TMS320C6416程序以太網(wǎng)遠程更新技術(shù)研究

2014-06-30 18:38:22陳紹煒魏剛王子

現(xiàn)代電子技術(shù) 2014年12期

陳紹煒　魏剛　王子

摘要：針對脫離調(diào)試器下，DSP遠程軟件維護和升級問題，從TI C6000系列DSP程序自加載原理出發(fā)，提出了一種基于簡單文件傳輸協(xié)議（TFTP）和可用于無操作系統(tǒng)平臺的程序遠程更新方案，給出了系統(tǒng)軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)，重點設(shè)計了程序加載更新的過程，并通過移植輕型TCP/IP協(xié)議棧（LwIP），實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在DSP平臺下的高效穩(wěn)定嵌入。工程實踐表明，該方案優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對系統(tǒng)資源的開銷，提高了DSP下以太網(wǎng)功能開發(fā)的靈活性，有益于系統(tǒng)性能的提升和改進。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理器；遠程加載；輕型TCP/IP協(xié)議棧；簡單文件傳輸協(xié)議； TMS320C6416

中圖分類號： TN711?34； TP368.1 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）12?0125?04

Abstract：In view of remote software maintenance and update of DSP without debugger， a scheme of remote update for DSP program which is based on trivial file transfer protocol （TFTP） and can be applied to a platform without operation system is proposed according to bootloading principle of TI C6000 series DSP. A hierarchical structure of system software design laying emphasis on the procedure of program loading and updating is presented. High efficiency and stability embedding of the network protocol is realized in DSP platform by transplanting the lightweight TCP/IP stack （LwIP）. Project practice indicates that the scheme optimizes the expense of system resource from network protocol， improves the flexibility of Ethernet development on DSP， and is beneficial to promote the system performance.

Keywords： DSP； remote loading； LwIP； TFTP； TMS320C6416

隨著DSP在航空航天、通信、汽車電子、工業(yè)儀器儀表、圖形圖像處理等領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入，DSP軟件的遠程維護和升級也逐漸成為工程應(yīng)用的研究熱點。

文獻[1]提出了一種基于以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議的遠程更新方案，給出了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計流程。但該文并未給出DSP下TCP/IP協(xié)議的嵌入細節(jié)，缺少具體的工程實現(xiàn)方法，其所設(shè)計的自加載引導(dǎo)過程也不能直接應(yīng)用于需二次加載的C6000系列DSP。文獻[2]也提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)的遠程加載方案，文中給出了C6000系列DSP二次加載過程，但該方案的以太網(wǎng)功能開發(fā)基于TI提供的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)套件NDK（Network Developer′s Kit），僅適用于內(nèi)部集成以太網(wǎng)控制器的DSP型號。文獻[3]提出了一種基于HPI引導(dǎo)方式的以太網(wǎng)遠程加載方案，但該方案要求系統(tǒng)必須具有主從式雙DSP處理器。

本文在深入分析C6000系列DSP自加載原理的基礎(chǔ)上，針對大部分DSP內(nèi)部未集成以太網(wǎng)控制器，并采用ROM引導(dǎo)方式和不運行操作系統(tǒng)的應(yīng)用前提，以最大限度減小以太網(wǎng)協(xié)議對系統(tǒng)的開銷為原則，充分發(fā)揮LwIP協(xié)議?？梢栽跓o操作系統(tǒng)平臺上獨立運行的優(yōu)勢，設(shè)計了基于LwIP協(xié)議棧內(nèi)核和TFTP協(xié)議的以太網(wǎng)遠程程序更新方案，詳細地給出了系統(tǒng)軟件設(shè)計層次和以太網(wǎng)協(xié)議的嵌入細節(jié)，并分析了該方案在提升系統(tǒng)性能上的優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示。該系統(tǒng)以TMS320C6416為核心，通過串口完成上位機與DSP之間控制信息的交互，利用以太網(wǎng)口實現(xiàn)用戶程序的遠程傳輸。上位機采用TFTP協(xié)議將用戶程序傳輸給遠端DSP，DSP接收更新程序并將其寫入FLASH指定區(qū)域，再次上電后更新程序自動被加載至片內(nèi)RAM或片外SDRAM運行。TMS320C6416是由TI公司推出的高性能定點數(shù)字信號處理器，具有2個EMIF接口，64位數(shù)據(jù)寬度的EMIFA和16位數(shù)據(jù)寬度的EMIFB，共1 280 MB可分配地址的外部存儲器擴展空間，可支持異步存儲器（SRAM，EPRAM）和同步存儲器（SDRAM，SBSRAM， ZBT SRAM，F(xiàn)IFO）的無縫連接。其中，EMIFA又分為4個256 MB空間，EMIFB分為4個64 MB空間[4?5]。本系統(tǒng)中，UART 控制器芯片[6]、FLASH芯片[7]、以太網(wǎng)控制器芯片[8]均使用EMIFB接口與DSP連接，并分別映射于EMIFB的CE0，CE1，CE2空間。

