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基于SPARCV8SoC平台家庭网关设计

发布时间:2020-06-30 19:50:18 阅读: 来源:油画厂家

计算机技术和网络技术突飞猛进地发展,使得网络已经渗透到了生活各个角落。从办公室里的办公自动化系统(OAS),到楼宇间的自动化系统(BAS),直到INTERNET,网络连接了世界的每一个角落。与此同时随着人们的生活水平长足发展,住宅环境的舒适、安全、高效和节能的要求也越来越高。家庭自动化网络就是在这样的背景之下应运而生的。家庭网络实现家电控制的网络化和智能化,并且将家庭网络与INTERNET连接,实现远程控制。

本文引用地址:家庭网络系统由设备端控制器、家庭网关、信息控制服务器、远程查询服务器等组成(见图1),本文的重点是介绍家庭网络的网关系统。

根据设计要求,对家庭网关进行了如下的定义:

⊙网关是一个协议转换器,对数据格式、传输速率和媒体驱动方式等协议的转换和通信转发的设备。⊙设备资源管理器(网络控制器)必须有一个I/O设备,通常应有一个输入装置(键盘、鼠标或话筒等)和某种类型的显示装置所组成。能解释设备描述文件。

⊙Web服务器具有浏览器功能,可以将设备配置管理文件转换成操作页面,并具有用超文本传输协议HTTP发送的能力。

⊙网关还应该是一个防火墙,保证家庭网络的信息安全。

根据家庭网设计的需求,这里对家庭网关项目划分为硬件平台和软件平台两个部分,采用Uclinux+SPARC V8 SoC的系统平台来实现网关功能。图2给出了网关设计的结构图,其中处理器采用了我国自主研制的SPARC V8 SoC处理器。

SPARC V8 SoC处理器

SPARC V8处理器是航天时代公司为了适应未来航天需要和消费市场而设计的一款处理器,这里我们采用了针对消费市场和家庭网关项目而定制设计的SPARC V8 SoC平台。与传统的32位RISC处理器不同,SPARC V8 SoC处理器集成了两个以太网接口和家庭总线通信控制单元,这就是YT0-010芯片。YT0-010是家庭设备和家庭局域网之间信息的转接口,适合于小型的家庭网络。SPARC V8 SoC处理器不同于通用嵌入式处理器,是针对项目要求集成了以太网模块和家庭网络通信控制器(YT0-010)在单芯片上的真正的SoC处理器。

图3是SPARC V8处理器的结构框图,从中可以看到网口和家庭总线通信控制单元都是集成在AMBA总线上的。

硬/软件开发平台设计

在整个开发系统中包括了硬件开发板、底层软件支持库、驱动程序、操作系统和上层应用程序。在这里对硬件开发板和操作系统及其与新设备相关的驱动程序进行介绍。

⊙硬件平台

开发板以SPARC V8 SoC处理器为核心,主要由BOOTROM、FLASH、SDRAM、RS-232 接口、网口、复位电路、倍频电路、电源电路,键盘接口和320x240液晶接口等电路构成。

开发板中存储单元由两片128KB的AT29C1024组成BOOTROM、两片16M的AM29LV160DB的FLASH和两片32M的HY57Y561620CT_H的SDRAM组成。RS-232驱动部分使用MAX3232进行电平转换。

SPARC V8 SoC处理器中有两套以太网物理驱动模块,只要在外面连接以太网控制器就可以进行连接了。这里以太网收发芯片采用INTEL的LXT971连接标准RJ45网络接口。电源部分由于板上有5V和3.3V并存的电源,所以采用一块LM1086对5V电源转换。键盘和液晶接口是为以后进行系统显示和控制而特别预留的接口,后期还会将图形界面集成到Uclinux操作系统上。

⊙Bootloader

Bootloader在没有操作系统的支持下,构建了最简单的软件运行环境并将其保存在BOOTROM中,系统上电就直接运行。实现了简单命令行控制和网络通讯功能,开发板从上位机通过tftp下载操作系统,还提供了gdb调试,可以在此软件平台上搭建脱离操作系统的应用程序。 Bootloader启动模式要求实现自动加载的功能。这里我们借鉴了vxworks中启动方式,要求启动之初会有一小段的时间等待用户输入,当用户输入的时候就进入下载模式,否则自动进入启动模式在可能的介质和通讯方式中找到操作系统,这里将操作系统存在的物理位置固定在上位机上通过tftp下载操作系统。下载模式提供手动下载和内存监控的功能。

⊙调试手段

SPARC V8 SoC开发系统提供了两种调试方式:

