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基于 DSP 的網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計(jì)
摘要：通過(guò)分析網(wǎng)卡基本通信過(guò)程控制和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）對(duì)網(wǎng)卡直接編程方法,成功設(shè)計(jì)基于DSP的網(wǎng)絡(luò)通信程序，從而最終實(shí)現(xiàn)DSP系統(tǒng)數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的融合。DSP芯片是專(zhuān)門(mén)為實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法而設(shè)計(jì)的、具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，其卓越的性能、不斷上升的性?xún)r(jià)比、日漸完善的開(kāi)發(fā)方式使它的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入以DSP為核心的嵌入式系統(tǒng)，使其成為數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化相結(jié)合，集通信、計(jì)算機(jī)和視聽(tīng)功能于一體的電子產(chǎn)品，必須大大提升DSP系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。將DSP技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，必須解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是實(shí)現(xiàn)DSP與網(wǎng)卡的硬件接口技術(shù)，二是基于DSP的網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計(jì)。DSP與網(wǎng)卡的硬件接口技術(shù)參考文獻(xiàn)[1]有比較詳盡的論述，以下主要討論基于DSP的網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計(jì)。
1 通信協(xié)議的制定
協(xié)議是用來(lái)管理通信的法規(guī)，是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。由于DSP可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)卡的直接操作，對(duì)應(yīng)于OSI網(wǎng)絡(luò)模型，網(wǎng)卡包含了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的全部?jī)?nèi)容，因此，規(guī)定了數(shù)據(jù)鏈路層上數(shù)據(jù)幀封裝格式，就可以為基于DSP的局域網(wǎng)絡(luò)中任意站點(diǎn)之間的通信提供具體規(guī)范。因?yàn)橐蕴W(wǎng)是當(dāng)今最受歡迎的局域網(wǎng)之一，在以太網(wǎng)中，網(wǎng)卡用于實(shí)現(xiàn)802.3規(guī)程，其典型代表是Novell公司的NE2000和3COM公司的3C503等網(wǎng)卡，所以研究工作中的具體試驗(yàn)平臺(tái)是以DSP為核心構(gòu)成的以太局域網(wǎng)，主要用于語(yǔ)音的實(shí)時(shí)通信，所使用的網(wǎng)卡為Novell公司的NE2000網(wǎng)卡。NE2000網(wǎng)卡的基本組成請(qǐng)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2]，其核心器件是網(wǎng)絡(luò)接口控制器（NIC）DP8390。該器件有三部分功能：第一是IEEE802.3MAC（媒體訪(fǎng)問(wèn)控制）子層協(xié)議邏輯，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的封裝和解封，CSMA/CA（帶碰撞檢測(cè)功能的載波偵聽(tīng)多址接入）協(xié)議以及CRC校驗(yàn)等功能；第二是寄存器堆，用戶(hù)對(duì)NE2000網(wǎng)卡通信過(guò)程的控制主要通過(guò)對(duì)這些寄存器堆中各種命令寄存器編程實(shí)現(xiàn)；第三是對(duì)網(wǎng)卡上緩沖RAM的讀寫(xiě)控制邏輯。DP8390發(fā)送和接收采用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3幀格式。IEEE802.3參考了以太網(wǎng)的協(xié)議和技術(shù)規(guī)范，但對(duì)數(shù)據(jù)包的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改，主要是類(lèi)型字段變成了長(zhǎng)度字段。所以，以DSP為核心的局域網(wǎng)內(nèi)通信數(shù)據(jù)包基本格式如圖1所示。
DSP讀出數(shù)據(jù)包和打包從目的地址開(kāi)始。目的地址用來(lái)指明一個(gè)數(shù)據(jù)幀在網(wǎng)絡(luò)中被傳送的目的節(jié)點(diǎn)地址。NE2000支持3種目的地址：?jiǎn)蔚刂�、組地址及廣播地址。單地址表示只有1個(gè)節(jié)點(diǎn)可以接收該幀信息；組地址表示最多可以有64個(gè)字節(jié)接收同一幀信息；而廣播地址則表示它可以被同一網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)接收。源地址是發(fā)送幀節(jié)點(diǎn)的物理地址，它只能是單地址。目的地址和源地址指網(wǎng)卡的硬件地址，又稱(chēng)物理地址。
