基于DSP BIOS的數(shù)字電視傳輸流網(wǎng)絡采集系統(tǒng)設計
摘要： 基于TCP/IP 協(xié)議與以太網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡通信設計成為目前一個熱門的話題。本系統(tǒng)實現(xiàn)了在以TI公司的TMS320DM643為核心的嵌入式系統(tǒng)中，對數(shù)字電視傳輸流(TS)信號進行采集并在以太網(wǎng)中傳輸。利用本系統(tǒng)可輕松地實現(xiàn)在局域網(wǎng)中對數(shù)字電視傳輸流信號的傳輸、調(diào)度。數(shù)字電視傳輸流信號源是針對歐洲數(shù)字有線廣播系統(tǒng)標準(DVB-C)的數(shù)字有線電視信號。網(wǎng)絡接入硬件在以TMS320DM643為核心的嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)，網(wǎng)絡接入軟件采用了TI公司針對 C6000系列DSP推出的TCP/IP NDK(Network Developer’s Kit)網(wǎng)絡開發(fā)包來實現(xiàn)。
Abstract：
Key words :
TCP/IP是因特網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)所必需的協(xié)議, 這種網(wǎng)絡通信模式在PC之間的實現(xiàn)已經(jīng)完善, 但是體積、價格等因素限制了其應用的范圍。因此, 基于TCP/IP 協(xié)議與以太網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡通信設計成為目前一個熱門的話題。本系統(tǒng)實現(xiàn)了在以TI公司的TMS320DM643為核心的嵌入式系統(tǒng)中，對數(shù)字電視傳輸流(TS)信號進行采集并在以太網(wǎng)中傳輸。利用本系統(tǒng)可輕松地實現(xiàn)在局域網(wǎng)中對數(shù)字電視傳輸流信號的傳輸、調(diào)度。數(shù)字電視傳輸流信號源是針對歐洲數(shù)字有線廣播系統(tǒng)標準(DVB-C)的數(shù)字有線電視信號。網(wǎng)絡接入硬件在以TMS320DM643為核心的嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)，網(wǎng)絡接入軟件采用了TI公司針對 C6000系列DSP推出的TCP/IP NDK(Network Developer’s Kit)網(wǎng)絡開發(fā)包來實現(xiàn)。
系統(tǒng)電路設計
電路主要由5部分組成。數(shù)字電視傳輸流網(wǎng)絡采集系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 數(shù)字電視傳輸流網(wǎng)絡采集系統(tǒng)框圖
其主要功能是通過傳輸流接口模塊采集數(shù)字電視信號進入PLD(Cyclone EP1C6Q240C8)芯片，進行必要的處理后，將信號發(fā)送到DSP(TMS320DM643)芯片存儲起來，并進行算法處理。通過 TMS320DM643對BCM5221進行必要的配置，將存儲在TMS320DM643內(nèi)的數(shù)據(jù)通過BCM5221傳送到局域網(wǎng)中,并通過計算機接收數(shù)據(jù)。
傳輸流接口模塊
傳輸流接口模塊由CY7B933輸入接口芯片及其電器接口電路組成。CY7B933輸入接口電路是點對點的傳輸模塊，可以通過光纖、同軸電纜和雙絞線進行高速的串行數(shù)據(jù)傳輸。輸入接口符合DVB-ASI的接口標準。輸入接口接收到串行位流后，通過內(nèi)部 PLL時鐘同步恢復數(shù)據(jù)的時鐘信息，并對位流進行串并轉(zhuǎn)換、解碼和傳輸檢錯等操作。這種輸入接口能靈活地把高速點對點串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成并行數(shù)據(jù)，而且應用領域廣泛，包括各種服務器、存儲器和視頻傳輸?shù)膽谩?/div>
PLD控制模塊
在項目中，此部分硬件選用的是Altera公司的 EP1C6Q240C8芯片。
