《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于TMS320F2812的快速以太網(wǎng)通信系統(tǒng)平臺(tái)
摘要: 本文設(shè)計(jì)了基于DSP的快速以太網(wǎng)通信系統(tǒng)硬件平臺(tái),移植了嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS-II,并開(kāi)發(fā)了DSP系統(tǒng)中的Ax88796設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序;最后在DSP上設(shè)計(jì)了進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信所需的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件,實(shí)現(xiàn)了HTTP(網(wǎng)面瀏覽)等多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能。
Abstract:
Key words :

         本文設(shè)計(jì)了基于DSP快速以太網(wǎng)通信系統(tǒng)硬件平臺(tái),移植了嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS-II,并開(kāi)發(fā)了DSP系統(tǒng)中的Ax88796設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序;最后在DSP上設(shè)計(jì)了進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信所需的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件,實(shí)現(xiàn)了HTTP(網(wǎng)面瀏覽)等多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能。

引言

        隨著Internet應(yīng)用的日益普及,信息共享程度的不斷提高。嵌入式設(shè)備的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為必然趨勢(shì),目前市場(chǎng)上的主流嵌入式操作系統(tǒng)都包含了TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。這些商品化的TCP/IP協(xié)議棧運(yùn)行可靠、性能也非常好,但是價(jià)格較高,降低了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此,開(kāi)發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TCP/IP協(xié)議棧的要求變的日益迫切而有意義。

        本文的研究目標(biāo)是建立一個(gè)DSP系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái),實(shí)現(xiàn)DSP系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)中其他通信設(shè)備的高速數(shù)據(jù)傳輸。雖然選擇了TI公司的TMS320F2812DSP,但是本文提出的方案,具有很大程度的通用性,對(duì)其他系列的DSP或CPU系統(tǒng)也有一定的參考價(jià)值。

TCP/IP協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)

        以太網(wǎng)最典型的應(yīng)用形式是Ethernet+TCP/IP,即在由以太網(wǎng)構(gòu)建的底層傳輸網(wǎng)絡(luò)上采用已成為通用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議TCP/IP進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,這是當(dāng)今最流行,應(yīng)用最廣泛的以太網(wǎng)通信方式。

         國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)制定了開(kāi)放式系統(tǒng)互連(OSI)參考模型,將通信會(huì)話需要的各個(gè)過(guò)程劃分為7個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能層次,與OSI參考模型不同,TCP/IP模型側(cè)重于瓦連設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸,而不是嚴(yán)格的層次劃分。

         通常,OSI參考模型在從理論上解釋互聯(lián)網(wǎng)通信機(jī)制時(shí)比較適合,而TCP/IP模型則在具體的軟件實(shí)現(xiàn)中更為適合。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

         本文的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)大致分為5個(gè)層次,由下向上分別為:硬件層、設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)模塊和用戶代碼。系統(tǒng)硬件電路,包括DSP系統(tǒng)和以太網(wǎng)控制芯片Ax88796的接口電路,是系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)??焖僖蕴W(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序處于硬件抽象層,本身雖為軟件,但與硬件結(jié)合緊密,為操作系統(tǒng)提供了訪問(wèn)快速以太網(wǎng)控制芯片Ax88796或改變其工作行為的系統(tǒng)調(diào)用。μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)處于系統(tǒng)內(nèi)核,為用戶代碼統(tǒng)一管理系統(tǒng)軟硬件資源,提供用戶所需的底層服務(wù)。TCP/IP協(xié)議棧軟件為μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)通信能力。用戶代碼處理特定的應(yīng)用程序細(xì)節(jié),可以直接使用TCP/IP協(xié)議模塊提供的API函數(shù),開(kāi)發(fā)基于以太網(wǎng)的通信項(xiàng)目。

