TM1300嵌入式多媒體網絡通信系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
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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)據的采集與輸出功能，并能通過高速網絡傳遞壓縮編碼后的音視頻數(shù)據流。TM1300具有強大的多媒體數(shù)據處理能力，它在系統(tǒng)中可以完成音視頻數(shù)據的壓縮編碼或解碼，同時處理網絡數(shù)據的收發(fā)，并可以通過pSOS實時操作系統(tǒng)協(xié)調和調度整個系統(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轉換接口，其最高采樣率可以達81MHz。可以采用Philips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)據輸出口，可以完成解碼后的視頻數(shù)據輸出，可以采用Philips公司的視頻編碼芯片（Video Encoder）完成視頻數(shù)據的D/A轉換。 （3）音頻信號采集和輸出的數(shù)據都是通過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)據的A/D和D/A轉換。 （4）基于網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收發(fā)控制器，是目前應用最為廣泛的一種網絡接口芯片。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)范相關內容。另外，嵌入式系統(tǒng)需要通過JTAG口進行調試和仿真，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，只需要調用設備庫API、設置好數(shù)據緩沖區(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)據傳遞即可。用戶也可以根據具體硬件自己開發(fā)BSP。 3 面向pSOS網絡驅動設計與網絡編程模型 網絡設備的驅動程序，按照網絡協(xié)議棧分層概念，在這其將其稱為網絡接口（Network Interface，簡稱NI），其主要功能是其將最底層的物理網絡細節(jié)和上層應用程序隔離開，編程時用考慮網絡硬件、網絡傳輸介質和網絡拓撲等。 在TriMedia軟件架構中，可以將網絡驅動設計成pSOS網絡部件pNA+訪問網絡接口。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)調用函數(shù)，這些函數(shù)不但可以操作網絡接口，而且可以操作套節(jié)字（Socket）進行高級TCP/IP網絡編程，而不需用軟件來實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧。
本節(jié)內容旨在論述基本pNA+部件的網絡接口設計和網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核pSOS+、多任務及多處理器的內核pSOS+m、TCP/IP管理部件pNA+、遠程過程調用部件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+服務的網絡接口 網絡接口提供pNA對網絡的訪問，并將其與物理網絡隔離開來。一個pNA+節(jié)點可以連接一到多個網絡接口，每個網絡接口都分配獨立的IP地址和接口號。 在設計時，網絡接口須為pNA+提供7種不同的網絡接口功能調用，在表2中將其列出。表2 網絡接口功能 服 務功能號功能描述 NI_INIT1初始化網絡接口NI_GETPKB2分配網絡接口包緩沖區(qū)NI_RETPKB3返回網絡接口包緩沖區(qū)NI_SEND4網絡接口發(fā)送包NI_BROADCAST5網絡接口廣播包NI_POLL6查詢包收發(fā)及緩沖區(qū)狀態(tài)NI_IOCTL7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，自動調用該功能，也可以通過pNA+的系統(tǒng)調用add_ni()來激活該功能。在NI_INIT中初始化網絡硬件、包緩沖池，設置網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）及一些其他網絡接口參數(shù)； NI_POLL：該功能用來查詢網絡是否有接收包，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)行網絡的I/O控制操作，主要有調協(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）網絡接口功能調用接口主函數(shù)NIMain設計 上述各種網絡接口功能通過一個接口主函數(shù)調用，它提供pNA+和網絡接口之間功能調用的接口。 調用時，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調用處理*/ /*網絡芯片及緩沖區(qū)初始化，記錄網絡接口號...*/ Lan_chip_Init();InitBuffer()； number=p->niinit.if_num; ni_init(); … case NI_GETPKB:… /*NI_GETPKB調用處理*/ case NI_RETPKB:… /*NI_RETPKB調用處理*/ case NI_SEND:… /*NI_SEND調用處理*/ case NI_BROADCASE:… /*NI_BROADCAST調用處理*/ case NI_POLL: /*NI_POLL調用處理*/ case NI_IOCTL:… /*NI_IOCTL調用處理*/ default:… /*返回錯誤代碼*/ } return rc； } 可以看出，pNA+在調用網絡接口功能時，只需傳遞參數(shù)指針，其具體動作都是由NIMain函數(shù)完成，NIMain起到了隔離網絡底怪和pNA+的作用。 （3）pSOS系統(tǒng)中加入網絡接口的方法 在pSOS系統(tǒng)添加網絡接口增添其它的設備驅動程序類似，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，以太網為1518字節(jié)*/ pna_Init ->hwalen=hwalen; /*硬件地址長度，以太網為6*/ pna_Init ->flags=flags; /*接口標志*/ /*子網掩碼、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。在初始化設置網絡接口時，需調用前面所述的InstallNi，調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功能調用，使pNA+和特定網絡接口實例關聯(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+訪問網絡接口了。 3.4 使用pNA+部件進行網絡編程 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(遠程過程調用)的支持?？梢妏NA+可以滿足絕大多數(shù)的網絡編程。 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)據采集和網絡傳輸?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網絡來實現(xiàn)，具有通用性。而音視頻數(shù)據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（網絡攝像機）、視頻服務器、可視電話、視頻會議終端等。
linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）
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