摘 要：本文以數(shù)字信號處理器和網(wǎng)絡(luò)控制器為核心，設(shè)計了嵌入式DSP系統(tǒng)接入以太網(wǎng)硬件平臺，并簡化網(wǎng)絡(luò)層次體系結(jié)構(gòu)，完成相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件的設(shè)計，實現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與計算機(jī)進(jìn)行通信功能。 關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng); 網(wǎng)絡(luò)接口; 數(shù)字信號處理器 1、引言 　　結(jié)合DSP技術(shù)與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融入以數(shù)字信號處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)中，利于各種設(shè)備共享互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中龐大的信息資源，使其嵌入式設(shè)備在性價比與實時性方面有著通用計算機(jī)無法比擬的優(yōu)越性，因此嵌入式DSP技術(shù)越來越廣泛地被應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品開發(fā)中。由于嵌入式網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的應(yīng)用前景非常廣闊，現(xiàn)在已經(jīng)成為研究的熱點。 　　本文利用數(shù)字信號處理器DSP和以太網(wǎng)控制器構(gòu)建嵌入式智能接入以太網(wǎng)，完成了以DSP為核心的以太網(wǎng)嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺，并在此硬件平臺上實現(xiàn)嵌入式TCP/IP協(xié)議，完成DSP嵌入式系統(tǒng)通過以太網(wǎng)絡(luò)與通用計算機(jī)的通信交換數(shù)據(jù)功能。 2、對以太網(wǎng)控制器分析 　　以太網(wǎng)控制器主要是實現(xiàn)以太網(wǎng)媒介訪問層MAC（Media Access Control）和物理層的功能，包括MAC數(shù)據(jù)幀收發(fā)、地址識別、循環(huán)冗余檢驗CRC（Cyclic Redundancy Check）編碼與校驗、曼徹斯特編碼、超時重傳、鏈路完整性測試、信號極性監(jiān)測與糾正等。而主處理器只需要通過網(wǎng)絡(luò)控制器的外部總線來讀取其接收或發(fā)送的幀數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)絡(luò)控制器RTL8019AS內(nèi)部原理框圖，如圖1所示。 [align=center] 圖1 網(wǎng)絡(luò)控制器RTL8019AS內(nèi)部原理框圖[/align] 　　接收邏輯在接收時鐘控制下將串行數(shù)據(jù)并成字節(jié)送到FIFO（First-In First-Out）和CRC;發(fā)送邏輯將FIFO送來的字節(jié)在發(fā)送時鐘控制下逐步按位移出，并送到CRC;CRC邏輯在接收時對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗，將結(jié)果與幀尾的CRC比較，如不同，該數(shù)據(jù)幀將被拒收，在發(fā)送時CRC對幀數(shù)據(jù)產(chǎn)生CRC并附加在數(shù)據(jù)尾傳送;地址識別邏輯對接收幀的目的地址與設(shè)置的本地物理地址進(jìn)行比較，如不同且不是廣播地址，則該數(shù)據(jù)幀被拒收;FIFO邏輯對收發(fā)數(shù)據(jù)做16個字節(jié)緩沖，以減少對近端DMA（Local Direct Memory Access）請求的頻率。 　　以太網(wǎng)控制器DMA操作原理框圖，如圖2所示。對于主處理器來說，可以把網(wǎng)絡(luò)控制器看作是一個向以太網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)的從設(shè)備。按服務(wù)對象的不同，可將網(wǎng)絡(luò)控制器內(nèi)部分為遠(yuǎn)端DMA（Remote Direct Memory Access）通道和近端DMA（Local Direct Memory Access）通道兩個部分。遠(yuǎn)端DMA主要負(fù)責(zé)以太網(wǎng)控制器內(nèi)部RAM與主處理器之間數(shù)據(jù)交換：即主處理器通過對遠(yuǎn)端DMA讀寫操作，來完成對網(wǎng)絡(luò)控制器的數(shù)據(jù)收發(fā)控制操作。近端DMA主要負(fù)責(zé)自動完成以太網(wǎng)控制器與網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)交換：即接收數(shù)據(jù)時，網(wǎng)絡(luò)控制器將接收到的數(shù)據(jù)存到內(nèi)部的接收緩沖區(qū)，收滿一幀后，以中斷或寄存器標(biāo)志的方式通知處理器;發(fā)送數(shù)據(jù)時，當(dāng)收到傳送命令后，網(wǎng)絡(luò)控制器自動將發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)按標(biāo)準(zhǔn)幀格式送出去。 [align=center] 圖2 以太網(wǎng)控制器DMA操作原理框圖[/align] 3、網(wǎng)絡(luò)接口硬件電路的設(shè)計 　　DSP與網(wǎng)絡(luò)控制器RTL8019AS硬件接口電路圖，如圖3所示。網(wǎng)絡(luò)控制器RTL8019AS的工作電壓標(biāo)稱為5V供電，但是經(jīng)過實際測試驗證RTL8019AS芯片能在3.3V供電情況正常使用，而DSP芯片TMS320VC5409的工作電壓也為3.3V，因此網(wǎng)絡(luò)控制器的輸入/輸出可與TMS320VC5409直接接口。 [align=center] 圖3 DSP與網(wǎng)絡(luò)控制芯片RTL8019AS硬件接口電路圖[/align] 　　RTL8019AS在復(fù)位的上升沿鎖定IOCS16腳的電平，高電平時為16位總線方式，低電平時為8位總線方式。如連接到8位主設(shè)備上，可以選擇47kΩ的下拉電阻，SD[8:15]空懸;如連接到16位主設(shè)備上，可以選擇510Ω的上拉電阻即可。由于RTL8019AS沒有外接初始化的EPROM，故復(fù)位時命令寄存器（CR）的I/O地址的值為缺省值0300H，所以為滿足RTL8019AS的時序要求，A5～A19地址連接必須使網(wǎng)絡(luò)控制器的地址鎖定在0300H，否則主控制器就無法訪問到網(wǎng)絡(luò)控制器RTL8019AS的寄存器。 　　在本設(shè)計中，采用了16位數(shù)據(jù)總線方式對網(wǎng)絡(luò)控制器操作，把網(wǎng)絡(luò)控制器的地址映射到DSP的I/O空間，以I/O方式來訪問網(wǎng)絡(luò)控制器寄存器，所以這就需要將網(wǎng)絡(luò)控制器地址線SA[0:4]與DSP芯片地址線A[0:4]地址線相接，網(wǎng)絡(luò)控制器地址端SA[8:9]接高電平，地址端SA[10:19]接低電平。將網(wǎng)絡(luò)控制器RTL8019AS的其余的控制信號引腳直接接到CPLD上，DSP對網(wǎng)絡(luò)控制器的邏輯控制則通過對CPLD編程來實現(xiàn)。 　　網(wǎng)絡(luò)控制器的網(wǎng)絡(luò)連接指示（LEDBNC）、網(wǎng)絡(luò)沖突指示（LED）、接收指示（LED1）、發(fā)送指示（LED2）引腳接發(fā)光二極管來指示網(wǎng)絡(luò)控制器工作狀態(tài)。由于在芯片RTL8019AS中的輸入引腳內(nèi)部被100K的電阻下拉接地，所以芯片中任何懸空的引腳狀態(tài)都是低電平狀態(tài)。 4、網(wǎng)絡(luò)軟件的設(shè)計 　　4.1、軟件實現(xiàn)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次劃分 　　系統(tǒng)參照ISO標(biāo)準(zhǔn)的7層OSI 模型，根據(jù)實際應(yīng)用要求，可采用縮減的網(wǎng)絡(luò)軟件體系結(jié)構(gòu)，如圖4所示，可把網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)劃分為三層：網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)訪問驅(qū)動控制層、操作系統(tǒng)控制層和用戶應(yīng)用數(shù)據(jù)層。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)訪問驅(qū)動控制層規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问郊皵?shù)據(jù)通信信號的電氣特性，實現(xiàn)點到點的通信規(guī)程，并完全執(zhí)行IEEE802.3的CSMA/CD協(xié)議;操作系統(tǒng)控制層集成了TCP/IP協(xié)議族組件，完成把從數(shù)據(jù)鏈路層獲得的數(shù)據(jù)解析成用戶應(yīng)用程序所需的數(shù)據(jù);用戶應(yīng)用數(shù)據(jù)層則是對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析工作。 [align=center] 圖4 網(wǎng)絡(luò)軟件體系結(jié)構(gòu)[/align] 　　4.2、數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)分析 　　網(wǎng)絡(luò)控制芯片執(zhí)行IEEE802.3協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)，如圖5所示。 [align=center] 圖5 IEEE802.3協(xié)議幀結(jié)構(gòu)[/align] 　　62位前導(dǎo)位PR碼與2位幀起始位SD碼由網(wǎng)絡(luò)控制芯片硬件自動生成物理層同步信號。48位目的IP的物理地址DA碼指示著該數(shù)據(jù)幀所要到達(dá)的目的物理地址，48位源IP地址SA碼攜帶著發(fā)送該數(shù)據(jù)幀的源物理地址。16位的TYPE/LEN碼代表該數(shù)據(jù)幀類型或數(shù)據(jù)幀長度。DATA數(shù)據(jù)段，是該類型包的有效數(shù)據(jù)，PAD可填充段是用來保證該數(shù)據(jù)幀的最小包長度滿足不小于60字節(jié)的IEEE802.3幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)要求。32位的硬件產(chǎn)生自動數(shù)據(jù)校驗FCS段，是對所傳輸數(shù)據(jù)幀進(jìn)行累加奇偶和的校驗，以保證傳輸數(shù)據(jù)的正確性。 　　