基于DSP的以太網(wǎng)通信接口設計

　　摘要：介紹了TM1300 DSP 的特點，給出了通過TM1300的PCI接口驅動以太網(wǎng)芯片來實現(xiàn)以太網(wǎng)通信接口的設計方法。該設計將TM1300和以太網(wǎng)結合起來，因而可以方便地實現(xiàn)視頻通信，文章詳細介紹了該方案的軟件和硬件的設計要點，最后給出了對模擬數(shù)據(jù)和實際視頻壓縮碼流的傳送實驗結果。

　　關鍵詞：PCI總線 TM1300 以太網(wǎng)通信接口 pSOS+內核 pNA+ 1

　　概述

　　TM1300是Philips公司推出的新一代高性能多媒體數(shù)字信號處理器芯片。基于TM1300的DSP應用系統(tǒng)適合于實時聲音、圖像處理，可廣泛應用于會議電視、可視電話、數(shù)字電視等應用場合。它不僅具有強大的處理能力,同時還具有非常友好的音頻和視頻以及SSI和PCI等I/O接口，因此可以根據(jù)應用的需要靈活地構造各種視頻通信系統(tǒng)。鑒于目前計算機網(wǎng)絡的普及和網(wǎng)上視頻業(yè)務的發(fā)展，很有必要為TM1300視頻編碼系統(tǒng)開發(fā)一個以太網(wǎng)接口以拓寬其應用范圍。開發(fā)以太網(wǎng)接口的一種合理思路是利用TM1300集成的PCI接口來驅動專用的以太網(wǎng)接口芯片。由于目前多數(shù)以太網(wǎng)接口芯片(如Real- tek8029，Realtek8139等)都采用PCI接口，因此，可以用PCI總線將數(shù)據(jù)從TM1300傳輸?shù)竭@些專用的以太網(wǎng)接口芯片后，再由它們發(fā)送數(shù)據(jù)，而且TM1300可以在嵌入式操作系統(tǒng)pSOS中運行，同時由于系統(tǒng)pSOS帶有TCP/IP協(xié)議棧因此可以方便地完成編碼碼流的TCP/IP封裝。 根據(jù)以上思路筆者在進行了前期測試的基礎上進行了電路板的設計并順利完成了調試。目前這個以太網(wǎng)接口已經(jīng)基本開發(fā)成功。本文將對這個設計的技術要點從硬件和軟件兩個方面進行詳細介紹。

　　2 TM1300及PCI總線接口

　　該系統(tǒng)的硬件結構框圖如圖1所示。本系統(tǒng)硬件設計的重點是PCI總線接口。PCI總線根據(jù)數(shù)據(jù)位的寬度有32位和64位之分,64位的數(shù)據(jù)線與32位是兼容的。PC機中常見的是32位PCI總線,它的有用引腳總數(shù)是110個,可以分成3組。第一組是基本功能信號線,包括32位共享數(shù)據(jù)地址線AD〔00..31〕、接口控制線、仲裁線、時鐘線、系統(tǒng)復位線、中斷線;第二組是附加功能信號線,包括錯誤報告線、cache功能支持線、JTAG邊界掃描線;第三組是電源線,包括設備耗電量標識線、3.3V電源線(12根)、5V電源線(13根)、地線(22根)。 因為Realtek8029不具備PCI的附加功能信號線所支持的cache功能和JTAG邊界掃描功能,同時雖然它具有奇偶校驗錯誤報告功能引腳,但該腳可以懸空不用。所以,設計時只需考慮第一組功能信號線的連接即可。 PCI接口的設計有以下幾個要點： (1)PCI總線的仲裁 這里先說明兩個概念。首先，PCI總線是多設備共享的，由于PC機里可以有多個PCI設備，所以需要使用仲裁器;其次，PCI設備有主設備和從設備之分，主設備可以發(fā)起PCI數(shù)據(jù)的傳送從設備只能被動地響應主設備的操作以對讀操作和寫操作做出響應。PCI的仲裁引腳是REQ和GNT，分別為請求線和授權線，而且只有PCI主設備有這兩個引腳。一般情況下，REQ通常和GNT成對地連到仲裁器，而設備與設備的REQ和GNT通常是互不相連的。 PCI總線的仲裁過程是這樣的：PCI主設備把REQ電平拉低以表示向仲裁器請求占用總線。經(jīng)仲裁獲準后，仲裁器把這個設備的GNT電平拉低以表示請求獲準，此后該設備便可以使用總線了。當它不再使用總線時，應使REQ信號變?yōu)楦唠娖舰熤俨闷骶筒辉俳o它分配總線資源。在本系統(tǒng)中，TM1300是PCI主設備，而Realtek8029是PCI從設備。由于它們不存在共享總線的問題，所以不需要仲裁器，而只是簡單地把REQ和GNT短接即可，這就相當于TM1300自己給自己授權。

