基于DSP的以太网通信接口设计

　　概述

　　TM1300是Philips公司推出的新一代高性能多媒体数字信号处理器芯片。基于TM1300的DSP应用系统适合于实时声音、图像处理，可广泛应用于会议电视、可视电话、数字电视等应用场合。它不仅具有强大的处理能力,同时还具有非常友好的音频和视频以及SSI和PCI等I/O接口，因此可以根据应用的需要灵活地构造各种视频通信系统。鉴于目前计算机网络的普及和网上视频业务的发展，很有必要为TM1300视频编码系统开发一个以太网接口以拓宽其应用范围。开发以太网接口的一种合理思路是利用TM1300集成的PCI接口来驱动专用的以太网接口芯片。由于目前多数以太网接口芯片(如Real- tek8029，Realtek8139等)都采用PCI接口，因此，可以用PCI总线将数据从TM1300传输到这些专用的以太网接口芯片后，再由它们发送数据，而且TM1300可以在嵌入式操作系统pSOS中运行，同时由于系统pSOS带有TCP/IP协议栈因此可以方便地完成编码码流的TCP/IP封装。 根据以上思路笔者在进行了前期测试的基础上进行了电路板的设计并顺利完成了调试。目前这个以太网接口已经基本开发成功。本文将对这个设计的技术要点从硬件和软件两个方面进行详细介绍。

　　2 TM1300及PCI总线接口

　　该系统的硬件结构框图如图1所示。本系统硬件设计的重点是PCI总线接口。PCI总线根据数据位的宽度有32位和64位之分,64位的数据线与32位是兼容的。PC机中常见的是32位PCI总线,它的有用引脚总数是110个,可以分成3组。第一组是基本功能信号线,包括32位共享数据地址线AD〔00..31〕、接口控制线、仲裁线、时钟线、系统复位线、中断线;第二组是附加功能信号线,包括错误报告线、cache功能支持线、JTAG边界扫描线;第三组是电源线,包括设备耗电量标识线、3.3V电源线(12根)、5V电源线(13根)、地线(22根)。 因为Realtek8029不具备PCI的附加功能信号线所支持的cache功能和JTAG边界扫描功能,同时虽然它具有奇偶校验错误报告功能引脚,但该脚可以悬空不用。所以,设计时只需考虑第一组功能信号线的连接即可。 PCI接口的设计有以下几个要点： (1)PCI总线的仲裁 这里先说明两个概念。首先，PCI总线是多设备共享的，由于PC机里可以有多个PCI设备，所以需要使用仲裁器;其次，PCI设备有主设备和从设备之分，主设备可以发起PCI数据的传送从设备只能被动地响应主设备的操作以对读操作和写操作做出响应。PCI的仲裁引脚是REQ和GNT，分别为请求线和授权线，而且只有PCI主设备有这两个引脚。一般情况下，REQ通常和GNT成对地连到仲裁器，而设备与设备的REQ和GNT通常是互不相连的。 PCI总线的仲裁过程是这样的：PCI主设备把REQ电平拉低以表示向仲裁器请求占用总线。经仲裁获准后，仲裁器把这个设备的GNT电平拉低以表示请求获准，此后该设备便可以使用总线了。当它不再使用总线时，应使REQ信号变为高电平仲裁器就不再给它分配总线资源。在本系统中，TM1300是PCI主设备，而Realtek8029是PCI从设备。由于它们不存在共享总线的问题，所以不需要仲裁器，而只是简单地把REQ和GNT短接即可，这就相当于TM1300自己给自己授权。

