一種基於SoC技術的嵌入式家庭網關平臺及系統的製作方法

2023-06-14 08:40:16

專利名稱：一種基於SoC技術的嵌入式家庭網關平臺及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及SoC(System-on-a-Chip系統晶片或片上系統)及數字家庭技術領域，尤其是涉及一種基於SoC技術的嵌入式家庭網關平臺及系統。
背景技術：
在數位化技術蓬勃發展的今天，各種信息家電(IAInformation Appliance)不斷湧現，數位化家庭成為信息基礎設施的一個重要組成部分，其中家庭網絡是一項關鍵技術。家庭網絡的目標是在一個家庭中將電腦、信息家電(如數位電視、遊戲機、PDA等)和控制設備(如電錶、水錶、汽表、能源自動控制、保安系統等)通過網絡連接為一個小範圍的區域網，集成控制網和信息網二者的功能和服務，解決「最後10米的問題」，主要包括家庭網絡的聯網技術和接入技術兩部分內容。家庭網絡的特點是簡單、實用、廉價、可靠，目前國內外相關標準正在制定中，未有正式標準推出，但業界普遍認為未來的標準需要通過市場競爭來選擇和檢驗。
由於未來家庭內部將會有多個信息設備(包括電腦、信息家電和控制設備)同時聯入網際網路，為降低家庭用戶管理和維護的複雜性，一般不可能為每個信息設備都提供一個網際網路出口，而且在目前沒有一種主導聯網解決方案的情況下，為了解決各種信息設備之間的互連和互操作性等問題，通常在考慮家庭網絡的組成時，設置一個家庭網關(Home Gateway)。家庭網關是家庭區域網的關鍵設備，是家庭網絡的中心，使家庭中的信息設備之間可互相通信，並通過同一個網際網路高速管道實現集成的數據、語音和視頻服務。
深亞微米技術(工藝最小特徵尺寸≤0.35μm)的出現，使得SoC晶片的實現成為可能。SoC在單一晶片上集成了MPU、MCU、DSP、片上總線、RAM、ROM、I/O、A/D、D/A等多種功能的數字和模擬電路，甚至包括相應的嵌入式軟體，實現了一個完整的電子系統功能，這樣就可以將原來需要幾個、幾十個乃至上百個IC電路組成的印製電路板全部集成在一個晶片上，因此，它又稱為片上系統。片上系統不僅提高了晶片的密度和速度，而且可以減少成本。
當前，隨著半導體產業的迅速發展，信息家電產品的功能不斷提高，體積要求越來越小，SoC作為嵌入式系統的一種新形式，得到了越來越廣泛的應用。採用SoC技術實現嵌入式家庭網關，作為一種新興的系統解決模式，有其巨大的發展潛力和廣泛的應用前景。

發明內容
嵌入式家庭網關的SoC平臺主要完成網絡協議轉換和處理，包括MPU、RAM、ROM、多種網絡接口、外設接口以及RTOS、網絡通信協議和應用軟體等。將家庭網關設計為一個家庭嵌入式專用設備，與建築裝修環境有機統一，堅固耐用，同實現網關功能的普通PC機相比，傳統作業系統不夠穩定，易用性較差。作為提供關鍵功能(如安全可靠)的網關，PC機經常死機和需要重新啟動是不能接受的，專用設備在性價比上存在較大優勢。考慮到家庭網關的靈活性、可移植性等因素，我們採用一種軟/硬體分層結構來實現嵌入式家庭網關，採用主流的家庭聯網技術和接入技術，以滿足更大的目標用戶群。
本發明的目的在於提供了一種基於SoC技術的嵌入式家庭網關平臺及系統，解決其技術難題所採用的技術方案是1、嵌入式家庭網關的系統設計根據目標市場情況，確定嵌入式家庭網關的總體功能定位、軟/硬體劃分以及性能指標。硬體主要包括ARM7核、UWB、ADSL Modem、SRAM、SDRAM、Flash ROM和LED等模塊，軟體平臺主要包括驅動程序層、RTOS層、TCP/IP協議層(包括IP、ICMP、BGP、RIP、PPP(PPPOE)、TCP、UDP、NAT/PAT、DHCP Client/Server/Proxy、HTTP等協議)和應用軟體層(包括HTTP server和TFTP server)等。
