嵌入式視頻通信系統由視頻數據采集、處理和通信等部件組成，需要嵌入式網絡協議棧的支持。中央處理器采用DSP，占用了大量資源，而網絡協議棧能夠使用的運算資源、內存資源有限，并且缺乏操作系統給網絡協議棧的實現帶來困難。針對視頻監控應用，本文提出了在TI公司的高性能DSP芯片TMS320DM642（以下簡稱DM642）上實現精簡的TCP／IP協議棧的解決方案，闡述了其硬件接口電路的設計及軟件實現。
1 TCP/IP協議棧分析
　　嵌入式TCP/IP協議棧具有TCP/IP協議棧的基本功能，它運行于以太網環境下，其軟件模型如圖1所示。

　　最底層是物理層，定義了以太網控制器的工作方式，實現以太網幀的封裝、發送和接收。本系統使用Intel公司的以太網收發器LXT971A。
　　第二層是網絡層，完成IP數據報的封裝和轉發，并根據幀的類型（ICMP、TCP或UDP等）進行相應處理。IP協議提供了一種高效、不可靠和無連接的傳輸方式。本系統不支持對IP包的分片和重組。地址解析協議ARP實現IP地址到MAC地址的動態轉換。ICMP協議定義了一套差錯報文和控制報文，在該系統用于測試網絡的連通情況。
　　第三層是傳輸層，完成數據報的傳輸控制。該層主要包括TCP協議和UDP協議。TCP提供可靠的數據傳輸，而UDP提供不可靠的數據傳輸。與UDP相比，TCP的可靠性是通過非常復雜的措施以及由此增加的開銷為代價獲得的。監控終端傳輸的數據大部分是圖像編碼數據，這些數據對實時性和傳輸率的要求高，而對數據可靠性的要求相對較低，因此本系統將UDP協議作為傳輸層協議。
　　最上層是應用層，解決用戶特定的應用，主要包括HTTP、FTP、Telnet、SMTP、SNMP、DNS等Internet協議。在該層主要實現視頻編碼數據的傳輸。
2 硬件設計
2.1 系統結構
　　硬件系統結構如圖2所示。

　　DM642從以太網物理層設備PHY接收MAC幀,實現TCP/IP協議棧的網絡層、傳輸層和應用層的相關協議。以太網物理層設備完成以太網幀的發送和接收，包括MAC數據幀的收發、CRC(循環冗余檢測)編碼/校驗、曼徹斯特編解碼、載波監聽、錯誤和沖突檢測等。以太網PHY通過隔離變壓器和RJ45接口連接至以太網。EEPROM用來存放本地MAC地址。
2.2 DSP以太網接口設計
　　DM642是TI公司推出的一款面向數字多媒體應用的DSP，因集成了以太網MAC接口，所以需要一個物理層網絡處理芯片。本文采用了Intel公司的LXT971A芯片。DM642的MII接口不支持TXER，它通過CRC包指出網絡包錯誤，因此將LXT971A的TXER引腳直接接低電平置為無效。
　　DM642與LXT971A的連接如圖3所示。

3 軟件設計
3.1 TCP/IP協議棧在DSP上的實現
　　根據TCP/IP協議棧的軟件模型，將LwIP（TCP/IP）協議棧移植到DSP上。LwIP是瑞士計算機科學院Adam Dunkels等開發的一套用于嵌入式系統的開放源代碼TCP/IP協議棧。它既可以移植到操作系統上,又可以在無操作系統的情況下獨立運行。LwIP TCP/IP實現的重點是在保持TCP協議主要功能的基礎上減少對RAM的占用，它只需要幾十KB的RAM和40KB左右的ROM便可以運行。因此LwIP協議棧適合在低端嵌入式系統中使用。
　　使用該協議棧前，需要針對系統采用的底層網絡硬件和操作系統作相關移植工作，并需對協議棧裁剪和優化，以適應嵌入式系統的特定網絡應用需求。LwIP移植關鍵是底層硬件驅動函數和封裝協議棧使用到的系統函數的編寫，為DSP/BIOS" title="DSP/BIOS">DSP/BIOS提供API接口。協議棧軟件結構如圖4所示。

