一種基于C64系列DSP的千兆以太網(wǎng)通信接口設(shè)計

0   引言

當(dāng)前，DSP的發(fā)展如火如荼，在軍事、雷達(dá)、通訊等各領(lǐng)域均廣泛應(yīng)用。但DSP如何與主控模塊高速穩(wěn)定通信，是一個需要迫切解決的問題。TMS320TCI6487[1]作為TI公司一款主打通信領(lǐng)域的芯片，具有較高的工作頻率，內(nèi)部集成硬件EMAC[2]接口，外接一個物理層芯片即可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。本文介紹一種基于TMS320TCI6487的嵌入式千兆網(wǎng)接口設(shè)計，并通過SYS/BIOS[3]和NDK[4-5]實現(xiàn)TCP協(xié)議[6]，從而方便主控模塊開發(fā)并與之高速通信。因此，研究DSP千兆以太網(wǎng)通信接口具有重要意義。

1   硬件接口設(shè)計

TMS320TCI6487（下面簡稱6487）是TI公司的一款高性能DSP芯片，可支持EMDA3^[7]、SRIO^[8]、EMAC等高速接口，也含有TCP2[9]、VCP2[10] 等硬件譯碼器，廣泛應(yīng)用在通信領(lǐng)域。88E1111[11]作為Marvell公司的一款千兆物理層芯片具有穩(wěn)定、糾錯性強、速率高的優(yōu)點，故本文選擇此兩款芯片作為研究對象。

1.1   千兆物理層芯片連接原理圖

圖1中6487提供phy_mdio、phy_mdc、DSP_SGMII等信號與88E1111千兆物理層芯片進(jìn)行連接。88E1111使用25MHZ的時鐘作為千兆網(wǎng)口的參考時鐘，并與網(wǎng)口接插件直接相連。

1.2   硬件接口關(guān)鍵設(shè)計

1）電源穩(wěn)定性。6487需要1.8 V和1.1 V電源供應(yīng)，電源的穩(wěn)定性為重中之重。為了增加電源的穩(wěn)定性，增加二極管進(jìn)行穩(wěn)壓，并使用電容進(jìn)行匹配濾波。對于遠(yuǎn)端電壓，需要進(jìn)行補償。

2）時鐘穩(wěn)定性。千兆以太網(wǎng)芯片需要穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，因此對時鐘的穩(wěn)定性要求比較高。88E1111可使用25 MHz或125 MHz，但從布局布線、電磁兼容等方面考慮采用25 MHz時鐘。

3）硬件穩(wěn)定性。中頻板與工控板通過網(wǎng)線互聯(lián)，且儀表內(nèi)部空間有限，為了增加硬件的穩(wěn)定性且減少網(wǎng)口體積，網(wǎng)線從超五類線改變?yōu)楸馄诫娎|，網(wǎng)口接插件從HR911130C改變?yōu)镮DC10-2.0。

2   網(wǎng)口驅(qū)動程序

6487對網(wǎng)口芯片進(jìn)行配置主要是針對MAC驅(qū)動進(jìn)行配置，可依次按照SGMII模塊、MDIO模塊、EMAC模塊進(jìn)行配置。

2.1 SGMII模塊配置

EMAC支持千兆媒體獨立接口，它通過串行千兆媒體獨立接口(SGMII)與SerDes連接到PHY外部設(shè)備。SGMII模塊主要配置過程如圖1所示。

圖1 SGMII模塊主要配置過程

2.2 MDIO模塊配置

MDIO模塊通過2個MDIO引腳（MDCLK和MDIO）與PHY設(shè)備連接，通過EMAC控制模塊和配置總線與DSP核連接。MDIO模塊主要完成MDIO時鐘產(chǎn)生、全局PHY探測和鏈接狀態(tài)監(jiān)視、激活PHY監(jiān)視、PHY寄存器訪問的功能。MDIO模塊主要配置過程如圖2所示。