2、嵌入式家庭網關SoC平臺的組成採用單一的AMBA總線連接片上各有關IP核，並使用軟/硬體協同設計/仿真方式完成嵌入式家庭網關SoC平臺的設計與驗證。
3、嵌入式家庭網關SoC平臺的存儲器層次考慮到SoC晶片的面積和成本等問題，將嵌入式家庭網關SoC平臺的存儲器分成兩個層次片上RAM和片外RAM，片上RAM通過SRAM控制器存取，片外RAM通過SDRAM控制器存取。
本發明的主要用途是在對數字家庭網絡的聯網和接入技術進行分析的基礎上，採用先進的SoC技術，實現一種嵌入式家庭網關SoC平臺，旨在研製一種具有開放、性能價格比高、運行穩定、安全可靠、功耗低的嵌入式家庭網關SoC平臺及其系統產品，為數字家庭網絡提供一個完整的解決方案。


圖1是本發明嵌入式家庭網關的主要軟/硬體結構示意圖。
圖2是本發明嵌入式家庭網關的SoC平臺架構示意圖。
圖3是本發明SoC平臺加電後地址空間分配示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖進一步詳細說明本發明的思想。
圖1是本發明嵌入式家庭網關的主要軟/硬體結構示意圖1)嵌入式家庭網關的系統設計根據目標市場情況，確定嵌入式家庭網關的總體功能定位、軟/硬體劃分以及性能指標。家庭網關與企業級和骨幹網路由器相比，其吞吐量和響應速度要求並不高，簡單(設備「即插即用」)、可靠、易用、廉價、具有較高的性價比是嵌入式家庭網關的主要特點。力爭做到嵌入式家庭網關的內容是高科技產品，外觀是消費類產品。因此，嵌入式家庭網關的許多功能(如路由表的維護、尋徑和轉發)儘量採用軟體實現，而不會採用專用IC電路實現。
2)家庭網絡技術確定家庭網絡的主流聯網技術和接入技術，從而能夠確定家庭網關的接口類型，解決軟/硬體(硬體物理接口如RJ45，軟體接口主要是指協議的匹配和處理)接口匹配問題。根據市場分析情況，在我們的SoC設計中，聯網技術採用UWB(Ultra Wide Band超寬帶)技術，這樣使得家庭網絡組網更加方便、靈活，符合家居環境美觀、舒適的要求，滿足用戶多樣化、個性化的需求；對家庭接入網技術而言，在實際應用中對各種技術的判斷和採用需要從多個方面進行全面分析滿足需求、技術成熟、建網成本、環境適應能力、通信質量、用戶接受程度、發展潛力等，綜合考慮我們採用ADSL Modem技術。
3)嵌入式家庭網關的硬體設計嵌入式家庭網關硬體的主要處理功能在SoC中實現，如MPU、RAM、ROM、多種網絡接口及外設接口。為降低SoC的生產成本，減少SoC的面積和功耗，一般大容量(通常為100KB以上)的Flash ROM和SDRAM不在SoC內部實現，而在PCB板上實現，SoC通過片外總線和接口與Flash ROM和SDRAM相連。
4)家庭網關的軟體設計嵌入式家庭網關軟體採用模塊化結構，包含以下三個部分●RTOS考慮到嵌入式家庭網關的應用程式屬於深嵌入、強實時的應用，同時需要豐富的應用程式、開放的API和低廉的成本，因此，我們選擇Nucleus作業系統。
●TCP/IP網絡協議棧嵌入式家庭網關通過網絡與各種信息設備相連，交互進行工作，需要支持多種協議。物理層和數據鏈路層協議主要包括UWB協議和ADSL Modem鏈路控制協議；網絡層和傳送層協議主要包括ARP、RARP、ICMP、BOOTP、DHCP Client/Server/Proxy、PPP、IP、DNS、RIP V1.0/V2.0、TCP、UDP等協議；應用層協議主要包括TFTP、TELNET、STMP、IMAP4、POP3、HTTP和SNMP等協議；安全協議可以採取一些較為簡便的安全措施，如包過濾、NAT/PAT及多層次口令保護。上述協議是家庭網關中可能用到的最大協議集合，在開發具體產品時，可根據應用情況和產品配置情況做一個合理的裁剪。
