校园网组网方案的研究与设计(编辑修改稿)

校园网组网方案的研究与设计(编辑修改稿)内容摘要：

件产生的噪音外，比如电力线、变压器和发电机等，线路自身的数据传输也会产生噪音。 这一情况使得安装和调试一个新硬件成为一种挑战。 在最坏情况下的可能影响，包括从传输灯亮时网络的不稳定，到高速传输数据时的数据错误。 一种特殊级别的双绞线名叫 5 类电缆，可以用于许多普通双绞线难于应付的情况。 5 类线支持 100Mbit/s 数据传输，而出 错概率很低。 光纤线路也在以太网络中得到应用，特别是在电磁干扰敏感的环境中，光纤是抗电磁干扰的，没有辐射，防窃听，完全适合极高速率的数据传输。 需要强调的是，以太网拓扑与其它网络拓扑相比是非常不一样的。 拓扑选择将影响布线的费用。 以太网不是基于多跳的网络，比如 10Base2 的雏菊链网。 以太网拓扑组成的是星状的配置。 星上的每一个设备在物理上要么连在一个集线器上，要么连在一个交换机上。 在以太网上，一个设备与另一个设备的通信起处于发送设备端，然后到它连接的集成器或交换机。 以太网有 2 种基于类型：平面式和多层结构式。 在一个平面式的以太网，连接在一个集线路上的所有设备可以看到这个集线器接角到的所有数据包。 这还包括相互连接在一起的集线器上的所有设备。 在多层结构式以太网中，由于集线路之间由交换机连接，只有连接在一个集一器上的设备可以看到那些包，此外，交换机还能决定哪些设备可以看到包，而哪些不能。 值得注意的是，不管是平面式还是多层结构式，以太网一个共同的好处是不会受故障设备所牵连；而在雏菊链网络中，一旦 1 个网络设备贪婪工作，其它网上设备的通信就无法进行了。 在以太网的多层结构网中，数据冲突被最小化了。 但它的最大不足就是线路总量 和安装总费用增加了。 存储器的考虑 对一个系统来讲，选择 RAM 是设计的一个很重要的方面，它会影响到产校园网组网方案的研究与设计 10 品的使用环境以及产品的全面的功能需求。 应用本身往往会确定使用何种存储器。 其它因素和成本、实性、产品稳定性也会影响 RAM 的选择。 静态 RAM以使用方便和速度快而著称。 例如， SRAM 的脉冲，通常由 1 个 2111 的周期组成，意味着它要用 2 个时钟周期来取第 1 个长字，然后每 1 个时钟周期取1 个。 在设计中， SRAM 也易于实现。 受限制的因素包括低密度的封装以及较高的价格。 EDORAM和 DRAM在老一点的设计 中径常见到。 但由于这些类型的 RAM曼慢被淘汰，现在很少能见到了。 而且 ,EDORAM 很难找到适合嵌入式设计的通用密度（ 2 或 8MB）。 SDRAM 是今天的智能网络设备中最常见的 RAM。 SDRAM 可用性很好，与 SRAM 相比，每兆字节的成本比也不错。 处理器易于和 SDRAM 交互，而且 SDRAM 也能提高效率。 SDRAM 的脉冲周期如果为 3111，但 SDRAM第 1 个指令获取之后，每下一个获取必须与时钟的上升沿步。 DRAM 在信号产生上有很地址和列地址之分。 行地址和列地址在 DRAM 类型中都要给出来定位一个存储器地址。 DRAM 还有刷新周期， SDRAM 有列地址延迟的值，以及需要存储器控制器控制的其它信号。 在处理器中集成一个 SRAM、 DRAM 和SDRAM 的控制器在做嵌入式设计时绝对会让你受益非浅。 许多处理器需要一个负责内存遇像保存和程序执行的外部存储器子系统。 对于映像存储，许多设备使用 Flash。 Flash 有 2 个大的供应商 AMD 和 Intel。 Flash 本身与 RAM 来讲是相对较慢的，因此，多数应用中，程序在 Flash 中的执行效率不高 —— 特别是在实时应用中。 在大多数的设计中， 16 位的 Flash 用来降低成本，而通过在 RAM 中执行 映像文件，这种结构被采用后可以不影响产品的运行。 另一种非易失内存为电可擦除可编程只读存储器。 EEPROM 在许多应用中被用于为设备保存配置信息。 这些参数通常至少包括 MAC 地址和 IP 地址。 其它参数可包括子网掩码、序列号、网关、波特率或其它板级参数。 EEPROM可以作为一个简单静态 RAM 类型设备来被设置和访问。 虽然 EEPROM 通常很慢，但它一般不会影响到嵌入式设备，因为它的主要用途是在启动时提供参数。 为了高效地选取 Flash 适应产品 ， Flash 的密度要决定好。 决定一个系统中校园网组网方案的研究与设计 11 Flash 的大小，实际上就决定了设备的 材料消耗费（ BOM）。 