在源地址之后的2個(gè)字節(jié)表示該幀的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，只表示數(shù)據(jù)部分的長(zhǎng)度，由用戶(hù)自己填入。數(shù)據(jù)字段由46～1500字節(jié)組成。大于1500字節(jié)的數(shù)據(jù)應(yīng)分為多個(gè)幀來(lái)發(fā)送；小于46字節(jié)時(shí)，必須填充至46字節(jié)。原因有兩個(gè)：一是保證從目的地址字段到幀校驗(yàn)字段長(zhǎng)度為64字節(jié)的最短幀長(zhǎng)，以便區(qū)分信道中的有效幀和無(wú)用信息；二是為了防止一個(gè)站發(fā)送短幀時(shí)，在第一個(gè)比特尚未到達(dá)總線(xiàn)的最遠(yuǎn)端時(shí)就完成幀發(fā)送，因而在可能發(fā)生碰撞時(shí)檢測(cè)不到?jīng)_突信號(hào)。NE2000對(duì)接收到的從目的地址字段后小于64字節(jié)的幀均認(rèn)為是“碎片”，并予以刪除。在數(shù)據(jù)字段，根據(jù)系統(tǒng)的具體功能要求，用戶(hù)可以預(yù)留出若干個(gè)字節(jié)以規(guī)定相應(yīng)的協(xié)議，以便通信雙方依據(jù)這些字節(jié)中包含的信息實(shí)現(xiàn)不同的功能。
2 基于DSP的網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計(jì)
如果基于網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，用戶(hù)可以利用一些軟件對(duì)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的支持，很容易地編寫(xiě)出優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)通信程序，但這些程序必須依附于網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。而在DSP環(huán)境下，必須深入了解網(wǎng)絡(luò)接口控制器（NIC）的工作原理[2]，通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)直接編程，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)任意站點(diǎn)之間的通信而完全拋開(kāi)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。
DSP對(duì)網(wǎng)卡的通信過(guò)程控制就是DSP對(duì)DP8390中各種寄存器進(jìn)行編程控制，完成數(shù)據(jù)分組的正確發(fā)送和接收。DP8390的所有內(nèi)部寄存器都是8位，映像到4個(gè)頁(yè)面。每個(gè)頁(yè)面有16個(gè)可供讀寫(xiě)的寄存器地址（RA=00H～0fH）。頁(yè)面的選擇由命令寄存器CA控制。第0頁(yè)寄存器用于收發(fā)過(guò)程，第1頁(yè)寄存器主要用于DP8390的初始化，第2頁(yè)寄存器則用于環(huán)路診斷。DSP對(duì)寄存器的操作是將寄存器作為DSP的端口設(shè)備，其實(shí)際物理端口地址（PPA）為網(wǎng)卡基本I/O端口地址（BIOA）與寄存器地址（RA）之和（即PPA=BIOA RA）。應(yīng)注意的是，PPA與寄存器間并不存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)PPA的讀操作與寫(xiě)操作并不一定是對(duì)同一寄存器進(jìn)行的，這種情況在第0頁(yè)尤其明顯。用戶(hù)數(shù)據(jù)分組在DSP和網(wǎng)卡交互是通過(guò)網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)端口實(shí)現(xiàn)的，既可以用DMA方式也可以用PIO方式讀入數(shù)據(jù)分組或?qū)?shù)據(jù)分組送至網(wǎng)卡RAM緩沖區(qū)。在本系統(tǒng)中，DSP采用DMA方式對(duì)網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)端口地址（NDPA）為網(wǎng)卡基本I/O地址（BIOA）加偏移地址10H（即NDPA=BIOA 10H）。
網(wǎng)卡通信過(guò)程控制可分為網(wǎng)卡初始化、接收控制和發(fā)送控制。下面分別予以討論。
2.1 網(wǎng)卡初始化
網(wǎng)卡初始化的主要任務(wù)是設(shè)置所需的寄存器狀態(tài)，確定發(fā)送和接收條件，并對(duì)網(wǎng)卡緩沖區(qū)RAM進(jìn)行劃分，建立接收和發(fā)送緩沖環(huán)。具體過(guò)程請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)[2]。需要說(shuō)明的是，每一塊網(wǎng)卡被賦予一個(gè)物理地址，以便通信站點(diǎn)的標(biāo)識(shí)。這個(gè)物理地址存在網(wǎng)卡的PROM（存儲(chǔ)地址為0000～0005H）六個(gè)單元中，在網(wǎng)卡初始化時(shí)，通過(guò)遠(yuǎn)程DMA讀入DSP內(nèi)存中，并送入網(wǎng)卡物理地址寄存器。在一步的意義在于：一方面，如果能正確讀出網(wǎng)卡的物理地址，則說(shuō)明網(wǎng)卡硬件基本沒(méi)有問(wèn)題，網(wǎng)卡的上電復(fù)位和DSP對(duì)網(wǎng)卡的初始化順利通過(guò)；另一方面，這個(gè)物理地址可以用于DSP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的點(diǎn)名、包的過(guò)濾丟棄等服務(wù)，也就是說(shuō)，在鏈路層根據(jù)數(shù)據(jù)幀攜帶的源地址和目的地址確定數(shù)據(jù)報(bào)從哪里來(lái)，是否接收或丟棄。網(wǎng)卡初始化時(shí)另一個(gè)重要的工作就是接收緩沖環(huán)的設(shè)置，為了有效利用緩沖區(qū)，NIC將接收緩沖區(qū)RAM構(gòu)成環(huán)形緩沖結(jié)構(gòu)，如圖2所示。
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