基于DSP／BIOS的数字电视传输流网络采集系统设计

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TCP/IP是因特网上传输数据所必需的协议, 这种网络通信模式在PC之间的实现已经完善, 但是体积、价格等因素限制了其应用的范围。因此, 基于TCP/IP 协议与以太网的嵌入式系统网络通信设计成为目前一个热门的话题。本系统实现了在以TI公司的TMS320DM643为核心的嵌入式系统中，对数字电视传输流(TS)信号进行采集并在以太网中传输。利用本系统可轻松地实现在局域网中对数字电视传输流信号的传输、调度。数字电视传输流信号源是针对欧洲数字有线广播系统标准(DVB-C)的数字有线电视信号。网络接入硬件在以TMS320DM643为核心的嵌入式系统中实现，网络接入软件采用了TI公司针对C6000系列DSP推出的TCP/IP NDK(Network Developer’s Kit)网络开发包来实现。 系统电路设计 电路主要由5部分组成。数字电视传输流网络采集系统框图如图1所示。 图1 数字电视传输流网络采集系统框图 其主要功能是通过传输流接口模块采集数字电视信号进入PLD(Cyclone EP1C6Q240C8)芯片，进行必要的处理后，将信号发送到DSP(TMS320DM643)芯片存储起来，并进行算法处理。通过TMS320DM643对BCM5221进行必要的配置，将存储在TMS320DM643内的数据通过BCM5221传送到局域网中,并通过计算机接收数据。 传输流接口模块 传输流接口模块由CY7B933输入接口芯片及其电器接口电路组成。CY7B933输入接口电路是点对点的传输模块，可以通过光纤、同轴电缆和双绞线进行高速的串行数据传输。输入接口符合DVB-ASI的接口标准。输入接口接收到串行位流后，通过内部PLL时钟同步恢复数据的时钟信息，并对位流进行串并转换、解码和传输检错等操作。这种输入接口能灵活地把高速点对点串行数据转变成并行数据，而且应用领域广泛，包括各种服务器、存储器和视频传输的应用。 PLD控制模块 在项目中，此部分硬件选用的是Altera公司的EP1C6Q240C8芯片。 此模块的主要功能是实现与CY7B933接收芯片的接口，把数据从CY7B933接收进来，并缓存数据。这部分功能均由VHDL语言编写的功能模块实现。主要有两个功能模块：RECEIVE与FIFO。RECEIVE模块主要负责从CY7B933接收数据字段；FIFO模块主要负责缓存数据。 RECEIVE模块 RECEIVE模块的功能是实现与CY7B933接收芯片的接口，把数据从CY7B933接收进来。其工作方式是以一个传输流包为边界接收数据的。 首先，RECEIVE模块会检测传输流包的边界，通过查找包头字节(固定为0x47)间的字节数来确定。因为包中数据也可能含有0x47，所以要牺牲3个包的数据来检查3次。当发现0x47这个字节的时候，就会触发一个内部的计数器开始计数。当计数到188后，如果下一个字节又是0x47，说明传输流包属于188个字节的包，那么计数器被清零；如果下一个字节又是0x47，说明传输流包属于188个字节的包，那么计数器被清零，否则计数器清零并重新开始检测边界。 当检测到边界以后，RECEIVE模块开始接收数据包。计数器会从零开始计数，在接收数据的过程中使能wrreq输出有效信号,同时把数据输出到下一级。当计数到188时，表示一个数据包接收完成。当一个包的数据接收完之后，计数器清零，并置ts188，保持高电平一个时钟周期。下一个周期检测数据是否为0x47，如果是，说明是下一个数据包的边界；否则，说明出现了错误，并重新回到上一段所说的检测数据包边界的状态。 此外，PLD模块内会有一个专用计数器记录空包数，当接收到数据包后，会首先检测此数据包是否为空包，如果是空包，PLD模块会把这个空包删除，并在计数器中加1。如果接收的不是空包，就会把计数器的值加到这个数据包的私有字段中，并缓存到FIFO。然后计数器自动清零。这样处理数据包的目的是为了减少网络传输的数据流量，从而可以传输更多的传输流数据。把计数器的值加入私有字段是为了在计算机接收到数据后，可以把原来的空包恢复出来，从而保证原传输流数据的完整性。 