TM1300 DSP系統(tǒng)的以太網(wǎng)通信接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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關(guān)鍵詞：PCI總線 TM1300 以太網(wǎng)通信接口 pSOS+內(nèi)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(hào)處理器芯片。基于ＴＭ１３００的ＤＳＰ應(yīng)用系統(tǒng)適合于實(shí)時(shí)聲音、圖像處理，可廣泛應(yīng)用于會(huì)議電視、可視電話、數(shù)字電視等應(yīng)用場(chǎng)合。它不僅具有強(qiáng)大的處理能力,同時(shí)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(yīng)用的需要靈活地構(gòu)造各種視頻通信系統(tǒng)。鑒于目前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及和網(wǎng)上視頻業(yè)務(wù)的發(fā)展，很有必要為ＴＭ１３００視頻編碼系統(tǒng)開(kāi)發(fā)一個(gè)以太網(wǎng)接口以拓寬其應(yīng)用范圍。開(kāi)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(lái)驅(qū)動(dòng)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(yùn)行，同時(shí)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(jìn)行了前期測(cè)試的基礎(chǔ)上進(jìn)行了電路板的設(shè)計(jì)?并順利完成了調(diào)試。目前?這個(gè)以太網(wǎng)接口已經(jīng)基本開(kāi)發(fā)成功。本文將對(duì)這個(gè)設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。
２ ＴＭ１３００及ＰＣＩ總線接口
該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖１所示。本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)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(jī)中常見(jiàn)的是３２位ＰＣＩ總線,它的有用引腳總數(shù)是１１０個(gè),可以分成３組。第一組是基本功能信號(hào)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(shí)鐘線、系統(tǒng)復(fù)位線、中斷線;第二組是附加功能信號(hào)線,包括錯(cuò)誤報(bào)告線、ｃａｃｈｅ功能支持線、ＪＴＡＧ邊界掃描線;第三組是電源線,包括設(shè)備耗電量標(biāo)識(shí)線、３．３Ｖ電源線(１２根)、５Ｖ電源線(１３根)、地線(２２根)。
因?yàn)椋遥澹幔欤簦澹耄福埃玻共痪邆洌校茫傻母郊庸δ苄盘?hào)線所支持的ｃａｃｈｅ功能和ＪＴＡＧ邊界掃描功能,同時(shí)雖然它具有奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤報(bào)告功能引腳,但該腳可以懸空不用。所以,設(shè)計(jì)時(shí)只需考慮第一組功能信號(hào)線的連接即可。
ＰＣＩ接口的設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)要點(diǎn)：
(１)ＰＣＩ總線的仲裁
這里先說(shuō)明兩個(gè)概念。首先，ＰＣＩ總線是多設(shè)備共享的，由于ＰＣ機(jī)里可以有多個(gè)ＰＣＩ設(shè)備，所以需要使用仲裁器;其次，ＰＣＩ設(shè)備有主設(shè)備和從設(shè)備之分，主設(shè)備可以發(fā)起ＰＣＩ數(shù)據(jù)的傳送?從設(shè)備只能被動(dòng)地響應(yīng)主設(shè)備的操作以對(duì)讀操作和寫操作做出響應(yīng)。ＰＣＩ的仲裁引腳是ＲＥＱ和ＧＮＴ，分別為請(qǐng)求線和授權(quán)線，而且只有ＰＣＩ主設(shè)備有這兩個(gè)引腳。一般情況下，ＲＥＱ通常和ＧＮＴ成對(duì)地連到仲裁器，而設(shè)備與設(shè)備的ＲＥＱ和ＧＮＴ通常是互不相連的。
