TM1300芯片的以太网通信接口的设计和实现

设计通过TM1300的PCI接口驱动以太网芯片，实现了一种以太网通信接口。该方案将擅长多媒体信号处理的TM1300和十分普及的以太网结合起来，可以方便地实现视频通信，文章对该方案的软件和硬件的设计要点进行了详细的介绍，并给出了对模拟数据和实际视频压缩码流的传送实验结果。?
    关键词：PCI总线，TM1300，以太网通信接口，视频通信?

1 引言
    TM1300是Philip公司推出的多媒体DSP，它不仅具有强大的处理能力，还具有非常友好的音频和视频以及SSI和PCI等I/O接口，可以根据应用的需要灵活地构造各种视频通信系统。在本文之前，已经有了TM1300上的H.263软硬件平台，并利用TM1300的SSI（通用串行口）接口输出编码码流，通过两种专门设计的外围接口板实现了通过modem在电话线上的低码率传输和通过E1接口在专线的高速传输。鉴于目前计算机网络的普及和网上视频业务的发展，很有必要再为TM1300视频编码系统开发一个以太网接口，拓宽应用范围。开发以太网接口的一种合理思路是，利用TM1300集成的PCI接口驱动专用的以太网接口芯片。因目前多数以太网接口芯片，如realtek8029，realtek8139等都是PCI接口的，可以用PCI总线将数据从TM1300传输到这些专用的以太网接口芯片，然后由它们发送数据。而且，TM1300可以运行嵌入式操作系统pSOS，pSOS带有TCP/IP协议栈，所以，可以方便地完成编码码流的 TCP/IP封装。
    根据以上思路，我们首先进行了前期测试，证明这样是可行的，接下来进行了电路板的设计，并顺利完成了调试。目前，这个以太网接口已经基本开发成功。本文将对这个设计的技术要点从硬件和软件两方面进行详细介绍。
2 硬件设计
    系统框图如图1所示。