FIFO模块 FIFO模块的功能是从RECEIVE模块接收数据，并缓存起来。当RECEIVE模块接收完一个完整的传输流数据包之后，会发送ts188或ts204的中断信号给DSP，DSP就会启动EDMA功能从FIFO模块接收数据。DSP与FIFO模块采用异步连接的方式，具体的接收操作在DSP部分说明中再加以描述。 DSP算法处理模块 此模块主要由以TMS320DM643为核心的嵌入式系统组成。主要实现从PLD模块接收传输流数据包，把数据包打包成TCP/IP格式，并实现对网络接口(BCM5221)控制模块的初始化，然后把数据包传送到网络模块。 为了实现上述功能，必须建立起一套以TMS320DM643为核心的基本系统。 系统的具体配置 时钟配置：EMIF内核时钟ECLKIN是133MHz。此外，系统的外设总线、EDMA传输和L2存储器的工作时钟为CPU内核时钟的1/2，即300MHz；片上定时器的工作时钟为CPU内核时钟的1/8，即75MHz。 中断配置：TMS320DM643除了RESET和NMI引脚提供外部不可屏蔽中断请求输入以外，还有两个外部中断引脚GP0[5]/EXT_INT5、GP0[7]/EXT_INT7，以提供可屏蔽的外部中断请求输入。系统中，EXT_INT5外部中断用作PLD模块的请求接收数据信号，每当PLD模块接收完一个传输流包，就会发送一个外部中断信号给DSP，通知DSP接收数据。此外，EDMA中断用于接收完一个包的数据后做后续处理。 系统对EMIF的使用情况： 系统在CE0空间扩展了4M×64bit的SDRAM存储器(MT48LC4M32BPG)，用于存储程序与数据。SDRAM的工作时钟由TMS320DM643的ECLKOUT1提供，与EMIF的工作时钟频率相同，本系统中默认ECLKIN为其时钟源，即133MHz。 系统在CE1空间扩展了4M×8bit的Flash存储器(Am29LV033C)。在对Flash进行读/写访问前，需要通过EMIF的CE1控制寄存器CE1CTL，将CE1空间配置为8-bit异步存储器接口，及读/写时序。 系统在CE2空间扩展了与FIFO模块连接的接口。在DSP看来，FIFO模块可视为8bit异步只读存储器。FIFO模块的读使能信号rdreq与TMS320DM643的CE2片选信号连接；FIFO模块的读时钟信号rdclk与TMS320DM643的ARE读使能信号连接。 以太网接口 TMS320DM643上集成有一个EMAC+MDIO片上外设，EMAC是Ethernet Media Access Controller的缩写，即以太网媒体访问控制器，MDIO是Management Data Input/Output的缩写，即管理数据输入/输出模块。EMAC+MDIO用于为以太网物理层(PHY)器件提供接口，其中，EMAC为接口以太网PHY提供数据通路，MDIO为接口以太网PHY提供管理信息通路。 TMS320DM643的网络接口原理框图如图2所示。图2描述了EMAC+MDIO与DSP中间有一个EMAC 控制模块。它主要包含一些必备的、使EMAC更加有效使用DSP的存储空间，控制其复位、中断的一些逻辑。 这些寄存器的地址空间为：0x1C800000～0x1C803FFF。 图2 TMS320DM643的网络接口原理框图 网络接口控制模块 本系统用Broadcom公司的BCM5221作为10/100Base-TX以太网收发器，BCM5221的MII接口与TMS320DM643的MII接口对接。具体接口如图3所示。RJ45连接器选用AMP公司的406549-1，其上带两个LED指示灯，右边的LED为绿色，用作指示连接状态。左边的为黄色，正常情况下用来指示数据传输。 图3 TMS320DM643与PHY设备连接框图 电源模块 系统包括4组电源：系统外接稳压电源，把220V的交流电源电压转换成5V直流电压；PLD模块电源由两种电源供电，分别是3.3V和1.5V；TMS320DM643需要两种电源，分别为CPU核心和周边的I/O接口供电。周边I/O电压要求3.3V，CPU核心电压只要1.4V；网络接口控制模块采用3.3V电源供电。 系统软件设计 系统的软件设计主要是通过TCP/IP网络开发包NDK来实现的。