TM1300嵌入式多媒體網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

摘要：提出了一種利用TriMedia嵌入式微處理器TM1300為CPU的多媒體網(wǎng)絡系統(tǒng)的整體硬件設計方案。介紹了利用設備庫和BSP分層概念在系統(tǒng)中音視頻外設編程的應用，重點介紹基于pSOS實時操作系統(tǒng)網(wǎng)絡部件pNA+的網(wǎng)絡驅(qū)動程序的基本設計方案及網(wǎng)絡編程模型。 關鍵詞：嵌入式微處理器 實時操作系統(tǒng) BSP(Board Suppport Package) 網(wǎng)絡驅(qū)動 多媒體技術與網(wǎng)絡技術的有機結合滿足信息化社會人們對各種信息的大量需求。網(wǎng)絡多媒體技術的迅速發(fā)展，加速了多種網(wǎng)絡多媒體技術的應用，如：視頻會議系統(tǒng)、數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)、多媒體電子郵件、視頻點播(VOD)、遠程多媒體數(shù)據(jù)庫等。 隨著微處理器技術的發(fā)展和嵌入式操作系統(tǒng)的日益廣泛的應用，嵌入式系統(tǒng)以其高速響應、高度自動化、功能易于擴展等獨特優(yōu)勢已成為計算機工業(yè)新的增長熱點。而且，嵌入式設備接入Internt已經(jīng)成為不可避免的趨勢，并顯示出美好的應用前景。嵌入式系統(tǒng)在多媒體通信應用領域同樣得到了很好的應用，各種基于嵌入式Internet技術的頻服務器、多媒體遠程監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成功應用于多種場合。 本文論述一種具有網(wǎng)絡通信和多媒體處理功能的嵌入式系統(tǒng)的設計實現(xiàn)方法。 1 系統(tǒng)總體框架設計 基本的多媒體通信系統(tǒng)一般應該具有各種音視頻輸入輸出設備，并具有高速網(wǎng)絡通信功能。本系統(tǒng)采用Philips公司TriMedia系列的TM1300媒體處理器作為主核來構造。其系統(tǒng)設計的各個功能模塊如圖1所示。

1.1 TM1300媒體處理器簡介及其系統(tǒng)設計特點 TM1300是一種具高質(zhì)量數(shù)字視頻和音頻應用處理能力的媒體處理器。它擁有接線員大的超長指令字(VLIW)核DSP CPU，獨立于DSP CPU的DMA方式工作的音視頻輸入輸出接口，32位高帶寬數(shù)據(jù)總線將所有的片上模塊單元連接，如PCI、SDRAM、圖像協(xié)處理器(ICP)等，使數(shù)據(jù)處理極為快速方便。另外，其強大的面向多媒體應用的指令系統(tǒng)和豐富的庫函數(shù)使開發(fā)者能快速完成軟件編程。 TM1300的PCI/XIO接口控制和復用邏輯使其可以用于為PC機環(huán)境設計的PCI音視頻處理加速卡，也可以用于獨立工作的嵌入式系統(tǒng)。在系統(tǒng)設計中，既可以訪問PCI外設，如PCI網(wǎng)絡接口芯片，又可以訪問各種8位外設，如ROM、8位MCU、程序存儲器Flash Memory等。 1.2 系統(tǒng)框圖說明及芯片典型選型 本系統(tǒng)是一種嵌入式系統(tǒng)，它能完成視頻和音頻數(shù)據(jù)的采集與輸出功能，并能通過高速網(wǎng)絡傳遞壓縮編碼后的音視頻數(shù)據(jù)流。TM1300具有強大的多媒體數(shù)據(jù)處理能力，它在系統(tǒng)中可以完成音視頻數(shù)據(jù)的壓縮編碼或解碼，同時處理網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的收發(fā)，并可以通過pSOS實時操作系統(tǒng)協(xié)調(diào)和調(diào)度整個系統(tǒng)的任務，從而形成強大的多媒體音視頻數(shù)據(jù)處理和傳輸系統(tǒng)。 