摘  要： 針對TI的TMS320C6000系列DSP芯片網絡系統進行設計，對比OSI模型闡述了NDK的TCP/IP模型，并給出了網絡硬件接口設計。根據NDK結構模型，設計網絡軟件編程。對從事DSP網絡設計的人員有一定指導作用。
關鍵詞： DSP；NDK；TCP/IP；STACK

    由于網絡的高速發展，嵌入式平臺上的網絡通信已經成為一個必要的通信模塊。TI公司( Texas Instruments)的C6000系列DSP芯片有很多都在其片上集成了以太網接口，如TMS320C6747、TMS320C6748等。結合配套的TCP/IP協議棧，可使基于數字信號處理技術的因特網終端的網絡連接成本降低50%以上。而此協議棧與NDK（Network Developer's Kit）結合在一起使用，可以縮短軟件開發周期。
    本文針對TMS320C6748芯片，對其網絡硬件進行設計，并基于NDK進行網絡軟件設計。
1 網絡模型
    國際標準化組織（ISO）于20世紀70年代提出了開放式通信系統互聯參考模型OSI（Open System Interconnection Reference Model），旨在使各種計算機在世界范圍內互聯的網絡標準框架。它劃分為物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層7個層次。物理層定義了所有電子及物理設備的規范，其中特別定義了設備與物理媒介之間的關系，包括了針腳、電壓、線纜規范、集線器、中繼器、網卡、主機適配器(在SAN中使用的主機適配器)以及其他設備的設計定義; 數據鏈路層的功能在于管理物理層的比特數據，并且將正確的數據傳送到沒有傳輸錯誤的路線中；網絡層為數據傳送的目的地尋址，再選擇出傳送數據的最佳路線；傳輸層用于控制數據流量，并且進行調試及錯誤處理，以確保通信順利。而傳送端的傳輸層會為分組加上序號，方便接收端把分組重組為有用的數據或文件；會話層用于為通信雙方制定通信方式，并創建、注銷會話(雙方通信)；表示層能為不同的客戶端提供數據和信息的語法轉換內碼，使系統能解讀成正確的數據。同時，也能提供壓縮解壓、加密解密；應用層能與應用程序界面溝通，以達到展示給用戶的目的，常見的協定有HTTP、HTTPS、FTP、TELNET、SSH、SMTP和POP3等。
    OSI是一個定義良好的協議規范集，但過于龐大復雜。因此，DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)開發了TCP/IP模型，它采用更少的層（主要是把應用層、表示層、會話層合并為應用層），更適應現實的協議。OSI模型與TCP/IP模型對比如圖1所示。

2 硬件設計
2.1 模塊介紹
    TMS320C6748的網絡模塊主要包括EMAC控制模塊、EMAC模塊和MDIO模塊，其網絡功能模塊圖如圖2所示。

    EMAC控制模塊是設備處理器與EMAC、MDIO模塊之間的主要接口，它控制網絡設備的中斷并采用8 KB的內部RAM來容納EMAC緩沖區描述符（CPPIRAM）。
    MDIO模塊的全稱是數據輸入/輸出管理模塊(Management Data Input/Output Module)，采用802.3串行管理接口來查詢和控制多達32個使用共享雙總線的以太網PHY設備。主機軟件通過MDIO模塊配置每個基于EMAC模塊的物理層自適應參數，檢索自適應參數的值,并且配置使EMAC模塊正常運作的參數。概括地說,MDIO模塊負責管理與EMAC相連的所有PHY芯片,包括對PHY芯片進行枚舉、配置和器件狀態檢測等。
    EMAC模塊的全稱是以太網媒體訪問控制模塊(Ethernet Media Access Controller Module)，它提供處理器與網絡之間的高效接口，負責以太網數據的發送與接收。TMS320C6748上的EMAC模塊支持10 Mb/s和100 Mb/s模式,工作在半雙工或全雙工模式下，同時具有硬件流控制及服務質量保證(QoS)支持。
2.2 通信接口硬件電路
    TMS320C6748支持媒體獨立接口MII(Media Independent Interface)與簡化媒體獨立接口RMII(Reduced Media Independent Interface)。以MII為例，其接口電路設計如圖3所示。

