嵌入式視頻通信系統(tǒng)由視頻數(shù)據(jù)采集、處理和通信等部件組成,，需要嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的支持,。中央處理器采用DSP，占用了大量資源,，而網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧能夠使用的運算資源,、內(nèi)存資源有限，并且缺乏操作系統(tǒng)給網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的實現(xiàn)帶來困難,。針對視頻監(jiān)控應(yīng)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(xiàn)精簡的TCP／IP協(xié)議棧的解決方案，闡述了其硬件接口電路的設(shè)計及軟件實現(xiàn)。
1 TCP/IP協(xié)議棧分析
　　嵌入式TCP/IP協(xié)議棧具有TCP/IP協(xié)議棧的基本功能,，它運行于以太網(wǎng)環(huán)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(wǎng)控制器的工作方式,，實現(xiàn)以太網(wǎng)幀的封裝、發(fā)送和接收,。本系統(tǒng)使用Intel公司的以太網(wǎng)收發(fā)器LXT971A,。
　　第二層是網(wǎng)絡(luò)層，完成IP數(shù)據(jù)報的封裝和轉(zhuǎn)發(fā),，并根據(jù)幀的類型（ICMP,、TCP或UDP等）進行相應(yīng)處理。IP協(xié)議提供了一種高效,、不可靠和無連接的傳輸方式,。本系統(tǒng)不支持對IP包的分片和重組。地址解析協(xié)議ARP實現(xiàn)IP地址到MAC地址的動態(tài)轉(zhuǎn)換,。ICMP協(xié)議定義了一套差錯報文和控制報文,，在該系統(tǒng)用于測試網(wǎng)絡(luò)的連通情況。
　　第三層是傳輸層,，完成數(shù)據(jù)報的傳輸控制,。該層主要包括TCP協(xié)議和UDP協(xié)議。TCP提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸,，而UDP提供不可靠的數(shù)據(jù)傳輸,。與UDP相比，TCP的可靠性是通過非常復(fù)雜的措施以及由此增加的開銷為代價獲得的,。監(jiān)控終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大部分是圖像編碼數(shù)據(jù),，這些數(shù)據(jù)對實時性和傳輸率的要求高，而對數(shù)據(jù)可靠性的要求相對較低,，因此本系統(tǒng)將UDP協(xié)議作為傳輸層協(xié)議,。
　　最上層是應(yīng)用層，解決用戶特定的應(yīng)用,，主要包括HTTP,、FTP、Telnet,、SMTP,、SNMP、DNS等Internet協(xié)議,。在該層主要實現(xiàn)視頻編碼數(shù)據(jù)的傳輸,。
2 硬件設(shè)計
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,。

　　DM642從以太網(wǎng)物理層設(shè)備PHY接收MAC幀,實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層的相關(guān)協(xié)議,。以太網(wǎng)物理層設(shè)備完成以太網(wǎng)幀的發(fā)送和接收,，包括MAC數(shù)據(jù)幀的收發(fā)、CRC(循環(huán)冗余檢測)編碼/校驗,、曼徹斯特編解碼,、載波監(jiān)聽、錯誤和沖突檢測等,。以太網(wǎng)PHY通過隔離變壓器和RJ45接口連接至以太網(wǎng),。EEPROM用來存放本地MAC地址。
2.2 DSP以太網(wǎng)接口設(shè)計
　　DM642是TI公司推出的一款面向數(shù)字多媒體應(yīng)用的DSP,，因集成了以太網(wǎng)MAC接口,，所以需要一個物理層網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(shè)計
3.1 TCP/IP協(xié)議棧在DSP上的實現(xiàn)
　　根據(jù)TCP/IP協(xié)議棧的軟件模型,，將LwIP（TCP/IP）協(xié)議棧移植到DSP上,。LwIP是瑞士計算機科學(xué)院Adam Dunkels等開發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開放源代碼TCP/IP協(xié)議棧。它既可以移植到操作系統(tǒng)上,又可以在無操作系統(tǒng)的情況下獨立運行,。LwIP TCP/IP實現(xiàn)的重點是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)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(xié)議棧適合在低端嵌入式系統(tǒng)中使用,。
　　使用該協(xié)議棧前,，需要針對系統(tǒng)采用的底層網(wǎng)絡(luò)硬件和操作系統(tǒng)作相關(guān)移植工作，并需對協(xié)議棧裁剪和優(yōu)化,，以適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)的特定網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求,。LwIP移植關(guān)鍵是底層硬件驅(qū)動函數(shù)和封裝協(xié)議棧使用到的系統(tǒng)函數(shù)的編寫，為DSP/BIOS" title="DSP/BIOS">DSP/BIOS提供API接口,。協(xié)議棧軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示,。

