TM1300 DSP系統的以太網(wǎng)通信接口的設計與實(shí)現

關(guān)鍵詞：PCI總線(xiàn) TM1300 以太網(wǎng)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字信號處理器芯片?；冢裕停保常埃暗模模樱袘?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/系統">系統適合于實(shí)時(shí)聲音、圖像處理，可廣泛應用于會(huì )議電視、可視電話(huà)、數字電視等應用場(chǎng)合。它不僅具有強大的處理能力,同時(shí)還具有非常友好的音頻和視頻以及ＳＳＩ和ＰＣＩ等Ｉ／Ｏ接口，因此可以根據應用的需要靈活地構造各種視頻通信系統。鑒于目前計算機網(wǎng)絡(luò )的普及和網(wǎng)上視頻業(yè)務(wù)的發(fā)展，很有必要為ＴＭ１３００視頻編碼系統開(kāi)發(fā)一個(gè)以太網(wǎng)接口以拓寬其應用范圍。開(kāi)發(fā)以太網(wǎng)接口的一種合理思路是利用ＴＭ１３００集成的ＰＣＩ接口來(lái)驅動(dòng)專(zhuān)用的以太網(wǎng)接口芯片。由于目前多數以太網(wǎng)接口芯片（如Ｒｅａｌ-ｔｅｋ８０２９，Ｒｅａｌｔｅｋ８１３９等）都采用ＰＣＩ接口，因此，可以用ＰＣＩ總線(xiàn)將數據從ＴＭ１３００傳輸到這些專(zhuān)用的以太網(wǎng)接口芯片后，再由它們發(fā)送數據，而且ＴＭ１３００可以在嵌入式操作系統ｐＳＯＳ中運行，同時(shí)由于系統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。

根據以上思路?筆者在進(jìn)行了前期測試的基礎上進(jìn)行了電路板的設計?并順利完成了調試。目前?這個(gè)以太網(wǎng)接口已經(jīng)基本開(kāi)發(fā)成功。本文將對這個(gè)設計的技術(shù)要點(diǎn)從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行詳細介紹。

２ ＴＭ１３００及ＰＣＩ總線(xiàn)接口

該系統的硬件結構框圖如圖１所示。本系統硬件設計的重點(diǎn)是ＰＣＩ總線(xiàn)接口。ＰＣＩ總線(xiàn)根據數據位的寬度有３２位和６４位之分,６４位的數據線(xiàn)與３２位是兼容的。ＰＣ機中常見(jiàn)的是３２位ＰＣＩ總線(xiàn),它的有用引腳總數是１１０個(gè),可以分成３組。第一組是基本功能信號線(xiàn),包括３２位共享數據地址線(xiàn)ＡＤ〔００．．３１〕、接口控制線(xiàn)、仲裁線(xiàn)、時(shí)鐘線(xiàn)、系統復位線(xiàn)、中斷線(xiàn);第二組是附加功能信號線(xiàn),包括錯誤報告線(xiàn)、ｃａｃｈｅ功能支持線(xiàn)、ＪＴＡＧ邊界掃描線(xiàn);第三組是電源線(xiàn),包括設備耗電量標識線(xiàn)、３．３Ｖ電源線(xiàn)(１２根)、５Ｖ電源線(xiàn)(１３根)、地線(xiàn)(２２根)。

因為Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９不具備ＰＣＩ的附加功能信號線(xiàn)所支持的ｃａｃｈｅ功能和ＪＴＡＧ邊界掃描功能,同時(shí)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(shí)只需考慮第一組功能信號線(xiàn)的連接即可。