　　(2)PCI_IDSEL信號線在設備的PCI配置讀寫中的作用 PCI有一種特殊的讀寫周期，稱為配置讀寫。這是因為在系統(tǒng)引導時，如果沒有給設備配置I/O或內存地址，軟件就只能通過配置來讀寫訪問設備。配置讀寫有兩種，分別稱為0型和1型具體采用哪一種取決于總線的硬件連接。配置讀寫操作不經(jīng)過PCI橋時，使用0型，當需要經(jīng)過PCI橋時，則要用1型，0型讀寫的地址直接就是總線上的地址，1型讀寫的地址則要經(jīng)過PCI橋的譯碼才能成為最終的總線地址。本設計中，TM1300和Realtek8029是用PCI總線直連的，所以使用0型配置讀寫。 AD〔00..31〕是PCI總線的共享地址和數(shù)據(jù)線，每一次PCI傳送都分為地址周期和數(shù)據(jù)周期。在地址周期，采用0型讀寫時，AD〔00..31〕的內容如下，AD〔00〕和AD〔01〕總為“00”，因為配置讀寫是以雙字為單位的，AD〔02〕～AD〔07〕是要讀寫的PCI配置空間的寄存器號AD〔08〕～AD〔10〕是設備的功能號在一塊PCI卡上有多個功能設備時，為了進一步區(qū)分不同的設備就要用到這幾位，由于Realtek8029是單功能設備，故這幾位全為0，AD〔11〕～AD〔31〕是設備選擇位，其中必須有且僅有一位為“1”，如圖2所示，這在物理上表現(xiàn)為總線的AD〔11〕～AD〔31〕中有一根為高電平如果輸出高電平的這根線與某塊PCI卡的PCI IDSEL引腳相連，這塊卡就會被激活，這樣，在緊接著的數(shù)據(jù)周期中，它就會將其PCI配置空間相應寄存器中的內容放到總線上以供讀取。 (3) PCI_FRAME、PCI_DEVSEL、PCI_IRDY、PCI_TRDY引腳的處理 上述四個引腳均是低電平有效，因此需要接上拉電阻，以保證在設備未驅動該引腳時處于穩(wěn)定的無效狀態(tài)，上拉電阻的阻值在1kΩ～10kΩ范圍內，阻值越小，則將該信號驅動為有效的時間越短，但太小又會導致電流過大，所以，要權衡考慮，本設計選用4.7kΩ。 上述三點對脫機情況下PCI設備的互連具有較普遍的參考意義，除此之外，本設計還有以下比較特殊的幾點： ●應將TM1300的PCI，INTA引腳配置為輸入，以便接收Realtek8029的中斷; ●PCI時鐘由TM1300提供; ●Realtek8029的復位信號也就是TM1300的復位信號，該信號由外部電路提供; ●TM1300的PCI STOP、 PCI SERR引腳懸空，表示Realtek8029不具備相應的附加功能。另外，TM1300的PCI INTB、PCI INTC、PCI INTD引腳可以用作用戶中斷。

