基于TMS320F2812的快速以太網(wǎng)通信系統(tǒng)平臺(tái)

引言

隨著Internet應(yīng)用的日益普及，信息共享程度的不斷提高。嵌入式設(shè)備的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為必然趨勢(shì)，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。雖然選擇了TI公司的TMS320F2812 DSP，但是本文提出的方案，具有很大程度的通用性，對(duì)其他系列的DSP或CPU系統(tǒng)也有一定的參考價(jià)值。

TCP/IP協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)最典型的應(yīng)用形式是Ethernet＋TCP/IP，即在由以太網(wǎng)構(gòu)建的底層傳輸網(wǎng)絡(luò)上采用已成為通用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議TCP/IP進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，這是當(dāng)今最流行，應(yīng)用最廣泛的以太網(wǎng)通信方式。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定了開(kāi)放式系統(tǒng)互連（OSI）參考模型，將通信會(huì)話需要的各個(gè)過(guò)程劃分為7個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能層次，與OSI參考模型不同，TCP/IP模型側(cè)重于互連設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，而不是嚴(yán)格的層次劃分。

通常，OSI參考模型在從理論上解釋互聯(lián)網(wǎng)通信機(jī)制時(shí)比較適合，而TCP/IP模型則在具體的軟件實(shí)現(xiàn)中更為適合。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本文的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)大致分為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。系統(tǒng)硬件電路，包括DSP系統(tǒng)和以太網(wǎng)控制芯片Ax88796的接口電路，是系統(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，本身雖為軟件，但與硬件結(jié)合緊密，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)，可以直接使用TCP/IP協(xié)議模塊提供的API函數(shù)，開(kāi)發(fā)基于以太網(wǎng)的通信項(xiàng)目。

2 系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)硬件包括TMS320F2812與IS61LV51216存儲(chǔ)器芯片的接口電路、TMS320F2812與快速以太網(wǎng)控制芯片Ax88796的接口電路。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。使用了ISSI公司生成的IS61LV51216存儲(chǔ)器芯片。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。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。

圖1 硬件框圖

3 DSP系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

①系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)
為了降低芯片功耗，TMS320F2812采用1.8V（1.9V@150MHz）內(nèi)核電壓，但GPIO、FLASH等模塊采用3.3V供電。本課題選用TI公司的TPS767D301電源芯片。該芯片輸出兩路電壓，一路3.3V，另一路1.5～5.5V可調(diào)，支持1A電流輸出。系統(tǒng)中DSP芯片正常工作下消耗電流230mA，以太網(wǎng)接口芯片最大消耗電流120mA，RAM最大消耗電流180mA，系統(tǒng)總功耗為530mA，故TPS767D301能滿足系統(tǒng)要求。

②系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的時(shí)鐘電路有兩種方案可選擇，一種是使用外部時(shí)鐘源，即有源晶振。另一種是使用DSP內(nèi)部的振蕩驅(qū)動(dòng)電路，外接一個(gè)晶體和兩個(gè)電容。有源晶振的特點(diǎn)是不需要芯片內(nèi)部振蕩器，加上額定的電壓就能輸出規(guī)則的方波，缺點(diǎn)是輸出波形只能是固定的兩個(gè)電壓值：低電平(0V)和高電平(輸入供電電壓)，另外器件成本高。外接晶體的特點(diǎn)是使用芯片內(nèi)部振蕩電路，輸出的波形為正弦波，波形幅度由控制器決定，不存在電壓匹配的問(wèn)題。

TMS320F2812的I/O引腳一般為3.3V，但時(shí)鐘輸入腳卻是個(gè)例外，只能承受1.8V/1.9V的輸入電壓，而1.8V/1.9V的有源晶振市場(chǎng)上罕有出售，故采用無(wú)源晶振。

