基于TMS320DM642的嵌入式TCP／I P協(xié)議棧的實(shí)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(luò)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(luò)協(xié)議棧能夠使用的運(yùn)算資源、內(nèi)存資源有限，并且缺乏操作系統(tǒng)給網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)困難。針對(duì)視頻監(jiān)控應(yīng)用，本文提出了在TI公司的高性能DSP芯片 (以下簡(jiǎn)稱(chēng)DM642)上實(shí)現(xiàn)精簡(jiǎn)的TCP／IP協(xié)議棧的，闡述了其硬件的設(shè)計(jì)及軟件實(shí)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(yùn)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(shí)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(luò)層，完成IP數(shù)據(jù)報(bào)的封裝和轉(zhuǎn)發(fā)，并根據(jù)幀的類(lèi)型(、TCP或UDP等)進(jìn)行相應(yīng)處理。IP協(xié)議提供了一種高效、不可靠和無(wú)連接的傳輸方式。本系統(tǒng)不支持對(duì)IP包的分片和重組。地址解析協(xié)議ARP實(shí)現(xiàn)IP地址到MAC地址的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。協(xié)議定義了一套差錯(cuò)報(bào)文和控制報(bào)文，在該系統(tǒng)用于測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的連通情況。

第三層是傳輸層，完成數(shù)據(jù)報(bào)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(guò)非常復(fù)雜的措施以及由此增加的開(kāi)銷(xiāo)為代價(jià)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(duì)實(shí)時(shí)性和傳輸率的要求高，而對(duì)數(shù)據(jù)可靠性的要求相對(duì)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(yīng)用層，解決用戶特定的應(yīng)用，主要包括、FTP、、、、DNS等協(xié)議。在該層主要實(shí)現(xiàn)視頻編碼數(shù)據(jù)的傳輸。

2 硬件設(shè)計(jì)

2．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

DM642從以太網(wǎng)物理層設(shè)備PHY接收MAC幀，實(shí)現(xiàn)TCP／IP協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層的相關(guān)協(xié)議。以太網(wǎng)物理層設(shè)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(cè))編碼／校驗(yàn)、曼徹斯特編解碼、載波監(jiān)聽(tīng)、錯(cuò)誤和沖突檢測(cè)等。以太網(wǎng)PHY通過(guò)隔離和 接口連接至以太網(wǎng)。用來(lái)存放本地MAC地址。

2．2 DSP以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

DM642是TI公司推出的一款面向數(shù)字多媒體應(yīng)用的DSP，因集成了以太網(wǎng)MAC接口，所以需要一個(gè)物理層網(wǎng)絡(luò)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(guò)CRC包指出網(wǎng)絡(luò)?砦螅?虼私獿XT97lA的TXER引腳直接接低電平置為無(wú)效。

DM642與的連接如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3．1 TCP／IP協(xié)議棧在DSP上的實(shí)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(jì)算機(jī)科學(xué)院Adam Dunkels等開(kāi)發(fā)的一套用于嵌人式系統(tǒng)的開(kāi)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(wú)操作系統(tǒng)的情況下獨(dú)立運(yùn)行。LwIP TCP／IP實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對(duì)RAM的占用，它只需要幾十KB的RAM和40KB左右的ROM便可以運(yùn)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(duì)系統(tǒng)采用的底層網(wǎng)絡(luò)硬件和操作系統(tǒng)作相關(guān)移植工作，并需對(duì)協(xié)議棧裁剪和優(yōu)化，以適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)的特定網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求。LwIP移植關(guān)鍵是底層硬件驅(qū)動(dòng)函數(shù)和封裝協(xié)議棧使用到的系統(tǒng)函數(shù)的編寫(xiě)，為DSP／提供API 接口。

虛線框內(nèi)是移植的LwIP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)及物理層設(shè)備驅(qū)動(dòng)的API。在LwIP原有協(xié)議的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)底層網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)和硬件驅(qū)動(dòng) API，將網(wǎng)絡(luò)上層協(xié)議與通信鏈路的物理接口隔離。同時(shí)封裝協(xié)議棧中用到的事件管理、任務(wù)管理、時(shí)間管理等系統(tǒng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)API功能。通過(guò) DSP／可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)線程操作、存儲(chǔ)器分配、包緩沖管理、器管理等。

