校園網組網方案的研究與設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 件產生的噪音外，比如電力線、變壓器和發電機等，線路自身的數據傳輸也會產生噪音。這一情況使得安裝和調試一個新硬件成為一種挑戰。在最壞情況下的可能影響，包括從傳輸燈亮時網絡的不穩定，到高速傳輸數據時的數據錯誤。 一種特殊級別的雙絞線名叫 5 類電纜，可以用于許多普通雙絞線難于應付的情況。 5 類線支持 100Mbit/s 數據傳輸，而出 錯概率很低。光纖線路也在以太網絡中得到應用，特別是在電磁干擾敏感的環境中，光纖是抗電磁干擾的，沒有輻射，防竊聽，完全適合極高速率的數據傳輸。 需要強調的是，以太網拓撲與其它網絡拓撲相比是非常不一樣的。拓撲選擇將影響布線的費用。以太網不是基于多跳的網絡，比如 10Base2 的雛菊鏈網。以太網拓撲組成的是星狀的配置。星上的每一個設備在物理上要么連在一個集線器上，要么連在一個交換機上。在以太網上，一個設備與另一個設備的通信起處于發送設備端，然后到它連接的集成器或交換機。 以太網有 2 種基于類型：平面式和多層結構式。 在一個平面式的以太網，連接在一個集線路上的所有設備可以看到這個集線器接角到的所有數據包。這還包括相互連接在一起的集線器上的所有設備。在多層結構式以太網中，由于集線路之間由交換機連接，只有連接在一個集一器上的設備可以看到那些包，此外，交換機還能決定哪些設備可以看到包，而哪些不能。 值得注意的是，不管是平面式還是多層結構式，以太網一個共同的好處是不會受故障設備所牽連；而在雛菊鏈網絡中，一旦 1 個網絡設備貪婪工作，其它網上設備的通信就無法進行了。在以太網的多層結構網中，數據沖突被最小化了。但它的最大不足就是線路總量 和安裝總費用增加了。 存儲器的考慮 對一個系統來講，選擇 RAM 是設計的一個很重要的方面，它會影響到產校園網組網方案的研究與設計 10 品的使用環境以及產品的全面的功能需求。應用本身往往會確定使用何種存儲器。其它因素和成本、實性、產品穩定性也會影響 RAM 的選擇。靜態 RAM以使用方便和速度快而著稱。例如， SRAM 的脈沖，通常由 1 個 2111 的周期組成，意味著它要用 2 個時鐘周期來取第 1 個長字，然后每 1 個時鐘周期取1 個。在設計中， SRAM 也易于實現。受限制的因素包括低密度的封裝以及較高的價格。 EDORAM和 DRAM在老一點的設計 中徑常見到。但由于這些類型的 RAM曼慢被淘汰，現在很少能見到了。而且 ,EDORAM 很難找到適合嵌入式設計的通用密度（ 2 或 8MB）。 SDRAM 是今天的智能網絡設備中最常見的 RAM。 SDRAM 可用性很好，與 SRAM 相比，每兆字節的成本比也不錯。處理器易于和 SDRAM 交互，而且 SDRAM 也能提高效率。 SDRAM 的脈沖周期如果為 3111，但 SDRAM第 1 個指令獲取之后，每下一個獲取必須與時鐘的上升沿步。 DRAM 在信號產生上有很地址和列地址之分。行地址和列地址在 DRAM 類型中都要給出來定位一個存儲器地址。 DRAM 還有刷新周期， SDRAM 有列地址延遲的值，以及需要存儲器控制器控制的其它信號。在處理器中集成一個 SRAM、 DRAM 和SDRAM 的控制器在做嵌入式設計時絕對會讓你受益非淺。 許多處理器需要一個負責內存遇像保存和程序執行的外部存儲器子系統。對于映像存儲，許多設備使用 Flash。 Flash 有 2 個大的供應商 AMD 和 Intel。Flash 本身與 RAM 來講是相對較慢的，因此，多數應用中，程序在 Flash 中的執行效率不高 —— 特別是在實時應用中。在大多數的設計中， 16 位的 Flash 用來降低成本，而通過在 RAM 中執行 映像文件，這種結構被采用后可以不影響產品的運行。 另一種非易失內存為電可擦除可編程只讀存儲器。 EEPROM 在許多應用中被用于為設備保存配置信息。這些參數通常至少包括 MAC 地址和 IP 地址。其它參數可包括子網掩碼、序列號、網關、波特率或其它板級參數。 EEPROM可以作為一個簡單靜態 RAM 類型設備來被設置和訪問。雖然 EEPROM 通常很慢，但它一般不會影響到嵌入式設備，因為它的主要用途是在啟動時提供參數。為了高效地選取 Flash 適應產品 ， Flash 的密度要決定好。決定一個系統中校園網組網方案的研究與設計 11 Flash 的大小，實際上就決定了設備的 材料消耗費（ BOM）。