TM1300 DSP系统的以太网通信接口的设计与实现

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:介绍了TM1300 DSP 的特点,给出了通过TM1300的PCI接口驱动以太网芯片来实现以太网通信接口的设计方法。该设计将TM1300和以太网结合起来,因而可以方便地实现视频通信,文章详细介绍了该方案的软件和硬件的设计要点,最后给出了对模拟数据和实际视频压缩码流的传送实验结果。 关键词:PCI总线 TM1300 以太网通信接口 pSOS+内核 pNA+ 1 概述 TM1300是Philips公司推出的新一代高性能多媒体数字信号处理器芯片。基于TM1300的DSP应用系统适合于实时声音、图像处理,可广泛应用于会议电视、可视电话、数字电视等应用场合。它不仅具有强大的处理能力,同时还具有非常友好的音频和视频以及SSI和PCI等I/O接口,因此可以根据应用的需要灵活地构造各种视频通信系统。鉴于目前计算机网络的普及和网上视频业务的发展,很有必要为TM1300视频编码系统开发一个以太网接口以拓宽其应用范围。开发以太网接口的一种合理思路是利用TM1300集成的PCI接口来驱动专用的以太网接口芯片。由于目前多数以太网接口芯片(如Real-tek8029,Realtek8139等)都采用PCI接口,因此,可以用PCI总线将数据从TM1300传输到这些专用的以太网接口芯片后,再由它们发送数据,而且TM1300可以在嵌入式操作系统pSOS中运行,同时由于系统pSOS带有TCP/IP协议栈因此可以方便地完成编码码流的TCP/IP封装。 根据以上思路笔者在进行了前期测试的基础上进行了电路板的设计并顺利完成了调试。目前这个以太网接口已经基本开发成功。本文将对这个设计的技术要点从硬件和软件两个方面进行详细介绍。 2 TM1300及PCI总线接口 该系统的硬件结构框图如图1所示。本系统硬件设计的重点是PCI总线接口。PCI总线根据数据位的宽度有32位和64位之分,64位的数据线与32位是兼容的。PC机中常见的是32位PCI总线,它的有用引脚总数是110个,可以分成3组。第一组是基本功能信号线,包括32位共享数据地址线AD〔00..31〕、接口控制线、仲裁线、时钟线、系统复位线、中断线;第二组是附加功能信号线,包括错误报告线、cache功能支持线、JTAG边界扫描线;第三组是电源线,包括设备耗电量标识线、3.3V电源线(12根)、5V电源线(13根)、地线(22根)。 因为Realtek8029不具备PCI的附加功能信号线所支持的cache功能和JTAG边界扫描功能,同时虽然它具有奇偶校验错误报告功能引脚,但该脚可以悬空不用。所以,设计时只需考虑第一组功能信号线的连接即可。 PCI接口的设计有以下几个要点: (1)PCI总线的仲裁 这里先说明两个概念。首先,PCI总线是多设备共享的,由于PC机里可以有多个PCI设备,所以需要使用仲裁器;其次,PCI设备有主设备和从设备之分,主设备可以发起PCI数据的传送从设备只能被动地响应主设备的操作以对读操作和写操作做出响应。PCI的仲裁引脚是REQ和GNT,分别为请求线和授权线,而且只有PCI主设备有这两个引脚。一般情况下,REQ通常和GNT成对地连到仲裁器,而设备与设备的REQ和GNT通常是互不相连的。 PCI总线的仲裁过程是这样的:PCI主设备把REQ电平拉低以表示向仲裁器请求占用总线。经仲裁获准后,仲裁器把这个设备的GNT电平拉低以表示请求获准,此后该设备便可以使用总线了。当它不再使用总线时,应使REQ信号变为高电平仲裁器就不再给它分配总线资源。在本系统中,TM1300是PCI主设备,而Realtek8029是PCI从设备。由于它们不存在共享总线的问题,所以不需要仲裁器,而只是简单地把REQ和GNT短接即可,这就相当于TM1300自己给自己授权。 (2)PCI_IDSEL信号线在设备的PCI配置读写中的作用 PCI有一种特殊的读写周期,称为配置读写。这是因为在系统引导时,如果没有给设备配置I/O或内存地址,软件就只能通过配置来读写访问设备。