基于以太網(wǎng)的DSP網(wǎng)絡(luò)加載技術(shù)研究

沈發(fā)江

（江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222006）

隨著以太網(wǎng)技術(shù)和DSP技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)的DSP設(shè)備已成為儀器儀表、工業(yè)控制和遠(yuǎn)程測(cè)控的重要發(fā)展方向。在以DSP為核心的應(yīng)用系統(tǒng)中，程序代碼的引導(dǎo)加載具有至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的DSP程序加載是通過硬件仿真器來完成的，但在工程應(yīng)用中，一旦系統(tǒng)組裝為成品后，再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件更新和維護(hù)時(shí)，傳統(tǒng)的加載方式就顯得十分不方便，而且該方法不能解決程序代碼的遠(yuǎn)程加載問題。因此，需要一種更加靈活、高效的程序加載方式，而基于網(wǎng)絡(luò)的DSP軟件更新就成為一個(gè)新的熱點(diǎn)。

本文介紹了DSP程序加載的基本原理，設(shè)計(jì)了DSP加MicroBlaze軟處理器的系統(tǒng)，并以TI公司的DSP為例，提出了一種基于以太網(wǎng)的DSP程序加載技術(shù)，利用網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)DSP的動(dòng)態(tài)加載及DSP資源的遠(yuǎn)程訪問，提高了軟件更新的效率及遠(yuǎn)程訪問的便利性。

1 DSP程序網(wǎng)絡(luò)加載原理概述

要實(shí)現(xiàn)DSP程序的網(wǎng)絡(luò)加載，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)有數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收，DSP的HPI主機(jī)接口控制，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器的讀寫以及程序文件的網(wǎng)絡(luò)格式轉(zhuǎn)換。具體的實(shí)現(xiàn)過程為：首先上位機(jī)工具將編譯好的程序輸出文件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分包轉(zhuǎn)換，按照網(wǎng)絡(luò)包的格式將代碼傳送給板卡的主控制器，主控制器MicroBlaze接收到數(shù)據(jù)后通過DSP的HPI接口把程序?qū)懙絻?nèi)存中，完成程序代碼的引導(dǎo)加載。同時(shí)，也可以把接收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過主控制器MicroBlaze寫入到外部Flash存儲(chǔ)器，再次上電后完成程序的加載。

要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，必須要使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，按照一定的協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的組織。目前，應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是TCP/IP協(xié)議，但由于控制器MicroBlaze自身資源有限，無法實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，再加上該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較簡單，因此本設(shè)計(jì)采用效率較高且協(xié)議簡單的UDP協(xié)議來發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。將UDP協(xié)議嵌入到主控制器MicroBlaze中，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口功能。

HPI接口是TI公司DSP留給外部主控制器訪問其資源的接口，通過HPI接口，外部主控制器能夠?qū)崿F(xiàn)DSP程序的引導(dǎo)。具體過程為：當(dāng)系統(tǒng)上電后，DSP的CPU處在復(fù)位狀態(tài)，外設(shè)部分已工作正常，外部主控制器通過HPI接口訪問DSP的所有資源，當(dāng)主控制器完成所有加載工作后，把CPU從復(fù)位狀態(tài)喚醒，開始從地址0處執(zhí)行程序。

通常DSP編譯器編譯后的程序文件一般都是COFF格式，它由多個(gè)數(shù)據(jù)段組成。其中.text通常包含可執(zhí)行代碼，.data通常包含已初始化的數(shù)據(jù)，.bss通常為未初始化的數(shù)據(jù)保留空間。通過對(duì)COFF文件結(jié)構(gòu)的分析，讀取DSP編譯產(chǎn)生的.out文件，根據(jù)文件本身攜帶的信息，直接提取生成可供下載的二進(jìn)制文件，再把二進(jìn)制文件按照UDP協(xié)議分包后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到系統(tǒng)的主控制器，即可完成DSP的網(wǎng)絡(luò)加載。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用基于DSP的主從式雙CPU，如圖1所示。選用Xilinx公司的V5系列FPGA作為系統(tǒng)的控制單元，內(nèi)部運(yùn)行嵌入式MicroBlaze處理器用來作為主機(jī)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收、解析、HPI接口的控制、Flash存儲(chǔ)器的讀寫等工作。TMS320C6713主要完成和外部信號(hào)的接口，完成信號(hào)處理算法的實(shí)現(xiàn)，可以通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)其算法程序進(jìn)行不斷的修改，以達(dá)到最佳的信號(hào)處理效果。從圖1可以看出，DSP與FPGA之間通過 HPI接口連接，DSP還負(fù)責(zé)模擬信號(hào)的采集和輸出。

