TI C6000DSP上TCP/IP协议栈的实现

摘要：针对TIC6000系列DSP网络开发工具NDK进行研究，结合TMS320DM642芯片详细描述了NDK的结构，讲述了利用NDK开发DSP网络应用程序的一般过程和实际应用中要注意的问题，并给出了NDK网络性能的测试分析，对于开发基于DSP的网络程序具有一定的指导作用。
　　关键词：DSP；TMS320DM642；NDK；TCP/IP
　　中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)03-10688-02
　　
　　1 引言
　　
　　随着互联网不断发展，在嵌入式设备上进行网络通信成为热门研究对象。TI的C6000系列芯片是面向多媒体数据处理的高端芯片，在视频图像处理领域应用广泛，尤其是TMS320DM642处理器，主频高达600MHz，片上集成以太网接口，不仅在硬件上将嵌入式产品的网络应用成本减少50%，而且结合其推出的NDK网络开发工具在软件上可以快速地开发出网络应用程序，缩短产品开发周期，而且其性能不比一般的网络芯片逊色。
　　
　　2 NDK的结构
　　
　　TI公司结合C6000芯片推出了TCP/IP NDK(Network Developer's Kit)开发套件，其主要组件包括：(1)支持TCP/IP协议栈程序库。其中主要包含的库有：支持TCP/IP网络工具的库，支持TCP/IP协议栈与DSP/BIOS平台的库，网络控制以及线程调度的库。(2)示范程序。其中主要包括DHCP/Telnet客户端，HTTP数据服务器示范。(3)支持文档。包括用户手册、程序员手册和平台适应手册。NDK采用紧凑的设计方法，实现了用较少的资源耗费来支持TCP/IP。从实用效果来看，NDK仅用200-250K程序空间和95K数据空间即可支持常规的TCP/IP服务。
　　使用NDK相对于操作系统和底层硬件是透明的，这主要是由OS.LIB提供与操作系统DSP/BIOS的接口和HAL.LIB提供对硬件的支持来完成的。在NDK的TCP/IP协议栈中STACK.LIB包括了顶层套接字到底层链路层的所有功能，NETCTRL.LIB 在整个协议栈中起关键作用，协调操作系统和底层硬件驱动，管理所有网络事件，NETTOOL.LIB提供配置网络的各种服务。
　　
　　3 NDK在DSP/BIOS下的使用
　　
　　DSP/BIOS是TI开发的实时微型操作系统，支持实时分析、线程管理、调度软件中断、周期函数以及外部硬件中断与各种外设的管理。使用DSP/BIOS所有与硬件有关的操作都必须借助操作系统本身提供的函数完成，应避免直接控制硬件资源。基于DSP/BIOS的程序与传统开发过程是不同的，用户编写的程序由DSP/BIOS调度，不再按标写的次序顺序执行。同样开发基于DSP/BIOS的网络应用程序也必须要遵循一些原则。
　　在DSP/BIOS下使用NDK必须注意以下几点： (1)必须在CDB文件中为HAL创建一个周期为100ms的PRD函数，用来驱动llTimerTick()系统函数；(2)OS需要钩子函数为TCP/IP堆栈加载和保存私人变量指针，所以必须在CDB文件中创建两个钩子函数NDK_hookInit()和NDK_hookCreate();(3)必须把工程项目的Include Searching Path指向NDK安装目录下的inc文件夹；(4)为了保证使用NDK的工程项目能正确编译，在CCS的Link Order要按一定的顺序添加库文件，推荐的顺序是：NETCTRL.LIB、HAL_xxxLIB、STACK.LIB、OS.LIB；(5)在使用NDK的过程当中，OS和HAL会创建三个内存段，分别是PACKETMEM、MMBUFFER、OBJMEM，必须在CMD文件中为这三个段在内存中分配存储空间；(6)至少要使用32K的cache，否则应用程序会产生不可预料的错误。
　　
　　4 TCP/IP堆栈的初始化和配置
　　
　　在任何SOCKET应用程序建立之前，TCP/IP堆栈必须被正确的配置然后初始化。通常可以动态创建或者在DSP/BIOS中静态创建一个堆栈初始化任务，不管应用程序当中建立了多少SOCKET，在整个系统中只能有一个堆栈初始化任务，并且该任务会成为整个网络任务的唯一调度者，因此该任务在应用程序结束前不会返回。
　　堆栈初始化过程：(1)使用NC_SystemOpen()。该函数为所有网络应用程序建立堆栈和内存环境；(2)使用CfgNew()。该函数会创建一个配置句柄，利用该句柄使用CfgAddEntry()函数可以添加DHCP、DNS、HTTP等服务和配置SOCKET缓冲区大小与ARP超时参数；(3)使用NC_NetStart()。该函数根据前面的配置参数启动网络，并创建三个回调函数，分别是网络启动时只运行一次的函数、网络被关闭时只运行一次的函数、当IP地址改变时运行的函数。通常会在启动函数里面创建自己的应用程序线程，在关闭函数里面删除创建的应用程序线程。
　　
　　5 网络应用程序的开发
　　
　　如果编程人员熟悉Windows平台的SOCKET的使用，那么在DSP平台上一样可以很容易的开发网络应用程序，甚至可以完全不需要了解硬件结构，因为NDK的API和Windows SOCKET API函数名和功能都是十分相近的。下面的程序采用DHCP协议动态获得IP，UDP协议传输数据，如下：
　　//网络初始化
　　NC_SystemOpen();
