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1 引言 電信網和因特網是兩大網絡系統，必然存在兩個網絡數據或信息的互通問題，例如：VoIP、混合視頻會議等新業務。E1接口和以太網接口分別是電信網和因特網使用最為普遍的接入端口，設計一個嵌入式網關設備，通過這兩種端口將兩大網絡連接起來就顯得尤為迫切、重要。本文介紹的AT91RM9200處理器處理能力強、接口豐富，內部集成了同步串口和以太網接口，是嵌入式小型網關控制器的理想選擇。 2 AT91RM9200和DS21554 AT91RM9200內部集成了一個ARM920T—ARM Thumb處理器，在180 MHz時鐘時運行速度高達200 MI／s；內部有16 KB的數據Cache、16 KB指令Cache、寫緩沖區、全功能的MMU(存儲器管理單元)；片內帶有調試通道的仿真器、16 KB的SRAM和128 KB的ROM，支持SDRAM、SRAM、Burst Flash，無縫連接CompactFlashTM，SmartMediaTM和NAND Flash；增強型的時鐘產生器和電源管理控制器，包括周期性中斷、看門狗和帶有報警中斷的實時時鐘；帶有8個優先級、可單個屏蔽中斷源、7個外部中斷源和一個快速中斷源；122個可編程I／O引腳(多功能復用)；20通道DMA(直接存儲器存取)控制器；10／100 Base-T型以太網控制器及介質無關接口MII，全速USB 2.0接口(12 Mb／s，2主1從)，3個同步串行控制器(SSC)，4個通用同步／異步串口(USART)，主機／從機串行外設接口(SPI)，兩線接口(TWI)，兩個3通道16位定時／計數器(TC)。超強的處理能力和豐富的接口使得該處理器廣泛應用于各種嵌入式通信和控制系統中，尤其是同步串口和以太網接口，使其可以作為網關設備核心處理器。 電信網中數據以TDM(時分復用)形式傳輸，采用E1幀結構，相應網絡接口包括電氣接口和幀結構，符合ITU-T的G.703／G.704規范或者國標GB7611。DS21554是一個符合該規范的E1成幀器集成電路，內部集成了線路接口和成幀器，其主要性能有：符合規范的完整PCM30／32 E1收發器：內含一個64 KB緩沖器的HDLC控制器；8 bit并行控制器接口；提供隨路信令(CAS)、共路信令(CCS)和CRC4幀格式；回環測試功能；HDB3編碼的線路接口等。線路接口支持75 Ω同軸電纜或者120 Ω雙絞線連接；背板接口可以根據需要在主、從模式下工作，提供同步接收、發送數據信號(RSER／TSER)，收發幀定位信號(RSYNC／TSSYNC)，收發時鐘信號(RSYSCLK／TSYSCLK)；四個DS21554可以實現背板信號菊花鏈連接，提供8192 KB／s字節復用同步數據流。 3 SSC特性分析 AT91RM9200提供三個獨立的同步串行控制器(SSC)與外部器件進行同步通信。它支持音頻和電信應用中常用的串行同步通信協議，如I2S、短幀同步、長幀同步方式等。 每個SSC包含獨立的接收器、發送器以及一個時鐘分頻器。發送器／接收器分別有三個信號引腳：數據TD／RD信號、時鐘TK／RK信號及幀同步。TF／RF信號，由于這些引腳與通用I／O引腳復用，初始化程序必須配置使其在SSC模式下工作；每幀最多由16個32位字組成，可編程設定為自動啟動或在幀同步信號檢測到不同事件時啟動。SSC與內部兩個32位專用外設數據直接存取控制器PDC(Pe-ripheral DMA Controller)通道連接，可在沒有處理器干涉的情況下進行連續的高速率數據傳輸。