TM1300芯片的以太網(wǎng)通信接口的設(shè)計和實現(xiàn)

1 引言
??? TM1300是Philip公司推出的多媒體DSP，它不僅具有強大的處理能力，還具有非常友好的音頻和視頻以及SSI和PCI等I/O接口，可以根據(jù)應(yīng)用的需要靈活地構(gòu)造各種視頻通信系統(tǒng)。在本文之前，已經(jīng)有了TM1300上的H.263軟硬件平臺，并利用TM1300的SSI（通用串行口）接口輸出編碼碼流，通過兩種專門設(shè)計的外圍接口板實現(xiàn)了通過modem在電話線上的低碼率傳輸和通過E1接口在專線的高速傳輸。鑒于目前計算機網(wǎng)絡(luò)的普及和網(wǎng)上視頻業(yè)務(wù)的發(fā)展，很有必要再為TM1300視頻編碼系統(tǒng)開發(fā)一個以太網(wǎng)接口，拓寬應(yīng)用范圍。開發(fā)以太網(wǎng)接口的一種合理思路是，利用TM1300集成的PCI接口驅(qū)動專用的以太網(wǎng)接口芯片。因目前多數(shù)以太網(wǎng)接口芯片，如realtek8029，realtek8139等都是PCI接口的，可以用PCI總線將數(shù)據(jù)從TM1300傳輸?shù)竭@些專用的以太網(wǎng)接口芯片，然后由它們發(fā)送數(shù)據(jù)。而且，TM1300可以運行嵌入式操作系統(tǒng)pSOS，pSOS帶有TCP/IP協(xié)議棧，所以，可以方便地完成編碼碼流的 TCP/IP封裝。
??? 根據(jù)以上思路，我們首先進行了前期測試，證明這樣是可行的，接下來進行了電路板的設(shè)計，并順利完成了調(diào)試。目前，這個以太網(wǎng)接口已經(jīng)基本開發(fā)成功。本文將對這個設(shè)計的技術(shù)要點從硬件和軟件兩方面進行詳細介紹。
2 硬件設(shè)計
??? 系統(tǒng)框圖如圖1所示。