    硬件设计的重点是PCI总线接口， PCI总线根据数据位的宽度有32位和64位之分，64位的数据线对32位是兼容的。PC中常见的是32位PCI总线，它的有用引脚总数是110个，可以分成3组。第一组是基本功能信号线，包括32位共享数据地址线AD〔00..31〕、接口控制线、仲裁线、时钟线、系统复位线、中断线；第二组是附加功能信号线，包括错误报告线、cache功能支持线、JTAG边界扫描线；第三组是电源线，包括设备耗电量标示线、3.3V电源线（12根）、5V电源线（13根）、地线（22根）。
    因为PCI的附加功能信号线支持的cache功能和JTAG边界扫描功能8029都不具备，而且虽然8029具有奇偶校验错报告功能引脚，但是可以悬空不用，所以，只需要考虑第一组功能信号线的连接。
    PCI接口的设计有以下几个要点：
    （1） PCI总线的仲裁。
    这里先说明两个概念。首先，PCI总线是多设备共享的，由于PC里有多个PCI设备，所以需要使用仲裁器；其次，PCI设备有主设备和从设备之分，主设备可以发起PCI数据的传送，从设备只能被动地响应主设备的操作，对读操作和写操作做出响应。PCI的仲裁引脚是REQ#和GNT#，分别称为请求线和授权线，只有PCI主设备有这两个引脚。REQ#和GNT#成对地连到仲裁器，设备与设备的REQ#和GNT#是互不相连的。
    PCI总线的仲裁过程是这样的：PCI主设备把REQ#电平拉低，表示向仲裁器请求占用总线，经仲裁获准后，仲裁器把这个设备的GNT#电平拉低，表示请求获准，该设备就可以使用总线了。当它不再使用总线时，使REQ#信号变为高电平，仲裁器就不再会给它分配总线资源。在本系统中，TM1300是PCI主设备，8029是PCI从设备，不存在共享总线的问题，所以不需要仲裁器，可以简单地把REQ# 和GNT#短接，相当于TM1300自己给自己授权。
    （2） PCI_IDSEL信号线在设备的PCI配置读写中起关键作用。
    PCI有一种特殊的读写周期，称为配置读写，这是在系统引导时，还没有给设备配置I/O或内存地址，软件只能通过配置读写访问设备。配置读写有两种，分别称为0型和1型，采用哪一种取决于总线的硬件连接。当配置读写操作不经过PCI桥时，使用0型，当要经过PCI桥时要用1型，0型读写的地址直接就是总线上的地址，1型读写的地址则要经过PCI桥的译码才成为最终的总线地址。本设计中，TM1300和8029是用PCI总线直连的，所以使用了0型配置读写。
    AD〔00..31〕是PCI总线的共享地址和数据线，每一次PCI传送都分为地址周期和数据周期。在地址周期， 0型读写时AD〔00..31〕的内容如下：AD〔00〕和AD〔01〕总为“00”，因为配置读写是以双字为单位的；AD〔02〕-AD〔07〕是要读写的PCI配置空间的寄存器号；AD〔08〕~AD〔10〕是设备的功能号，在一块PCI卡上有多个功能设备时，为了进一步区分这些设备就要用到这几位，8029是单功能设备，这几位全为0；AD〔11〕-AD〔31〕是设备选择位，其中必须有且仅有一位为"1"（如图2所示）,物理上这表现为总线的AD〔11〕-AD〔31〕中有一根为高电平，如果出高电平的这根线与某块PCI卡的PCI_IDSEL引脚相连，这块卡就会被激活，在紧接着的数据周期，它就会将其PCI配置空间相应寄存器的内容放到总线上供读取。?
    （3）PCI_FRAME#，PCI_DEVSEL#，PCI_IRDY#，PCI_TRDY#引脚的处理。
    这四个引脚均是低电平有效，需要接上拉电阻，保证在设备未驱动该引脚时处于稳定的无效状态, 上拉电阻的阻值在1kΩ到10kΩ范围内，阻值越小则芯片将该信号驱动为有效的时间越短，但是太小会导致电流过大，所以，要权衡考虑，本设计选用4.7kΩ。
    上述三点对脱机情况下PCI设备的互连具有较普遍的参考意义，除此之外，本设计还有以下几点比较特殊：
    ·TM1300的PCI_INTA#引脚配置为输入，以接收8029的中断；?
    · PCI时钟由TM1300提供；?
    ·8029的复位信号也就是TM1300的复位信号，由外部电路提供；?
    ·TM1300的PCI_STOP#，PCI_SERR#引脚悬空，因为8029不具备相应的附加功能。另外TM1300的PCI_INTB#,PCI_INTC#,PCI_INTD#引脚可以用作用户中断。

3 软件设计
    软件的结构框图如图3所示。其中，TM1300运行pSOS，它是一个简单的实时多任务嵌入式操作系统，带有pNA+网络组件，pNA+相当于TCP/IP协议栈的扩展，它向上提供应用程序编程的socket接口，向下定义了一个与网络接口层交互的接口，包括8个函数,分别是：ni_init（接口芯片初始化）、ni_broadcast（发送广播分组）、ni_send（发送普通分组）、ni_getpkb（申请发送缓冲区）、ni_retpkb（归还接收缓冲区）、ni_ioctl（I/O控制操作）、ni_pool（统计量查询）、Announce（网络接口驱动调用它把接收到的数据包提交给pSOS）。网络接口层在本应用中就是8029的驱动程序，它通过硬件抽象层来驱动8029。硬件抽象层是PCI总线的配置读写和I/O读写指令集的总称。
    软件执行的流程大致是：系统首先启动pSOS,pSOS加载网络接口驱动程序，然后调用驱动程序的ni_init函数，初始化8029的PCI配置空间并设置8029的工作参数，之后启动用户任务。在这里，用户任务是H.263编码进程。它对VI口读入的源图像进行压缩编码后，调用socket的接口函数sendto（sendto是UDP套接口专用的发送函数），把码流发送给pSOS，pSOS根据UDP协议进行封装后，调用ni_send函数，ni_send完成数据包从系统主内存到8029片上RAM的拷贝，然后启动8029发送数据。在接收的情况下，8029收到一个完整的数据包后，用中断通知CPU，CPU转而执行中断服务程序，中断服务程序将数据包从8029片上RAM中拷贝到系统的主内存，然后调用Announce函数，把数据块的指针，数据长度和其它信息提交pSOS，pSOS将数据包沿协议栈一层层上传，作出相应的处理。
    软件的设计和pSOS操作系统的关系比较密切，限于篇幅，本文不对pSOS作详细介绍，可以参阅参考文献〔1〕和〔2〕的相关内容。另外，8029驱动程序的编写可以参照参考文献〔3〕。本文接下来重点介绍PCI配置空间的配置过程，这部分对于类似的设计有较普遍的参考意义。
    PCI配置空间有64个字节，PCI片内都集成了这些寄存器,其中存储了该芯片的厂商号、设备号、设备类型等重要代码，还包括命令寄存器、基地址寄存器等控制其总线行为的寄存器，它们必须在设备初始化时正确配置，否则设备不能工作。
    对8029PCI空间的配置需要三个步骤：?
    首先，扫描总线，这一步的目的是找到8029的配置地址，直观地讲就是它的PCI_IDSEL引脚和哪根AD线相连，因为后续的配置写要根据这个地址寻址。扫描总线时，要对AD〔11〕到AD〔31〕每根线进行一次扫描，如果这根AD线连接了一个PCI设备的PCI_IDSEL引脚，那么用配置读函数读取PCI配置空间的0号寄存器时，应该返回该设备的设备和厂商代码，如果这根线实际未连接设备，则返回值是0，已知8029的设备和厂商代码是"0x802910ec",如果返回值与之相同，说明找到了8029，这时要记下这根AD线的序号。例如，我们在硬件上把8029的PCI_IDSEL和AD〔20〕相连，则扫描到的序号就应该是“20”。
    其次，用配置写函数配置I/O读写使能，即在command寄存器写入“0x1”。
    最后，用配置写函数配置I/O地址，即在I/O Base Adddress寄存器写入分配给该设备的I/O地址，例如“0xe400”。程序流程图如图4所示。

