摘 要：介紹了TM1300 DSP 的特點(diǎn)，給出了通過TM1300的PCI接口驅(qū)動(dòng)以太網(wǎng)芯片來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信接口的設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)將TM1300和以太網(wǎng)結(jié)合起來，因而可以方便地實(shí)現(xiàn)視頻通信，文章詳細(xì)介紹了該方案的軟件和硬件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，最后給出了對模擬數(shù)據(jù)和實(shí)際視頻壓縮碼流的傳送實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 關(guān)鍵詞：PCI總線 TM1300 以太網(wǎng)通信接口 pSOS+內(nèi)核 pNA+ 1 概述 　　TM1300是Philips公司推出的新一代高性能多媒體數(shù)字信號處理器芯片。基于TM1300的DSP應(yīng)用系統(tǒng)適合于實(shí)時(shí)聲音、圖像處理，可廣泛應(yīng)用于會議電視、可視電話、數(shù)字電視等應(yīng)用場合。它不僅具有強(qiáng)大的處理能力,同時(shí)還具有非常友好的音頻和視頻以及SSI和PCI等I/O接口，因此可以根據(jù)應(yīng)用的需要靈活地構(gòu)造各種視頻通信系統(tǒng)。鑒于目前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及和網(wǎng)上視頻業(yè)務(wù)的發(fā)展，很有必要為TM1300視頻編碼系統(tǒng)開發(fā)一個(gè)以太網(wǎng)接口以拓寬其應(yīng)用范圍。開發(fā)以太網(wǎng)接口的一種合理思路是利用TM1300集成的PCI接口來驅(qū)動(dòng)專用的以太網(wǎng)接口芯片。由于目前多數(shù)以太網(wǎng)接口芯片（如Real-tek8029，Realtek8139等）都采用PCI接口，因此，可以用PCI總線將數(shù)據(jù)從TM1300傳輸?shù)竭@些專用的以太網(wǎng)接口芯片后，再由它們發(fā)送數(shù)據(jù)，而且TM1300可以在嵌入式操作系統(tǒng)pSOS中運(yùn)行，同時(shí)由于系統(tǒng)pSOS帶有TCP/IP協(xié)議棧因此可以方便地完成編碼碼流的TCP/IP封裝。 　　根據(jù)以上思路筆者在進(jìn)行了前期測試的基礎(chǔ)上進(jìn)行了電路板的設(shè)計(jì)并順利完成了調(diào)試。目前這個(gè)以太網(wǎng)接口已經(jīng)基本開發(fā)成功。本文將對這個(gè)設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。 2 TM1300及PCI總線接口 　　該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是PCI總線接口。PCI總線根據(jù)數(shù)據(jù)位的寬度有32位和64位之分,64位的數(shù)據(jù)線與32位是兼容的。PC機(jī)中常見的是32位PCI總線,它的有用引腳總數(shù)是110個(gè),可以分成3組。第一組是基本功能信號線,包括32位共享數(shù)據(jù)地址線AD〔00..31〕、接口控制線、仲裁線、時(shí)鐘線、系統(tǒng)復(fù)位線、中斷線;第二組是附加功能信號線,包括錯(cuò)誤報(bào)告線、cache功能支持線、JTAG邊界掃描線;第三組是電源線,包括設(shè)備耗電量標(biāo)識線、3.3V電源線（12根）、5V電源線（13根）、地線（22根）。 　　因?yàn)镽ealtek8029不具備PCI的附加功能信號線所支持的cache功能和JTAG邊界掃描功能,同時(shí)雖然它具有奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤報(bào)告功能引腳,但該腳可以懸空不用。所以,設(shè)計(jì)時(shí)只需考慮第一組功能信號線的連接即可。 　　PCI接口的設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)要點(diǎn)： 　?。?）PCI總線的仲裁 　　這里先說明兩個(gè)概念。