基于TMS320C6657的千兆以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

吳向旭，馮曉東，王貴冬，陳晶晶

（重慶郵電大學(xué)3G動(dòng)員中心通信技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，重慶 400065）

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，在DSP嵌入式系統(tǒng)上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信已經(jīng)成為熱門研究課題。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)開發(fā)而言，TI的C6000系列DSP芯片有很多都在其片上集成了以太網(wǎng)接口，不僅在硬件上縮減了嵌入式產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用成本，而且其推出的NDK網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工具在軟件上大大降低了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)性價(jià)比高、易于實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)通信接口提供了可靠的保障。

TMS320C6657是TMS320C6000系列中高性能的定點(diǎn)/浮點(diǎn)DSP，建立在TI KeyStone多核架構(gòu)基礎(chǔ)之上，采用創(chuàng)新C66x DSP內(nèi)核，此器件能夠以高達(dá)1.25 GHz的頻率運(yùn)行，同時(shí)具有豐富的外設(shè)資源，能夠方便地與其他器件進(jìn)行通信[1]。本文通過TMS320C6657片內(nèi)集成的千兆以太網(wǎng)接口模塊，結(jié)合片外的PHY芯片88E1112以及簡(jiǎn)單的外圍電路，實(shí)現(xiàn)了DSP與PC之間的千兆以太網(wǎng)通信。本文主要完成了通信接口硬件電路設(shè)計(jì)、通信接口軟件總體架構(gòu)設(shè)計(jì)、用戶定制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的編寫等工作，最終實(shí)現(xiàn)DSP與PC間可靠穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

1 千兆以太網(wǎng)接口的硬件設(shè)計(jì)

TMS320C6657內(nèi)部集成了千兆以太網(wǎng)接口模塊EMAC/MDIO/SGMII，下面對(duì)這三個(gè)模塊分別進(jìn)行敘述[2-3]。

EMAC（Ethernet Media Access Controller）模塊是DSP處理器內(nèi)核與片外的網(wǎng)絡(luò)物理層數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?，?fù)責(zé)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，接收和發(fā)送分別具有8個(gè)隊(duì)列，能夠滿足快速收發(fā)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的要求。它實(shí)現(xiàn)了IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議功能；將從上層協(xié)議棧傳遞來的數(shù)據(jù)打包成符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，并從收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包中剝離出載荷數(shù)據(jù)，提供給上層協(xié)議棧進(jìn)行分析和處理；提供了GMII/MII接口，能夠與符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的片外PHY芯片無縫連接。

MDIO（Management Data Input/Output）模塊負(fù)責(zé)管理與EMAC相連的所有PHY芯片，包括對(duì)PHY芯片進(jìn)行枚舉、復(fù)位、配置和器件狀態(tài)檢測(cè)等。

SGMII（Serial Gigabit Media Independent Interface）模塊是連接數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的接口，并具有內(nèi)置SERDES（serializer/deserializer）電路，能夠?qū)崿F(xiàn)EMAC模塊所使用的GMII數(shù)據(jù)格式與SERDES模塊所使用的8 B/10 B編碼數(shù)據(jù)格式之間的轉(zhuǎn)換。SGMII（Serial GMII）是串行GMII，不需要提供另外的時(shí)鐘，MAC和PHY都需要CDR去恢復(fù)時(shí)鐘，另外，SGMII有8 B/10 B編碼，速率為1.25 Gb/s。其中，8 B/10 B編碼是為了擾碼，避免信號(hào)中出現(xiàn)過長(zhǎng)的連“0”或連“1”情況，保證時(shí)鐘信息的提取。SGMII模塊具體的功能示意圖如圖1所示。

圖1 SGMII模塊的功能示意圖

88E1112 PHY芯片是千兆以太網(wǎng)物理層自適應(yīng)收發(fā)器，支持IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，支持10/100/1 000 Mb/s全雙工數(shù)據(jù)傳輸，內(nèi)部集成SERDES，支持與SGMII/SERDES MAC連接。

TMS320C6657與88E1112都提供了SGMII接口，兩者之間可以在IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)無縫連接。本方案中千兆以太網(wǎng)接口的硬件連接框圖如圖2所示。

