基于DSP BIOS的數字電視傳輸流網絡采集系統設計
摘要： 基于TCP/IP 協議與以太網的嵌入式系統網絡通信設計成為目前一個熱門的話題。本系統實現了在以TI公司的TMS320DM643為核心的嵌入式系統中，對數字電視傳輸流(TS)信號進行采集并在以太網中傳輸。利用本系統可輕松地實現在局域網中對數字電視傳輸流信號的傳輸、調度。數字電視傳輸流信號源是針對歐洲數字有線廣播系統標準(DVB-C)的數字有線電視信號。網絡接入硬件在以TMS320DM643為核心的嵌入式系統中實現，網絡接入軟件采用了TI公司針對 C6000系列DSP推出的TCP/IP NDK(Network Developer’s Kit)網絡開發包來實現。
Abstract：
Key words :
TCP/IP是因特網上傳輸數據所必需的協議, 這種網絡通信模式在PC之間的實現已經完善, 但是體積、價格等因素限制了其應用的范圍。因此, 基于TCP/IP 協議與以太網的嵌入式系統網絡通信設計成為目前一個熱門的話題。本系統實現了在以TI公司的TMS320DM643為核心的嵌入式系統中，對數字電視傳輸流(TS)信號進行采集并在以太網中傳輸。利用本系統可輕松地實現在局域網中對數字電視傳輸流信號的傳輸、調度。數字電視傳輸流信號源是針對歐洲數字有線廣播系統標準(DVB-C)的數字有線電視信號。網絡接入硬件在以TMS320DM643為核心的嵌入式系統中實現，網絡接入軟件采用了TI公司針對 C6000系列DSP推出的TCP/IP NDK(Network Developer’s Kit)網絡開發包來實現。
系統電路設計
電路主要由5部分組成。數字電視傳輸流網絡采集系統框圖如圖1所示。
圖1 數字電視傳輸流網絡采集系統框圖
其主要功能是通過傳輸流接口模塊采集數字電視信號進入PLD(Cyclone EP1C6Q240C8)芯片，進行必要的處理后，將信號發送到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內的數據通過BCM5221傳送到局域網中,并通過計算機接收數據。
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據傳輸。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，通過內部 PLL時鐘同步恢復數據的時鐘信息，并對位流進行串并轉換、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據轉變成并行數據，而且應用領域廣泛，包括各種服務器、存儲器和視頻傳輸的應用。
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與CY7B933接收芯片的接口，把數據從CY7B933接收進來，并緩存數據。這部分功能均由VHDL語言編寫的功能模塊實現。主要有兩個功能模塊：RECEIVE與FIFO。RECEIVE模塊主要負責從CY7B933接收數據字段；FIFO模塊主要負責緩存數據。
RECEIVE模塊
RECEIVE模塊的功能是實現與CY7B933接收芯片的接口，把數據從CY7B933接收進來。其工作方式是以一個傳輸流包為邊界接收數據的。
首先，RECEIVE模塊會檢測傳輸流包的邊界，通過查找包頭字節(固定為0x47)間的字節數來確定。因為包中數據也可能含有0x47，所以要犧牲3個包的數據來檢查3次。當發現0x47這個字節的時候，就會觸發一個內部的計數器開始計數。當計數到188后，如果下一個字節又是0x47，說明傳輸流包屬于188個字節的包，那么計數器被清零；如果下一個字節又是0x47，說明傳輸流包屬于188個字節的包，那么計數器被清零，否則計數器清零并重新開始檢測邊界。
當檢測到邊界以后，RECEIVE模塊開始接收數據包。計數器會從零開始計數，在接收數據的過程中使能wrreq輸出有效信號,同時把數據輸出到下一級。當計數到188 時，表示一個數據包接收完成。當一個包的數據接收完之后，計數器清零，并置ts188，保持高電平一個時鐘周期。下一個周期檢測數據是否為0x47，如果是，說明是下一個數據包的邊界；否則，說明出現了錯誤，并重新回到上一段所說的檢測數據包邊界的狀態。
此外，PLD模塊內會有一個專用計數器記錄空包數，當接收到數據包后，會首先檢測此數據包是否為空包，如果是空包，PLD模塊會把這個空包刪除，并在計數器中加1。如果接收的不是空包，就會把計數器的值加到這個數據包的私有字段中，并緩存到FIFO。然后計數器自動清零。這樣處理數據包的目的是為了減少網絡傳輸的數據流量，從而可以傳輸更多的傳輸流數據。把計數器的值加入私有字段是為了在計算機接收到數據后，可以把原來的空包恢復出來，從而保證原傳輸流數據的完整性。
FIFO 模塊
FIFO模塊的功能是從RECEIVE模塊接收數據，并緩存起來。當RECEIVE模塊接收完一個完整的傳輸流數據包之后，會發送 ts188或ts204的中斷信號給DSP，DSP就會啟動EDMA功能從FIFO模塊接收數據。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組成。主要實現從PLD模塊接收傳輸流數據包，把數據包打包成TCP/IP格式，并實現對網絡接口(BCM5221)控制模塊的初始化，然后把數據包傳送到網絡模塊。
為了實現上述功能，必須建立起一套以TMS320DM643為核心的基本系統。
系統的具體配置
時鐘配置：EMIF內核時鐘ECLKIN是133MHz。此外，系統的外設總線、EDMA傳輸和L2存儲器的工作時鐘為CPU內核時鐘的1/2，即 300MHz；片上定時器的工作時鐘為CPU內核時鐘的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。系統中，EXT_INT5外部中斷用作PLD模塊的請求接收數據信號，每當PLD模塊接收完一個傳輸流包，就會發送一個外部中斷信號給DSP，通知DSP接收數據。此外，EDMA中斷用于接收完一個包的數據后做后續處理。
