以太网通信接口的设计与实现

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。[page]

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）。[page]

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800kbps1.8Mbps4.5Mbps网络直连000接入局域网002.5