首先，PCI總線是多設(shè)備共享的，由于PC機(jī)里可以有多個(gè)PCI設(shè)備，所以需要使用仲裁器;其次，PCI設(shè)備有主設(shè)備和從設(shè)備之分，主設(shè)備可以發(fā)起PCI數(shù)據(jù)的傳送從設(shè)備只能被動(dòng)地響應(yīng)主設(shè)備的操作以對讀操作和寫操作做出響應(yīng)。PCI的仲裁引腳是REQ和GNT，分別為請求線和授權(quán)線，而且只有PCI主設(shè)備有這兩個(gè)引腳。一般情況下，REQ通常和GNT成對地連到仲裁器，而設(shè)備與設(shè)備的REQ和GNT通常是互不相連的。 　　PCI總線的仲裁過程是這樣的：PCI主設(shè)備把REQ電平拉低以表示向仲裁器請求占用總線。經(jīng)仲裁獲準(zhǔn)后，仲裁器把這個(gè)設(shè)備的GNT電平拉低以表示請求獲準(zhǔn)，此后該設(shè)備便可以使用總線了。當(dāng)它不再使用總線時(shí)，應(yīng)使REQ信號變?yōu)楦唠娖舰熤俨闷骶筒辉俳o它分配總線資源。在本系統(tǒng)中，TM1300是PCI主設(shè)備，而Realtek8029是PCI從設(shè)備。由于它們不存在共享總線的問題，所以不需要仲裁器，而只是簡單地把REQ和GNT短接即可，這就相當(dāng)于TM1300自己給自己授權(quán)。 　　 　?。?）PCI_IDSEL信號線在設(shè)備的PCI配置讀寫中的作用 　　PCI有一種特殊的讀寫周期，稱為配置讀寫。這是因?yàn)樵谙到y(tǒng)引導(dǎo)時(shí)，如果沒有給設(shè)備配置I/O或內(nèi)存地址，軟件就只能通過配置來讀寫訪問設(shè)備。配置讀寫有兩種，分別稱為0型和1型具體采用哪一種取決于總線的硬件連接。配置讀寫操作不經(jīng)過PCI橋時(shí)，使用0型，當(dāng)需要經(jīng)過PCI橋時(shí)，則要用1型，0型讀寫的地址直接就是總線上的地址，1型讀寫的地址則要經(jīng)過PCI橋的譯碼才能成為最終的總線地址。本設(shè)計(jì)中，TM1300和Realtek8029是用PCI總線直連的，所以使用0型配置讀寫。 　　AD〔00..31〕是PCI總線的共享地址和數(shù)據(jù)線，每一次PCI傳送都分為地址周期和數(shù)據(jù)周期。在地址周期，采用0型讀寫時(shí)，AD〔00..31〕的內(nèi)容如下，AD〔00〕和AD〔01〕總為“00”，因?yàn)榕渲米x寫是以雙字為單位的，AD〔02〕～AD〔07〕是要讀寫的PCI配置空間的寄存器號AD〔08〕～AD〔10〕是設(shè)備的功能號在一塊PCI卡上有多個(gè)功能設(shè)備時(shí)，為了進(jìn)一步區(qū)分不同的設(shè)備就要用到這幾位，由于Realtek8029是單功能設(shè)備，故這幾位全為0，AD〔11〕～AD〔31〕是設(shè)備選擇位，其中必須有且僅有一位為“1”，如圖2所示，這在物理上表現(xiàn)為總線的AD〔11〕～AD〔31〕中有一根為高電平如果輸出高電平的這根線與某塊PCI卡的PCI IDSEL引腳相連，這塊卡就會被激活，這樣，在緊接著的數(shù)據(jù)周期中，它就會將其PCI配置空間相應(yīng)寄存器中的內(nèi)容放到總線上以供讀取。 　?。?） PCI_FRAME、PCI_DEVSEL、PCI_IRDY、PCI_TRDY引腳的處理 　　上述四個(gè)引腳均是低電平有效，因此需要接上拉電阻，以保證在設(shè)備未驅(qū)動(dòng)該引腳時(shí)處于穩(wěn)定的無效狀態(tài)，上拉電阻的阻值在1kΩ～10kΩ范圍內(nèi)，阻值越小，則將該信號驅(qū)動(dòng)為有效的時(shí)間越短，但太小又會導(dǎo)致電流過大，所以，要權(quán)衡考慮，本設(shè)計(jì)選用4.7kΩ。 　　上述三點(diǎn)對脫機(jī)情況下PCI設(shè)備的互連具有較普遍的參考意義，除此之外，本設(shè)計(jì)還有以下比較特殊的幾點(diǎn)： 　　●應(yīng)將TM1300的PCI，INTA引腳配置為輸入，以便接收Realtek8029的中斷; 　　●PCI時(shí)鐘由TM1300提供; 　　●Realtek8029的復(fù)位信號也就是TM1300的復(fù)位信號，該信號由外部電路提供; 　　●TM1300的PCI STOP、 PCI SERR引腳懸空，表示Realtek8029不具備相應(yīng)的附加功能。另外，TM1300的PCI INTB、PCI INTC、PCI INTD引腳可以用作用戶中斷。 