圖1 基于DSP的主從式系統(tǒng)框圖

2.1.1 網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)程序的網(wǎng)絡(luò)加載需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一是模塊的網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)，使該模塊能夠接入網(wǎng)絡(luò)。在本系統(tǒng)中，為了提高靈活性并減少成本，網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)計(jì)直接通過FPGA對(duì)物理層器件的控制實(shí)現(xiàn)，然后由MicroBlaze軟核處理器完成上層協(xié)議的封裝和解析，這樣提供了FPGA對(duì)網(wǎng)絡(luò)的靈活控制，通過修改軟核處理器的程序即可完成不同協(xié)議的封裝。

FPGA通過內(nèi)部總線接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的邏輯框圖如圖2所示。FPGA通過內(nèi)部總線接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)從物理器件 MII接口的 RX_D[0：3]進(jìn)入 FPGA，根據(jù) MII的接收時(shí)序，檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀中的幀前序和幀起始符后，觸發(fā)地址產(chǎn)生邏輯，將接收到的 RX_D[0：3]和 RX_EN信號(hào)轉(zhuǎn)換為4 bit的數(shù)據(jù)寫入到2 KB的雙端口RAM中。雙端口RAM是在FPGA內(nèi)部生成的，其A端口為4 bit的數(shù)據(jù)線，B端口為32 bit的數(shù)據(jù)線，用于FPGA內(nèi)MII接收與HPI接口間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。從雙端口RAM端口A寫入數(shù)據(jù)，由B端口讀出，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后與DSP的HPI接口相連。在對(duì)DSP的HPI接口進(jìn)行配置后，網(wǎng)絡(luò)接收到的數(shù)據(jù)在FPGA軟核處理器的控制下可以寫入到DSP的內(nèi)存中，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收。

圖2 網(wǎng)絡(luò)接口和HPI接口框圖

2.1.2 HPI接口設(shè)計(jì)

TMS320C6713的HPI端口為一個(gè)16 bit寬的并行端口，此接口為主機(jī)與DSP的數(shù)據(jù)交換提供了最方便有效的方案。主機(jī)掌管著該端口的主控權(quán)，可通過HPI接口直接訪問DSP的存儲(chǔ)空間和外圍設(shè)備。主機(jī)對(duì)HPI內(nèi)存的訪問通過 HPIC（HPI控制寄存器）、HPIA（HPI地址寄存器）和HPID（HPI數(shù)據(jù)寄存器）3個(gè)專用的DSP寄存器來實(shí)現(xiàn)。主機(jī)可以對(duì)這3個(gè)寄存器進(jìn)行讀寫，而DSP只能對(duì)HPIC進(jìn)行訪問。HPID中存放的是主機(jī)從存儲(chǔ)器中讀取的數(shù)據(jù)，或者是主機(jī)向DSP存儲(chǔ)空間寫入的數(shù)據(jù)。HPIA中存放的是主機(jī)訪問的地址，HPIC中存放的是控制信息。

在FPGA中做一個(gè)HPI的控制核，可以產(chǎn)生對(duì)HPI接口的控制時(shí)序，包括地址線和讀寫信號(hào)線等控制邏輯，在軟核處理器MicroBlaze上編寫HPI接口的相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序，包括HPI接口的讀、寫操作及復(fù)位操作等函數(shù)。用戶通過調(diào)用某個(gè)HPI驅(qū)動(dòng)函數(shù)，驅(qū)動(dòng)函數(shù)轉(zhuǎn)化為底層的時(shí)序控制邏輯，就可以完成對(duì)HPI接口的訪問。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