ＰＣＩ接口的設計有以下幾個(gè)要點(diǎn)：

(１)ＰＣＩ總線(xiàn)的仲裁

這里先說(shuō)明兩個(gè)概念。首先，ＰＣＩ總線(xiàn)是多設備共享的，由于ＰＣ機里可以有多個(gè)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數據的傳送?從設備只能被動(dòng)地響應主設備的操作以對讀操作和寫(xiě)操作做出響應。ＰＣＩ的仲裁引腳是ＲＥＱ和ＧＮＴ，分別為請求線(xiàn)和授權線(xiàn)，而且只有ＰＣＩ主設備有這兩個(gè)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(xiàn)的仲裁過(guò)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(xiàn)。經(jīng)仲裁獲準后，仲裁器把這個(gè)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(xiàn)了。當它不再使用總線(xiàn)時(shí)，應使ＲＥＱ信號變?yōu)楦唠娖?仲裁器就不再給它分配總線(xiàn)資源。在本系統中，ＴＭ１３００是ＰＣＩ主設備，而Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９是ＰＣＩ從設備。由于它們不存在共享總線(xiàn)的問(wèn)題，所以不需要仲裁器，而只是簡(jiǎn)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(xiàn)在設備的ＰＣＩ配置讀寫(xiě)中的作用

ＰＣＩ有一種特殊的讀寫(xiě)周期，稱(chēng)為配置讀寫(xiě)。這是因為在系統引導時(shí)，如果沒(méi)有給設備配置Ｉ／Ｏ或內存地址，軟件就只能通過(guò)配置來(lái)讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)設備。配置讀寫(xiě)有兩種，分別稱(chēng)為０型和１型?具體采用哪一種取決于總線(xiàn)的硬件連接。配置讀寫(xiě)操作不經(jīng)過(guò)ＰＣＩ橋時(shí)，使用０型，當需要經(jīng)過(guò)ＰＣＩ橋時(shí)，則要用１型，０型讀寫(xiě)的地址直接就是總線(xiàn)上的地址，１型讀寫(xiě)的地址則要經(jīng)過(guò)ＰＣＩ橋的譯碼才能成為最終的總線(xiàn)地址。本設計中，ＴＭ１３００和Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９是用ＰＣＩ總線(xiàn)直連的，所以使用０型配置讀寫(xiě)。

ＡＤ〔００．．３１〕是ＰＣＩ總線(xiàn)的共享地址和數據線(xiàn)，每一次ＰＣＩ傳送都分為地址周期和數據周期。在地址周期，采用０型讀寫(xiě)時(shí)，ＡＤ〔００．．３１〕的內容如下，ＡＤ〔００〕和ＡＤ〔０１〕總為“００”，因為配置讀寫(xiě)是以雙字為單位的，ＡＤ〔０２〕～ＡＤ〔０７〕是要讀寫(xiě)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(gè)功能設備時(shí)，為了進(jìn)一步區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，這在物理上表現為總線(xiàn)的ＡＤ〔１１〕～ＡＤ〔３１〕中有一根為高電平?如果輸出高電平的這根線(xiàn)與某塊ＰＣＩ卡的ＰＣＩ ＩＤＳＥＬ引腳相連，這塊卡就會(huì )被激活，這樣，在緊接著(zhù)的數據周期中，它就會(huì )將其ＰＣＩ配置空間相應寄存器中的內容放到總線(xiàn)上以供讀取。

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

上述四個(gè)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(dòng)該引腳時(shí)處于穩定的無(wú)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(dòng)為有效的時(shí)間越短，但太小又會(huì )導致電流過(guò)大，所以，要權衡考慮，本設計選用４．７ｋΩ。