此模塊的主要功能是實現(xiàn)與CY7B933接收芯片的接口，把數(shù)據(jù)從CY7B933接收進來，并緩存數(shù)據(jù)。這部分功能均由VHDL語言編寫的功能模塊實現(xiàn)。主要有兩個功能模塊：RECEIVE與FIFO。RECEIVE模塊主要負責從CY7B933接收數(shù)據(jù)字段；FIFO模塊主要負責緩存數(shù)據(jù)。
RECEIVE模塊
RECEIVE模塊的功能是實現(xiàn)與CY7B933接收芯片的接口，把數(shù)據(jù)從CY7B933接收進來。其工作方式是以一個傳輸流包為邊界接收數(shù)據(jù)的。
首先，RECEIVE模塊會檢測傳輸流包的邊界，通過查找包頭字節(jié)(固定為0x47)間的字節(jié)數(shù)來確定。因為包中數(shù)據(jù)也可能含有0x47，所以要犧牲3個包的數(shù)據(jù)來檢查3次。當發(fā)現(xiàn)0x47這個字節(jié)的時候，就會觸發(fā)一個內(nèi)部的計數(shù)器開始計數(shù)。當計數(shù)到188后，如果下一個字節(jié)又是0x47，說明傳輸流包屬于188個字節(jié)的包，那么計數(shù)器被清零；如果下一個字節(jié)又是0x47，說明傳輸流包屬于188個字節(jié)的包，那么計數(shù)器被清零，否則計數(shù)器清零并重新開始檢測邊界。
當檢測到邊界以后，RECEIVE模塊開始接收數(shù)據(jù)包。計數(shù)器會從零開始計數(shù)，在接收數(shù)據(jù)的過程中使能wrreq輸出有效信號,同時把數(shù)據(jù)輸出到下一級。當計數(shù)到188 時，表示一個數(shù)據(jù)包接收完成。當一個包的數(shù)據(jù)接收完之后，計數(shù)器清零，并置ts188，保持高電平一個時鐘周期。下一個周期檢測數(shù)據(jù)是否為0x47，如果是，說明是下一個數(shù)據(jù)包的邊界；否則，說明出現(xiàn)了錯誤，并重新回到上一段所說的檢測數(shù)據(jù)包邊界的狀態(tài)。
此外，PLD模塊內(nèi)會有一個專用計數(shù)器記錄空包數(shù)，當接收到數(shù)據(jù)包后，會首先檢測此數(shù)據(jù)包是否為空包，如果是空包，PLD模塊會把這個空包刪除，并在計數(shù)器中加1。如果接收的不是空包，就會把計數(shù)器的值加到這個數(shù)據(jù)包的私有字段中，并緩存到FIFO。然后計數(shù)器自動清零。這樣處理數(shù)據(jù)包的目的是為了減少網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量，從而可以傳輸更多的傳輸流數(shù)據(jù)。把計數(shù)器的值加入私有字段是為了在計算機接收到數(shù)據(jù)后，可以把原來的空包恢復出來，從而保證原傳輸流數(shù)據(jù)的完整性。
FIFO 模塊
FIFO模塊的功能是從RECEIVE模塊接收數(shù)據(jù)，并緩存起來。當RECEIVE模塊接收完一個完整的傳輸流數(shù)據(jù)包之后，會發(fā)送 ts188或ts204的中斷信號給DSP，DSP就會啟動EDMA功能從FIFO模塊接收數(shù)據(jù)。DSP與FIFO模塊采用異步連接的方式，具體的接收操作在DSP部分說明中再加以描述。
DSP算法處理模塊
此模塊主要由以TMS320DM643為核心的嵌入式系統(tǒng)組成。主要實現(xiàn)從PLD模塊接收傳輸流數(shù)據(jù)包，把數(shù)據(jù)包打包成TCP/IP格式，并實現(xiàn)對網(wǎng)絡接口(BCM5221)控制模塊的初始化，然后把數(shù)據(jù)包傳送到網(wǎng)絡模塊。
為了實現(xiàn)上述功能，必須建立起一套以TMS320DM643為核心的基本系統(tǒng)。
系統(tǒng)的具體配置
時鐘配置：EMIF內(nèi)核時鐘ECLKIN是133MHz。此外，系統(tǒng)的外設總線、EDMA傳輸和L2存儲器的工作時鐘為CPU內(nèi)核時鐘的1/2，即 300MHz；片上定時器的工作時鐘為CPU內(nèi)核時鐘的1/8，即75MHz。
中斷配置：TMS320DM643除了RESET和NMI 引腳提供外部不可屏蔽中斷請求輸入以外，還有兩個外部中斷引腳GP0[5]/EXT_INT5、GP0[7]/EXT_INT7，以提供可屏蔽的外部中斷請求輸入。系統(tǒng)中，EXT_INT5外部中斷用作PLD模塊的請求接收數(shù)據(jù)信號，每當PLD模塊接收完一個傳輸流包，就會發(fā)送一個外部中斷信號給DSP，通知DSP接收數(shù)據(jù)。此外，EDMA中斷用于接收完一個包的數(shù)據(jù)后做后續(xù)處理。