以太網(wǎng)控制器芯片選用DM9000A，其數(shù)據(jù)總線工作于16位操作模式，TMS320C6416 EMIFB接口的CE2作為DM9000A的片選信號，地址線BEA01接DM9000A的CMD引腳，故DSP訪問DM9000A地址端口和數(shù)據(jù)端口的內(nèi)存映射分別為0x68000000，0x68000002。

系統(tǒng)涉及兩級外部中斷：UART接收中斷和DM9000A接收中斷，兩級中斷源分別與TMS320C6416的EXT_INT4，EXT_INT7引腳相連[9]。

TMS320C6416具有可配置的設(shè)備端格式，即大端格式（Big Endian）和小端格式（Little Endian），可通過BEA20引腳上電時的電平?jīng)Q定。硬件設(shè)計選用小端格式作為主機字節(jié)序。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了方便系統(tǒng)軟件的維護和擴展，軟件設(shè)計采用模塊化、層次化體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法，其層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。硬件驅(qū)動層主要涉及各硬件模塊初始化操作，使DSP能夠通過EMIFB總線正確訪問外設(shè)，實現(xiàn)DM9000A，TL16C752B的基本收發(fā)功能，從而為上層應(yīng)用屏蔽底層硬件的相關(guān)細節(jié)?？刂茖又饕?fù)責(zé)上位機與DSP之間控制信息的交互，上位機發(fā)送程序遠程更新命令并響應(yīng)DSP發(fā)送的文件接收完成和FLASH燒寫完成的回告信息。數(shù)據(jù)處理層主要負(fù)責(zé)將以太網(wǎng)口接收的更新程序?qū)懭隖LASH的指定位置。引導(dǎo)層和以太網(wǎng)協(xié)議層為系統(tǒng)軟件設(shè)計的核心，文中對其功能實現(xiàn)做出深入探討。

2.1 引導(dǎo)層設(shè)計

TMS320C6416提供三種上電引導(dǎo)模式：No Boot引導(dǎo)、HPI引導(dǎo)以及EMIFB 8位ROM引導(dǎo)[10]。引導(dǎo)模式的選擇由引腳BEA[19：18]上電時的電平?jīng)Q定。對于大部分應(yīng)用，ROM引導(dǎo)是較為普遍的選擇模式。在該引導(dǎo)方式下，DSP上電后位于CE1起始1 KB空間的ROM程序首先通過EDMA被復(fù)制到RAM地址0處，CPU退出復(fù)位狀態(tài)后，執(zhí)行地址0處的指令。當(dāng)用戶程序的長度超過1 KB，則需要采用二次加載方式，即首先復(fù)制并運行二次加載程序，二次加載程序?qū)⒑罄m(xù)用戶程序復(fù)制到RAM運行。

本文設(shè)計的遠程加載方式如圖3所示，該方式也基于ROM引導(dǎo)方式，但對其做出了改進。二次加載程序和用戶程序之間增加了串口監(jiān)控、以太網(wǎng)協(xié)議和FLASH編程程序，因而整個引導(dǎo)過程需完成三次加載：一次加載過程如前所述，二次加載將上述增加的程序復(fù)制到RAM指定區(qū)域，而用戶程序的加載和運行取決于串口命令，即第三次加載。由于在引導(dǎo)階段，C語言環(huán)境還未初始化，二次加載程序只能使用匯編語言進行編程[11?13]，且需編程實現(xiàn)以下過程：

（1）配置EMIF總線接口以訪問外部FLASH，RAM存儲器，如果片內(nèi)RAM空間滿足程序運行要求，則可以不配置外部RAM接口。

（2）將已經(jīng)初始化的數(shù)據(jù)段從片外FLASH復(fù)制到段運行地址所描述的RAM存儲區(qū)。

（3）程序跳轉(zhuǎn)至_c_int00（）函數(shù)。

要實現(xiàn)上述第二個過程需創(chuàng)建段復(fù)制表，段復(fù)制表用于描述段加載地址、運行地址以及段長度。對于non?BIOS應(yīng)用，通?？赏ㄟ^三種方法創(chuàng)建段復(fù)制表：查詢.map文件，使用hex轉(zhuǎn)換工具的_boot參數(shù)[14]，使用關(guān)聯(lián)操作符LOAD_START，RUN_START，SIZE。

如以下代碼所示，本設(shè)計使用關(guān)聯(lián)操作符創(chuàng)建段復(fù)制表，首先在cmd文件中的.text段包含以上操作指令，編譯鏈接后，變量_text_load_start為.text段的加載地址，_text_run_start為.text段的運行地址，_text_size為.text段的段長度：