　　3　軟件設計

　　該接口設計的軟件結構框圖如圖3所示。其中TM1300運行于pSOS，它是一個簡單的實時多任務嵌入式操作系統(tǒng)，帶有pNA+網(wǎng)絡組件，其pNA+相當于TCP/IP協(xié)議棧的擴展，它向上可提供應用程序編程的socket接口，向下可定義一個與網(wǎng)絡接口層交互的接口，其中包括8個函數(shù)，分別是：ni_init(接口芯片初始化)、ni_broad-cast(發(fā)送廣播分組)、ni_send(發(fā)送普通分組)、ni_getpkb(申請發(fā)送緩沖區(qū))、ni_retpkb(歸還接收緩沖區(qū))、ni_ioctl(I/O控制操作)、ni_pool(統(tǒng)計量查詢)、Announce(網(wǎng)絡接口驅動調用它把接收到的數(shù)據(jù)包提交給pSOS)。其中網(wǎng)絡接口層在本應用中就是Realtek8029的驅動程序，它通過硬件抽象層來驅動Realtek8029(硬件抽象層是PCI總線的配置讀寫和I/O讀寫指令集的總稱)。 軟件執(zhí)行的流程大致是：系統(tǒng)首先啟動pSOS，并由它加載網(wǎng)絡接口驅動程序，然后調用驅動程序的ni_init函數(shù)，同時初始化Realtek8029的PCI配置空間并設置Realtek8029的工作參數(shù)，之后啟動用戶任務。在這里，用戶任務為H.263編碼進程。它對VI口讀入的源圖像進行壓縮編碼后，將調用socket的接口函數(shù)sendto(sendto是UDP套接口專用的發(fā)送函數(shù))，然后把碼流發(fā)送給pSOS由pSOS根據(jù)UDP協(xié)議進行封裝后，再調用ni_send函數(shù)，并由ni_send完成數(shù)據(jù)包從系統(tǒng)主內存到Realtek8029片上RAM的拷貝，然后啟動Realtek8029發(fā)送數(shù)據(jù)。在接收情況下，Realtek8029收到一個完整的數(shù)據(jù)包后會用中斷通知CPU，然后由CPU執(zhí)行中斷服務程序。當中斷服務程序將數(shù)據(jù)包從Realtek8029片上RAM中拷貝到系統(tǒng)的主內存后，系統(tǒng)將調用Announce函數(shù)并把數(shù)據(jù)塊的指針、數(shù)據(jù)長度和其它信息提交pSOS，最后由pSOS將數(shù)據(jù)包沿協(xié)議棧一層層上傳并作出相應的處理。 軟件的設計和pSOS操作系統(tǒng)的關系比較密切，限于篇幅，本文不對pSOS作詳細介紹，。本文接下來重點介紹PCI配置空間的配置過程，這部分對于類似的設計有較普遍的參考意義。PCI配置空間有64個字節(jié)，PCI片內的這些寄存器存儲了該芯片的廠商號、設備號、設備類型等重要代碼，還包括命令寄存器、基地址寄存器等控制其總線行為的寄存器，它們必須在設備初始化時正確配置，否則設備不能工作。 對Realtek8029 PCI空間的配置需要三個步驟： 首先是掃描總線，這一步的目的是找到Real-tek8029的配置地址，直觀地講，就是找到它的PCI_IDSEL引腳和哪根AD線相連，因為后續(xù)的配置寫要根據(jù)這個地址來尋址。掃描總線時，要對AD〔11〕到AD〔31〕每根線進行一次掃描，如果哪根AD線連接了一個PCI設備的PCI IDSEL引腳，那么用配置讀函數(shù)讀取PCI配置空間的0號寄存器時，應該返回該設備的設備和廠商代碼，如果這根線實際未連接設備，則返回值是0。已知Realtek8029的設備和廠商代碼是“0x802910ec”，如果返回值與之相同，說明找到了Realtek8029，這時要記下這根AD線的序號。例如，在硬件上把Realtek8029的PCI IDSEL和AD〔20〕相連，則掃描到的序號就應該是“20”。 其次，用配置寫函數(shù)配置I/O讀寫使能，即在command寄存器中寫入“0x1”。 最后，用配置寫函數(shù)配置I/O地址，也就是在I/OBaseAdddress寄存器寫入分配給該設備的I/O地址(例如“0xe400”)。具體程序流程圖如圖4所示。

　　4 調試結果

　　根據(jù)以上設計，筆者在原TM1300視頻編碼硬件系統(tǒng)的基礎上加入了PCI接口，并編寫了pSOS下Realtek8029的驅動程序。然后，在這個硬件平臺上對Realtek8029的驅動部分進行了數(shù)據(jù)傳送測試。 筆者首先用一個單獨的UDP發(fā)送任務進行發(fā)送速率測試。這個任務主要是高速地向網(wǎng)絡上的一臺PC發(fā)送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的大小是變長的。PC接收并對丟包數(shù)進行統(tǒng)計的結果如表1所列。實驗表明，在用網(wǎng)線直連的各種測試速率情況下都沒有出錯，而當接入局域網(wǎng)后，在發(fā)送速率為4.5Mbps時有突發(fā)的少量錯誤。由于UDP是不可靠的傳輸方式,所以這種錯誤是正常的。測試中，UDP發(fā)送的最高速率可以達到5Mbps左右，它與硬件的最高速率(10Mbps)相比還有一定差距，主要原因是數(shù)據(jù)從系統(tǒng)主內存到Realtek8029片上RAM的拷貝過程目前尚未采用DMA方式，這是需要改進的地方。 表1 丟包數(shù)統(tǒng)計表(單位：丟包個數(shù)/分鐘) 連接方式發(fā) 送 速 率 800kbps 1.8Mbps 4.5Mbps 網(wǎng)絡直連 0 0 0 接入局域網(wǎng) 0 0 2.5 接下來筆者進行了編碼和傳送的聯(lián)合測試。編碼任務執(zhí)行H.263數(shù)據(jù)壓縮后，把碼流從以太網(wǎng)接口發(fā)出，然后在網(wǎng)絡上的另一臺PC上接收這個碼流，并進行解碼播放。通過調整編碼器的量化步長可以控制編碼的輸出碼率。在實驗環(huán)境下發(fā)現(xiàn)在量化步長大于等于5、碼率在700kbps以下時，基本沒有丟包現(xiàn)象，解碼得到的圖像比較穩(wěn)定，而當量化步長進一步減小，碼率接近1Mbps時，就會出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，解碼的圖像會出現(xiàn)彩色方塊。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為H.263編碼器對CPU資源的消耗很大，而且數(shù)據(jù)在主內存和Realtek8029片上RAM之間的復制采用I/O讀寫方式也需要一定的CPU資源。這樣，當量化步長小于5時，處理的復雜度超過了CPU的能力從而產(chǎn)生了一定的誤碼。解決的途徑一方面是改進數(shù)據(jù)的傳送方式(采用DMA)，另一方面是需要對編碼任務進行優(yōu)化。

　　5　小結

　　本文介紹了PCI總線接口的設計以及PCI空間初始化的步驟，同時對測試結果進行了較詳細的分析，提出了以后改進的方向。