基于DSPBIOS的數字電視傳輸流網(wǎng)絡(luò )采集系統設計

本系統實(shí)現了在以TI公司的TMS320DM643為核心的嵌入式系統中，對數字電視傳輸流(TS)信號進(jìn)行采集并在以太網(wǎng)中傳輸。利用本系統可輕松地實(shí)現在局域網(wǎng)中對數字電視傳輸流信號的傳輸、調度。數字電視傳輸流信號源是針對歐洲數字有線(xiàn)廣播系統標準(DVB-C)的數字有線(xiàn)電視信號。網(wǎng)絡(luò )接入硬件在以TMS320DM643為核心的嵌入式系統中實(shí)現，網(wǎng)絡(luò )接入軟件采用了TI公司針對 C6000系列DSP推出的TCP/IP NDK(Network Developer’s Kit)網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)包來(lái)實(shí)現。

TCP/IP是因特網(wǎng)上傳輸數據所必需的協(xié)議, 這種網(wǎng)絡(luò )通信模式在PC之間的實(shí)現已經(jīng)完善, 但是體積、價(jià)格等因素限制了其應用的范圍。因此, 基于TCP/IP 協(xié)議與以太網(wǎng)的嵌入式系統網(wǎng)絡(luò )通信設計成為目前一個(gè)熱門(mén)的話(huà)題。

系統電路設計

電路主要由5部分組成。數字電視傳輸流網(wǎng)絡(luò )采集系統框圖如圖1所示。



圖1 數字電視傳輸流網(wǎng)絡(luò )采集系統框圖

其主要功能是通過(guò)傳輸流接口模塊采集數字電視信號進(jìn)入PLD(Cyclone EP1C6Q240C8)芯片，進(jìn)行必要的處理后，將信號發(fā)送到DSP(TMS320DM643)芯片存儲起來(lái)，并進(jìn)行算法處理。通過(guò) TMS320DM643對BCM5221進(jìn)行必要的配置，將存儲在TMS320DM643內的數據通過(guò)BCM5221傳送到局域網(wǎng)中,并通過(guò)計算機接收數據。

傳輸流接口模塊

傳輸流接口模塊由CY7B933輸入接口芯片及其電器接口電路組成。CY7B933輸入接口電路是點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸模塊，可以通過(guò)光纖、同軸電纜和雙絞線(xiàn)進(jìn)行高速的串行數據傳輸。輸入接口符合DVB-ASI的接口標準。輸入接口接收到串行位流后，通過(guò)內部 PLL時(shí)鐘同步恢復數據的時(shí)鐘信息，并對位流進(jìn)行串并轉換、解碼和傳輸檢錯等操作。這種輸入接口能靈活地把高速點(diǎn)對點(diǎn)串行數據轉變成并行數據，而且應用領(lǐng)域廣泛，包括各種服務(wù)器、存儲器和視頻傳輸的應用。

PLD控制模塊

在項目中，此部分硬件選用的是Altera公司的 EP1C6Q240C8芯片。

此模塊的主要功能是實(shí)現與CY7B933接收芯片的接口，把數據從CY7B933接收進(jìn)來(lái)，并緩存數據。這部分功能均由VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)的功能模塊實(shí)現。主要有兩個(gè)功能模塊：RECEIVE與FIFO。RECEIVE模塊主要負責從CY7B933接收數據字段；FIFO模塊主要負責緩存數據。

RECEIVE模塊

RECEIVE模塊的功能是實(shí)現與CY7B933接收芯片的接口，把數據從CY7B933接收進(jìn)來(lái)。其工作方式是以一個(gè)傳輸流包為邊界接收數據的。

首先，RECEIVE模塊會(huì )檢測傳輸流包的邊界，通過(guò)查找包頭字節(固定為0x47)間的字節數來(lái)確定。因為包中數據也可能含有0x47，所以要犧牲3個(gè)包的數據來(lái)檢查3次。當發(fā)現0x47這個(gè)字節的時(shí)候，就會(huì )觸發(fā)一個(gè)內部的計數器開(kāi)始計數。當計數到188后，如果下一個(gè)字節又是0x47，說(shuō)明傳輸流包屬于188個(gè)字節的包，那么計數器被清零；如果下一個(gè)字節又是0x47，說(shuō)明傳輸流包屬于188個(gè)字節的包，那么計數器被清零，否則計數器清零并重新開(kāi)始檢測邊界。

