基于DSP的快速以太網(wǎng)通信技術(shù)研究

為了適應大量的嵌入式產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò )接入需求，目前市場(chǎng)上的主流嵌入式操作系統都包含了 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧。這些商品化的TCP/IP協(xié)議棧運行可靠、性能也非常好，但是價(jià)格較高，降低了市場(chǎng)競爭力。因此，開(kāi)發(fā)自主知識產(chǎn)權的TCP/IP協(xié)議棧的要求變的日益迫切而有意義。本文的研究目標是建立一個(gè)DSP系統的網(wǎng)絡(luò )通信平臺，實(shí)現DSP系統與網(wǎng)絡(luò )中其他通信設備的高速數據傳輸。

系統總體設計

本文研究的以太網(wǎng)通信系統大致分為圖1所示的5個(gè)層次，由下向上分別為：硬件層、設備驅動(dòng)層、操作系統、網(wǎng)絡(luò )模塊和用戶(hù)代碼。

圖1 系統的層次結構

本系統的創(chuàng )新之處是以DSP系統和以太網(wǎng)控制芯片Ax88796的接口電路為系統的物理基礎。快速以太網(wǎng)驅動(dòng)程序處于硬件抽象層，為操作系統提供了訪(fǎng)問(wèn)快速以太網(wǎng)控制芯片 Ax88796 或改變其工作行為的系統調用。μC/OS-Ⅱ操作系統處于系統內核，為用戶(hù)代碼統一管理系統軟硬件資源提供用戶(hù)所需的底層服務(wù)。TCP/IP 協(xié)議棧軟件為 μC/OS-Ⅱ操作系統擴展了網(wǎng)絡(luò )通信能力。用戶(hù)代碼處理特定的應用程序細節。

系統硬件設計

系統硬件包括TMS320F2812 DSP與IS61LV51216存儲器芯片的接口電路以及TMS320F2812與快速以太網(wǎng)控制芯片Ax88796的接口電路，電路硬件原理框圖如圖2所示。

圖2 硬件原理圖

TMS320F2812是TI新推出的高端C2000系列DSP，它在具備強大運算能力的同時(shí)，兼顧了控制領(lǐng)域的需求，特別適合控制對象復雜又需要較高實(shí)時(shí)運算能力的領(lǐng)域。它具有150MIPS的指令執行速度；單周期完成 3232 位的乘法器；快速中斷響應；單指令周期的讀寫(xiě)操作；100～120MIPS的Flash訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)；150MIPS的外部RAM訪(fǎng)問(wèn)速度。基于以上特點(diǎn)，本系統選擇TMS320F2812作為系統的主控芯片。

DSP電源電路提供1.8V/1.9V、 3.3V、VDD3VFL和VDDA3V四種電源類(lèi)型，分別供DSP的內核、I/O、內部 Flash 和AD模塊使用。并且由于各種電源類(lèi)型存在嚴格的上/下電時(shí)序，電源部分還需提供時(shí)序控制功能。電源監控電路在系統電源電壓出現波動(dòng)時(shí)，給DSP系統提供復位信號，使系統程序重新初始化并運行，避免出現不可預知的錯誤。

面對表面貼技術(shù)造成的測試上的不便，JTAG接口提供了簡(jiǎn)單靈活的調試手段，用戶(hù)可以通過(guò) JTAG接口，將在 PC交叉編譯生成的結果下載到DSP中，或者通過(guò)JTAG接口即時(shí)查看DSP內部寄存器和RAM的值，對程序的行為進(jìn)行調試。系統的軟件代碼在調試階段存放在擴展的RAM中，脫機運行后，用于存儲傳輸的圖像數據，故擴展了512KB。以太網(wǎng)控制芯片Ax88796通過(guò)ISA接口與DSP相連，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )隔離器16ST8515后，接入以太網(wǎng)絡(luò )中。

1 Ax88796與TMS320F2812的接口設計

TMS320F2812通過(guò)XINTF接口訪(fǎng)問(wèn)外部設備，每次訪(fǎng)問(wèn)都分為三個(gè)階段：前導（Lead）、有效（Active）和跟隨（Trail），每個(gè)階段的等待周期數都可由軟件設定，等待的時(shí)鐘周期數由該存儲區間對應的XTIMING寄存器設置，而且每個(gè)存儲區間的讀寫(xiě)過(guò)程可以單獨控制。

TMS320F2812通過(guò)對采樣X(jué)READY信號輸入引腳來(lái)判斷外部設備是否完成數據讀/寫(xiě)。當外部低速設備的讀/寫(xiě)過(guò)程未執行完成時(shí)，輸出信號READY為未就緒狀態(tài)，此時(shí)TMS320F2812持續保持數據有效（寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)）或保持等待數據（讀訪(fǎng)問(wèn)）狀態(tài)，即ACTIVE狀態(tài)。一旦TMS320F2812對該信號的采樣結果是就緒狀態(tài)，則結束本次數據讀寫(xiě)過(guò)程。

在TMS320F2812對Ax88796進(jìn)行讀操作時(shí)，設置Lead和Trail階段為0個(gè)時(shí)鐘周期，Active 階段為5個(gè)時(shí)鐘周期；在TMS320F2812對Ax88796進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，設置Lead階段為0個(gè)時(shí)鐘周期，Active階段為1個(gè)時(shí)鐘周期，Trail階段為1個(gè)時(shí)鐘周期。

