三種接口方式的簡介及其總線性能1.1 pci接口 pci(peripheral component interconnect, 即外圍部件

3、互連)總線作為一種先進的高性能32/64位局部總線，非常適合于顯示卡、網(wǎng)卡、多串口卡等高速外設，連接到pci總線上的設備分為主控設備和 目標從設備兩類，接口設計成為pci總線與設備進行溝通的橋梁，但是pci總線的規(guī)范十分復雜。表1簡單介紹了pci主要接口信號的定義。1.2 pcmcia接口 pcmcia（personal computer memory card international association）是一個國際標準組織。由于pcmcia卡具有重量輕、方便靈活的特點，所以在生活中應用廣泛，同時也是嵌入式平臺下開發(fā)無線網(wǎng)絡 很好的產(chǎn)品。pcmcia接口信號定義有3種模式：存儲器模式、

4、輸入輸出模式、卡總線模式，每種模式下的接口信號定義都有所不同。pcmcia 無線網(wǎng)卡是 type ii 類型的卡，接口信號定義屬于輸入輸出模式，詳細的 68 針腳定義可參考pc卡規(guī)范。表2 給出了pcmcia主要接口信號的定義。表1 pci主要接口信號 通用串行總線（universal serial bus usb）,是一種快速、靈活的總線接口。與其它通信接口相比，usb接口的最大特點是易于使用，這也是usb的主要設計目標。最近幾年逐步在pc領域廣為 應用的新型接口技術。usb接口通用性好、實時性強、傳輸方式多樣、成本低、支持即插即用易于擴展且便于使用等優(yōu)點。1.4 三種總線性能比較 描述總線

5、性能的指標主要有： （1）總線寬度：傳輸線路的位寬，由數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線組成。（2）總線頻率：單位時間內(nèi)動作的次數(shù)，即總線工作頻率，以mhz為單位。 （3）總線傳輸速率：單位時間傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，以每秒傳輸多少兆字節(jié)(mb/s)為單位。 （4）總線負載能力：可連接的擴展板的數(shù)量。 具體比較如表3所示： 總線負載能力 可支持10個外部設備 可支持10個外部設備 可支持127個外部設備 2 對于硬件實現(xiàn)方法和電路復雜程度比較2.1 對于三種接口實現(xiàn)的方案比較 pci接口的有效方案，可采用可編程邏輯器件或專用 pci 接口芯片這兩種方法來實現(xiàn)。對于pcmcia接口的有效方案，可采用可編程邏輯器

6、件，采用專用 pcmcia 接口芯片或采用組合邏輯電路三種方法來實現(xiàn)。usb接口的實現(xiàn)，可采用帶有usb接口的微控制器或專用usb接口芯片來實現(xiàn)這兩種方法。 2.2 硬件電路實現(xiàn)比較2.2.1 基于pci無線網(wǎng)卡的硬件電路實現(xiàn) pci接口實現(xiàn)方式從硬件角度來考慮，相應的接口信號線，通常分為必備的和可選的兩大類。如果作為目標的設備，正常情況下至少需要47條信號線；若作為主 設備則至少需要49條信號線。但是有一些信號線，可以因為實際的情況而論，如停止信號線stop、錯誤報告線perr、serr等。這里作為主設備對 pci無線網(wǎng)卡的收發(fā)進行控制，需要用的信號線如圖1、圖2所示，有數(shù)據(jù)地址復用信號線a

7、d31:00、總線控制/字節(jié)使能復用信號線c /be3:0、ad31:00和c/be3:0的數(shù)據(jù)校驗位par，幀周期信號線frame、主設備準備好信號線 irdy、目標設備準備好信號線trdy、初始化設備選擇信號線idsel、總線占用請求信號req線、總線授權信號線gnt、系統(tǒng)時鐘信號線clk、復 位信號線rst。圖1所示是使用可編程邏輯器件來實現(xiàn)嵌入式微控制器通過pci無線網(wǎng)卡接入無線網(wǎng)絡的方案。 采用cpld實現(xiàn)微控制器與pci總線接口的并行通信，優(yōu)點是集成度高，可將地址邏輯、接口控制邏輯、緩存等集成在一片芯片中，修改配置靈活電路結構簡 單、體積小，一片cpld芯片足夠，并且控制方便，實時

8、性強，通信效率高。但是pci協(xié)議比較復雜和極高的時序要求，必然要求將大量的人力、物力投入到紛 繁的邏輯驗證和時序分析工作上，設計難度大、開發(fā)周期長。對于一般的產(chǎn)品設計或是有時限的工程項目，不建議采用本方案。 圖2所示為使用pci專用芯片s5933來實現(xiàn)嵌入式微控制器通過pci無線網(wǎng)卡接入無線網(wǎng)絡的方案。 采用專用 pci 接口芯片來設計時不用過多關心 pci 總線內(nèi)部操作，只需處理好本地總線接口即可，設計相對簡單省時，是多數(shù)自研發(fā)設計者選擇的設計方法。因為這里需要的是pci的主設備，所以需要選取可以作 為主接口的專用芯片，可以選用amcc的s5933。s5933是最早設計的pci控制器件之一，