在這里需要注意的是網(wǎng)絡(luò)控制器RTL8019AS在接收到數(shù)據(jù)包的幀結(jié)構(gòu)，如圖6所示。對比IEEE802.3幀結(jié)構(gòu)可以看出，網(wǎng)絡(luò)控制器RTL8019AS在接收數(shù)據(jù)，為使網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序編寫方便而添加了芯片報頭，包括接收狀態(tài)RS（Receive State）指示數(shù)據(jù)接收的狀態(tài)，下一頁指針NP（Next Page）指示下一操作頁面地址，接收數(shù)據(jù)幀長度FL（Frame Length）指示此接收到的數(shù)據(jù)幀總字節(jié)數(shù)，這三段內(nèi)容的添加，使得軟硬件能更好地互相配合協(xié)同工作。 [align=center] 圖6 網(wǎng)絡(luò)控制器RTL8019AS接收數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)[/align] 　　4.3、數(shù)據(jù)幀的接收與發(fā)送程序設(shè)計 　　本系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能是把嵌入式系統(tǒng)的語音進(jìn)行編碼壓縮后得到的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)幀格式，通過以太網(wǎng)傳輸給計算機(jī)，并把從以太網(wǎng)上接收到的幀數(shù)據(jù)解包，轉(zhuǎn)換成所需的語音數(shù)據(jù)格式解碼還原成語音輸出。根據(jù)我們簡化的網(wǎng)絡(luò)軟件體系結(jié)構(gòu)來進(jìn)行層次設(shè)計軟件，其中最關(guān)鍵的是與操作系統(tǒng)接口的網(wǎng)絡(luò)控制驅(qū)動程序設(shè)計，它包括對數(shù)據(jù)的發(fā)送操作和接收操作，其流程如圖7和圖8所示。 [align=center] 圖7 數(shù)據(jù)幀的發(fā)送程序流程[/align] [align=center] 圖8 數(shù)據(jù)幀的接收程序流程[/align] 5、結(jié)論語 　　作者針對基于DSP的嵌入式以太網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，根據(jù)對系統(tǒng)需求的分析，設(shè)計并實現(xiàn)嵌入式網(wǎng)絡(luò)硬件平臺，并在嵌入式DSP系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)硬件平臺上完成了TCP/IP協(xié)議的軟件開發(fā)，使嵌入式系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換通信，最終實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)功能。其中利用簡化網(wǎng)絡(luò)軟件體系結(jié)構(gòu)來設(shè)計軟件系統(tǒng)，使整個軟件代碼量小，軟件層次結(jié)構(gòu)清晰明了，易于擴(kuò)充及移植。 　　本文作者創(chuàng)新點：作者利用DSP和網(wǎng)絡(luò)控制器，設(shè)計實現(xiàn)嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺，給出程序框圖，可為嵌入式應(yīng)用提供參考。應(yīng)用整個設(shè)計軟件代碼量小，軟件層次結(jié)構(gòu)清晰，易于擴(kuò)展及移植。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 馬增強(qiáng), 燕延, 尹士閃. 基于DSP和以太網(wǎng)的鐵路道口監(jiān)測系統(tǒng). 微計算機(jī)信息[J], 2005, 7-2: 140-141 　　[2] 葉克松, 馮濤, 武自芳. 基于DSP芯片外圍接口技術(shù)應(yīng)用. 微計算機(jī)信息[J], 2004, 5: 55-56 　　[3] 李宏濤, 李臘元. 寬帶IP城域網(wǎng)的設(shè)計與實現(xiàn). 武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版）[J] , 2003, 27 （2） : 182-186 　　[4] 吳曉蓉, 涂時亮. 互連網(wǎng)技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的實現(xiàn). 計算機(jī)工程[J], 2001, 27 （4） : 1-2 作者簡介： 　　劉曉杰 （1978-），男 （漢族），云南個舊人，吉林大學(xué)博士生，通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，主要從事數(shù)字信號處理和路由算法研究; 　　趙曉暉 （1957-），男 （滿族），吉林大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，主要從事信號處理理論及其在通信中的應(yīng)用;通訊作者： 　　顧海軍 （1970- ），男 （漢族），吉林大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師，通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，主要從事數(shù)字信號處理及其嵌入式應(yīng)用