基于TMS320F2812的快速以太網(wǎng)通信系統平臺(圖)

　　隨著(zhù)Internet應用的日益普及，信息共享程度的不斷提高。嵌入式設備的數字化和網(wǎng)絡(luò )化已經(jīng)成為必然趨勢，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。雖然選擇了TI公司的TMS320F2812 DSP，但是本文提出的方案，具有很大程度的通用性，對其他系列的DSP或CPU系統也有一定的參考價(jià)值。

　　TCP/IP協(xié)議棧的體系結構

　　以太網(wǎng)最典型的應用形式是Ethernet＋TCP/IP，即在由以太網(wǎng)構建的底層傳輸網(wǎng)絡(luò )上采用已成為通用標準的網(wǎng)絡(luò )傳輸協(xié)議TCP/IP進(jìn)行數據通信，這是當今最流行，應用最廣泛的以太網(wǎng)通信方式。

　　國際標準化組織（ISO）制定了開(kāi)放式系統互連（OSI）參考模型，將通信會(huì )話(huà)需要的各個(gè)過(guò)程劃分為7個(gè)相對獨立的功能層次，與OSI參考模型不同，TCP/IP模型側重于互連設備之間的數據傳輸，而不是嚴格的層次劃分。

　　通常，OSI參考模型在從理論上解釋互聯(lián)網(wǎng)通信機制時(shí)比較適合，而TCP/IP模型則在具體的軟件實(shí)現中更為適合。

　　系統硬件設計

　　1 系統的總體結構

　　本文的以太網(wǎng)通信系統大致分為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。系統硬件電路，包括DSP系統和以太網(wǎng)控制芯片Ax88796的接口電路，是系統的物理基礎。快速以太網(wǎng)驅動(dòng)程序處于硬件抽象層，本身雖為軟件，但與硬件結合緊密，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，可以直接使用TCP/IP協(xié)議模塊提供的API函數，開(kāi)發(fā)基于以太網(wǎng)的通信項目。

　　2 系統硬件框圖

　　系統硬件包括TMS320F2812與IS61LV51216存儲器芯片的接口電路、TMS320F2812與快速以太網(wǎng)控制芯片Ax88796的接口電路。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。使用了ISSI公司生成的IS61LV51216存儲器芯片。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。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。

　　圖1 硬件框圖

　　3 DSP系統硬件設計

　?、傧到y電源設計

　　為了降低芯片功耗，TMS320F2812采用1.8V（1.9V@150MHz）內核電壓，但GPIO、FLASH等模塊采用3.3V供電。本課題選用TI公司的TPS767D301電源芯片。該芯片輸出兩路電壓，一路3.3V，另一路1.5～5.5V可調，支持1A電流輸出。系統中DSP芯片正常工作下消耗電流230mA，以太網(wǎng)接口芯片最大消耗電流120mA，RAM最大消耗電流180mA，系統總功耗為530mA，故TPS767D301能滿(mǎn)足系統要求。

　?、谙到y時(shí)鐘設計

　　系統的時(shí)鐘電路有兩種方案可選擇，一種是使用外部時(shí)鐘源，即有源晶振。另一種是使用DSP內部的振蕩驅動(dòng)電路，外接一個(gè)晶體和兩個(gè)電容。有源晶振的特點(diǎn)是不需要芯片內部振蕩器，加上額定的電壓就能輸出規則的方波，缺點(diǎn)是輸出波形只能是固定的兩個(gè)電壓值：低電平(0V)和高電平(輸入供電電壓)，另外器件成本高。外接晶體的特點(diǎn)是使用芯片內部振蕩電路，輸出的波形為正弦波，波形幅度由控制器決定，不存在電壓匹配的問(wèn)題。

　　TMS320F2812的I/O引腳一般為3.3V，但時(shí)鐘輸入腳卻是個(gè)例外，只能承受1.8V/1.9V的輸入電壓，而1.8V/1.9V的有源晶振市場(chǎng)上罕有出售，故采用無(wú)源晶振。