硬件是基礎(chǔ)，軟件是核心，硬件必須搭配穩(wěn)定、高效的軟件才能組成一個(gè)完整的系統(tǒng)。根據(jù)硬件的層次結(jié)構(gòu)，加載系統(tǒng)的軟件主要完成以下功能部分的設(shè)計(jì)：上位機(jī)控制程序、上位機(jī)網(wǎng)口程序、FPGA軟核處理器網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序以及軟核處理器服務(wù)程序。

2.2.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件是用戶實(shí)現(xiàn)DSP網(wǎng)絡(luò)加載的平臺(tái)，采用C++Builder 6.0設(shè)計(jì)完成。該開發(fā)工具內(nèi)部集成了UDP協(xié)議的通信控件，只要再經(jīng)過簡單的封裝就可以形成UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序，不需要底層進(jìn)行開發(fā)。上位機(jī)控制程序?qū)ν獠捎肕DI界面，主要實(shí)現(xiàn)程序的加載、燒錄以及內(nèi)存的查看等功能。

2.2.2 底層軟件設(shè)計(jì)

底層驅(qū)動(dòng)軟件的核心是網(wǎng)絡(luò)接口的驅(qū)動(dòng)程序?？紤]到FPGA實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的簡單性和實(shí)時(shí)性的要求，選用UDP協(xié)議作為傳輸協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)封裝必然要滿足UDP協(xié)議的幀格式。數(shù)據(jù)幀中包含了7 B的幀前序和1 B的幀起始符。完整的UDP協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)如表1所示。由表可知，UDP協(xié)議是在IP協(xié)議和MAC幀格式的基礎(chǔ)上封裝的。

表1 以太網(wǎng)UDP幀結(jié)構(gòu)表

網(wǎng)絡(luò)接口的驅(qū)動(dòng)程序就是按照表1的數(shù)據(jù)包組成結(jié)構(gòu)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，分解出數(shù)據(jù)。驅(qū)動(dòng)程序包括UDP數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收和ARP數(shù)據(jù)的回復(fù)等。

2.3 網(wǎng)絡(luò)加載流程

在實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收、發(fā)以及HPI接口的控制之后，就可以實(shí)現(xiàn)DSP程序的網(wǎng)絡(luò)加載。網(wǎng)絡(luò)加載的流程圖如圖3所示，主要包括加載網(wǎng)絡(luò)硬件的驅(qū)動(dòng)、啟動(dòng)UDP服務(wù)、接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、向DSP內(nèi)存地址寫入數(shù)據(jù)、判斷數(shù)據(jù)是否接收完成、數(shù)據(jù)接收完成后喚醒DSP以及開始執(zhí)行下載的程序代碼等過程。

圖3 網(wǎng)絡(luò)加載數(shù)據(jù)流程框圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要涉及：網(wǎng)絡(luò)接口和HPI接口兩個(gè)接口，對(duì)這兩個(gè)接口的訪問控制非常重要。此外，HPI程序加載代碼的生成也非常關(guān)鍵。

3.1 網(wǎng)絡(luò)接口的實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)接口采用FPGA編寫IP核的方式來實(shí)現(xiàn)，主要是MAC層控制器的設(shè)計(jì)，其既可以集成于網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入，同時(shí)又是開發(fā)網(wǎng)橋、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的設(shè)備。整個(gè)MAC分為10個(gè)模塊，其構(gòu)成圖如圖4所示。每個(gè)模塊都完成相對(duì)獨(dú)立的一系列功能，各模塊的功能如下。

（1）PHY接口模塊。根據(jù)PHY的工作模式，將MII接口不同的數(shù)據(jù)位寬進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而提供給上層發(fā)送模塊和接收模塊統(tǒng)一的位寬。

（2）發(fā)送模塊。其主要功能是按照CSAM機(jī)制完成信道接入控制，以及將上層的待發(fā)送數(shù)據(jù)封裝成以太網(wǎng)幀的格式，為其添加前導(dǎo)碼、幀起始定界符、PAD和CRC校驗(yàn)字段并發(fā)出。

（3）接收模塊。進(jìn)行單播/組播/廣播幀的過濾，進(jìn)行CRC校驗(yàn)，濾除幀碎片，把合法的幀傳輸至上層，并在接收結(jié)束后向上層報(bào)告幀接收的狀態(tài)。