2系統(tǒng)硬件框圖

       系統(tǒng)硬件包括TMS320F2812與IS61LV51216存儲(chǔ)器芯片的接口電路、TMS320F2812與快速以太網(wǎng)控制芯片Ax88796的接口電路。系統(tǒng)的軟件代碼在調(diào)試階段存放在擴(kuò)展的RAM中,脫機(jī)運(yùn)行后,用于存儲(chǔ)傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù),故擴(kuò)展了512KB。使用了ISSI公司生成的IS61LV51216存儲(chǔ)器芯片。以太網(wǎng)控制芯片Ax88796通過(guò)ISA接口與DSP相連,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隔離器16ST8515后,接入以太網(wǎng)絡(luò)中。電源監(jiān)控電路在系統(tǒng)電源電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí),給DSP系統(tǒng)提供復(fù)位信號(hào),使系統(tǒng)程序重新初始化并運(yùn)行,避免出現(xiàn)不可預(yù)知的錯(cuò)誤。



3 DSP系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
①系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)


        為了降低芯片功耗,TMS320F2812采用1.8V(1.9V@150MHz)內(nèi)核電壓,但GPIO、FLASH等模塊采用3.3V供電。本課題選用TI公司的TPS767D301電源芯片。該芯片輸出兩路電壓,一路3.3V,另一路1.5~5.5V可調(diào),支持1A電流輸出。系統(tǒng)中DSP芯片正常工作下消耗電流230mA,以太網(wǎng)接口芯片最大消耗電流120 mA,RAM最大消耗電流180mA,系統(tǒng)總功耗為530mA,故TPS767D301能滿足系統(tǒng)要求。

②系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)的時(shí)鐘電路有兩種方案可選擇,一種是使用外部時(shí)鐘源,即有源晶振。另一種是使用DSP內(nèi)部的振蕩驅(qū)動(dòng)電路,外接一個(gè)晶體和兩個(gè)電容。有源晶振的特點(diǎn)是不需要芯片內(nèi)部振蕩器,加上額定的電壓就能輸出規(guī)則的方波,缺點(diǎn)是輸出波形只能是固定的兩個(gè)電壓值:低電平(0V)和高電平(輸入供電電壓),另外器件成本高。外接晶體的特點(diǎn)是使用芯片內(nèi)部振蕩電路,輸出的波形為正弦波,波形幅度由控制器決定,不存在電壓匹配的問(wèn)題。

        TMS320F2812的I/O引腳一般為3.3V,但時(shí)鐘輸入腳卻是個(gè)例外,只能承受1.8V/1.9V的輸入電壓,而1.8V/1.9V的有源晶振市場(chǎng)上罕有出售,故采用無(wú)源晶振。

③復(fù)位電路設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)中有兩個(gè)芯片需要復(fù)位信號(hào):DSP芯片和以太網(wǎng)控制芯片Ax88796。但二者對(duì)復(fù)位信號(hào)的要求各不相同,DSP是低電平復(fù)位,而Ax88796是高電平復(fù)位,故采用TI公司的專用復(fù)位芯片TPS3307。該芯片具有上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位和電源監(jiān)控三項(xiàng)功能。電路如圖2所示。

        上電復(fù)位電路保證系統(tǒng)在上電200ms后自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào),使DSP進(jìn)入正常的程序入口,Ax88796初始化內(nèi)部寄存器。手動(dòng)復(fù)位的功能是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)程序跑飛或需要系統(tǒng)重新初始化并運(yùn)行時(shí),按下復(fù)位按鍵產(chǎn)生復(fù)位信號(hào),使DSP進(jìn)入正常的程序入口。

④系統(tǒng)RAM擴(kuò)展

         TMS320F2812內(nèi)部已經(jīng)集成了18KB的RAM,對(duì)于一般的應(yīng)用來(lái)說(shuō),已經(jīng)無(wú)須再擴(kuò)展外部RAM。但是片內(nèi)RAM能以150MIPS的速度進(jìn)行訪問(wèn),在對(duì)運(yùn)算速度要求很高的處理程序中,通常將經(jīng)常訪問(wèn)的程序段放到內(nèi)部RAM中運(yùn)行,這樣能大大提高運(yùn)行速度,因此片內(nèi)RAM顯得格外寶貴。而且本系統(tǒng)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng),將來(lái)會(huì)用于進(jìn)行大量圖像的網(wǎng)絡(luò)傳輸,因而也要求外括RAM用于存放圖像文件。

