關(guān)于NDK的數(shù)字電視傳輸流(TS)網(wǎng)絡(luò)采集系統(tǒng)

概述

電視發(fā)展到今天已經(jīng)進入數(shù)字化的時代了，數(shù)字電視系統(tǒng)取代模擬電視系統(tǒng)的一大優(yōu)勢在于實現(xiàn)了信息的數(shù)字化。電視節(jié)目信息實現(xiàn)數(shù)字化，所有的信息可以在數(shù)字世界里傳播、轉(zhuǎn)換、存儲和處理，從而使得廣播電視網(wǎng)能夠和計算機網(wǎng)絡(luò)相連接，大大提高了信息處理的能力。

TCP/IP是Internet網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)據(jù) 所必需的協(xié)議，這種網(wǎng)絡(luò)通信模式在PC機之間的實現(xiàn)已經(jīng)完善， 但是由于體積、價格等因素限制了應(yīng)用的范圍。因此，基于TCP/IP 協(xié)議與Ethernet的嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計成為目前一個熱門的話題。 本 系統(tǒng)實現(xiàn)了在以TI公司的TMS320DM643為核心的嵌入式系統(tǒng) 中對數(shù)字電視傳輸流信號進行采集與在Ethernet中傳輸。利用本系統(tǒng)可輕松的實現(xiàn)在局域網(wǎng)中對數(shù)字電視傳輸流信號的傳輸、調(diào)度。數(shù)字電視傳輸流信號源是針對歐洲數(shù)字有線廣播系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)（DVB-C）的數(shù)字有線電視信號。網(wǎng) 絡(luò)接入硬件是在以TI公司的TMS320DM643為核心的嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)接入軟件采用了TI公司的針對C6000系列DSP推出的TCP/IP NDK（Network Developer‘s Kit）網(wǎng)絡(luò)開發(fā)包來實現(xiàn)。

系統(tǒng)的電路設(shè)計

電路部分主要由五部分組成。數(shù)字電視傳輸流網(wǎng)絡(luò)采集系統(tǒng)框圖如圖1所示。

主要功能是通過傳輸流接口模塊采集數(shù)字電視信號進入PLD（CYCLONE EP1C6Q240C8）芯片，進行必要的處理后，將信號發(fā)送到DSP（TMS320DM643）芯片儲存起來并進行算法處理。通過TMS320DM643芯片對BCM5221芯片進行必要的配置，將儲存在MS320DM643芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)通過BCM5221芯片傳送到局域網(wǎng)中，并通過計算機接收數(shù)據(jù)。

傳輸流（TS）接口模塊

傳輸流接口模塊由CY7B933輸入接口芯片及其電器接口電路組成。CY7B933輸入接口電路是點對點的傳輸模塊，可以通過光纖、同軸電纜和雙絞線進行高速的串行數(shù)據(jù)傳輸。輸入接口符合DVB-ASI的接口標(biāo)準(zhǔn)。輸入接口接收到串行位流后，通過內(nèi)部PLL時鐘同步恢復(fù)數(shù)據(jù)的時鐘信息，并對位流進行串并轉(zhuǎn)換、解碼和傳輸檢錯等操作。這種輸入接口能靈活的實現(xiàn)把高速點對點串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成并行數(shù)據(jù)，而且應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括各種服務(wù)器，存儲器和視頻傳輸?shù)膽?yīng)用。

PLD控制模塊

在項目中，此部分硬件選用的是Altera公司的CYCLONE EP1C6Q240C8芯片。

此模塊主要的功能是實現(xiàn)與CY7B933接收芯片的接口，把數(shù)據(jù)從CY7B933接收進來，并緩存數(shù)據(jù)。這部分功能均由VHDL語言編寫的功能模塊實現(xiàn)。主要有兩個功能模塊：RECEIVE模塊與FIFO模塊。RECEIVE模塊主要負(fù)責(zé)從CY7B933接收芯片接收數(shù)據(jù)字段進來；FIFO模塊主要負(fù)責(zé)緩存數(shù)據(jù)。功能框圖如圖2所示，下面分別對RECEIVE模塊與FIFO模塊的功能進行介紹。