9、被廣泛用于pci接口的設計中，技術較成熟，功能完善。 s5933既可作為pci總線的從設備接口,也可作為系統(tǒng)的主設備接口,最大傳輸速率可達132mb/s(32位數(shù)據(jù)總線)。這里利用它的三種通道之一的 fifo(first in first out)通道。它的控制邏輯簡單,使用fifo,s5933既可作為pci總線的主設備接口也可作為從設備接口，使用dma傳輸方式。 對于在s5933和微控制器互連上，設計者也可以根據(jù)微控制器性能加上fifo芯片或是sram緩存和cpld的組合，從而達到更好更穩(wěn)定的效果。2.2.2 基于pcmcia無線網(wǎng)卡的硬件電路實現(xiàn) pcmcia接口實現(xiàn)方式從硬件角度來考慮，

10、相應的接口信號線，一般需要52條信號線。不過有一些信號線也可以根據(jù)實際的情況而論，如部分地址信號線、外 部等待信號線newait、中斷請求信號線xintreq、i/o端口為16位信號線iois16等。這里對pcmcia無線網(wǎng)卡的收發(fā)進行控制，需要用 的信號線如圖3所示，有數(shù)據(jù)信號線d15:0、地址信號線a10:0、復位信號線reset、輸出使能信號線oe、輸入使能信號線we、 i/o讀信號線iord、i/o寫信號線iowd、卡使能信號線ce2:1。對于采用可編程邏輯器件和專用芯片的方式有些類似于pci無線網(wǎng)卡，這里就不做詳細比較，主要介紹采用組合邏輯電路的方式。圖3所示為采用組合邏輯電路來實現(xiàn)

11、嵌入式微控制器通過 pcmcia無線網(wǎng)卡接入無線網(wǎng)絡的方案。 采用組合邏輯實現(xiàn)的方案相對來說比較簡單一些，它只需要由一些組合電路構成，但是要實現(xiàn)組合電路的設計要求設計人員對pcmcia協(xié)議的很好理解。設計中 用了兩片74lvt244a芯片和一片sn74lvt16245芯片作為pcmcia接口到處理器總線的隔離緩沖器，功能是可以避免pcmcia接口在熱 插拔過程中對處理器總線可能造成的傷害。ce1和ce2卡使能信號可以選擇進行操作的位數(shù)及用幾個74ls32組成的邏輯控制電路實現(xiàn)對讀寫信號進行控 制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。2.2.3 基于usb無線網(wǎng)卡的硬件電路實現(xiàn) 對于usb無線網(wǎng)卡，在硬件的連接上看

12、，肯定是最簡單的。因為它只有4條信號線，電源信號線vbus、地信號線gnd、數(shù)據(jù)線d+、d-。實現(xiàn)usb接口 的有效方案雖然有兩種，但是現(xiàn)在對于用來實現(xiàn)作為usb主控制器來說只能通過使用主控制專用接口芯片來實現(xiàn)。 圖4所示為采用usb主/從控制芯片sl811hs來實現(xiàn)嵌入式微控制器通過usb無線網(wǎng)卡接入無線網(wǎng)絡的方案。 設計的是微控制器對無線網(wǎng)卡進行控制，微控制器必須作為主機，所以必須采用能夠作為主機的控制芯片，也就是能實現(xiàn)otg（on-the-go）協(xié)議的芯 片。可以采用現(xiàn)在使用最多的sl811hs或是ch375。經(jīng)過串并轉換，再對控制信號進行控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。3 系統(tǒng)軟件設計復雜性比較3

13、.1 基于pci無線網(wǎng)卡的軟件設計 對于使用可編程邏輯器件來實現(xiàn)的，對于pci網(wǎng)卡編程重點就是在于利用硬件電路語言編程調(diào)試好pci協(xié)議的時序和進行無線網(wǎng)卡的驅動。使用專用芯片來實現(xiàn) 的就是對網(wǎng)絡接口控制芯片中各種寄存器進行編程控制,從而完成數(shù)據(jù)分組的正確發(fā)送和接收。軟件程序主要分為兩大部分，一是對s5933芯片的pci端配置 寄存器和本地端配置寄存器進行正確的編程配置：二是網(wǎng)絡通訊，包括網(wǎng)卡初始化、發(fā)送控制和接收控制3部分。pci設備功能驅動程序中，需要處理pci設備的內(nèi)存、端口的讀寫、中斷處理和dma數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)pci設備的功能。這里就是實現(xiàn)pci無線網(wǎng)卡通信的功能。3.2 基于pcmci