3　軟件設(shè)計(jì) 　　該接口設(shè)計(jì)的軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。其中TM1300運(yùn)行于pSOS，它是一個(gè)簡單的實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)，帶有pNA+網(wǎng)絡(luò)組件，其pNA+相當(dāng)于TCP/IP協(xié)議棧的擴(kuò)展，它向上可提供應(yīng)用程序編程的socket接口，向下可定義一個(gè)與網(wǎng)絡(luò)接口層交互的接口，其中包括8個(gè)函數(shù)，分別是：ni_init（接口芯片初始化）、ni_broad-cast（發(fā)送廣播分組）、ni_send（發(fā)送普通分組）、ni_getpkb（申請發(fā)送緩沖區(qū)）、ni_retpkb（歸還接收緩沖區(qū)）、ni_ioctl（I/O控制操作）、ni_pool（統(tǒng)計(jì)量查詢）、Announce（網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動(dòng)調(diào)用它把接收到的數(shù)據(jù)包提交給pSOS）。其中網(wǎng)絡(luò)接口層在本應(yīng)用中就是Realtek8029的驅(qū)動(dòng)程序，它通過硬件抽象層來驅(qū)動(dòng)Realtek8029（硬件抽象層是PCI總線的配置讀寫和I/O讀寫指令集的總稱）。 　　軟件執(zhí)行的流程大致是：系統(tǒng)首先啟動(dòng)pSOS，并由它加載網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動(dòng)程序，然后調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的ni_init函數(shù)，同時(shí)初始化Realtek8029的PCI配置空間并設(shè)置Realtek8029的工作參數(shù)，之后啟動(dòng)用戶任務(wù)。在這里，用戶任務(wù)為H.263編碼進(jìn)程。它對VI口讀入的源圖像進(jìn)行壓縮編碼后，將調(diào)用socket的接口函數(shù)sendto（sendto是UDP套接口專用的發(fā)送函數(shù)），然后把碼流發(fā)送給pSOS由pSOS根據(jù)UDP協(xié)議進(jìn)行封裝后，再調(diào)用ni_send函數(shù)，并由ni_send完成數(shù)據(jù)包從系統(tǒng)主內(nèi)存到Realtek8029片上RAM的拷貝，然后啟動(dòng)Realtek8029發(fā)送數(shù)據(jù)。在接收情況下，Realtek8029收到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包后會用中斷通知CPU，然后由CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序。當(dāng)中斷服務(wù)程序?qū)?shù)據(jù)包從Realtek8029片上RAM中拷貝到系統(tǒng)的主內(nèi)存后，系統(tǒng)將調(diào)用Announce函數(shù)并把數(shù)據(jù)塊的指針、數(shù)據(jù)長度和其它信息提交pSOS，最后由pSOS將數(shù)據(jù)包沿協(xié)議棧一層層上傳并作出相應(yīng)的處理。 　　軟件的設(shè)計(jì)和pSOS操作系統(tǒng)的關(guān)系比較密切，限于篇幅，本文不對pSOS作詳細(xì)介紹，。本文接下來重點(diǎn)介紹PCI配置空間的配置過程，這部分對于類似的設(shè)計(jì)有較普遍的參考意義。PCI配置空間有64個(gè)字節(jié)，PCI片內(nèi)的這些寄存器存儲了該芯片的廠商號、設(shè)備號、設(shè)備類型等重要代碼，還包括命令寄存器、基地址寄存器等控制其總線行為的寄存器，它們必須在設(shè)備初始化時(shí)正確配置，否則設(shè)備不能工作。 　　對Realtek8029 PCI空間的配置需要三個(gè)步驟： 　　首先是掃描總線，這一步的目的是找到Real-tek8029的配置地址，直觀地講，就是找到它的PCI_IDSEL引腳和哪根AD線相連，因?yàn)楹罄m(xù)的配置寫要根據(jù)這個(gè)地址來尋址。