RECEIVE模塊

RECEIVE模塊的功能是實現(xiàn)與CY7B933接收芯片的接口，把數(shù)據(jù)從CY7B933接收進來。其工作方式是以一個傳輸流包為邊界接收數(shù)據(jù)的。

首先RECEIVE模塊會檢測傳輸流包的邊界，通過查找包頭字節(jié)（固定為0x47）間的字節(jié)數(shù)來確定。因為包中數(shù)據(jù)也可能含有0x47，所以要犧牲三個包的數(shù)據(jù)來檢查三次。當(dāng)發(fā)現(xiàn)0x47這個字節(jié)的時候，就會觸發(fā)一個內(nèi)部的計數(shù)器開始計數(shù)。當(dāng)計數(shù)到188后，如果下一個字節(jié)又是0x47，說明傳輸流包屬于188個字節(jié)的包，那么計數(shù)器被清零；如果下一個字節(jié)又是0x47，說明傳輸流包屬于188個字節(jié)的包，那么計數(shù)器被清零，否則計數(shù)器清零并重新開始檢測邊界。

當(dāng)檢測到邊界以后，RECEIVE模塊開始接收數(shù)據(jù)包。計數(shù)器會從零開始計數(shù)，在接收數(shù)據(jù)的過程中使能wrreq輸出有效信號，同時把數(shù)據(jù)輸出到下一級。當(dāng)計數(shù)到188，表示一個數(shù)據(jù)包接收完成。當(dāng)一個包的數(shù)據(jù)接收完之后，計數(shù)器清零，并置ts188，保持高電平一個時鐘周期。下一個周期檢測數(shù)據(jù)是否為0x47，如果是說明是下一個數(shù)據(jù)包的邊界，否則說明出現(xiàn)了錯誤，并重新回到上一段所說的檢測數(shù)據(jù)包邊界的狀態(tài)。

此外，PLD模塊內(nèi)會有一個專用計數(shù)器記錄空包數(shù)，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)包后會首先檢測此數(shù)據(jù)包是否空包，如果是空包PLD模塊會把這個空包刪除，并在計數(shù)器中加一。如果接收的不是空包就會把計數(shù)器的值加到這個數(shù)據(jù)包的私有字段中，并緩存到FIFO。然后計數(shù)器自動清零。這樣處理數(shù)據(jù)包的目的是為了減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量，從而可以傳輸更多的傳輸流數(shù)據(jù)。把計數(shù)器的值加入私有字段是為了在計算機接收到數(shù)據(jù)后可以把原來的空包恢復(fù)出來，從而保證原傳輸流數(shù)據(jù)的完整性。

fifo模塊

fifo模塊的功能實現(xiàn)從RECEIVE模塊接收數(shù)據(jù)，并緩存起來。當(dāng)RECEIVE模塊接收完一個完整的傳輸流的數(shù)據(jù)包之后，會發(fā)送ts188或ts204的中斷信號給DSP，DSP就會啟動EDMA功能從fifo模塊接收數(shù)據(jù)。DSP與fifo模塊是采用異步連接的方式，具體的接收操作在DSP部分說明中加以描述。

DSP（TMS320DM643）算法處理模塊

此模塊主要以TI公司的TMS320DM643為核心的嵌入式系統(tǒng)組成。主要實現(xiàn)從PLD模塊接收傳輸流數(shù)據(jù)包，把數(shù)據(jù)包打包成TCP/IP格式，并實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)接口（BCM5221）控制模塊的初始化，然后把數(shù)據(jù)包傳送到網(wǎng)絡(luò)模塊。

為了實現(xiàn)上述功能，必須建立起一套以TMS320DM643為核心的基本系統(tǒng)。系統(tǒng)各個組成部分如圖3所示。

系統(tǒng)的具體配置

時鐘配置：EMIF內(nèi)核時鐘ECLKIN是133MHz。此外，系統(tǒng)上外設(shè)總線、EDMA傳輸和L2存儲器的工作時鐘為CPU內(nèi)核時鐘的1/2，即300MHz；片上定時器的工作時鐘為CPU內(nèi)核時鐘的1/8，即75MHz。

