基于DSP的網(wǎng)絡(luò)通信接口設(shè)計(jì)方案

　　1 通信協(xié)議的制定

　　協(xié)議是用來管理通信的法規(guī)，是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。由于DSP可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)卡的直接操作，對(duì)應(yīng)于OSI網(wǎng)絡(luò)模型，網(wǎng)卡包含了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的全部?jī)?nèi)容，因此，規(guī)定了數(shù)據(jù)鏈路層上數(shù)據(jù)幀封裝格式，就可以為基于DSP的局域網(wǎng)絡(luò)中任意站點(diǎn)之間的通信提供具體規(guī)范。因?yàn)?strong>以太網(wǎng)是當(dāng)今最受歡迎的局域網(wǎng)之一，在以太網(wǎng)中，網(wǎng)卡用于實(shí)現(xiàn)802.3規(guī)程，其典型代表是Novell公司的NE2000和3COM公司的3C503等網(wǎng)卡，所以研究工作中的具體試驗(yàn)平臺(tái)是以DSP為核心構(gòu)成的以太局域網(wǎng)，主要用于語音的實(shí)時(shí)通信，所使用的網(wǎng)卡為Novell公司的NE2000網(wǎng)卡。NE2000網(wǎng)卡的基本組成請(qǐng)見參考文獻(xiàn)[2],其核心器件是網(wǎng)絡(luò)接口控制器（NIC）DP8390.該器件有三部分功能：第一是IEEE802.3MAC（媒體訪問控制）子層協(xié)議邏輯，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的封裝和解封，CSMA/CA（帶碰撞檢測(cè)功能的載波偵聽多址接入）協(xié)議以及CRC校驗(yàn)等功能；第二是寄存器堆，用戶對(duì)NE2000網(wǎng)卡通信過程的控制主要通過對(duì)這些寄存器堆中各種命令寄存器編程實(shí)現(xiàn)；第三是對(duì)網(wǎng)卡上緩沖RAM的讀寫控制邏輯。DP8390發(fā)送和接收采用標(biāo)準(zhǔn)的 IEEE802.3幀格式。IEEE802.3參考了以太網(wǎng)的協(xié)議和技術(shù)規(guī)范，但對(duì)數(shù)據(jù)包的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改，主要是類型字段變成了長(zhǎng)度字段。所以，以 DSP為核心的局域網(wǎng)內(nèi)通信數(shù)據(jù)包基本格式如圖1所示。

　　DSP讀出數(shù)據(jù)包和打包從目的地址開始。目的地址用來指明一個(gè)數(shù)據(jù)幀在網(wǎng)絡(luò)中被傳送的目的節(jié)點(diǎn)地址。NE2000支持3種目的地址：?jiǎn)蔚刂?、組地址及廣播地址。單地址表示只有1個(gè)節(jié)點(diǎn)可以接收該幀信息；組地址表示最多可以有64個(gè)字節(jié)接收同一幀信息；而廣播地址則表示它可以被同一網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)接收。源地址是發(fā)送幀節(jié)點(diǎn)的物理地址，它只能是單地址。目的地址和源地址指網(wǎng)卡的硬件地址，又稱物理地址。 在源地址之后的2個(gè)字節(jié)表示該幀的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，只表示數(shù)據(jù)部分的長(zhǎng)度，由用戶自己填入。數(shù)據(jù)字段由46~1500字節(jié)組成。大于1500字節(jié)的數(shù)據(jù)應(yīng)分為多個(gè)幀來發(fā)送；小于46字節(jié)時(shí)，必須填充至46字節(jié)。原因有兩個(gè)：一是保證從目的地址字段到幀校驗(yàn)字段長(zhǎng)度為64字節(jié)的最短幀長(zhǎng)，以便區(qū)分信道中的有效幀和無用信息；二是為了防止一個(gè)站發(fā)送短幀時(shí)，在第一個(gè)比特尚未到達(dá)總線的最遠(yuǎn)端時(shí)就完成幀發(fā)送，因而在可能發(fā)生碰撞時(shí)檢測(cè)不到?jīng)_突信號(hào)。NE2000對(duì)接收到的從目的地址字段后小于64字節(jié)的幀均認(rèn)為是“碎片”,并予以刪除。在數(shù)據(jù)字段，根據(jù)系統(tǒng)的具體功能要求，用戶可以預(yù)留出若干個(gè)字節(jié)以規(guī)定相應(yīng)的協(xié)議，以便通信雙方依據(jù)這些字節(jié)中包含的信息實(shí)現(xiàn)不同的功能。