硬件调试:硬件调试运用SPARC V8空间处理器提供的DSU(hardware debug support unit),DSU能够将处理器设定位调试模式,可以读写所有的处理器寄存器和存储器,并且其本身有跟踪缓存,可以保存执行的指令和AMBA AHB 总线上的数据。DUS是可以选择串口(RS-232C)通讯的。软件调试:软件调试是基于linux调试工具gdb,将gdbtk通过串口连接到的上位机上,当系统运行时,可以通过gdb查看存储器内容,在程序运行中可以加入断点,也可以单步执行程序,gdb与下位机的的monitor通过GDB远程串行协议通信。

⊙操作系统

对于操作系统的选择基于灵活小巧、可移植强、支持SPARC、低成本等考虑,这里选择uclinux,uclinux的选择是基于其对无mmu sparc结构硬件平台的支持,sparcv8空间处理器没有提供mmu功能,另一个重要的原因是用户的需求要求低成本和对网络支持,而uclinux恰恰满足了这个需求。

uclinux对nommusparc提供了较好的支持,所以我们移植的工作量不大,多集中在板级移植上。我们采用的uclinux是linux2.0内核,根据启动的顺序修改启动相关的代码,此外还需要修改包括串口、定时器、中断控制器等代码。这样就可以使操作系统运行在硬件系统之上了。除此之外,还有对新硬件设备的驱动程序的编写。如网口驱动和YT0-010驱动等。

有了这样的软硬件开发平台之后,就可以进行家庭网关设计了。

家庭网关应用

家电设备的远程控制是使用INTERNET来实现对家电设备的远程控制。简单的流程如下:

首先,家电是通过家电控制器与网关进行连接的。在初始化过程中网关与家电通过家庭网络和握手协议上载家电的信息,包括控制和状态信息。这样做的目的也是为了提高网络的动态性能和可扩展性,使得新增设备可以轻松的加入网络中去。

其次,使用一台连接在INTERNET上的电脑登录家庭网关WEB系统,在WEB中提供了可以选择的设备及其当前设备的状态和可以提供的控制。当具有浏览器功能的远程用户访问网关时,网关将设备配置管理文件中的所有设备信息数据读出,并按超文本传输协议(HTTP)的要求转换成相应的网页数据,传送给远程用户,形成一个可操作的页面提供给用户浏览器。操作页面显示的方式可以是表格、键盘、遥控器图形,或复杂的图像。操作页面上的相关部位都有明确的链接,指向相关的文件、文件特殊部分的目标地址,或者链接目录表中的地址标签。使操作页面成为一个虚拟的遥控器。

然后,用户通过更改和填写家电的控制信息来更改家电的状态。用户填写的控制信息从WEB页中提交到事务处理过程中,事务处理过程通过网关中的家庭网络控制单元来来控制信息分发到各个家电或子系统中去。

最后家电控制器从家庭网络中接收到这个控制或命令信息,解析控制命令,并实现相应的动作。

这样就完成了一次远程控制,由于INTERNET介入方式的多样化,远程的控制也呈现出多样化,例如可以无线上网、手机控制等。总而言之要登陆网关中的WEB服务器,通过提交事务来完成对系统的控制。将服务器放在网关也是考虑在以后考虑到安全和信息完整性,可以在接入网关节点加入安全验证和防火墙等安全设备来解析网络信息。这样安全性也可以得到保证。

图4是在实验环境下登陆的网关的WEB界面,界面提供了对几种家电的控制选择。

实验环境1建立在两套局域网中,网关连接了两个网络。两个网络分别属于不同的网段,速度不同,分别是10M网络A和100M网络B,分别连接网关的网口1和网口2。B网中的计算机通过网关的网口1登陆网关中WEB服务器,选择电表,网关中的服务程序通过对数据的处理转发给设定为电表的网络B中的计算机。这样就验证网关和WEB服务的基本功能。

在实验环境1中进行了大数据量的测试,10万级网络数据包转发的误码率很低,几乎没有错误。但在实验环境1中并没有用到YT0-010家庭网络控制器。所以搭建了试验环境2对家庭网络控制器进行验证。

实验环境2对于家庭网络控制器验证是通过家庭网络控制器+设备控制器级联,并在设备控制器中加入串口并转发给发送电脑,通过发送和接收数据的比较来完成的。通过大数据量的测试误码率很低,几乎是每百万条2条以下的误码率。

结语

本文介绍了基于SPARC V8 SoC处理器的家庭网关的开发平台的设计和实现,并给出了一个网关实现的流程和实验数据。

参考文献:

1. 侯磊 单芯片以太网瘦服务器的实现,电子产品世界 2005 12上半月P111~113

2. 严国荣 家庭网络的网关技术, 电声技术 2001年第8期 p36~39

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