基于DSP的快速以太網(wǎng)通信技術(shù)研究

為了適應(yīng)大量的嵌入式產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)接入需求，目前市場(chǎng)上的主流嵌入式操作系統(tǒng)都包含了 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。這些商品化的TCP/IP協(xié)議棧運(yùn)行可靠、性能也非常好，但是價(jià)格較高，降低了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此，開(kāi)發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TCP/IP協(xié)議棧的要求變的日益迫切而有意義。本文的研究目標(biāo)是建立一個(gè)DSP系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)DSP系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)中其他通信設(shè)備的高速數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文研究的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)大致分為圖1所示的5個(gè)層次，由下向上分別為：硬件層、設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)模塊和用戶代碼。

圖1 系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的創(chuàng)新之處是以DSP系統(tǒng)和以太網(wǎng)控制芯片Ax88796的接口電路為系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)。快速以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序處于硬件抽象層，為操作系統(tǒng)提供了訪問(wèn)快速以太網(wǎng)控制芯片 Ax88796 或改變其工作行為的系統(tǒng)調(diào)用。μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)處于系統(tǒng)內(nèi)核，為用戶代碼統(tǒng)一管理系統(tǒng)軟硬件資源提供用戶所需的底層服務(wù)。TCP/IP 協(xié)議棧軟件為 μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)通信能力。用戶代碼處理特定的應(yīng)用程序細(xì)節(jié)。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件包括TMS320F2812 DSP與IS61LV51216存儲(chǔ)器芯片的接口電路以及TMS320F2812與快速以太網(wǎng)控制芯片Ax88796的接口電路，電路硬件原理框圖如圖2所示。

圖2 硬件原理圖

TMS320F2812是TI新推出的高端C2000系列DSP，它在具備強(qiáng)大運(yùn)算能力的同時(shí)，兼顧了控制領(lǐng)域的需求，特別適合控制對(duì)象復(fù)雜又需要較高實(shí)時(shí)運(yùn)算能力的領(lǐng)域。它具有150MIPS的指令執(zhí)行速度；單周期完成 3232 位的乘法器；快速中斷響應(yīng)；單指令周期的讀寫(xiě)操作；100～120MIPS的Flash訪問(wèn)技術(shù)；150MIPS的外部RAM訪問(wèn)速度。基于以上特點(diǎn)，本系統(tǒng)選擇TMS320F2812作為系統(tǒng)的主控芯片。

DSP電源電路提供1.8V/1.9V、 3.3V、VDD3VFL和VDDA3V四種電源類(lèi)型，分別供DSP的內(nèi)核、I/O、內(nèi)部 Flash 和AD模塊使用。并且由于各種電源類(lèi)型存在嚴(yán)格的上/下電時(shí)序，電源部分還需提供時(shí)序控制功能。電源監(jiān)控電路在系統(tǒng)電源電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，給DSP系統(tǒng)提供復(fù)位信號(hào)，使系統(tǒng)程序重新初始化并運(yùn)行，避免出現(xiàn)不可預(yù)知的錯(cuò)誤。

面對(duì)表面貼技術(shù)造成的測(cè)試上的不便，JTAG接口提供了簡(jiǎn)單靈活的調(diào)試手段，用戶可以通過(guò) JTAG接口，將在 PC交叉編譯生成的結(jié)果下載到DSP中，或者通過(guò)JTAG接口即時(shí)查看DSP內(nèi)部寄存器和RAM的值，對(duì)程序的行為進(jìn)行調(diào)試。系統(tǒng)的軟件代碼在調(diào)試階段存放在擴(kuò)展的RAM中，脫機(jī)運(yùn)行后，用于存儲(chǔ)傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)，故擴(kuò)展了512KB。以太網(wǎng)控制芯片Ax88796通過(guò)ISA接口與DSP相連，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隔離器16ST8515后，接入以太網(wǎng)絡(luò)中。

1 Ax88796與TMS320F2812的接口設(shè)計(jì)

TMS320F2812通過(guò)XINTF接口訪問(wèn)外部設(shè)備，每次訪問(wèn)都分為三個(gè)階段：前導(dǎo)（Lead）、有效（Active）和跟隨（Trail），每個(gè)階段的等待周期數(shù)都可由軟件設(shè)定，等待的時(shí)鐘周期數(shù)由該存儲(chǔ)區(qū)間對(duì)應(yīng)的XTIMING寄存器設(shè)置，而且每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)間的讀寫(xiě)過(guò)程可以單獨(dú)控制。

TMS320F2812通過(guò)對(duì)采樣X(jué)READY信號(hào)輸入引腳來(lái)判斷外部設(shè)備是否完成數(shù)據(jù)讀/寫(xiě)。當(dāng)外部低速設(shè)備的讀/寫(xiě)過(guò)程未執(zhí)行完成時(shí)，輸出信號(hào)READY為未就緒狀態(tài)，此時(shí)TMS320F2812持續(xù)保持?jǐn)?shù)據(jù)有效（寫(xiě)訪問(wèn)）或保持等待數(shù)據(jù)（讀訪問(wèn)）狀態(tài)，即ACTIVE狀態(tài)。一旦TMS320F2812對(duì)該信號(hào)的采樣結(jié)果是就緒狀態(tài)，則結(jié)束本次數(shù)據(jù)讀寫(xiě)過(guò)程。