掃描總線時(shí)，要對AD〔11〕到AD〔31〕每根線進(jìn)行一次掃描，如果哪根AD線連接了一個(gè)PCI設(shè)備的PCI IDSEL引腳，那么用配置讀函數(shù)讀取PCI配置空間的0號寄存器時(shí)，應(yīng)該返回該設(shè)備的設(shè)備和廠商代碼，如果這根線實(shí)際未連接設(shè)備，則返回值是0。已知Realtek8029的設(shè)備和廠商代碼是“0x802910ec”，如果返回值與之相同，說明找到了Realtek8029，這時(shí)要記下這根AD線的序號。例如，在硬件上把Realtek8029的PCI IDSEL和AD〔20〕相連，則掃描到的序號就應(yīng)該是“20”。 　　其次，用配置寫函數(shù)配置I/O讀寫使能，即在command寄存器中寫入“0x1”。 　　最后，用配置寫函數(shù)配置I/O地址，也就是在I/OBaseAdddress寄存器寫入分配給該設(shè)備的I/O地址（例如“0xe400”）。具體程序流程圖如圖4所示。 4 調(diào)試結(jié)果 　　根據(jù)以上設(shè)計(jì)，筆者在原TM1300視頻編碼硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入了PCI接口，并編寫了pSOS下Realtek8029的驅(qū)動(dòng)程序。然后，在這個(gè)硬件平臺上對Realtek8029的驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳送測試。 　　筆者首先用一個(gè)單獨(dú)的UDP發(fā)送任務(wù)進(jìn)行發(fā)送速率測試。這個(gè)任務(wù)主要是高速地向網(wǎng)絡(luò)上的一臺PC發(fā)送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的大小是變長的。PC接收并對丟包數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的結(jié)果如表1所列。實(shí)驗(yàn)表明，在用網(wǎng)線直連的各種測試速率情況下都沒有出錯(cuò)，而當(dāng)接入局域網(wǎng)后，在發(fā)送速率為4.5Mbps時(shí)有突發(fā)的少量錯(cuò)誤。由于UDP是不可靠的傳輸方式,所以這種錯(cuò)誤是正常的。測試中，UDP發(fā)送的最高速率可以達(dá)到5Mbps左右，它與硬件的最高速率（10Mbps）相比還有一定差距，主要原因是數(shù)據(jù)從系統(tǒng)主內(nèi)存到Realtek8029片上RAM的拷貝過程目前尚未采用DMA方式，這是需要改進(jìn)的地方。 　　表1 丟包數(shù)統(tǒng)計(jì)表（單位：丟包個(gè)數(shù)/分鐘） 　　接下來筆者進(jìn)行了編碼和傳送的聯(lián)合測試。編碼任務(wù)執(zhí)行H.263數(shù)據(jù)壓縮后，把碼流從以太網(wǎng)接口發(fā)出，然后在網(wǎng)絡(luò)上的另一臺PC上接收這個(gè)碼流，并進(jìn)行解碼播放。通過調(diào)整編碼器的量化步長可以控制編碼的輸出碼率。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下發(fā)現(xiàn)在量化步長大于等于5、碼率在700kbps以下時(shí)，基本沒有丟包現(xiàn)象，解碼得到的圖像比較穩(wěn)定，而當(dāng)量化步長進(jìn)一步減小，碼率接近1Mbps時(shí)，就會出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，解碼的圖像會出現(xiàn)彩色方塊。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)镠.263編碼器對CPU資源的消耗很大，而且數(shù)據(jù)在主內(nèi)存和Realtek8029片上RAM之間的復(fù)制采用I/O讀寫方式也需要一定的CPU資源。這樣，當(dāng)量化步長小于5時(shí)，處理的復(fù)雜度超過了CPU的能力從而產(chǎn)生了一定的誤碼。解決的途徑一方面是改進(jìn)數(shù)據(jù)的傳送方式（采用DMA），另一方面是需要對編碼任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化。 5　小結(jié) 　　本文介紹了PCI總線接口的設(shè)計(jì)以及PCI空間初始化的步驟，同時(shí)對測試結(jié)果進(jìn)行了較詳細(xì)的分析，提出了以后改進(jìn)的方向。