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　　英創(chuàng)工控主板以多串口和多網(wǎng)口作為特色，已經(jīng)推出了多種擴(kuò)展方案，被用戶廣泛使用在工控領(lǐng)域中。為了滿足更多的通訊接口需求，英創(chuàng)公司推出了基于ESM7000或ESM6802主板，具有30路串口+6路網(wǎng)口的整機(jī)方案。該方案由主板自帶的6路串口和2路網(wǎng)口，加上擴(kuò)展出24路串口和4路網(wǎng)口構(gòu)成，其接口資源應(yīng)該能滿足絕大部分的應(yīng)用需求了。

擴(kuò)展原理

硬件組成

　　英創(chuàng)公司設(shè)計(jì)了兩款擴(kuò)展模塊來實(shí)現(xiàn)這一擴(kuò)展方案，它們是24路串口擴(kuò)展模塊ETA524和4路100M以太網(wǎng)口模塊ETA8152。用戶可利用英創(chuàng)公司成熟的評(píng)估套件，對(duì)這兩個(gè)模塊同時(shí)進(jìn)行評(píng)估。

　　ETA524模塊通過ISA總線擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)24路串口，所擴(kuò)展的每一路串口最高波特率均可達(dá)到115200bps，信號(hào)電平均為3.3V TTL。模塊外形尺寸為70mm×46mm，與主板一樣是插在應(yīng)用底板上工作。ETA524的這種設(shè)計(jì)使得用戶既能快速方便的對(duì)它進(jìn)行評(píng)估，又能很好的融入用戶自己的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。在用戶自己做應(yīng)用底板時(shí)，僅需要在應(yīng)用底板上對(duì)每路串口做適當(dāng)驅(qū)動(dòng)即可，ETA524可以作為一個(gè)“器件”背插在用戶的應(yīng)用底板上，以獲得最佳的數(shù)據(jù)傳輸性能。

ETA524串口擴(kuò)展模塊

　　其中CN1是ETA524和精簡(jiǎn)ISA總線連接的接口，定義如下圖：

　　CN2-CN4分別是擴(kuò)展出來的串口，定義如下：

　　引出的串口均為TTL信號(hào)，用戶可根據(jù)需求在外部進(jìn)行轉(zhuǎn)換。例如轉(zhuǎn)換成RS232或者RS485，英創(chuàng)公司在光盤資料中都提供有電路供用戶參考。

　　網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模塊ETA8152集成了4片r8152芯片，可以通過USB擴(kuò)展出4路網(wǎng)口，單獨(dú)一路擴(kuò)展網(wǎng)口的速度均可以達(dá)到90Mbit/s以上。如果同時(shí)使用，每一路速度可以達(dá)到40Mbit/s以上。

　　ETA8152采用了mini-PCIe模塊的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，使模塊安裝極為方便，所有的高速網(wǎng)絡(luò)信號(hào)集中在一個(gè)插座上，按常規(guī)PCB布線即可連接至底板RJ45網(wǎng)口座。

ETA8152網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模塊

　　ETA8152的管腳定義如下：

　　其中I2C總線是用來給擴(kuò)展網(wǎng)口配置MAC地址的，英創(chuàng)公司在ETA8152模塊出廠的時(shí)候，會(huì)為每一路網(wǎng)口燒寫一個(gè)唯一的MAC地址。所以硬件上需要將主板的I2C總線信號(hào)接入，在加載驅(qū)動(dòng)的時(shí)候系統(tǒng)會(huì)調(diào)用這一路I2C總線，加載完成后就會(huì)釋放I2C總線資源，不會(huì)影響用戶程序調(diào)用I2C總線。

　　用戶在底板上就只需要連接網(wǎng)絡(luò)變壓器和RJ45接頭，我們隨便以一路為例，給出原理圖（圖中的RJ45是帶有網(wǎng)絡(luò)變壓器的）：

接口電路圖

　　用戶使用ESMARC_ISA_EVB可以方便的評(píng)估整個(gè)方案，連接如下圖所示：

評(píng)估板連接示意圖

軟件開發(fā)