14、a無線網(wǎng)卡的軟件設計 對于pcmcia接口和pci接口的類似，對于使用可編程邏輯器件和專用芯片來實現(xiàn)的可以借鑒于上面基于pci的論述。對于使用邏輯電路來實現(xiàn)pcmcia接口的只需要對pcmcia無線網(wǎng)卡的驅動。 pcmcia接口的驅動程序可分為3個部分：最底層是“插口”驅動層（socket driver），第二層是pc卡服務層（card services），最上層是pc卡客戶層（card client），給pc卡提供一個統(tǒng)一的應用工具。每一層都通過標準api接口對為上層提供服務。最上層的應用軟件也是通過應用層api函數(shù)實現(xiàn)pc cards 的讀寫操作。3.3 基于usb無線網(wǎng)卡的軟件設計 硬件

15、實現(xiàn)的簡單必然會使軟件實現(xiàn)變得復雜一些，工作量更大一些。對于usb-host的控制器，主要是采用基于usb2.0協(xié)議（on-the- go）usb補充協(xié)議進行usb-host控制器的主控制器驅動程序、usb核心驅動程序、用戶程序和類協(xié)議驅動程序的編寫。這里采用的是sl811hs 專用主/從控制芯片來實現(xiàn)，就是對usb無線網(wǎng)卡要能讀或寫數(shù)據(jù)。對于驅動子程序模塊之間層次關系如表4所示。 總結以上軟件設計的比較，總的來說對于pci、pcmcia無線網(wǎng)卡重點要實現(xiàn)的就是對時序的控制和對于層次的驅動，usb網(wǎng)卡需要對協(xié)議的很好理解和需要編程的部分比較多，相對難度要大一些。4 基于三種無線網(wǎng)卡接入網(wǎng)絡的綜

16、合比較 隨著社會對嵌入式系統(tǒng)設計要求越來越高，小型、高效、易用、方便是系統(tǒng)研究設計的目標。對于三種無線網(wǎng)卡，可集合度和占用系統(tǒng)的資源的大小也是我們必須考 慮的一個方面。可集合度這里指的是網(wǎng)卡的大小、形狀、重量和靈活性對系統(tǒng)構成的影響。首先從大小、形狀和靈活性上看pci無線網(wǎng)卡在于體積上是最大的，形 狀不利于集合，靈活性較差的一種；pcmcia的大小次之，形狀規(guī)則靈活性好利于集合；usb大小是最小的，形狀靈活性對于集合使用很方便。對于傳輸方式 而言，pci、pcmcia接口的只能實現(xiàn)單一的傳輸，對于usb接口可以實現(xiàn)控制、中斷、批量和同步傳輸。器件對gpio資源的要求是選擇微控制器一個 很重要的

17、指標，pci無線網(wǎng)卡連接微控制器至少需要37個i/o口；pcmcia連接到微控制器至少需要39個i/o口；而usb無線網(wǎng)卡微控制器僅需要 14個i/o口，對于微控制器的要求最低。基于以上的比較，可以得出其應用的綜合比較，如表5所示。 對于嵌入式系統(tǒng)的研究，它的研究發(fā)展前景和研究意義都是需要考慮的很重要的一方面。在無線組網(wǎng)中，使用基于pci總線或是pcmcia總線的網(wǎng)卡研究相對 比較成熟，對于usb總線的網(wǎng)卡研究還很少。而且要想實現(xiàn)usb設備之間的通信，微控制器必須作為主機。usb的主控制器的研究也是嵌入式應用在usb領 域的新的興奮點，有著非常好的發(fā)展前景。 通過以上對三種總線的無線網(wǎng)卡的總線

18、性能、接入無線網(wǎng)絡的軟硬件的復雜度、可集成度、占用資源的大小、應用范圍和研究意義，我們可以看出，不同的無線網(wǎng)卡各有各的特點，對于系統(tǒng)的構成可依據(jù)不同的需要進行選擇。5 結束語 本文對嵌入式微控制器通過常用的基于pci、pcmcia、usb三種總線的無線網(wǎng)卡接入網(wǎng)絡方案中對各種性能要求和復雜度進行了詳細分析和比較，得出了 各自的性能特點，為以后此類系統(tǒng)的設計中在系統(tǒng)器件和組成方式的選擇上提供了參考。對于各種構成方案各自不同的性能特點，我們在選擇設計方案的時候需要認 真考慮，仔細權衡。參考文獻 1 張聚，李驛華. 高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的pci接口設計j. 電子測量技術,2006.30.（3）:83-84. 2 曹寧，汪飛. 高速pci總線接口卡的開發(fā)m. 電子技術應用, 2004 .7. 3 bates, r jwireless network communications, concepts，technology, and implementationz.isbn:0-07-004674-3 4 高建華. 一種基于cpld的單片機與pci接口設計解決方案j. 微計算機信息, 2006(2