當然，本系統(tǒng)框圖僅旨在一般意義上的系統(tǒng)，在實際應用中可以按照具體要求裁剪或添加其他外設，如UART控制器、Modem控制器模塊等，使系統(tǒng)具有用戶特定的功能。 (1)TM1300的視頻輸入接口提供8～10位視頻A/D轉(zhuǎn)換接口，其最高采樣率可以達81MHz?？梢圆捎肞hilips公司SAA7113、 SAA7114等視頻解碼芯片(Video Decoder)來完成系統(tǒng)各種格式的視頻信號采集。 (2)視頻輸出接口提供8位的視頻數(shù)據(jù)輸出口，可以完成解碼后的視頻數(shù)據(jù)輸出，可以采用Philips公司的視頻編碼芯片(Video Encoder)完成視頻數(shù)據(jù)的D/A轉(zhuǎn)換。 (3)音頻信號采集和輸出的數(shù)據(jù)都是通過TM1300的標準I2C總線接口來傳輸?shù)?。可以用Philips公司的UDA1344音頻編解碼器(Audio Codec)完成音頻數(shù)據(jù)的A/D和D/A轉(zhuǎn)換。 (4)基于網(wǎng)絡接口芯片可以采用常用的Realtek公司的RTL8139C，它是具有10/100Mbps自適應功能的以太網(wǎng)收發(fā)控制器，是目前應用最為廣泛的一種網(wǎng)絡接口芯片。設計時，應為其配置啟動EEPROM，如93LC46、93LC56等。

(5)啟動EEPROM一般使用符合I2C的器件，如24LC16、24LC32等。因為除了要存放系統(tǒng)啟動設置信息外，還要存放用于系統(tǒng)自舉L1代碼，EEPROM不得小于2K字節(jié)空間。EEPROM具體內(nèi)容格式參照TM1300芯片資料文檔。 特別值得注意，設計本系統(tǒng)PCI總線與設計PCI卡時不同的是，TM1300使用PCI總線訪問時總線仲裁需仲裁器。這是因為在基于PC機主板和PCI橋接芯片上已經(jīng)有總線仲裁邏輯，不需要另外再作處理。嵌入的TM1300系統(tǒng)則需要仲裁來處理PCI總線的請求和應答，具體的邏輯設計應參考PCI規(guī)范相關內(nèi)容。另外，嵌入式系統(tǒng)需要通過JTAG口進行調(diào)試和仿真，并要在系統(tǒng)中加入程序代碼存儲器Boot Flash。 2 音視頻外設編程的分層模型及應用 系統(tǒng)中的視頻A/D、D/A芯片單元通常連接在TM1300的I2C總線上，其初始化和設置是通過I2C總線訪問其內(nèi)部寄存器實現(xiàn)，音頻處理芯片則通過 I2C接口總線與TM1300連接。TM1300正是通過這些總線對其進行初始化設置。 在軟件上，TriMedia層次化軟件架構TSA引入設備庫層(Device Library Layer)概念，該層為板級庫到應用程序之間提供了一個公共接口。設備庫輸出兩個接口，其架構由圖2所示。 在設備庫中，基本的API調(diào)用函數(shù)和功能描述在表1中給出。 表1 設備庫API 函數(shù)名 功能說明 devGetCapabilities 設備兼容性請求，如版本、數(shù)據(jù)格式等 devOpen 請求設備實例 devInstanceSetup 設備實例設置 devStart 開始運行當前設備實例 devStop 停止運行當前設備實例 devClose 釋放當前設備實例例如，視頻輸出的設備庫函數(shù)有voCapabilities、voOpen、voInstanceSetup等。在TriMedia的軟件開發(fā)環(huán)境 TriMedia SDE 2.2對音視頻等設備庫函數(shù)都有定義，因此使用時只需加入相應的頭文件即可。 TriMedia軟件架構中，設備庫由板級歡欣鼓舞。板級庫以板級支持包(BSP)的形式實現(xiàn)，BSP函數(shù)由設備庫調(diào)用，它負責完成對硬件設備的所有初始化設備，高層軟件不必深入到底層硬件設備細節(jié)就能完成對音視頻等硬件設備的編程。BSP允許設計者對底層的接口硬件設備(如Audio D/A)改動，而不必改動該設備的上層編程。