Высокопроизводительные платформы DSTni компании Lantronix

Компоненты и технологии, № 8'2004

Высокопроизводительные платформы DSTni

компании Lantronix

В настоящее время в связи с непрекращающимся увеличением объема передаваемых данных по цифровым сетям непрерывно растут требования к коммуникационным платформам. Существующее и разрабатываемое оборудование промышленной автоматики имеет различные интерфейсы связи и протоколы управления. Как правило, задача объединения всех устройств в одну сеть с управлением в режиме реального времени достаточно тяжело реализуема. Для этого нужен коммуникационный процессор, имеющий высокую производительность и большое число поддерживаемых интерфейсов связи, такой, например, как сетевые платформы DSTni компании Lantronix.

Александр Зайцев

alex-uc@narod.ru

Компания Lantronix, основанная в 1989 году, является мировым лидером в производстве программно-аппаратных комплексов дистанционного управления технологическим оборудованием. В большинстве случаев в основе оборудования Lantronix лежит высокопроизводительная коммуникационная платформа DSTni-LX или DSTni-EX.

Платформы DSTni включают все необходимые аппаратные и программные компоненты приложений типа Device Networking. Интегрированные контроллеры интерфейсов, такие, как Ethernet, USB, CAN, SCi, Profibus и др., позволяют применять DSTni как ведущее устройство системы, выполнен-

Таблица. Основные характеристики DSTni-LX и DSTni-EX

Платформа DSTni-LX DSTni-EX

Тип процессора 16-разрядный микропроцессор Turbo 186

Максимальная тактовая частота/производительность 48 МГц/12,5 MIPS 125 МГц/30 MIPS

Программируемая схема PLL Нет 1-115 МГц

Интегрированное статическое ОЗУ 256 кбайт

Максимальный объем внешней памяти 16 Мбайт

Интегрированное загрузочное ПЗУ 2 кбайт 16 кбайт

Двухпортовое ОЗУ с интерфейсом IDT 8 кбайт Нет

Контроллеры интерфейсов связи Один 10/100 Мбит Ethernet Два 1 Мбит CAN V.0B Два RS232/422/485 с RTS/CTS SPI Два 10/100 Мбит Ethernet Два 1 Мбит CAN V.0B Четыре RS232/422/485 с RTS/CTS USB 1.1, SPI, I2C

Контроллер Profibus Интегрированный контроллер Profibus Siemens ASPC 12 Мбит Нет

Каналов DMA 3 4

Интегрированная периферия 3 таймера, контроллер прерываний, 32 порта ввода-вывода, логика выборки внешней памяти, сторожевой таймер

Интерфейс JTAG Поддержка внутрисхемного эмулятора с точками останова и буфера трассировки

Напряжение питания Ядро - 2,5 В Периферия - 3,3 В Ядро -1,8 В Периферия - 2,5 В

Диапазон рабочих температур °С 5 0 +1 о д 0 -4 От От -40 до +85 °С

Корпус 160-выводный LQFP 180-выводный BGA 12x12 мм 184-выводный BGA 12x12 мм

ное на одном кристалле. Реализация платформы DSTni по принципу «все в одном» дает возможность значительно уменьшить размеры устройства, а также снизить энергопотребление и стоимость системы. Основные характеристики платформ DSTni представлены в таблице.

В состав программного пакета поддержки платформ DSTni входит операционная система реального времени (RTOS) для быстрого сбора и обработки данных с внешних устройств; стек протокола TCP/IP для работы по сети Ethernet и организации веб-сервера с графическим управлением системой через веб-браузер; проверенные C-библиотеки для работы со всеми периферийными контроллерами DSTni.

Рассмотрим более подробно некоторые основные узлы коммуникационных платформ DSTni.

Центральный процессор

В DSTni-LX и DSTni-EX интегрирован 16-разрядный высокопроизводительный процессор промышленного стандарта 80186, который полностью заново разработан с применением последних достижений в микроэлектронике, позволяющих значительно эффективнее использовать высокую тактовую частоту по сравнению со стандартными процессорами. Многократно проведены разнообразные тесты, подтверждающие полную программную совместимость нового процессора с семейством процессоров 8086, широко применяемых в системах промышленной автоматики.

