基于嵌入式PC的PIII计算机系统设计实现

目前嵌入式计算机系统应用呈现多样化、小型化、多层次的趋势，在工业现场和军事用途中扮演着越来越重要的角色。随着各种应用对操作系统和软件要求的日益提高，使得具有广泛适应性的ＰＣ构架的嵌入式计算机系统倍受青睐。尤其是Ｃｏｍｐａｃｔ ＰＣＩ总线在工业和军用领域的广泛应用，为ＰＣ构架的嵌入式计算机系统提供了更多的应用环境。然而，对于一个计算机系统来说，主机的开发周期一般都较长，也较为复杂。ＣｏｍｐｕＬａｂ公司开发的系列嵌入式ＰＣ模块为开发ＰＣ构架的嵌入式计算机系统提供了新思路。即以嵌入式ＰＣ为核心，通过各种总线桥接电路开发出适应各种总线要求的嵌入式计算机；同时也为迅速提高各种嵌入式计算机系统的性能提供一条行之有效的途径。 本文介绍以ＣｏｍｐｕＬａｂ公司的系列嵌入式ＰＣ模块为核心的嵌入式计算机系统的一个设计实例。
ＣｏｍｐｕＬａｂ ７８６ＣＯＲＥ
以色列公司ＣｏｍｐｕＬａｂ生产的７８６ＣＯＲＥ是一种小型的、功能很强的高性价比单板嵌入式ＰＣ模块?熕?适用于各种以ＰＣ构架为基础的嵌入式应用中。７８６ＣＯＲＥ配置了运行ＷＩＮＤＯＷＳ、Ｌｉｎｕｘ、ＶｘＷｏｒｋｓ和ＤＯＳ等操作系统所需的各种芯片组，并配备了相应的ＢＩＯＳ。
嵌入式ＰＣ模块７８６ＣＯＲＥ具有体积小、功能强等特点。整个模块面积仅９９ｍｍ×６９ｍｍ，却集成了ＰⅢ赛扬４００～７００ＭＨｚ ＣＰＵ、３２～２５６ＭＢ ＳＤＲＡＭ、ＬＰＣ、５Ｖ兼容的ＰＣＩ及ＡＣ９７总线控制，同时还提供ＶＧＡ／ＳＸＧＡ、两个ＵＳＢ接口、两个ＰＳ／２接口、两个１０Ｍｂｐｓ／１００Ｍｂｐｓ以太网接口、ＡＴＡ ＩＤＥ接口、软驱接口、一个ＲＳ－２３２和一个ＲＳ－４２２串口。为了适应嵌入式应用，７８６ＣＯＲＥ还内置了嵌入式ＢＩＯＳ。图１为７８６ＣＯＲＥ的体系结构框图。
７８６ＣＯＲＥ强大和灵活的功能为嵌入式计算机系统设计者提供了较为广阔的设计空间。尤其是通过ＰＣＩ总线开发出的Ｃｏｍｐａｃｔ ＰＣＩ总线体系结构，更加扩展了该嵌入式系统的功能和应用领域。然而，由于Ｃｏｍｐａｃｔ ＰＣＩ总线的电气性能和协议的特殊性，基于该总线的设备开发难度可想而知。通常采用多种ＰＣＩ桥接逻辑，将Ｃｏｍｐａｃｔ ＰＣＩ总线上的操作转换成其他较为简单的总线操作。

基于７８６ＣＯＲＥ的嵌入式计算机系统设计与实现
嵌入式ＰＣ模块的出现和发展，以及基于ＰＣＩ总线的各种桥接电路的广泛应用，使得嵌入式计算机系统的开发周期大大缩短，并直接提高了系统的实用性和软件应用的灵活性。
系统组织与结构
图２描述一个以ＰＩＩＩ ＣＰＵ为核心的高性能嵌入式计算机系统。它包括１６路差分输入Ａ／Ｄ、４路ＲＳ－２３２／４２２串口和双８１３９以太网控制器，以及与机箱相应的抗恶劣环境电源。该系统的所有模块均为标准的３Ｕ尺寸，机箱为加固的４槽３Ｕ机箱。
由于嵌入式ＰＣ模块提供的ＰＣＩ总线不能提供足够的负载能力，因此主机模块必须为其增加一个ＰＣＩ－ＰＣＩ的桥接芯片--Ｉｎｔｅｌ Ｓ２１１５２ＢＢ。该芯片提供的ＰＣＩ总线可支持四个ＰＣＩ设备。而总线上的设备对于Ｃｏｍｐａｃｔ ＰＣＩ总线来说必须且只能是唯一的负载。如果要增加负载，则必须有一个桥接芯片扩展总线的负载能力。如图２中的双网模块。由于该模块中的两个以太网控制器ＲＴＬ８１９３Ｄ均为ＰＣＩ总线的负载，首先通过ＰＣＩ－ＰＣＩ桥接芯片--Ｉｎｔｅｌ Ｓ２１１５２ＢＢ将总线扩展，再完成两个以太网卡的功能。
另外，作为Ｃｏｍｐａｃｔ ＰＣＩ总线系统，所有模块包括系统底板（Ｂａｃｋｐｌａｎｅ）均按照Ｃｏｍｐａｃｔ ＰＣＩ规范ＰＣＩＭＧ２．０ Ｒ２．１设计，包括终端匹配电阻的设计（如图２）、底板时钟和中断设计以及其他电气性能的设计。
扩展模块的设计与实现
本系统中，除主机模块外还有三个扩展模块，它们分别完成系统对模拟信号的采样及处理（ＡＤ模块）、系统与其他设备的通信（４串口模块）以及系统与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的连接（双网模块）。
本系统中除了上文指出的双网模块需要ＰＣＩ－ＰＣＩ的桥接芯片外，ＡＤ模块和串口模块与ＣＰＣＩ总线连接同样需要桥接芯片ＡＭＣＣ Ｓ５９２０的支持（如图２所示）。ＡＭＣＣ Ｓ５９２０是单一芯片的多功能设备，它为设计者提供了一条灵活而简便的通往ＰＣＩ总线的道路。通过使用Ｓ５９２０，模块设计者无须考虑ＰＣＩ总线的各种电气性能和时序的特殊要求，只需根据Ｓ５９２０转换后的类似ＩＳＡ的ＴＴＬ电平的ＡＤＤ－ＯＮ总线进行设计即可。作为ＰＣＩ上的目标设备，Ｓ５９２０可提供１３２Ｍｂｐｓ的数据传输率，兼容３３ＭＨｚ的ＰＣＩ总线和高达４０ＭＨｚ的ＡＤＤ－ＯＮ总线，由它转换出的ＡＤＤ－ＯＮ总线可支持８、１６和３２位的数据宽度。