配置读写有两种,分别称为0型和1型具体采用哪一种取决于总线的硬件连接。配置读写操作不经过PCI桥时,使用0型,当需要经过PCI桥时,则要用1型,0型读写的地址直接就是总线上的地址,1型读写的地址则要经过PCI桥的译码才能成为最终的总线地址。本设计中,TM1300和Realtek8029是用PCI总线直连的,所以使用0型配置读写。 AD〔00..31〕是PCI总线的共享地址和数据线,每一次PCI传送都分为地址周期和数据周期。在地址周期,采用0型读写时,AD〔00..31〕的内容如下,AD〔00〕和AD〔01〕总为“00”,因为配置读写是以双字为单位的,AD〔02〕~AD〔07〕是要读写的PCI配置空间的寄存器号AD〔08〕~AD〔10〕是设备的功能号在一块PCI卡上有多个功能设备时,为了进一步区分不同的设备就要用到这几位,由于Realtek8029是单功能设备,故这几位全为0,AD〔11〕~AD〔31〕是设备选择位,其中必须有且仅有一位为“1”,如图2所示,这在物理上表现为总线的AD〔11〕~AD〔31〕中有一根为高电平如果输出高电平的这根线与某块PCI卡的PCI IDSEL引脚相连,这块卡就会被激活,这样,在紧接着的数据周期中,它就会将其PCI配置空间相应寄存器中的内容放到总线上以供读取。 (3) PCI_FRAME、PCI_DEVSEL、PCI_IRDY、PCI_TRDY引脚的处理 上述四个引脚均是低电平有效,因此需要接上拉电阻,以保证在设备未驱动该引脚时处于稳定的无效状态,上拉电阻的阻值在1kΩ~10kΩ范围内,阻值越小,则将该信号驱动为有效的时间越短,但太小又会导致电流过大,所以,要权衡考虑,本设计选用4.7kΩ。 上述三点对脱机情况下PCI设备的互连具有较普遍的参考意义,除此之外,本设计还有以下比较特殊的几点: ●应将TM1300的PCI,INTA引脚配置为输入,以便接收Realtek8029的中断; ●PCI时钟由TM1300提供; ●Realtek8029的复位信号也就是TM1300的复位信号,该信号由外部电路提供; ●TM1300的PCI STOP、 PCI SERR引脚悬空,表示Realtek8029不具备相应的附加功能。另外,TM1300的PCI INTB、PCI INTC、PCI INTD引脚可以用作用户中断。 3 软件设计 该接口设计的软件结构框图如图3所示。其中TM1300运行于pSOS,它是一个简单的实时多任务嵌入式操作系统,带有pNA+网络组件,其pNA+相当于TCP/IP协议栈的扩展,它向上可提供应用程序编程的socket接口,向下可定义一个与网络接口层交互的接口,其中包括8个函数,分别是:ni_init(接口芯片初始化)、ni_broad-cast(发送广播分组)、ni_send(发送普通分组)、ni_getpkb(申请发送缓冲区)、ni_retpkb(归还接收缓冲区)、ni_ioctl(I/O控制操作)、ni_pool(统计量查询)、Announce(网络接口驱动调用它把接收到的数据包提交给pSOS)。其中网络接口层在本应用中就是Realtek8029的驱动程序,它通过硬件抽象层来驱动Realtek8029(硬件抽象层是PCI总线的配置读写和I/O读写指令集的总称)。 软件执行的流程大致是:系统首先启动pSOS,并由它加载网络接口驱动程序,然后调用驱动程序的ni_init函数,同时初始化Realtek8029的PCI配置空间并设置Realtek8029的工作参数,之后启动用户任务。在这里,用户任务为H.263编码进程。它对VI口读入的源图像进行压缩编码后,将调用socket的接口函数sendto(sendto是UDP套接口专用的发送函数),然后把码流发送给pSOS由pSOS根据UDP协议进行封装后,再调用ni_send函数,并由ni_send完成数据包从系统主内存到Realtek8029片上RAM的拷贝,然后启动Realtek8029发送数据。在接收情况下,Realtek8029收到一个完整的数据包后会用中断通知CPU,然后由CPU执行中断服务程序。