中斷配置：TMS320DM643除了RESET和NMI引腳提供外部不可屏蔽中斷請求輸入以外，還有2個外部中斷引腳GP0［5］/EXT_INT5、GP0［7］/EXT_INT7提供可屏蔽的外部中斷請求輸入。系統(tǒng)中EXT_INT5外部中斷用作PLD模塊的請求接收數(shù)據(jù)信號，每當(dāng)PLD模塊接收完一個傳輸流（TS）包就會發(fā)送一個外部中斷信號給DSP，通知DSP接收數(shù)據(jù)。此外，EDMA中斷用于當(dāng)接收完一個包的數(shù)據(jù)后做后續(xù)處理。

系統(tǒng)對EMIF的使用情況：

系統(tǒng)在CE0空間擴展了4 Mx64-bit的S DRAM 存儲器（ MT48LC4M32BPG） ，用于存儲程序與數(shù)據(jù)。SDRAM的工作時鐘由T MS320DM643 的E CLKOUT1 提供，與E MIF 的工作時鐘頻率相同，本系統(tǒng)中默認(rèn)為E CLKIN 為其時鐘源，即133MH z。

系統(tǒng)在CE1空間擴展了4Mx8-bit的Flash存儲器（Am29LV033C）。在對FLASH進行讀/寫訪問前，需要通過EMIF的CE1控制寄存器CE1CTL將CE1空間配置為8-bit異步存儲器接口，及讀/寫時序。

系統(tǒng)在CE2空間擴展了與PLD模塊的fifo模塊連接的接口。在DSP看來，fifo模塊可視為8-bit異步只讀存儲器。如圖2所示，fifo模塊的讀使能信號rdreq與TMS320DM643的CE2片選信號連接；fifo模塊的讀時鐘信號rdclk，與TMS320DM643的ARE讀使能信號連接。

以太網(wǎng)（EMAC與MDIO）接口

TMS320DM643上集成有一個EMAC+MDIO片上外設(shè)，EMAC是Ethernet Media Access Controller的縮寫，即以太網(wǎng)媒體訪問控制器，MDIO是Management Data Input/Output的縮寫，即管理數(shù)據(jù)輸入/輸出模塊。EMAC+MDIO用于為以太網(wǎng)物理層（PHY）器件提供接口，其中EMAC為接口以太網(wǎng)PHY提供數(shù)據(jù)通路，MDIO為接口以太網(wǎng)PHY提供管理信息通路。以太網(wǎng)接口主要功能如下：符合IEEE 802.3協(xié)議；支持傳媒無關(guān)接口（MII）；八個獨立的發(fā)送與接收通路；同步的10/100Mbit的數(shù)據(jù)操作；廣播及多幀的傳送。

TMS320DM643的網(wǎng)絡(luò)接口的原理框圖如圖4所示。

圖 4描述了EMAC+MDIO與DSP中間有一個EMAC control module模塊。它主要包含一些必備的使EMAC更加有效的使用DSP的存儲空間，控制其復(fù)位、中斷的一些邏輯。這些寄存器的地址空間為：0x1C800000～0x1C803FFF。

網(wǎng)絡(luò)接口（BCM5221）控制模塊

本系統(tǒng)中用Broadcom公司的BCM5221作為10/100Base-TX以太網(wǎng)收發(fā)器，BCM5221的MII接口與TMS320DM643的MII接口對接。具體接口如圖5所示。RJ45連接器選用AMP公司的406549-1，其上帶兩個LED指示燈，右邊的LED為綠色，用作指示連接狀態(tài)。左邊的為黃色，正常情況下用來指示數(shù)據(jù)傳輸。

電源模塊

系統(tǒng)包括四組電源：系統(tǒng)外接穩(wěn)壓電源，把220V的交流電源電壓轉(zhuǎn)換成5V直流電壓；PLD模塊電源有兩種電源供電，分別是3.3V和1.5V；TMS320DM643需要2種電源，分別為CPU核心和周邊的I/O接口供電。周邊I/O電壓要求3.3V，CPU核心電壓只要1.4V；網(wǎng)絡(luò)接口控制模塊采用3.3V電源供電。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是通過TI公司推出的專門針對C6000系列的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)開發(fā)包NDK（Network Developer’s Kit）來實現(xiàn)的。該開發(fā)包支持TCP/IP協(xié)議，并占用較少的系統(tǒng)資源。NDK僅用200~250KB程序空間和95KB數(shù)據(jù)空間即可支持常規(guī)的TCP/IP服務(wù)。所以，NDK很適合目前嵌入式系統(tǒng)的硬件環(huán)境，是實現(xiàn)DSP網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的重要工具。

