基于FPGA技術(shù)和微控制器實現(xiàn)將TS流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)包的設(shè)計

引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人類進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的時代。在三網(wǎng)融合的政策背景下，數(shù)字電視信號的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)玫搅嗽絹碓蕉嗟年P(guān)注。與此同時，先進(jìn)的嵌入式技術(shù)也對數(shù)字媒體的發(fā)展起到了推動的作用。TS流是根據(jù)ITU-T Rec.H.222.0|ISO/IEC 13818-2 和ISO/IEC 13818-3協(xié)議而定義的一種數(shù)據(jù)流，主要用來傳輸數(shù)字電視的視頻節(jié)目、音頻節(jié)目和一些用戶信息，它是以包的方式存在，一個TS包一般為188或204字節(jié)，其廣泛用于電視信號的傳輸中。當(dāng)前的廣播電視傳輸主要是TS流在現(xiàn)有的有線電視網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸。而本文的TS over IP技術(shù)是將TS流數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成IP數(shù)據(jù)包，并能夠在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸。使只有網(wǎng)絡(luò)接口的終端設(shè)備可以接收到電視信號。

目前實現(xiàn)該技術(shù)的主要方法是通過MCU IP核在FPGA中模擬出一個控制器來控制其余的子模塊實現(xiàn)。本文設(shè)計的系統(tǒng)使用FPGA芯片和MCU芯片，兩個芯片之間通過EMIF接口進(jìn)行通信，并使用兩個雙口RAM，以及DMA的方式來實現(xiàn)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述及流程

1.1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)實現(xiàn)了將從TS傳輸設(shè)備中接收到的TS流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)包，并使其能在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。本系統(tǒng)基于FPGA實現(xiàn)，由一個MCU進(jìn)行控制，可以通過設(shè)置初始時的IP和MAC地址將數(shù)據(jù)發(fā)送到不同的目的主機。

目前類似的系統(tǒng)大都使用現(xiàn)成的FIFO來對TS數(shù)據(jù)進(jìn)行暫時的存儲并通過現(xiàn)成的TCP/IP協(xié)議代碼來封裝IP包。在使用傳統(tǒng)的方法時，當(dāng)FPGA性能不夠時會導(dǎo)致丟包的現(xiàn)象出現(xiàn)。而FPGA與MCU在通過FIFO進(jìn)行通信交換數(shù)據(jù)與MCU的處理速度過低與數(shù)據(jù)的多次交換是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因。所以為了提高系統(tǒng)的運行效率，使系統(tǒng)能夠在數(shù)據(jù)量非常大的情況下或者FPGA性能不是很好的情況下仍能夠正常運行，本系統(tǒng)采用了兩個雙口RAM通過乒乓操作來完成TS數(shù)據(jù)的暫時存儲，并通過程序在RAM中寫入數(shù)據(jù)來實現(xiàn)IP包的封裝，封裝完成后通過DMA的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)組AC模塊中進(jìn)行發(fā)送的設(shè)計，避免了FPGA與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與運行復(fù)雜的TCP/IP封裝程序的過程，從而提高系統(tǒng)的運行效率。

本系統(tǒng)使用了FPGA+MCU進(jìn)行實現(xiàn)，由于兩塊芯片的時鐘頻率不同，則系統(tǒng)涉及到了跨時鐘域通信問題以及數(shù)據(jù)的亞穩(wěn)態(tài)問題，所以本系統(tǒng)使用了應(yīng)答機制以及同步電路來避免異步時鐘域通信帶來的問題。

1.2 系統(tǒng)流程

如圖1所示，系統(tǒng)流程由3個部分組成。首先，在程序啟動后，由MCU來對整個系統(tǒng)進(jìn)行初始化配置，為之后系統(tǒng)的運行做好準(zhǔn)備。接著MCU通知FPGA初始化完成，開始接收TS數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)儲存在RAM中，當(dāng)接收7個TS包以后，程序會檢測是否由于傳輸數(shù)據(jù)過快出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出。完成溢出檢測后，系統(tǒng)會對RAM中的IP包頭信息進(jìn)行更新，信息更新完成之后的IP包會以DMA的方式傳輸?shù)組AC中并最后由MAC模塊發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)之中。

2 系統(tǒng)模塊概述

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由TS接收模塊、IP包封裝模塊、IPCHK模塊、DMA模塊、EMIF接口等模塊組成。通過這些模塊我們實現(xiàn)了TS流的接收、網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議以及系統(tǒng)內(nèi)各模塊通信等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