　　2 基于DSP的網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計(jì)

　　如果基于網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，用戶可以利用一些軟件對(duì)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的支持，很容易地編寫出優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)通信程序，但這些程序必須依附于網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。而在DSP環(huán)境下，必須深入了解網(wǎng)絡(luò)接口控制器（NIC）的工作原理[2],通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)直接編程，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)任意站點(diǎn)之間的通信而完全拋開網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。 DSP對(duì)網(wǎng)卡的通信過程控制就是DSP對(duì)DP8390中各種寄存器進(jìn)行編程控制，完成數(shù)據(jù)分組的正確發(fā)送和接收。DP8390的所有內(nèi)部寄存器都是8位，映像到4個(gè)頁面。每個(gè)頁面有16個(gè)可供讀寫的寄存器地址（RA=00H~0fH）。頁面的選擇由命令寄存器CA控制。第0頁寄存器用于收發(fā)過程，第1頁寄存器主要用于DP8390的初始化，第2頁寄存器則用于環(huán)路診斷。DSP對(duì)寄存器的操作是將寄存器作為DSP的端口設(shè)備，其實(shí)際物理端口地址（PPA）為網(wǎng)卡基本I/O端口地址（BIOA）與寄存器地址（RA）之和（即PPA=BIOA+RA）。應(yīng)注意的是，PPA與寄存器間并不存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì) PPA的讀操作與寫操作并不一定是對(duì)同一寄存器進(jìn)行的，這種情況在第0頁尤其明顯。用戶數(shù)據(jù)分組在DSP和網(wǎng)卡交互是通過網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)端口實(shí)現(xiàn)的，既可以用 DMA方式也可以用PIO方式讀入數(shù)據(jù)分組或?qū)?shù)據(jù)分組送至網(wǎng)卡RAM緩沖區(qū)。在本系統(tǒng)中，DSP采用DMA方式對(duì)網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)端口地址（NDPA）為網(wǎng)卡基本I/O地址（BIOA）加偏移地址10H（即NDPA=BIOA+10H）。 網(wǎng)卡通信過程控制可分為網(wǎng)卡初始化、接收控制和發(fā)送控制。下面分別予以討論。

　　2.1 網(wǎng)卡初始化

　　網(wǎng)卡初始化的主要任務(wù)是設(shè)置所需的寄存器狀態(tài)，確定發(fā)送和接收條件，并對(duì)網(wǎng)卡緩沖區(qū)RAM進(jìn)行劃分，建立接收和發(fā)送緩沖環(huán)。具體過程請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn) [2].需要說明的是，每一塊網(wǎng)卡被賦予一個(gè)物理地址，以便通信站點(diǎn)的標(biāo)識(shí)。這個(gè)物理地址存在網(wǎng)卡的PROM（存儲(chǔ)地址為0000~0005H）六個(gè)單元中，在網(wǎng)卡初始化時(shí)，通過遠(yuǎn)程DMA讀入DSP內(nèi)存中，并送入網(wǎng)卡物理地址寄存器。在一步的意義在于：一方面，如果能正確讀出網(wǎng)卡的物理地址，則說明網(wǎng)卡硬件基本沒有問題，網(wǎng)卡的上電復(fù)位和DSP對(duì)網(wǎng)卡的初始化順利通過；另一方面，這個(gè)物理地址可以用于DSP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的點(diǎn)名、包的過濾丟棄等服務(wù)，也就是說，在鏈路層根據(jù)數(shù)據(jù)幀攜帶的源地址和目的地址確定數(shù)據(jù)報(bào)從哪里來，是否接收或丟棄。網(wǎng)卡初始化時(shí)另一個(gè)重要的工作就是接收緩沖環(huán)的設(shè)置，為了有效利用緩沖區(qū)，NIC將接收緩沖區(qū)RAM構(gòu)成環(huán)形緩沖結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