ＰＣＩ總線的仲裁過(guò)程是這樣的：ＰＣＩ主設(shè)備把ＲＥＱ電平拉低以表示向仲裁器請(qǐng)求占用總線。經(jīng)仲裁獲準(zhǔn)后，仲裁器把這個(gè)設(shè)備的ＧＮＴ電平拉低以表示請(qǐng)求獲準(zhǔn)，此后該設(shè)備便可以使用總線了。當(dāng)它不再使用總線時(shí)，應(yīng)使ＲＥＱ信號(hào)變?yōu)楦唠娖?仲裁器就不再給它分配總線資源。在本系統(tǒng)中，ＴＭ１３００是ＰＣＩ主設(shè)備，而Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９是ＰＣＩ從設(shè)備。由于它們不存在共享總線的問(wèn)題，所以不需要仲裁器，而只是簡(jiǎn)單地把ＲＥＱ和ＧＮＴ短接即可，這就相當(dāng)于ＴＭ１３００自己給自己授權(quán)。
（２）ＰＣＩ_ＩＤＳＥＬ信號(hào)線在設(shè)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?yàn)樵谙到y(tǒng)引導(dǎo)時(shí)，如果沒(méi)有給設(shè)備配置Ｉ／Ｏ或內(nèi)存地址，軟件就只能通過(guò)配置來(lái)讀寫訪問(wèn)設(shè)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(guò)ＰＣＩ橋時(shí)，使用０型，當(dāng)需要經(jīng)過(guò)ＰＣＩ橋時(shí)，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(guò)ＰＣＩ橋的譯碼才能成為最終的總線地址。本設(shè)計(jì)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(shí)，ＡＤ〔００．．３１〕的內(nèi)容如下，ＡＤ〔００〕和ＡＤ〔０１〕總為“００”，因?yàn)榕渲米x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(hào)?ＡＤ〔０８〕～ＡＤ〔１０〕是設(shè)備的功能號(hào)?在一塊ＰＣＩ卡上有多個(gè)功能設(shè)備時(shí)，為了進(jìn)一步區(qū)分不同的設(shè)備就要用到這幾位，由于Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９是單功能設(shè)備，故這幾位全為０，ＡＤ〔１１〕～ＡＤ〔３１〕是設(shè)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(huì)被激活，這樣，在緊接著的數(shù)據(jù)周期中，它就會(huì)將其ＰＣＩ配置空間相應(yīng)寄存器中的內(nèi)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(gè)引腳均是低電平有效，因此需要接上拉電阻，以保證在設(shè)備未驅(qū)動(dòng)該引腳時(shí)處于穩(wěn)定的無(wú)效狀態(tài)，上拉電阻的阻值在１ｋΩ～１０ｋΩ范圍內(nèi)，阻值越小，則將該信號(hào)驅(qū)動(dòng)為有效的時(shí)間越短，但太小又會(huì)導(dǎo)致電流過(guò)大，所以，要權(quán)衡考慮，本設(shè)計(jì)選用４．７ｋΩ。
上述三點(diǎn)對(duì)脫機(jī)情況下ＰＣＩ設(shè)備的互連具有較普遍的參考意義，除此之外，本設(shè)計(jì)還有以下比較特殊的幾點(diǎn)：
●應(yīng)將ＴＭ１３００的ＰＣＩ，ＩＮＴＡ引腳配置為輸入，以便接收Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９的中斷；
●ＰＣＩ時(shí)鐘由ＴＭ１３００提供；
●Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９的復(fù)位信號(hào)也就是ＴＭ１３００的復(fù)位信號(hào)，該信號(hào)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(yīng)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(shè)計(jì)
該接口設(shè)計(jì)的軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖３所示。其中ＴＭ１３００運(yùn)行于ｐＳＯＳ，它是一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)，帶有ｐＮＡ＋網(wǎng)絡(luò)組件，其ｐＮＡ＋相當(dāng)于ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議棧的擴(kuò)展，它向上可提供應(yīng)用程序編程的ｓｏｃｋｅｔ接口，向下可定義一個(gè)與網(wǎng)絡(luò)接口層交互的接口，其中包括８?jìng)€(gè)函數(shù)，分別是：ｎｉ_(kāi)ｉｎｉｔ（接口芯片初始化）、ｎｉ_(kāi)ｂｒｏａｄ－ｃａｓｔ（發(fā)送廣播分組）、ｎｉ_(kāi)ｓｅｎｄ（發(fā)送普通分組）、ｎｉ_(kāi)ｇｅｔｐｋｂ（申請(qǐng)發(fā)送緩沖區(qū)）、ｎｉ_(kāi)ｒｅｔｐｋｂ（歸還接收緩沖區(qū)）、ｎｉ_(kāi)ｉｏｃｔｌ（Ｉ／Ｏ控制操作）、ｎｉ_(kāi)ｐｏｏｌ（統(tǒng)計(jì)量查詢）、Ａｎｎｏｕｎｃｅ（網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動(dòng)調(diào)用它把接收到的數(shù)據(jù)包提交給ｐＳＯＳ）。