上述三點(diǎn)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(diǎn)：

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

●ＰＣＩ時(shí)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(hù)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(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作系統，帶有ｐＮＡ＋網(wǎng)絡(luò )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(gè)與網(wǎng)絡(luò )接口層交互的接口，其中包括８個(gè)函數，分別是：ｎｉ_(kāi)ｉｎｉｔ（接口芯片初始化）、ｎｉ_(kāi)ｂｒｏａｄ－ｃａｓｔ（發(fā)送廣播分組）、ｎｉ_(kāi)ｓｅｎｄ（發(fā)送普通分組）、ｎｉ_(kāi)ｇｅｔｐｋｂ（申請發(fā)送緩沖區）、ｎｉ_(kāi)ｒｅｔｐｋｂ（歸還接收緩沖區）、ｎｉ_(kāi)ｉｏｃｔｌ（Ｉ／Ｏ控制操作）、ｎｉ_(kāi)ｐｏｏｌ（統計量查詢(xún)）、Ａｎｎｏｕｎｃｅ（網(wǎng)絡(luò )接口驅動(dòng)調用它把接收到的數據包提交給ｐＳＯＳ）。其中網(wǎng)絡(luò )接口層在本應用中就是Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９的驅動(dòng)程序，它通過(guò)硬件抽象層來(lái)驅動(dòng)Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９（硬件抽象層是ＰＣＩ總線(xiàn)的配置讀寫(xiě)和Ｉ／Ｏ讀寫(xiě)指令集的總稱(chēng)）。

軟件執行的流程大致是：系統首先啟動(dòng)ｐＳＯＳ，并由它加載網(wǎng)絡(luò )接口驅動(dòng)程序，然后調用驅動(dòng)程序的ｎｉ_(kāi)ｉｎｉｔ函數，同時(shí)初始化Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９的ＰＣＩ配置空間并設置Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９的工作參數，之后啟動(dòng)用戶(hù)任務(wù)。在這里，用戶(hù)任務(wù)為Ｈ．２６３編碼進(jìn)程。它對ＶＩ口讀入的源圖像進(jìn)行壓縮編碼后，將調用ｓｏｃｋｅｔ的接口函數ｓｅｎｄｔｏ（ｓｅｎｄｔｏ是ＵＤＰ套接口專(zhuān)用的發(fā)送函數），然后把碼流發(fā)送給ｐＳＯＳ由ｐＳＯＳ根據ＵＤＰ協(xié)議進(jìn)行封裝后，再調用ｎｉ_(kāi)ｓｅｎｄ函數，并由ｎｉ_(kāi)ｓｅｎｄ完成數據包從系統主內存到Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９片上ＲＡＭ的拷貝，然后啟動(dòng)Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９發(fā)送數據。在接收情況下，Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９收到一個(gè)完整的數據包后會(huì )用中斷通知ＣＰＵ，然后由ＣＰＵ執行中斷服務(wù)程序。當中斷服務(wù)程序將數據包從Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９片上ＲＡＭ中拷貝到系統的主內存后，系統將調用Ａｎｎｏｕｎｃｅ函數并把數據塊的指針、數據長(cháng)度和其它信息提交ｐＳＯＳ，最后由ｐＳＯＳ將數據包沿協(xié)議棧一層層上傳并作出相應的處理。

軟件的設計和ｐＳＯＳ操作系統的關(guān)系比較密切，限于篇幅，本文不對ｐＳＯＳ作詳細介紹，。本文接下來(lái)重點(diǎn)介紹ＰＣＩ配置空間的配置過(guò)程，這部分對于類(lèi)似的設計有較普遍的參考意義。ＰＣＩ配置空間有６４個(gè)字節，ＰＣＩ片內的這些寄存器存儲了該芯片的廠(chǎng)商號、設備號、設備類(lèi)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(xiàn)行為的寄存器，它們必須在設備初始化時(shí)正確配置，否則設備不能工作。

對Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９ ＰＣＩ空間的配置需要三個(gè)步驟：

首先是掃描總線(xiàn)，這一步的目的是找到Ｒｅａｌ-ｔｅｋ８０２９的配置地址，直觀(guān)地講，就是找到它的ＰＣＩ_ＩＤＳＥＬ引腳和哪根ＡＤ線(xiàn)相連，因為后續的配置寫(xiě)要根據這個(gè)地址來(lái)尋址。掃描總線(xiàn)時(shí)，要對ＡＤ〔１１〕到ＡＤ〔３１〕每根線(xiàn)進(jìn)行一次掃描，如果哪根ＡＤ線(xiàn)連接了一個(gè)ＰＣＩ設備的ＰＣＩ ＩＤＳＥＬ引腳，那么用配置讀函數讀?。校茫膳渲每臻g的０號寄存器時(shí)，應該返回該設備的設備和廠(chǎng)商代碼，如果這根線(xiàn)實(shí)際未連接設備，則返回值是０。已知Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９的設備和廠(chǎng)商代碼是“０ｘ８０２９１０ｅｃ”，如果返回值與之相同，說(shuō)明找到了Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９，這時(shí)要記下這根ＡＤ線(xiàn)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(xiě)函數配置Ｉ／Ｏ讀寫(xiě)使能，即在ｃｏｍｍａｎｄ寄存器中寫(xiě)入“０ｘ１”。

最后，用配置寫(xiě)函數配置Ｉ／Ｏ地址，也就是在Ｉ／ＯＢａｓｅＡｄｄｄｒｅｓｓ寄存器寫(xiě)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

根據以上設計，筆者在原ＴＭ１３００視頻編碼硬件系統的基礎上加入了ＰＣＩ接口，并編寫(xiě)了ｐＳＯＳ下Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９的驅動(dòng)程序。然后，在這個(gè)硬件平臺上對Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９的驅動(dòng)部分進(jìn)行了數據傳送測試。

筆者首先用一個(gè)單獨的ＵＤＰ發(fā)送任務(wù)進(jìn)行發(fā)送速率測試。這個(gè)任務(wù)主要是高速地向網(wǎng)絡(luò )上的一臺ＰＣ發(fā)送數據包，數據包的大小是變長(cháng)的。ＰＣ接收并對丟包數進(jìn)行統計的結果如表１所列。實(shí)驗表明，在用網(wǎng)線(xiàn)直連的各種測試速率情況下都沒(méi)有出錯，而當接入局域網(wǎng)后，在發(fā)送速率為４．５Ｍｂｐｓ時(shí)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，主要原因是數據從系統主內存到Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９片上ＲＡＭ的拷貝過(guò)程目前尚未采用ＤＭＡ方式，這是需要改進(jìn)的地方。

表1 丟包數統計表（單位：丟包個(gè)數/分鐘）

接下來(lái)筆者進(jìn)行了編碼和傳送的聯(lián)合測試。編碼任務(wù)執行Ｈ．２６３數據壓縮后，把碼流從以太網(wǎng)接口發(fā)出，然后在網(wǎng)絡(luò )上的另一臺ＰＣ上接收這個(gè)碼流，并進(jìn)行解碼播放。通過(guò)調整編碼器的量化步長(cháng)可以控制編碼的輸出碼率。在實(shí)驗環(huán)境下發(fā)現?在量化步長(cháng)大于等于５、碼率在７００ｋｂｐｓ以下時(shí)，基本沒(méi)有丟包現象，解碼得到的圖像比較穩定，而當量化步長(cháng)進(jìn)一步減小，碼率接近１Ｍｂｐｓ時(shí)，就會(huì )出現丟包現象，解碼的圖像會(huì )出現彩色方塊。出現這種現象是因為Ｈ．２６３編碼器對ＣＰＵ資源的消耗很大，而且數據在主內存和Ｒｅａｌｔｅｋ８０２９片上ＲＡＭ之間的復制采用Ｉ／Ｏ讀寫(xiě)方式也需要一定的ＣＰＵ資源。這樣，當量化步長(cháng)小于５時(shí)，處理的復雜度超過(guò)了ＣＰＵ的能力從而產(chǎn)生了一定的誤碼。解決的途徑一方面是改進(jìn)數據的傳送方式（采用ＤＭＡ），另一方面是需要對編碼任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化。

５　小結

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