在 Flash 的问题上界限要很好地划定：太少，则限制了软件角度上的可裁剪性；太多，则为产品带来了成本上不必要的增加。 增加价值的特性 许多工程开始就有一些限定的要求 —— 使一个产品更快地投放市场和保持一个合理的成本。 当产品经受住市场的考验时，产品修正需要从现存的硬件得到支持。 这包括了在保证了附加软件的设计中，能增加价值的特性。 录找一个 TCP/IP 层内存需求罗小的操作系统，有助于将材料成本保持在一个较低的价位，因为它对内存的需求减少了。 比如，使用 NetSilicon 的NET+OS 集成的硬件和软件解决方案，操作系统和栈基本上只占用 240 KB的内存。 加上 Web 服务器和 FTP 服务器，整个系统只需 310KB 就可以启动了。 当有嵌入式 Web 服务器的时候，对于 Web 页面的构建需要仔细考虑。 普通的页面设计，用来控制和监视， 350KB 以内的 Flash 仍能满足使用。 但当动态的 GIF 文件、复杂的徽标和 JPEG 文件被引进时，内存的需求会急剧增加。 许多设计带 FTP、 HTTP 和 Email 功能，加上客户的应用， 甚至更少的 Flash 仍然放得下。 放 1MB 的 Flash 在板子上可以在板子不用重新设计布线 的情况下增加有意义的特性。 RAM 用来执行指令和数据储存。 因此，最小的 RAM 也要是 Flash的大小加上数据内存和以太缓冲区的大小。 有其它能影响 RAM 大小的考虑，比如，产品要不要在线升级。 在有的机制中，比如 NetSilicon 公司的Net+Works 方案提供的 FTP 可升级特性， RAM 的大小需要是程序映像大小的 2 倍。 比如，刚提到的 FTP 实现需要的一个保存新程序的缓冲区。 这个缓冲区会通过网络接收 1 个新的映像文件，然后将它保存在 RAM 的 1 个区校园网组网方案的研究与设计 12 里。 升级例程然后会将新映像烧到 Flash 中。 因此，在这个例子中，内存需求的 增加包括可执行代码的大小、另外增加的用于暂时保存升级程序的缓冲区以及为数据和网络缓冲区增加的空间。 最后，堆的大小一定要考虑，堆的大小会有很多职能，如对每一个 Socket连接分配内存。 具体的例子，如 NET+OS 中，每一个 Socket 连接需要大约 400 字节。 在这种情况下，通常用将执行文件大小加倍的方案来确定 RAM的大小。 执行、访问和速度 在 Flash 中执行，对许多低端应用来说并不坏。 如一个简单的串口到以太网的网关设备，在 Flash 中运行通常不需要性能上的补偿。 有一些处理器，如NET+ARM，可以 利用内部产生的与 Flash 相关的信号来获得效率。 例如，对于一个 16 位的 AMD Fash 设备， Flash 的片选可以接地，从而在 100%的时间内，它都是活动的。 当电源可以承担这样的消耗，此特性可以提高 Flash 的效率。 使能和输出使能信号可以直接从处理器得到。 例如， NET+ARM 处理器有5 个可用的片选。 一个普通的写使能和输出使能存在于内存外设中。 片选 0 通常用于 Flash。 我们不将 NET+ARM 的片选 0 接到 Flash 上，也就是不用NET+ARM 的片选 0 的输出使能和写使能。 与此对应，将 Flash 上的片选使能接地， 而同时写使能和输出使能用 NET+ARM 的 2 27 地址线来驱动。 这样，数据有效是依赖输出使能而不是片选使能。 从而，就可以绕过与 Flash 设备相关的几个慢速访问周期。 除了理解不同的类型和内存需求，找到正确的内存大小依赖于内存允许的访问时间。 内存速度直接影响传输率性能，而传输率直接影响到处理器能处理多少数据。 内存慢导致取指令慢，接着就降低了整个产品效率。 理解这些产品需求中的依赖性对建造一个嵌入式产品是必不可少的。 要理解内存速度的需求，需要对 NET+ARM 了解得更详细一些。 NET+ARM 的系统周期在它的总线主控 制者之间共享。 也就是说，系统时钟周期在 ARM7 内核和内部 10 通道的 DMA 控制器之间分享。 在这样的设计中， ARM 内核每得到一个时钟周期，校园网组网方案的研究与设计 13 DMA 也同样得到一个时钟周期，在将总线交回下一个控制者之间，总线主控制者被允许可以突发至 4 个长字。 下一个较关键的性能是时钟速度。 NET+ARM 通常使用 33MHz 的时钟。 这样就给它的处理时间差据周期的单位数，将结果乘上 30ns，再将所得结果乘2，就得到了整个系统时钟周期的时间。 