　　(2)PCI_IDSEL信号线在设备的PCI配置读写中的作用 PCI有一种特殊的读写周期，称为配置读写。这是因为在系统引导时，如果没有给设备配置I/O或内存地址，软件就只能通过配置来读写访问设备。配置读写有两种，分别称为0型和1型具体采用哪一种取决于总线的硬件连接。配置读写操作不经过PCI桥时，使用0型，当需要经过PCI桥时，则要用1型，0型读写的地址直接就是总线上的地址，1型读写的地址则要经过PCI桥的译码才能成为最终的总线地址。本设计中，TM1300和Realtek8029是用PCI总线直连的，所以使用0型配置读写。 AD〔00..31〕是PCI总线的共享地址和数据线，每一次PCI传送都分为地址周期和数据周期。在地址周期，采用0型读写时，AD〔00..31〕的内容如下，AD〔00〕和AD〔01〕总为“00”，因为配置读写是以双字为单位的，AD〔02〕～AD〔07〕是要读写的PCI配置空间的寄存器号AD〔08〕～AD〔10〕是设备的功能号在一块PCI卡上有多个功能设备时，为了进一步区分不同的设备就要用到这几位，由于Realtek8029是单功能设备，故这几位全为0，AD〔11〕～AD〔31〕是设备选择位，其中必须有且仅有一位为“1”，如图2所示，这在物理上表现为总线的AD〔11〕～AD〔31〕中有一根为高电平如果输出高电平的这根线与某块PCI卡的PCI IDSEL引脚相连，这块卡就会被激活，这样，在紧接着的数据周期中，它就会将其PCI配置空间相应寄存器中的内容放到总线上以供读取。 (3) PCI_FRAME、PCI_DEVSEL、PCI_IRDY、PCI_TRDY引脚的处理 上述四个引脚均是低电平有效，因此需要接上拉电阻，以保证在设备未驱动该引脚时处于稳定的无效状态，上拉电阻的阻值在1kΩ～10kΩ范围内，阻值越小，则将该信号驱动为有效的时间越短，但太小又会导致电流过大，所以，要权衡考虑，本设计选用4.7kΩ。 上述三点对脱机情况下PCI设备的互连具有较普遍的参考意义，除此之外，本设计还有以下比较特殊的几点： ●应将TM1300的PCI，INTA引脚配置为输入，以便接收Realtek8029的中断; ●PCI时钟由TM1300提供; ●Realtek8029的复位信号也就是TM1300的复位信号，该信号由外部电路提供; ●TM1300的PCI STOP、 PCI SERR引脚悬空，表示Realtek8029不具备相应的附加功能。另外，TM1300的PCI INTB、PCI INTC、PCI INTD引脚可以用作用户中断。

　　3　软件设计

　　该接口设计的软件结构框图如图3所示。其中TM1300运行于pSOS，它是一个简单的实时多任务嵌入式操作系统，带有pNA+网络组件，其pNA+相当于TCP/IP协议栈的扩展，它向上可提供应用程序编程的socket接口，向下可定义一个与网络接口层交互的接口，其中包括8个函数，分别是：ni_init(接口芯片初始化)、ni_broad-cast(发送广播分组)、ni_send(发送普通分组)、ni_getpkb(申请发送缓冲区)、ni_retpkb(归还接收缓冲区)、ni_ioctl(I/O控制操作)、ni_pool(统计量查询)、Announce(网络接口驱动调用它把接收到的数据包提交给pSOS)。其中网络接口层在本应用中就是Realtek8029的驱动程序，它通过硬件抽象层来驱动Realtek8029(硬件抽象层是PCI总线的配置读写和I/O读写指令集的总称)。 软件执行的流程大致是：系统首先启动pSOS，并由它加载网络接口驱动程序，然后调用驱动程序的ni_init函数，同时初始化Realtek8029的PCI配置空间并设置Realtek8029的工作参数，之后启动用户任务。在这里，用户任务为H.263编码进程。它对VI口读入的源图像进行压缩编码后，将调用socket的接口函数sendto(sendto是UDP套接口专用的发送函数)，然后把码流发送给pSOS由pSOS根据UDP协议进行封装后，再调用ni_send函数，并由ni_send完成数据包从系统主内存到Realtek8029片上RAM的拷贝，然后启动Realtek8029发送数据。在接收情况下，Realtek8029收到一个完整的数据包后会用中断通知CPU，然后由CPU执行中断服务程序。当中断服务程序将数据包从Realtek8029片上RAM中拷贝到系统的主内存后，系统将调用Announce函数并把数据块的指针、数据长度和其它信息提交pSOS，最后由pSOS将数据包沿协议栈一层层上传并作出相应的处理。 软件的设计和pSOS操作系统的关系比较密切，限于篇幅，本文不对pSOS作详细介绍，。本文接下来重点介绍PCI配置空间的配置过程，这部分对于类似的设计有较普遍的参考意义。PCI配置空间有64个字节，PCI片内的这些寄存器存储了该芯片的厂商号、设备号、设备类型等重要代码，还包括命令寄存器、基地址寄存器等控制其总线行为的寄存器，它们必须在设备初始化时正确配置，否则设备不能工作。 对Realtek8029 PCI空间的配置需要三个步骤： 首先是扫描总线，这一步的目的是找到Real-tek8029的配置地址，直观地讲，就是找到它的PCI_IDSEL引脚和哪根AD线相连，因为后续的配置写要根据这个地址来寻址。扫描总线时，要对AD〔11〕到AD〔31〕每根线进行一次扫描，如果哪根AD线连接了一个PCI设备的PCI IDSEL引脚，那么用配置读函数读取PCI配置空间的0号寄存器时，应该返回该设备的设备和厂商代码，如果这根线实际未连接设备，则返回值是0。已知Realtek8029的设备和厂商代码是“0x802910ec”，如果返回值与之相同，说明找到了Realtek8029，这时要记下这根AD线的序号。例如，在硬件上把Realtek8029的PCI IDSEL和AD〔20〕相连，则扫描到的序号就应该是“20”。 其次，用配置写函数配置I/O读写使能，即在command寄存器中写入“0x1”。 最后，用配置写函数配置I/O地址，也就是在I/OBaseAdddress寄存器写入分配给该设备的I/O地址(例如“0xe400”)。具体程序流程图如图4所示。