在 Flash 的問題上界限要很好地劃定：太少，則限制了軟件角度上的可裁剪性；太多，則為產品帶來了成本上不必要的增加。 增加價值的特性 許多工程開始就有一些限定的要求 —— 使一個產品更快地投放市場和保持一個合理的成本。當產品經受住市場的考驗時，產品修正需要從現存的硬件得到支持。這包括了在保證了附加軟件的設計中，能增加價值的特性。 錄找一個 TCP/IP 層內存需求羅小的操作系統，有助于將材料成本保持在一個較低的價位，因為它對內存的需求減少了。比如，使用 NetSilicon 的NET+OS 集成的硬件和軟件解決方案，操作系統和棧基本上只占用 240 KB的內存。加上 Web 服務器和 FTP 服務器，整個系統只需 310KB 就可以啟動了。 當有嵌入式 Web 服務器的時候，對于 Web 頁面的構建需要仔細考慮。普通的頁面設計，用來控制和監視， 350KB 以內的 Flash 仍能滿足使用。但當動態的 GIF 文件、復雜的徽標和 JPEG 文件被引進時，內存的需求會急劇增加。許多設計帶 FTP、 HTTP 和 Email 功能，加上客戶的應用， 甚至更少的 Flash 仍然放得下。放 1MB 的 Flash 在板子上可以在板子不用重新設計布線 的情況下增加有意義的特性。 RAM 用來執行指令和數據儲存。因此，最小的 RAM 也要是 Flash的大小加上數據內存和以太緩沖區的大小。有其它能影響 RAM 大小的考慮，比如，產品要不要在線升級。在有的機制中，比如 NetSilicon 公司的Net+Works 方案提供的 FTP 可升級特性， RAM 的大小需要是程序映像大小的 2 倍。比如，剛提到的 FTP 實現需要的一個保存新程序的緩沖區。這個緩沖區會通過網絡接收 1 個新的映像文件，然后將它保存在 RAM 的 1 個區校園網組網方案的研究與設計 12 里。升級例程然后會將新映像燒到 Flash 中。因此，在這個例子中，內存需求的 增加包括可執行代碼的大小、另外增加的用于暫時保存升級程序的緩沖區以及為數據和網絡緩沖區增加的空間。 最后，堆的大小一定要考慮，堆的大小會有很多職能，如對每一個 Socket連接分配內存。具體的例子，如 NET+OS 中，每一個 Socket 連接需要大約 400 字節。在這種情況下，通常用將執行文件大小加倍的方案來確定 RAM的大小。 執行、訪問和速度 在 Flash 中執行，對許多低端應用來說并不壞。如一個簡單的串口到以太網的網關設備，在 Flash 中運行通常不需要性能上的補償。有一些處理器，如NET+ARM，可以 利用內部產生的與 Flash 相關的信號來獲得效率。例如，對于一個 16 位的 AMD Fash 設備， Flash 的片選可以接地，從而在 100%的時間內，它都是活動的。當電源可以承擔這樣的消耗，此特性可以提高 Flash 的效率。 使能和輸出使能信號可以直接從處理器得到。例如， NET+ARM 處理器有5 個可用的片選。一個普通的寫使能和輸出使能存在于內存外設中。片選 0 通常用于 Flash。我們不將 NET+ARM 的片選 0 接到 Flash 上，也就是不用NET+ARM 的片選 0 的輸出使能和寫使能。與此對應，將 Flash 上的片選使能接地， 而同時寫使能和輸出使能用 NET+ARM 的 2 27 地址線來驅動。這樣，數據有效是依賴輸出使能而不是片選使能。從而，就可以繞過與 Flash 設備相關的幾個慢速訪問周期。 除了理解不同的類型和內存需求，找到正確的內存大小依賴于內存允許的訪問時間。內存速度直接影響傳輸率性能，而傳輸率直接影響到處理器能處理多少數據。內存慢導致取指令慢，接著就降低了整個產品效率。理解這些產品需求中的依賴性對建造一個嵌入式產品是必不可少的。要理解內存速度的需求，需要對 NET+ARM 了解得更詳細一些。 NET+ARM 的系統周期在它的總線主控 制者之間共享。也就是說，系統時鐘周期在 ARM7 內核和內部 10 通道的 DMA 控制器之間分享。在這樣的設計中， ARM 內核每得到一個時鐘周期，校園網組網方案的研究與設計 13 DMA 也同樣得到一個時鐘周期，在將總線交回下一個控制者之間，總線主控制者被允許可以突發至 4 個長字。 下一個較關鍵的性能是時鐘速度。 NET+ARM 通常使用 33MHz 的時鐘。