其中，TS接收模塊、MAC模塊以及接口模塊由FPGA實現(xiàn)。IP包封裝模塊、片選模塊、IPCHK模塊以及DMA控制模塊在MCU中實現(xiàn)。

2.2 TS流接收的實現(xiàn)

系統(tǒng)中設(shè)計的TS接收模塊可以直接與TS流的編碼器相連接，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

本模塊的時鐘來自于編碼器，接收符合時序的SPI形式的TS流數(shù)據(jù)。接收模塊接收數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)存儲到RAM之中。如圖3所示，本模塊使用了兩個RAM進(jìn)行存儲與分裝IP包，并使用乒乓操作對兩個RAM進(jìn)行控制，在雙RAM乒乓操作的模式下，系統(tǒng)可以在處理前一批數(shù)據(jù)的同時繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，從而提高系統(tǒng)的運行速度，防止數(shù)據(jù)溢出[8]。同時由于本設(shè)計使用UDP協(xié)議發(fā)送TS包，每個TS數(shù)據(jù)包的長度為188字節(jié)，而IP包的最大長度為1500字節(jié)，RAM 0～41的空間用來存放IP包頭數(shù)據(jù)，所以TS數(shù)據(jù)從第43個地址開始存放，直到接收到7個TS包即到地址1357后切換另一個RAM。在一個RAM存滿之后，接收模塊會通過標(biāo)志位通知MCU進(jìn)行接下來的工作。

2.3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實現(xiàn)

2.3.1 IP包封裝模塊

IP包封裝模塊即網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實現(xiàn)模塊是在開機時運行，主要負(fù)責(zé)對MAC模塊進(jìn)行初始化配置與設(shè)置初始的IP地址和MAC地址。由于為了節(jié)省FPGA與MCU數(shù)據(jù)交換以及運行TCP/IP程序的開銷，本系統(tǒng)將IP包的封裝是由MCU直接對RAM寫入數(shù)據(jù)來完成的，根據(jù)TCP/IP協(xié)議的規(guī)定，IP包封裝模塊將已經(jīng)設(shè)置好的IP包頭數(shù)據(jù)分別寫入兩個RAM地址的0～41之中，將其作為IP包的包頭信息。完成IP包的包頭信息寫入之后，本模塊通過置位標(biāo)志位通知TS接收模塊開始工作。

2.3.2 IPCHK模塊

IPCHK模塊實現(xiàn)了IP包頭的更新功能，本模塊是在MCU接到RAM滿的信號后進(jìn)行調(diào)用。為了省去運行復(fù)雜的TCP/IP程序所用的時間，需要手動完成對IP包包頭更新以及校驗和的計算。首先IPCHK模塊會對IPID進(jìn)行刷新，之后對IPID更新后的IP包的校驗和進(jìn)行重新計算，并在計算完成之后將新的IPID檢驗和寫入RAM的12、13、18、19號地址 之中，最后通知系統(tǒng)準(zhǔn)備調(diào)用DMA模塊。

2.3.3 MAC模塊

本系統(tǒng)中，MAC模塊通過MCU接口模塊與MCU芯片進(jìn)行通信，并由MCU進(jìn)行初始化，初始化完成后對PHY芯片進(jìn)行配置，將接收到的含有TS數(shù)據(jù)的IP包發(fā)送給PHY芯片，進(jìn)而傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中。由于基于FPGA的MAC IP core已經(jīng)非常成熟，這里不再贅述。

2.4 系統(tǒng)各模塊間的通信

2.4.1 DMA控制模塊

本系統(tǒng)中PHY芯片與FPGA的數(shù)據(jù)交換是用過DMA來實現(xiàn)的，DMA模塊是在IPCHK完成后進(jìn)行調(diào)用。此時，DMA模塊根據(jù)FPGA返回的RAM片選控制信息，以DMA的方式將RAM中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)組AC中。DMA模塊使得MCU可以從數(shù)據(jù)搬用的工作中解脫出來，從而提高了程序運行的效率，防止了數(shù)據(jù)的溢出。

2.4.2 FPGA與MCU通信的實現(xiàn)

此模塊實現(xiàn)FPGA與MCU之間的通信，在本設(shè)計中主要采用的是EMIF接口的方式，與此同時我們還使用了MCU的通用I/O口，采用了以EMIF接口為主、通用I/O口為輔的混合通信方式，使FPGA與MCU之間的通信更加地靈活，邏輯框圖如圖4所示。