LOAD_START（_text_load_start），

RUN_START（_text_run_start），

SIZE（_text_size）

更新cmd文件后，需要在二次加載代碼中將上述鏈接參數(shù)定義為全局變量，并將這些參數(shù)添加到段復(fù)制表中，具體代碼如下所示：

.global _text_size

.global _text_run_start

.global _text_load_start

COPY_TABLE：

.word _text_size

.word _text_run_start

.word _text_load_start

三次加載程序可使用C語言編寫，其通過以下兩個過程完成用戶程序的加載和運行：

（1）將用戶程序從片外FLASH復(fù)制到片內(nèi)RAM，RAM的起始地址可由用戶指定，但與引導(dǎo)程序的運行地址不能重疊。

（2）跳轉(zhuǎn)至用戶程序的_c_int00（）函數(shù)。用戶程序運行的入口地址并非是步驟（1）中所指定的RAM起始地址，而是_c_int00（）函數(shù)的入口地址，程序需跳轉(zhuǎn)至該地址處運行，具體實現(xiàn)如下所示：

run=（void（*）（））NewprogramRun；

（*run）（）；

其中，NewprogramRun為用戶程序_c_int00（）函數(shù)入口地址的宏定義。

2.2 以太網(wǎng)協(xié)議層設(shè)計

本系統(tǒng)以太網(wǎng)功能的開發(fā)受限于兩個前提條件：DSP可能不運行操作系統(tǒng)；作為DSP上電啟用的引導(dǎo)程序其對系統(tǒng)內(nèi)存資源的開銷不能過大。因此，本系統(tǒng)以太網(wǎng)協(xié)議軟件設(shè)計基于LwIP協(xié)議棧。LwIP是TCP/IP協(xié)議一種獨立、簡單的實現(xiàn)，它在保證嵌入式系統(tǒng)擁有完整TCP/IP功能的同時，又能減少協(xié)議棧對系統(tǒng)資源的消耗，并能在無操作系統(tǒng)平臺下獨立運行。

結(jié)合本系統(tǒng)的實際應(yīng)用需求，DSP與上位機之間為點對點傳輸，傳輸數(shù)據(jù)量較小，因此DSP采用靜態(tài)IP地址，不啟用DHCP功能，傳輸層使用UDP協(xié)議，應(yīng)用層采用TFTP協(xié)議以進一步減小DSP的內(nèi)存開銷。

LwIP提供三種用戶編程接口方式：raw/callback API，sequential API和BSD?style socket API[15]。由于sequential API和BSD?style socket API的實現(xiàn)要求應(yīng)用程序必須支持多線程，而本系統(tǒng)的DSP平臺不運行操作系統(tǒng)，故選用raw/callback API編程方式。在該編程方式下，應(yīng)用程序與協(xié)議棧內(nèi)核函數(shù)直接交互，用戶通過向協(xié)議棧內(nèi)核注冊回調(diào)函數(shù)并直接調(diào)用內(nèi)核操作函數(shù)來實現(xiàn)編程。本文中LwIP在TMS320C6416上的移植過程如圖4所示。

（1）確立內(nèi)核參數(shù)。協(xié)議棧所有內(nèi)核參數(shù)在opt.h文件中設(shè)定，本文結(jié)合系統(tǒng)實際功能需求在lwipopts.h文件中對其進行了重新配置，實現(xiàn)了協(xié)議棧的功能裁剪，包括內(nèi)存字節(jié)對齊方式，內(nèi)存堆大小，協(xié)議控制塊的類型、數(shù)目、大小以及啟用或屏蔽某些宏定義等。設(shè)計中通過以下幾條宏定義分別禁用了操作系統(tǒng)、DHCP功能以及TCP協(xié)議內(nèi)核：

#define NO_SYS 1

#define LWIP_DHCP 0

#define LWIP_TCP 0

（2）移植頭文件。cc.h頭文件定義了協(xié)議棧內(nèi)部所使用的數(shù)據(jù)類型，以及不同編譯器特性下結(jié)構(gòu)體封裝宏。針對TMS320C6416所支持的數(shù)據(jù)類型和本設(shè)計所使用的CCS編譯器，在該文件中進行了數(shù)據(jù)類型的修改匹配，同時對結(jié)構(gòu)體封裝宏進行了重新定義：

#define PACK_STRUCT_BEGIN

#define PACK_STRUCT_STRUCT

#define PACK_STRUCT_END

#define PACK_STRUCT_FIELD（x） x

cpu.h頭文件定義了字節(jié)序，字節(jié)序可配置為大端格式或小端格式。由于TMS320C6416的端格式與硬件配置有關(guān)，因此軟件設(shè)置與硬件配置需嚴(yán)格一致。本系統(tǒng)DSP硬件選擇小端格式，而網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序采用大端格式，通過此處的宏定義，協(xié)議內(nèi)部的字節(jié)轉(zhuǎn)換函數(shù)將自動進行字節(jié)序轉(zhuǎn)換。