系統(tǒng)軟件的框圖如圖6所示。

具體流程：系統(tǒng)配置主要在初始化函數(shù)中完成，此初始化函數(shù)將在.cinit初始化后，并在DSP/BIOS初始化和main函數(shù)之前調(diào)用。系統(tǒng)配置需要開啟INT8中斷，也就是EDMA傳輸中斷，并設(shè)置GPIO7引腳為高電平，從而使PLD模塊始終處于初始狀態(tài)。TCP/IP協(xié)議配置在任務(wù)線程中完成，主要實現(xiàn)服務(wù)器IP地址和網(wǎng)關(guān)的配置。當(dāng)其完成后，系統(tǒng)就會觸發(fā)一個軟件中斷，在軟件中斷程序中，服務(wù)器會產(chǎn)生一個用于偵聽的端口，并開始偵聽網(wǎng)絡(luò)上的請求。此時，服務(wù)器已經(jīng)處于待命狀態(tài)，等待客戶機的傳輸請求。

當(dāng)客戶機的傳輸請求到來時，系統(tǒng)首先會使GPIO7引腳變?yōu)榈碗娖?，PLD模塊開始發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)其接收到一個完整的傳輸流數(shù)據(jù)包后就會發(fā)一個中斷給DSP，DSP啟動EDMA，用ping-pong的方式接收數(shù)據(jù)進入特定的存儲器，當(dāng)接收完一個完整的傳輸流數(shù)據(jù)包后，會產(chǎn)生硬件EDMA中斷，中斷程序主要是設(shè)置特定的標(biāo)志為1，然后退出硬件中斷，重新回到軟件中斷程序。當(dāng)軟件中斷程序檢測到特定的標(biāo)志為1時，就會開始向網(wǎng)絡(luò)中傳輸在存儲器中的傳輸流數(shù)據(jù)包給客戶機。當(dāng)一個數(shù)據(jù)包傳輸完畢后，特定的標(biāo)志會被置0，系統(tǒng)等待下一個數(shù)據(jù)包的到來。

當(dāng)客戶機要求停止傳輸?shù)恼埱蟮絹頃r，系統(tǒng)會重新使GPIO引腳變?yōu)楦唠娖?，PLD模塊回到初試狀態(tài)。此時系統(tǒng)也會處于待命狀態(tài)，繼續(xù)偵聽網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)初始化

初始化配置主要包括了EMIF總線配置、中斷配置和底層網(wǎng)絡(luò)配置三個部分。初始化工作首先在DSP/BIOS的全局參數(shù)配置窗口進行設(shè)置，然后調(diào)用初始化函數(shù)進行配置。

在DSP/BIOS的全局配置窗口主要設(shè)置了DSP 的工作時鐘頻率為600MHz，選擇使用的片級支持庫CSL為 DM642的庫，選用小端訪問模式，片內(nèi)256k的SRAM全部用于CACHE高速緩存，并調(diào)用初始化函數(shù)dm643_init（）。

TCP/IP協(xié)議配置

初始化程序dm643_init（）完成后，從現(xiàn)在起系統(tǒng)將進入各個線程。首先 ，系統(tǒng)會觸發(fā)任務(wù)線程TSK0，在TSK0任務(wù)線程中執(zhí)行函數(shù)StackTest（）， 其 首先調(diào)用NC- SystemOpen（）函數(shù)完成協(xié)議棧及其所需內(nèi)存的初始 化，然后新件一個系統(tǒng)配置句柄hCfg = CfgNew（），并實現(xiàn)服務(wù)器IP地址和網(wǎng)關(guān)的配置。在本系統(tǒng)中，IP地 址配 置為“192.168.0.2”；子網(wǎng)掩碼為“255.255.255.0”；網(wǎng)關(guān)地址為“192.168.0.1”。配置好之后，系統(tǒng)會觸發(fā)一個軟件中斷，并做好偵聽網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)備 。

