基于多核DSP的以太網(wǎng)通信接口設(shè)計(jì)

摘要 針對(duì)8核DSP TMS320C6678與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的需求，以片上集成千兆以太網(wǎng)交換子系統(tǒng)為核心，選取芯片88E1111作為PHY設(shè)備，設(shè)計(jì)了千兆以太網(wǎng)通信接口的硬件電路。在嵌入式操作系統(tǒng)SYS/BIOS和網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)環(huán)境NDK上，完成了以太網(wǎng)底層驅(qū)動(dòng)和TCP/IP協(xié)議的程序設(shè)計(jì)。通過(guò)DSP與上位機(jī)進(jìn)行以太網(wǎng)通信測(cè)試，證明了以太網(wǎng)接口電路硬件及軟件的正確性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞 TMS320C6678;千兆以太網(wǎng);SYS/BIOS;TCP/IP協(xié)議

隨著DSP處理器在現(xiàn)代工業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，DSP的功能不僅只有快速運(yùn)算處理，還需要與其他處理器或者設(shè)備之間進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，以實(shí)現(xiàn)資源的共享。因此，針對(duì)不同設(shè)備的需求，選擇穩(wěn)定、快速和高效率的接口方式在當(dāng)今數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的組成部分。

TI公司的8核處理器TMS320C6678(以下簡(jiǎn)稱C6678)提供豐富的片上接口資源用于處理器與外設(shè)之間的通信，這些接口都可以用于DSP與外設(shè)之間的通信，但是靈活性有差異，使用SGMII接口來(lái)實(shí)現(xiàn)千兆以太網(wǎng)通信，可使得通信接口一般化，能夠適用于眾多的設(shè)備連接。本文針對(duì)C6678的芯片特點(diǎn)以及含有的接口資源，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了千兆以太網(wǎng)通信，主要設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)接口電路、網(wǎng)絡(luò)底層硬件驅(qū)動(dòng)、TCP/IP協(xié)議的用戶程序，并完成了與上位機(jī)以太網(wǎng)通信測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)高速有效地網(wǎng)絡(luò)傳輸。

1 C6678以太網(wǎng)交換子系統(tǒng)

C6678是基于KeyStone I構(gòu)架的8核高性能、定點(diǎn)/浮點(diǎn)處理器，單核最高工作頻率可達(dá)1.25 GHz。C6678的以太網(wǎng)交換子系統(tǒng)包括2個(gè)以太網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制(Ethernet Media Access Controller，EMAC)、2個(gè)SGMII、1個(gè)管理數(shù)據(jù)輸入輸出(Management Data Input Output，MDIO)、3-Port以太網(wǎng)交換模塊以及網(wǎng)絡(luò)配置總線，其網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)如圖1所示。

EMAC的作用是將交換子系統(tǒng)的內(nèi)部信號(hào)轉(zhuǎn)換為GMII信號(hào)傳遞給SGMII模塊;MDIO控制物理層芯片執(zhí)行對(duì)多數(shù)據(jù)流的控制輸入輸出。

2 PHY芯片88E1111

本文選擇C6678作為主芯片，由于C6678的千兆網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)只支持SGMII接口，所以本文選擇對(duì)SGMII接口的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸具有較好兼容性的物理芯片88E1111。88E1111芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

88E1111的介質(zhì)接口有銅介質(zhì)接口和光纖接口。銅介質(zhì)接口為MDI[3：0]，通過(guò)設(shè)置HWCFG_MODE[3：0]來(lái)選擇運(yùn)行模式。 88E1111集成的MDIO模塊與EMAC的MDIO接口相連接，可將方便網(wǎng)絡(luò)控制端讀取物理芯片狀態(tài)寄存器，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的效果。

3 硬件接口設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的任務(wù)是基于C6678片內(nèi)以太網(wǎng)交換子系統(tǒng)和片外PHY芯片88E1111及其外圍電路的接口設(shè)計(jì)。主要包括：C6678與88E1111芯片連接、88E1111芯片配置以及88E1111芯片與網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)連接。

3.1 C6678與88E1111芯片連接

C6678和PHY芯片88E1111的接口電路如圖3所示。88E1111工作在SGMII接口模式下，不需要TXCLK時(shí)鐘輸入，更有助于減少電路板上走線的數(shù)量，同時(shí)也可減少噪聲的產(chǎn)生。

主要的接口信號(hào)包括時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)如下：

MDIO_CLK：管理數(shù)據(jù)時(shí)鐘。該時(shí)鐘信號(hào)由C6678片上的MDIO模塊提供，該時(shí)鐘頻率通過(guò)配置MDIO的控制寄存器CONTROL中的CLKDIV位來(lái)控制實(shí)現(xiàn)。