（3）移植網(wǎng)卡驅(qū)動。網(wǎng)卡驅(qū)動的移植是整個移植工作的核心，通過對ethernetif.c文件中的以下三個函數(shù)進行修改，使協(xié)議棧與DM9000A驅(qū)動程序相切合，從而準(zhǔn)確調(diào)用網(wǎng)卡初始化函數(shù)、發(fā)送函數(shù)和接收函數(shù)。

low_level_init（struct netif *netif）

low_level_input（struct netif *netif）

low_level_output（struct netif *netif， struct pbuf *p）

其中l(wèi)ow_level_init函數(shù)完成網(wǎng)卡的初始化；low_level_input函數(shù)從網(wǎng)卡的SRAM中讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)封裝成pbuf結(jié)構(gòu)以供內(nèi)核使用；low_level_output函數(shù)則將由pbuf結(jié)構(gòu)組成的鏈表中的上層數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)卡發(fā)送至物理鏈路。

（4）注冊用戶回調(diào)函數(shù)。本設(shè)計中的用戶回調(diào)函數(shù)即為以太網(wǎng)應(yīng)用層TFTP協(xié)議程序的入口函數(shù)，該函數(shù)在協(xié)議棧初始化階段的udp_recv（UDPpcb， recv_callback_tftp， NULL）函數(shù)中注冊，并在udp_input（struct pbuf *p， struct netif *inp）函數(shù)中回調(diào)，其中recv_callback_tftp即為回調(diào)函數(shù)。在回調(diào)函數(shù)的功能設(shè)計中，DSP工作于TFTP服務(wù)器模式，上位機工作于TFTP客戶端模式，上位機以向DSP寫文件的方式實現(xiàn)文件的上傳。為了減小系統(tǒng)開銷，在TFTP協(xié)議程序的編寫中，只保留了客戶端向服務(wù)器寫功能（上傳），而裁剪了客戶端向服務(wù)器讀功能（下載）。

3 系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性分析

系統(tǒng)可靠性重點體現(xiàn)在文件傳輸、燒寫的完整性和準(zhǔn)確性。由于本系統(tǒng)采用點對點的有線傳輸，而且傳輸數(shù)據(jù)量較小，TFTP協(xié)議自身的傳輸回告和確認(rèn)功能足以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，?zhǔn)確性則可由DM9000A的CRC校驗功能及IP協(xié)議首部校驗機制予以保證。在FLASH編程過程中，通過查詢操作狀態(tài)位來判斷相應(yīng)動作是否成功，及時對失敗操作做出處理，確保文件燒寫的準(zhǔn)確性。當(dāng)出現(xiàn)傳輸、燒寫異常，串口將返回錯誤診斷信息，請求PC再次進行傳輸。

在系統(tǒng)軟件調(diào)試階段，程序有可能出現(xiàn)因內(nèi)存分配失敗或溢出而陷入死循環(huán)或返回錯誤信息，此時需要對協(xié)議棧內(nèi)核參數(shù)再次進行調(diào)整，通過試驗各種方案，找到系統(tǒng)性能和開銷的平衡點。

在以太網(wǎng)傳輸實驗中，PC IP地址設(shè)定為192.168.0.7，DSP IP地址設(shè)定為192.168.0.8，端口號為69。文件上傳過程中捕獲的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包如圖5所示。該圖完整的反映了一次文件傳輸過程中PC與DSP之間數(shù)據(jù)包的交互過程，圖中編號為2的數(shù)據(jù)包顯示了DSP網(wǎng)卡DM9000A的廠商、地址信息；編號為3的數(shù)據(jù)包顯示了用戶程序文件的名稱，即TEST_LED.bin，使用.bin格式傳輸?shù)脑蛞娢墨I[1]。

實驗表明，基于LwIP協(xié)議棧的TFTP協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)用戶程序的完整、準(zhǔn)確傳輸，無連接失敗和丟包問題出現(xiàn)。經(jīng)過功能裁剪和調(diào)整后的以太網(wǎng)協(xié)議程序占用DSP的內(nèi)存較小，而且性能較為穩(wěn)定。串口控制靈活可靠，F(xiàn)LASH 編程準(zhǔn)確無誤，再次上電后，更新后的用戶程序能夠正確運行。

4 結(jié) 語

本文提出基于以太網(wǎng)的DSP遠程程序更新方案，能實現(xiàn)DSP軟件遠程升級和維護，有效解決極端條件下DSP程序更新問題，進一步拓展DSP工程應(yīng)用領(lǐng)域。該方案所設(shè)計的DSP三次加載技術(shù)及以太網(wǎng)傳輸技術(shù)在工程實踐中得到了良好驗證，具有較好的工程應(yīng)用價值。

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