         RAM選用ISSI公司的IS61LV51216,存儲(chǔ)容量為512K×16位,3.3V的供電電壓,訪問(wèn)速度有8ns、10ns、12ns、15ns可選擇。當(dāng)CPU運(yùn)行在150MHz的時(shí)候,地址和數(shù)據(jù)的最小有效時(shí)間為3個(gè)時(shí)鐘周期,即20ns,所以該存儲(chǔ)器接口不用考慮時(shí)序設(shè)計(jì)的問(wèn)題。

4快速以太網(wǎng)硬件接口設(shè)計(jì)

         Ax88796內(nèi)部集成有10/100Mb/s自適應(yīng)的物理層收發(fā)器和8K×16位的SRAM,支持MCS-51系列、80186系列、ISA以及MC68K系列等多種CPU總線類型。Ax88796提供基于IEEE802.3/IEEE 802.3u局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的10Mb/s和100Mb/s以太網(wǎng)控制功能,并采用IEEE 802.3u兼容的媒質(zhì)無(wú)關(guān)接口MII(Media Independent Interface)。此外,Ax88796還提供可選的標(biāo)準(zhǔn)打印接口,用于連接打印設(shè)備或作通用I/O端口。

①Ax88796的ISA接口設(shè)計(jì)

        Ax88796有兩個(gè)輸入引腳CPU[1:0]設(shè)置不同的工作模式,用于和不同的CPU總線相連。在與TMS320F2812連接時(shí),將CPU[1:0]都拉低,設(shè)置為ISA總線接口。Ax88796的地址總線SA與數(shù)據(jù)總線SD分別與TMS320F2812的地址/數(shù)據(jù)總線相連,TMS320F2812通過(guò)I/O讀寫Ax88796的寄存器來(lái)控制其狀態(tài),通過(guò)遠(yuǎn)程DMA FIFOs與Ax88796的內(nèi)部SRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。Ax88796的基地址默認(rèn)值200H,所以基地址范圍為200H~21FH。Ax88796的ISA接口有10根地址線,SA[9:0]。

②Ax88796電源設(shè)計(jì)

        Ax88796具有多種電壓類型:VDD、VDDA、VDDPD和VDD0,分別為芯片內(nèi)部的數(shù)字電路、模擬電路、相位偵測(cè)模塊、收發(fā)器驅(qū)動(dòng)模塊提供電源。雖然同為3.3V電壓,但為了防止各個(gè)模塊通過(guò)電源線發(fā)生串繞,要求各電源獨(dú)立供電,于是設(shè)計(jì)了電源隔離、濾波電路,將系統(tǒng)的3.3V供電電壓,通過(guò)LC濾波分為Ax88796所需的四路電壓。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

       除應(yīng)用層用戶程序外,系統(tǒng)軟件可看做操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的功能擴(kuò)展:Ax88796驅(qū)動(dòng)程序屏蔽底層硬件,為操作系統(tǒng)擴(kuò)展了訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的能力;TCP/IP協(xié)議軟件為操作系統(tǒng)擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)通信能力。

TCP/IP通常被劃分為一個(gè)四層協(xié)議系統(tǒng),每一層負(fù)責(zé)不同的功能。

·接口層:Ax88796的驅(qū)動(dòng)程序,直接訪問(wèn)Ax88796硬件設(shè)備,控制Ax88796的行為模式。
·網(wǎng)絡(luò)層:處理分組在網(wǎng)絡(luò)中的活動(dòng),例如分組的選路。
·運(yùn)輸層:為兩臺(tái)主機(jī)上的應(yīng)用程序提供端到端的通信。
·應(yīng)用層:負(fù)責(zé)處理特定的應(yīng)用程序細(xì)節(jié)。

在DSP上實(shí)現(xiàn)的100M快速以太網(wǎng)通信,關(guān)鍵要考慮兩個(gè)方面:

·如何控制硬件設(shè)備將數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)中(或者將以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)接收到DSP內(nèi))。
·如何生成待發(fā)送的數(shù)據(jù)(或者如何解釋接收到的數(shù)據(jù))。

