《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于TMS320VC5409的嵌入式WEB數(shù)據(jù)服務(wù)器的實現(xiàn)

2008-07-07
作者：高 翔1， 李 凌2， 劉廣存3

??? 摘 要： 設(shè)計開發(fā)了一種適用于對數(shù)據(jù)傳輸率有一定要求的WEB數(shù)據(jù)服務(wù)器系統(tǒng)。系統(tǒng)以TMS320VC5409 DSP為主處理器，通過與RTL8019AS芯片連接實現(xiàn)了以太" title="以太">以太網(wǎng)接口。完成了lwIP TCP/IP" title="TCP/IP">TCP/IP協(xié)議棧" title="協(xié)議棧">協(xié)議棧在TMS320VC5409的移植，并在應(yīng)用層" title="應(yīng)用層">應(yīng)用層實現(xiàn)了一個嵌入式WEB數(shù)據(jù)服務(wù)器。
????關(guān)鍵詞： 嵌入式WEB數(shù)據(jù)服務(wù)器? 數(shù)據(jù)采集? TMS320VC5409? lwIP? RTL8019AS

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??? 在較高速的嵌入式應(yīng)用場合，普通單片機[1]的I/O" title="I/O">I/O接口速度以及協(xié)議處理速度經(jīng)常成為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i，因而并不是一種合適的設(shè)計選擇。這些系統(tǒng)中的主處理器通常都會有較快的處理和接口速度，將這些快速接口與以太網(wǎng)控制芯片進行連接可以實現(xiàn)滿足一定數(shù)據(jù)傳輸速率要求的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。本文基于TMS320VC5409數(shù)字信號處理器[2]和RTL8019AS以太網(wǎng)控制器[3]設(shè)計了一種適用于傳輸傳感器采集到的大量數(shù)據(jù)及處理后信息的快速以太網(wǎng)接口，并在此基礎(chǔ)上通過移植與應(yīng)用lwIP TCP/IP協(xié)議棧[4]實現(xiàn)了嵌入式WEB數(shù)據(jù)服務(wù)器。
1 以太網(wǎng)控制器RTL8019AS[3]
??? 目前以太網(wǎng)技術(shù)在計算機系統(tǒng)中已經(jīng)發(fā)展到千兆位的帶寬速度，但多數(shù)以太網(wǎng)接口芯片都是通過PCI總線與CPU連接。而在嵌入式系統(tǒng)中，除非系統(tǒng)內(nèi)的高速處理器本身帶有PCI接口，一般很難直接與這類芯片進行連接。從經(jīng)濟與效率的角度考慮，嵌入式系統(tǒng)采用相對慢速的10M以太網(wǎng)接口芯片RTL8019AS是合適的。RTL8019AS是一種被廣泛應(yīng)用的廉價以太網(wǎng)接口控制器，與CPU的接口為ISA總線，可以與各類處理器的外部接口進行輕松連接。芯片的特點如下：
??? (1) 符合Ethernet II和IEEE802.3 10Base5,10Base2,10BaseT；
??? (2) 全雙工，收發(fā)速率可同時達到10Mbps；
??? (3) 內(nèi)置16KB SRAM，用于收發(fā)緩存環(huán)，降低對主處理器的速度要求；
??? (4) 支持8/16位可選寬數(shù)據(jù)總線，8條中斷申請線以及16個可選I/O基地址；
??? (5) 支持UTP、AUI和BNC接口自動檢測，另外集成的10BaseT傳輸接口支持對接收線對的自動極性校正；
??? (6) 支持4個診斷LED引腳的可編程輸出。
2 TMS320VC5409與RTL8019AS的接口
2.1 C5409外部總線接口的特點[2]
?? C5409外部總線接口是其與多種外部器件進行連接的主要通路。通過外部總線上的各種控制信號引腳，C5409可以實現(xiàn)將對外部接口的訪問映射到對數(shù)據(jù)存儲空間、程序存儲空間或I/O空間的訪問。當映射到存儲空間時，接口的數(shù)據(jù)訪問率可以達到CPU的運行頻率，即100MHz，10ns為一個訪問周期，而映射到I/O空間時，最快可以達到20ns一個訪問周期，都足夠滿足訪問ISA總線的速率要求(RTL8019AS的最快ISA I/O寫速度50MHz，讀速度更低)。只要將RTL8019AS映射在I/O空間即可。在I/O空間訪問時，除了數(shù)據(jù)和地址總線外，主要的控制信號是IS#、R/W#、IOSTRB#信號。
2.2 C5409與RTL8019AS的連接
??? 具體的接口如圖1所示。為簡化系統(tǒng)，選擇將RTL8019AS配置在跳線模式，可以直接在配置引腳處進行跳線或使用C5409的I/O引腳來模擬配置電平，這樣就省去了外接9346配置芯片的必要。需要注意的是用C5409的I/O引腳來模擬配置電平時，RTL8019AS的復位信號RSTDRV需要最后拉低，因為配置信號的狀態(tài)都是在RSTDRV的下降沿鎖定的。