圖2 千兆以太網(wǎng)接口的硬件連接框圖

圖2中，SGMII_RXN與SGMII_RXP是SGMII的一對(duì)差分接收信號(hào)線；SGMII_TXN與SGMII_TXP是SGMII的一對(duì)差分發(fā)送信號(hào)線；MDCLK為管理數(shù)據(jù)時(shí)鐘，該時(shí)鐘信號(hào)由DSP片上的MDIO模塊提供，用于同步MDIO管腳上的數(shù)據(jù)；MDIO為管理數(shù)據(jù)線，以向PHY寫入或讀出數(shù)據(jù)幀的形式對(duì)PHY進(jìn)行配置。

2 千兆以太網(wǎng)接口的軟件設(shè)計(jì)

本方案中，千兆以太網(wǎng)通信接口的軟件設(shè)計(jì)主要是基于TI公司提供的嵌入式操作系統(tǒng)SYS/BIOS[4]和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)開發(fā)包NDK（Network Development′s Kit）[5-6]來實(shí)現(xiàn)的。網(wǎng)絡(luò)開發(fā)包NDK是TI公司為本公司DSP的網(wǎng)絡(luò)程序開發(fā)提供的平臺(tái)，采用自頂向下、分層、模塊化的設(shè)計(jì)方法來支持TCP/IP協(xié)議[7]，并占用較少的系統(tǒng)資源（對(duì)于常規(guī)的TCP/IP服務(wù)，程序空間僅需200 KB～250 KB的程序空間，數(shù)據(jù)空間僅需95 KB）。TCP/IP協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層以及物理層，對(duì)于NDK模型，網(wǎng)絡(luò)開發(fā)包NDK就實(shí)現(xiàn)了5層體系結(jié)構(gòu)中的傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層。圖3為TCP/IP模型與NDK模型的對(duì)比示意圖。

NDK通過編程接口與嵌入式操作系統(tǒng)SYS/BIOS以及底層硬件相互隔離。對(duì)于NDK而言，SYS/BIOS被抽象成一個(gè)操作系統(tǒng)適應(yīng)層（OS Adaptation Layer），底層硬件被抽象成一個(gè)硬件適應(yīng)層 （Hardware Adaptation Layer），它們的函數(shù)庫(kù)OS.LIB、HAL.LIB成為了NDK與SYS/BIOS以及底層硬件的接口。圖4為基于NDK與SYS/BIOS的通信接口軟件架構(gòu)圖[8]。

圖3 TCP/IP模型與NDK模型的對(duì)比

圖4 基于NDK與SYS/BIOS的通信接口軟件架構(gòu)圖

由圖4可以看出，NDK主要包含NETTOOL.LIB、STACK.LIB、OS.LIB、HAL.LIB、NETCTRL.LIB五個(gè)部分。

（1）NETTOOL.LIB提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，包含NDK提供的基于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的所有套接字以及一些用于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)的附加工具。

（2）STACK.LIB是主要的TCP/IP協(xié)議棧，提供了頂層（套接字層）至底層（以太網(wǎng)和PPP層）的所有功能。

（3）OS.LIB提供與SYS/BIOS操作系統(tǒng)的接口。

（4）HAL.LIB提供與底層硬件的接口。

（5）NETCTRL.LIB控制TCP/IP協(xié)議棧與外界的交互，管理所有網(wǎng)絡(luò)事件、協(xié)調(diào)操作系統(tǒng)與硬件驅(qū)動(dòng)，主要包括：①初始化TCP/IP協(xié)議棧和底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)；②啟動(dòng)和維護(hù)系統(tǒng)配置（通過配置服務(wù)提供者的回調(diào)函數(shù)）；③連接底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)和安排驅(qū)動(dòng)事件呼叫TCP/IP協(xié)議棧；④卸載系統(tǒng)配置和清除底層驅(qū)動(dòng)。

對(duì)于基于NDK與SYS/BIOS的通信接口的軟件架構(gòu)，其實(shí)現(xiàn)主要分為三部分工作：

（1）編制底層驅(qū)動(dòng)程序。底層硬件驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)向TCP/IP協(xié)議棧提供具體的操作接口，用以控制以太網(wǎng)器件的配置和運(yùn)行，主要包括：初始化驅(qū)動(dòng)環(huán)境，包括器件復(fù)位、中斷使能、存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)訪問優(yōu)先級(jí)設(shè)定、器件枚舉和配置等；以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送；監(jiān)測(cè)底層網(wǎng)絡(luò)器件狀態(tài)，將事件信息反饋給協(xié)議棧；關(guān)閉驅(qū)動(dòng)環(huán)境，并收回占用的系統(tǒng)資源。