如要使用AD1847作為音頻A/D、D/A設備，僅需要修改該部分的BSP即可。 在TriMedia SDE2.2中已經(jīng)附帶很多典型器件的BSP，如SAA7113、SAA7121、UDA1344等。開發(fā)音視頻應用程序時，只需要調(diào)用設備庫API、設置好數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針、指定相應的斷服務程序來處理音視頻設備接口到主存儲器SDRAM的數(shù)據(jù)傳遞即可。用戶也可以根據(jù)具體硬件自己開發(fā)BSP。 3 面向pSOS網(wǎng)絡驅(qū)動設計與網(wǎng)絡編程模型 網(wǎng)絡設備的驅(qū)動程序，按照網(wǎng)絡協(xié)議棧分層概念，在這其將其稱為網(wǎng)絡接口(Network Interface，簡稱NI)，其主要功能是其將最底層的物理網(wǎng)絡細節(jié)和上層應用程序隔離開，編程時用考慮網(wǎng)絡硬件、網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡拓撲等。 在TriMedia軟件架構中，可以將網(wǎng)絡驅(qū)動設計成pSOS網(wǎng)絡部件pNA+訪問網(wǎng)絡接口。這樣設計的優(yōu)點是：上層軟件可以使用pSOS系統(tǒng)的pNA+ 軟件部件豐富的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，這些函數(shù)不但可以操作網(wǎng)絡接口，而且可以操作套節(jié)字(Socket)進行高級TCP/IP網(wǎng)絡編程，而不需用軟件來實現(xiàn) TCP/IP協(xié)議棧。

本節(jié)內(nèi)容旨在論述基本pNA+部件的網(wǎng)絡接口設計和網(wǎng)絡編程的基本概念模型，對其中存儲配置管理沒有作很多具體介紹。論述時按照由底層到高層的順序進行。 3.1 pSOS簡介及TriMedia SDE對pSOS的支持 pSOS系統(tǒng)是一個模塊化、高性能的實時操作系統(tǒng)，它提供了一個基于開放系統(tǒng)標準的多任務環(huán)境。PSOS系統(tǒng)采用模塊化結構，圍繞pSOS實時多任務內(nèi)核，集成了基于標準結構的各種功能模塊。其系統(tǒng)架構主要由實時多內(nèi)核pSOS+、多任務及多處理器的內(nèi)核pSOS+m、TCP/IP管理部件pNA+、遠程過程調(diào)用部件pRPC+、文件系統(tǒng)管理部件pHILE+、ANSI C標準庫部件pRPEC+等組成。 TriMedia在得到pSOS系統(tǒng)開發(fā)商集成系統(tǒng)公司(IIS)許可權的前提下，已經(jīng)對pSOS進行了移植和標準化，并在TriMedia SDE中發(fā)布，因此使用時不需要獨立安裝。在TriMedia軟件架構中，pSOS也是通過庫鏈接到應用程序中。pSOS內(nèi)核的配置通過包含頭文件(sys_conf.h)的形式來完成，頭文件和內(nèi)核編譯后形成pSOS板級支持包，即pSOS BSP。 3.2 在系統(tǒng)中設計面向pNA+服務的網(wǎng)絡接口 網(wǎng)絡接口提供pNA對網(wǎng)絡的訪問，并將其與物理網(wǎng)絡隔離開來。一個pNA+節(jié)點可以連接一到多個網(wǎng)絡接口，每個網(wǎng)絡接口都分配獨立的IP地址和接口號。 在設計時，網(wǎng)絡接口須為pNA+提供7種不同的網(wǎng)絡接口功能調(diào)用，在表2中將其列出。 表2 網(wǎng)絡接口功能 服 務功能號 功能描述 NI_INIT 1 初始化網(wǎng)絡接口 NI_GETPKB 2 分配網(wǎng)絡接口包緩沖區(qū) NI_RETPKB 3 返回網(wǎng)絡接口包緩沖區(qū) NI_SEND 4 網(wǎng)絡接口發(fā)送包 NI_BROADCAST 5 網(wǎng)絡接口廣播包 NI_POLL 6 查詢包收發(fā)及緩沖區(qū)狀態(tài) NI_IOCTL 7 執(zhí)行I/O控制(1)幾種接口功能詳細說明 NI_INIT：在pNA+初始化時，自動調(diào)用該功能，也可以通過pNA+的系統(tǒng)調(diào)用add_ni()來激活該功能。