③復(fù)位電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中有兩個(gè)芯片需要復(fù)位信號(hào)：DSP芯片和以太網(wǎng)控制芯片Ax88796。但二者對(duì)復(fù)位信號(hào)的要求各不相同，DSP是低電平復(fù)位，而Ax88796是高電平復(fù)位，故采用TI公司的專用復(fù)位芯片TPS3307。該芯片具有上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位和電源監(jiān)控三項(xiàng)功能。電路如圖2所示。

上電復(fù)位電路保證系統(tǒng)在上電200ms后自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)，使DSP進(jìn)入正常的程序入口，Ax88796初始化內(nèi)部寄存器。手動(dòng)復(fù)位的功能是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)程序跑飛或需要系統(tǒng)重新初始化并運(yùn)行時(shí)，按下復(fù)位按鍵產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，使DSP進(jìn)入正常的程序入口。

④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。但是片內(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。

圖2 復(fù)位電路

RAM選用ISSI公司的IS61LV51216，存儲(chǔ)容量為512K×16位，3.3V的供電電壓，訪問(wèn)速度有8ns、10ns、12ns、15ns可選擇。當(dāng)CPU運(yùn)行在150MHz的時(shí)候，地址和數(shù)據(jù)的最小有效時(shí)間為3個(gè)時(shí)鐘周期，即20ns，所以該存儲(chǔ)器接口不用考慮時(shí)序設(shè)計(jì)的問(wèn)題。

4 快速以太網(wǎng)硬件接口設(shè)計(jì)

Ax88796內(nèi)部集成有10/100Mb/s自適應(yīng)的物理層收發(fā)器和8K×16位的SRAM，支持MCS-51系列、80186系列、ISA以及MC68K系列等多種CPU總線類型。Ax88796提供基于IEEE802.3/IEEE 802.3u局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的10Mb/s和100Mb/s以太網(wǎng)控制功能，并采用IEEE 802.3u兼容的媒質(zhì)無(wú)關(guān)接口MII（Media Independent Interface）。此外，Ax88796還提供可選的標(biāo)準(zhǔn)打印接口，用于連接打印設(shè)備或作通用I/O端口。

①Ax88796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Ax88796的寄存器來(lái)控制其狀態(tài)，通過(guò)遠(yuǎn)程DMA FIFOs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]。

②Ax88796電源設(shè)計(jì)

Ax88796具有多種電壓類型：VDD、VDDA、VDDPD和VDDO，分別為芯片內(nèi)部的數(shù)字電路、模擬電路、相位偵測(cè)模塊、收發(fā)器驅(qū)動(dòng)模塊提供電源。雖然同為3.3V電壓，但為了防止各個(gè)模塊通過(guò)電源線發(fā)生串繞，要求各電源獨(dú)立供電，于是設(shè)計(jì)了電源隔離、濾波電路，將系統(tǒng)的3.3V供電電壓，通過(guò)LC濾波分為Ax88796所需的四路電壓。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

除應(yīng)用層用戶程序外，系統(tǒng)軟件可看做操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的功能擴(kuò)展：Ax88796驅(qū)動(dòng)程序屏蔽底層硬件，為操作系統(tǒng)擴(kuò)展了訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的能力；TCP/IP協(xié)議軟件為操作系統(tǒng)擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)通信能力。
TCP/IP通常被劃分為一個(gè)四層協(xié)議系統(tǒng)，每一層負(fù)責(zé)不同的功能。

● 接口層：Ax88796的驅(qū)動(dòng)程序，直接訪問(wèn)Ax88796硬件設(shè)備，控制Ax88796的行為模式。
● 網(wǎng)絡(luò)層：處理分組在網(wǎng)絡(luò)中的活動(dòng)，例如分組的選路。
● 運(yùn)輸層：為兩臺(tái)主機(jī)上的應(yīng)用程序提供端到端的通信。
● 應(yīng)用層：負(fù)責(zé)處理特定的應(yīng)用程序細(xì)節(jié)。

