TM1300 DSP系統(tǒng)的以太網通信接口的設計與實現(xiàn)

關鍵詞：PCI總線 TM1300 以太網通信接口 pSOS+內核 pNA+

1 概述

ＴＭ１３００是Ｐｈｉｌｉｐｓ公司推出的新一代高性能多媒體數(shù)字信號處理器芯片?；冢裕停保常埃暗模模樱袘?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/系統(tǒng)">系統(tǒng)適合于實時聲音、圖像處理，可廣泛應用于會議電視、可視電話、數(shù)字電視等應用場合。它不僅具有強大的處理能力,同時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)應用的需要靈活地構造各種視頻通信系統(tǒng)。鑒于目前計算機網絡的普及和網上視頻業(yè)務的發(fā)展，很有必要為ＴＭ１３００視頻編碼系統(tǒng)開發(fā)一個以太網接口以拓寬其應用范圍。開發(fā)以太網接口的一種合理思路是利用ＴＭ１３００集成的ＰＣＩ接口來驅動專用的以太網接口芯片。由于目前多數(shù)以太網接口芯片（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中運行，同時由于系統(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?筆者在進行了前期測試的基礎上進行了電路板的設計?并順利完成了調試。目前?這個以太網接口已經基本開發(fā)成功。本文將對這個設計的技術要點從硬件和軟件兩個方面進行詳細介紹。

２ ＴＭ１３００及ＰＣＩ總線接口

該系統(tǒng)的硬件結構框圖如圖１所示。本系統(tǒng)硬件設計的重點是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機中常見的是３２位ＰＣＩ總線,它的有用引腳總數(shù)是１１０個,可以分成３組。第一組是基本功能信號線,包括３２位共享數(shù)據(jù)地址線ＡＤ〔００．．３１〕、接口控制線、仲裁線、時鐘線、系統(tǒng)復位線、中斷線;第二組是附加功能信號線,包括錯誤報告線、ｃａｃｈｅ功能支持線、ＪＴＡＧ邊界掃描線;第三組是電源線,包括設備耗電量標識線、３．３Ｖ電源線(１２根)、５Ｖ電源線(１３根)、地線(２２根)。

因為Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９不具備ＰＣＩ的附加功能信號線所支持的ｃａｃｈｅ功能和ＪＴＡＧ邊界掃描功能,同時雖然它具有奇偶校驗錯誤報告功能引腳,但該腳可以懸空不用。所以,設計時只需考慮第一組功能信號線的連接即可。

ＰＣＩ接口的設計有以下幾個要點：

(１)ＰＣＩ總線的仲裁

這里先說明兩個概念。首先，ＰＣＩ總線是多設備共享的，由于ＰＣ機里可以有多個ＰＣＩ設備，所以需要使用仲裁器;其次，ＰＣＩ設備有主設備和從設備之分，主設備可以發(fā)起ＰＣＩ數(shù)據(jù)的傳送?從設備只能被動地響應主設備的操作以對讀操作和寫操作做出響應。ＰＣＩ的仲裁引腳是ＲＥＱ和ＧＮＴ，分別為請求線和授權線，而且只有ＰＣＩ主設備有這兩個引腳。一般情況下，ＲＥＱ通常和ＧＮＴ成對地連到仲裁器，而設備與設備的ＲＥＱ和ＧＮＴ通常是互不相連的。

ＰＣＩ總線的仲裁過程是這樣的：ＰＣＩ主設備把ＲＥＱ電平拉低以表示向仲裁器請求占用總線。經仲裁獲準后，仲裁器把這個設備的ＧＮＴ電平拉低以表示請求獲準，此后該設備便可以使用總線了。當它不再使用總線時，應使ＲＥＱ信號變?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主設備，而Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９是ＰＣＩ從設備。由于它們不存在共享總線的問題，所以不需要仲裁器，而只是簡單地把ＲＥＱ和ＧＮＴ短接即可，這就相當于ＴＭ１３００自己給自己授權。