在TMS320F2812對(duì)Ax88796進(jìn)行讀操作時(shí)，設(shè)置Lead和Trail階段為0個(gè)時(shí)鐘周期，Active 階段為5個(gè)時(shí)鐘周期；在TMS320F2812對(duì)Ax88796進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，設(shè)置Lead階段為0個(gè)時(shí)鐘周期，Active階段為1個(gè)時(shí)鐘周期，Trail階段為1個(gè)時(shí)鐘周期。

2 Ax88796的ISA接口設(shè)計(jì)

Ax88796有兩個(gè)輸入引腳，CPU[1:0]設(shè)置不同的工作模式，用于和不同的CPU總線相連。在與TMS320F2812連接時(shí)，將CPU[1:0]都拉低，設(shè)置為ISA總線接口。

Ax88796的地址總線SA與數(shù)據(jù)總線SD分別與TMS320F2812的地址/數(shù)據(jù)總線相連，TMS320F2812通過(guò)I/O讀寫(xiě)Ax88796的寄存器來(lái)控制其狀態(tài)，通過(guò)遠(yuǎn)程DMAFIFO與Ax88796的內(nèi)部SRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。Ax88796的基地址默認(rèn)值為200H，所以基地址范圍為200H～21FH。Ax88796的ISA接口有10根地址線――SA[9:0]。

Ax88796的BHE引腳決定了是否使能高8位數(shù)據(jù)線，如果 BHE 信號(hào)為高，則高8位數(shù)據(jù)線內(nèi)部強(qiáng)行下拉，此時(shí)Ax88796工作在8位傳輸模式下。表1和表2是 Ax88796 在 ISA 模式時(shí)的訪問(wèn)信號(hào)組合。

可以看出，對(duì)奇偶字節(jié)地址的訪問(wèn)方式是不同的，但對(duì)于TMS320F2812而言，地址空間是按16位字尋址，所以所有的地址都是偶字節(jié)地址，這樣對(duì)地址線A0就無(wú)須再作專(zhuān)門(mén)處理，連線簡(jiǎn)潔。在本課題中，直接將BHE接地，始終使用16位傳輸模式。

3 系統(tǒng)RAM擴(kuò)展

TMS320F2812內(nèi)部已經(jīng)集成了18KB的RAM，對(duì)于一般的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，已經(jīng)無(wú)須再擴(kuò)展外部RAM。片內(nèi)RAM能以150MIPS的速度進(jìn)行訪問(wèn)。在對(duì)運(yùn)算速度要求很高的處理程序中，通常將經(jīng)常訪問(wèn)的程序段放到內(nèi)部RAM中運(yùn)行，這樣能大大提高運(yùn)行速度，因此片內(nèi)RAM顯得格外寶貴。而且本系統(tǒng)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，將來(lái)會(huì)用于進(jìn)行大量圖像的網(wǎng)絡(luò)傳輸，因而也要求外括RAM用于存放圖像文件。

TMS320F2812采用32位的尋址方式，數(shù)據(jù)空間和程序空間統(tǒng)一編址。TMS320F2812有1056K16bit的外部存儲(chǔ)器接口能力，分為5個(gè)地址區(qū)間：區(qū)間0、區(qū)間1、區(qū)間2、區(qū)間6和區(qū)間7，其中區(qū)間6、7共用一個(gè)片選引腳 CS6AND7。在 MP模式下，TMS320F2812 在復(fù)位之后，跳轉(zhuǎn)到區(qū)間7尋找矢量表，但是在MC模式下，將不存在區(qū)間 7，由片內(nèi)的ROM取而代之，所以在擴(kuò)展系統(tǒng)RAM時(shí)，使用RAM區(qū)間6。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件部分包含3個(gè)方面：快速以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序、μc/OS-II操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議棧軟件。快速以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序屏蔽了對(duì)底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的處理細(xì)節(jié)，同時(shí)向上層操作系統(tǒng)提供硬件無(wú)關(guān)的接口調(diào)用。在以太網(wǎng)通信之前，首先要實(shí)現(xiàn)位于硬件抽象層的快速以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序，上層軟件與以太網(wǎng)控制器的交互都要通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行。網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)通常要與多個(gè)對(duì)象實(shí)現(xiàn)信息共享，因此本文為T(mén)MS320F2812DSP移植了嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS- II，增強(qiáng)系統(tǒng)的事務(wù)處理能力。TCP/IP是實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，屏蔽各種物理網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。本文結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的特定要求進(jìn)行簡(jiǎn)化之后，實(shí)現(xiàn)了地址解析協(xié)議ARP、網(wǎng)際協(xié)議IP、網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議ICMP、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP和TCP傳輸控制協(xié)議等幾個(gè)Internet接入的必需協(xié)議。

系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果

用ANSIC語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言在TMS320F2812上編寫(xiě)的網(wǎng)絡(luò)通信軟件全部調(diào)試通過(guò)，系統(tǒng)軟件占用程序空間40.7KB，數(shù)據(jù)空間38.7KB。表3和表4分別是主要區(qū)塊內(nèi)存分配和協(xié)議代碼占用情況。

結(jié)束語(yǔ)

綜合性的測(cè)試表明本系統(tǒng)完全滿足了網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)所具備的各項(xiàng)功能，它將DSP的強(qiáng)大運(yùn)算處理能力和Internet聯(lián)系起來(lái)，使得DSP系統(tǒng)不再是“信息孤島”，能夠方便的與網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備進(jìn)行信息共享，進(jìn)一步擴(kuò)展了DSP的應(yīng)用前景。