??? 硬件設(shè)計的重點是PCI總線接口， PCI總線根據(jù)數(shù)據(jù)位的寬度有32位和64位之分，64位的數(shù)據(jù)線對32位是兼容的。PC中常見的是32位PCI總線，它的有用引腳總數(shù)是110個，可以分成3組。第一組是基本功能信號線，包括32位共享數(shù)據(jù)地址線AD〔00..31〕、接口控制線、仲裁線、時鐘線、系統(tǒng)復位線、中斷線；第二組是附加功能信號線，包括錯誤報告線、cache功能支持線、JTAG邊界掃描線；第三組是電源線，包括設(shè)備耗電量標示線、3.3V電源線（12根）、5V電源線（13根）、地線（22根）。
??? 因為PCI的附加功能信號線支持的cache功能和JTAG邊界掃描功能8029都不具備，而且雖然8029具有奇偶校驗錯報告功能引腳，但是可以懸空不用，所以，只需要考慮第一組功能信號線的連接。
??? PCI接口的設(shè)計有以下幾個要點：
??? （1） PCI總線的仲裁。
??? 這里先說明兩個概念。首先，PCI總線是多設(shè)備共享的，由于PC里有多個PCI設(shè)備，所以需要使用仲裁器；其次，PCI設(shè)備有主設(shè)備和從設(shè)備之分，主設(shè)備可以發(fā)起PCI數(shù)據(jù)的傳送，從設(shè)備只能被動地響應(yīng)主設(shè)備的操作，對讀操作和寫操作做出響應(yīng)。PCI的仲裁引腳是REQ#和GNT#，分別稱為請求線和授權(quán)線，只有PCI主設(shè)備有這兩個引腳。REQ#和GNT#成對地連到仲裁器，設(shè)備與設(shè)備的REQ#和GNT#是互不相連的。
??? PCI總線的仲裁過程是這樣的：PCI主設(shè)備把REQ#電平拉低，表示向仲裁器請求占用總線，經(jīng)仲裁獲準后，仲裁器把這個設(shè)備的GNT#電平拉低，表示請求獲準，該設(shè)備就可以使用總線了。當它不再使用總線時，使REQ#信號變?yōu)楦唠娖?，仲裁器就不再會給它分配總線資源。在本系統(tǒng)中，TM1300是PCI主設(shè)備，8029是PCI從設(shè)備，不存在共享總線的問題，所以不需要仲裁器，可以簡單地把REQ# 和GNT#短接，相當于TM1300自己給自己授權(quán)。
??? （2） PCI_IDSEL信號線在設(shè)備的PCI配置讀寫中起關(guān)鍵作用。
??? PCI有一種特殊的讀寫周期，稱為配置讀寫，這是在系統(tǒng)引導時，還沒有給設(shè)備配置I/O或內(nèi)存地址，軟件只能通過配置讀寫訪問設(shè)備。配置讀寫有兩種，分別稱為0型和1型，采用哪一種取決于總線的硬件連接。當配置讀寫操作不經(jīng)過PCI橋時，使用0型，當要經(jīng)過PCI橋時要用1型，0型讀寫的地址直接就是總線上的地址，1型讀寫的地址則要經(jīng)過PCI橋的譯碼才成為最終的總線地址。本設(shè)計中，TM1300和8029是用PCI總線直連的，所以使用了0型配置讀寫。
??? AD〔00..31〕是PCI總線的共享地址和數(shù)據(jù)線，每一次PCI傳送都分為地址周期和數(shù)據(jù)周期。在地址周期， 0型讀寫時AD〔00..31〕的內(nèi)容如下：AD〔00〕和AD〔01〕總為“00”，因為配置讀寫是以雙字為單位的；AD〔02〕-AD〔07〕是要讀寫的PCI配置空間的寄存器號；AD〔08〕~AD〔10〕是設(shè)備的功能號，在一塊PCI卡上有多個功能設(shè)備時，為了進一步區(qū)分這些設(shè)備就要用到這幾位，8029是單功能設(shè)備，這幾位全為0；AD〔11〕-AD〔31〕是設(shè)備選擇位，其中必須有且僅有一位為"1"（如圖2所示）,物理上這表現(xiàn)為總線的AD〔11〕-AD〔31〕中有一根為高電平，如果出高電平的這根線與某塊PCI卡的PCI_IDSEL引腳相連，這塊卡就會被激活，在緊接著的數(shù)據(jù)周期，它就會將其PCI配置空間相應(yīng)寄存器的內(nèi)容放到總線上供讀取。?
??? （3）PCI_FRAME#，PCI_DEVSEL#，PCI_IRDY#，PCI_TRDY#引腳的處理。
??? 這四個引腳均是低電平有效，需要接上拉電阻，保證在設(shè)備未驅(qū)動該引腳時處于穩(wěn)定的無效狀態(tài), 上拉電阻的阻值在1kΩ到10kΩ范圍內(nèi)，阻值越小則芯片將該信號驅(qū)動為有效的時間越短，但是太小會導致電流過大，所以，要權(quán)衡考慮，本設(shè)計選用4.7kΩ。
??? 上述三點對脫機情況下PCI設(shè)備的互連具有較普遍的參考意義，除此之外，本設(shè)計還有以下幾點比較特殊：
??? ·TM1300的PCI_INTA#引腳配置為輸入，以接收8029的中斷；?
??? · PCI時鐘由TM1300提供；?
??? ·8029的復位信號也就是TM1300的復位信號，由外部電路提供；?
??? ·TM1300的PCI_STOP#，PCI_SERR#引腳懸空，因為8029不具備相應(yīng)的附加功能。另外TM1300的PCI_INTB#,PCI_INTC#,PCI_INTD#引腳可以用作用戶中斷。

