基于NDK的DSP網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

杜欣慧 蔡春花

【摘要】本文針對TMS320DM642芯片上集成的以太網(wǎng)通信接口，利用NDK開發(fā)套件，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)編碼流的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓δ?。詳?xì)介紹了在TI C6000 DSP芯片上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信開發(fā)的過程，對基于NDK套件的DSP網(wǎng)絡(luò)通信功能的開發(fā)具有一定的指導(dǎo)作用。

【關(guān)鍵詞】NDK;TCP/IP;以太網(wǎng)

1.引言

隨著嵌入式智能信息終端系統(tǒng)的日漸普及和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的嵌入式設(shè)備需要進(jìn)行實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信，因此對嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信的研究已成為熱門研究對象。TI公司推出的C6000系列DSP芯片在硬件上減少了嵌入式產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用成本。而其推出的NDK（Network Development Kit）工具在軟件上加速了網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的進(jìn)程。NDK可支持常規(guī)的TCP/IP服務(wù)，因此很適合目前嵌入式系統(tǒng)的硬件環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)C6000 DSP網(wǎng)絡(luò)通信的重要支撐工具。

本系統(tǒng)基于TMS320DM642芯片的以太網(wǎng)通信接口，利用NDK網(wǎng)絡(luò)開發(fā)套件，設(shè)計(jì)開發(fā)了圖像數(shù)據(jù)經(jīng)編碼以后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，完成了基于DM642的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的功能。本文研究了如何在DM642上進(jìn)行嵌入式網(wǎng)絡(luò)功能的開發(fā)。系統(tǒng)使用的硬件平臺為TI的TMS320DM642，軟件開發(fā)環(huán)境是CCS3.1。

2.DSP網(wǎng)絡(luò)通信的硬件結(jié)構(gòu)

本文以 TI公司的TMS320DM642 DSP 作為信號處理的主芯片來構(gòu)建系統(tǒng)?；贒M642芯片的嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的主要硬件部分有：視頻輸入模塊、DSP內(nèi)核、以太網(wǎng)模塊、外部存儲模塊、JTAG調(diào)試模塊和電源模塊。

圖1為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)前端視頻輸入由視頻解碼芯片TVP5150實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集格式為YUV4：2：2，TVP5150通過數(shù)據(jù)接口與DM642的VP口連接，并向其內(nèi)部的FTFO傳送數(shù)據(jù)，當(dāng)FIFO中接收的數(shù)據(jù)達(dá)到所設(shè)定的閾值時(shí)，會觸發(fā)EDMA事件，此時(shí)EDMA將FIFO中的數(shù)據(jù)傳送到SDRAM中，當(dāng)采集完一幀圖像數(shù)據(jù)EDMA產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中應(yīng)用程序通過調(diào)用視頻驅(qū)動函數(shù)獲取當(dāng)前采集的圖像數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)定的情況完成數(shù)據(jù)處理。DM642實(shí)時(shí)處理采集的圖像數(shù)據(jù)，壓縮編碼后通過MII接口與物理層設(shè)備相連接，將壓縮的數(shù)據(jù)打包并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到PC機(jī)進(jìn)行解碼和顯示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

3.系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的軟件流程

RF5是TI公司推出的DSP軟件開發(fā)的起步代碼參考框架[1]，它以DSP/BIOS為基礎(chǔ)，很適合在C6000系列DSP芯片上開發(fā)較復(fù)雜的應(yīng)用。

本系統(tǒng)的軟件架構(gòu)利用RF5模塊運(yùn)行了四個(gè)任務(wù)線程：輸入任務(wù)、控制任務(wù)、處理任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)任務(wù)。四個(gè)任務(wù)之間通過SCOM消息隊(duì)列和郵箱（MBX）進(jìn)行通信。系統(tǒng)的軟件流程如圖2所示。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通信的軟件設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)通信的軟件實(shí)現(xiàn)主要分為三部分工作：首先編制好底層硬件驅(qū)動程序，然后在DSP/BIOS操作系統(tǒng)平臺上配置和運(yùn)行NDK的TCP/IP協(xié)議棧，最后開發(fā)用戶定制的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。