（２）ＰＣＩ_ＩＤＳＥＬ信號線在設備的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。這是因為在系統(tǒng)引導時，如果沒有給設備配置Ｉ／Ｏ或內存地址，軟件就只能通過配置來讀寫訪問設備。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。配置讀寫操作不經過ＰＣＩ橋時，使用０型，當需要經過ＰＣＩ橋時，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過ＰＣＩ橋的譯碼才能成為最終的總線地址。本設計中，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，ＡＤ〔００．．３１〕的內容如下，ＡＤ〔００〕和ＡＤ〔０１〕總為“００”，因為配置讀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?ＡＤ〔０８〕～ＡＤ〔１０〕是設備的功能號?在一塊ＰＣＩ卡上有多個功能設備時，為了進一步區(qū)分不同的設備就要用到這幾位，由于Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９是單功能設備，故這幾位全為０，ＡＤ〔１１〕～ＡＤ〔３１〕是設備選擇位，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，這塊卡就會被激活，這樣，在緊接著的數(shù)據(jù)周期中，它就會將其ＰＣＩ配置空間相應寄存器中的內容放到總線上以供讀取。

（３） ＰＣＩ_ＦＲＡＭＥ、ＰＣＩ_ＤＥＶＳＥＬ、ＰＣＩ_ＩＲＤＹ、ＰＣＩ_ＴＲＤＹ引腳的處理

上述四個引腳均是低電平有效，因此需要接上拉電阻，以保證在設備未驅動該引腳時處于穩(wěn)定的無效狀態(tài)，上拉電阻的阻值在１ｋΩ～１０ｋΩ范圍內，阻值越小，則將該信號驅動為有效的時間越短，但太小又會導致電流過大，所以，要權衡考慮，本設計選用４．７ｋΩ。

上述三點對脫機情況下ＰＣＩ設備的互連具有較普遍的參考意義，除此之外，本設計還有以下比較特殊的幾點：

●應將ＴＭ１３００的ＰＣＩ，ＩＮＴＡ引腳配置為輸入，以便接收Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９的中斷；

●ＰＣＩ時鐘由ＴＭ１３００提供；

●Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９的復位信號也就是ＴＭ１３００的復位信號，該信號由外部電路提供；

●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　軟件設計

該接口設計的軟件結構框圖如圖３所示。其中ＴＭ１３００運行于ｐＳＯＳ，它是一個簡單的實時多任務嵌入式操作系統(tǒng)，帶有ｐＮＡ＋網絡組件，其ｐＮＡ＋相當于ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議棧的擴展，它向上可提供應用程序編程的ｓｏｃｋｅｔ接口，向下可定義一個與網絡接口層交互的接口，其中包括８個函數(shù)，分別是：ｎｉ_ｉｎｉｔ（接口芯片初始化）、ｎｉ_ｂｒｏａｄ－ｃａｓｔ（發(fā)送廣播分組）、ｎｉ_ｓｅｎｄ（發(fā)送普通分組）、ｎｉ_ｇｅｔｐｋｂ（申請發(fā)送緩沖區(qū)）、ｎｉ_ｒｅｔｐｋｂ（歸還接收緩沖區(qū)）、ｎｉ_ｉｏｃｔｌ（Ｉ／Ｏ控制操作）、ｎｉ_ｐｏｏｌ（統(tǒng)計量查詢）、Ａｎｎｏｕｎｃｅ（網絡接口驅動調用它把接收到的數(shù)據(jù)包提交給ｐＳＯＳ）。其中網絡接口層在本應用中就是Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９的驅動程序，它通過硬件抽象層來驅動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ｐＳＯＳ，并由它加載網絡接口驅動程序，然后調用驅動程序的ｎｉ_ｉｎｉｔ函數(shù)，同時初始化Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９的ＰＣＩ配置空間并設置Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９的工作參數(shù)，之后啟動用戶任務。在這里，用戶任務為Ｈ．２６３編碼進程。它對ＶＩ口讀入的源圖像進行壓縮編碼后，將調用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)議進行封裝后，再調用ｎｉ_ｓｅｎｄ函數(shù)，并由ｎｉ_ｓｅｎｄ完成數(shù)據(jù)包從系統(tǒng)主內存到Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９片上ＲＡＭ的拷貝，然后啟動Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９發(fā)送數(shù)據(jù)。在接收情況下，Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９收到一個完整的數(shù)據(jù)包后會用中斷通知ＣＰＵ，然后由ＣＰＵ執(zhí)行中斷服務程序。當中斷服務程序將數(shù)據(jù)包從Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９片上ＲＡＭ中拷貝到系統(tǒng)的主內存后，系統(tǒng)將調用Ａｎｎｏｕｎｃｅ函數(shù)并把數(shù)據(jù)塊的指針、數(shù)據(jù)長度和其它信息提交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的處理。

