一種基于C64系列DSP的千兆以太網(wǎng)通信接口設計
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0 引言
當前，DSP的發(fā)展如火如荼，在軍事、雷達、通訊等各領(lǐng)域均廣泛應用。但DSP如何與主控模塊高速穩定通信，是一個(gè)需要迫切解決的問(wèn)題。TMS320TCI6487[1]作為T(mén)I公司一款主打通信領(lǐng)域的芯片，具有較高的工作頻率，內部集成硬件EMAC[2]接口，外接一個(gè)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)接口設計，并通過(guò)SYS/BIOS[3]和NDK[4-5]實(shí)現TCP協(xié)議[6]，從而方便主控模塊開(kāi)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 硬件接口設計
TMS320TCI6487（下面簡(jiǎn)稱(chēng)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定、糾錯性強、速率高的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)鐘作為千兆網(wǎng)口的參考時(shí)鐘，并與網(wǎng)口接插件直接相連。
1.2 硬件接口關(guān)鍵設計
1）電源穩定性。6487需要1.8 V和1.1 V電源供應，電源的穩定性為重中之重。為了增加電源的穩定性，增加二極管進(jìn)行穩壓，并使用電容進(jìn)行匹配濾波。對于遠端電壓，需要進(jìn)行補償。
2）時(shí)鐘穩定性。千兆以太網(wǎng)芯片需要穩定傳輸數據，因此對時(shí)鐘的穩定性要求比較高。88E1111可使用25 MHz或125 MHz，但從布局布線(xiàn)、電磁兼容等方面考慮采用25 MHz時(shí)鐘。
3）硬件穩定性。中頻板與工控板通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)互聯(lián)，且儀表內部空間有限，為了增加硬件的穩定性且減少網(wǎng)口體積，網(wǎng)線(xiàn)從超五類(lèi)線(xiàn)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)口驅動(dòng)程序
6487對網(wǎng)口芯片進(jìn)行配置主要是針對MAC驅動(dòng)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(guò)串行千兆媒體獨立接口(SGMII)與SerDes連接到PHY外部設備。SGMII模塊主要配置過(guò)程如圖1所示。
圖1 SGMII模塊主要配置過(guò)程
2.2 MDIO模塊配置
MDIO模塊通過(guò)2個(gè)MDIO引腳（MDCLK和MDIO）與PHY設備連接，通過(guò)EMAC控制模塊和配置總線(xiàn)與DSP核連接。MDIO模塊主要完成MDIO時(shí)鐘產(chǎn)生、全局PHY探測和鏈接狀態(tài)監視、激活PHY監視、PHY寄存器訪(fǎng)問(wèn)的功能。MDIO模塊主要配置過(guò)程如圖2所示。
圖2 MDIO模塊主要配置過(guò)程
2.3 EMAC模塊配置
EMAC模塊通過(guò)MDIO和SGMII接口訪(fǎng)問(wèn)PHY組件和DSP核。EMAC模塊提供一個(gè)獨立的本地內存空間存放EMAC包緩沖區描述符，提供本地內存空間是為了避免與其他設備內存空間產(chǎn)生競爭。EMAC模塊主要由以下邏輯組件組成：DMA引擎、FIFO、統計邏輯、狀態(tài)RAM、中斷控制器、控制寄存器和邏輯、時(shí)鐘和復位邏輯。
EMAC模塊配置主要配置過(guò)程如圖3所示。
圖3 EMAC模塊配置主要配置過(guò)程
使用第二章的網(wǎng)口驅動(dòng)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)調不方便，且速率過(guò)高時(shí)存在突發(fā)丟包現象。為了解決以上兩個(gè)問(wèn)題，本文采用TI公司的SYS/BIOS和NDK（網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)者套件）實(shí)現了TCP協(xié)議。本文首先利用主控程序開(kāi)啟DHCP服務(wù)，DSP根據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(guò)程如圖4所示。
圖4 實(shí)現TCP協(xié)議的過(guò)程
3.1 配置DHCP
當IP地址處于不確定時(shí)，我們可以開(kāi)啟DHCP服務(wù)。DHCP封包在傳輸層是采用UDP協(xié)議，而當 Client傳送封包給 Server時(shí)，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(hù)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地址設置為0.0.0.0，目的IP地址設置為255.255.255.255（受限的廣播地址）。
為了提高網(wǎng)口傳輸的速率，利用RTSC修改SYS/BIOS的內存分配空間，將NDK_OBJMEM、NDK_PACKETMEM等包緩沖區內存塊分配在L2 RAM內。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(kāi)啟TCP服務(wù)，我們需要創(chuàng )建3個(gè)回調函數NetworkOpen、NetworkClose、NetworkIPAddr。①NetworkOpen會(huì )創(chuàng )建一個(gè)守護進(jìn)程，此守護進(jìn)程定義了TCP連接的端口號、協(xié)議類(lèi)型、中斷服務(wù)程序等，NetworkOpen內部調用了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(guò)程。②NetworkClose完成了socket套接字的關(guān)閉和釋放，并刪除創(chuàng )建的應用程序線(xiàn)程。③NetworkIPAddr完成了IP地址的轉換。
為了進(jìn)一步提升TCP傳輸的速率，使用recvnc函數，可以直接接收網(wǎng)口數據而不拷貝到內核。
4 結語(yǔ)
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(guò)TCP協(xié)議向主控PC發(fā)送1G字節數據，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：
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作者簡(jiǎn)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(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2020年12月期）
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