在DSP上實(shí)現(xiàn)的100M快速以太網(wǎng)通信，關(guān)鍵要考慮兩個(gè)方面：

● 如何控制硬件設(shè)備將數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)中（或者將以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)接收到DSP內(nèi)）。
● 如何生成待發(fā)送的數(shù)據(jù)（或者如何解釋接收到的數(shù)據(jù)）。
二者分別由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和TCP/IP協(xié)議軟件解決。
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。

2 快速以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

①Ax88796的寄存器

Ax88796的寄存器映射在從基地址200H到21FH地址空間內(nèi)，共32個(gè)地址空間，因此Ax88796采取了分頁(yè)機(jī)制，各寄存器分別存放在不同寄存器頁(yè)內(nèi)。

對(duì)Ax88796的寄存器進(jìn)行正確的設(shè)置是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，下面是幾個(gè)重要寄存器:

● CR(命令寄存器):用于選擇寄存器頁(yè)，啟動(dòng)和停止網(wǎng)卡。
● ISR(中斷狀態(tài)寄存器):反映Ax88796當(dāng)前狀態(tài)，CPU通過(guò)讀取它判斷引起中斷的原因。
● DCR(數(shù)據(jù)控制寄存器):字節(jié)順序、DMA字節(jié)/字傳輸模式選擇。
● PSTART、PSTOP、BNRY、CPR:這四個(gè)寄存器與接收緩沖區(qū)有關(guān)。PSTART設(shè)置起始頁(yè)，PSTOP設(shè)置停止頁(yè)，這兩個(gè)寄存器設(shè)置了接收緩沖區(qū)的首尾。BNRY指示最后一個(gè)被取走的緩沖區(qū)頁(yè)，CPR指示第一個(gè)用于接收的緩沖區(qū)頁(yè)。
● TPSR、TBCR0、TBCR1:這三個(gè)寄存器與發(fā)送緩沖區(qū)有關(guān)。TPSR設(shè)置發(fā)送緩沖區(qū)的起始頁(yè)，TBCR0、TBCR1設(shè)置發(fā)送字節(jié)數(shù)。
● RSAR0、RSAR1、RBCR0、RBCR1:Ax88796通過(guò)遠(yuǎn)程DMA和系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，前兩個(gè)寄存器設(shè)置遠(yuǎn)程DMA的起始地址，后兩個(gè)設(shè)置遠(yuǎn)程DMA數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。

②接收過(guò)程

接收數(shù)據(jù)幀的過(guò)程涉及到的寄存器主要有兩個(gè)：CPR和BNRY。CPR寄存器指向新接收到的數(shù)據(jù)幀要存放的起始頁(yè)地址，作為本地DMA的寫指針；BNRY寄存器指向還未讀取的數(shù)據(jù)幀的起始頁(yè)地址，作為遠(yuǎn)程DMA的讀指針。當(dāng)CPR追上BNRY時(shí)，表示接收緩沖區(qū)已滿，后續(xù)的數(shù)據(jù)幀將會(huì)被丟棄；當(dāng)BNRY追上CPR時(shí)，表示接收緩沖區(qū)已空。

③發(fā)送過(guò)程

圖3 發(fā)送過(guò)程

發(fā)送過(guò)程比較簡(jiǎn)單，發(fā)送過(guò)程的流程如圖3所示。

3 嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的移植

所謂移植，就是使μC/OS-Ⅱ內(nèi)核能在某個(gè)微處理器或微控制器上運(yùn)行。為了方便移植，大部分的μC/OS-Ⅱ代碼是用C語(yǔ)言寫的；但仍需要用C和匯編語(yǔ)言寫一些與處理器相關(guān)的代碼，這是因?yàn)樵谧x寫處理器寄存器時(shí)只能通過(guò)匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此要使    μC/OS-Ⅱ正常運(yùn)行，處理器必須滿足以下要求：

● 處理器支持中斷，并且能產(chǎn)生定時(shí)中斷(通常在10～1kHz之間)。
● 使用C語(yǔ)言可以打開(kāi)和關(guān)閉處理器的中斷。
● 處理器支持能夠容納一定量數(shù)據(jù)的硬件堆棧。
● 處理器有將堆棧指針和其他寄存器讀出和存儲(chǔ)到堆?；騼?nèi)存中的指令。