Процессор Turbo 186 обеспечивает выигрыш в производительности примерно в 2,5 раза по сравнению с процессорами 80186 компаний Intel и AMD для той же тактовой частоты. Приложения, приоритетом в которых является пониженное энергопотребление, могут работать на тактовой частоте в два раза ниже обычного и сохранять требуемую производительность.

Компоненты и технологии, № 8'2004

LCS -ARDY -HOLD-HLDA^ WR 4

W <

WH В/U BE * WLB/LBE * BCLK * LBA * BM *

CPUCLK

25Mhz from PHY |

і 1

Xin

PLLBYP  PLL и

та кт. генератор

WDT

RSTIN  Схема сброса

RSTOUT — Упр. Регистры

I NT 5,3,1 NMI

TMROUTO TMROUT1 TMRINO ATMRIN1

±±±

DRQ1 DRQ3 DRQO DRQ2

Контроллер

прерываний

Упр. регистры

±±±

MCS 3:2,1:0

к PCS 7:4,3:0

J^S

p. TXD 3:2,1:0

____RXD 3:2,1:0

RTS 3:2,1:0 CTS 3:2,1:0

£

Таймер ЭМА контроллер

0 1 2 0 12 3 Параллельные Асинхронные

Макс.счет. В 1 Указатель приемника Выбор порты ввода/вывода последов. порты

Макс.счет. А Указатель источника

Счетчик 16 бит Счетчик 0 12 3

Упр. регистры Упр. регистры Упр. регистры Упр. регистры Упр. регистры

Упр. регистры

Интерфейс

системы

H

Е

Упр. регистры Упр. регистры Упр. регистры Упр. регистры Упр. регистры Внутренняя память ПЗУ 8Kxló ОЗУ 128КХІ6

USB 1.1 Host/Slave IO 9800-98FF INT3 SPI/I2C SPI B800-B8FF I2C D000-D0FF INT2 CAN BUS 2.0В IOA800-A8FF IO A900-A9FF INT6 Ethernet Mac Порт 1 IO 9100-9 IFF INTI Ethernet Mac Порт 0 Ю 9000-90FF INTO

Интерфейс МП

Генератор

CRC

Генератор случ. чисел

25 МГц PHY

Ю/100 Ethernet PHY

USBP

USBN

SCK, SLVSEL#, DIN, DOUT SCLK, SDTA

CANTX, CAN1TX, CANRX CAN1RX

Интерфейс Mil

Рисунок. Структурная схема DSTni-EX

Кварцевый резонатор 25 МГц

ТХ, RX 10/100 Ethernet

Применение передовых технологий в изготовлении процессора Turbo 186 позволило более чем в пять раз повысить его максимальную производительность, а стандартные элементы могут работать на частоте в два-три раза выше обычного. В результате процессор Turbo 186 имеет более подходящие характеристики для приложений, работающих в режиме реального времени, чем процессоры 386SX.

Процессор Turbo 186 содержит все периферийные модули процессоров семейства 186, обеспечивающие полную совместимость с процессорами Intel 80C186 и AMD Am186ES, которые являются промышленным стандартом.

Обмен с периферийными модулями, размещенными на кристалле, производится по высокоскоростной 16-разрядной шине.

Процессором Turbo 186 поддерживается два режима адресации:

• Совместимый режим — максимальный объем адресуемой памяти 1 Мбайт;

• Расширенный режим — максимальный объем адресуемой памяти 16 Мбайт.

Вся адресуемая память разделена на непрерывные сегменты размером до 64 К х 8 бит. Для обращения к любому участку памяти суммируются два 16-разрядных указателя, один из которых в совместимом режиме сдвигается влево на 4 бит, а расширенном режиме — на 8 бит. В обоих режимах адресации поддерживаются все восемь методов обращения к памяти, реализованных в 8086-совмес-тимых процессорах.