在本系統(tǒng)中R8051XC2提供了EMIF接口來訪問外部的數(shù)據(jù)或程序存儲器，該接口具有23bit的數(shù)據(jù)總線“memaddr”，可以訪問最大16MB的存儲空間;8bit的輸出數(shù)據(jù)總線“memdatao”和8bit的輸入數(shù)據(jù)總線“memdatai”，讀寫控制信號“memwr”和“memrd”，以及一個響應(yīng)信號“memack”。

R8051XC2為EMIF接口提供了基于三個輸入信號的等待狀態(tài)，三種信號分別為：“mempsack”主要用于外部程序存儲器;“memack”主要用于外部數(shù)據(jù)存儲器;“sfrack”主要用于外部特殊功能寄存器。這些管腳的狀態(tài)在傳輸指令或數(shù)據(jù)時被采樣，例如，在使用“memrd”和“memwr”對外部的數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫操作時，處理器會對“memack”進(jìn)行采樣來確認(rèn)外部存儲器是否已經(jīng)完成操作。還提供了一個全局等待信號“waitstate”，表示插入一個等待狀態(tài)，無論是由什么原因引起的。

控制內(nèi)部產(chǎn)生的程序或外部數(shù)據(jù)存儲器的等待狀態(tài)長度的寄存器是“ckcon”，它的值作為初始值裝入內(nèi)部等待狀態(tài)的計數(shù)器中。當(dāng)有一個外部數(shù)據(jù)存儲器的訪問初始化時，ckcon[2:0]的值被裝入內(nèi)部等待狀態(tài)計數(shù)器，這個計數(shù)器會強制將waitstate信號置1，使處理器中的寄存器和觸發(fā)器進(jìn)入等待狀態(tài)，直到計數(shù)器的值減少到0。

本文設(shè)計的系統(tǒng)在兩個不同的層次中包含兩個時鐘域，需要使用兩個PLL模塊來實現(xiàn)，其中一個在FPGA的頂層模塊中為MAC模塊和MCU接口模塊提供100MHz與80MHz的時鐘，并通過locked接口產(chǎn)生低有效的復(fù)位信號。另一個PLL模塊為FPGA提供運行時所需的時鐘信號。

2.4.3 異步時鐘域通信的實現(xiàn)

在本文介紹的系統(tǒng)中，存在著兩個時鐘域，其中TS模塊工作在標(biāo)準(zhǔn)中要求的27MHz的時鐘域中，處理器和MAC模塊工作在100MHz的時鐘域中，其中TS模塊需要和處理器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在傳輸中需要進(jìn)行異步時鐘域處理的主要包括兩種信號：一種是控制信號，另一種是數(shù)據(jù)信號。在異步時鐘域的通信中需要解決兩個問題：一是信號的同步，二是盡量減少亞穩(wěn)態(tài)的影響。

對于第一個問題，在本文中使用部分握手協(xié)議來進(jìn)行信號的同步[7]。部分握手協(xié)議的過程中，兩個通信的時鐘域不需要完全了解對方的狀態(tài)，可以按順序發(fā)送或撤銷各自的握手信號。由于雙方不需要等待對方的回應(yīng)，就可以撤銷自己的信號并繼續(xù)執(zhí)行協(xié)議，因此相對于完全握手協(xié)議，部分握手協(xié)議的穩(wěn)定性稍差，當(dāng)然可以使用更少的時間完成一次握手傳輸。根據(jù)使用的信號不同，部分握手協(xié)議又可以分為兩種。第一種為使用電平和脈沖的同步握手信號。第二種為使用脈沖的同步握手信號。在此本文使用脈沖的同步握手信號，其過程如圖6所示。

在這種握手機制中采用脈沖同步器接收通信雙方的握手信號，如果時鐘域A的時鐘頻率比時鐘域B的時鐘頻率快兩倍時，可以采用邊沿同步器來收握手信號。從圖6中可以看出，這種握手機制中，時鐘域A需要2個時鐘周期，時鐘域B需要3個時鐘周期，所耗費的時鐘周期最少。

握手機制的優(yōu)點是可以在時鐘頻率相差較大的時鐘域之間進(jìn)行通信，可以進(jìn)行多位傳輸。缺點是需要額外的多個時鐘周期完成握手的流程，降低了系統(tǒng)的效率。

對于亞穩(wěn)態(tài)的減少，使用常用的同步電路的方法來處理，同步電路的原理是降低出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的概率，由圖6中可分析出，第一個時鐘域的信號到達(dá)第二個時鐘域的第一個觸發(fā)器時，很可能無法滿足建立和保持時間，從而導(dǎo)致在觸發(fā)器的輸出端出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，當(dāng)這種狀態(tài)持續(xù)不到一個周期時，可以通過增加一級觸發(fā)器來消除該亞穩(wěn)態(tài)，這樣第二個觸發(fā)器的輸出信號就可以滿足同步信號的要求，可以達(dá)到異步電路同步化的效果[4]。