（１）ＡＤ模块
支持１６路模拟差分输入，信号的采样及ＡＤ转换由ＡＤ９７６完成，采样结果由单片机８９Ｃ５２平滑处理后通过光电隔离器件发送到ＣＰＬＤ，再由ＣＰＬＤ存放于静态ＲＡＭ中供上位机读取。该模块占用３２字节８位宽Ｉ／Ｏ空间，用于存放１６路１６位精度的ＡＤ采样结果。
（２）串口模块
通过ＣＤ１８６５支持４路ＲＳ－２３２／４２２串口，占用５１２字节８位宽Ｉ／Ｏ空间、１路中断。
软件设计
本系统采用ＶｘＷｏｒｋｓ嵌入式操作系统。它是目前所有独立于处理器的实时系统中最具特色的操作系统之一。ＶｘＷｏｒｋｓ的微内核Ｗｉｎｄ是一个具有较高性能的、标准的嵌入式实时操作系统内核。其主要特点包括：快速多任务切换、抢占式任务调度、任务间通信手段多样化等。该内核具有任务切换时间短、中断延迟小、网络流量大等特点，与其他嵌入式实时操作系统相比具有一定的优势。 所有模块的驱动程序均在ＶｘＷｏｒｋｓ下开发，开发环境为Ｔｏｒｎａｄｏ ＩＩ。它是嵌入式实时领域里最新一代的开发调试环境，是实现嵌入式实时应用程序的完整的软件开发平台。本系统各个模块的驱动程序均用Ｃ语言编写，并在Ｔｏｒｎａｄｏ ＩＩ下编译成"．Ｏ"文件用以提供给用户作为二次开发的中间件。
操作系统及应用程序均存放于主机模块的１９２ＭＢ电子盘上，使得软件的运行速度大大提高，也使系统可以工作在温度和稳定性条件都非常恶劣的环境里。
该系统的特点及技术指标
（１）高性能ＰＩＩＩ７００ＭＨｚ ＣＰＵ核心，１２８ＭＢ ＳＤＲＡＭ，１９２ＭＢ电子盘；
（２）支持多种操作系统：ＤＯＳ、ＶｘＷｏｒｋｓ、Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｘ、 Ｌｉｎｕｘ等；
（３）串口模块：４路全双工异步串口，传输速率可达１１５．２ｋｂｐｓ，通过软件设置可选择不同的串口通信方式，ＲＳ－２３２（Ｖ．２８） 或ＲＳ－４２２（Ｖ．１１ ，Ｘ．２１）??
（４）ＡＤ模块：１６路模拟差分输入，支持ＡＤ数据智能调理，ＡＤ转换时间最短可达５μｓ／Ｓａｍｐｌｅ，有效输入信号范围：－１５Ｖ～＋１５Ｖ，模拟采样部分与ＣＰＣＩ总线数字部分光电隔离?牐ǎ担┧?网卡：１０Ｍｂｐｓ／１００Ｍｂｐｓ自适应以太网，支持自动故障诊断、切换和恢复；（６）先天加固抗震设计；（７）热传导散热设计；（８）电磁兼容性设计；（９）３Ｕ标准尺寸。本文描述的嵌入式计算机系统具有广泛的适用性，由于采用了先天的加固、抗震和热传导设计，在环境特别恶劣的工业现场和军事领域适应性极强。此外，该系统的设计过程是一条行之有效的快速开发嵌入式计算机系统的道路，并较易形成产品的系列化，提高产品的市场竞争力。