初始化程序配置使每幀為16個16位半字即每幀32字節，與E1幀對應；串口發送／接收時鐘由其工作模式決定，從模式時，TK／RK和TF／RF均為輸入端子，由外部提供時鐘和幀定位型號。主模式時，TK／RK和TF／RF均為輸出端子，對E1成幀器提供時鐘和幀定位信號，此時，時鐘信號TK／RK來源非常靈活。 內部發送時鐘TCLK(接收時鐘RCLK)來源非常靈活，可以來自處理器主時鐘MCK經SSC分頻后得到的分頻時鐘D_CLK、TK引腳(RK引腳)或者RCLK(TCLK)，如圖1所示。處理器內部主時鐘MCK通過初始化程序配置時鐘選擇器、預分頻器和分頻器得到MCK，再經過SSC分頻器使得分頻時鐘D_CLK為2.048 Mb／s，如圖2所示。主模式下幀定位信號TF／RF也非常靈活，通過配置相關寄存器，可以使其為正脈沖或者負脈沖，脈沖寬度可以調節，與發送／接收信號的相位關系也可以靈活調整，能夠與標準的E1成幀器背板信號直接連接。數據流中可以發送或者接收一個特定標記數據(幀同步數據)，類似于E1幀結構中的幀同步數據。每幀起始位置可以通過寄存器設置，幀脈沖生效后，數據起始位置與時鐘信號有關，主要有4種模式：連續、TK／RK上升或下降沿觸發、TK／RK高或低電平觸發、TK／RK電平變化或沿跳變觸發，如圖3所示，接收起始模式與發送類似。 發送數據或者接收數據幀格式由發送器幀模式寄存器(SSC_TFMR)以及接收器幀模式寄存器(SSC_RFMR)編程設定，可以分別設置的參數有： 啟動數據傳輸條件； 幀脈沖前沿到第一個數據位的延時； 數據長度(DATLEN)； 每幀傳輸的數據數(DATNB)； 幀同步數據寄存器長度(FSLEN)； 比特意義：高位或低位在前(MSBF)。 上述設置可以配置SSC同步串口每幀長度最大為512位長，由于E1幀格式每幀固定長度8×32位=256位，因此，配置適當SSC相關寄存器不僅可以保證SSC同步串口與E1接口時鐘、幀脈沖、收／發數據等時序一致，而且數據幀格式也能保持一致。 專用外設數據直接存取控制器PDC(PeripheralDMA Controller)用于UART、USART、SSC、SPI、MC等片上串行外設與片內、片外存儲器間傳輸數據。使用外設數據直接存取控制器能夠提高數據傳輸能力，減輕處理器運行負擔。這樣顯著降低了外設與存儲器之間數據傳輸所需的時鐘周期數，因此也提高了微控制器的性能，使處理器工作更有效。PDC通道是成對構建的，每對對應一個指定的外設。通道中一個負責接收、另一個負責發送。PDC用戶接口集成在每個外設存儲空間中，它包括：1個32位存儲器指針寄存器、1個16位傳輸計數寄存器、1個32位寄存器(用作下個存儲器指針)、1個16位寄存器(用作下個傳輸計數)。 外設使用發送與接收信號觸發PDC傳輸，在傳輸數據過程中，相應的外設產生一個傳輸結束中斷請求結束本次傳輸。三個獨立的SSC同步串口對應三對PDC。 PDC與SSC傳輸數據特性為：存儲器到SSC的傳輸需一個主機時鐘周期，SSC到存儲器間的傳輸需兩個主機時鐘周期。 配置PDC通道可以控制各個通道的數據傳輸，PDC通道的用戶接口集成在與其對應的SSC外設接口上(偏移0x100)。 每個SSC包含4個32位指針寄存器(RPR、RNPR、TPR及TNPR)與4個16位計數寄存器(RCR、RNCR、TCR及TNCR)。緩沖器的大小(傳輸數據數量)在內部16位傳輸計數寄存器中配置，可在任意時刻讀取每個通道待傳輸數據的大小。通過定義存儲器訪問的首地址位置，在32位存儲器指針配置存儲器基地址，可在任意時刻讀取下一次傳輸的存儲空間位置和待傳輸的數目。PDC有專門的狀態寄存器指示各通道傳輸是否使能，各通道工作狀態指示位于SSC狀態寄存器中。