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基于嵌入式PC的PIII計算機系統設計與實現
摘要：介紹了嵌入式PC模塊的結構，闡述了一種快速開發嵌入式計算機系統的思路，并詳細描述了一種基于嵌入式PC的PIII計算機系統組織結構和設計實現過程。關鍵詞：嵌入式PC Compact PCI 橋接
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。
1 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，它適用于各種以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，并配置了相應的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地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得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成較為簡單的總線操作。
圖1 786CORE的結構框圖
2 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。
2.1 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責能力，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。
2.2 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，用于存儲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。
圖2 基于786CORE的嵌入式計算機系統
2.3 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。
2.4 該系統的特點及技術指標
（1）高性能PIII700MHz CPU核心，128MBSDRAM，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；
（5）雙網卡：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，提高產品的高層競爭力。
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