二者分別由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和TCP/IP協(xié)議軟件解決。

本系統(tǒng)的軟件部分包含3個(gè)方面:快速以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序、μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議棧軟件。

2快速以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

①Ax88796的寄存器

        Ax88796的寄存器映射在從基地址200H到21FH地址空間內(nèi),共32個(gè)地址空間,因此Ax88796采取了分頁(yè)機(jī)制,各寄存器分別存放在不同寄存器頁(yè)內(nèi)。 

        對(duì)Ax88796的寄存器進(jìn)行正確的設(shè)置是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ),下面是幾個(gè)重要寄存器:

·CR(命令寄存器):用于選擇寄存器頁(yè),啟動(dòng)和停止網(wǎng)卡。

·ISR(中斷狀態(tài)寄存器):反映Ax88796當(dāng)前狀態(tài),CPU通過(guò)讀取它判斷引起中斷的原因。

·DCR(數(shù)據(jù)控制寄存器):字節(jié)順序、DMA字節(jié)/字傳輸模式選擇。

·PSTART、PSTOP、BNRY、CPR:這四個(gè)寄存器與接收緩沖區(qū)有關(guān)。PSTART設(shè)置起始頁(yè),PSTOP設(shè)置停止頁(yè),這兩個(gè)寄存器設(shè)置了接收緩沖區(qū)的首尾。BNRY指示最后一個(gè)被取走的緩沖區(qū)頁(yè),CPR指示第一個(gè)用于接收的緩沖區(qū)頁(yè)。

·TPSR、TBCR0、TBCR1:這三個(gè)寄存器與發(fā)送緩沖區(qū)有關(guān)。TPSR設(shè)置發(fā)送緩沖區(qū)的起始頁(yè),TBCR0、TBCR1設(shè)置發(fā)送字節(jié)數(shù)。

·RSAR0、RSAR1、RBCR0、RBCR1:Ax88796通過(guò)遠(yuǎn)程DMA和系統(tǒng)交換數(shù)據(jù),前兩個(gè)寄存器設(shè)置遠(yuǎn)程DMA的起始地址,后兩個(gè)設(shè)置遠(yuǎn)程DMA數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。

②接收過(guò)程

        接收數(shù)據(jù)幀的過(guò)程涉及到的寄存器主要有兩個(gè):CPR和BNRY。CPR寄存器指向新接收到的數(shù)據(jù)幀要存放的起始頁(yè)地址,作為本地DMA的寫指針;BNRY寄存器指向還未讀取的數(shù)據(jù)幀的起始頁(yè)地址,作為遠(yuǎn)程DMA的讀指針。當(dāng)CPR追上BNRY時(shí),表示接收緩沖區(qū)已滿,后續(xù)的數(shù)據(jù)幀將會(huì)被丟棄;當(dāng)BNRY追上CPR時(shí),表示接收緩沖區(qū)已空。

③發(fā)送過(guò)程

         發(fā)送過(guò)程比較簡(jiǎn)單,發(fā)送過(guò)程的流程如圖3所示。 
3嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS-II的移植

       所謂移植,就是使μC/OS-Ⅱ內(nèi)核能在某個(gè)微處理器或微控制器上運(yùn)行。為了方便移植,大部分的μC/OS-Ⅱ代碼是用C語(yǔ)言寫的;但仍需要用C和匯編語(yǔ)言寫一些與處理器相關(guān)的代碼,這是因?yàn)樵谧x寫處理器寄存器時(shí)只能通過(guò)匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此要使μC/OS-Ⅱ正常運(yùn)行,處理器必須滿足以下要求:

·處理器支持中斷,并且能產(chǎn)生定時(shí)中斷(通常在10~1kHz之間)。
·使用C語(yǔ)言可以打開(kāi)和關(guān)閉處理器的中斷。
·處理器支持能夠容納一定量數(shù)據(jù)的硬件堆棧。
·處理器有將堆棧指針和其他寄存器讀出和存儲(chǔ)到堆棧或內(nèi)存中的指令。

μC/OS-Ⅱ的移植工作主要包括兩個(gè)內(nèi)容:

·OS_CPU_C.C文件中的一個(gè)C語(yǔ)言函數(shù)
·OS_CPU_A.ASM文件中的四個(gè)匯編語(yǔ)言函數(shù)

由于篇幅有限,這里就不詳細(xì)說(shuō)明這兩個(gè)文件的具體編寫了。



4 TCP/IP協(xié)議棧的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
①網(wǎng)絡(luò)接口層模塊

        網(wǎng)絡(luò)接口層模塊包含Ax88796設(shè)備驅(qū)動(dòng)、緩沖區(qū)管理和接口調(diào)度三方面。定義了網(wǎng)絡(luò)接口抽象模型,屏蔽了網(wǎng)絡(luò)物理細(xì)節(jié),使上層軟件能使用相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作用于不同的物理網(wǎng)絡(luò)。

②ARP模塊

         ARP脅議將上層的協(xié)議地址(IP地址)與底層的硬件地址進(jìn)行映射,從而形成了只能使用IP地址的上層軟件和只能使用物理地址的下層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之間的分界線。ARP模塊處理來(lái)自于網(wǎng)絡(luò)的ARP數(shù)據(jù)分組,更新和維護(hù)ARP高速緩存,并為發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)提供相應(yīng)的硬件地址綁定。

③ICMP模塊

       ICMP協(xié)議內(nèi)容比較豐富,最常用的就是PC上ping程序所實(shí)現(xiàn)的回送請(qǐng)求和回送應(yīng)答功能。本課題中,主要就是實(shí)現(xiàn)了回送應(yīng)答功能,這樣用戶可以使用PC探測(cè)DSP是否網(wǎng)絡(luò)暢通,其他功能目前暫時(shí)預(yù)留,待將來(lái)升級(jí)。

④IP模塊

        IP模塊是整個(gè)協(xié)議棧的中心環(huán)節(jié),它接收來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的輸入數(shù)據(jù)報(bào),同時(shí)也接收來(lái)自上層協(xié)議的輸出數(shù)據(jù)報(bào),IP為數(shù)據(jù)報(bào)選擇路由,或者將其發(fā)往一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口,或者將其交給本機(jī)的上層協(xié)議軟件(回環(huán))。

⑤TCP模塊

        TCP為不可靠的IP連接提供可靠的、具有流量控制的、端到端的數(shù)據(jù)傳輸。TCP模塊中包含三個(gè)關(guān)鍵過(guò)程:數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出和超時(shí)重發(fā)。自適應(yīng)重發(fā)機(jī)制是TCP的核心組成部分,自適應(yīng)的修改連接的平均往返時(shí)間。

⑥UDP模塊

       UDP協(xié)議提供無(wú)連接的通信,相對(duì)于TCP協(xié)議,它非常簡(jiǎn)單。雖然UDP不能保證可靠性,但是效率非常高。

⑦Socket接口模塊

        Socket模塊主要是為了封裝底層協(xié)議軟件,使得用戶在DSP上開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)程序更加方便。

系統(tǒng)測(cè)試舉例

          Internet Explorer(IE)是Windows操作系統(tǒng)內(nèi)嵌的網(wǎng)頁(yè)瀏覽器。Web(網(wǎng)頁(yè))是這個(gè)信息共享社會(huì)使用最廣泛的信息組織形式。通過(guò)往DSP軟件中添加Web服務(wù)功能,可以使本系統(tǒng)能夠更好的融入Internet之中,用戶可以通過(guò)IE瀏覽器直接對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置和查看系統(tǒng)的反饋數(shù)據(jù)。打開(kāi)IE瀏覽器,在地址欄鍵入"192.168.8.66",即可訪問(wèn)預(yù)存在DSP系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集頁(yè)面。



結(jié)束語(yǔ)
          測(cè)試表明本系統(tǒng)完全滿足了網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)所具備的各項(xiàng)功能,它將DSP的強(qiáng)大運(yùn)算處理能力和Internet聯(lián)系起來(lái),使得DSP系統(tǒng)不再是"信息孤島",能夠方便的與網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備進(jìn)行信息共享,進(jìn)一步擴(kuò)展DSP的應(yīng)用前景。
 

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