●應用軟體嵌入式家庭網關上的應用軟體，主要是配置管理軟體，客戶端通過瀏覽器(配置管理軟體作為嵌入瀏覽器的控制項在家庭網關上執行)與在嵌入式家庭網關上運行的Http Server相連，配置家庭網關的有關參數，如DHCP、包過濾等；與在嵌入式家庭網關上運行的TFTP server相連，可更新家庭網關的固化軟體。同時，提供系統日誌、診斷、性能統計等功能，儘量減少用戶的配置工作量。
圖2是本發明嵌入式家庭網關的SoC平臺架構示意圖在嵌入式家庭網關的SoC平臺設計中，基於IP核(Intellectual Property Core智慧財產權核)方式，採用系統集成法和部分集成法。同時，在這些方法中，結合使用軟/硬體協同設計/仿真方式，包括的主要內容如下1)片上總線目前，工業界、研究組織積極從事相關IP核互聯標準方案的制定工作，影響力較大的有IBM公司的CoreConnect、ARM公司的AMBA和Silicore公司的Wishbone。ARM公司最新提出的AMBA總線2.0規範由AHB(Advanced High-performance Bus高性能系統總線)、ASB(Advanced System Bus高級系統總線)和APB(Advanced Peripheral Bus高級外圍總線)總線構成。AMBA總線從技術上講簡單、靈活、功能強大及易於移植，同時，AMBA總線2.0規範可以直接從ARM公司的網站上下載，用戶只要籤署一個簡單的授權協議，無須付版稅。AMBA總線已成為半導體業界事實上的標準，並且已經被90％的ARM合作夥伴和很多的IP核供應商所採用，所以極有可能成為未來SoC片上總線的通用標準，因此，我們選擇AMBA總線為片上各個IP核互連總線。
2)嵌入式家庭網關SoC平臺組成嵌入式家庭網關SoC平臺的總體結構如圖2所示，工作頻率能夠達到166MHz左右，主要包括以下幾個部分●ARM核部分鑑於目前ARM7TDMI核的開發比較成熟，且成本較低，我們設計的嵌入式家庭網關SoC中將採用該核。與ARM核相連接的片上總線是寬度為32比特的AHB總線，ARM核可以對存儲在不同存儲器模塊上的所有系統程序和數據進行訪問。為降低SoC設計的複雜度，ARM核只通過一條AHB總線對系統控制模塊、基本通信模塊、存儲控制器模塊等模塊中的相關邏輯進行初始化設置和控制，並讀取和分析這些模塊的工作狀態。
●系統控制模塊ARM核必須與系統控制模塊組合才能實現微處理器的基本功能，該模塊由復位邏輯，中斷控制邏輯和WatchDog三部分組成。
●基本通信模塊基本通信模塊用來實現嵌入式家庭網關SoC晶片作為嵌入式控制器所要求的外圍接口功能，該模塊由通用計時/計數器、串行傳輸控制器和一個並行I/O控制器組成。
●存儲器控制模塊該模塊提供了訪問外部存儲器的通道，並對所連接的不同類型存儲器的讀寫時序進行轉換和控制，該模塊由SRAM控制器和SDRAM控制器組成。
●片上總線模塊該模塊包括總線仲裁器、解碼器、從設備到主設備復接器、主設備到從設備復接器、預設從設備和總線管理模塊。
● DMA控制器DMA控制器通過AHB總線在各數據區之間進行數據傳輸，提供8個DMA通道。
●JTAG TAP控制器該控制器用來控制SoC晶片上邊界掃描鏈的測試操作。
● Test Module主要是指OnCE(On-Chip Emulator)，主要完成設置單步執行、設置斷點及實時跟蹤等功能。
●UWB接口模塊該模塊完成IEEE802.15.3協議的物理層和鏈路層處理。
●ADSL Modem模塊符合ITU G.992.3和G.992.4等ADSL2標準，完成信號編碼、調製、解調等處理。