圖2 MDIO模塊主要配置過程

2.3 EMAC模塊配置

EMAC模塊通過MDIO和SGMII接口訪問PHY組件和DSP核。EMAC模塊提供一個獨立的本地內(nèi)存空間存放EMAC包緩沖區(qū)描述符，提供本地內(nèi)存空間是為了避免與其他設(shè)備內(nèi)存空間產(chǎn)生競爭。EMAC模塊主要由以下邏輯組件組成：DMA引擎、FIFO、統(tǒng)計邏輯、狀態(tài)RAM、中斷控制器、控制寄存器和邏輯、時鐘和復(fù)位邏輯。

EMAC模塊配置主要配置過程如圖3所示。

圖3 EMAC模塊配置主要配置過程

3   基于SYS/BIOS和NDK的TCP協(xié)議

使用第二章的網(wǎng)口驅(qū)動程序可以直接發(fā)送以太網(wǎng)幀，但是作為接口與主控聯(lián)調(diào)不方便，且速率過高時存在突發(fā)丟包現(xiàn)象。為了解決以上兩個問題，本文采用TI公司的SYS/BIOS和NDK（網(wǎng)絡(luò)開發(fā)者套件）實現(xiàn)了TCP協(xié)議。本文首先利用主控程序開啟DHCP服務(wù)，DSP根據(jù)DHCP獲得IP地址，然后利用此IP地址與主控程序進(jìn)行TCP傳輸，具體過程如圖4所示。

圖4 實現(xiàn)TCP協(xié)議的過程

3.1 配置DHCP

當(dāng)IP地址處于不確定時，我們可以開啟DHCP服務(wù)。DHCP封包在傳輸層是采用UDP協(xié)議，而當(dāng) Client傳送封包給 Server時，采用的是UDP 67端口，從 Server傳送給 Client則是使用UDP 68端口。

本例將DSP配置為DHCP客戶端，主控配置為DHCP服務(wù)器端，主控可以分配部分IP地址組供給DSP使用，DSP從而得到分配的IP地址。DSP初始未知本身的IP地址，故將源IP地址設(shè)置為0.0.0.0，目的IP地址設(shè)置為255.255.255.255（受限的廣播地址）。

為了提高網(wǎng)口傳輸?shù)乃俾?，利?/span>RTSC修改SYS/BIOS的內(nèi)存分配空間，將NDK_OBJMEM、NDK_PACKETMEM等包緩沖區(qū)內(nèi)存塊分配在L2 RAM內(nèi)。因cache的速率更快，但資源更有限，故L2 RAM不可全部占用，分配一部分留給cache使用。

3.2 配置TCP

為了開啟TCP服務(wù)，我們需要創(chuàng)建3個回調(diào)函數(shù)NetworkOpen、NetworkClose、NetworkIPAddr。①NetworkOpen會創(chuàng)建一個守護(hù)進(jìn)程，此守護(hù)進(jìn)程定義了TCP連接的端口號、協(xié)議類型、中斷服務(wù)程序等，NetworkOpen內(nèi)部調(diào)用了NETTOOL、OS、STACK、HAL、NETCTRL等庫，共同協(xié)作完成TCP協(xié)議的組包與拆包過程。②NetworkClose完成了socket套接字的關(guān)閉和釋放，并刪除創(chuàng)建的應(yīng)用程序線程。③NetworkIPAddr完成了IP地址的轉(zhuǎn)換。

為了進(jìn)一步提升TCP傳輸?shù)乃俾?，使用recvnc函數(shù)，可以直接接收網(wǎng)口數(shù)據(jù)而不拷貝到內(nèi)核。

4 結(jié)語

使用DSP與PC機通信的方式對千兆以太網(wǎng)速率進(jìn)行測試。測試方法為6487通過TCP協(xié)議向主控PC發(fā)送1G字節(jié)數(shù)據(jù)，使用wireshark檢測以太網(wǎng)效率約96%(961.142Mbps) ，如圖5所示。

圖5 使用DSP與PC機通信的方式對千兆以太網(wǎng)速率進(jìn)行測試

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：劉小剛（1987—），男，工程師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)測試技術(shù)；周建燁，男，高級工程師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)測試技術(shù)；鐵奎，男，研究員級高工，研究方向，網(wǎng)絡(luò)測試技術(shù)。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2020年12月期）