基于嵌入式PC的PIII計算機系統設計實現

目前嵌入式計算機系統應用呈現多樣化、小型化、多層次的趨勢，在工業現場和軍事用途中扮演著越來越重要的角色。隨著各種應用對操作系統和軟件要求的日益提高，使得具有廣泛適應性的ＰＣ構架的嵌入式計算機系統倍受青睞。尤其是Ｃｏｍｐａｃｔ ＰＣＩ總線在工業和軍用領域的廣泛應用，為ＰＣ構架的嵌入式計算機系統提供了更多的應用環境。然而，對于一個計算機系統來說，主機的開發周期一般都較長，也較為復雜。ＣｏｍｐｕＬａｂ公司開發的系列嵌入式ＰＣ模塊為開發ＰＣ構架的嵌入式計算機系統提供了新思路。即以嵌入式ＰＣ為核心，通過各種總線橋接電路開發出適應各種總線要求的嵌入式計算機；同時也為迅速提高各種嵌入式計算機系統的性能提供一條行之有效的途徑。 本文介紹以ＣｏｍｐｕＬａｂ公司的系列嵌入式ＰＣ模塊為核心的嵌入式計算機系統的一個設計實例。
ＣｏｍｐｕＬａｂ ７８６ＣＯＲＥ
以色列公司ＣｏｍｐｕＬａｂ生產的７８６ＣＯＲＥ是一種小型的、功能很強的高性價比單板嵌入式ＰＣ模塊?熕?適用于各種以ＰＣ構架為基礎的嵌入式應用中。７８６ＣＯＲＥ配置了運行ＷＩＮＤＯＷＳ、Ｌｉｎｕｘ、ＶｘＷｏｒｋｓ和ＤＯＳ等操作系統所需的各種芯片組，并配備了相應的ＢＩＯＳ。
嵌入式ＰＣ模塊７８６ＣＯＲＥ具有體積小、功能強等特點。整個模塊面積僅９９ｍｍ×６９ｍｍ，卻集成了ＰⅢ賽揚４００～７００ＭＨｚ ＣＰＵ、３２～２５６ＭＢ ＳＤＲＡＭ、ＬＰＣ、５Ｖ兼容的ＰＣＩ及ＡＣ９７總線控制，同時還提供ＶＧＡ／ＳＸＧＡ、兩個ＵＳＢ接口、兩個ＰＳ／２接口、兩個１０Ｍｂｐｓ／１００Ｍｂｐｓ以太網接口、ＡＴＡ ＩＤＥ接口、軟驅接口、一個ＲＳ－２３２和一個ＲＳ－４２２串口。為了適應嵌入式應用，７８６ＣＯＲＥ還內置了嵌入式ＢＩＯＳ。圖１為７８６ＣＯＲＥ的體系結構框圖。
７８６ＣＯＲＥ強大和靈活的功能為嵌入式計算機系統設計者提供了較為廣闊的設計空間。尤其是通過ＰＣＩ總線開發出的Ｃｏｍｐａｃｔ ＰＣＩ總線體系結構，更加擴展了該嵌入式系統的功能和應用領域。然而，由于Ｃｏｍｐａｃｔ ＰＣＩ總線的電氣性能和協議的特殊性，基于該總線的設備開發難度可想而知。通常采用多種ＰＣＩ橋接邏輯，將Ｃｏｍｐａｃｔ ＰＣＩ總線上的操作轉換成其他較為簡單的總線操作。

基于７８６ＣＯＲＥ的嵌入式計算機系統設計與實現
嵌入式ＰＣ模塊的出現和發展，以及基于ＰＣＩ總線的各種橋接電路的廣泛應用，使得嵌入式計算機系統的開發周期大大縮短，并直接提高了系統的實用性和軟件應用的靈活性。
系統組織與結構
圖２描述一個以ＰＩＩＩ ＣＰＵ為核心的高性能嵌入式計算機系統。它包括１６路差分輸入Ａ／Ｄ、４路ＲＳ－２３２／４２２串口和雙８１３９以太網控制器，以及與機箱相應的抗惡劣環境電源。該系統的所有模塊均為標準的３Ｕ尺寸，機箱為加固的４槽３Ｕ機箱。
由于嵌入式ＰＣ模塊提供的ＰＣＩ總線不能提供足夠的負載能力，因此主機模塊必須為其增加一個ＰＣＩ－ＰＣＩ的橋接芯片--Ｉｎｔｅｌ Ｓ２１１５２ＢＢ。該芯片提供的ＰＣＩ總線可支持四個ＰＣＩ設備。而總線上的設備對于Ｃｏｍｐａｃｔ ＰＣＩ總線來說必須且只能是唯一的負載。如果要增加負載，則必須有一個橋接芯片擴展總線的負載能力。如圖２中的雙網模塊。由于該模塊中的兩個以太網控制器ＲＴＬ８１９３Ｄ均為ＰＣＩ總線的負載，首先通過ＰＣＩ－ＰＣＩ橋接芯片--Ｉｎｔｅｌ Ｓ２１１５２ＢＢ將總線擴展，再完成兩個以太網卡的功能。
另外，作為Ｃｏｍｐａｃｔ ＰＣＩ總線系統，所有模塊包括系統底板（Ｂａｃｋｐｌａｎｅ）均按照Ｃｏｍｐａｃｔ ＰＣＩ規范ＰＣＩＭＧ２．０ Ｒ２．１設計，包括終端匹配電阻的設計（如圖２）、底板時鐘和中斷設計以及其他電氣性能的設計。
擴展模塊的設計與實現
本系統中，除主機模塊外還有三個擴展模塊，它們分別完成系統對模擬信號的采樣及處理（ＡＤ模塊）、系統與其他設備的通信（４串口模塊）以及系統與Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的連接（雙網模塊）。
本系統中除了上文指出的雙網模塊需要ＰＣＩ－ＰＣＩ的橋接芯片外，ＡＤ模塊和串口模塊與ＣＰＣＩ總線連接同樣需要橋接芯片ＡＭＣＣ Ｓ５９２０的支持（如圖２所示）。ＡＭＣＣ Ｓ５９２０是單一芯片的多功能設備，它為設計者提供了一條靈活而簡便的通往ＰＣＩ總線的道路。通過使用Ｓ５９２０，模塊設計者無須考慮ＰＣＩ總線的各種電氣性能和時序的特殊要求，只需根據Ｓ５９２０轉換后的類似ＩＳＡ的ＴＴＬ電平的ＡＤＤ－ＯＮ總線進行設計即可。作為ＰＣＩ上的目標設備，Ｓ５９２０可提供１３２Ｍｂｐｓ的數據傳輸率，兼容３３ＭＨｚ的ＰＣＩ總線和高達４０ＭＨｚ的ＡＤＤ－ＯＮ總線，由它轉換出的ＡＤＤ－ＯＮ總線可支持８、１６和３２位的數據寬度。