設置PDC傳輸控制寄存器的TXTEN／TXTDIS與RXTEN／RXTDIS位可使能和(或)禁用傳輸，這些控制位使能時，可以安全讀取指針及計數寄存器，在讀取的過程中不會有危險。 每個PDC通道有一個內部的32位存儲器指針，每個存儲器指針可指向存儲空間的任意位置(片上存儲器或外部總線接口存儲器)。根據傳輸類型的不同(字節、半字或字)，外設傳輸的存儲器指針以1、2或4增加。若PDC工作時對存儲器指針重新編程，傳輸地址改變，在新地址執行PDC傳輸。 每個PDC通道有一個內部16位傳輸計數器用來計算已傳輸塊的大小。每次數據傳輸完成后計數器減一。當計數器到零時，傳輸完成，PDC停止傳輸數據。若下一個計數寄存器(Next Counter Regis-ter)等于零，PDC禁用觸發并激活相關的外設結束標志。若PDC工作時修改計數器值，PDC使用新值開始計數。每個通道中，有兩個狀態位來標識傳輸結束，這些位直接映射到外設狀態寄存器。當寫入一個計數器寄存器(計數器或下次計數器)時，外設結束標志自動清零。 當SSC接收到一個外部字符時，它向PDC發送一個接收就緒信號，PDC再向系統總線請求訪問，當訪問得到許可，PDC開始讀取外設接收保持寄存器(RHR)并觸發存儲器寫操作。每次傳輸后，相關PDC存儲器指針遞增，而待傳輸數目遞減。當達到存儲器塊大小時，向外設發送一個信號并停止傳輸。對于發送數據傳輸，處理過程與上述相反。 4 同步串口SSC的典型應用 SSC同步串口特性決定了AT91RM9200不僅可以用于工業控制領域，而且可以很方便地用于電信設備。它能夠直接與I2S總線接口的音頻編解碼器、符合電話接口的PCM編解碼器連接，如圖4所示。更主要的是，它可以提供三個獨立接口，直接和電信應用中的E1接口連接，高性能內核ARM920T可處理高速同步數據流。因此，借助于內部提供的10M／100Mb／s以太網接口，將AT91RM9200作為E1與以太網轉換的網關核心處理器是一個理想的選擇。 在網關應用中，SSC包含獨立的接收器、發送器及時鐘分頻器。每個發送器及接收器分別有3個信號引腳：數據TD／RD信號、時鐘TK／RK信號及幀同步TF／RF信號，可以直接與E1成幀器DS21554的背板對應信號連接。網關可以在主、從兩種模式下工作，主模式時，DS21554不需要跟蹤上級同步時鐘；從模式時，跟蹤上級同步時鐘。前者，同步串口SSC不需要單獨時鐘電路，配置AT91RM9200 SSC寄存器，使SSC接口工作在主動模式，產生時鐘和幀定位信號，提供給DS21554，也可以直接將TK／TF連接到RCK／RSY，同時斷開RK／RF。若為后者，網關為一個電信系統中的終端，通過配置寄存器使SCC接口工作在被動方式，TK／TF／RK／RF和TCK／TSS／RSS／RCK一樣，均為輸入信號端子，提取接收時鐘，通過鎖相環同步后產生時鐘和幀定位信號。不論哪種形式，配置時鐘信號均為2 048 kHz，32個時鐘周期出現一個幀定位信號以滿足E1幀格式，參考器件手冊，可以通過調整DS21554和AT91RM9200寄存器設置，使得SSC信號時序和E1成幀器背板信號時序匹配。根據實際需求，三個SSC同步串口可以同時連接三個E1成幀器，考慮到音視頻數據流量和以太網有效吞吐能力，有效數據量達2 Mb／s～6Mb／s，可滿足不同應用的音視頻數據傳輸，如圖5所示。 5 結束語 基于ARM內核的處理器是目前嵌入式系統的主流，但是，同時內置同步串口和10 Mb／s～100 Mb／s以太網接口的ARM處理器為數卻很少。AT91RM9200處理器集成了同步串口和以太網控制器，是一款高性能處理器。本文重點分析了該處理器的同步串口特性，介紹其具體應用。采用此器件，筆者實現了VoIP網關設備，性能穩定，可靠性高而且成本低。 |