系統(tǒng)對EMIF的使用情況：
系統(tǒng)在CE0 空間擴展了4M×64bit的SDRAM存儲器(MT48LC4M32BPG)，用于存儲程序與數(shù)據(jù)。SDRAM的工作時鐘由TMS320DM643的 ECLKOUT1提供，與EMIF的工作時鐘頻率相同，本系統(tǒng)中默認ECLKIN為其時鐘源，即133MHz。
系統(tǒng)在CE1空間擴展了 4M×8bit的Flash存儲器(Am29LV033C)。在對Flash進行讀/寫訪問前，需要通過EMIF的CE1控制寄存器CE1CTL，將 CE1空間配置為8-bit異步存儲器接口，及讀/寫時序。
系統(tǒng)在CE2空間擴展了與FIFO模塊連接的接口。在DSP看來，F(xiàn)IFO模塊可視為8bit異步只讀存儲器。FIFO模塊的讀使能信號rdreq與TMS320DM643的CE2片選信號連接；FIFO模塊的讀時鐘信號 rdclk與TMS320DM643的ARE讀使能信號連接。
以太網(wǎng)接口
TMS320DM643上集成有一個 EMAC+MDIO片上外設，EMAC是Ethernet Media Access Controller的縮寫，即以太網(wǎng)媒體訪問控制器，MDIO是Management Data Input/Output的縮寫，即管理數(shù)據(jù)輸入/輸出模塊。EMAC+MDIO用于為以太網(wǎng)物理層(PHY)器件提供接口，其中，EMAC為接口以太網(wǎng) PHY提供數(shù)據(jù)通路，MDIO為接口以太網(wǎng)PHY提供管理信息通路。
TMS320DM643的網(wǎng)絡接口原理框圖如圖2所示。圖2描述了 EMAC+MDIO與DSP中間有一個EMAC 控制模塊。它主要包含一些必備的、使EMAC更加有效使用DSP的存儲空間，控制其復位、中斷的一些邏輯。
這些寄存器的地址空間為：0x1C800000～0x1C803FFF。
圖2 TMS320DM643的網(wǎng)絡接口原理框圖
網(wǎng)絡接口控制模塊
本系統(tǒng)用BroADCom公司的BCM5221作為10/100Base-TX以太網(wǎng)收發(fā)器，BCM5221的MII接口與TMS320DM643的MII接口對接。具體接口如圖3所示。RJ45連接器選用AMP公司的406549-1，其上帶兩個LED指示燈，右邊的 LED為綠色，用作指示連接狀態(tài)。左邊的為黃色，正常情況下用來指示數(shù)據(jù)傳輸。
圖3 TMS320DM643與PHY設備連接框圖
電源模塊
系統(tǒng)包括4組電源：系統(tǒng)外接穩(wěn)壓電源，把220V的交流電源電壓轉(zhuǎn)換成5V直流電壓；PLD模塊電源由兩種電源供電，分別是 3.3V和1.5V；TMS320DM643需要兩種電源，分別為CPU核心和周邊的I/O接口供電。周邊I/O電壓要求3.3V，CPU核心電壓只要 1.4V；網(wǎng)絡接口控制模塊采用3.3V電源供電。
系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)的軟件設計主要是通過TCP/IP網(wǎng)絡開發(fā)包NDK 來實現(xiàn)的。該開發(fā)包支持TCP/IP協(xié)議，并占用較少的系統(tǒng)資源。NDK僅用200kB~250kB的程序空間和95kB的數(shù)據(jù)空間即可支持常規(guī)的TCP /IP服務。所以，NDK很適合目前嵌入式系統(tǒng)的硬件環(huán)境，是實現(xiàn)DSP網(wǎng)絡開發(fā)的重要工具。
系統(tǒng)軟件的框圖如圖4所示。
圖4 軟件系統(tǒng)圖
具體流程：系統(tǒng)配置主要在初始化函數(shù)中完成，此初始化函數(shù)將在.cinit初始化后，并在DSP/BIOS初始化和main函數(shù)之前調(diào)用。系統(tǒng)配置需要開啟INT8中斷，也就是 EDMA傳輸中斷，并設置GPIO7引腳為高電平，從而使PLD模塊始終處于初始狀態(tài)。TCP/IP協(xié)議配置在任務線程中完成，主要實現(xiàn)服務器IP地址和網(wǎng)關的配置。當其完成后，系統(tǒng)就會觸發(fā)一個軟件中斷，在軟件中斷程序中，服務器會產(chǎn)生一個用于偵聽的端口，并開始偵聽網(wǎng)絡上的請求。此時，服務器已經(jīng)處于待命狀態(tài)，等待客戶機的傳輸請求。
