基于多核DSP的以太網(wǎng)通信接口設計

　　摘要 針對8核DSP TMS320C6678與外部設備進(jìn)行數據通信的需求，以片上集成千兆以太網(wǎng)交換子系統為核心，選取芯片88E1111作為PHY設備，設計了千兆以太網(wǎng)通信接口的硬件電路。在嵌入式操作系統SYS/BIOS和網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)環(huán)境NDK上，完成了以太網(wǎng)底層驅動(dòng)和TCP/IP協(xié)議的程序設計。通過(guò)DSP與上位機進(jìn)行以太網(wǎng)通信測試，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(zhù)DSP處理器在現代工業(yè)的應用越來(lái)越廣泛，DSP的功能不僅只有快速運算處理，還需要與其他處理器或者設備之間進(jìn)行實(shí)時(shí)數據交換，以實(shí)現資源的共享。因此，針對不同設備的需求，選擇穩定、快速和高效率的接口方式在當今數字信號處理系統設計中關(guān)鍵的組成部分。

　　TI公司的8核處理器TMS320C6678(以下簡(jiǎn)稱(chēng)C6678)提供豐富的片上接口資源用于處理器與外設之間的通信，這些接口都可以用于DSP與外設之間的通信，但是靈活性有差異，使用SGMII接口來(lái)實(shí)現千兆以太網(wǎng)通信，可使得通信接口一般化，能夠適用于眾多的設備連接。本文針對C6678的芯片特點(diǎn)以及含有的接口資源，設計實(shí)現了千兆以太網(wǎng)通信，主要設計了以太網(wǎng)接口電路、網(wǎng)絡(luò )底層硬件驅動(dòng)、TCP/IP協(xié)議的用戶(hù)程序，并完成了與上位機以太網(wǎng)通信測試，實(shí)現了數字信號高速有效地網(wǎng)絡(luò )傳輸。

　　1 C6678以太網(wǎng)交換子系統

　　C6678是基于KeyStone I構架的8核高性能、定點(diǎn)/浮點(diǎn)處理器，單核最高工作頻率可達1.25 GHz。C6678的以太網(wǎng)交換子系統包括2個(gè)以太網(wǎng)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制(Ethernet Media Access Controller，EMAC)、2個(gè)SGMII、1個(gè)管理數據輸入輸出(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(xiàn)，其網(wǎng)絡(luò )交換子系統如圖1所示。

　　EMAC的作用是將交換子系統的內部信號轉換為GMII信號傳遞給SGMII模塊;MDIO控制物理層芯片執行對多數據流的控制輸入輸出。

　　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 )交換子系統只支持SGMII接口，所以本文選擇對SGMII接口的網(wǎng)絡(luò )數據傳輸具有較好兼容性的物理芯片88E1111。88E1111芯片的內部結構如圖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)設置HWCFG_MODE[3：0]來(lái)選擇運行模式。 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，達到實(shí)時(shí)監測的效果。

　　3 硬件接口設計

　　本文設計的任務(wù)是基于C6678片內以太網(wǎng)交換子系統和片外PHY芯片88E1111及其外圍電路的接口設計。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(xiàn)的數量，同時(shí)也可減少噪聲的產(chǎn)生。

　　主要的接口信號包括時(shí)鐘和數據信號如下：

　　MDIO_CLK：管理數據時(shí)鐘。該時(shí)鐘信號由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。

　　SGMII_TXP和SGMII_TXN：串行發(fā)送差分數據線(xiàn)。連接DSP內部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)送串行數據，數據中包含發(fā)送數據時(shí)鐘信號。

　　SGMII_RXP和SGMII_RXN：串行接收差分數據線(xiàn)。連接DSP內部SerDes和物理芯片的S_OUT管腳，物理層芯片通過(guò)該接口將數據傳送到DSP的SerDes，數據中包含數據接收時(shí)鐘信號。

　　MDIO：管理數據I/O?？勺疃噙B接32個(gè)PHY設備到DSP的EMAC，并且可以枚舉所有PHY設備，讀取PHY設備狀態(tài)寄存器來(lái)監測PHY的連接狀態(tài)。數據幀結構符合802.3標準，包含讀寫(xiě)指令、PHY地址、寄存器地址和數據等。

　　因為88E1111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，所以在二者之間應該添加電壓轉換器。本文采用一片PCA9306，實(shí)現2.5 V和1.8 V之間的電平轉換，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最多可識別32個(gè)物理芯片，在使用物理芯片之前需要對其進(jìn)行配置，配置內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(xún)文獻，本文配置的硬件電路如圖5所示，圖5中可以不使用電阻，本文為了測試方便，加一個(gè)0 Ω的電阻。

　　88E1111硬件配置完成后，系統將固定為一種接口方式，按照文獻的定義，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，所以更加需要設計合適的網(wǎng)絡(luò )隔離變壓器來(lái)降低傳輸損耗、回音和串擾。本文選擇千兆網(wǎng)口插座HR911130C，該插座內部自帶變壓器電路，只需在外部連接濾波網(wǎng)絡(luò )便可實(shí)現網(wǎng)絡(luò )信號穩定地傳輸，如圖6所示。88E1111和 HR9111130C采用差分連接，在PCB布線(xiàn)時(shí)需要嚴格等長(cháng)，且一般還需使用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )，如圖6中的R1和C1。