该开发包支持TCP/IP协议，并占用较少的系统资源。NDK仅用200kB~250kB的程序空间和95kB的数据空间即可支持常规的TCP/IP服务。所以，NDK很适合目前嵌入式系统的硬件环境，是实现DSP网络开发的重要工具。 系统软件的框图如图4所示。 图4 软件系统图 具体流程：系统配置主要在初始化函数中完成，此初始化函数将在.cinit初始化后，并在DSP/BIOS初始化和main函数之前调用。系统配置需要开启INT8中断，也就是EDMA传输中断，并设置GPIO7引脚为高电平，从而使PLD模块始终处于初始状态。TCP/IP协议配置在任务线程中完成，主要实现服务器IP地址和网关的配置。当其完成后，系统就会触发一个软件中断，在软件中断程序中，服务器会产生一个用于侦听的端口，并开始侦听网络上的请求。此时，服务器已经处于待命状态，等待客户机的传输请求。 当客户机的传输请求到来时，系统首先会使GPIO7引脚变为低电平，PLD模块开始发送数据。当其接收到一个完整的传输流数据包后，就会发一个中断给DSP，DSP启动EDMA，用ping-pong的方式接收数据进入特定的存储器，当接收完一个完整的传输流数据包后，会产生硬件EDMA中断，中断程序主要是设置特定的标志位为1，然后退出硬件中断，重新回到软件中断程序。当软件中断程序检测到特定的标志位为1时，就会开始传输在存储器中的传输流数据包给客户机。当一个数据包传输完毕后，特定的标志会被置0，系统等待下一个数据包的到来。 当客户机要求停止传输的请求到来时，系统会重新使GPIO引脚变为高电平，PLD模块回到初试状态。此时，系统也会处于待命状态，继续侦听网络。 系统初始化 初始化配置主要包括EMIF总线配置、中断配置和底层网络配置3个部分。初始化工作首先在DSP/BIOS的全局参数配置窗口进行设置，然后调用初始化函数进行配置。 在DSP/BIOS的全局配置窗口主要设置了DSP的工作时钟频率为600MHz，选择使用的片级支持库CSL为DM643的库，选用小端访问模式，片内256kB的SRAM全部用于Cache，并调用初始化函数dm643_init()。 TCP/IP协议配置 初始化程序dm643_init()完成后，系统将进入各个线程。首先，系统会触发任务线程TSK0，在TSK0任务线程中执行函数StackTest()，其首先调用NC-SystemOpen()函数，完成协议栈及其所需内存的初始化，然后新建一个系统配置句柄hCfg = CfgNew();，并实现服务器IP地址和网关的配置。在本系统中，IP地址配置为"192.168.0.2"；子网掩码为"255.255.255.0"；网关地址为"192.168.0.1"。配置好之后，系统会触发一个软件中断，并做好侦听网络的准备。 网络侦听 前面在任务线程中已经配置了IP地址和网关，下面就要在软件中断中设置端口并进行侦听。首先，在开始使用报路之前，必须分配一个文件环境fdOpenSession( TaskSelf() )给这个报路。接着就可以创建一个报路对象stcp = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)，并设置端口sin1.sin_port = htons(1000)，在这里设置端口号为1000，当然也可以设置其他的端口号。然后把端口号与报路对象绑定bind( stcp, (PSA) &sin1, sizeof(sin1)。最后进入侦听状态listen( stcp, 1)。 数据的接收 当客户端要求传输数据的信号到来后，系统会使GPIO7引脚变为低电平，PLD模块开始发送数据。DSP通过EDMA方式来接收数据。EDMA可以在没有CPU参与的情况下，由EDMA控制器完成DSP存储空间内的数据搬移。系统主要采用EDMA的ping-pong方式来连续接收数据。用ping-pong方式的目的是为了使接收操作和发送操作分开进行，增强程序的操作性和可读性。 限于篇幅，网络发送部分不再赘述。 结语 本系统的硬件和软件功能已经实现，网络传输的速度为2MBps。按照此速度，假设传输流中的空包百分比为40%，可以传输5MBps的传输流数据，至少可以传输2~3路的TS流节目。因此，可以证明本系统的设计方法合理、有效。