　?、?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/復位電路">復位電路設計

　　系統中有兩個(gè)芯片需要復位信號：DSP芯片和以太網(wǎng)控制芯片Ax88796。但二者對復位信號的要求各不相同，DSP是低電平復位，而Ax88796是高電平復位，故采用TI公司的專(zhuān)用復位芯片TPS3307。該芯片具有上電復位、手動(dòng)復位和電源監控三項功能。電路如圖2所示。

　　上電復位電路保證系統在上電200ms后自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)復位信號，使DSP進(jìn)入正常的程序入口，Ax88796初始化內部寄存器。手動(dòng)復位的功能是當系統出現程序跑飛或需要系統重新初始化并運行時(shí)，按下復位按鍵產(chǎn)生復位信號，使DSP進(jìn)入正常的程序入口。

　?、芟到yRAM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。但是片內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。

　　圖2 復位電路

　　RAM選用ISSI公司的IS61LV51216，存儲容量為512K×16位，3.3V的供電電壓，訪(fǎng)問(wèn)速度有8ns、10ns、12ns、15ns可選擇。當CPU運行在150MHz的時(shí)候，地址和數據的最小有效時(shí)間為3個(gè)時(shí)鐘周期，即20ns，所以該存儲器接口不用考慮時(shí)序設計的問(wèn)題。

　　4 快速以太網(wǎng)硬件接口設計

　　Ax88796內部集成有10/100Mb/s自適應的物理層收發(fā)器和8K×16位的SRAM，支持MCS-51系列、80186系列、ISA以及MC68K系列等多種CPU總線(xiàn)類(lèi)型。Ax88796提供基于IEEE802.3/IEEE 802.3u局域網(wǎng)標準的10Mb/s和100Mb/s以太網(wǎng)控制功能，并采用IEEE 802.3u兼容的媒質(zhì)無(wú)關(guān)接口MII（Media Independent Interface）。此外，Ax88796還提供可選的標準打印接口，用于連接打印設備或作通用I/O端口。

　?、貯x88796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DMA FIFOs與Ax88796的內部SRAM進(jìn)行數據交換。Ax88796的基地址默認值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]。

　?、贏(yíng)x88796電源設計

　　Ax88796具有多種電壓類(lèi)型：VDD、VDDA、VDDPD和VDDO，分別為芯片內部的數字電路、模擬電路、相位偵測模塊、收發(fā)器驅動(dòng)模塊提供電源。雖然同為3.3V電壓，但為了防止各個(gè)模塊通過(guò)電源線(xiàn)發(fā)生串繞，要求各電源獨立供電，于是設計了電源隔離、濾波電路，將系統的3.3V供電電壓，通過(guò)LC濾波分為Ax88796所需的四路電壓。

　　系統軟件設計

　　1 系統軟件結構

　　除應用層用戶(hù)程序外，系統軟件可看做操作系統μC/OS-Ⅱ的功能擴展：Ax88796驅動(dòng)程序屏蔽底層硬件，為操作系統擴展了訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )設備的能力；TCP/IP協(xié)議軟件為操作系統擴展了網(wǎng)絡(luò )通信能力。

　　TCP/IP通常被劃分為一個(gè)四層協(xié)議系統，每一層負責不同的功能。

　　● 接口層：Ax88796的驅動(dòng)程序，直接訪(fǎng)問(wèn)Ax88796硬件設備，控制Ax88796的行為模式。

　　● 網(wǎng)絡(luò )層：處理分組在網(wǎng)絡(luò )中的活動(dòng)，例如分組的選路。

　　● 運輸層：為兩臺主機上的應用程序提供端到端的通信。

　　● 應用層：負責處理特定的應用程序細節。

　　在DSP上實(shí)現的100M快速以太網(wǎng)通信，關(guān)鍵要考慮兩個(gè)方面：

　　● 如何控制硬件設備將數據發(fā)送到以太網(wǎng)中（或者將以太網(wǎng)中的數據接收到DSP內）。

　　● 如何生成待發(fā)送的數據（或者如何解釋接收到的數據）。

　　二者分別由網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)程序和TCP/IP協(xié)議軟件解決。