網(wǎng)絡(luò)通信的軟件結(jié)構(gòu)基于嵌入式操作DSP/BIOS和網(wǎng)絡(luò)開發(fā)包NDK工具等設(shè)計(jì)而成。如圖3所示，NDK開發(fā)套件主要是由五個(gè)部分組成[2]，對應(yīng)的函數(shù)庫分別是：NETTOOL.LIB、STACK.LIB、HAL.LIB、OS.LIB 和NETCRTL.LIB。

圖2 系統(tǒng)的軟件流程

圖3 NDK開發(fā)套件組成框圖

其中NETT OOL.LIB包含NDK提供的所有基于套接字的網(wǎng)絡(luò)功能和一些開發(fā)網(wǎng)絡(luò)程序序的其他工具。STACK.LIB是主要的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)功能庫，它包括了從頂層套接字到底層鏈路層的所有功能。HAL.LIB庫是底層硬件驅(qū)動的抽象，它負(fù)責(zé)向TCP/IP協(xié)議棧提供具體的操作接口，來控制這些外圍設(shè)備的運(yùn)行。OS.LIB庫是DSP/BIOS操作系統(tǒng)的抽象，提供與操作系統(tǒng)DSP/BIOS的接口。NETCTRL.LIB庫是協(xié)議棧的核心，它控制著TCP/IP與外界的聯(lián)系和互動，初始化TCP/IP協(xié)議棧和底層設(shè)備驅(qū)動;與底層設(shè)備驅(qū)動之間有接口并調(diào)度底層驅(qū)動事件進(jìn)入TCP/IP協(xié)議棧;退出時(shí)將系統(tǒng)配置卸載并清理驅(qū)動。

3.2.1 以太網(wǎng)硬件驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)

基于NDK開發(fā)套件的以太網(wǎng)底層驅(qū)動主要由三個(gè)部分組成[3]：網(wǎng)絡(luò)接口管理單元特定層，以太網(wǎng)微型驅(qū)動層和通用EMAC/MDIO片上支持庫層。以太網(wǎng)底層硬件的體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 以太網(wǎng)驅(qū)動層體系結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)接口管理特定層主要是作為NDK協(xié)議棧與以太網(wǎng)驅(qū)動層之間的接口。通用EMAC/MDIO片上支持庫定義了一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和API函數(shù)，用于底層驅(qū)動配置時(shí)進(jìn)行調(diào)用。以太網(wǎng)微型驅(qū)動層與具體的硬件平臺有關(guān)，其功能就是根據(jù)系統(tǒng)的需要，使用通用EMAC/MDIO片上支持庫中的API函數(shù)和相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對EMAC和MDIO模塊進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)配置和功能控制。

在網(wǎng)絡(luò)通信中，以太網(wǎng)驅(qū)動程序負(fù)責(zé)向TCP/IP協(xié)議棧提供具體的操作接口，用以控制太網(wǎng)器件的配置和運(yùn)行。

在DM642中，將EMAC控制模塊、MDIO模塊、EMAC模塊的控制寄存器通過DSP的配置總線映射到DSP存儲空間，可以通過對EMAC/MDIO模塊的寄存器組的設(shè)置、查詢等操作，實(shí)現(xiàn)約定的驅(qū)動函數(shù)的功能。

3.2.2 基于NDK的TCP/IP協(xié)議棧的配置與初始化

NDK套件的核心是TCP/IP協(xié)議棧，它也是一個(gè)分層的體系結(jié)構(gòu)。NDK網(wǎng)絡(luò)模型中的NDK/EMAC層行使了原來TCP/IP模型中的傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層的功能[5]。與常規(guī)的TCP/IP開發(fā)不同，在開發(fā)嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序時(shí)，TCP/IP協(xié)議棧必須首先進(jìn)行正確的配置和初始化。NDK提供的網(wǎng)絡(luò)控制庫是TCP/IP協(xié)議棧配置、初始化和事件調(diào)度的核心。在進(jìn)行協(xié)議棧的配置和初始化之前，首先要創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的主線程，它是網(wǎng)絡(luò)程序的入口，協(xié)議棧的配置與初始化，以及所有的網(wǎng)絡(luò)控制活動都發(fā)生在該線程中[1]。

