【转】基于TMS320C6455的千兆以太网设计

基于TI公司最新DSP芯片TMS320C6455．设计并实现了以太网通信软硬件接口。采用TMS320C6455片内以太网接口模块EMAC／MDIO，结合片外AR8031 PHY芯片，在嵌入式操作系统DSP／BIOS架构上，运用TI官方网络开发包NDK提供的协议栈，实现了底层硬件驱动程序的编制及其协议栈接口，完成了数字信号的以太网传输。用户使用ndk网络协议站来实现的udp通信, 在DSP/BISO中启动了一个任务来实现网络通信。

1.硬件设计

    一块TMS320C6455处理器，一块AR8031 PHY芯片，和一个网络接口。C6455的EMAC接口与板上的AR8031 PHY芯片以RGMII方式连接，支持千兆双工通信模式。

整体框图：

RGMII方式连接图：

2.C6455 EMAC接口介绍

C6455的EMAC接口主要由3部分构成，包括MDIO模块、EMAC模块、EMAC控制模块。

（1）MDIO模块：通过802.3协议规定的串行通信接口，完成以太网物理层芯片的配置和管理

（2）EMAC模块：负责以太网数据包的发送和接收

（3）EMAC控制模块：作为DSP核和EMAC接口之间的桥梁，实现DSP核对EMAC模块和MDIO模块的控制

如图所示：

如上图所示，EMAC接口通过C6455提供的外设总线与DSP核连接，外设总线中的配置总线提供DSP核对EMAC寄存器的访问，数据总线完成DSP核与EMAC接口之间的以太网通信包的交换。此外，EMAC控制模块将EMAC模块和MDIO模块产生的18个中断信号综合在一起，对外提供一个中断信号，发往C6455的中断控制器，成为C6455处理器的第17号系统事件。C6455的DSP核在接到中断信号后，通过查询EMAC控制模块提供的中断状态寄存器判断中断产生的中断源。

3.以太网通信程序设计

       本中设计的以太网通信程序是基于TI公司提供的DSP操作系统DSP/BIOS之上，由该操作系统提供时钟定时、任务同步、硬件中断管理等功能。

上图所示，以太网通信程序主要由DSP/BIOS操作系统、网络驱动程序和用户程序构成。

（1）DSP/BIOS操作系统：为其他模块提供定时、任务同步等服务

（2）网络驱动程序：完成以太网通信功能   主要包括以太网硬件驱动程序（MDIO驱动程序与EMAC驱动程序）和几个基本的网络协议（ICMP，ARP和UDP协议）

（3）用户程序：负责解释并执行人机界面发送的命令和数据

备注：MDIO驱动程序完成C6455 EMAC与物理芯片的交互，而EMAC驱动程序为用户程序提供了以太网通信接口。

4.MDIO驱动模块的设计

MDIO模块主要负责搜索、配置和监控外部以太网物理收发芯片。该模块主要包括如下几个部分：MDIO硬件初始化；PHY芯片搜索和配置；PHY芯片状态监控。

（1）MDIO硬件初始化

1. 读取C6455设备状态寄存器（DEVSTFAT）中的MACSEL位，确定EMAC与PHY芯片之间的连接方式。文中所涉及的信号处理板上的C6455 EMAC与PHY芯片之间采用RGMII方式连接。
                      2. 初始化MDIO状态机，将状态机置为初始化状态。
                      3. 配置MDIO访问PHY芯片的时钟并使能MDIO模块。

（2）PHY芯片搜索和配置

由于PHY芯片的搜索过程并无确定的时间，因此PHY芯片搜索和配置的实现采用状态机来实现，该状态机每隔100 ms根据查询到的PHY芯片的状态完成相应的操作并更新到下一状态。PHY芯片的搜索经过芯片复位，通信速率自协商等过程，最终与通信对端建立以太网物理层连接。

（3）PHY芯片状态监控

在以太网物理层链路的建立后，有可能由于用户拔出网线、对端机器改变通信接口速率等情况而导致链路状态改变，因此MDIO模块需要每隔一段时间对网络进行监控。文中设计的状态监控模块由DSP/BIOS操作系统每隔100 ms查询一次网络状态，状态监控程序一旦发现链路状态有所变化，则根据引起链路变化的不同原因，进入相应的处理流程。

5.EMAC驱动模块的设计

        EMAC驱动模块主要负责以太网数据包的接收和发送，它是以太网驱动程序的主要组成部分。该模块主要包括：EMAC硬件初始化；EMAC接收模块；EMAC发送模块。

(1)EMAC硬件初始化

EMAC硬件初始化主要的目的是将EMAC模块置于就绪状态，此时EMAC已经可以接收和发送以太网数据包。初始化过程主要包括如下步骤：

1）禁止EMAC中断，复位EMAC的HDP寄存器、统计寄存器等，设置EMAC的MAC地址，挂接应用程序提供的回调函数等操作。
                  2）根据需求为发送模块和接收模块分配相应的包缓存描述符，并初始化接收模块的包缓存描述符，使之指向应用程序提供的数据接收存储块。文中设计的以太网驱动程序为接收模块分配了32个包缓存描述符，为发送模块分配了480个包缓存描述符，为发送和接收模块共分配了64块存储块，每个存储块大小为4 096个字节。图6是接收模块初始化完成后，接收描述符和接收存储块之间的关系。

3）配置MAC的是否为多播地址，使能以太网中断，EMAC处于就绪状态。

(2)EMAC接收模块

EMAC接收模块主要由EMAC中断来驱动。当EMAC硬件接收完一个或多个包数据时，会向DSP核发出一个接收完成中断。DSP核在接收到中断后，调用应用程序提供的接收数据回调函数处理接收到的数据，并返回给中断服务程序一个空闲的存储块，中断服务程序将该存储块重新链接到接收存储块链表，完成接收数据流程。

(3)EMAC发送模块

EMAC发送模块主要由一个发送接口函数ethSendPacket（char*Buffer，int Length）构成，用户程序通过调用该函数完成以太网数据的发送。该函数参数中，Buffer表示应用程序需要发送的数据，Length表示发送数据的长度。该函数首先将Buffer中的数据拷贝到空闲的存储块，并将该储存块加入如图7所示的WaitQueue队列中，WaitQueue队列表示等待加入EMAC发送队列（DescQueue）的存储块。ethSendPacket函数接着检查EMAC发送队列DescQueue是否有空闲的发送描述符，如果有，将WaitQueue链表中的存储块加入到DeseQueue.EMAC硬件将通过相应的描述符，将DescQueue中的数据发送出去。

当数据发送完成后，EMAC向DSP核发出一个发送完成中断。发送完成中断服务程序将发送后的存储块从DescQueue中移除并交还给应用程序，然后将使用过的发送描述符置为空闲状态，以便下次发送数据时使用。

6.ARP/ICMP/UDP网络协议模块的设计

         为了与上位机完成网络通信，信号处理机还必须提供基本的网络通信协议。文中在设计时，主要提供了ARP/ICMP/UDP 3种网络协议。

(1)ARP协议:主要完成信号处理机IP地址和MAC地址的转换

(2)ICMP协议:主要完成测试信号处理机与上位机之间的网络连通性

(3)UDP协议:主要完成实际指令和数据的通信。