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??? (1) 雖然RTL8019AS的地址總線有20根，但在不使用芯片的Boot ROM和PnP功能時，只需要其中的SA0~SA9,這樣可以保證RTL8019AS的I/O基地址為200H~300H，共占用基地址之后的32字節(jié)空間。
??? (2) 數(shù)據(jù)總線是雙向總線，需要考慮芯片間的電平匹配問題。C5409是3.3V接口器件而RTL8019AS的接口電平為5V，因此需在總線上加入一個兼容3.3V和5V電平的驅(qū)動芯片，如LVTH16245A。另外由RTL8019AS向C5409輸出的中斷和READY信號也需要通過驅(qū)動芯片進行電平匹配。中斷信號通過非門翻轉(zhuǎn)。
??? (3) 由于C5409沒有分離的讀寫控制信號，需要通過譯碼的方法來與RTL8019AS進行連接。對DSP的IS#、R/W#和IOSTRB#信號譯碼可以獲得RTL8019AS的IORB和IOWB信號，這里需要選擇快速的譯碼芯片以滿足控制信號的時序要求。
??? (4) JP拉高表示工作在跳線模式，IOCS16B拉高表示配置數(shù)據(jù)總線的寬度為16位，AEN驅(qū)動為低。RTL8019AS的復位信號RSTDRV直接以DSP的XF引腳控制。
2.3 C5409對RTL8019AS控制與讀寫
??? (1)初始化RTL8019AS。首先在寄存器頁0，通過配置三個指針寄存器BNRY、PSTART、PSTOP來定義接收緩存區(qū)環(huán)，通過配置寄存器ISR和IMR來清除使能中斷，然后在寄存器頁1配置物理地址寄存器PAR0~PAR5、多播地址寄存器MAR0~MAR7(在無需接收多播以太幀RCR寄存器的AM為0，MARx無需配置）及當前頁指針寄存器CURR，最后回到寄存器頁0，初始化數(shù)據(jù)配置寄存器DCR、接收配置寄存器RCR和發(fā)送配置寄存器TCR并向控制寄存器寫入開始命令。
??? (2)接收以太幀。芯片在接收到一個完整的以太幀并校驗正確后就會發(fā)出一個中斷并置狀態(tài)寄存器ISR和RSR的PRX位，表示正確接收到一幀以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。這時DSP就可以通過RTL8019AS的遠程DMA通道從芯片內(nèi)部的接收緩存區(qū)環(huán)中讀出以太數(shù)據(jù)幀。在每個接收到的以太數(shù)據(jù)幀之前，RTL8019AS會向這一幀的接收緩存區(qū)的頭四個字節(jié)中寫入接收狀態(tài)、下一包（即下一個以太幀）緩存區(qū)頭指針、當前接收幀的字節(jié)數(shù)等信息。在8位模式時如圖2所示。這里字節(jié)長度包括接收到的4字節(jié)校驗數(shù)據(jù)。接收過程受到三個寄存器的控制：BNRY、RBCR0和RBCR1，BNRY寄存器指向待接收數(shù)據(jù)幀在緩存區(qū)環(huán)中的首頁起始地址，而RBCR0和RBCR1指定了待接收數(shù)據(jù)的長度。DSP通過初始化這三個寄存器并向RTL8019AS發(fā)出“Remote read”命令來將數(shù)據(jù)從緩存區(qū)環(huán)讀出。Remote DMA通道會自動根據(jù)這三個寄存器來控制讀出的起始地址和長度。此外，還可以使用“Send Packet”命令來接收數(shù)據(jù)，這時BNRY、RBCR0和RBCR1寄存器是自動初始化的。