SGMII_TXP和SGMII_TXN：串行發(fā)送差分?jǐn)?shù)據(jù)線。連接DSP內(nèi)部SerDes和物理芯片的S_IN管腳，DSP的SerDes通過(guò)該管腳向物理層發(fā)送串行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中包含發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)。

SGMII_RXP和SGMII_RXN：串行接收差分?jǐn)?shù)據(jù)線。連接DSP內(nèi)部SerDes和物理芯片的S_OUT管腳，物理層芯片通過(guò)該接口將數(shù)據(jù)傳送到DSP的SerDes，數(shù)據(jù)中包含數(shù)據(jù)接收時(shí)鐘信號(hào)。

MDIO：管理數(shù)據(jù)I/O?？勺疃噙B接32個(gè)PHY設(shè)備到DSP的EMAC，并且可以枚舉所有PHY設(shè)備，讀取PHY設(shè)備狀態(tài)寄存器來(lái)監(jiān)測(cè)PHY的連接狀態(tài)。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)符合802.3標(biāo)準(zhǔn)，包含讀寫(xiě)指令、PHY地址、寄存器地址和數(shù)據(jù)等。

因?yàn)?8E1111上集成的MDIO與C6678集成MDIO模塊進(jìn)行連接時(shí)，電壓有所差別，前者電壓為2.5 V，后者電壓為1.8 V，所以在二者之間應(yīng)該添加電壓轉(zhuǎn)換器。本文采用一片PCA9306，實(shí)現(xiàn)2.5 V和1.8 V之間的電平轉(zhuǎn)換，其連接電路如圖4所示。

3.2 88E1111芯片配置

88E1111與C6678的MDIO模塊相連接，MDIO最多可識(shí)別32個(gè)物理芯片，在使用物理芯片之前需要對(duì)其進(jìn)行配置，配置內(nèi)容主要包括芯片的地址、模式等。配置CONFTG[6：0]管腳定義可查詢文獻(xiàn)，本文配置的硬件電路如圖5所示，圖5中可以不使用電阻，本文為了測(cè)試方便，加一個(gè)0 Ω的電阻。

88E1111硬件配置完成后，系統(tǒng)將固定為一種接口方式，按照文獻(xiàn)的定義，物理芯片的地址為：PHY_ADDRESS=0’b00001，芯片模式為：不帶時(shí)鐘，自動(dòng)協(xié)商的SGMII模式。

3.3 88E1111芯片與RJ45連接

88E1111和網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)之間無(wú)法直接連接，因傳輸速度在千兆級(jí)，所以更加需要設(shè)計(jì)合適的網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器來(lái)降低傳輸損耗、回音和串?dāng)_。本文選擇千兆網(wǎng)口插座HR911130C，該插座內(nèi)部自帶變壓器電路，只需在外部連接濾波網(wǎng)絡(luò)便可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)穩(wěn)定地傳輸，如圖6所示。88E1111和 HR9111130C采用差分連接，在PCB布線時(shí)需要嚴(yán)格等長(zhǎng)，且一般還需使用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖6中的R1和C1。

4 軟件程序設(shè)計(jì)

TI針對(duì)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)發(fā)布了網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)套件(Network Development Kit，NDK)，能將多個(gè)模塊的配置操作交給NDK網(wǎng)絡(luò)框架實(shí)現(xiàn)，同時(shí)數(shù)據(jù)分包和解析也無(wú)需程序員過(guò)多考慮，加速了網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)進(jìn)程。NDK構(gòu)建在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)SYS/BIOS之上，NDK通過(guò)OS抽象層與BIOS進(jìn)行交互，同時(shí)BIOS的cfg配置文件能對(duì)NDK各模塊進(jìn)行可視化查看。

本文基于多核DSP實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)SYS/BIOS上，設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)通信程序。該操作系統(tǒng)能夠提供較多的集成模塊，方便用戶編寫(xiě)程序，且還有軟硬件中斷管理、多任務(wù)同步機(jī)制、多核通信機(jī)制和存儲(chǔ)器管理機(jī)制等，可為用戶進(jìn)行多線程多任務(wù)開(kāi)發(fā)提供模塊化的框架。以太網(wǎng)通信接口的軟件總體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

SYS/BIOS為整個(gè)軟件提供集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，不僅擁有適合實(shí)時(shí)系統(tǒng)的多線程優(yōu)先搶占機(jī)制，還可添加需要的封裝庫(kù)，使得編寫(xiě)程序時(shí)可以更加方便地調(diào)用庫(kù)函數(shù)。NDK是DSP的網(wǎng)絡(luò)程序開(kāi)發(fā)集成工具，其中，stack.lib給出了從頂層socket到底層PPP關(guān)于TCP/IP協(xié)議棧的封裝庫(kù);nettool.lib提供用于socket網(wǎng)絡(luò)套接字和用于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具的封裝庫(kù);os.lib提供應(yīng)用于SYS/BIOS和網(wǎng)絡(luò)編程套件之間的系統(tǒng)協(xié)調(diào)的封裝庫(kù);hal.lib提供外圍設(shè)備和網(wǎng)協(xié)議棧之間接口的封裝庫(kù);netctrl.lib提供DSP網(wǎng)絡(luò)編程的整體控制，可用來(lái)配置底層驅(qū)動(dòng)和協(xié)議。

