多核DSP的以太網(wǎng)遠(yuǎn)程程序加載方法

摘要：為了解決工業(yè)遠(yuǎn)程控制設(shè)備的軟件更新帶來(lái)的成本和效率問題，在研究了以TMS320C6670為核心的DSP系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和程序啟動(dòng)的基礎(chǔ)上，提出了基于以太網(wǎng)的DSP程序遠(yuǎn)程加載方法。該方法主要基于BOOTP協(xié)議的廣播和以太網(wǎng)UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐表明，該加載技術(shù)靈活可靠，為遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的調(diào)試和更新提供了便利。

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和DSP技術(shù)飛速發(fā)展，許多智能儀器儀表、工業(yè)遠(yuǎn)程控制設(shè)備等能夠接入到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化的管理和控制。在這些設(shè)備中，有很多是以DSP為核心的設(shè)備，這些設(shè)備的程序代碼的引導(dǎo)啟動(dòng)是一個(gè)很重要的問題。傳統(tǒng)的DSP設(shè)備的程序加載方法是通過硬件仿真器來(lái)完成的，但在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，這種方法存在仿真器攜帶不便攜和設(shè)備軟件維護(hù)更新不方便等缺點(diǎn)。因此基于網(wǎng)絡(luò)的DSP軟件更新就是一種很好的解決方案。

文中介紹了DSP程序加載的基本原理，以TI公司的多核DSP TMS320C6670為例，實(shí)現(xiàn)了一種基于以太網(wǎng)BOOTP協(xié)議的DSP程序加載技術(shù)，利用網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)DSP程序的動(dòng)態(tài)加載，提高軟件更新效率。

1 原理

這里使用傳統(tǒng)的PC機(jī)作為下載服務(wù)器，以TMS320C6670為核心的DSP設(shè)備作為客戶機(jī)，客戶機(jī)啟動(dòng)后，不知道任何網(wǎng)絡(luò)信息，需要通過TCP/IP協(xié)議的相關(guān)協(xié)議IP、UDP、BOOTP提供的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的傳播?？蛻魴C(jī)通過BOOTP協(xié)議獲得所需相關(guān)網(wǎng)絡(luò)信息，然后通過UDP協(xié)議包獲取待執(zhí)行的引導(dǎo)程序，并運(yùn)行之。

1.1 IP協(xié)議和UDP協(xié)議

IP(Internet Protocol，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)是TCP/IP中網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。UDP(User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)是TC尸/IP傳輸層的無(wú)連接協(xié)議。由于完整的TCP/IP協(xié)議將占用大量系統(tǒng)資源，所以在高可靠的局域網(wǎng)中，可以采用UDP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)包。

1.2 BOOTP協(xié)議

客戶機(jī)啟動(dòng)時(shí)，需從網(wǎng)絡(luò)上獲取三種信息：本機(jī)的IP地址、下載服務(wù)器的IP地址、待下載的運(yùn)行程序。

BOOTP(BOOTstrapping Protocol)能為無(wú)盤機(jī)獲得啟動(dòng)所需的所有信息。在發(fā)送BOOTP請(qǐng)求之前，BOOTP客戶既不知道自己的IP地址，也不知道服務(wù)器的IP地址，BOOTP必須通過廣播方式發(fā)送請(qǐng)求。BOOTP服務(wù)器收到請(qǐng)求后，根據(jù)以太網(wǎng)地址，從下載數(shù)據(jù)庫(kù)中查出相應(yīng)應(yīng)答表項(xiàng)，構(gòu)成BOOTP響應(yīng)，再應(yīng)答之。對(duì)于服務(wù)器而言，此時(shí)客戶機(jī)的IP地址已經(jīng)知道，可以直接應(yīng)答，不必用廣播方式。

BOOTP報(bào)文交易就是請(qǐng)求，響應(yīng)一個(gè)來(lái)回，交易成功與否只有客戶知道，因此當(dāng)服務(wù)器關(guān)閉或網(wǎng)絡(luò)工作不正常時(shí)，將導(dǎo)致交易出錯(cuò)或報(bào)文丟失，客戶需進(jìn)行重傳處理(每3 s重傳一次)。當(dāng)有多個(gè)響應(yīng)(多服務(wù)器響應(yīng)或BOOTP應(yīng)答延時(shí))，可設(shè)一個(gè)標(biāo)志，客戶只接受并處理第一個(gè)響應(yīng)，其余都拋棄。