（１）ＡＤ模塊
支持１６路模擬差分輸入，信號的采樣及ＡＤ轉換由ＡＤ９７６完成，采樣結果由單片機８９Ｃ５２平滑處理后通過光電隔離器件發送到ＣＰＬＤ，再由ＣＰＬＤ存放于靜態ＲＡＭ中供上位機讀取。該模塊占用３２字節８位寬Ｉ／Ｏ空間，用于存放１６路１６位精度的ＡＤ采樣結果。
（２）串口模塊
通過ＣＤ１８６５支持４路ＲＳ－２３２／４２２串口，占用５１２字節８位寬Ｉ／Ｏ空間、１路中斷。
軟件設計
本系統采用ＶｘＷｏｒｋｓ嵌入式操作系統。它是目前所有獨立于處理器的實時系統中最具特色的操作系統之一。ＶｘＷｏｒｋｓ的微內核Ｗｉｎｄ是一個具有較高性能的、標準的嵌入式實時操作系統內核。其主要特點包括：快速多任務切換、搶占式任務調度、任務間通信手段多樣化等。該內核具有任務切換時間短、中斷延遲小、網絡流量大等特點，與其他嵌入式實時操作系統相比具有一定的優勢。 所有模塊的驅動程序均在ＶｘＷｏｒｋｓ下開發，開發環境為Ｔｏｒｎａｄｏ ＩＩ。它是嵌入式實時領域里最新一代的開發調試環境，是實現嵌入式實時應用程序的完整的軟件開發平臺。本系統各個模塊的驅動程序均用Ｃ語言編寫，并在Ｔｏｒｎａｄｏ ＩＩ下編譯成"．Ｏ"文件用以提供給用戶作為二次開發的中間件。
操作系統及應用程序均存放于主機模塊的１９２ＭＢ電子盤上，使得軟件的運行速度大大提高，也使系統可以工作在溫度和穩定性條件都非常惡劣的環境里。
該系統的特點及技術指標
（１）高性能ＰＩＩＩ７００ＭＨｚ ＣＰＵ核心，１２８ＭＢ ＳＤＲＡＭ，１９２ＭＢ電子盤；
（２）支持多種操作系統：ＤＯＳ、ＶｘＷｏｒｋｓ、Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｘ、 Ｌｉｎｕｘ等；
（３）串口模塊：４路全雙工異步串口，傳輸速率可達１１５．２ｋｂｐｓ，通過軟件設置可選擇不同的串口通信方式，ＲＳ－２３２（Ｖ．２８） 或ＲＳ－４２２（Ｖ．１１ ，Ｘ．２１）??
（４）ＡＤ模塊：１６路模擬差分輸入，支持ＡＤ數據智能調理，ＡＤ轉換時間最短可達５μｓ／Ｓａｍｐｌｅ，有效輸入信號范圍：－１５Ｖ～＋１５Ｖ，模擬采樣部分與ＣＰＣＩ總線數字部分光電隔離?牐ǎ擔┧?網卡：１０Ｍｂｐｓ／１００Ｍｂｐｓ自適應以太網，支持自動故障診斷、切換和恢復；（６）先天加固抗震設計；（７）熱傳導散熱設計；（８）電磁兼容性設計；（９）３Ｕ標準尺寸。本文描述的嵌入式計算機系統具有廣泛的適用性，由于采用了先天的加固、抗震和熱傳導設計，在環境特別惡劣的工業現場和軍事領域適應性極強。此外，該系統的設計過程是一條行之有效的快速開發嵌入式計算機系統的道路，并較易形成產品的系列化，提高產品的市場競爭力。