網(wǎng)絡(luò)偵聽

前面在任務(wù)線程中已經(jīng)配置了IP地址和網(wǎng)關(guān)，下面就要在軟件中斷中設(shè)置端口和進行偵聽。首先在開始使用報路之前，必須分配一個文 件環(huán)境fdOpenSession（ TaskSelf（） ）給這個報 路。接著就可以創(chuàng)建一個報路對象stcp = socket（AF_INET， SOCK_STREAM， IPPROTO_TCP），并設(shè)置端口sin1.sin_port =htons（1000），在這里我們設(shè)置端口號為1000，當(dāng)然也可以設(shè)置其他的端口號。然后把端口號與報路對象綁定bind（ stcp， （PSA） &sin1，sizeof（sin1）。最后進入偵聽狀態(tài)listen（ stcp， 1）。

數(shù)據(jù)的接收

當(dāng)客戶端要求傳輸數(shù)據(jù)的信號到來后，系統(tǒng)會使GPIO7引腳變?yōu)榈碗娖?，PLD模塊開始發(fā)送數(shù)據(jù)。DSP通過EDMA方式來接收數(shù)據(jù)。EDMA可以在沒有CPU參與的情況下，由EDMA控制器完成DSP存儲空間內(nèi)的數(shù)據(jù)搬移。系統(tǒng)主要采用EDMA的ping-pong方式來連續(xù)的接收數(shù)據(jù)。用ping-pong的方式的目的是為了使接收操作和發(fā)送操作分開處理，爭強程序的操作性和可讀性。

網(wǎng)絡(luò)發(fā)送

接收完一幀的數(shù)據(jù)后會觸發(fā)硬件中斷，在硬件中斷函數(shù)中會把特定的標(biāo)志置為1，然后從硬件中斷函數(shù)中返回，并進入軟件中斷函數(shù)。軟件中斷函數(shù)把剛剛接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中。

軟件中斷函數(shù)會一直偵聽是否有新的TCP/IP報路連接請求，當(dāng)檢測到有新的報路連接請求，就會創(chuàng)建一個報路來連接到請求連接的應(yīng)用程序。建立連接后，軟件中斷函數(shù)會等待客戶機的命令。客戶機此時會發(fā)送一個傳輸命令給服務(wù)器，服務(wù)器接收到這個命令后，軟件中斷函數(shù)就會準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)。

軟件中斷函數(shù)會等待一幀傳輸流數(shù)據(jù)的到來，也就是等待特定的標(biāo)志置1。當(dāng)檢測到標(biāo)志位置1后，軟件中斷函數(shù)就會把剛剛接收到的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。發(fā)送成功后，又會把標(biāo)志位置0，重新等待下一個數(shù)據(jù)包的到來。如此循環(huán)的把數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。

當(dāng)收到結(jié)束連接的請求后，會清楚標(biāo)志位，并設(shè)置GPIO7引腳為高電平，從而使PLD模塊回到初始狀態(tài)。然后關(guān)閉連接，并回到偵聽狀態(tài)。

結(jié)束語

本系統(tǒng)的硬件和軟件功能已經(jīng)實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣葹?Mbytes/s。按照 此速度，假設(shè)傳輸流中的空包百分比為40%計算，可以傳輸5 Mbytes/s的傳輸流數(shù)據(jù)，也就是50Mbit/s的傳輸流，至少可以傳輸2~3路的TS流節(jié)目。因此，可以證明本系統(tǒng)的設(shè)計方法合理、有效。

DSP（TMS320DM643）在數(shù)字信號處理方面具有的比其他芯片更為強大優(yōu)勢，現(xiàn)在我們已經(jīng)在DSP（TMS320DM643）系統(tǒng)中實現(xiàn)了數(shù)字電視傳輸流的網(wǎng)絡(luò)功能，日后可以在本系統(tǒng)中繼續(xù)增添新的數(shù)字信號處理，特別是視音頻處理模塊，從而實現(xiàn)更強大的功能。

編輯：jq