3 系統(tǒng)狀態(tài)機及各狀態(tài)說明

下面主要對執(zhí)行TS over IP操作時系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換情況進(jìn)行說明。系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如7所示。

信號說明：

wdata1,wdata2 ：RAM1和RAM2的可寫數(shù)據(jù)信號。

wchk1,wchk2 ：RAM1和RAM2的可寫包頭信息信號。

rdata1,rdata2 ：RAM1和RAM2的可讀信號。

狀態(tài)圖說明，除開始和結(jié)束狀態(tài)外，本系統(tǒng)共包含六個狀態(tài)：

1) 初始化狀態(tài)：

a) 配置本機的MAC地址，IP地址以及要發(fā)送的目標(biāo)的IP地

b) 完成硬件初始化

c) 置wdata1=1,wdata2=0,wchk1=0,wchk2=0,rdata1=0,rdata2=0

d) 跳轉(zhuǎn)到S1_1

2) S1_1：

a) 若此時wdata1=1，rdata1=1，則說明數(shù)據(jù)溢出，跳轉(zhuǎn)到溢出狀態(tài)

b) 向RAM1中寫入TS流數(shù)據(jù)

c) 數(shù)據(jù)量達(dá)到1316個字節(jié)后，置wdata1=0,wchk1=1

d) 同時處理器讀取RAM2中的數(shù)據(jù)，讀取結(jié)束時置rdata2=0

e) 跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)S1_2

3) S1_2：

a) 將修改后的包頭信息寫入RAM1中

b) 寫入完成后置wchk1=0，wdata2=1, rdata1=1

c) 通知處理器可讀取RAM1中的數(shù)據(jù)

d) 跳轉(zhuǎn)到S2_1

4) S2_1：

a) 若此時wdata2=1，rdata2=1，則說明數(shù)據(jù)溢出，跳轉(zhuǎn)到溢出狀態(tài)

b) 向RAM2中寫入TS流數(shù)據(jù)

c) 數(shù)據(jù)量達(dá)到1316個字節(jié)后，置wdata2=0,wchk2=1

d) 同時處理器讀取RAM1中的數(shù)據(jù)，讀取結(jié)束時置rdata1=0

e) 跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)S2_2

5) S2_2：

a) 將修改后的包頭信息寫入RAM2中

b) 寫入完成后置wchk2=0，rdata2=1，wdata1=1

c) 通知處理器可讀取RAM2中的數(shù)據(jù)

d) 跳轉(zhuǎn)到S1_1

6) 溢出狀態(tài)：

a) 在S1_1或S2_1狀態(tài)時，當(dāng)CPU沒有完成數(shù)據(jù)的讀取，卻要求再次寫入時，則視為數(shù)據(jù)溢出

b) 通知CPU數(shù)據(jù)溢出，并停止系統(tǒng)的運行

c) 跳轉(zhuǎn)到結(jié)束狀態(tài)

4 結(jié)論

本文闡述了一種基于FPGA和MCU芯片的TS over IP系統(tǒng)的設(shè)計方法，說明了系統(tǒng)各個部分的功能和實現(xiàn)，詳細(xì)敘述了系統(tǒng)工作流程。同時還相較以往的系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，通過使用雙RAM進(jìn)行乒乓操作存儲并轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并通過DMA的方式進(jìn)行RAM與MAC模塊數(shù)據(jù)交換等方法提高了系統(tǒng)運行效率。本系統(tǒng)在FPGA查找表(LUT)資源為6144，MCU頻率為100MHz的條件下，完成了視屏TS數(shù)據(jù)的傳輸，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率達(dá)到30Mbit/s。

同時本文還在相同的硬件條件下，對使用FIFO作為緩沖器的系統(tǒng)和本系統(tǒng)在處理不同傳輸率的TS流時的系統(tǒng)性能做了對比，其中對比的主要參數(shù)是在不同數(shù)據(jù)傳輸速率下丟包率的多少，丟包率計算方法如下：

丟包率 = (發(fā)包數(shù) — 收包數(shù))/ 發(fā)包數(shù)

對比結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，在相同的硬件條件下，改進(jìn)后的本系統(tǒng)的性能與運行效率有了明顯的提高，達(dá)到了實驗?zāi)康摹?/p>

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