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)的開發(fā)采用客戶端/服務(wù)器（Client/Server）模式來實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)將開發(fā)板DM642作為網(wǎng)絡(luò)通信的服務(wù)器端，將另一臺PC機(jī)作為客戶端，客戶端和服務(wù)器端都采用套接字編程。為了進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的可靠傳輸，采用可靠的面向連接的TCP協(xié)議進(jìn)行編程。開發(fā)網(wǎng)絡(luò)通信程序的過程如下：首先在網(wǎng)絡(luò)的主線程---TCP/IP調(diào)度線程中定義一個(gè)句柄對象，并在主線程中通過NDK提供的API函數(shù)TaskCreate（）創(chuàng)建一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)線程即網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器任務(wù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)事件啟動后就會執(zhí)行和調(diào)度新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器線程。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器任務(wù)與另一PC機(jī)的客戶端之間的通信過程如圖5所示：

圖5 DM642服務(wù)器端與客戶端通信的過程

首先在服務(wù)器端創(chuàng)建一個(gè)TCP型的SOCKET，通過bind（）函數(shù)將創(chuàng)建的SOCKET與本地IP地址和端口號進(jìn)行綁定。然后通過listen（）函數(shù)監(jiān)聽來自客戶端的連接請求。相應(yīng)地客戶端程序也會創(chuàng)建一個(gè)SOCKET，并用connect（）函數(shù)向服務(wù)器請求建立連接，此時(shí)服務(wù)器端的listen函數(shù)就會監(jiān)聽到來自客戶端的連接請求，服務(wù)器端用accept（）函數(shù)接受來自客戶端的連接請求，連接成功后就通過send（）函數(shù)開始向客戶端發(fā)送編碼后的圖像數(shù)據(jù)，此時(shí)客戶端就通過socket接收來自服務(wù)器端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)接收完畢后就會客戶端返回應(yīng)答消息給服務(wù)器端，這樣就完成了編碼后圖像數(shù)據(jù)的傳輸。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，通過采集圖片進(jìn)行服務(wù)器端與客戶端的通信。攝像頭為PAL制，采集的是標(biāo)清圖片，以DM642作為服務(wù)器，以PC機(jī)運(yùn)行客戶端，套接字接口緩沖區(qū)大小為5120Bytes，通過TCP模式來傳輸所采集的圖片，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

實(shí)驗(yàn)表明，TI公司的 NDK開發(fā)套件是十分方便的，性能也十分優(yōu)良、可靠，可以最大限度的節(jié)省開發(fā)時(shí)間和成本，是嵌入式 DSP 網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的上等之選。

表1 DM642 NDK網(wǎng)絡(luò)性能測試結(jié)果

5.總結(jié)

本文介紹了基于NDK的DSP網(wǎng)絡(luò)通信的硬件結(jié)構(gòu)和軟件開發(fā)流程，詳細(xì)說明了在TI C6000系列芯片上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)功能開發(fā)的一般過程。此網(wǎng)絡(luò)傳輸方案在DM642上進(jìn)行調(diào)試、運(yùn)行通過，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)的壓縮和圖片數(shù)據(jù)編碼流的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

該模型也可作為基于NDK套件網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的一個(gè)通用模型，利用此模型可以很方便地實(shí)現(xiàn)H.264、MPEG4等多種視頻編碼/解碼算法及數(shù)據(jù)流的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

實(shí)踐表明，TI公司推出的NDK網(wǎng)絡(luò)開發(fā)套件可以使技術(shù)人員快速開發(fā)基于DSP的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，而且隨著電子警察，數(shù)字機(jī)頂盒等網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹V泛應(yīng)用，集成了網(wǎng)絡(luò)模塊的視頻處理芯片將會擁有更廣闊的應(yīng)用前景。在研究TI C6000 DSP系列芯片的網(wǎng)絡(luò)通信功能的開發(fā)時(shí)，本文具有很好的指導(dǎo)意義。

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作者簡介：

杜欣慧（1985—），女，碩士研究生，主要研究方向：網(wǎng)絡(luò)安全及信息處理。

蔡春花（1987—），女，碩士研究生，主要研究方向：智能信息處理。