　　hCfg = CfgNew();
　　CfgAddEntry( hCfg,CFGTAG_SYSINFO,CFGITEM_DHCP_HOS
　　TNAME,0,strlen(HostName),(UINT8 *)HostName,0);

……
　　//配置DHCP协议动态获得IP
　　CI_SERVICE_DHCPC dhcpc;
　　bzero(&dhcpc, sizeof(dhcpc));
　　dhcpc.cisargs.Mode = CIS_FLG_IFIDXVALID;
　　dhcpc.cisargs.IfIdx = 1;
　　dhcpc.cisargs.pCbSrv = &ServiceReport;
　　CfgAddEntry(hCfg,CFGTAG_SERVICE,CFGITEM_SERVICE_D
　　HCPCLIENT,0,sizeof(dhcpc),(UINT8 *)&dhcpc,0);
　　……
　　//配置SOCKET缓冲区大小
　　rc = 8704;
　　CfgAddEntry(hCfg,CFGTAG_IP,CFGITEM_IP_SOCKBUFMAX,
　　CFG_ADDMODE_UNIQUE,sizeof(uint),(UINT8 *)&rc,0);
　　//启动网络服务
　　do
　　{rc = NC_NetStart(hCfg,NetworkOpen,NetworkClose,NetworkIPA
　　ddr);
　　} while(rc > 0);
　　……
　　//配置应用层协议，本程序采用UDP
　　SOCKET s;
　　struct sockaddr_in sin1;
　　s = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
　　if(bind(s,(PSA) &sin1, sizeof(sin1)) < 0)
　　
本文原文
　　{ConPrintf("failed bind (%d)/n",fdError());
　　goto leave;}
　　……
　　//向PC机传送码流
　　sendto(s,pBuf,test,0,&sin1,sizeof(sin1))
　　//防止发送过快，任务暂停8ms
　　TaskSleep(8)；
　　……
　　根据实验每次向PC机传送码流最好不要超过1500字节，这是由网络最大传输单元决定的，对于1500字节以上的码流可以采取分割的方法分批传送，并且在每次传送之后调用任务暂停函数TaskSleep()可以有效防止丢帧。在DSP发送和接收数据的时候不要用printf()语句，该语句耗费太多的CPU时钟周期，容易引起系统死机的发生，可以用LOG_printf()代替。
　　6 NDK性能测试
　　测试NDK性能既有客观性又有主观性。客观性是因为使用标准的工具，并且结果可重现。主观性适应为实际测试要受到很多环境因素的影响，所以只能是性能的估计性测试。
　　影响NDK性能的主要因素有：
　　socket API：NDK既支持基于缓冲区的典型socket，也支持非拷贝的数据包socket，甚至非拷贝的直接接收的TCP数据流。性能随着所采用的策略而变化。
　　socket缓冲区：socket 缓冲区影响TCP发送和接收的窗口大小，并且决定每次发送数据流大小，这对网络性能有很大的影响。
　　CPU速度：在cache大小一定的情况下，网络性能随着CPU速度增加而线性提高。
　　CPU cache：cache的大小对网络性能有巨大的影响。
　　网络硬件设备：以太网硬件设计的好换直接影响DSP和网络接口的速度。
　　外部存储器（EMIF）接口：对于和DSP外部存储器接口相连的以太网设备，EMIF的速度对外部解码逻辑有额外的影响。
　　下面的测试由TI提供，测试既兼顾最佳的性能又考虑到应用的实际情况，比如socket缓冲区大小为8K，而不是32K或64K，因为这在嵌入式设备中是不切实际的。测试的过程是DSP执行低优先级的网络任务，PC机执行客户基准测试程序，然后与DSP不执行网络任务时CPU的负载情况做对比。
　　图2 DM642与Macronix和SMSC的网络性能对比
　　不同的cache大小对DM642网络性能有一定影响，实验中随着cache的减少，多余的片上RAM并没有被利用，socket缓冲大小是8760字节。
　　图3 不同cache下DM642接收和发送数据网络性能对比
　　
　　7 结束语
　　
　　TI推出的NDK网络开发工具不仅可以使技术人员快速开发基于DSP的网络应用程序，而且具有十分可靠的性能，这使得C6000系列芯片完全可以胜任大数据量的视频网络传输的要求，是开发嵌入式网络视频设备的首选。
　　参考文献：
　　[1]Texas Instrument. TMS320C6000 Programmer's Guide (Rev. I).
　　[2]Texas Instrument. TMS320C6000 TCP/IP Network Developer's Kit.
　　[3]Texas Instrument. TMS320C6000 Platform Porting Guide.
　　[4]彭启琮, 管庆. DSP集成开发环境——CCS及DSP/BIOS的原理与应用[M]. 北京：电子工业出版社,2004.
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