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??? (3)發(fā)送以太幀。發(fā)送過程受到四個寄存器的控制：CRDA0、CRDA1、RBCR0和RBCR1，其中CRDA0和CRDA1寄存器指向待發(fā)送數(shù)據(jù)幀將要寫入到緩存區(qū)環(huán)中的起始地址，而RBCR0和RBCR1指定了待發(fā)送數(shù)據(jù)的長度。DSP通過初始化這幾個寄存器并向RTL8019AS發(fā)出“Remote write”命令來將數(shù)據(jù)寫到緩存區(qū)環(huán)。Remote DMA通道會自動根據(jù)三個寄存器來控制寫入的起始地址和長度。為了向以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，DSP只要將控制寄存器CR的TXP置為1即可，RTL8019AS會自動完成數(shù)據(jù)的校驗并發(fā)送。
3 TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)
??? 由于嵌入式硬件上處理資源和實時性要求的限制，其TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)與在通常的計算機上實現(xiàn)是有差別的，要求占用存儲空間盡可能的小，處理速度足夠快，因此一般都要針對應(yīng)用的特點對TCP/IP協(xié)議進行必要的裁剪與優(yōu)化。
??? 較普遍的TCP/IP協(xié)議嵌入式實現(xiàn)主要有兩種方案，一是基于各種實時操作系統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧，如VxWorksμC/OS-II、μClinux、CMX-RTOS等嵌入式實時操作系統(tǒng)都內(nèi)嵌或有可配置的TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)模塊；另外一種方式是直接在嵌入式硬件上實現(xiàn)，如Microchip公司為其PIC單片機設(shè)計的TCP/IP協(xié)議棧。對一些處理任務(wù)比較簡單而且實時性要求很高的系統(tǒng)來說，直接實現(xiàn)的方式是較好的選擇。在本系統(tǒng)中，根據(jù)具體應(yīng)用的特點，選擇對開源軟件lwIP（a light-weight implementation of the TCP/IP protocol suite）[4]進行適當?shù)牟眉艉髮⑵湟浦驳紺5409 DSP上，直接實現(xiàn)了IP、ARP、TCP、ICMP協(xié)議和以太網(wǎng)驅(qū)動，代碼長度28KB，占用數(shù)據(jù)空間9KB。
??? 應(yīng)用層與lwIP協(xié)議棧的接口可以有兩種方式，一是通過調(diào)用lwIP API函數(shù)；二是直接調(diào)用協(xié)議的實現(xiàn)模塊，即使用原始API函數(shù)。lwIP API函數(shù)為上層應(yīng)用提供了使用協(xié)議棧常態(tài)的順序的編程模式，即基于“open-read-write-close”模式，這是一種類BSD socket的API。而原始API是一種基于回調(diào)（callback）機制的應(yīng)用程序接口，調(diào)用這種接口使得應(yīng)用層與lwIP協(xié)議棧聯(lián)系得更緊密，要求應(yīng)用程序員對lwIP的底層機制了解得更透徹，因此相對來說編寫程序會更困難一些，程序代碼也更難理解。然而好處也顯而易見——處理速度更快,占用內(nèi)存更小，對小型系統(tǒng)而言很有意義。
4 嵌入式WEB數(shù)據(jù)服務(wù)器應(yīng)用
??? 本系統(tǒng)通過調(diào)用協(xié)議棧的原始應(yīng)用層接口來實現(xiàn)嵌入式WEB數(shù)據(jù)服務(wù)器應(yīng)用，其原理如圖3所示。其作用是將傳感器采集到的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)處理后的信息按照預先約定的格式存儲在數(shù)據(jù)緩存中，每收到一次網(wǎng)絡(luò)上的主機發(fā)來的“Get AE”命令就將處理的結(jié)果發(fā)送出去。ae_init函數(shù)用來在初始化時啟動數(shù)據(jù)服務(wù)應(yīng)用；在建立TCP連接時ae_accept函數(shù)用來在協(xié)議控制塊PCB中注冊應(yīng)用層處理函數(shù)，每次在建立連接時都會被協(xié)議棧調(diào)用；ae_recv是實際的應(yīng)用層處理函數(shù)，在每次接收到從對應(yīng)連接上發(fā)來的應(yīng)用層命令時，協(xié)議棧都會調(diào)用它做出合適的處理和響應(yīng)，這里主要是用來向客戶端主機傳輸傳感器數(shù)據(jù)或信息。在未進行優(yōu)化的情況下，在一個正常工作（有外部Internet連接）的局域網(wǎng)內(nèi)，系統(tǒng)能達到最少110KBps的傳輸速率，基本滿足設(shè)計要求。若需進一步提高傳輸帶寬，可以應(yīng)用100M或更高速度的網(wǎng)卡芯片與DSP進行接口。

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??? 在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)以太網(wǎng)接口的主要困難:一是合適的接口芯片較少，集成的方案（即處理器內(nèi)嵌以太網(wǎng)接口）成本又相對較高；二是TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)。隨著嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的發(fā)展，第一個困難會隨著芯片技術(shù)的發(fā)展逐漸解決，而對于第二個困難，使用開源代碼是一個經(jīng)濟的合適選擇。目前，對大多數(shù)應(yīng)用來說，本文的系統(tǒng)都是一個可行的低成本方案，能夠滿足一定的數(shù)據(jù)傳輸率要求，且因為C5409 DSP接口還有帶寬裕量，系統(tǒng)具有較高的可擴展性，可以連接更快傳輸率的以太網(wǎng)芯片。本文設(shè)計的嵌入式WEB數(shù)據(jù)服務(wù)器，已在一個聲發(fā)射（AE）傳感器數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)中得到使用并達到了預期的效果。
參考文獻
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[2] ?TMS320VC5409 Fixed-point digital signal processor?datasheet. Texas Instruments Inc, 2000.
[3] ?RTL8019AS datasheet. RealTek Semiconductor Corp, 2005, 8.

[4] ?Adam Dunkels. Design and implementation of the lwIP?TCP/IP stack.http://www.sics.se/

~adam/lwip/doc/lwip.pdf, ?2001, 2.

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