　　接收緩沖區(qū)RAM分成多個(gè)256字節(jié)的緩沖區(qū)，N個(gè)（N最大為256）這樣的緩沖區(qū)通過指針控制鏈接成一條邏輯上的緩沖環(huán)。緩沖環(huán)的開始頁面地址存入 PSTART寄存器，環(huán)頁面結(jié)束地址存入PSTOP寄存器。PSTART和PSTOP確定了接收緩沖環(huán)的大小和邊界。為便于緩沖環(huán)讀寫操作，還需要2個(gè)指針：當(dāng)前頁面指針CURR和邊界指針BNRY.CURR確定下一包放在何處，起著緩沖環(huán)寫頁面指針作用；BNRY指向未經(jīng)DSP取走處理最早到達(dá)的數(shù)據(jù)包起始頁面，新接收的數(shù)據(jù)包不可將其覆蓋，起著緩沖環(huán)讀頁面指針的作用。也就是說，CURR可以告訴用戶網(wǎng)卡接收的數(shù)據(jù)分組當(dāng)前放到了什么位置，而BNRY 則用于確定DSP讀緩沖環(huán)到了什么地方。由于接收緩沖區(qū)為環(huán)形結(jié)構(gòu)，BNRY和CURR相等時(shí)，環(huán)緩沖區(qū)可能滿也可能空。為了使NIC能辨別這兩種狀態(tài)，規(guī)定當(dāng)BNRY等于CURR時(shí)，才認(rèn)為環(huán)緩沖區(qū)滿；當(dāng)緩沖區(qū)空時(shí)，CURR比BNRY指針值大1.因此，初始化時(shí)設(shè)置：BNRY=PSTART,CURR=PSTART+1.這時(shí)讀寫指針不一致，為了保證正確的讀寫操作，引入一軟件指針NEXTPK指示下一包起始頁面。顯然，初始化時(shí)NEXTPK=CURR.這時(shí)，緩沖環(huán)的讀指針對(duì)NEXTPK,而BNRY只是存儲(chǔ)分組緩沖區(qū)的起始頁面邊界指示，其值為 NEXTPK-1.

　　2.2 接收控制過程

　　DSP完成對(duì)DP8390的初始化后，網(wǎng)卡就處于接收狀態(tài)，一旦收到分組，就自動(dòng)執(zhí)行本地DMA,將NIC中FIFO數(shù)據(jù)送入接收緩沖環(huán)，然后向主機(jī)申請(qǐng) “數(shù)據(jù)分組接收到”中斷請(qǐng)求。DSP如果響應(yīng)中斷，則啟動(dòng)網(wǎng)卡遠(yuǎn)程DMA讀，將網(wǎng)卡緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)分組讀入學(xué)生機(jī)存儲(chǔ)區(qū)，然后對(duì)接收緩沖環(huán)CURR、 NEXTPK、BNRY指針內(nèi)容進(jìn)行修改，以便網(wǎng)卡能從網(wǎng)上正確接收后續(xù)分組。DSP響應(yīng)網(wǎng)卡接收中斷后，接收控制過程如下： ①設(shè)置遠(yuǎn)程DMA的起始地址；RSAR0=00H,RSAR1=Nextpk. ②設(shè)置遠(yuǎn)程DMA操作的字節(jié)數(shù)，這個(gè)長(zhǎng)度在46~1500字節(jié)范圍內(nèi)根據(jù)具體要求自己確定。 ③0AH送命令寄存器CR,啟動(dòng)遠(yuǎn)程DMA讀。 ④從網(wǎng)卡數(shù)據(jù)端口依序讀入數(shù)據(jù)分組，注意，最先讀入的4字節(jié)非數(shù)據(jù)分組內(nèi)容，第1字節(jié)為接收狀態(tài)，第2字節(jié)為下一包頁地址指針，3與4字節(jié)為接收字節(jié)數(shù)。第2字節(jié)內(nèi)容應(yīng)該送入Nextpk,其它字節(jié)根據(jù)用戶要求處理。 ⑤修改邊界指針BNRY=Nextpk-1. ⑥清除遠(yuǎn)程DMA字節(jié)數(shù)寄存器RBCR0和RBCR1.