本文DSP片上系統(tǒng)軟件分為3部分：SYS/BIOS平臺(tái)和NDK的TCP/IP協(xié)議棧建立和配置;用戶程序;編制底層驅(qū)動(dòng)程序。

4.1 底層硬件驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

NDK的基本結(jié)構(gòu)如圖7所示，可看出NDK開(kāi)發(fā)套件與用戶程序、SYS/BIOS操作系統(tǒng)和底層硬件都有密切的聯(lián)系。NDK中網(wǎng)絡(luò)控制層和操作系統(tǒng)接口層與SYS/BIOS系統(tǒng)相連接，NDK的硬件驅(qū)動(dòng)層用于控制底層硬件驅(qū)動(dòng)的配置，這些操作和配置均可在網(wǎng)絡(luò)工具庫(kù)中找到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，并可直接由用戶應(yīng)用程序來(lái)調(diào)用實(shí)現(xiàn)。

這些功能主要包括：

(1)底層硬件驅(qū)動(dòng)包括：MDIO模塊和EMAC模塊的初始化;PHY芯片搜索配置和狀態(tài)監(jiān)測(cè);EMAC/MDIO中斷使能。(2)TCP/IP協(xié)議棧的建立，配置接收和發(fā)送緩存區(qū)的大小，完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的收發(fā)任務(wù)。(3)利用MDIO模塊，根據(jù)MDIO讀取的PHY狀態(tài)寄存器來(lái)監(jiān)測(cè)其連接狀態(tài)，識(shí)別可以是CPU產(chǎn)生中斷的狀態(tài)變化事件，并將信息反饋。(4)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)，復(fù)位前面對(duì)寄存器進(jìn)行的操作，收回占用資源。

如圖7所示，硬件驅(qū)動(dòng)包含在硬件驅(qū)動(dòng)層hal.lib中，用戶需要對(duì)按照系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)函數(shù)進(jìn)行修改。C6000系列NDK的API封裝了許多固定的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，具有特定的功能，比如_llPacketSerivceCheck()的作用是檢測(cè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)，且將檢測(cè)到的結(jié)構(gòu)信息反饋給協(xié)議棧進(jìn)行分析處理。具體的驅(qū)動(dòng)程序需要按照硬件系統(tǒng)的配置來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在C6678中，可在集成度較高的片上系統(tǒng)直接對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信模塊的寄存器進(jìn)行配置查詢，就可以完成硬件底層驅(qū)動(dòng)，使得底層硬件能夠有效地運(yùn)行。

4.2 DSP端網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序

DSP軟件設(shè)計(jì)是基于SYS/BIOS實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)和C語(yǔ)言，采用Socket套接字，創(chuàng)建TCP/IP客戶端(Client)和服務(wù)器端 (Server)，Client負(fù)責(zé)與外部設(shè)備服務(wù)器端建立連接并接收數(shù)據(jù)包，Server用來(lái)向PC機(jī)發(fā)送處理后的數(shù)據(jù)包。接收任務(wù)和發(fā)送任務(wù)流程如圖 8所示。在C6678的內(nèi)核Core0中建立兩個(gè)同步線程任務(wù)，即數(shù)據(jù)接收和發(fā)送任務(wù)，分別用來(lái)接收TCP服務(wù)器發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)和發(fā)送處理后的數(shù)據(jù)到PC 上位機(jī)中進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和顯示。

4.3 上位機(jī)測(cè)試程序

上位機(jī)測(cè)試程基于VC++的MFC界面設(shè)計(jì)，使用套接字Socket進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程。程序中需設(shè)計(jì)兩個(gè)同步線程，用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收和動(dòng)態(tài)顯示功能。使用TCP服務(wù)器端發(fā)送船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)DSP的接接收、處理和發(fā)送過(guò)程，最后發(fā)送到PC上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示，結(jié)果如圖9所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以8核處理器C6678為核心，對(duì)片上集成的以太網(wǎng)交換子系統(tǒng)接口硬件進(jìn)行了研究，按照接口的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了包括以太網(wǎng)交換子系統(tǒng)和物理芯片的接口連接、物理芯片與網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)接口連接的硬件系統(tǒng)，并完成了千兆以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)多核DSP C6678與上位機(jī)進(jìn)行千兆以太網(wǎng)通信。通過(guò)與上位機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試，結(jié)果顯示以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信接口能實(shí)時(shí)高效地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。