當檢測到邊界以后，RECEIVE模塊開(kāi)始接收數據包。計數器會(huì )從零開(kāi)始計數，在接收數據的過(guò)程中使能wrreq輸出有效信號,同時(shí)把數據輸出到下一級。當計數到188 時(shí)，表示一個(gè)數據包接收完成。當一個(gè)包的數據接收完之后，計數器清零，并置ts188，保持高電平一個(gè)時(shí)鐘周期。下一個(gè)周期檢測數據是否為0x47，如果是，說(shuō)明是下一個(gè)數據包的邊界；否則，說(shuō)明出現了錯誤，并重新回到上一段所說(shuō)的檢測數據包邊界的狀態(tài)。

此外，PLD模塊內會(huì )有一個(gè)專(zhuān)用計數器記錄空包數，當接收到數據包后，會(huì )首先檢測此數據包是否為空包，如果是空包，PLD模塊會(huì )把這個(gè)空包刪除，并在計數器中加1。如果接收的不是空包，就會(huì )把計數器的值加到這個(gè)數據包的私有字段中，并緩存到FIFO。然后計數器自動(dòng)清零。這樣處理數據包的目的是為了減少網(wǎng)絡(luò )傳輸的數據流量，從而可以傳輸更多的傳輸流數據。把計數器的值加入私有字段是為了在計算機接收到數據后，可以把原來(lái)的空包恢復出來(lái)，從而保證原傳輸流數據的完整性。

FIFO 模塊

FIFO模塊的功能是從RECEIVE模塊接收數據，并緩存起來(lái)。當RECEIVE模塊接收完一個(gè)完整的傳輸流數據包之后，會(huì )發(fā)送 ts188或ts204的中斷信號給DSP，DSP就會(huì )啟動(dòng)EDMA功能從FIFO模塊接收數據。DSP與FIFO模塊采用異步連接的方式，具體的接收操作在DSP部分說(shuō)明中再加以描述。

DSP算法處理模塊

此模塊主要由以TMS320DM643為核心的嵌入式系統組成。主要實(shí)現從PLD模塊接收傳輸流數據包，把數據包打包成TCP/IP格式，并實(shí)現對網(wǎng)絡(luò )接口(BCM5221)控制模塊的初始化，然后把數據包傳送到網(wǎng)絡(luò )模塊。

為了實(shí)現上述功能，必須建立起一套以TMS320DM643為核心的基本系統。

系統的具體配置

時(shí)鐘配置：EMIF內核時(shí)鐘ECLKIN是133MHz。此外，系統的外設總線(xiàn)、EDMA傳輸和L2存儲器的工作時(shí)鐘為CPU內核時(shí)鐘的1/2，即 300MHz；片上定時(shí)器的工作時(shí)鐘為CPU內核時(shí)鐘的1/8，即75MHz。

中斷配置：TMS320DM643除了RESET和NMI 引腳提供外部不可屏蔽中斷請求輸入以外，還有兩個(gè)外部中斷引腳GP0[5]/EXT_INT5、GP0[7]/EXT_INT7，以提供可屏蔽的外部中斷請求輸入。系統中，EXT_INT5外部中斷用作PLD模塊的請求接收數據信號，每當PLD模塊接收完一個(gè)傳輸流包，就會(huì )發(fā)送一個(gè)外部中斷信號給DSP，通知DSP接收數據。此外，EDMA中斷用于接收完一個(gè)包的數據后做后續處理。

系統對EMIF的使用情況：

系統在CE0 空間擴展了4M×64bit的SDRAM存儲器(MT48LC4M32BPG)，用于存儲程序與數據。SDRAM的工作時(shí)鐘由TMS320DM643的 ECLKOUT1提供，與EMIF的工作時(shí)鐘頻率相同，本系統中默認ECLKIN為其時(shí)鐘源，即133MHz。

系統在CE1空間擴展了 4M×8bit的Flash存儲器(Am29LV033C)。在對Flash進(jìn)行讀/寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)前，需要通過(guò)EMIF的CE1控制寄存器CE1CTL，將 CE1空間配置為8-bit異步存儲器接口，及讀/寫(xiě)時(shí)序。