其中網(wǎng)絡(luò)接口層在本應(yīng)用中就是Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９的驅(qū)動(dòng)程序，它通過(guò)硬件抽象層來(lái)驅(qū)動(dòng)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(dòng)ｐＳＯＳ，并由它加載網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動(dòng)程序，然后調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的ｎｉ_(kāi)ｉｎｉｔ函數(shù)，同時(shí)初始化Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９的ＰＣＩ配置空間并設(shè)置Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９的工作參數(shù)，之后啟動(dòng)用戶任務(wù)。在這里，用戶任務(wù)為Ｈ．２６３編碼進(jìn)程。它對(duì)ＶＩ口讀入的源圖像進(jìn)行壓縮編碼后，將調(diào)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(jìn)行封裝后，再調(diào)用ｎｉ_(kāi)ｓｅｎｄ函數(shù)，并由ｎｉ_(kāi)ｓｅｎｄ完成數(shù)據(jù)包從系統(tǒng)主內(nèi)存到Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９片上ＲＡＭ的拷貝，然后啟動(dòng)Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９發(fā)送數(shù)據(jù)。在接收情況下，Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９收到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包后會(huì)用中斷通知ＣＰＵ，然后由ＣＰＵ?qǐng)?zhí)行中斷服務(wù)程序。當(dāng)中斷服務(wù)程序?qū)?shù)據(jù)包從Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９片上ＲＡＭ中拷貝到系統(tǒng)的主內(nèi)存后，系統(tǒng)將調(diào)用Ａｎｎｏｕｎｃｅ函數(shù)并把數(shù)據(jù)塊的指針、數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(yīng)的處理。
軟件的設(shè)計(jì)和ｐＳＯＳ操作系統(tǒng)的關(guān)系比較密切，限于篇幅，本文不對(duì)ｐＳＯＳ作詳細(xì)介紹，。本文接下來(lái)重點(diǎn)介紹ＰＣＩ配置空間的配置過(guò)程，這部分對(duì)于類似的設(shè)計(jì)有較普遍的參考意義。ＰＣＩ配置空間有６４個(gè)字節(jié)，ＰＣＩ片內(nèi)的這些寄存器存儲(chǔ)了該芯片的廠商號(hào)、設(shè)備號(hào)、設(shè)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(shè)備初始化時(shí)正確配置，否則設(shè)備不能工作。
對(duì)Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９ ＰＣＩ空間的配置需要三個(gè)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?yàn)楹罄m(xù)的配置寫要根據(jù)這個(gè)地址來(lái)尋址。掃描總線時(shí)，要對(duì)ＡＤ〔１１〕到ＡＤ〔３１〕每根線進(jìn)行一次掃描，如果哪根ＡＤ線連接了一個(gè)ＰＣＩ設(shè)備的ＰＣＩ ＩＤＳＥＬ引腳，那么用配置讀函數(shù)讀?。校茫膳渲每臻g的０號(hào)寄存器時(shí)，應(yīng)該返回該設(shè)備的設(shè)備和廠商代碼，如果這根線實(shí)際未連接設(shè)備，則返回值是０。已知Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９的設(shè)備和廠商代碼是“０ｘ８０２９１０ｅｃ”，如果返回值與之相同，說(shuō)明找到了Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９，這時(shí)要記下這根ＡＤ線的序號(hào)。例如，在硬件上把Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９的ＰＣＩ ＩＤＳＥＬ和ＡＤ〔２０〕相連，則掃描到的序號(hào)就應(yīng)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(shè)備的Ｉ／Ｏ地址（例如“０ｘｅ４００”）。具體程序流程圖如圖４所示。