　　ETA524和ETA8152模塊的驅(qū)動(dòng)英創(chuàng)公司已經(jīng)調(diào)試好并且以內(nèi)核模塊的形式集成在板卡中了，用戶只需要調(diào)用命令加載驅(qū)動(dòng)就可以生成標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)來操作，這兩個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)分別為eta524.ko和r8152.ko。驅(qū)動(dòng)加載后，系統(tǒng)就能夠識(shí)別到擴(kuò)展模塊，并生成相應(yīng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，通過設(shè)備節(jié)點(diǎn)，用戶就能夠使用標(biāo)準(zhǔn)的API函數(shù)來操作擴(kuò)展了。在主板的命令行輸入modprobe命令就可以加載：

加載ETA528的驅(qū)動(dòng)

　　從圖上可以看到加載驅(qū)動(dòng)后，生成了24個(gè)串口設(shè)備（ttyS7-ttyS30）。接下來加載ETA8152模塊的驅(qū)動(dòng)，方法相同：

加載ETA8152的驅(qū)動(dòng)

　　可以看到驅(qū)動(dòng)加載后，系統(tǒng)生成了eth2-eth5四個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

　　不論是串口還是網(wǎng)絡(luò)，加載驅(qū)動(dòng)生成的設(shè)備節(jié)點(diǎn)都是Linux標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，所以用戶在使用的時(shí)候操作方法也和標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備相同，只需要更改程序中對(duì)應(yīng)的設(shè)別節(jié)點(diǎn)即可。用戶可利用英創(chuàng)公司提供的串口和網(wǎng)絡(luò)通訊應(yīng)用程序源代碼，快速評(píng)估此方案基本性能是否滿足其具體的應(yīng)用需求，幫助用戶縮短評(píng)估和開發(fā)的周期。

性能測(cè)試

　　英創(chuàng)公司針對(duì)這套擴(kuò)展方案進(jìn)行性能上的測(cè)試，使用ESM7000核心板搭建了測(cè)試環(huán)境。首先使用iperf3工具測(cè)試擴(kuò)展網(wǎng)口的速度，在PC端搭建好服務(wù)器后，在板卡中運(yùn)行iperf3工具連接，服務(wù)器測(cè)試結(jié)果截圖如下：

網(wǎng)絡(luò)帶寬測(cè)試

　　圖片中端口號(hào)5201為核心板自帶網(wǎng)口eth0，端口號(hào)5202為核心板自帶網(wǎng)口eth1，端口號(hào)5203-5206分別對(duì)應(yīng)擴(kuò)展網(wǎng)口1-4。因?yàn)闇y(cè)試網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為千兆網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，所以主板千兆網(wǎng)口eth0的速度會(huì)受到其他網(wǎng)口的影響。從測(cè)試結(jié)果可以看到，在同時(shí)使用的情況下，擴(kuò)展網(wǎng)口的速度是可以達(dá)到40Mbit/s以上的。

　　下面對(duì)擴(kuò)展串口進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試程序會(huì)打開每一路擴(kuò)展串口，波特率設(shè)置為115200bps，每3ms發(fā)送9個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，即每秒發(fā)送3000個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，根據(jù)115200波特率的滿負(fù)荷計(jì)算，程序占用了每一路串口26%左右的負(fù)載。為了更加貼近實(shí)際使用情況，同時(shí)將所有擴(kuò)展網(wǎng)口打開進(jìn)行通訊，使網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載大約也占用20%左右。

　　在這樣的條件下，對(duì)串口收發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試，當(dāng)收到數(shù)據(jù)有錯(cuò)誤，程序會(huì)打印出來，經(jīng)過3個(gè)小時(shí)的測(cè)試，所有擴(kuò)展串口收發(fā)均正常，CPU整體負(fù)載如下：

系統(tǒng)總負(fù)載

　　可以看到系統(tǒng)總負(fù)載大約為56%，測(cè)試程序test_multiserial占用CPU為27.2%，截圖中top命令打印出的其余項(xiàng)為每一路串口通訊所占用的CPU資源，一共為24項(xiàng)，每一路占用的資源在2.3%-3.9%，是十分低的。需要注意的是ESM7000為雙核，所以top指令打印出來的CPU占用率需要除以2才是整個(gè)CPU的占用率。

　　在實(shí)際應(yīng)用中負(fù)載通常會(huì)更小一些，將負(fù)載提升上來是為了測(cè)試整套方案的性能，在此時(shí)的負(fù)載情況下，擴(kuò)展串口與網(wǎng)口通訊均保持正常和穩(wěn)定。