軟件的設計和ｐＳＯＳ操作系統(tǒng)的關系比較密切，限于篇幅，本文不對ｐＳＯＳ作詳細介紹，。本文接下來重點介紹ＰＣＩ配置空間的配置過程，這部分對于類似的設計有較普遍的參考意義。ＰＣＩ配置空間有６４個字節(jié)，ＰＣＩ片內的這些寄存器存儲了該芯片的廠商號、設備號、設備類型等重要代碼，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，它們必須在設備初始化時正確配置，否則設備不能工作。

對Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９ ＰＣＩ空間的配置需要三個步驟：

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，因為后續(xù)的配置寫要根據(jù)這個地址來尋址。掃描總線時，要對ＡＤ〔１１〕到ＡＤ〔３１〕每根線進行一次掃描，如果哪根ＡＤ線連接了一個ＰＣＩ設備的ＰＣＩ ＩＤＳＥＬ引腳，那么用配置讀函數(shù)讀?。校茫膳渲每臻g的０號寄存器時，應該返回該設備的設備和廠商代碼，如果這根線實際未連接設備，則返回值是０。已知Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９的設備和廠商代碼是“０ｘ８０２９１０ｅｃ”，如果返回值與之相同，說明找到了Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９，這時要記下這根ＡＤ線的序號。例如，在硬件上把Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９的ＰＣＩ ＩＤＳＥＬ和ＡＤ〔２０〕相連，則掃描到的序號就應該是“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備的Ｉ／Ｏ地址（例如“０ｘｅ４００”）。具體程序流程圖如圖４所示。

4 調試結果

根據(jù)以上設計，筆者在原ＴＭ１３００視頻編碼硬件系統(tǒng)的基礎上加入了ＰＣＩ接口，并編寫了ｐＳＯＳ下Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９的驅動程序。然后，在這個硬件平臺上對Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９的驅動部分進行了數(shù)據(jù)傳送測試。

筆者首先用一個單獨的ＵＤＰ發(fā)送任務進行發(fā)送速率測試。這個任務主要是高速地向網絡上的一臺ＰＣ發(fā)送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的大小是變長的。ＰＣ接收并對丟包數(shù)進行統(tǒng)計的結果如表１所列。實驗表明，在用網線直連的各種測試速率情況下都沒有出錯，而當接入局域網后，在發(fā)送速率為４．５Ｍｂｐｓ時有突發(fā)的少量錯誤。由于ＵＤＰ是不可靠的傳輸方式,所以這種錯誤是正常的。測試中，ＵＤＰ發(fā)送的最高速率可以達到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)主內存到Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９片上ＲＡＭ的拷貝過程目前尚未采用ＤＭＡ方式，這是需要改進的地方。

表1 丟包數(shù)統(tǒng)計表（單位：丟包個數(shù)/分鐘）

接下來筆者進行了編碼和傳送的聯(lián)合測試。編碼任務執(zhí)行Ｈ．２６３數(shù)據(jù)壓縮后，把碼流從以太網接口發(fā)出，然后在網絡上的另一臺ＰＣ上接收這個碼流，并進行解碼播放。通過調整編碼器的量化步長可以控制編碼的輸出碼率。在實驗環(huán)境下發(fā)現(xiàn)?在量化步長大于等于５、碼率在７００ｋｂｐｓ以下時，基本沒有丟包現(xiàn)象，解碼得到的圖像比較穩(wěn)定，而當量化步長進一步減小，碼率接近１Ｍｂｐｓ時，就會出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，解碼的圖像會出現(xiàn)彩色方塊。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為Ｈ．２６３編碼器對ＣＰＵ資源的消耗很大，而且數(shù)據(jù)在主內存和Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９片上ＲＡＭ之間的復制采用Ｉ／Ｏ讀寫方式也需要一定的ＣＰＵ資源。這樣，當量化步長小于５時，處理的復雜度超過了ＣＰＵ的能力從而產生了一定的誤碼。解決的途徑一方面是改進數(shù)據(jù)的傳送方式（采用ＤＭＡ），另一方面是需要對編碼任務進行優(yōu)化。

５　小結

本文介紹了ＰＣＩ總線接口的設計以及ＰＣＩ空間初始化的步驟，同時對測試結果進行了較詳細的分析，提出了以后改進的方向。