在NI_INIT中初始化網(wǎng)絡硬件、包緩沖池，設置網(wǎng)絡接口的中斷服務程序入口，并保存pNA+傳遞的Announce_Packet入口參數(shù)(包接收通知處理函數(shù)入口)及一些其他網(wǎng)絡接口參數(shù); NI_POLL：該功能用來查詢網(wǎng)絡是否有接收包，當有接收包時，它通過Announce_Packet入口點將包傳遞到pNA+; NI_IOCTL：該功能通過pNA+傳遞的不同命令執(zhí)行網(wǎng)絡的I/O控制操作，主要有調(diào)協(xié)IP地址、多播主機地址的增加、刪除等。 另外幾個接口功能不再詳細介紹。 (2)網(wǎng)絡接口功能調(diào)用接口主函數(shù)NIMain設計 上述各種網(wǎng)絡接口功能通過一個接口主函數(shù)調(diào)用，它提供pNA+和網(wǎng)絡接口之間功能調(diào)用的接口。 調(diào)用時，pNA+必須為NIMain函數(shù)提供兩個參數(shù)：一個整型的功能號;一個定義為nientry聯(lián)合體指針的網(wǎng)絡接口參數(shù)。其中nientry是由 niinit、nigetpkb…niioctl等結構體構成的聯(lián)合，分別對應上述各功能的參數(shù)結構。所以，NIMain函數(shù)的一般形式： long NIMain(int function,union nientry *p) {/*注：NI_INIT到NI_OCTL常數(shù)及本文所用到各種數(shù)據(jù)結構及系統(tǒng)函數(shù)在TriMedia SDE pSOS頭文件pna.h中定義*/ int rc; switch(function) { /*NI_INIT調(diào)用處理*/ /*網(wǎng)絡芯片及緩沖區(qū)初始化，記錄網(wǎng)絡接口號...*/ Lan_chip_Init();InitBuffer(); number=p->niinit.if_num; ni_init(); … case NI_GETPKB:… /*NI_GETPKB調(diào)用處理*/ case NI_RETPKB:… /*NI_RETPKB調(diào)用處理*/ case NI_SEND:… /*NI_SEND調(diào)用處理*/ case NI_BROADCASE:… /*NI_BROADCAST調(diào)用處理*/ case NI_POLL: /*NI_POLL調(diào)用處理*/ case NI_IOCTL:… /*NI_IOCTL調(diào)用處理*/ default:… /*返回錯誤代碼*/ } return rc; } 可以看出，pNA+在調(diào)用網(wǎng)絡接口功能時，只需傳遞參數(shù)指針，其具體動作都是由NIMain函數(shù)完成，NIMain起到了隔離網(wǎng)絡底怪和pNA+的作用。 (3)pSOS系統(tǒng)中加入網(wǎng)絡接口的方法 在pSOS系統(tǒng)添加網(wǎng)絡接口增添其它的設備驅(qū)動程序類似，采用InstallNi函數(shù)完成。其函數(shù)定義格式如下面程序片段所示： struct ni_init *pna_Init; /*用于傳入pNA+配置表的nc_nni字段*/ void InstallNi (int (*entry)(),int ipadd,int mtu,int hwalen, int flags,int subnetaddr,int dstipaddr) { pna_Init ->entry=(int (*)())entry;/*NI接口函數(shù)入口*/ pna_Init ->ipadd=htonl((ULONG)ipadd); /*IP地址*/ pna_Init ->mtu=ntu; /*大傳輸量，以太網(wǎng)為1518字節(jié)*/ pna_Init ->hwalen=hwalen; /*硬件地址長度，以太網(wǎng)為6*/ pna_Init ->flags=flags; /*接口標志*/ /*子網(wǎng)掩碼、目的IP、缺省變量*/ ni_ptr->subnetaddr=htonl((ULONG)subnetaddr); ni_ptr->dstipaddr=htonl((ULONG)dstipaddr); ni_ptr->reserved[0]=0; } 3.3 pNA+部件的配置及初始化 pSOS系統(tǒng)中，各個部件的配置都定義成一個結構體，并存放在結點配置表中(Node Configuration Table)，結點配置表可以駐留在系統(tǒng)存儲區(qū)的任意地址處。 PNA+部件配置表結構為pNAConfigTable。它用于定義pNA+所需的硬件和特定應用信息。如pNA+代碼入口、網(wǎng)絡接口初始化信息、初始 ARP表、套字節(jié)數(shù)量、pNA后臺程序優(yōu)先級等。 PNA+使用時，需要通過pNA+配置表結構進行初始化。在初始化設置網(wǎng)絡接口時，需調(diào)用前面所述的InstallNi，調(diào)用時必須將其第一個函數(shù)指針變量參數(shù)entry用NIMain代入，系統(tǒng)自動執(zhí)行NI_INIT功能調(diào)用，使pNA+和特定網(wǎng)絡接口實例關聯(lián)起來。 應用程序在進行pSOS系統(tǒng)初始化時，需要將pNA+配置表加入結點配置表，以后就可以通過pNA+訪問網(wǎng)絡接口了。 3.4 使用pNA+部件進行網(wǎng)絡編程 pNA+部件提供了pSOS系統(tǒng)對TCP/IP協(xié)議的支持。PNA+可以通過工業(yè)標準網(wǎng)絡編程套節(jié)字Socket對TCP/UDP、IP、ICMP、 IGMP、ARP等進行訪問。PNA+還提供NFS、Telne、RPC(遠程過程調(diào)用)的支持?？梢妏NA+可以滿足絕大多數(shù)的網(wǎng)絡編程。 pNA+的軟件架構可用圖3表示。 pNA+定義了很多系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)進用戶編程使用，包括與Windows Socket編程完全兼容的眾多Socket API函數(shù)，如：socket、close、bind、recvfrom、sendto、listen、accept、connect等。另外，還定義了套節(jié)字Socket的屬性選項設置和控制、消息塊的分配、網(wǎng)絡接口國入等API函數(shù)，如setsockopt、ioctl、pna_allocb、 add_in等。 4 系統(tǒng)應用 設計的目的是將本系統(tǒng)用于銀行監(jiān)控系統(tǒng)中，作為多媒體音視頻數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡傳輸?shù)慕K端服務器。這種基于嵌入式技術監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點是：由于這種系統(tǒng)的硬件是一個與處理和操作系統(tǒng)捆綁較為緊密、功能專一、專門設計的獨立設備，不像插卡系統(tǒng)那樣受通用計算機系統(tǒng)中其它軟硬件的影響，因此性能更穩(wěn)定，且便于安裝，省掉各種復雜的電纜，配置簡單方便，僅設置一個IP地址即可以使用了。 本系統(tǒng)是基于具有開放性的IP網(wǎng)絡來實現(xiàn)，具有通用性。而音視頻數(shù)據(jù)處理可以按照實際應用采用各種不同的編解碼標準，如MPEG、JPEG、H.263 等。它可以用于多媒體遠程監(jiān)控系統(tǒng)、Web Camera(網(wǎng)絡攝像機)、視頻服務器、可視電話、視頻會議終端等。