當客戶機的傳輸請求到來時，系統(tǒng)首先會使GPIO7引腳變?yōu)榈碗娖剑琍LD模塊開始發(fā)送數(shù)據(jù)。當其接收到一個完整的傳輸流數(shù)據(jù)包后，就會發(fā)一個中斷給DSP，DSP啟動EDMA，用ping-pong的方式接收數(shù)據(jù)進入特定的存儲器，當接收完一個完整的傳輸流數(shù)據(jù)包后，會產(chǎn)生硬件EDMA中斷，中斷程序主要是設置特定的標志位為1，然后退出硬件中斷，重新回到軟件中斷程序。當軟件中斷程序檢測到特定的標志位為1時，就會開始傳輸在存儲器中的傳輸流數(shù)據(jù)包給客戶機。當一個數(shù)據(jù)包傳輸完畢后，特定的標志會被置0，系統(tǒng)等待下一個數(shù)據(jù)包的到來。
當客戶機要求停止傳輸?shù)恼埱蟮絹頃r，系統(tǒng)會重新使GPIO引腳變?yōu)楦唠娖?，PLD模塊回到初試狀態(tài)。此時，系統(tǒng)也會處于待命狀態(tài)，繼續(xù)偵聽網(wǎng)絡。
系統(tǒng)初始化
初始化配置主要包括EMIF總線配置、中斷配置和底層網(wǎng)絡配置3個部分。初始化工作首先在DSP/BIOS的全局參數(shù)配置窗口進行設置，然后調(diào)用初始化函數(shù)進行配置。
在DSP/BIOS的全局配置窗口主要設置了DSP的工作時鐘頻率為600MHz，選擇使用的片級支持庫CSL為DM643的庫，選用小端訪問模式，片內(nèi)256kB的SRAM全部用于Cache，并調(diào)用初始化函數(shù)dm643_init()。
TCP/IP 協(xié)議配置
初始化程序dm643_init()完成后，系統(tǒng)將進入各個線程。首先，系統(tǒng)會觸發(fā)任務線程TSK0，在TSK0任務線程中執(zhí)行函數(shù)StackTest()，其首先調(diào)用NC-SystemOpen()函數(shù)，完成協(xié)議棧及其所需內(nèi)存的初始化，然后新建一個系統(tǒng)配置句柄hCfg = CfgNew();，并實現(xiàn)服務器IP地址和網(wǎng)關的配置。在本系統(tǒng)中，IP地址配置為"192.168.0.2"；子網(wǎng)掩碼為"255.255.255.0"；網(wǎng)關地址為"192.168.0.1"。配置好之后，系統(tǒng)會觸發(fā)一個軟件中斷，并做好偵聽網(wǎng)絡的準備。
網(wǎng)絡偵聽
前面在任務線程中已經(jīng)配置了IP地址和網(wǎng)關，下面就要在軟件中斷中設置端口并進行偵聽。首先，在開始使用報路之前，必須分配一個文件環(huán)境fdOpenSession( TaskSelf() )給這個報路。接著就可以創(chuàng)建一個報路對象stcp = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)，并設置端口sin1.sin_port = htons(1000)，在這里設置端口號為1000，當然也可以設置其他的端口號。然后把端口號與報路對象綁定bind( stcp, (PSA) &sin1, sizeof(sin1)。最后進入偵聽狀態(tài)listen( stcp, 1)。
數(shù)據(jù)的接收
當客戶端要求傳輸數(shù)據(jù)的信號到來后，系統(tǒng)會使GPIO7引腳變?yōu)榈碗娖剑琍LD模塊開始發(fā)送數(shù)據(jù)。DSP通過EDMA方式來接收數(shù)據(jù)。EDMA可以在沒有 CPU參與的情況下，由EDMA控制器完成DSP存儲空間內(nèi)的數(shù)據(jù)搬移。系統(tǒng)主要采用EDMA的ping-pong方式來連續(xù)接收數(shù)據(jù)。用ping- pong方式的目的是為了使接收操作和發(fā)送操作分開進行，增強程序的操作性和可讀性。
限于篇幅，網(wǎng)絡發(fā)送部分不再贅述。
結語
本系統(tǒng)的硬件和軟件功能已經(jīng)實現(xiàn)，網(wǎng)絡傳輸?shù)乃俣葹?MBps。按照此速度，假設傳輸流中的空包百分比為40%，可以傳輸5MBps的傳輸流數(shù)據(jù)，至少可以傳輸2~3路的TS流節(jié)目。因此，可以證明本系統(tǒng)的設計方法合理、有效。
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