当中断服务程序将数据包从Realtek8029片上RAM中拷贝到系统的主内存后,系统将调用Announce函数并把数据块的指针、数据长度和其它信息提交pSOS,最后由pSOS将数据包沿协议栈一层层上传并作出相应的处理。 软件的设计和pSOS操作系统的关系比较密切,限于篇幅,本文不对pSOS作详细介绍,。本文接下来重点介绍PCI配置空间的配置过程,这部分对于类似的设计有较普遍的参考意义。PCI配置空间有64个字节,PCI片内的这些寄存器存储了该芯片的厂商号、设备号、设备类型等重要代码,还包括命令寄存器、基地址寄存器等控制其总线行为的寄存器,它们必须在设备初始化时正确配置,否则设备不能工作。 对Realtek8029 PCI空间的配置需要三个步骤: 首先是扫描总线,这一步的目的是找到Real-tek8029的配置地址,直观地讲,就是找到它的PCI_IDSEL引脚和哪根AD线相连,因为后续的配置写要根据这个地址来寻址。扫描总线时,要对AD〔11〕到AD〔31〕每根线进行一次扫描,如果哪根AD线连接了一个PCI设备的PCI IDSEL引脚,那么用配置读函数读取PCI配置空间的0号寄存器时,应该返回该设备的设备和厂商代码,如果这根线实际未连接设备,则返回值是0。已知Realtek8029的设备和厂商代码是“0x802910ec”,如果返回值与之相同,说明找到了Realtek8029,这时要记下这根AD线的序号。例如,在硬件上把Realtek8029的PCI IDSEL和AD〔20〕相连,则扫描到的序号就应该是“20”。 其次,用配置写函数配置I/O读写使能,即在command寄存器中写入“0x1”。 最后,用配置写函数配置I/O地址,也就是在I/OBaseAdddress寄存器写入分配给该设备的I/O地址(例如“0xe400”)。具体程序流程图如图4所示。 4 调试结果 根据以上设计,笔者在原TM1300视频编码硬件系统的基础上加入了PCI接口,并编写了pSOS下Realtek8029的驱动程序。然后,在这个硬件平台上对Realtek8029的驱动部分进行了数据传送测试。 笔者首先用一个单独的UDP发送任务进行发送速率测试。这个任务主要是高速地向网络上的一台PC发送数据包,数据包的大小是变长的。PC接收并对丢包数进行统计的结果如表1所列。实验表明,在用网线直连的各种测试速率情况下都没有出错,而当接入局域网后,在发送速率为4.5Mbps时有突发的少量错误。由于UDP是不可靠的传输方式,所以这种错误是正常的。测试中,UDP发送的最高速率可以达到5Mbps左右,它与硬件的最高速率(10Mbps)相比还有一定差距,主要原因是数据从系统主内存到Realtek8029片上RAM的拷贝过程目前尚未采用DMA方式,这是需要改进的地方。 表1 丢包数统计表(单位:丢包个数/分钟) 连接方式 发 送 速 率 800kbps 1.8Mbps 4.5Mbps 网络直连 0 0 0 接入局域网 0 0 2.5 接下来笔者进行了编码和传送的联合测试。编码任务执行H.263数据压缩后,把码流从以太网接口发出,然后在网络上的另一台PC上接收这个码流,并进行解码播放。通过调整编码器的量化步长可以控制编码的输出码率。在实验环境下发现在量化步长大于等于5、码率在700kbps以下时,基本没有丢包现象,解码得到的图像比较稳定,而当量化步长进一步减小,码率接近1Mbps时,就会出现丢包现象,解码的图像会出现彩色方块。出现这种现象是因为H.263编码器对CPU资源的消耗很大,而且数据在主内存和Realtek8029片上RAM之间的复制采用I/O读写方式也需要一定的CPU资源。这样,当量化步长小于5时,处理的复杂度超过了CPU的能力从而产生了一定的误码。解决的途径一方面是改进数据的传送方式(采用DMA),另一方面是需要对编码任务进行优化。 5 小结 本文介绍了PCI总线接口的设计以及PCI空间初始化的步骤,同时对测试结果进行了较详细的分析,提出了以后改进的方向。
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