　　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。

　　2 快速以太網(wǎng)驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

　?、貯x88796的寄存器

　　Ax88796的寄存器映射在從基地址200H到21FH地址空間內，共32個(gè)地址空間，因此Ax88796采取了分頁(yè)機制，各寄存器分別存放在不同寄存器頁(yè)內。

　　對Ax88796的寄存器進(jìn)行正確的設置是系統運行的基礎，下面是幾個(gè)重要寄存器:

　　● CR(命令寄存器):用于選擇寄存器頁(yè)，啟動(dòng)和停止網(wǎng)卡。

　　● ISR(中斷狀態(tài)寄存器):反映Ax88796當前狀態(tài)，CPU通過(guò)讀取它判斷引起中斷的原因。

　　● DCR(數據控制寄存器):字節順序、DMA字節/字傳輸模式選擇。

　　● PSTART、PSTOP、BNRY、CPR:這四個(gè)寄存器與接收緩沖區有關(guān)。PSTART設置起始頁(yè)，PSTOP設置停止頁(yè)，這兩個(gè)寄存器設置了接收緩沖區的首尾。BNRY指示最后一個(gè)被取走的緩沖區頁(yè)，CPR指示第一個(gè)用于接收的緩沖區頁(yè)。

　　● TPSR、TBCR0、TBCR1:這三個(gè)寄存器與發(fā)送緩沖區有關(guān)。TPSR設置發(fā)送緩沖區的起始頁(yè)，TBCR0、TBCR1設置發(fā)送字節數。

　　● RSAR0、RSAR1、RBCR0、RBCR1:Ax88796通過(guò)遠程DMA和系統交換數據，前兩個(gè)寄存器設置遠程DMA的起始地址，后兩個(gè)設置遠程DMA數據字節數。

　?、诮邮者^(guò)程

　　接收數據幀的過(guò)程涉及到的寄存器主要有兩個(gè)：CPR和BNRY。CPR寄存器指向新接收到的數據幀要存放的起始頁(yè)地址，作為本地DMA的寫(xiě)指針；BNRY寄存器指向還未讀取的數據幀的起始頁(yè)地址，作為遠程DMA的讀指針。當CPR追上BNRY時(shí)，表示接收緩沖區已滿(mǎn)，后續的數據幀將會(huì )被丟棄；當BNRY追上CPR時(shí)，表示接收緩沖區已空。

　?、郯l(fā)送過(guò)程

　　圖3 發(fā)送過(guò)程

　　發(fā)送過(guò)程比較簡(jiǎn)單，發(fā)送過(guò)程的流程如圖3所示。

　　3 嵌入式多任務(wù)操作系統μC/OS-Ⅱ的移植

　　所謂移植，就是使μC/OS-Ⅱ內核能在某個(gè)微處理器或微控制器上運行。為了方便移植，大部分的μC/OS-Ⅱ代碼是用C語(yǔ)言寫(xiě)的；但仍需要用C和匯編語(yǔ)言寫(xiě)一些與處理器相關(guān)的代碼，這是因為在讀寫(xiě)處理器寄存器時(shí)只能通過(guò)匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現。因此要使 μC/OS-Ⅱ正常運行，處理器必須滿(mǎn)足以下要求：