系統在CE2空間擴展了與FIFO模塊連接的接口。在DSP看來(lái)，FIFO模塊可視為8bit異步只讀存儲器。FIFO模塊的讀使能信號rdreq與TMS320DM643的CE2片選信號連接；FIFO模塊的讀時(shí)鐘信號 rdclk與TMS320DM643的ARE讀使能信號連接。

以太網(wǎng)接口

TMS320DM643上集成有一個(gè) EMAC+MDIO片上外設，EMAC是Ethernet Media Access Controller的縮寫(xiě)，即以太網(wǎng)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器，MDIO是Management Data Input/Output的縮寫(xiě)，即管理數據輸入/輸出模塊。EMAC+MDIO用于為以太網(wǎng)物理層(PHY)器件提供接口，其中，EMAC為接口以太網(wǎng) PHY提供數據通路，MDIO為接口以太網(wǎng)PHY提供管理信息通路。

TMS320DM643的網(wǎng)絡(luò )接口原理框圖如圖2所示。圖2描述了 EMAC+MDIO與DSP中間有一個(gè)EMAC 控制模塊。它主要包含一些必備的、使EMAC更加有效使用DSP的存儲空間，控制其復位、中斷的一些邏輯。

這些寄存器的地址空間為：0x1C800000～0x1C803FFF。



圖2 TMS320DM643的網(wǎng)絡(luò )接口原理框圖

網(wǎng)絡(luò )接口控制模塊

本系統用BroADCom公司的BCM5221作為10/100Base-TX以太網(wǎng)收發(fā)器，BCM5221的MII接口與TMS320DM643的MII接口對接。具體接口如圖3所示。RJ45連接器選用AMP公司的406549-1，其上帶兩個(gè)LED指示燈，右邊的 LED為綠色，用作指示連接狀態(tài)。左邊的為黃色，正常情況下用來(lái)指示數據傳輸。



圖3 TMS320DM643與PHY設備連接框圖

電源模塊

系統包括4組電源：系統外接穩壓電源，把220V的交流電源電壓轉換成5V直流電壓；PLD模塊電源由兩種電源供電，分別是 3.3V和1.5V；TMS320DM643需要兩種電源，分別為CPU核心和周邊的I/O接口供電。周邊I/O電壓要求3.3V，CPU核心電壓只要 1.4V；網(wǎng)絡(luò )接口控制模塊采用3.3V電源供電。

系統軟件設計

系統的軟件設計主要是通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)包NDK 來(lái)實(shí)現的。該開(kāi)發(fā)包支持TCP/IP協(xié)議，并占用較少的系統資源。NDK僅用200kB~250kB的程序空間和95kB的數據空間即可支持常規的TCP /IP服務(wù)。所以，NDK很適合目前嵌入式系統的硬件環(huán)境，是實(shí)現DSP網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)的重要工具。

系統軟件的框圖如圖4所示。



圖4 軟件系統圖

具體流程：系統配置主要在初始化函數中完成，此初始化函數將在.cinit初始化后，并在DSP/BIOS初始化和main函數之前調用。系統配置需要開(kāi)啟INT8中斷，也就是 EDMA傳輸中斷，并設置GPIO7引腳為高電平，從而使PLD模塊始終處于初始狀態(tài)。TCP/IP協(xié)議配置在任務(wù)線(xiàn)程中完成，主要實(shí)現服務(wù)器IP地址和網(wǎng)關(guān)的配置。當其完成后，系統就會(huì )觸發(fā)一個(gè)軟件中斷，在軟件中斷程序中，服務(wù)器會(huì )產(chǎn)生一個(gè)用于偵聽(tīng)的端口，并開(kāi)始偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )上的請求。此時(shí)，服務(wù)器已經(jīng)處于待命狀態(tài)，等待客戶(hù)機的傳輸請求。