（2）在SYS/BIOS操作系統(tǒng)平臺(tái)上配置和運(yùn)行NDK的TCP/IP協(xié)議棧。CCS5.3提供了配置工具XGCONF來實(shí)現(xiàn)圖形化界面配置NDK，如圖5所示，傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層分別選用TCP、IP、EMAC協(xié)議，并對(duì)其作相關(guān)必要的配置，主要包括發(fā)送/接收窗口大小、IP地址、生存時(shí)間等內(nèi)容的配置。

圖5 NDK圖形化配置界面

（3）開發(fā)用戶定制的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。本方案中主要是完成接收上位機(jī)控制信息和發(fā)送結(jié)果信息這些操作，采用流式套接字（Socket）來實(shí)現(xiàn)。

Socket是應(yīng)用層與TCP/IP協(xié)議簇通信的中間軟件抽象層，它是一組接口，把復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議簇隱藏在其后面。對(duì)于用戶來說，一組簡(jiǎn)單的Socket接口就是全部通信過程，讓Socket去組織數(shù)據(jù)，以符合指定的協(xié)議。

本設(shè)計(jì)中，選取DSP作為服務(wù)器，上位機(jī)作為客戶端。對(duì)于DSP端，先初始化一個(gè)監(jiān)聽Socket，然后與端口綁定（bind），并對(duì)端口進(jìn)行監(jiān)聽（listen），再調(diào)用accept阻塞，等待PC端連接。對(duì)于PC端，先初始化一個(gè)Socket，然后請(qǐng)求連接DSP端（connect），若此時(shí)DSP端正處于等待PC端連接狀態(tài)，則DSP端接受此連接請(qǐng)求，于是，PC端與DSP端就成功建立起了連接。PC端發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，DSP端接收請(qǐng)求并處理請(qǐng)求，再把回應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送給PC端，PC端讀取數(shù)據(jù)，最后關(guān)閉連接，一次交互結(jié)束。DSP與上位機(jī)進(jìn)行Socket通信的具體過程如圖6所示。

圖6 DSP與上位機(jī)進(jìn)行Socket通信的流程圖

3 功能測(cè)試

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的千兆以太網(wǎng)接口的可行性，PC端采用VC++的MFC來設(shè)計(jì)測(cè)試程序，測(cè)試程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)單通道正弦信號(hào)的采集、處理以及顯示等操作，測(cè)試界面如圖7所示。根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需求，測(cè)試程序分為數(shù)據(jù)發(fā)送/接收和數(shù)據(jù)處理/顯示這兩個(gè)部分。其中，數(shù)據(jù)發(fā)送/接收部分通過Socket編程完成與DSP的收發(fā)數(shù)據(jù)包等通信過程，數(shù)據(jù)處理/顯示部分不僅能夠支持用戶對(duì)服務(wù)器端參數(shù)和控制參數(shù)的可配置，而且通過顯示接收到的正弦信號(hào)時(shí)域波形與頻譜圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)PC端與DSP端通信的直觀體驗(yàn)，同時(shí)更增加了本接口程序的可移植性與可擴(kuò)展性。

圖7 PC端的測(cè)試界面

通過測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，正弦信號(hào)的時(shí)域波形圖與頻譜圖較為流暢，且穩(wěn)定性較高，能夠支持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠傳輸及顯示。

4 結(jié)論

本文利用TMS320C6657內(nèi)部集成了千兆以太網(wǎng)接口模塊（EMAC、MDIO與SGMII），結(jié)合片外的PHY芯片88E1112以及簡(jiǎn)單的外圍電路，提出了千兆以太網(wǎng)通信接口的軟硬件設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了DSP與PC的網(wǎng)絡(luò)通信功能。測(cè)試結(jié)果顯示，該設(shè)計(jì)方案能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠傳輸，同時(shí)，由于使用TI公司提供的NDK，降低了開發(fā)難度、縮短了開發(fā)周期，更便于擴(kuò)展與維護(hù)。目前，本設(shè)計(jì)方案已成功應(yīng)用到了無線電頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)中，運(yùn)行狀況良好。

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