　　虛線框內是移植的LwIP協議棧，實現應用程序、操作系統及物理層設備驅動" title="設備驅動">設備驅動的API。在LwIP原有協議的基礎上，實現底層網絡驅動和硬件驅動API，將網絡上層協議與通信鏈路的物理接口隔離。同時封裝協議棧中用到的事件管理、任務管理、時間管理等系統函數實現系統API功能。通過DSP/BIOS可以實現任務線程操作、存儲器分配、包緩沖管理、定時器管理等。
　　網絡控制模塊是協議棧控制的核心，控制TCP/IP協議棧與外界的交互，完成TCP/IP協議棧和底層設備驅動的初始化；并調用用戶配置函數獲取系統配置，為底層設備驅動提供接口，調度驅動事件進入TCP/IP棧；在退出時卸載系統配置并清除驅動。
3.2 協議棧接口設計
　　TCP/IP協議接口包括與實時操作系統的交互、驅動程序接口、進程間通信、存儲管理、緩沖區管理、定時器和事件管理、配置與控制等。
3.2.1 操作系統接口
　　DSP/BIOS是為需要實時調度和同步以及主機/目標系統通信和實時檢測的應用而設計的實時操作系統。在協議棧中，通過設計操作系統API，為DSP/BIOS提供接口函數，完成操作系統的配置，提供任務、信號燈、存儲器分配、緩沖區管理等支持。
　　在協議棧內部定義了一個配置結構用于操作系統的配置，通過它對協議棧的優先級及大小進行配置。
　　與一般的桌面系統不同，嵌入式實時系統需要用戶根據需要分配存儲區。在該系統中，將協議棧代碼存儲在外部Flash，包緩沖區分配在外部SDRAM。
　　TCP/IP棧和設備驅動使用包緩沖區發送及接收網絡包數據。標準的以太網缺省幀為1518字節（包括幀頭和循環冗余校驗）。系統采用一個由32個緩沖區構成的緩沖池，每個緩沖區的大小為1664字節。這樣分配可以對齊Cache邊界，保證沖洗（flush）Cache時，不會與其他緩沖區發生沖突。
3.2.2 驅動程序接口
　　驅動程序完成LXT971A芯片和定時器的初始化及各種參數設置，并提供發送、接收數據的接口。其軟件操作流程有查詢模式和中斷模式。為提高響應速度采用中斷模式，同時盡量把大部分操作放在主流程中執行，以縮減中斷處理程序的操作。
3.2.3 事件管理
　　協議棧的事件調度管理在網絡控制模塊中實現，用于定時器到時、緩沖區入隊列、接收數據包等管理。在協議棧完成設備初始化后調用調度程序。
　　該模塊定義了一種內核模式的操作方式，該模式處于最高優先級。當網絡事件發生時，進入內核模式運行。通過調用系統函數llEnter（）和llExit（）進入或退出內核模式。事件調度的基本流程如下：
static void NetScheduler( )
{
SetSchedulingPriority( )；//設定調度程序的優先級
　　while(!NetHaltFlag)
{
　　WaitForEvents( )；//中斷模式下，等待事件中斷
　　ServiceDeviceDrivers( )；//設備驅動服務，獲取事件
　　//在內核模式下處理事件
　　if(StackEvents)
　　{
　　llEnter( )；//進入內核模式
　　ServiceStackEvents( )；//處理事件
　　llExit( )；//退出內核模式
　　}
}
}
3.3 網絡控制初始化流程
　　由于TCP/IP棧需要操作系統完成其初始化，因此必須在硬件診斷完成且DSP/BIOS初始化完成之后對網絡控制進行初始化。
　　在調用TCP/IP協議相關函數前，先初始化操作系統環境，再創建一個新的配置，或從只讀存儲器中導出一個已存在的配置。然后把配置句柄及回調函數start、stop和IP地址變換操作傳遞給協議棧。直到網絡關閉時，應用程序關閉在start中調用的操作并釋放分配的資源，退出網絡協議棧。網絡控制初始化流程如5所示。

　　本文在DM642芯片上實現了一個高度精簡的嵌入式TCP/IP協議棧，論述了協議棧的硬件接口設計和軟件實現。利用該TCP/IP協議棧，可以方便地在DSP上實現網絡視頻的傳輸。本協議棧目前已成功應用于高速公路的數字視頻監控系統中，運行狀況良好。該協議棧的實現對數字視頻廣播系統、視頻點播系統等實時多媒體處理系統的應用也有借鑒作用。
參考文獻
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