Прямой доступ к памяти

Во многих приложениях требуется быстро передать объемные блоки данных между периферийными устройствами и памятью, например, чтение-запись блоков данных на карту памяти. Если процессор должен будет обра-

батывать каждый байт даже с использованием прерываний, это приведет к значительной потере системной производительности. Контроллер DMA предоставляет возможность передавать данные между периферийными устройствами и памятью без вмешательства процессора. В DSTni-LX реализовано три канала DMA, а в DSTni-EX — четыре.

Все каналы DMA идентичны и могут работать с асинхронными устройствами. Инициализировать прямой доступ к памяти могут:

• активный уровень сигнала на выводе запроса DMA;

• таймер 2;

• последовательный порт;

• команды процессора.

Для каждого из каналов DMA настраивается приоритетность работы, разрешающей конфликты доступа к памяти при одновременном запросе от нескольких каналов, а также источник и приемник данных.

Контроллер 10/100 Мбит Ethernet

Контроллер Ethernet является мостом между платформами DSTni и локальными сетями стандарта IEEE 802.3 Ethernet. Реализованный в DSTni контроллер Ethernet программно совместим с контроллерами AM79C960 PCnet-ISA и AM7990 LANCE компании AMD.

Контроллер Ethernet подключен к внутренней системной шине DSTni с высоким приоритетом доступа, обеспечивающим «нулевое» время ожидания. Контроллер Ethernet имеет один сигнал прерывания и собственный контроллер DMA, что позволяет значительно уменьшить размер буферов FIFO приемника и передатчика. Однако применение буферов FIFO малого размера требует применение дополнительных мер по предотвращению переполнения и исчерпания буфера.

Контроллер Ethernet имеет следующие характеристики:

• поддержка стандарта IEEE802.3-1998/ANSI 8802-3 Ethernet;

• поддержка скоростей обмена 10/100 Мбит в полу- и полнодуплексном режиме;

• индивидуальные буферы FIFO приемника и передатчика для поддержки дуплексного режима;

• автоматическая повторная передача;

• автоматическое дополнение коротких фреймов;

• автоматическое удаление фреймов с коллизиями;

• менеджер буфера DMA для минимизации загрузки процессора.

В платформы DSTni-LX и DSTni-EX интегрирован законченный Ethernet PHY приемопередатчик физического уровня с сигналами аналогового Ethernet-совместимого интерфейса MAC-уровня. Контроллер PHY поддерживает связь с MAC-уровнем или контроллером в соответствии со стандартом IEEE 802.3u Media Independent Interface (MII).

Контроллер PHY рассчитан для работы со следующими физическими средами передачи данных:

• 10Base-T — IEEE 802.3 спецификация физического уровня Ethernet 10 Мбит;

• 100Base-TX — IEEE спецификация физического уровня CSMA/CD 100 Мбит для кабеля UTP или STP;

• 100Base-TX — IEEE 802.3 спецификация физического уровня Ethernet 100 Мбит (Fast Ethernet) для оптоволоконного кабеля. Второй контроллер Ethernet в платформе

DSTni-EX не имеет контроллера PHY.

Контроллер CAN V2.0B

Платформы DSTni содержат по два независимых контроллера интерфейса CAN2.0B,

Компоненты и технологии, № 8'2004

предназначенного для гарантированной передачи данных в условиях сильных электромагнитных помех. Оба контроллера CAN2.0B обеспечивают высокоскоростной режим передачи данных до 1 Мбит/с (длина линии до 40 м) и низкоскоростной режим обмена до 5 кбит/с (длина линии до 10 км). Идеология шины CAN обеспечивает надежную схему разрешения конфликтов и обнаружения ошибок.

В состав каждого контроллера входит

3 группы регистров, обеспечивающих временное хранение сообщений, и схема «арбитр приоритетов», позволяющие реализовать:

• очередь отправки сообщений, что уменьшает нагрузку на процессор;

• отмену ждущего отправку сообщения с более низким приоритетом, которое уже находится в буфере отправки сообщений. Два независимых CAN-контроллера предоставляют уникальную возможность диагностировать шину CAN. Например, один из контроллеров настраивается для передачи сообщений по шине CAN, а другой — только для приема, чтобы анализировать все сообщения, передаваемые по шине.