1.3 BOOTP包格式

BOOTP包格式如圖1所示。

包操作碼/消息類型：1=BOOTREQUEST(引導(dǎo)請(qǐng)求)，2=BOOTREPLY(引導(dǎo)應(yīng)答)。硬件地址類型：1=10M以太網(wǎng)。硬件地址長(zhǎng)度：6是10M以太網(wǎng)。跳躍點(diǎn)數(shù)：用于跨網(wǎng)引導(dǎo)，由路由器使用。事務(wù)ID：一個(gè)隨機(jī)數(shù)，用來(lái)匹配引用請(qǐng)求和應(yīng)答。客戶端引導(dǎo)所用秒數(shù)：由客戶端填寫，客戶端引導(dǎo)開始后的過去的秒數(shù)?？蛻舳薎P地址：BOOTP客戶將此置為0，要求服務(wù)器應(yīng)答本客戶的IP地址。你的IP地址：BOOTP客戶將此設(shè)置為0。服務(wù)器IP地址：由服務(wù)器在引導(dǎo)應(yīng)答返回。網(wǎng)關(guān)IP地址：用于跨網(wǎng)引導(dǎo)時(shí)使用。客戶端硬件地址：客戶填充本機(jī)MAC地址。服務(wù)器主機(jī)名：用于跨網(wǎng)引導(dǎo)時(shí)使用。引導(dǎo)文件名：BOOTP請(qǐng)求置為0，服務(wù)器應(yīng)答時(shí)將由BOOTPTAB填充一個(gè)特定的運(yùn)行程序路徑名。標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)域：此域用于BOOTP客戶從服務(wù)器獲得一系列標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)，例如網(wǎng)管IP地址、網(wǎng)關(guān)IP地址、DNS域名服務(wù)器IP地址、客戶機(jī)名等。

1.4 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包格式

以太網(wǎng)請(qǐng)求包格式如圖2所示。

DIX以太網(wǎng)中包含目標(biāo)MAC地址(一般為FF：FF：FF：FF：FF：FF)和源MAC地址(即設(shè)備本身MAC地址)。IPV4中包含版本號(hào)、長(zhǎng)度、協(xié)議、校驗(yàn)和及源地址IP和目標(biāo)地址IP(這里IP地址均為0.0.0.0)。UDP中包含源端口、目標(biāo)端口、長(zhǎng)度及校驗(yàn)和。

以太網(wǎng)引導(dǎo)包格式如圖3所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用多核TMS320C6670 DSP芯片作為主控芯片，其內(nèi)置千兆網(wǎng)絡(luò)協(xié)處理器，所以外圍電路只需增加物理層芯片。結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

3 下載實(shí)現(xiàn)過程

客戶機(jī)：當(dāng)硬件復(fù)位時(shí)，在RESET信號(hào)上升前，配置好開發(fā)板上的撥碼開關(guān)SW3、SW4、SW5、SW6，確定TMS320C6670芯片為以太網(wǎng)引導(dǎo)方式。RBL(ROM BootLoader)配置SerDes，SGMII和PASS準(zhǔn)備接收來(lái)自以太網(wǎng)接口的引導(dǎo)包。RBL配置發(fā)送通道發(fā)送以太網(wǎng)請(qǐng)求包(每3 s發(fā)送一次)。

服務(wù)器即PC機(jī)端用Wireshark軟件作為抓包軟件，以太網(wǎng)請(qǐng)求包廣播到服務(wù)器端，見圖5，從中可以看出間隔約3 s多客戶機(jī)廣播一次BOO TP包。

圖6為以太網(wǎng)請(qǐng)求包主要內(nèi)容，與原理中描述的以太網(wǎng)請(qǐng)求包格式是一致的，包含DIX以太網(wǎng)、IPV4、UDP協(xié)議和BOOTP協(xié)議包。

圖7為接收到的BOOTP包內(nèi)容。

服務(wù)器此時(shí)收到了BOOTP協(xié)議包，獲得了客戶機(jī)的MAC地址，此時(shí)要進(jìn)行ARP(Address Resolution Protocol，地址解析協(xié)議)地址綁定。在完成上面兩步后，通過上位機(jī)通信程序?qū)募l(fā)送給客戶機(jī)。圖8為截取的UDP發(fā)送圖。

圖9為以太網(wǎng)引導(dǎo)包內(nèi)容。

當(dāng)幀文件發(fā)送完畢后，客戶機(jī)根據(jù)接收來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，找到數(shù)據(jù)部分，進(jìn)行啟動(dòng)加載。

在CCS開發(fā)環(huán)境下生成的目標(biāo)文件是*.out，即通用目標(biāo)文件格式(COFF)。該文件可以在CCS開發(fā)環(huán)境下通過仿真器下載到DSP目標(biāo)板中運(yùn)行調(diào)試，但該代碼文件并不是DSP中實(shí)際運(yùn)行的程序代碼，需用Hex工具(hex6x.exe)進(jìn)行轉(zhuǎn)換成引導(dǎo)表文件，然后再用bconvert64x.exe和bootpacket.exe下具將引導(dǎo)表文件轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)引導(dǎo)格式數(shù)據(jù)文件，并封裝成幀文件。

結(jié)語(yǔ)

文中介紹了一種基于以太網(wǎng)的DSP引導(dǎo)程序加載技術(shù)，該技術(shù)在多核高性能DSP系統(tǒng)的程序引導(dǎo)及系統(tǒng)的軟件更新等工程應(yīng)用領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和較好的應(yīng)用前景。目前已成功運(yùn)用在網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的軟件更新。實(shí)踐表明，該引導(dǎo)加載技術(shù)靈活可靠，為遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的調(diào)試和更新提供了便利。