    MII接口信號線定義為：
    (1)MII_TXCLK：發送時鐘信號。所發送的時鐘是一個連續的信號，作為發送操作的定時基準，MII_TXD和MII_
TXEN信號依賴于這個時鐘信號。它由PHY產生，在10/100 Mb/s模式下啟用，當系統工作在10 Mb/s時為2.5 MHz，工作在100 Mb/s時為25 MHz。
    (2)MII_TXD[3-0]：發送數據線。包含4條數據線，是4位數據的集合。其中MTDX0是最低有效位(LSB)。信號根據MII_TXCLK同步，并且只有當MII_TXEN使能時才有效。
    (3)MII_TXEN：發送使能信號。發送使能信號表示MII_TXD生成半字節的數據可發送給PHY，由MII_TXCLK信號線驅動。
    (4)MII_COL：網絡沖突監測信號。在半雙工模式下，當檢測到網絡上的沖突時該位被置位，它會一直保持直到沖突消除，并且該信號不一定與MII_TXCLK和MII_
RXCLK同步。在全雙工模式下，該位被用于硬件流量傳輸的控制。當該位有效時，停止數據的傳輸，如果數據包正在傳輸的過程中，將完成本次傳輸。如果該位被設置為低電平，將不啟用硬件流量傳輸控制。
    (5)MII_CRS：載波感應信號。在半雙工模式下，如果PHY正在發送或者接收數據，該位會被置位。同樣它與MII_TXCLK、 MII_RXCLK不同步。在全雙工模式下，MII_CRS應保持低電平。
    (6)MII_RXCLK：接收時鐘信號。接收時鐘也是一個連續的信號，作為接收操作的定時基準，MII_RXD和MII_RXEN信號都依賴于這個時鐘信號。它是由PHY產生，在10/100 Mb/s模式下啟用,當系統工作在10 Mb/s時為2.5 MHz，工作在100 Mb/s時為25 MHz。
    (7)MII_RXD[3-0]：接收數據線。
    (8)MII_RXDV：接收數據使能。
    (9)MII_RXER：接收出錯信號。
    (10)MDIO_CLK：MDIO時鐘。MDIO的數據源于系統模塊MDIO。該時鐘頻率由MDIO控制寄存器的CLKDIV位來設置。
    (11)MDIO_D：管理數據輸入輸出。
3 軟件設計
3.1 NDK結構介紹
    網絡開發者套件（NDK）是一個開發TI嵌入式處理器網絡應用平臺，但目前僅限于TMS320C6000 DSP系列和ARM處理器。NDK的設計目的是為開發者提供一個完整的TCP/IP功能環境，縮短開發周期，降低開發難度。NDK通過編程接口與本地操作系統(DSP/BIOS)和底層硬件相互隔離，如圖4所示[1]。本地操作系統(DSP/BIOS)被抽象成一個操作系統適應層(OS Adaptation Layer)，底層硬件被抽象成一個硬件抽象層(Hardware Abstraction Layer)，兩個抽象層的函數庫分別為OS.LIB 和HAL.LIB，它們是NDK與本地操作系統和底層硬件的接口[2]。圖5為TCP/IP協議棧的結構[3]。

    STACK庫是主要的TCP/IP網絡功能庫，它包括了從底層鏈路層到上層套接口層的所有功能，該庫基于DSP/BIOS操作系統。NETCTRL庫在整個協議棧中起關鍵作用，協調操作系統和底層硬件驅動，管理所有網絡事件。NETTOOL庫提供配置網絡的各種服務[4]。
3.2 NDK編程設計
    在網絡程序執行之前，需對開發平臺進行板極初始化，并對網絡寄存器進行配置，將其作為一個鉤子函數，在DSP啟動時加載。而TCP/IP協議棧需要設置成一個主線程，并設置較高的優先級等級（可設置成等級5）。初始化及線程任務設置需要在DSP/BIOS中添加。要調用NDK庫中函數，需要添加以下庫：stack.lib、hal_timer_
bios5.lib、hal_ser_stub.lib、 hal_userled_stub.lib、os_bios5.lib、nettool.lib、netctrl.lib、miniPrintf.lib以及板極驅動庫[3]。
    在主線程中，TCP/IP協議棧需要首先進行配置并初始化，具體步驟如下：
    (1)分配一個網絡參數配置，主要包括主機名、IP地址、網關、子網掩碼、域名和DNS服務器地址等。
    (2)調用NETCTRL 庫函數NC_SystemOpen( )，并用Cfg-
New( )函數創建一個新的配置。
    (3)調用一個配置入口函數，將第一步中分配的網絡參數添加進去。如：
    CfgAddEntry(hCfg，CFGTAG_SYSINFO，CFGITEM_DHCP_
HOSTNAME，0，strlen(HostName)，(UINT8 *)HostName，0)；
    經過以上步驟，TCP/IP協議棧配置完成，然后調用NC_NetStart( )函數啟動網絡程序。注意，它的返回值是一個關閉代碼。通常該系統的關閉方式會決定協議棧是否重新啟動(例如改變配置后需要自動重啟)，一般有以下代碼：
   do
   {
    rc=NC_NetStart(hCfg，NetworkOpen，NetworkClose，
NetworkIPAddr)；
   } while(rc>0)；
    如果返回值大于0就重新啟動網絡。其中NetworkOpen函數的功能是設置網絡協議、連接端口號、連接數以及網絡連接時的回調函數。可配置如下：
   static void NetworkOpen()
   {
    hdsp_tcp=DaemonNew(SOCK_STREAMNC，0，3350，
dtask_tcp，OS_TASKPRINORM，OS_TASKSTKNORM，0，3)；
   }
    在工程設計中，如果需要多線程使用網絡收發數據，需要在線程中共享網絡文件描述符，這樣在新線程中可以像在網絡主線程中一樣使用recv( )和send( )函數來收發數據。一般來說可以使用如下代碼：
    fdOpenSession(TaskSelf() )；
    fdShare(s)；
    另外，TI提供了recvnc( )和recvncfrom( )函數，不需要拷貝數據就能直接接收，使得網絡接收數據速率大大提高，特別是網絡吞吐量比較大的應用中效果尤為顯著。如果對發送和接收緩存區有要求，需要在網絡回調函數中調用setsockopt( )函數進行設置[5]。
    經過測試，基于NDK的DSP網絡運行非常穩定、速度快、占用系統資源較少，對于需要在DSP上發送大量數據的場合非常方便。雖然采用NDK開發DSP網絡有很多優點，但必定要占用一定的系統資源，并且優先級比較高，因此實時性要求非常高的項目中，應采用其他方案。
參考文獻
[1] Texas Instruments.Getting started with the C6000 network development kit.SPRAAX4[A].2008.
[2] 劉釗江，鄭紅，吳興華，等.基于TIC6000系列DSP的網絡開發研究[J].儀器儀表用戶，2010，30(3)：60-62.
[3] Texas Instruments.TI network developer′s kit(NDK) v2.21 User′s Guide.SPRU523H[A].2012.
[4] 梁迅.基于NDK的DSP網絡編程[J].計算技術與自動化，2005，24(9)：79-81.
[5] Texas Instruments.TI network developer′s kit(NDK) v2.21 API Reference Guide.SPRU524H[A].2012.