Основные характеристики контроллеров CAN V2.0B:

• Интерфейс с процессором:

- 14 источников прерываний;

- 16-разрядный интерфейс с «нулевым» временем ожидания;

- режим петли для самодиагностики.

• 3 настраиваемых фильтра ACR (Acceptance Code Reg.) и AMR (Acceptance Mask Reg.).

• Передатчик:

- 3 группы регистров временного хранения данных;

- арбитр приоритета отправки сообщений;

- функция отмены передачи сообщений.

• Приемник:

- 4 буфера FIFO с индикаторами состояния буфера.

• Другие характеристики:

- режим «только прием»;

- поддержка стандартных и расширенных сообщений;

- проверка потери арбитража шины и счетчики ошибок.

Контроллер USB1.1

Высокоскоростная шина USB обеспечивает недорогой универсальный интерфейс связи Plug-and-Play с внешними периферийными устройствами. Одновременно к шине USB может быть подключено до 127 периферийных устройств. Максимальная скорость обмена по шине USB 1.1 — до 12 Мбит/с для высокоскоростных устройств и до 1,5 Мбит/с для низкоскоростных устройств.

Контроллер USB 1.1 платформы DSTni-EX поддерживает режимы работы как ведомого (Slave), так и ведущего (Host) устройства на шине. Функционально контроллер USB DSTni-EX можно разделить на три секции:

• Автомат последовательного интерфейса (SIE), который содержит:

- логику передатчика, выполняющую NRZI-кодирование, бит-наполнение, вычисление циклической контрольной суммы (CRC), добавление битов SYNC и EOF.

- логику приемника, выполняющую декодирование NZR потока данных USB, удаление бит-наполнения, проверка CRC, PID и другие проверки уровня протокола USB.

• Интерфейс процессора, обеспечивающий управление контроллером.

• Схема PLL с цифровым управлением, которая предназначена для генерации тактового сигнала 48 МГц, необходимого для выполнения транзакций по шине USB с максимальной скоростью 12 Мбит/с. Кроме того, схема PLL выполняет поиск полных одиночных нулей, строба конца пакета и декодирует NZRI-последовательность потока данных.

Необходимо отметить, что контроллер USB 1.1 — это объединение аппаратных средств и программного обеспечения. Когда SIE обрабатывает нижний уровень протокола USB, программным способом поддерживается верхний уровень протокола — управление буферизацией данных, поддержкой функций периферийного устройства и т. д.

В режиме Slave интерфейс процессора контроллера USB 1.1 содержит только блок регистров управления (CRB). В режиме Host в контроллере USB 1.1 включен контроллер DMA, опрашивающий таблицу дескрипторов (BDT) и поддерживающий транзакции данных между шиной USB и системной памятью. Применение таблицы дескрипторов позволяет эффективно управлять большим количеством устройств с минимальной загрузкой процессора.

Контроллер Profibus

Контроллер Profibus полностью соответствует стандарту Siemens ASPC2 и поддерживает режимы ведомого и ведущего шины. Существует несколько стандартных сетей, поддерживаемых контроллером Profibus DSTni-LX:

• Profibus — магистральная система связи для небольших сетей с разнесенными устройствами, соответствующая европейскому стандарту EN50170 часть 2.

• Profibus-FMS (Layer 7) — сеть, предназначенная для управления системами автоматизации технологических процессов.

• Profibus-DP — стандарт, специально разработанный для быстрого циклического обмена данными между устройствами. Сети Profibus хорошо подходят для высокоскоростной передачи данных (до 12 Мбит/с) на большие расстояния по оптическим и проводным линиям связи.