3 軟件設(shè)計
??? 軟件的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。其中，TM1300運行pSOS，它是一個簡單的實時多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)，帶有pNA+網(wǎng)絡(luò)組件，pNA+相當于TCP/IP協(xié)議棧的擴展，它向上提供應(yīng)用程序編程的socket接口，向下定義了一個與網(wǎng)絡(luò)接口層交互的接口，包括8個函數(shù),分別是：ni_init（接口芯片初始化）、ni_broadcast（發(fā)送廣播分組）、ni_send（發(fā)送普通分組）、ni_getpkb（申請發(fā)送緩沖區(qū)）、ni_retpkb（歸還接收緩沖區(qū)）、ni_ioctl（I/O控制操作）、ni_pool（統(tǒng)計量查詢）、Announce（網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動調(diào)用它把接收到的數(shù)據(jù)包提交給pSOS）。網(wǎng)絡(luò)接口層在本應(yīng)用中就是8029的驅(qū)動程序，它通過硬件抽象層來驅(qū)動8029。硬件抽象層是PCI總線的配置讀寫和I/O讀寫指令集的總稱。
??? 軟件執(zhí)行的流程大致是：系統(tǒng)首先啟動pSOS,pSOS加載網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動程序，然后調(diào)用驅(qū)動程序的ni_init函數(shù)，初始化8029的PCI配置空間并設(shè)置8029的工作參數(shù)，之后啟動用戶任務(wù)。在這里，用戶任務(wù)是H.263編碼進程。它對VI口讀入的源圖像進行壓縮編碼后，調(diào)用socket的接口函數(shù)sendto（sendto是UDP套接口專用的發(fā)送函數(shù)），把碼流發(fā)送給pSOS，pSOS根據(jù)UDP協(xié)議進行封裝后，調(diào)用ni_send函數(shù)，ni_send完成數(shù)據(jù)包從系統(tǒng)主內(nèi)存到8029片上RAM的拷貝，然后啟動8029發(fā)送數(shù)據(jù)。在接收的情況下，8029收到一個完整的數(shù)據(jù)包后，用中斷通知CPU，CPU轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序?qū)?shù)據(jù)包從8029片上RAM中拷貝到系統(tǒng)的主內(nèi)存，然后調(diào)用Announce函數(shù)，把數(shù)據(jù)塊的指針，數(shù)據(jù)長度和其它信息提交pSOS，pSOS將數(shù)據(jù)包沿協(xié)議棧一層層上傳，作出相應(yīng)的處理。
??? 軟件的設(shè)計和pSOS操作系統(tǒng)的關(guān)系比較密切，限于篇幅，本文不對pSOS作詳細介紹，可以參閱參考文獻〔1〕和〔2〕的相關(guān)內(nèi)容。另外，8029驅(qū)動程序的編寫可以參照參考文獻〔3〕。本文接下來重點介紹PCI配置空間的配置過程，這部分對于類似的設(shè)計有較普遍的參考意義。
??? PCI配置空間有64個字節(jié)，PCI片內(nèi)都集成了這些寄存器,其中存儲了該芯片的廠商號、設(shè)備號、設(shè)備類型等重要代碼，還包括命令寄存器、基地址寄存器等控制其總線行為的寄存器，它們必須在設(shè)備初始化時正確配置，否則設(shè)備不能工作。
??? 對8029PCI空間的配置需要三個步驟：?
??? 首先，掃描總線，這一步的目的是找到8029的配置地址，直觀地講就是它的PCI_IDSEL引腳和哪根AD線相連，因為后續(xù)的配置寫要根據(jù)這個地址尋址。掃描總線時，要對AD〔11〕到AD〔31〕每根線進行一次掃描，如果這根AD線連接了一個PCI設(shè)備的PCI_IDSEL引腳，那么用配置讀函數(shù)讀取PCI配置空間的0號寄存器時，應(yīng)該返回該設(shè)備的設(shè)備和廠商代碼，如果這根線實際未連接設(shè)備，則返回值是0，已知8029的設(shè)備和廠商代碼是"0x802910ec",如果返回值與之相同，說明找到了8029，這時要記下這根AD線的序號。例如，我們在硬件上把8029的PCI_IDSEL和AD〔20〕相連，則掃描到的序號就應(yīng)該是“20”。
??? 其次，用配置寫函數(shù)配置I/O讀寫使能，即在command寄存器寫入“0x1”。
??? 最后，用配置寫函數(shù)配置I/O地址，即在I/O Base Adddress寄存器寫入分配給該設(shè)備的I/O地址，例如“0xe400”。程序流程圖如圖4所示。

