摘? 要: TM1300 DSP的特點,詳細介紹了通過TM1300的PCI接口驅(qū)動以太網(wǎng)芯片實現(xiàn)以太網(wǎng)通信接口的軟件和硬件設(shè)計要點,給出了模擬數(shù)據(jù)和實際視頻壓縮碼流的傳送實驗結(jié)果。

??? 關(guān)鍵詞: PCI總線? TM1300? 以太網(wǎng)通信接口? pSOS內(nèi)核

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　　TM1300是Philips公司推出的新一代高性能多媒體數(shù)字信號處理器芯片。基于TM1300的DSP應(yīng)用系統(tǒng)適合于實時的聲音、圖像處理,可廣泛應(yīng)用于會議電視、可視電話、數(shù)字電視等,具有廣闊的應(yīng)用前景。TM1300具有強大的處理能力和非常友好的音頻和視頻以及SSI、PCI等I/O接口,可以根據(jù)需要靈活地構(gòu)造各種視頻通信系統(tǒng)。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,很有必要為TM1300視頻編碼系統(tǒng)開發(fā)一個以太網(wǎng)接口。開發(fā)以太網(wǎng)接口可以利用TM1300集成的PCI接口驅(qū)動專用的以太網(wǎng)接口芯片。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,然后由接口芯片發(fā)送數(shù)據(jù)。由于TM1300可以運行嵌入式操作系統(tǒng)pSOS,且pSOS帶有TCP/IP協(xié)議棧,因此可以方便地完成編碼碼流的TCP/IP封裝。

　　下面將從硬件和軟件二方面對設(shè)計要點進行詳細介紹。

1 TM1300及PCI總線接口

　　基于TM1300 DSP系統(tǒng)的以太網(wǎng)通信接口的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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　　在該系統(tǒng)中硬件設(shè)計的重點是PCI總線接口。PCI總線的數(shù)據(jù)位寬度有32位和64位二種,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1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(fù)位線、中斷線;第2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3組是電源線,包括設(shè)備耗電量標(biāo)示線、3.3V電源線(12根)、5V電源線(13根)和地線(22根)。

　　由于8029不具備PCI附加功能信號線支持的Cache功能和JTAG邊界掃描功能,且Realtek8029的奇偶校驗錯誤報告功能引腳可以懸空不用,因此只需要考慮第1組功能信號線的連接。

　　PCI接口的設(shè)計要點如下。

　　(1)PCI總線仲裁

　　PCI總線是多設(shè)備共享的,由于PC中有多個PCI設(shè)備,所以需要使用仲裁器。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)備發(fā)出的讀操作和寫操作命令。PCI的仲裁引腳是請求線REQ#和授權(quán)線GNT#,只有PCI主設(shè)備有這2個引腳。REQ#和GNT#成對地連到仲裁器。各設(shè)備之間的REQ#和GNT#互不相連。

　　PCI總線的仲裁過程: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(zhǔn)后,仲裁器把該設(shè)備的GNT#電平拉低,表示請求獲準(zhǔn),該設(shè)備就可以使用總線了。當(dāng)它不再使用總線時,使REQ#信號變?yōu)楦唠娖?仲裁器就不再給它分配總線資源。在本系統(tǒng)中,TM1300是PCI主設(shè)備,Realtek8029是從設(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(dāng)于TM1300自己給自己授權(quán)。

　　(2)PCI_IDSEL信號線

　　PCI有一種特殊的讀寫周期,稱為配置讀寫,它是指在系統(tǒng)引導(dǎo)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2種:0型和1型,采用哪一種取決于總線的硬件連接。當(dāng)配置讀寫操作不經(jīng)過PCI橋時,使用0型;當(dāng)要經(jīng)過PCI橋時使用1型。0型直接讀寫總線上的地址,而1型讀寫的地址則要經(jīng)過PCI橋的譯碼才能成為總線地址。本設(shè)計中,TM1300和Realtek8029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。PCI的每次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,用于區(qū)分1塊PCI卡上的多個功能設(shè)備,當(dāng)Realtek8029是單功能設(shè)備時,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”,物理上表現(xiàn)為總線的某一根為高電平。如果輸出高電平的這根線與某塊PCI卡的PCI_IDSEL引腳相連,則該卡會被激活,在隨后的數(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的引腳處理