В режиме ведущего (или активной станции) контроллер Profibus может отправлять сообщения без предварительного запроса при удержании прав доступа к шине. В режиме ведомого контроллер не может управлять передачей данных, он только принимает дан-

ные или отвечает на полученные запросы. Обычно ведомой является периферия, например, устройства ввода-вывода, измерительные преобразователи, клапаны и т. д.

Контроллер SCI

Платформы DSTni содержат несколько традиционных последовательных асинхронных портов, позволяющих легко реализовать подключение к таким интерфейсам, как К5485, К5422 и К5232. Каждый последовательный порт работает независимо. К основным достоинствам асинхронных портов можно отнести:

• отдельные буферы чтения записи для поддержки дуплексного обмена;

• программируемый генератор скорости передачи данных;

• 7-, 8- и 9-разрядный формат байтов;

• аппаратный контроль паритета;

• 1 или 2 стоповых бита;

• поддержка символов заголовка сообщения с генерацией прерываний;

• функция прямого доступа к памяти. Дополнительной особенностью контроллера SCI является аппаратная поддержка сигналов квитирования данных RTS/CTS, а также протокола DCE/DTE.

Контроллер ^ (только в DSTni-EX) и SPI

Интерфейсы 12С и SPI в основном применяются для внутрисхемного обмена данными между микросхемами, например, АЦП, ЦАП, датчиками температуры и т. д.

Шина 12С является 2-проводным интерфейсом с включением узлов по схеме монтажного «И». Контроллер 12С поддерживает режимы ведомого и ведущего шины с 7- и 10-разрядной адресацией, а также мультимастерный режим работы шины с контролем арбитража шины.

Контроллер SPI DSTni поддерживает все

4 режима синхронизации данных высокоскоростного интерфейса БРІ с возможностью программного выбора от 1 до 8 бит в байте. В режиме ведущего SPI может программно устанавливать частоту синхронизации интерфейса SPI, все транзакции данных выполняются по инициативе ведущего. В режиме ведомого данные принимаются и передаются синхронно с внешним тактовым сигналом.

Порты ввода-вывода

Каждый из 32 программируемых пользователем портов ввода-вывода может быть настроен для работы в режиме входа или выхода. Все 32 порта имеют встроенную подтяжку к напряжению питания или нулевому уровню в зависимости от выбранной функции.

Дополнительно в платформе DSTni-LX предусмотрено 8 кбайт 8-разрядной двухпортовой памяти, функционально совместимой с микросхемой IDT7005. Для работы двухпортовой памяти задействуется 27 из 32 портов ввода-вывода.

Компоненты и технологии, № 8'2004

Средства проектирования

Для разработки изделий на основе платформ DSTni-LX и DSTni-EX применяются инструментальные средства стандарта x86. Наиболее удобным инструментом является внутрисхемный эмулятор (ICE) VSA-8X/18X, подключаемый к DSTni по JTAG-интерфейсу IEEE 1149.1. Внутрисхемный эмулятор позволяет загружать исполняемый код, устанавливать точки останова и трассировки, просматривать содержимое памяти, регистров управления и многое другое.

Интегрированная среда проектирования (IDE) Paradigm C++ содержит все необходимые средства для разработки программного обеспечения (редактор исходного кода, компилятор C++, отладчик, контроль версий ПО и др.). IDE Paradigm C++ работает под управлением операционных систем Windows 9x, Windows NT 4.0, Windows 2000, Windows ME.

Разнообразные оценочные комплекты позволяют быстро начать разработку изделия, а также оценить возможности платформ DSTni. В состав оценочных комплектов могут входить:

• плата с установленной платформой DSTni и вспомогательными микросхемами;

• внутрисхемный эмулятор-отладчик;

• интегрированная среда проектирования Paradigm C++;

• операционная система реального времени (RTOS);

• документация и примеры программ.

К сожалению, объем данной статьи не позволяет детально рассмотреть все особенности платформы DSTni. Богатый набор поддерживаемых интерфейсов и гибкость их настройки позволяют эффективно строить высокоинтеллектуальные мосты между разнородными сетями управления и передачи данных.

В следующей статье будет представлено описание готовых решений компании Lantronix на основе платформ DSTni.