從技術(shù)層級分析典型的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計是什么樣的？

3、相關(guān)外部設(shè)備的選擇：

在確定操作系統(tǒng)和處理器之后，就可以確定相關(guān)的外部設(shè)備，如FLASH，RAM，串口等等。在MVB系統(tǒng)中，MVB控制器MVBC(MulTIfuncTIon Vehicle Bus Controller)是一個MVB電路和實際的物理設(shè)備之間的接口控制器，它的主要功能是實現(xiàn)MVB總線信號與數(shù)據(jù)幀的編解碼，糾錯等功能，是本系統(tǒng)中要實現(xiàn)的關(guān)鍵的硬件模塊。由于系統(tǒng)規(guī)模，上市時間等方面的要求，系統(tǒng)暫時不考慮ASIC實現(xiàn)，因此在MVB系統(tǒng)中用FPGA來實現(xiàn)這個關(guān)鍵模塊，F(xiàn)PGA 是ASIC最靈活和最合算的替代方案?？紤]到系統(tǒng)需求與FPGA資源，成本，供貨情況等因素，最終選擇了Altera公司的Cyclone系列FPGA， 其開發(fā)工具是Quartus II。

4、MVB系統(tǒng)架構(gòu)

由以上的需求分析和選型，完整的系統(tǒng)硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)如圖2圖3所示

圖2：MVB系統(tǒng)的硬件架構(gòu)。

圖3：MVB系統(tǒng)的軟件架構(gòu)。

其中，處理器和 MVBC通過Traffic Memory(TM)進行通訊數(shù)據(jù)交換，所有軟件和MVBC要交換的控制信息和數(shù)據(jù)都可以在TM地址空間中找到，這個地址空間對處理器和MVBC都是可訪問的。其示意圖4如下

圖4：Traffic Memory。

三、步驟3：詳細的軟硬件設(shè)計和RTL代碼、軟件代碼開發(fā)

在系統(tǒng)架構(gòu)確定的基礎(chǔ)上，詳細的軟硬件設(shè)計就可以開始了。

1、硬件設(shè)計

硬件設(shè)計設(shè)計包括了MVB控制器的FPGA設(shè)計和MVB總線系統(tǒng)的板級設(shè)計，其中關(guān)鍵的MVB控制器的設(shè)計如圖5

圖5：MVB控制器的框圖

如圖所示，MVB控制器包含以下功能模塊：

編碼器：產(chǎn)生曼徹斯特編碼，傳送數(shù)據(jù)幀

發(fā)送緩沖區(qū)：作為要發(fā)送的數(shù)據(jù)和CRC檢測值的緩沖區(qū)

譯碼器：接收、曼徹斯特譯碼，數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)錯誤檢測

接收緩沖區(qū)：作為接收端數(shù)據(jù)和CRC結(jié)果的緩沖區(qū)

報文分析單元：檢測主幀和從幀超時，幀誤檢測、錯誤狀態(tài)報告

狀態(tài)控制寄存器：MVBC配置

主控單元：支持MVBC作為主設(shè)備或者從設(shè)備工作，支持隊列消息傳送

設(shè)備地址讀取和儲存單元：硬件定義的設(shè)備地址可以被不同的值覆蓋

地址邏輯：把CPU對MVBC內(nèi)部寄存器進行訪問的輸入地址進行解析;產(chǎn)生MVBC訪問TM的輸出地址

總線復(fù)用、轉(zhuǎn)換單元：處理MVBC內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳送

中斷邏輯：支持16種中斷源;

通用定時器：兩個定時輸出信號，可提供給系統(tǒng)同步使用

時鐘產(chǎn)生電路：產(chǎn)生所有MVBC工作的時鐘和計數(shù)器

2、軟件設(shè)計

由于在MVB系統(tǒng)中，過程數(shù)據(jù)，消息數(shù)據(jù)，監(jiān)視數(shù)據(jù)是三種不同的通訊機制，因此，MVB系統(tǒng)軟件的模塊設(shè)計如圖6。

四、軟硬件的聯(lián)調(diào)和集成

下面，以一個簡單的例子來說明MVB系統(tǒng)的軟硬件的集成和驗證。

過程數(shù)據(jù)在MVB系統(tǒng)中是周期性發(fā)送的數(shù)據(jù)，其在本系統(tǒng)中的通訊機制如下：對于發(fā)送方，用戶應(yīng)用模塊將一個端口的過程變量發(fā)送給過程數(shù)據(jù)處理模塊，過程數(shù)據(jù)處理模塊按照邏輯端口的設(shè)置定時通過鏈路層接口模塊更新Traffic Memory當中的相應(yīng)邏輯端口的數(shù)據(jù)，此時發(fā)送方軟件的任務(wù)完成。發(fā)送方的MVBC硬件接收總線管理器BA定時發(fā)出的主幀，通過譯碼器解碼得到相應(yīng)的邏輯端口的值，通過查詢Traffic Memory相關(guān)的邏輯端口發(fā)送設(shè)置后將MVBC自動設(shè)置為發(fā)送狀態(tài)，將邏輯端口的數(shù)據(jù)作為過程數(shù)據(jù)從幀通過編碼器發(fā)出，如圖7所示：

圖7：過程數(shù)據(jù)通訊示例。

對于接收方，其接收過程與發(fā)送方相逆，接收方的MVBC硬件接收總線管理器BA定時發(fā)出的主幀，通過譯碼器解碼得到相應(yīng)的邏輯端口的值，通過查詢 Traffic Memory相關(guān)的邏輯端口接收設(shè)置后將MVBC自動設(shè)置為接收狀態(tài)將，在收到發(fā)送方發(fā)出的從幀后更新相應(yīng)邏輯端口在Traffic Memory的數(shù)據(jù)并發(fā)出中斷信號從而完成硬件的接收過程。接收方的軟件可以用中斷或定時查詢的方式通過過程數(shù)據(jù)處理模塊得到更新后的邏輯端口的過程數(shù)據(jù)

五、系統(tǒng)的測試

在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)的測試即包括了軟件的測試，也包括了硬件，F(xiàn)GPA的測試，在本文中不再贅述。

結(jié)束語

上述的MVB系統(tǒng)現(xiàn)已運行在列車控制系統(tǒng)中，成功實現(xiàn)對列車的運行控制、機車控制、車輛控制、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷。當然，如有需要，本文中的MVB系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)化成為ASIC設(shè)計，從而成為一個SOC的嵌入式系統(tǒng)。