　　2.3 發(fā)送控制過程

　　DSP先執(zhí)行遠(yuǎn)程DMA寫操作，將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)分組傳至網(wǎng)卡發(fā)送緩沖區(qū)，然后啟動(dòng)發(fā)送命令進(jìn)行數(shù)據(jù)分組發(fā)送。發(fā)送控制過程如下： ①設(shè)置遠(yuǎn)程DMA的起始地址為網(wǎng)卡發(fā)送緩沖區(qū)起始地址； ②設(shè)置遠(yuǎn)程DMA操作的字節(jié)數(shù)； ③12H送命令寄存器CR,啟動(dòng)遠(yuǎn)程DMA寫； ④依序送出數(shù)據(jù)分組至網(wǎng)卡發(fā)送緩沖區(qū)； ⑤清除遠(yuǎn)程DMA字節(jié)數(shù)寄存器； ⑥設(shè)置發(fā)送字節(jié)數(shù)寄存器TBCR0和TBCR1; ⑦12H送命令寄存器CR,啟動(dòng)數(shù)據(jù)分組發(fā)送。

　　3 發(fā)送方發(fā)送頻率的控制

　　發(fā)送方發(fā)送頻率的正確控制主要保護(hù)兩點(diǎn)：一是有一個(gè)最小發(fā)送時(shí)間間隔，否則會(huì)因?yàn)榻邮辗讲荒芗皶r(shí)接收而導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓；二是發(fā)送頻率能夠足具體的功能實(shí)現(xiàn)要求。譬如在語音的實(shí)時(shí)通信中，發(fā)送頻率就取決于聲卡的采樣頻率。在8kHz采樣頻率時(shí)，聲卡每秒鐘采樣8000字節(jié)，采用1024字節(jié)需用時(shí)128ms,如果通信協(xié)議規(guī)定發(fā)送1次傳送1024字節(jié)有效數(shù)據(jù)，則必須每128ms發(fā)送一次才能保證緩沖區(qū)有新數(shù)據(jù)待發(fā)送，也才能保證接收方有新數(shù)據(jù)播放。 128ms是一個(gè)理論計(jì)算數(shù)值，在實(shí)際的操作中采樣速度和發(fā)送頻率之間總是不能完全匹配，而存放數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)大小是有限的，如果沒有良好的控制技巧來實(shí)現(xiàn)正確發(fā)送，就會(huì)造成聲音抖動(dòng)和延時(shí)。解決的辦法是雙緩沖技術(shù)和雙指針控制，并且根據(jù)采樣速度和發(fā)送頻率之間的匹配情況送入不同的發(fā)送通信進(jìn)行處理后發(fā)送。正確發(fā)送的含義有兩方面，一是每次發(fā)送的都是新數(shù)據(jù)，二是能滿足接收方總在播放新數(shù)據(jù)的需求。

　　4 接收方防止數(shù)據(jù)包的丟失

　　由于DSP通過中斷請(qǐng)求判斷是否有數(shù)據(jù)分組到來，如果中斷繁忙而兩個(gè)數(shù)據(jù)包到來時(shí)間相差非常短，DSP有可能只響應(yīng)一次中斷，從而導(dǎo)致丟包的發(fā)生。分析網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)過程，當(dāng)網(wǎng)卡收到數(shù)據(jù)分組時(shí)，首先執(zhí)行本地DMA,將NIC中FIFO數(shù)據(jù)送入接收緩沖環(huán)，并將本地DMA操作的起始地址存放在當(dāng)前頁寄存器（CURR）和當(dāng)前本地DMA寄存器（CLDA0、CLDA1）中，DSP從網(wǎng)卡接收緩沖環(huán)讀出數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)器則稱遠(yuǎn)程DMA操作，用軟件指針Nextpk 來指示遠(yuǎn)程DMA的起始頁面。因此通過比較網(wǎng)卡本地DMA和遠(yuǎn)程DMA的當(dāng)前地址，即在中斷服務(wù)子程序中比較CURR和Nextpk指針，或比較 CLDA0、CLDA1和Nextpk指針，就可以保證當(dāng)前數(shù)據(jù)分組放到了哪里就讀出到哪里，從而防止丟包的發(fā)生。

　　5 結(jié)論

　　DSP芯片是專門為實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法而設(shè)計(jì)的、具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，其卓越的性能、不斷上升的性價(jià)比、日漸完善的開發(fā)方式使它的應(yīng)用越來越廣泛。將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入以DSP為核心的嵌入式系統(tǒng)，使其成為數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化相結(jié)合，集通信、計(jì)算機(jī)和視聽功能于一體的電子產(chǎn)品，必須大大提升DSP系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。將DSP技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，必須解決兩個(gè)關(guān)鍵問題：一是實(shí)現(xiàn)DSP與網(wǎng)卡的硬件接口技術(shù)，二是基于DSP的網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計(jì)。