（4）流量控制模塊。完成全雙工下流量控制的功能。

（5）發(fā)送緩存/接收緩存。實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)送/接收幀緩存的管理。

（6）AHB總線接口。它為外部總線接口，完成與MicroBlaze軟核及其他AHB接口單元的通信。

（7）MII管理模塊。完成對(duì)PHY工作模式的監(jiān)控和設(shè)置。

（8）時(shí)鐘管理模塊。其產(chǎn)生不同工作模式下各個(gè)模塊的工作時(shí)鐘和時(shí)鐘使能信號(hào)。

（9）寄存器和中斷模塊。負(fù)責(zé)系統(tǒng)模式配置及中斷管理。

圖4 網(wǎng)絡(luò)接口控制器實(shí)現(xiàn)框圖

3.2 HPI接口的訪問控制

DSP引導(dǎo)配置引腳 HD[4：3]決定了 TMS320C6713的引導(dǎo)加載模式，將 DSP的 HPI接口引腳 HD[4：3]通過下拉電阻接地，即選擇HPI加載。HPI接口主要信號(hào)有HD[15：0]，并行雙向數(shù)據(jù)地址共用總線，主要傳輸控制寄存器的值、初始化訪問地址及數(shù)據(jù)；HCNTL[1：0]主要控制當(dāng)前訪問的是哪一個(gè)寄存器，當(dāng)控制線不同譯碼時(shí)可以訪問不同的寄存器；HHWIL信號(hào)用于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)線上傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)的高 16 bit還是低 16 bit；HR/W信號(hào)用于讀/寫選擇，高電平表示主機(jī)讀，低電平表示主機(jī)寫；HRDY信號(hào)用于表明HPI是否已經(jīng)準(zhǔn)備好傳輸數(shù)據(jù)，其作用是在接口時(shí)序上插入等待周期；HINT信號(hào)表示向主機(jī)發(fā)出的中斷，當(dāng)DSP需要和主機(jī)通信時(shí)，將該位置1，主機(jī)就會(huì)響應(yīng)中斷。根據(jù)上述的信號(hào)功能，MicroBlaze處理器的局部總線和HPI的數(shù)據(jù)總線相連，MicroBlaze處理器的3 bit地址線和HPI接口的控制線相連，MicroBlaze處理器映射的控制寄存器的控制位連接到片選信號(hào)。通過上述信號(hào)線的物理連接，在軟件訪問具體的地址空間時(shí)就可以譯碼出HPI接口讀寫的一系列片選、控制信號(hào)，完成對(duì)HPI接口的訪問。

3.3 HPI程序加載代碼生成

在CCS開發(fā)環(huán)境下生成的目標(biāo)文件是“*.out”，即通用目標(biāo)文件格式（COFF）。該文件可以在CCS開發(fā)環(huán)境下通過仿真器下載到DSP目標(biāo)板中運(yùn)行調(diào)試，但代碼文件并不是DSP中實(shí)際運(yùn)行的程序代碼，需要Hex工具進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后自編程序?qū)⒖蓤?zhí)行的程序代碼提取處理，可執(zhí)行的程序代碼作為數(shù)據(jù)段封裝成幀，通過以太網(wǎng)加載到TMS320C6713中。由于HPI引導(dǎo)完成后，DSP是從地址0開始執(zhí)行的，而DSP程序的入口是c_int00，因此要在地址0處添加一條跳轉(zhuǎn)指令到程序入口。在編程時(shí)要特別注意需將中斷代碼段放在存儲(chǔ)空間的0000H～01FFH。

本文提出了一種基于以太網(wǎng)的DSP程序加載技術(shù)，該技術(shù)在多DSP系統(tǒng)的程序加載及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的軟件更新等工程應(yīng)用領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)越性和較好的應(yīng)用前景。該方法已經(jīng)在某DSP信號(hào)處理系統(tǒng)中得到應(yīng)用。實(shí)際測(cè)試表明，該加載技術(shù)靈活可靠，完全滿足現(xiàn)場調(diào)試的需要。

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