2 Ax88796的ISA接口設計

Ax88796有兩個(gè)輸入引腳，CPU[1:0]設置不同的工作模式，用于和不同的CPU總線(xiàn)相連。在與TMS320F2812連接時(shí)，將CPU[1:0]都拉低，設置為ISA總線(xiàn)接口。

Ax88796的地址總線(xiàn)SA與數據總線(xiàn)SD分別與TMS320F2812的地址/數據總線(xiàn)相連，TMS320F2812通過(guò)I/O讀寫(xiě)Ax88796的寄存器來(lái)控制其狀態(tài)，通過(guò)遠程DMAFIFO與Ax88796的內部SRAM進(jìn)行數據交換。Ax88796的基地址默認值為200H，所以基地址范圍為200H～21FH。Ax88796的ISA接口有10根地址線(xiàn)――SA[9:0]。

Ax88796的BHE引腳決定了是否使能高8位數據線(xiàn)，如果 BHE 信號為高，則高8位數據線(xiàn)內部強行下拉，此時(shí)Ax88796工作在8位傳輸模式下。表1和表2是 Ax88796 在 ISA 模式時(shí)的訪(fǎng)問(wèn)信號組合。

可以看出，對奇偶字節地址的訪(fǎng)問(wèn)方式是不同的，但對于TMS320F2812而言，地址空間是按16位字尋址，所以所有的地址都是偶字節地址，這樣對地址線(xiàn)A0就無(wú)須再作專(zhuān)門(mén)處理，連線(xiàn)簡(jiǎn)潔。在本課題中，直接將BHE接地，始終使用16位傳輸模式。

3 系統RAM擴展

TMS320F2812內部已經(jīng)集成了18KB的RAM，對于一般的應用來(lái)說(shuō)，已經(jīng)無(wú)須再擴展外部RAM。片內RAM能以150MIPS的速度進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。在對運算速度要求很高的處理程序中，通常將經(jīng)常訪(fǎng)問(wèn)的程序段放到內部RAM中運行，這樣能大大提高運行速度，因此片內RAM顯得格外寶貴。而且本系統是一個(gè)網(wǎng)絡(luò )通信系統，將來(lái)會(huì )用于進(jìn)行大量圖像的網(wǎng)絡(luò )傳輸，因而也要求外括RAM用于存放圖像文件。

TMS320F2812采用32位的尋址方式，數據空間和程序空間統一編址。TMS320F2812有1056K16bit的外部存儲器接口能力，分為5個(gè)地址區間：區間0、區間1、區間2、區間6和區間7，其中區間6、7共用一個(gè)片選引腳 CS6AND7。在 MP模式下，TMS320F2812 在復位之后，跳轉到區間7尋找矢量表，但是在MC模式下，將不存在區間 7，由片內的ROM取而代之，所以在擴展系統RAM時(shí)，使用RAM區間6。

系統軟件設計

本系統的軟件部分包含3個(gè)方面：快速以太網(wǎng)驅動(dòng)程序、μc/OS-II操作系統和TCP/IP協(xié)議棧軟件?？焖僖蕴W(wǎng)驅動(dòng)程序屏蔽了對底層網(wǎng)絡(luò )設備的處理細節，同時(shí)向上層操作系統提供硬件無(wú)關(guān)的接口調用。在以太網(wǎng)通信之前，首先要實(shí)現位于硬件抽象層的快速以太網(wǎng)驅動(dòng)程序，上層軟件與以太網(wǎng)控制器的交互都要通過(guò)驅動(dòng)程序進(jìn)行。網(wǎng)絡(luò )通信系統通常要與多個(gè)對象實(shí)現信息共享，因此本文為T(mén)MS320F2812DSP移植了嵌入式多任務(wù)操作系統μC/OS- II，增強系統的事務(wù)處理能力。TCP/IP是實(shí)現異構網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò )體系結構和協(xié)議標準，屏蔽各種物理網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。本文結合嵌入式系統的特定要求進(jìn)行簡(jiǎn)化之后，實(shí)現了地址解析協(xié)議ARP、網(wǎng)際協(xié)議IP、網(wǎng)際控制報文協(xié)議ICMP、用戶(hù)數據報協(xié)議UDP和TCP傳輸控制協(xié)議等幾個(gè)Internet接入的必需協(xié)議。

系統測試及結果

用ANSIC語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言在TMS320F2812上編寫(xiě)的網(wǎng)絡(luò )通信軟件全部調試通過(guò)，系統軟件占用程序空間40.7KB，數據空間38.7KB。表3和表4分別是主要區塊內存分配和協(xié)議代碼占用情況。

結束語(yǔ)

綜合性的測試表明本系統完全滿(mǎn)足了網(wǎng)絡(luò )通信系統所具備的各項功能，它將DSP的強大運算處理能力和Internet聯(lián)系起來(lái)，使得DSP系統不再是“信息孤島”，能夠方便的與網(wǎng)絡(luò )上的其他設備進(jìn)行信息共享，進(jìn)一步擴展了DSP的應用前景。