DSP的网络通信程序设计

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　　ＤＳＰ芯片是专门为实现各种数字信号处理算法而设计的、具有特殊结构的微处理器，其卓越的性能、不断上升的性价比、日渐完善的开发方式使它的应用越来越广泛。将计算机网络技术引入以ＤＳＰ为核心的嵌入式系统，使其成为数字化、网络化相结合，集通信、计算机和视听功能于一体的电子产品，必须大大提升ＤＳＰ系统的应用价值和市场前景。将ＤＳＰ技术与网络技术相结合，必须解决两个关键问题：一是实现ＤＳＰ与网卡的硬件接口技术，二是基于ＤＳＰ的网络通信程序设计。ＤＳＰ与网卡的硬件接口技术参考文献［１］有比较详尽的论述，以下主要讨论基于ＤＳＰ的网络通信程序设计。
　　１　通信协议的制定
　　协议是用来管理通信的法规，是网络系统功能实现的基础。由于ＤＳＰ可以实现对网卡的直接操作，对应于ＯＳＩ网络模型，网卡包含了物理层和数据链路层的全部内容，因此，规定了数据链路层上数据帧封装格式，就可以为基于ＤＳＰ的局域网络中任意站点之间的通信提供具体规范。因为以太网是当今最受欢迎的局域网之一，在以太网中，网卡用于实现８０２．３规程，其典型代表是Ｎｏｖｅｌｌ公司的ＮＥ２０００和３ＣＯＭ公司的３Ｃ５０３等网卡，所以研究工作中的具体试验平台是以ＤＳＰ为核心构成的以太局域网，主要用于语音的实时通信，所使用的网卡为Ｎｏｖｅｌｌ公司的ＮＥ２０００网卡。ＮＥ２０００网卡的基本组成请见参考文献［２］，其核心器件是网络接口控制器（ＮＩＣ）ＤＰ８３９０。该器件有三部分功能：第一是ＩＥＥＥ８０２．３ＭＡＣ（媒体访问控制）子层协议逻辑，实现数据帧的封装和解封，ＣＳＭＡ／ＣＡ（带碰撞检测功能的载波侦听多址接入）协议以及ＣＲＣ校验等功能；第二是寄存器堆，用户对ＮＥ２０００网卡通信过程的控制主要通过对这些寄存器堆中各种命令寄存器编程实现；第三是对网卡上缓冲ＲＡＭ的读写控制逻辑。ＤＰ８３９０发送和接收采用标准的ＩＥＥＥ８０２．３帧格式。ＩＥＥＥ８０２．３参考了以太网的协议和技术规范，但对数据包的基本结构进行了修改，主要是类型字段变成了长度字段。所以，以ＤＳＰ为核心的局域网内通信数据包基本格式如图１所示。



　　接收缓冲区ＲＡＭ分成多个２５６字节的缓冲区，Ｎ个（Ｎ最大为２５６）这样的缓冲区通过指针控制链接成一条逻辑上的缓冲环。缓冲环的开始页面地址存入ＰＳＴＡＲＴ寄存器，环页面结束地址存入ＰＳＴＯＰ寄存器。ＰＳＴＡＲＴ和ＰＳＴＯＰ确定了接收缓冲环的大小和边界。为便于缓冲环读写操作，还需要２个指针：当前页面指针ＣＵＲＲ和边界指针ＢＮＲＹ。ＣＵＲＲ确定下一包放在何处，起着缓冲环写页面指针作用；ＢＮＲＹ指向未经ＤＳＰ取走处理最早到达的数据包起始页面，新接收的数据包不可将其覆盖，起着缓冲环读页面指针的作用。也就是说，ＣＵＲＲ可以告诉用户网卡接收的数据分组当前放到了什么位置，而ＢＮＲＹ则用于确定ＤＳＰ读缓冲环到了什么地方。由于接收缓冲区为环形结构，ＢＮＲＹ和ＣＵＲＲ相等时，环缓冲区可能满也可能空。为了使ＮＩＣ能辨别这两种状态，规定当ＢＮＲＹ等于ＣＵＲＲ时，才认为环缓冲区满；当缓冲区空时，ＣＵＲＲ比ＢＮＲＹ指针值大１。因此，初始化时设置：ＢＮＲＹ＝ＰＳＴＡＲＴ，ＣＵＲＲ＝ＰＳＴＡＲＴ＋１。这时读写指针不一致，为了保证正确的读写操作，引入一软件指针ＮＥＸＴＰＫ指示下一包起始页面。显然，初始化时ＮＥＸＴＰＫ＝ＣＵＲＲ。这时，缓冲环的读指针对ＮＥＸＴＰＫ，而ＢＮＲＹ只是存储分组缓冲区的起始页面边界指示，其值为ＮＥＸＴＰＫ－１。
　　２．２　接收控制过程