系統對EMIF的使用情況：
系統在CE0 空間擴展了4M×64bit的SDRAM存儲器(MT48LC4M32BPG)，用于存儲程序與數據。SDRAM的工作時鐘由TMS320DM643的 ECLKOUT1提供，與EMIF的工作時鐘頻率相同，本系統中默認ECLKIN為其時鐘源，即133MHz。
系統在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。
系統在CE2空間擴展了與FIFO模塊連接的接口。在DSP看來，FIFO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，即以太網媒體訪問控制器，MDIO是Management Data Input/Output的縮寫，即管理數據輸入/輸出模塊。EMAC+MDIO用于為以太網物理層(PHY)器件提供接口，其中，EMAC為接口以太網 PHY提供數據通路，MDIO為接口以太網PHY提供管理信息通路。
TMS320DM643的網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的網絡接口原理框圖
網絡接口控制模塊
本系統用BroADCom公司的BCM5221作為10/100Base-TX以太網收發器，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。左邊的為黃色，正常情況下用來指示數據傳輸。
圖3 TMS320DM643與PHY設備連接框圖
電源模塊
系統包括4組電源：系統外接穩壓電源，把220V的交流電源電壓轉換成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；網絡接口控制模塊采用3.3V電源供電。
系統軟件設計
系統的軟件設計主要是通過TCP/IP網絡開發包NDK 來實現的。該開發包支持TCP/IP協議，并占用較少的系統資源。NDK僅用200kB~250kB的程序空間和95kB的數據空間即可支持常規的TCP /IP服務。所以，NDK很適合目前嵌入式系統的硬件環境，是實現DSP網絡開發的重要工具。
系統軟件的框圖如圖4所示。
圖4 軟件系統圖
具體流程：系統配置主要在初始化函數中完成，此初始化函數將在.cinit初始化后，并在DSP/BIOS初始化和main函數之前調用。系統配置需要開啟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。TCP/IP協議配置在任務線程中完成，主要實現服務器IP地址和網關的配置。當其完成后，系統就會觸發一個軟件中斷，在軟件中斷程序中，服務器會產生一個用于偵聽的端口，并開始偵聽網絡上的請求。此時，服務器已經處于待命狀態，等待客戶機的傳輸請求。
當客戶機的傳輸請求到來時，系統首先會使GPIO7引腳變為低電平，PLD模塊開始發送數據。當其接收到一個完整的傳輸流數據包后，就會發一個中斷給DSP，DSP啟動EDMA，用ping-pong的方式接收數據進入特定的存儲器，當接收完一個完整的傳輸流數據包后，會產生硬件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據包給客戶機。當一個數據包傳輸完畢后，特定的標志會被置0，系統等待下一個數據包的到來。
當客戶機要求停止傳輸的請求到來時，系統會重新使GPIO引腳變為高電平，PLD模塊回到初試狀態。此時，系統也會處于待命狀態，繼續偵聽網絡。
系統初始化
初始化配置主要包括EMIF總線配置、中斷配置和底層網絡配置3個部分。初始化工作首先在DSP/BIOS的全局參數配置窗口進行設置，然后調用初始化函數進行配置。
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256kB的SRAM全部用于Cache，并調用初始化函數dm643_init()。
TCP/IP 協議配置
初始化程序dm643_init()完成后，系統將進入各個線程。首先，系統會觸發任務線程TSK0，在TSK0任務線程中執行函數StackTest()，其首先調用NC-SystemOpen()函數，完成協議棧及其所需內存的初始化，然后新建一個系統配置句柄hCfg = CfgNew();，并實現服務器IP地址和網關的配置。在本系統中，IP地址配置為"192.168.0.2"；子網掩碼為"255.255.255.0"；網關地址為"192.168.0.1"。配置好之后，系統會觸發一個軟件中斷，并做好偵聽網絡的準備。
網絡偵聽
前面在任務線程中已經配置了IP地址和網關，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境fdOpenSession( TaskSelf() )給這個報路。接著就可以創建一個報路對象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listen( stcp, 1)。
數據的接收
當客戶端要求傳輸數據的信號到來后，系統會使GPIO7引腳變為低電平，PLD模塊開始發送數據。DSP通過EDMA方式來接收數據。EDMA可以在沒有 CPU參與的情況下，由EDMA控制器完成DSP存儲空間內的數據搬移。系統主要采用EDMA的ping-pong方式來連續接收數據。用ping- pong方式的目的是為了使接收操作和發送操作分開進行，增強程序的操作性和可讀性。
限于篇幅，網絡發送部分不再贅述。
結語
本系統的硬件和軟件功能已經實現，網絡傳輸的速度為2MBps。按照此速度，假設傳輸流中的空包百分比為40%，可以傳輸5MBps的傳輸流數據，至少可以傳輸2~3路的TS流節目。因此，可以證明本系統的設計方法合理、有效。
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