當客戶(hù)機的傳輸請求到來(lái)時(shí)，系統首先會(huì )使GPIO7引腳變?yōu)榈碗娖?，PLD模塊開(kāi)始發(fā)送數據。當其接收到一個(gè)完整的傳輸流數據包后，就會(huì )發(fā)一個(gè)中斷給DSP，DSP啟動(dòng)EDMA，用ping-pong的方式接收數據進(jìn)入特定的存儲器，當接收完一個(gè)完整的傳輸流數據包后，會(huì )產(chǎn)生硬件EDMA中斷，中斷程序主要是設置特定的標志位為1，然后退出硬件中斷，重新回到軟件中斷程序。當軟件中斷程序檢測到特定的標志位為1時(shí)，就會(huì )開(kāi)始傳輸在存儲器中的傳輸流數據包給客戶(hù)機。當一個(gè)數據包傳輸完畢后，特定的標志會(huì )被置0，系統等待下一個(gè)數據包的到來(lái)。

當客戶(hù)機要求停止傳輸的請求到來(lái)時(shí)，系統會(huì )重新使GPIO引腳變?yōu)楦唠娖?，PLD模塊回到初試狀態(tài)。此時(shí)，系統也會(huì )處于待命狀態(tài)，繼續偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )。

系統初始化

初始化配置主要包括EMIF總線(xiàn)配置、中斷配置和底層網(wǎng)絡(luò )配置3個(gè)部分。初始化工作首先在DSP/BIOS的全局參數配置窗口進(jìn)行設置，然后調用初始化函數進(jìn)行配置。

在DSP/BIOS的全局配置窗口主要設置了DSP的工作時(shí)鐘頻率為600MHz，選擇使用的片級支持庫CSL為DM643的庫，選用小端訪(fǎng)問(wèn)模式，片內256kB的SRAM全部用于Cache，并調用初始化函數dm643_init()。

TCP/IP 協(xié)議配置

初始化程序dm643_init()完成后，系統將進(jìn)入各個(gè)線(xiàn)程。首先，系統會(huì )觸發(fā)任務(wù)線(xiàn)程TSK0，在TSK0任務(wù)線(xiàn)程中執行函數StackTest()，其首先調用NC-SystemOpen()函數，完成協(xié)議棧及其所需內存的初始化，然后新建一個(gè)系統配置句柄hCfg = CfgNew();，并實(shí)現服務(wù)器IP地址和網(wǎng)關(guān)的配置。在本系統中，IP地址配置為"192.168.0.2"；子網(wǎng)掩碼為"255.255.255.0"；網(wǎng)關(guān)地址為"192.168.0.1"。配置好之后，系統會(huì )觸發(fā)一個(gè)軟件中斷，并做好偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )的準備。

網(wǎng)絡(luò )偵聽(tīng)

前面在任務(wù)線(xiàn)程中已經(jīng)配置了IP地址和網(wǎng)關(guān)，下面就要在軟件中斷中設置端口并進(jìn)行偵聽(tīng)。首先，在開(kāi)始使用報路之前，必須分配一個(gè)文件環(huán)境fdOpenSession( TaskSelf() )給這個(gè)報路。接著(zhù)就可以創(chuàng )建一個(gè)報路對象stcp = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)，并設置端口sin1.sin_port = htons(1000)，在這里設置端口號為1000，當然也可以設置其他的端口號。然后把端口號與報路對象綁定bind( stcp, (PSA) sin1, sizeof(sin1)。最后進(jìn)入偵聽(tīng)狀態(tài)listen( stcp, 1)。

數據的接收

當客戶(hù)端要求傳輸數據的信號到來(lái)后，系統會(huì )使GPIO7引腳變?yōu)榈碗娖?，PLD模塊開(kāi)始發(fā)送數據。DSP通過(guò)EDMA方式來(lái)接收數據。EDMA可以在沒(méi)有 CPU參與的情況下，由EDMA控制器完成DSP存儲空間內的數據搬移。系統主要采用EDMA的ping-pong方式來(lái)連續接收數據。用ping- pong方式的目的是為了使接收操作和發(fā)送操作分開(kāi)進(jìn)行，增強程序的操作性和可讀性。

限于篇幅，網(wǎng)絡(luò )發(fā)送部分不再贅述。

結語(yǔ)

本系統的硬件和軟件功能已經(jīng)實(shí)現，網(wǎng)絡(luò )傳輸的速度為2MBps。按照此速度，假設傳輸流中的空包百分比為40%，可以傳輸5MBps的傳輸流數據，至少可以傳輸2~3路的TS流節目。因此，可以證明本系統的設計方法合理、有效。