3)軟/硬體協同設計/驗證將軟體和硬體通過一個虛擬接口連接起來，在同一環境下，對軟體和硬體同時進行驗證。對軟體而言，相當於具有了一個硬體運行平臺，可以提早開始進行軟體的開發調試；對硬體而言，軟體起到激勵源或信號源的作用，能夠驗證複雜的硬體功能，其中有些是採用HDL難以描述的。軟/硬體協同驗證可以極大地提高SoC的開發效率，在嵌入式家庭網關SoC晶片設計中，我們採用了目前比較成功的軟/硬體協同設計/驗證工具Mentor Graphics公司的Seamless CVE，其運行平臺是Sun工作站、ARM7TDMI仿真核、面向ARM7TDMI的XRAY嵌入式軟體調試工具和C語言編譯工具等，在此主要是進行硬體模塊及驅動程序的協同驗證。
圖3是本發明SoC平臺加電後地址空間分配示意圖嵌入式家庭網關SoC平臺存儲器分成兩個層次片上RAM和片外RAM，片上RAM通過SRAM控制器存取，片外RAM通過SDRAM控制器存取。採用簡單的片上RAM而不是Cache，主要原因是片上RAM簡單、便宜且功耗低，而Cache有更複雜且不確定的行為，很難保證中斷響應時間，對於必須滿足嚴格實時約束的關鍵任務是十分有害的。
通常，片上RAM的設計要特別小心，它必須足夠快以使MPU滿負荷工作，又要足夠大以便能容納關鍵程序，但又不能太快(功耗太大)太大(佔用太多晶片面積)，在本方案中片上RAM大小為32K bytes。片外RAM根據應用軟體的情況，大小為32M Bytes；存儲軟體的ROM放於片外，也通過SDRAM控制器存取，大小為8M bytes。與此確定的系統方案相對應，加電後SoC平臺中地址空間劃分為片外RAM區(0～(2G-1))，片上RAM區(2G～(2G+32K-1))，內部寄存器配置區(2G+32K～(2G+33K-1))，ROM區(3G～(4G-1))三個部分。
在許多嵌入式系統中，由於只需要簡單的平面存儲器管理模式(Flat-mode)，不需要複雜的段頁式管理和虛擬存儲器機制，因此，在本方案中沒有設計MMU。
權利要求
1.一種基於SoC技術的嵌入式家庭網關平臺及系統，其特徵是採用SoC(System-on-a-Chip系統晶片或片上系統)技術，設計了一種嵌入式家庭網關軟/硬體的單晶片平臺，具有體積小、運行穩定、安全可靠和功耗低的優點，並實現了其系統產品，可有效地滿足數字家庭內部設備互聯和訪問外部Internet的需求。
2.根據權利要求1所述的嵌入式家庭網關平臺及系統，其特徵是硬體主要包括ARM7核、UWB、ADSL Modem、SRAM、SDRAM、Flash ROM和LED等模塊。
3.根據權利要求1所述的嵌入式家庭網關平臺及系統，其特徵是軟體主要包括驅動程序層、RTOS層、TCP/IP協議層(包括IP、ICMP、BGP、RIP、PPP(PPPOE)、TCP、UDP、NAT/PAT、DHCP Client/Server/Proxy、HTTP等協議)和應用軟體層(包括HTTP server和TFTPserver)等。
全文摘要
一種基於SoC技術的嵌入式家庭網關平臺及系統，採用SoC(System－on－a－Chip系統晶片或片上系統)技術，設計了一種嵌入式家庭網關軟/硬體的單晶片平臺，硬體主要包括ARM7核、UWB、ADSL Modem、SRAM、SDRAM、Flash ROM和LED等模塊，軟體主要包括驅動程序層、RTOS層、TCP/IP協議層和應用軟體層等，具有體積小、運行穩定、安全可靠和功耗低的優點，並實現了其系統產品，可有效地滿足數字家庭內部設備互聯和訪問外部Internet的需求。附圖是本發明嵌入式家庭網關的SoC平臺架構示意圖。
文檔編號H04L29/06GK1988488SQ20061002256
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月21日 優先權日2006年12月21日
發明者郭兵, 沈豔 申請人:四川大學