请注意每一个总线控制者都可以突发至 4 个字长或 16 个字节。 整个系统周期基本上是 ARM、 DMA ARM、 DMA2，依次类推。 我们看一下 DMA 通道 1（以太网接收通道），可以简单地将每个系统周期移动 16 个字节转换成每秒多少兆字节。 除了 Flash，附加的 NVRAM 有时会被忽略。 许 多 RTOS 广商推荐使用一些如 EEPROM 的小型 NVRAM 设备来存储配置信息。 为了增强易用性， NetSilicon推荐用 EEPROM 来保存如 MAC 地址、序列号、 IP 地址一类的设备配置。 当产品的 IP 地址或配置设定被改动时，程序可以简单地将新的值写到 EEPROM中，而不需要保存配置信息的 Flash 的该扇区重新擦写。 由于需要的 EEPROM的容量 通常较小，使用的 NVRAM 设备也是小设备。 在 NetSilicon 公司的NET+ARM 开发包中，有针对 MAC 地址、 IP 配置、序列号的程序。 利用这些工具可以大大地节省时间和开发精力。 板级部件之间的通信有一个通用的机制是内存映射。 处理器通常有一个系统总线，由地址和数据总线组成，它们都会被用来与外设进行通信。 内存，如Flash 和 SDRAM，一般会驻留在处理器的系统总线上。 其它的外围部件，如FPGA、 LCD 显示、编码器、其它类型的设备等，也会需要添加到这个总线上。 这 一类型的实现通常有 2 个原因：效率和易用性。 与许多 其它类型的接口比较，系统总线上的效率是非常重要的。 需要慎重考虑的是，究竟是何种其它外设是通过系统总线进行通信的。 如果有许多高带宽的部件要进行通信，那么总线争用就会出现。 从易用性角度出发，所有系统总线上的设备基本上类似于内存。 使用智能的内存处理器，可以使得应用的硬件之间的通信容易得如同访问一内存区。 缓存的概念，就是检查每一次内存访问，看它是否在缓冲区中。 如果不是，一个常规的内存访问会进行。 如果该地址出现在在缓冲区中，指令或数据会直接在缓存中存取，而不需要尝试总线来进行外部的访问。 这样一来， DMA 控校园网组网方案的研究与设计 14 制器就可以 继续使用总线而 ARM 内核直接从缓存控制器中取得指令。 其它网络因素 以太网通信所需的包含 MAC、 PHY、 1 个电压转换器和 1 个连接器。 选择一个集成了 MAC 的处理器是非常有益处的，因为许多设计部件减少了。 在有外部 MAC 的情况下，有时附加的内存是需要的。 通过集成 MAC，系统的成本也会跟着降低。 MAC 的主要任务包括处理以太网上的冲突情况。 当侦测到一个冲突时， MAC 会将包放入发送单元，一直到将包发送出去为止。 许多应用为了与其它外设进行通信，既需要内部接口，也需要外部接口。 内部接口通常是部件之间通信板 级接口。 许多情况下，处理器的系统总线会用来为外设做内存映射，比如 USB、 LCD、 FPGA、 MPEG 编码器等。 GPIO（通用 I/O）可以用来构造像串行 EEPROM 的接口设备。 除了外部设备（如硬盘或相机）的接口，还可以用来做部件通信相关设备（如 Modem、 CODEC）接口。 对于很多类型的产品和部件，串行接口是常见的。 串行拓扑，如 RS2342 485，在与外部设备通信时经常用到。 用到 485 的有 2 个主要市场：工业自动化和楼宇控制。 而现在以太网成了很多应用的常见连接方式，就像过去串行、并行连接一样。 无线以太网 又增添了远程的应用和功能，使得以太网可以延伸到那些不可能布线或布线成本太高的地点。 和蓝牙技术正在被不断地改进。 重启 重启也是设计中的关键因素。 理解什么类型的重启可用，它们将对系统产生保种影响，以帮助设计者利用特定的情况。 在 NET+ARM 芯片中，有 5 种重启可以使用：加电重启、通过 RESET 引脚的硬重启、看门狗重启、 ENI 重启和软件重启。 ENI 重启允许 NET+ARM 被一个外部处理器重启。 这是在 NET+ARM 作为一个协处理器负责网络通信的情况下使用的。 加电重启、硬重启和看门狗重校园网组网方案的研究与设计 15 启都会 导致 NET+ARM 内部模块重启。 但 ENI 重启却不会影响到 NET+ARM的内存控制器和 ENI 模块本身。 软件重启不会影响 ARM 处理器、 ENI 和内存模块。 通过了解可用的重启类型，就可以在得启个别部分时无须影响到整个系统。 有 2 点本文没有讨论，分别是电源的稳定性和设备失效后。