網(wǎng)絡(luò)控制模塊是協(xié)議棧控制的核心，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(shè)備驅(qū)動(dòng)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(shè)備驅(qū)動(dòng)提供接口，調(diào)度驅(qū)動(dòng)事件進(jìn)入TCP／IP棧；在退出時(shí)卸載系統(tǒng)配置并清除驅(qū)動(dòng)。

3．2 協(xié)議棧接口設(shè)計(jì)

TCP／IP協(xié)議接口包括與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的交互、驅(qū)動(dòng)程序接口、進(jìn)程間通信、存儲(chǔ)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(shí)時(shí)調(diào)度和同步以及主機(jī)／目標(biāo)系統(tǒng)通信和實(shí)時(shí)檢測(cè)的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。在協(xié)議棧中，通過(guò)設(shè)計(jì)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(wù)、信號(hào)燈、存儲(chǔ)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(gè)配置結(jié)構(gòu)用于操作系統(tǒng)的配置，通過(guò)它對(duì)協(xié)議棧的優(yōu)先級(jí)及大小進(jìn)行配置。

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

TCP／IP 棧和設(shè)備驅(qū)動(dòng)使用包緩沖區(qū)發(fā)送及接收網(wǎng)絡(luò)包數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)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(yàn))。系統(tǒng)采用一個(gè)由32個(gè)緩沖區(qū)構(gòu)成的緩沖池，每個(gè)緩沖區(qū)的大小為1664字節(jié)。這樣分配可以對(duì)齊Cache邊界，保證沖洗(flush)Cache時(shí)，不會(huì)與緩沖區(qū)發(fā)生沖突。

3．2．2 驅(qū)動(dòng)程序接口

驅(qū)動(dòng)程序完成芯片和器的初始化及各種參數(shù)設(shè)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(yīng)速度采用中斷模式，同時(shí)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(luò)控制模塊中實(shí)現(xiàn)，用于定時(shí)器到時(shí)、緩沖區(qū)入隊(duì)列、接收數(shù)據(jù)包等管理。在協(xié)議棧完成設(shè)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(jí)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生時(shí)，進(jìn)入內(nèi)核模式運(yùn)行。通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)llEnter()和llExit()進(jìn)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(shè)定調(diào)度程序的優(yōu)先級(jí)
while(!NetHaltFlag)
{
WaitForEvents()； ／／中斷模式下，等待事件中斷
ServiceDeviceDrivers（）；//設(shè)備驅(qū)動(dòng)服務(wù)，獲取事件
//在內(nèi)核模式下處理事件
If（StackEvents）
{
llEnter（）；//進(jìn)入內(nèi)核模式
ServiceStackEvents（）；// 處理事件
llExit（）；// 退出內(nèi)核模式
}
}
}

3.3 網(wǎng)絡(luò)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(duì)網(wǎng)絡(luò)控制進(jìn)行初始化。

在調(diào)用TCP/IP協(xié)議相關(guān)函數(shù)前，先初始化操作系統(tǒng)環(huán)境，再創(chuàng)建一個(gè)新的配置，或從只讀存儲(chǔ)器中導(dǎo)出一個(gè)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(luò)關(guān)閉時(shí)，應(yīng)用程序關(guān)閉在start中調(diào)用的操作并釋放分配的資源，退出網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，網(wǎng)絡(luò)控制初始化流程如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)控制初始化流程

本文在DM642芯片上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高度精簡(jiǎn)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，論述了協(xié)議棧的硬件接口設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)。可以方便地在DSP上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)視頻的傳輸，本協(xié)議棧目前已成功應(yīng)用于高速公路的數(shù)字視頻中，運(yùn)行狀況良好，該協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)、視頻點(diǎn)播系統(tǒng)等實(shí)時(shí)多媒體處理的應(yīng)用也有借鑒作用。