　　PCI_FRAME#、PCI_DEVSEL#、PCI_IRDY#、PCI_TRDY#這4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)。上拉電阻的阻值為1kΩ～10kΩ,阻值越小則芯片將該信號驅(qū)動為有效的時間越短。但是阻值太小會導(dǎo)致電流過大,因此需要權(quán)衡考慮。本設(shè)計選用4.7kΩ。

　　上述3點對脫機情況下PCI設(shè)備的互連具有較普遍的參考意義。此外,本系統(tǒng)的設(shè)計還有以下特點:

??? ①TM1300的PCI_INTA#引腳配置為輸入,以接收Realtek8029的中斷。

??? ②PCI時鐘由TM1300提供。

??? ③Realtek8029的復(fù)位信號也就是TM1300的復(fù)位信號,由外部電路提供。

??? ④TM1300的PCI_STOP#、PCI_SERR#引腳懸空,因為Realtek8029不具備相應(yīng)的附加功能。

　　⑤TM1300的PCI_INTB#、PCI_INTC#、PCI_INTD#引腳可以用作用戶中斷。

2?軟件設(shè)計

　　軟件的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。其中,TM1300運行pSOS。pSOS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(dāng)于TCP/IP協(xié)議棧的擴展,向上為應(yīng)用程序提供Socket接口,向下定義了與網(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_broad-cast(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Realtek8029的驅(qū)動程序，它通過硬件抽象層來驅(qū)動Realtek8029。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。

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　　軟件執(zhí)行的流程是:系統(tǒng)首先啟動pSOS,由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Realtek8029的PCI配置空間并設(shè)置其工作參數(shù),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(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)用函數(shù)ni_send。ni_send完成數(shù)據(jù)包從系統(tǒng)主內(nèi)存到Realtek8029片上RAM的拷貝,并啟動8029發(fā)送數(shù)據(jù)。在接收情況下,8029收到完整的數(shù)據(jù)包后,用中斷通知CPU。CPU則執(zhí)行中斷服務(wù)程序,將數(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)用函數(shù)Announce,把數(shù)據(jù)塊的指針、數(shù)據(jù)長度和其他信息提交給pSOS。pSOS將數(shù)據(jù)包沿協(xié)議棧一層層上傳,作出相應(yīng)處理。

　　PCI配置空間有64B,其片內(nèi)都集成了寄存器,用于存儲該芯片的廠商號、設(shè)備號、設(shè)備類型等重要代碼。此外,還包括控制其總線行為的命令寄存器、基地址寄存器等。

　　對8029PCI空間的配置需要3個步驟:

　　(1)掃描總線,以找到8029的配置地址,即PCI_IDSEL引腳和哪根AD線相連。掃描總線時,要對AD[11]~AD[31]每根線進行掃描。如果這根AD線連接了1個PCI設(shè)備的PCI_IDSEL引腳,則用配置讀函數(shù)讀取PCI配置空間的0號寄存器時,將返回該設(shè)備的設(shè)備號和廠商代碼。如果這根線實際未連接設(shè)備,則返回值是0。

　　(2)用配置寫函數(shù)使能I/O讀寫,即在Command寄存器寫入“0x1”。

　　(3)用配置寫函數(shù)配置I/O地址,即在I/OBaseAdddress寄存器寫入分配給該設(shè)備的I/O地址,例如“0xe400”。

3?調(diào)試結(jié)果

　　在TM1300視頻編碼硬件系統(tǒng)上加入PCI接口后對pSOS下8029的驅(qū)動程序進行數(shù)據(jù)傳送測試。為進行發(fā)送速率測試,先向網(wǎng)絡(luò)上的1臺PC發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包(數(shù)據(jù)包是變長的)。該PC接收并對丟包數(shù)進行統(tǒng)計。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(dāng)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,因此這種錯誤是正常的。測試中UDP發(fā)送的最高速率可達5Mbps,這與硬件的最高速率(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的拷貝過程未采用DMA方式,這是需要改進的地方。

　　在進行了發(fā)送速率測試后,可以進行編碼和傳送的聯(lián)合測試。編碼任務(wù)執(zhí)行H.263數(shù)據(jù)壓縮,把碼流從以太網(wǎng)接口發(fā)出。網(wǎng)絡(luò)上的另一臺PC接收該碼流并進行解碼播放。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≥5、碼率在700Kbps以下時,基本不會丟包,解碼得到的圖像比較穩(wěn)定;當(dāng)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(fù)制采用的是I/O讀寫方式,也需要一定的CPU資源。當(dāng)量化步長<5時,處理復(fù)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。

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參考文獻

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