　　4 軟件程序設計

　　TI針對網(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，同時(shí)數據分包和解析也無(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構建在實(shí)時(shí)操作系統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SYS/BIOS上，設計了以太網(wǎng)通信程序。該操作系統能夠提供較多的集成模塊，方便用戶(hù)編寫(xiě)程序，且還有軟硬件中斷管理、多任務(wù)同步機制、多核通信機制和存儲器管理機制等，可為用戶(hù)進(jìn)行多線(xiàn)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構如圖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)系統的多線(xiàn)程優(yōu)先搶占機制，還可添加需要的封裝庫，使得編寫(xiě)程序時(shí)可以更加方便地調用庫函數。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;nettool.lib提供用于socket網(wǎng)絡(luò )套接字和用于網(wǎng)絡(luò )應用開(kāi)發(fā)工具的封裝庫;os.lib提供應用于SYS/BIOS和網(wǎng)絡(luò )編程套件之間的系統協(xié)調的封裝庫;hal.lib提供外圍設備和網(wǎng)協(xié)議棧之間接口的封裝庫;netctrl.lib提供DSP網(wǎng)絡(luò )編程的整體控制，可用來(lái)配置底層驅動(dòng)和協(xié)議。

　　本文DSP片上系統軟件分為3部分：SYS/BIOS平臺和NDK的TCP/IP協(xié)議棧建立和配置;用戶(hù)程序;編制底層驅動(dòng)程序。

　　4.1 底層硬件驅動(dòng)的實(shí)現

　　NDK的基本結構如圖7所示，可看出NDK開(kāi)發(fā)套件與用戶(hù)程序、SYS/BIOS操作系統和底層硬件都有密切的聯(lián)系。NDK中網(wǎng)絡(luò )控制層和操作系統接口層與SYS/BIOS系統相連接，NDK的硬件驅動(dòng)層用于控制底層硬件驅動(dòng)的配置，這些操作和配置均可在網(wǎng)絡(luò )工具庫中找到相應的驅動(dòng)函數，并可直接由用戶(hù)應用程序來(lái)調用實(shí)現。

　　這些功能主要包括：

　　(1)底層硬件驅動(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)監測;EMAC/MDIO中斷使能。(2)TCP/IP協(xié)議棧的建立，配置接收和發(fā)送緩存區的大小，完成以太網(wǎng)數據的收發(fā)任務(wù)。(3)利用MDIO模塊，根據MDIO讀取的PHY狀態(tài)寄存器來(lái)監測其連接狀態(tài)，識別可以是CPU產(chǎn)生中斷的狀態(tài)變化事件，并將信息反饋。(4)關(guān)閉驅動(dòng)，復位前面對寄存器進(jìn)行的操作，收回占用資源。

　　如圖7所示，硬件驅動(dòng)包含在硬件驅動(dòng)層hal.lib中，用戶(hù)需要對按照系統對驅動(dòng)函數進(jìn)行修改。C6000系列NDK的API封裝了許多固定的驅動(dòng)函數，具有特定的功能，比如_llPacketSerivceCheck()的作用是檢測以太網(wǎng)數據包的結構，且將檢測到的結構信息反饋給協(xié)議棧進(jìn)行分析處理。具體的驅動(dòng)程序需要按照硬件系統的配置來(lái)進(jìn)行設計，在C6678中，可在集成度較高的片上系統直接對網(wǎng)絡(luò )通信模塊的寄存器進(jìn)行配置查詢(xún)，就可以完成硬件底層驅動(dòng)，使得底層硬件能夠有效地運行。

　　4.2 DSP端網(wǎng)絡(luò )應用程序

　　DSP軟件設計是基于SYS/BIOS實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統和C語(yǔ)言，采用Socket套接字，創(chuàng )建TCP/IP客戶(hù)端(Client)和服務(wù)器端 (Server)，Client負責與外部設備服務(wù)器端建立連接并接收數據包，Server用來(lái)向PC機發(fā)送處理后的數據包。接收任務(wù)和發(fā)送任務(wù)流程如圖 8所示。在C6678的內核Core0中建立兩個(gè)同步線(xiàn)程任務(wù)，即數據接收和發(fā)送任務(wù)，分別用來(lái)接收TCP服務(wù)器發(fā)送過(guò)來(lái)的數據和發(fā)送處理后的數據到PC 上位機中進(jìn)行處理、存儲和顯示。

　　4.3 上位機測試程序

　　上位機測試程基于VC++的MFC界面設計，使用套接字Socket進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )編程。程序中需設計兩個(gè)同步線(xiàn)程，用來(lái)實(shí)現數據的實(shí)時(shí)接收和動(dòng)態(tài)顯示功能。使用TCP服務(wù)器端發(fā)送船體結構應力數據，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上位機進(jìn)行數據動(dòng)態(tài)顯示，結果如圖9所示。

　　5 結束語(yǔ)

　　本文以8核處理器C6678為核心，對片上集成的以太網(wǎng)交換子系統接口硬件進(jìn)行了研究，按照接口的特點(diǎn)設計了包括以太網(wǎng)交換子系統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，并完成了千兆以太網(wǎng)驅動(dòng)，最終實(shí)現多核DSP C6678與上位機進(jìn)行千兆以太網(wǎng)通信。通過(guò)與上位機進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )通信測試，結果顯示以太網(wǎng)數據通信接口能實(shí)時(shí)高效地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )數據傳輸。