　　● 處理器支持中斷，并且能產(chǎn)生定時(shí)中斷(通常在10～1kHz之間)。

　　● 使用C語(yǔ)言可以打開(kāi)和關(guān)閉處理器的中斷。

　　● 處理器支持能夠容納一定量數據的硬件堆棧。

　　● 處理器有將堆棧指針和其他寄存器讀出和存儲到堆?；騼却嬷械闹噶?。

　　μC/OS-Ⅱ的移植工作主要包括兩個(gè)內容：

　　● OS_CPU_C.C文件中的一個(gè)C語(yǔ)言函數

　　● OS_CPU_A.ASM文件中的四個(gè)匯編語(yǔ)言函數

　　由于篇幅有限，這里就不詳細說(shuō)明這兩個(gè)文件的具體編寫(xiě)了。

　　4 TCP/IP協(xié)議棧的系統結構

　?、倬W(wǎng)絡(luò )接口層模塊

　　網(wǎng)絡(luò )接口層模塊包含Ax88796設備驅動(dòng)、緩沖區管理和接口調度三方面。定義了網(wǎng)絡(luò )接口抽象模型，屏蔽了網(wǎng)絡(luò )物理細節，使上層軟件能使用相同的數據結構作用于不同的物理網(wǎng)絡(luò )。

　?、贏(yíng)RP模塊

　　ARP協(xié)議將上層的協(xié)議地址（IP地址）與底層的硬件地址進(jìn)行映射，從而形成了只能使用IP地址的上層軟件和只能使用物理地址的下層設備驅動(dòng)程序之間的分界線(xiàn)。ARP模塊處理來(lái)自于網(wǎng)絡(luò )的ARP數據分組，更新和維護ARP高速緩存，并為發(fā)送數據報提供相應的硬件地址綁定。

　?、跧CMP模塊

　　ICMP協(xié)議內容比較豐富，最常用的就是PC上ping程序所實(shí)現的回送請求和回送應答功能。本課題中，主要就是實(shí)現了回送應答功能，這樣用戶(hù)可以使用PC探測DSP是否網(wǎng)絡(luò )暢通，其他功能目前暫時(shí)預留，待將來(lái)升級。

　?、躀P模塊

　　IP模塊是整個(gè)協(xié)議棧的中心環(huán)節，它接收來(lái)自網(wǎng)絡(luò )的輸入數據報，同時(shí)也接收來(lái)自上層協(xié)議的輸出數據報，IP為數據報選擇路由，或者將其發(fā)往一個(gè)網(wǎng)絡(luò )接口，或者將其交給本機的上層協(xié)議軟件（回環(huán)）。

　　⑤TCP模塊

　　TCP為不可靠的IP連接提供可靠的、具有流量控制的、端到端的數據傳輸。TCP模塊中包含三個(gè)關(guān)鍵過(guò)程：數據輸入、數據輸出和超時(shí)重發(fā)。自適應重發(fā)機制是TCP的核心組成部分，自適應的修改連接的平均往返時(shí)間。

　　⑥UDP模塊

　　UDP協(xié)議提供無(wú)連接的通信，相對于TCP協(xié)議，它非常簡(jiǎn)單。雖然UDP不能保證可靠性，但是效率非常高。

　　⑦Socket接口模塊

　　Socket模塊主要是為了封裝底層協(xié)議軟件，使得用戶(hù)在DSP上開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò )程序更加方便。

　　系統測試舉例

　　Internet Explorer(IE)是Windows操作系統內嵌的網(wǎng)頁(yè)瀏覽器。Web(網(wǎng)頁(yè))是這個(gè)信息共享社會(huì )使用最廣泛的信息組織形式。通過(guò)往DSP軟件中添加Web服務(wù)功能，可以使本系統能夠更好的融入Internet之中，用戶(hù)可以通過(guò)IE瀏覽器直接對本系統進(jìn)行設置和查看系統的反饋數據。打開(kāi)IE瀏覽器，在地址欄鍵入“192.168.8.66”，即可訪(fǎng)問(wèn)預存在DSP系統中的遠程數據采集頁(yè)面。

　　結束語(yǔ)

　　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DSP的應用前景。