一種基于C64系列DSP的千兆以太網通信接口設計
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0 引言
當前，DSP的發(fā)展如火如荼，在軍事、雷達、通訊等各領域均廣泛應用。但DSP如何與主控模塊高速穩(wěn)定通信，是一個需要迫切解決的問題。TMS320TCI6487[1]作為TI公司一款主打通信領域的芯片，具有較高的工作頻率，內部集成硬件EMAC[2]接口，外接一個物理層芯片即可進行網絡通信。本文介紹一種基于TMS320TCI6487的嵌入式千兆網接口設計，并通過SYS/BIOS[3]和NDK[4-5]實現(xiàn)TCP協(xié)議[6]，從而方便主控模塊開發(fā)并與之高速通信。因此，研究DSP千兆以太網通信接口具有重要意義。
1 硬件接口設計
TMS320TCI6487（下面簡稱6487）是TI公司的一款高性能DSP芯片，可支持EMDA3[7]、SRIO[8]、EMAC等高速接口，也含有TCP2[9]、VCP2[10] 等硬件譯碼器，廣泛應用在通信領域。88E1111[11]作為Marvell公司的一款千兆物理層芯片具有穩(wěn)定、糾錯性強、速率高的優(yōu)點，故本文選擇此兩款芯片作為研究對象。
1.1 千兆物理層芯片連接原理圖
圖1中6487提供phy_mdio、phy_mdc、DSP_SGMII等信號與88E1111千兆物理層芯片進行連接。88E1111使用25MHZ的時鐘作為千兆網口的參考時鐘，并與網口接插件直接相連。
1.2 硬件接口關鍵設計
1）電源穩(wěn)定性。6487需要1.8 V和1.1 V電源供應，電源的穩(wěn)定性為重中之重。為了增加電源的穩(wěn)定性，增加二極管進行穩(wěn)壓，并使用電容進行匹配濾波。對于遠端電壓，需要進行補償。
2）時鐘穩(wěn)定性。千兆以太網芯片需要穩(wěn)定傳輸數據，因此對時鐘的穩(wěn)定性要求比較高。88E1111可使用25 MHz或125 MHz，但從布局布線、電磁兼容等方面考慮采用25 MHz時鐘。
3）硬件穩(wěn)定性。中頻板與工控板通過網線互聯(lián)，且儀表內部空間有限，為了增加硬件的穩(wěn)定性且減少網口體積，網線從超五類線改變?yōu)楸馄诫娎|，網口接插件從HR911130C改變?yōu)镮DC10-2.0。
2 網口驅動程序
6487對網口芯片進行配置主要是針對MAC驅動進行配置，可依次按照SGMII模塊、MDIO模塊、EMAC模塊進行配置。
2.1 SGMII模塊配置
EMAC支持千兆媒體獨立接口，它通過串行千兆媒體獨立接口(SGMII)與SerDes連接到PHY外部設備。SGMII模塊主要配置過程如圖1所示。
圖1 SGMII模塊主要配置過程
2.2 MDIO模塊配置
MDIO模塊通過2個MDIO引腳（MDCLK和MDIO）與PHY設備連接，通過EMAC控制模塊和配置總線與DSP核連接。MDIO模塊主要完成MDIO時鐘產生、全局PHY探測和鏈接狀態(tài)監(jiān)視、激活PHY監(jiān)視、PHY寄存器訪問的功能。MDIO模塊主要配置過程如圖2所示。
圖2 MDIO模塊主要配置過程
2.3 EMAC模塊配置
EMAC模塊通過MDIO和SGMII接口訪問PHY組件和DSP核。EMAC模塊提供一個獨立的本地內存空間存放EMAC包緩沖區(qū)描述符，提供本地內存空間是為了避免與其他設備內存空間產生競爭。EMAC模塊主要由以下邏輯組件組成：DMA引擎、FIFO、統(tǒng)計邏輯、狀態(tài)RAM、中斷控制器、控制寄存器和邏輯、時鐘和復位邏輯。
EMAC模塊配置主要配置過程如圖3所示。
圖3 EMAC模塊配置主要配置過程
使用第二章的網口驅動程序可以直接發(fā)送以太網幀，但是作為接口與主控聯(lián)調不方便，且速率過高時存在突發(fā)丟包現(xiàn)象。為了解決以上兩個問題，本文采用TI公司的SYS/BIOS和NDK（網絡開發(fā)者套件）實現(xiàn)了TCP協(xié)議。本文首先利用主控程序開啟DHCP服務，DSP根據DHCP獲得IP地址，然后利用此IP地址與主控程序進行TCP傳輸，具體過程如圖4所示。