這樣就給它的處理時間差據周期的單位數，將結果乘上 30ns，再將所得結果乘2，就得到了整個系統時鐘周期的時間。請注意每一個總線控制者都可以突發至 4 個字長或 16 個字節。整個系統周期基本上是 ARM、 DMA ARM、 DMA2，依次類推。我們看一下 DMA 通道 1（以太網接收通道），可以簡單地將每個系統周期移動 16 個字節轉換成每秒多少兆字節。 除了 Flash，附加的 NVRAM 有時會被忽略。 許 多 RTOS 廣商推薦使用一些如 EEPROM 的小型 NVRAM 設備來存儲配置信息。為了增強易用性， NetSilicon推薦用 EEPROM 來保存如 MAC 地址、序列號、 IP 地址一類的設備配置。當產品的 IP 地址或配置設定被改動時，程序可以簡單地將新的值寫到 EEPROM中，而不需要保存配置信息的 Flash 的該扇區重新擦寫。由于需要的 EEPROM的容量 通常較小，使用的 NVRAM 設備也是小設備。在 NetSilicon 公司的NET+ARM 開發包中，有針對 MAC 地址、 IP 配置、序列號的程序。利用這些工具可以大大地節省時間和開發精力。 板級部件之間的通信有一個通用的機制是內存映射。處理器通常有一個系統總線，由地址和數據總線組成，它們都會被用來與外設進行通信。內存，如Flash 和 SDRAM，一般會駐留在處理器的系統總線上。其它的外圍部件，如FPGA、 LCD 顯示、編碼器、其它類型的設備等，也會需要添加到這個總線上。 這 一類型的實現通常有 2 個原因：效率和易用性。與許多 其它類型的接口比較，系統總線上的效率是非常重要的。需要慎重考慮的是，究竟是何種其它外設是通過系統總線進行通信的。如果有許多高帶寬的部件要進行通信，那么總線爭用就會出現。從易用性角度出發，所有系統總線上的設備基本上類似于內存。使用智能的內存處理器，可以使得應用的硬件之間的通信容易得如同訪問一內存區。 緩存的概念，就是檢查每一次內存訪問，看它是否在緩沖區中。如果不是，一個常規的內存訪問會進行。如果該地址出現在在緩沖區中，指令或數據會直接在緩存中存取，而不需要嘗試總線來進行外部的訪問。這樣一來， DMA 控校園網組網方案的研究與設計 14 制器就可以 繼續使用總線而 ARM 內核直接從緩存控制器中取得指令。 其它網絡因素 以太網通信所需的包含 MAC、 PHY、 1 個電壓轉換器和 1 個連接器。選擇一個集成了 MAC 的處理器是非常有益處的，因為許多設計部件減少了。 在有外部 MAC 的情況下，有時附加的內存是需要的。通過集成 MAC，系統的成本也會跟著降低。 MAC 的主要任務包括處理以太網上的沖突情況。當偵測到一個沖突時， MAC 會將包放入發送單元，一直到將包發送出去為止。 許多應用為了與其它外設進行通信，既需要內部接口，也需要外部接口。內部接口通常是部件之間通信板 級接口。許多情況下，處理器的系統總線會用來為外設做內存映射，比如 USB、 LCD、 FPGA、 MPEG 編碼器等。 GPIO（通用 I/O）可以用來構造像串行 EEPROM 的接口設備。除了外部設備（如硬盤或相機）的接口，還可以用來做部件通信相關設備（如 Modem、 CODEC）接口。 對于很多類型的產品和部件，串行接口是常見的。串行拓撲，如 RS2342 485，在與外部設備通信時經常用到。用到 485 的有 2 個主要市場：工業自動化和樓宇控制。而現在以太網成了很多應用的常見連接方式，就像過去串行、并行連接一樣。無線以太網 又增添了遠程的應用和功能，使得以太網可以延伸到那些不可能布線或布線成本太高的地點。 和藍牙技術正在被不斷地改進。 重啟 重啟也是設計中的關鍵因素。理解什么類型的重啟可用，它們將對系統產生保種影響，以幫助設計者利用特定的情況。在 NET+ARM 芯片中，有 5 種重啟可以使用：加電重啟、通過 RESET 引腳的硬重啟、看門狗重啟、 ENI 重啟和軟件重啟。 ENI 重啟允許 NET+ARM 被一個外部處理器重啟。這是在 NET+ARM 作為一個協處理器負責網絡通信的情況下使用的。加電重啟、硬重啟和看門狗重校園網組網方案的研究與設計 15 啟都會 導致 NET+ARM 內部模塊重啟。但 ENI 重啟卻不會影響到 NET+ARM的內存控制器和 ENI 模塊本身。軟件重啟不會影響 ARM 處理器、 ENI 和內存模塊。通過了解可用的重啟類型，就可以在得啟個別部分時無須影響到整個系統。 有 2 點本文沒有討論，分別是電源的穩定性和設備失效后