μC/OS-Ⅱ的移植工作主要包括兩個(gè)內(nèi)容：

● OS_CPU_C.C文件中的一個(gè)C語(yǔ)言函數(shù)
● OS_CPU_A.ASM文件中的四個(gè)匯編語(yǔ)言函數(shù)
由于篇幅有限，這里就不詳細(xì)說(shuō)明這兩個(gè)文件的具體編寫了。

4 TCP/IP協(xié)議棧的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

①網(wǎng)絡(luò)接口層模塊

網(wǎng)絡(luò)接口層模塊包含Ax88796設(shè)備驅(qū)動(dòng)、緩沖區(qū)管理和接口調(diào)度三方面。定義了網(wǎng)絡(luò)接口抽象模型，屏蔽了網(wǎng)絡(luò)物理細(xì)節(jié)，使上層軟件能使用相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作用于不同的物理網(wǎng)絡(luò)。

②ARP模塊

ARP協(xié)議將上層的協(xié)議地址（IP地址）與底層的硬件地址進(jìn)行映射，從而形成了只能使用IP地址的上層軟件和只能使用物理地址的下層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之間的分界線。ARP模塊處理來(lái)自于網(wǎng)絡(luò)的ARP數(shù)據(jù)分組，更新和維護(hù)ARP高速緩存，并為發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)提供相應(yīng)的硬件地址綁定。

③ICMP模塊

ICMP協(xié)議內(nèi)容比較豐富，最常用的就是PC上ping程序所實(shí)現(xiàn)的回送請(qǐng)求和回送應(yīng)答功能。本課題中，主要就是實(shí)現(xiàn)了回送應(yīng)答功能，這樣用戶可以使用PC探測(cè)DSP是否網(wǎng)絡(luò)暢通，其他功能目前暫時(shí)預(yù)留，待將來(lái)升級(jí)。

④IP模塊

IP模塊是整個(gè)協(xié)議棧的中心環(huán)節(jié)，它接收來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的輸入數(shù)據(jù)報(bào)，同時(shí)也接收來(lái)自上層協(xié)議的輸出數(shù)據(jù)報(bào)，IP為數(shù)據(jù)報(bào)選擇路由，或者將其發(fā)往一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，或者將其交給本機(jī)的上層協(xié)議軟件（回環(huán)）。

⑤TCP模塊

TCP為不可靠的IP連接提供可靠的、具有流量控制的、端到端的數(shù)據(jù)傳輸。TCP模塊中包含三個(gè)關(guān)鍵過(guò)程：數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出和超時(shí)重發(fā)。自適應(yīng)重發(fā)機(jī)制是TCP的核心組成部分，自適應(yīng)的修改連接的平均往返時(shí)間。

⑥UDP模塊

UDP協(xié)議提供無(wú)連接的通信，相對(duì)于TCP協(xié)議，它非常簡(jiǎn)單。雖然UDP不能保證可靠性，但是效率非常高。

⑦Socket接口模塊

Socket模塊主要是為了封裝底層協(xié)議軟件，使得用戶在DSP上開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)程序更加方便。

系統(tǒng)測(cè)試舉例

Internet Explorer(IE)是Windows操作系統(tǒng)內(nèi)嵌的網(wǎng)頁(yè)瀏覽器。Web(網(wǎng)頁(yè))是這個(gè)信息共享社會(huì)使用最廣泛的信息組織形式。通過(guò)往DSP軟件中添加Web服務(wù)功能，可以使本系統(tǒng)能夠更好的融入Internet之中，用戶可以通過(guò)IE瀏覽器直接對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置和查看系統(tǒng)的反饋數(shù)據(jù)。打開(kāi)IE瀏覽器，在地址欄鍵入“192.168.8.66”，即可訪問(wèn)預(yù)存在DSP系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集頁(yè)面。

結(jié)束語(yǔ)

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DSP的應(yīng)用前景。