圖4 實現(xiàn)TCP協(xié)議的過程
3.1 配置DHCP
當IP地址處于不確定時，我們可以開啟DHCP服務。DHCP封包在傳輸層是采用UDP協(xié)議，而當 Client傳送封包給 Server時，采用的是UDP 67端口，從 Server傳送給 Client則是使用UDP 68端口。
本例將DSP配置為DHCP客戶端，主控配置為DHCP服務器端，主控可以分配部分IP地址組供給DSP使用，DSP從而得到分配的IP地址。DSP初始未知本身的IP地址，故將源IP地址設置為0.0.0.0，目的IP地址設置為255.255.255.255（受限的廣播地址）。
為了提高網口傳輸的速率，利用RTSC修改SYS/BIOS的內存分配空間，將NDK_OBJMEM、NDK_PACKETMEM等包緩沖區(qū)內存塊分配在L2 RAM內。因cache的速率更快，但資源更有限，故L2 RAM不可全部占用，分配一部分留給cache使用。
3.2 配置TCP
為了開啟TCP服務，我們需要創(chuàng)建3個回調函數NetworkOpen、NetworkClose、NetworkIPAddr。①NetworkOpen會創(chuàng)建一個守護進程，此守護進程定義了TCP連接的端口號、協(xié)議類型、中斷服務程序等，NetworkOpen內部調用了NETTOOL、OS、STACK、HAL、NETCTRL等庫，共同協(xié)作完成TCP協(xié)議的組包與拆包過程。②NetworkClose完成了socket套接字的關閉和釋放，并刪除創(chuàng)建的應用程序線程。③NetworkIPAddr完成了IP地址的轉換。
為了進一步提升TCP傳輸的速率，使用recvnc函數，可以直接接收網口數據而不拷貝到內核。
4 結語
使用DSP與PC機通信的方式對千兆以太網速率進行測試。測試方法為6487通過TCP協(xié)議向主控PC發(fā)送1G字節(jié)數據，使用wireshark檢測以太網效率約96%(961.142Mbps) ，如圖5所示。
圖5 使用DSP與PC機通信的方式對千兆以太網速率進行測試
參考文獻：
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[8 ]TI Inc. TMS320C6472/TMS320TCI648x DSP:Serial RapidIO (SRIO) User's Guide (SPRUE13J)[EB/OL].(2006-10).[2011-02].http://www.ti.com.
[9] TI Inc. TMS320TCI648x DSP Turbo-Decoder:processor 2 (TCP2 ) (SPRUE10A)[EB/OL].(2006-05).[2008-06].http://www.ti.com.
[10] TMS320TCI648x/9x DSP:iterbi-Decoder Coprocessor 2 (VCP2) (SPRUE09E)[EB/OL].(2006-05).[2009-12].http://www.ti.com.
[11] Marvell Inc.88E1111 Datasheet Integrated 10/100/1000 Ultra Gigabit Ethernet Transceiver(MV-S100649-00)[EB/OL].[ 2003-10-21].http://cn.marvell.com.
作者簡介：劉小剛（1987—），男，工程師，研究方向：網絡測試技術；周建燁，男，高級工程師，研究方向：網絡測試技術；鐵奎，男，研究員級高工，研究方向，網絡測試技術。
（本文來源于《電子產品世界》雜志社2020年12月期）
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