　　ＤＳＰ完成对ＤＰ８３９０的初始化后，网卡就处于接收状态，一旦收到分组，就自动执行本地ＤＭＡ，将ＮＩＣ中ＦＩＦＯ数据送入接收缓冲环，然后向主机申请“数据分组接收到”中断请求。ＤＳＰ如果响应中断，则启动网卡远程ＤＭＡ读，将网卡缓冲区中的数据分组读入学生机存储区，然后对接收缓冲环ＣＵＲＲ、ＮＥＸＴＰＫ、ＢＮＲＹ指针内容进行修改，以便网卡能从网上正确接收后续分组。ＤＳＰ响应网卡接收中断后，接收控制过程如下：
　　①设置远程ＤＭＡ的起始地址；ＲＳＡＲ０＝００Ｈ，ＲＳＡＲ１＝Ｎｅｘｔｐｋ。
　　②设置远程ＤＭＡ操作的字节数，这个长度在４６～１５００字节范围内根据具体要求自己确定。
　　③０ＡＨ送命令寄存器ＣＲ，启动远程ＤＭＡ读。
　　④从网卡数据端口依序读入数据分组，注意，最先读入的４字节非数据分组内容，第１字节为接收状态，第２字节为下一包页地址指针，３与４字节为接收字节数。第２字节内容应该送入Ｎｅｘｔｐｋ，其它字节根据用户要求处理。
　　⑤修改边界指针ＢＮＲＹ＝Ｎｅｘｔｐｋ－１。
　　⑥清除远程ＤＭＡ字节数寄存器ＲＢＣＲ０和ＲＢＣＲ１。
　　２．３　发送控制过程
　　ＤＳＰ先执行远程ＤＭＡ写操作，将内存中的数据分组传至网卡发送缓冲区，然后启动发送命令进行数据分组发送。发送控制过程如下：
　　①设置远程ＤＭＡ的起始地址为网卡发送缓冲区起始地址；
　　②设置远程ＤＭＡ操作的字节数；
　　③１２Ｈ送命令寄存器ＣＲ，启动远程ＤＭＡ写；
　　④依序送出数据分组至网卡发送缓冲区；
　　⑤清除远程ＤＭＡ字节数寄存器；
　　⑥设置发送字节数寄存器ＴＢＣＲ０和ＴＢＣＲ１；
　　⑦１２Ｈ送命令寄存器ＣＲ，启动数据分组发送。
　　３　发送方发送频率的控制
　　发送方发送频率的正确控制主要保护两点：一是有一个最小发送时间间隔，否则会因为接收方不能及时接收而导致系统瘫痪；二是发送频率能够足具体的功能实现要求。譬如在语音的实时通信中，发送频率就取决于声卡的采样频率。在８ｋＨｚ采样频率时，声卡每秒钟采样８０００字节，采用１０２４字节需用时１２８ｍｓ，如果通信协议规定发送１次传送１０２４字节有效数据，则必须每１２８ｍｓ发送一次才能保证缓冲区有新数据待发送，也才能保证接收方有新数据播放。１２８ｍｓ是一个理论计算数值，在实际的操作中采样速度和发送频率之间总是不能完全匹配，而存放数据的缓冲区大小是有限的，如果没有良好的控制技巧来实现正确发送，就会造成声音抖动和延时。解决的办法是双缓冲技术和双指针控制，并且根据采样速度和发送频率之间的匹配情况送入不同的发送通信进行处理后发送。正确发送的含义有两方面，一是每次发送的都是新数据，二是能满足接收方总在播放新数据的需求。
　　４　接收方防止数据包的丢失
　　由于ＤＳＰ通过中断请求判断是否有数据分组到来，如果中断繁忙而两个数据包到来时间相差非常短，ＤＳＰ有可能只响应一次中断，从而导致丢包的发生。分析网卡接收数据过程，当网卡收到数据分组时，首先执行本地ＤＭＡ，将ＮＩＣ中ＦＩＦＯ数据送入接收缓冲环，并将本地ＤＭＡ操作的起始地址存放在当前页寄存器（ＣＵＲＲ）和当前本地ＤＭＡ寄存器（ＣＬＤＡ０、ＣＬＤＡ１）中，ＤＳＰ从网卡接收缓冲环读出数据到存储器则称远程ＤＭＡ操作，用软件指针Ｎｅｘｔｐｋ来指示远程ＤＭＡ的起始页面。因此通过比较网卡本地ＤＭＡ和远程ＤＭＡ的当前地址，即在中断服务子程序中比较ＣＵＲＲ和Ｎｅｘｔｐｋ指针，或比较ＣＬＤＡ０、ＣＬＤＡ１和Ｎｅｘｔｐｋ指针，就可以保证当前数据分组放到了哪里就读出到哪里，从而防止丢包的发生。
　　５　结论
　　ＤＳＰ对网卡通信过程控制的实现解决了ＤＳＰ网络中任意站点之间，ＤＳＰ网络与ＰＣ机之间准确、高速的实时通信问题，是将网络技术应用到ＤＳＰ数字化系统中的关键，从而最终实现了以ＤＳＰ为核心的处理系统数字化和网络化的融合。
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