4 调试结果
    根据以上设计，我们在原TM1300视频编码硬件系统的基础上加入了PCI接口，并编写了pSOS下8029的驱动程序。然后，在这个硬件平台上对8029的驱动部分进行了数据传送测试。

    首先，我们用一个单独的UDP发送任务进行发送速率测试。这个任务高速向网络上的一台PC发送数据包，数据包的大小是变长的。该PC接收并对丢包数进行统计，其结果如表1。实验表明，在用网线直连的各种测试速率情况下都没有出错，当接入局域网后在发送速率为4.5Mbps时有突发的少量错误。由于UDP是不可靠的传输方式，所以这种错误是正常的。测试中UDP发送的最高速率可以达到5Mbps左右，它与硬件的最高速率（10Mbps）相比还有一定差距，主要原因是数据从系统主内存到8029片上RAM的拷贝过程目前尚未采用DMA方式，这是需要改进的地方。
    然后，我们进行了编码和传送的联合测试。编码任务执行H.263数据压缩，然后把码流从以太网接口发出，在网络上的另一台PC上接收这个码流和进行解码播放。通过调整编码器的量化步长可以控制编码的输出码率。在实验环境下发现，在量化步长大于等于5、码率在700kbps以下时，基本没有丢包的情况，解码得到的图像比较稳定；当量化步长进一步减小、码率接近1Mbps时，出现丢包现象，解码的图像出现彩色方块。出现这种现象是因为H.263编码器对CPU资源的消耗很大，而且数据在主内存和8029片上RAM之间的复制采用的是I/O读写方式，也需要一定的CPU资源，当量化步长小于5时，处理复杂度超过了CPU的能力，从而产生了一定的误码。解决问题的途径一方面是改进数据的传送方式（采用DMA），另一方面需要对编码任务进行优化。
5 结束语?
    本文把介绍重点放在了对于类似的设计有较普遍参考意义的部分，例如PCI总线接口的设计，PCI空间初始化的步骤等。对测试结果进行了较详细的分析，提出了以后改进的方向。?

参考文献?

1 倪强. 基于TM1300的视频监控系统码率控制和远端设备控制接口技术研究：〔学位论文〕. 南京：南京邮电学院信息工程系，2002
2 倪强，胡明. 基于PSTN的视频监控系统的远端设备. 电子工程师,2002(4): 14～16
3 ***. 计算机通信技术及其程序设计. 西安：西安电子科技大学出版社，1998