4 調(diào)試結(jié)果
??? 根據(jù)以上設(shè)計，我們在原TM1300視頻編碼硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入了PCI接口，并編寫了pSOS下8029的驅(qū)動程序。然后，在這個硬件平臺上對8029的驅(qū)動部分進行了數(shù)據(jù)傳送測試。

??? 首先，我們用一個單獨的UDP發(fā)送任務(wù)進行發(fā)送速率測試。這個任務(wù)高速向網(wǎng)絡(luò)上的一臺PC發(fā)送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的大小是變長的。該PC接收并對丟包數(shù)進行統(tǒng)計，其結(jié)果如表1。實驗表明，在用網(wǎng)線直連的各種測試速率情況下都沒有出錯，當接入局域網(wǎng)后在發(fā)送速率為4.5Mbps時有突發(fā)的少量錯誤。由于UDP是不可靠的傳輸方式，所以這種錯誤是正常的。測試中UDP發(fā)送的最高速率可以達到5Mbps左右，它與硬件的最高速率（10Mbps）相比還有一定差距，主要原因是數(shù)據(jù)從系統(tǒng)主內(nèi)存到8029片上RAM的拷貝過程目前尚未采用DMA方式，這是需要改進的地方。
??? 然后，我們進行了編碼和傳送的聯(lián)合測試。編碼任務(wù)執(zhí)行H.263數(shù)據(jù)壓縮，然后把碼流從以太網(wǎng)接口發(fā)出，在網(wǎng)絡(luò)上的另一臺PC上接收這個碼流和進行解碼播放。通過調(diào)整編碼器的量化步長可以控制編碼的輸出碼率。在實驗環(huán)境下發(fā)現(xiàn)，在量化步長大于等于5、碼率在700kbps以下時，基本沒有丟包的情況，解碼得到的圖像比較穩(wěn)定；當量化步長進一步減小、碼率接近1Mbps時，出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，解碼的圖像出現(xiàn)彩色方塊。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為H.263編碼器對CPU資源的消耗很大，而且數(shù)據(jù)在主內(nèi)存和8029片上RAM之間的復制采用的是I/O讀寫方式，也需要一定的CPU資源，當量化步長小于5時，處理復雜度超過了CPU的能力，從而產(chǎn)生了一定的誤碼。解決問題的途徑一方面是改進數(shù)據(jù)的傳送方式（采用DMA），另一方面需要對編碼任務(wù)進行優(yōu)化。
5 結(jié)束語?
??? 本文把介紹重點放在了對于類似的設(shè)計有較普遍參考意義的部分，例如PCI總線接口的設(shè)計，PCI空間初始化的步驟等。對測試結(jié)果進行了較詳細的分析，提出了以后改進的方向。?

參考文獻?

1 倪強. 基于TM1300的視頻監(jiān)控系統(tǒng)碼率控制和遠端設(shè)備控制接口技術(shù)研究：〔學位論文〕. 南京：南京郵電學院信息工程系，2002
2 倪強，胡明. 基于PSTN的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的遠端設(shè)備.?電子工程師,2002(4): 14～16
3 ***. 計算機通信技術(shù)及其程序設(shè)計. 西安：西安電子科技大學出版社，1998