　　4 调试结果

　　根据以上设计，笔者在原TM1300视频编码硬件系统的基础上加入了PCI接口，并编写了pSOS下Realtek8029的驱动程序。然后，在这个硬件平台上对Realtek8029的驱动部分进行了数据传送测试。 笔者首先用一个单独的UDP发送任务进行发送速率测试。这个任务主要是高速地向网络上的一台PC发送数据包，数据包的大小是变长的。PC接收并对丢包数进行统计的结果如表1所列。实验表明，在用网线直连的各种测试速率情况下都没有出错，而当接入局域网后，在发送速率为4.5Mbps时有突发的少量错误。由于UDP是不可靠的传输方式,所以这种错误是正常的。测试中，UDP发送的最高速率可以达到5Mbps左右，它与硬件的最高速率(10Mbps)相比还有一定差距，主要原因是数据从系统主内存到Realtek8029片上RAM的拷贝过程目前尚未采用DMA方式，这是需要改进的地方。 表1 丢包数统计表(单位：丢包个数/分钟) 连接方式发 送 速 率 800kbps 1.8Mbps 4.5Mbps 网络直连 0 0 0 接入局域网 0 0 2.5 接下来笔者进行了编码和传送的联合测试。编码任务执行H.263数据压缩后，把码流从以太网接口发出，然后在网络上的另一台PC上接收这个码流，并进行解码播放。通过调整编码器的量化步长可以控制编码的输出码率。在实验环境下发现在量化步长大于等于5、码率在700kbps以下时，基本没有丢包现象，解码得到的图像比较稳定，而当量化步长进一步减小，码率接近1Mbps时，就会出现丢包现象，解码的图像会出现彩色方块。出现这种现象是因为H.263编码器对CPU资源的消耗很大，而且数据在主内存和Realtek8029片上RAM之间的复制采用I/O读写方式也需要一定的CPU资源。这样，当量化步长小于5时，处理的复杂度超过了CPU的能力从而产生了一定的误码。解决的途径一方面是改进数据的传送方式(采用DMA)，另一方面是需要对编码任务进行优化。

　　5　小结

　　本文介绍了PCI总线接口的设计以及PCI空间初始化的步骤，同时对测试结果进行了较详细的分析，提出了以后改进的方向。