基于TMS320DM642的嵌入式TCP／I P協(xié)議棧的實現(xiàn)

嵌入式視頻通信系統(tǒng)由視頻數(shù)據(jù)采集、處理和通信等部件組成，需要嵌入式網(wǎng)絡協(xié)議棧的支持。中央處理器采用DSP，占用了大量資源，而網(wǎng)絡協(xié)議棧能夠使用的運算資源、內(nèi)存資源有限，并且缺乏操作系統(tǒng)給網(wǎng)絡協(xié)議棧的實現(xiàn)帶來困難。針對視頻監(jiān)控應用，本文提出了在TI公司的高性能DSP芯片 (以下簡稱DM642)上實現(xiàn)精簡的TCP／IP協(xié)議棧的，闡述了其硬件的設計及軟件實現(xiàn)。

1 TCP／IP協(xié)議棧分析

嵌入式TCP／IP協(xié)議棧具有TCP／IP協(xié)議棧的基本功能，它運行于以太網(wǎng)環(huán)境下，其軟件模型如圖1所示。

最底層是物理層，定義了以太網(wǎng)控制器的工作方式，實現(xiàn)以太網(wǎng)幀的封裝、發(fā)送和接收。本系統(tǒng)使用公司的以太網(wǎng)收發(fā)器LXT97lA。

第二層是網(wǎng)絡層，完成IP數(shù)據(jù)報的封裝和轉發(fā)，并根據(jù)幀的類型(、TCP或UDP等)進行相應處理。IP協(xié)議提供了一種高效、不可靠和無連接的傳輸方式。本系統(tǒng)不支持對IP包的分片和重組。地址解析協(xié)議ARP實現(xiàn)IP地址到MAC地址的動態(tài)轉換。協(xié)議定義了一套差錯報文和控制報文，在該系統(tǒng)用于測試網(wǎng)絡的連通情況。

第三層是傳輸層，完成數(shù)據(jù)報的傳輸控制。該層主要包括TCP協(xié)議和UDP協(xié)議。TCP提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，而 UDP提供不可靠的數(shù)據(jù)傳輸。與UDP相比，TCP的可靠性是通過非常復雜的措施以及由此增加的開銷為代價獲得的。監(jiān)控終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大部分是圖像編碼數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對實時性和傳輸率的要求高，而對數(shù)據(jù)可靠性的要求相對較低，因此本系統(tǒng)將UDP協(xié)議作為傳輸層協(xié)議。

最上層是應用層，解決用戶特定的應用，主要包括、FTP、、、、DNS等協(xié)議。在該層主要實現(xiàn)視頻編碼數(shù)據(jù)的傳輸。

2 硬件設計

2．1 系統(tǒng)結構

硬件系統(tǒng)結構如圖2所示。

DM642從以太網(wǎng)物理層設備PHY接收MAC幀，實現(xiàn)TCP／IP協(xié)議棧的網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層的相關協(xié)議。以太網(wǎng)物理層設備完成以太網(wǎng)幀的發(fā)送和接收，包括MAC數(shù)據(jù)幀的收發(fā)、CRC(循環(huán)冗余檢測)編碼／校驗、曼徹斯特編解碼、載波監(jiān)聽、錯誤和沖突檢測等。以太網(wǎng)PHY通過隔離和 接口連接至以太網(wǎng)。用來存放本地MAC地址。

2．2 DSP以太網(wǎng)接口設計

DM642是TI公司推出的一款面向數(shù)字多媒體應用的DSP，因集成了以太網(wǎng)MAC接口，所以需要一個物理層網(wǎng)絡處理芯片。本文采用了公司的芯片。DM642的MII接口不支持TXER，它通過CRC包指出網(wǎng)絡?砦螅?虼私獿XT97lA的TXER引腳直接接低電平置為無效。

DM642與的連接如圖3所示。

3 軟件設計

3．1 TCP／IP協(xié)議棧在DSP上的實現(xiàn)

根據(jù)TCP／IP協(xié)議棧的軟件模型，將LwlP (TCP／IP)協(xié)議棧移植到DSP上。LwIP是瑞士計算機科學院Adam Dunkels等開發(fā)的一套用于嵌人式系統(tǒng)的開放源代碼TCP／IP協(xié)議棧。它既可以移植到操作系統(tǒng)上，又可以在無操作系統(tǒng)的情況下獨立運行。LwIP TCP／IP實現(xiàn)的重點是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎上減少對RAM的占用，它只需要幾十KB的RAM和40KB左右的ROM便可以運行。因此 LwIP協(xié)議棧適合在低端嵌入式系統(tǒng)中使用。

使用該協(xié)議棧前，需要針對系統(tǒng)采用的底層網(wǎng)絡硬件和操作系統(tǒng)作相關移植工作，并需對協(xié)議棧裁剪和優(yōu)化，以適應嵌入式系統(tǒng)的特定網(wǎng)絡應用需求。LwIP移植關鍵是底層硬件驅動函數(shù)和封裝協(xié)議棧使用到的系統(tǒng)函數(shù)的編寫，為DSP／提供API 接口。