　　虛線框內(nèi)是移植的LwIP協(xié)議棧，實現(xiàn)應(yīng)用程序,、操作系統(tǒng)及物理層設(shè)備驅(qū)動" title="設(shè)備驅(qū)動">設(shè)備驅(qū)動的API,。在LwIP原有協(xié)議的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)底層網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動和硬件驅(qū)動API,，將網(wǎng)絡(luò)上層協(xié)議與通信鏈路的物理接口隔離,。同時封裝協(xié)議棧中用到的事件管理,、任務(wù)管理、時間管理等系統(tǒng)函數(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)API功能,。通過DSP/BIOS可以實現(xiàn)任務(wù)線程操作,、存儲器分配、包緩沖管理,、定時器管理等,。
　　網(wǎng)絡(luò)控制模塊是協(xié)議棧控制的核心,，控制TCP/IP協(xié)議棧與外界的交互,，完成TCP/IP協(xié)議棧和底層設(shè)備驅(qū)動的初始化；并調(diào)用用戶配置函數(shù)獲取系統(tǒng)配置,，為底層設(shè)備驅(qū)動提供接口,，調(diào)度驅(qū)動事件進入TCP/IP棧；在退出時卸載系統(tǒng)配置并清除驅(qū)動,。
3.2 協(xié)議棧接口設(shè)計
　　TCP/IP協(xié)議接口包括與實時操作系統(tǒng)的交互,、驅(qū)動程序接口、進程間通信,、存儲管理,、緩沖區(qū)管理、定時器和事件管理,、配置與控制等,。
3.2.1 操作系統(tǒng)接口
　　DSP/BIOS是為需要實時調(diào)度和同步以及主機/目標系統(tǒng)通信和實時檢測的應(yīng)用而設(shè)計的實時操作系統(tǒng)。在協(xié)議棧中,，通過設(shè)計操作系統(tǒng)API,，為DSP/BIOS提供接口函數(shù)，完成操作系統(tǒng)的配置,，提供任務(wù),、信號燈、存儲器分配,、緩沖區(qū)管理等支持,。
　　在協(xié)議棧內(nèi)部定義了一個配置結(jié)構(gòu)用于操作系統(tǒng)的配置，通過它對協(xié)議棧的優(yōu)先級及大小進行配置,。
　　與一般的桌面系統(tǒng)不同,，嵌入式實時系統(tǒng)需要用戶根據(jù)需要分配存儲區(qū)。在該系統(tǒng)中,，將協(xié)議棧代碼存儲在外部Flash,，包緩沖區(qū)分配在外部SDRAM。
　　TCP/IP棧和設(shè)備驅(qū)動使用包緩沖區(qū)發(fā)送及接收網(wǎng)絡(luò)包數(shù)據(jù),。標準的以太網(wǎng)缺省幀為1518字節(jié)（包括幀頭和循環(huán)冗余校驗）,。系統(tǒng)采用一個由32個緩沖區(qū)構(gòu)成的緩沖池,，每個緩沖區(qū)的大小為1664字節(jié)。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(qū)發(fā)生沖突。
3.2.2 驅(qū)動程序接口
　　驅(qū)動程序完成LXT971A芯片和定時器的初始化及各種參數(shù)設(shè)置,，并提供發(fā)送,、接收數(shù)據(jù)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(yīng)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(zhí)行，以縮減中斷處理程序的操作,。
3.2.3 事件管理
　　協(xié)議棧的事件調(diào)度管理在網(wǎng)絡(luò)控制模塊中實現(xiàn),，用于定時器到時、緩沖區(qū)入隊列,、接收數(shù)據(jù)包等管理,。在協(xié)議棧完成設(shè)備初始化后調(diào)用調(diào)度程序。
　　該模塊定義了一種內(nèi)核模式的操作方式,，該模式處于最高優(yōu)先級,。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生時，進入內(nèi)核模式運行,。通過調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)llEnter（）和llExit（）進入或退出內(nèi)核模式,。事件調(diào)度的基本流程如下：
static void NetScheduler( )
{
SetSchedulingPriority( ),；//設(shè)定調(diào)度程序的優(yōu)先級
　　while(!NetHaltFlag)
{
　　WaitForEvents( ),；//中斷模式下，等待事件中斷
　　ServiceDeviceDrivers( ),；//設(shè)備驅(qū)動服務(wù),，獲取事件
　　//在內(nèi)核模式下處理事件
　　if(StackEvents)
　　{
　　llEnter( )；//進入內(nèi)核模式
　　ServiceStackEvents( ),；//處理事件
　　llExit( ),；//退出內(nèi)核模式
　　}
}
}
3.3 網(wǎng)絡(luò)控制初始化流程
　　由于TCP/IP棧需要操作系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)控制進行初始化,。
　　在調(diào)用TCP/IP協(xié)議相關(guān)函數(shù)前,，先初始化操作系統(tǒng)環(huán)境，再創(chuàng)建一個新的配置,，或從只讀存儲器中導(dǎo)出一個已存在的配置,。然后把配置句柄及回調(diào)函數(shù)start、stop和IP地址變換操作傳遞給協(xié)議棧,。直到網(wǎng)絡(luò)關(guān)閉時,，應(yīng)用程序關(guān)閉在start中調(diào)用的操作并釋放分配的資源,，退出網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。網(wǎng)絡(luò)控制初始化流程如5所示,。

　　本文在DM642芯片上實現(xiàn)了一個高度精簡的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧,，論述了協(xié)議棧的硬件接口設(shè)計和軟件實現(xiàn)。利用該TCP/IP協(xié)議棧,，可以方便地在DSP上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)視頻的傳輸,。本協(xié)議棧目前已成功應(yīng)用于高速公路的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，運行狀況良好,。該協(xié)議棧的實現(xiàn)對數(shù)字視頻廣播系統(tǒng),、視頻點播系統(tǒng)等實時多媒體處理系統(tǒng)的應(yīng)用也有借鑒作用。
參考文獻
1 姚光開,，于永棠,，柴喬林.微型TCP/IP協(xié)議棧的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用，2003,；23(9)：82～84
2 Texas Instruments.TMS320DM642 Video/Imaging Fixed-Point Digital Signal Processor Data Manual.http：//www.ti.com/sc/docs/psheets/man_dsp.htm,，2003-5
3 吳廣霖，白瑞林.基于平臺的嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程,，2005,；31（18）：216～218
4 Texas Instruments Incorporated.TMS320 DSP/BIOS User′s Guide.http：//www.ti.com/sc/docs/psheets/man_dsp.htm，2003-4