4 調(diào)試結(jié)果
根據(jù)以上設(shè)計(jì)，筆者在原ＴＭ１３００視頻編碼硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入了ＰＣＩ接口，并編寫了ｐＳＯＳ下Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９的驅(qū)動(dòng)程序。然后，在這個(gè)硬件平臺(tái)上對(duì)Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９的驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳送測(cè)試。
筆者首先用一個(gè)單獨(dú)的ＵＤＰ發(fā)送任務(wù)進(jìn)行發(fā)送速率測(cè)試。這個(gè)任務(wù)主要是高速地向網(wǎng)絡(luò)上的一臺(tái)ＰＣ發(fā)送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的大小是變長(zhǎng)的。ＰＣ接收并對(duì)丟包數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的結(jié)果如表１所列。實(shí)驗(yàn)表明，在用網(wǎng)線直連的各種測(cè)試速率情況下都沒(méi)有出錯(cuò)，而當(dāng)接入局域網(wǎng)后，在發(fā)送速率為４．５Ｍｂｐｓ時(shí)有突發(fā)的少量錯(cuò)誤。由于ＵＤＰ是不可靠的傳輸方式,所以這種錯(cuò)誤是正常的。測(cè)試中，ＵＤＰ發(fā)送的最高速率可以達(dá)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(nèi)存到Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９片上ＲＡＭ的拷貝過(guò)程目前尚未采用ＤＭＡ方式，這是需要改進(jìn)的地方。
表1 丟包數(shù)統(tǒng)計(jì)表（單位：丟包個(gè)數(shù)/分鐘）
| 連接方式 | 發(fā) 送 速 率 | ||
| 800kbps | 1.8Mbps | 4.5Mbps | |
| 網(wǎng)絡(luò)直連 | 0 | 0 | 0 |
| 接入局域網(wǎng) | 0 | 0 | 2.5 |
接下來(lái)筆者進(jìn)行了編碼和傳送的聯(lián)合測(cè)試。編碼任務(wù)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(luò)上的另一臺(tái)ＰＣ上接收這個(gè)碼流，并進(jìn)行解碼播放。通過(guò)調(diào)整編碼器的量化步長(zhǎng)可以控制編碼的輸出碼率。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下發(fā)現(xiàn)?在量化步長(zhǎng)大于等于５、碼率在７００ｋｂｐｓ以下時(shí)，基本沒(méi)有丟包現(xiàn)象，解碼得到的圖像比較穩(wěn)定，而當(dāng)量化步長(zhǎng)進(jìn)一步減小，碼率接近１Ｍｂｐｓ時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，解碼的圖像會(huì)出現(xiàn)彩色方塊。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)椋龋玻叮尘幋a器對(duì)ＣＰＵ資源的消耗很大，而且數(shù)據(jù)在主內(nèi)存和Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９片上ＲＡＭ之間的復(fù)制采用Ｉ／Ｏ讀寫方式也需要一定的ＣＰＵ資源。這樣，當(dāng)量化步長(zhǎng)小于５時(shí)，處理的復(fù)雜度超過(guò)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(jìn)數(shù)據(jù)的傳送方式（采用ＤＭＡ），另一方面是需要對(duì)編碼任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化。
５ 小結(jié)
本文介紹了ＰＣＩ總線接口的設(shè)計(jì)以及ＰＣＩ空間初始化的步驟，同時(shí)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了較詳細(xì)的分析，提出了以后改進(jìn)的方向。
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