虛線框內(nèi)是移植的LwIP協(xié)議棧，實現(xiàn)應用程序、操作系統(tǒng)及物理層設備驅動的API。在LwIP原有協(xié)議的基礎上，實現(xiàn)底層網(wǎng)絡驅動和硬件驅動 API，將網(wǎng)絡上層協(xié)議與通信鏈路的物理接口隔離。同時封裝協(xié)議棧中用到的事件管理、任務管理、時間管理等系統(tǒng)函數(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)API功能。通過 DSP／可以實現(xiàn)任務線程操作、存儲器分配、包緩沖管理、器管理等。

網(wǎng)絡控制模塊是協(xié)議?？刂频暮诵?，控制TCP／IP協(xié)議棧與外界的交互，完成TCP／IP協(xié)議棧和底層設備驅動的初始化；并調(diào)用用戶配置函數(shù)獲取系統(tǒng)配置，為底層設備驅動提供接口，調(diào)度驅動事件進入TCP／IP棧；在退出時卸載系統(tǒng)配置并清除驅動。

3．2 協(xié)議棧接口設計

TCP／IP協(xié)議接口包括與實時操作系統(tǒng)的交互、驅動程序接口、進程間通信、存儲管理、緩沖區(qū)管理、器和事件管理、配置與控制等。

3．2．1 操作系統(tǒng)接口

DSP／是為需要實時調(diào)度和同步以及主機／目標系統(tǒng)通信和實時檢測的應用而設計的實時操作系統(tǒng)。在協(xié)議棧中，通過設計操作系統(tǒng)。API，為DSP／BIOS提供接口函數(shù)，完成操作系統(tǒng)的配置，提供任務、信號燈、存儲器分配、緩沖區(qū)管理等支持。

在協(xié)議棧內(nèi)部定義了一個配置結構用于操作系統(tǒng)的配置，通過它對協(xié)議棧的優(yōu)先級及大小進行配置。

與一般的桌面系統(tǒng)不同，嵌入式實時系統(tǒng)需要用戶根據(jù)需要分配存儲區(qū)。在該系統(tǒng)中，將協(xié)議棧代碼存儲在外部，包緩沖區(qū)分配在外部。

TCP／IP 棧和設備驅動使用包緩沖區(qū)發(fā)送及接收網(wǎng)絡包數(shù)據(jù)。標準的以太網(wǎng)缺省幀為1518字節(jié)(包括幀頭和循環(huán)冗余校驗)。系統(tǒng)采用一個由32個緩沖區(qū)構成的緩沖池，每個緩沖區(qū)的大小為1664字節(jié)。這樣分配可以對齊Cache邊界，保證沖洗(flush)Cache時，不會與緩沖區(qū)發(fā)生沖突。

3．2．2 驅動程序接口

驅動程序完成芯片和器的初始化及各種參數(shù)設置，并提供發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的接口。其軟件操作流程有查詢模式和中斷模式。為提高響應速度采用中斷模式，同時盡量把大部分操作放在主流程中執(zhí)行，以縮減中斷處理程序的操作。

3．2．3 事件管理

協(xié)議棧的事件調(diào)度管理在網(wǎng)絡控制模塊中實現(xiàn)，用于定時器到時、緩沖區(qū)入隊列、接收數(shù)據(jù)包等管理。在協(xié)議棧完成設備初始化后調(diào)用調(diào)度程序。

該模塊定義了一種內(nèi)核模式的操作方式，該模式處于最高優(yōu)先級。當網(wǎng)絡事件發(fā)生時，進入內(nèi)核模式運行。通過調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)llEnter()和llExit()進入或退出內(nèi)核模式。事件調(diào)度的基本流程如下：

Static void NetScheduler()
{
SetSchedulingPriority()； //設定調(diào)度程序的優(yōu)先級
while(!NetHaltFlag)
{
WaitForEvents()； ／／中斷模式下，等待事件中斷
ServiceDeviceDrivers（）；//設備驅動服務，獲取事件
//在內(nèi)核模式下處理事件
If（StackEvents）
{
llEnter（）；//進入內(nèi)核模式
ServiceStackEvents（）；// 處理事件
llExit（）；// 退出內(nèi)核模式
}
}
}

3.3 網(wǎng)絡控制初始化流程

由于TCP/IP棧需要操作系統(tǒng)完成其初始化，因此必須硬件診斷完成且DSP/BIOS初始化完成之后對網(wǎng)絡控制進行初始化。

在調(diào)用TCP/IP協(xié)議相關函數(shù)前，先初始化操作系統(tǒng)環(huán)境，再創(chuàng)建一個新的配置，或從只讀存儲器中導出一個已存在的配置，然后把配置句柄及回調(diào)函數(shù) start、stop和IP地址變換操作傳遞給協(xié)議棧。直到網(wǎng)絡關閉時，應用程序關閉在start中調(diào)用的操作并釋放分配的資源，退出網(wǎng)絡協(xié)議棧，網(wǎng)絡控制初始化流程如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡控制初始化流程

本文在DM642芯片上實現(xiàn)了一個高度精簡的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，論述了協(xié)議棧的硬件接口設計和軟件實現(xiàn)。可以方便地在DSP上實現(xiàn)網(wǎng)絡視頻的傳輸，本協(xié)議棧目前已成功應用于高速公路的數(shù)字視頻中，運行狀況良好，該協(xié)議棧的實現(xiàn)對數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)、視頻點播系統(tǒng)等實時多媒體處理的應用也有借鑒作用。