（清華大學(xué) 電子工程系 ，微波與數(shù)字通信技術(shù)國家重點實驗室，北京100084）

摘要：高性能600MHz的TMS320DM642是可編程的數(shù)字多媒體處理器，為了了解其對于多媒體數(shù)據(jù)通信的支持，本文針對DSP芯片上的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工具NDK進行了研究，測試了其在UDP傳輸過程中的CPU效率，對其在不同傳輸速率和二級緩存大小的條件下的表現(xiàn)給出了比較。說明了DM642是一款很適用于多媒體通信的數(shù)字信號處理器。

關(guān)鍵詞：DSP；DM642；NDK；TCP/IP；UDP；多媒體通信

中圖分類號：TP393.1  文獻標識碼：A

Implementation and Performance Analysis of TCP/IP Stack Based on DM642

DU Wen，SHEN Yong，TANG Kun

 (State Key Lab on Microwave and Digital Communications, Dept of Electronic Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084)

Abstract: 600MHz TMS320DM642 is an excellent Digital Signal Processor. To support its function of multimedia data transmission, our work focuses on the Network Development Kids- NDK on it. We have a test on DM642 CPU’s efficiency of transmission of UDP data package; make comparison of the performance under different hardware conditions, including different transmission speed and different size of L2 cache. DM642 performs well in multimedia communications area.

Key Words: DSP；DM642；NDK；TCP/IP；UDP；Multimedia Communications

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式的多媒體終端日益普及，在嵌入式芯片上多媒體通信的研究逐漸成為熱門的課題。多媒體尤其是視頻圖像的實時通信有數(shù)據(jù)量大，延時要求嚴格等特點，而嵌入式芯片在處理能力、存儲容量上與通用芯片都有差距，因此能否利用有限的資源實現(xiàn)高效率的通信協(xié)議，是嵌入式芯片能否實現(xiàn)多媒體通信的關(guān)鍵。

TI（Texas Instrument）公司是世界領(lǐng)先的DSP制造商，它們的C6000系列芯片在嵌入式芯片市場獲得了巨大的成功，DM642就是該系列的最新產(chǎn)品。而新推出的NDK開發(fā)套件在DM642上實現(xiàn)了高效率的TCP/IP協(xié)議棧，我們選擇DM642為平臺，研究和分析了NDK實現(xiàn)的高效率通信協(xié)議。

1．開發(fā)平臺和測試環(huán)境的介紹

1.1 TI DM642 DSP開發(fā)平臺

TI公司的DM642是一款專門面向多媒體應(yīng)用的專用DSP。該DSP內(nèi)部時鐘高達600MHz，8個并行運算單元，最大處理能力達到4800MIPS，外部總線時鐘100MHz。DM642的芯片集成了64個32bit的通用寄存器，能夠在一個時鐘周期內(nèi)處理4個16bit的乘法和8個8bit的乘法。為了增強多媒體功能，芯片還集成了3個高精度、可配置的視頻端口，10/100Mbps的以太網(wǎng)MAC，面向音頻應(yīng)用的多通道音頻串口（McASP），66MHz 32bit的PCI以及擁有64個通道的增強型DMA等接口。這些都使得DM642 DSP特別適用于音視頻的處理和通信。

圖1：DM642 DSP處理器

DM642的高性能還得益于DSP內(nèi)部的兩級高速緩存（cache）的結(jié)構(gòu)設(shè)計，芯片的第一級緩存包括16KByte的程序緩存（L1P）和16KByte的數(shù)據(jù)緩存（L1D），第二級緩存（L2）有256KByte，程序空間和數(shù)據(jù)空間是共用的。它可以設(shè)置成存儲單元（memory），高速緩存（cache），或者是這兩者的結(jié)合，具體的分配可以由程序員配置。

圖2：DM642兩級緩存工作原理

CPU只對L1的數(shù)據(jù)進行訪問，程序代碼和數(shù)據(jù)必須經(jīng)過外部存儲器到L2，L2到L1的逐級搬移才能被CPU訪問。L2存儲單元和外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換由功能強大的增強型DMA控制器控制，因此在CPU處理片內(nèi)的數(shù)據(jù)時可以通過EDMA把片外的數(shù)據(jù)倒入片內(nèi)，達到同步工作以提高效率。由于內(nèi)部存儲器的工作頻率與DSP內(nèi)部時鐘同頻，而遠遠高于片外存儲器的工作頻率，這就解決了DSP外部時鐘頻率小于內(nèi)部時鐘頻率的問題。有實驗表明，合理利用兩級緩存配合低工作頻率的外部存儲器，系統(tǒng)的效率能夠達到全部使用高工作頻率的內(nèi)部存儲器的80%到90%。

同時DM642可與TI的C64x DSP目標代碼完全兼容，這大大降低了客戶的系統(tǒng)成本，簡化了開發(fā)進程。

聞亭（Wintech）公司是TI的第三方合作伙伴，該公司推出的DM642EVM板是一個基于DM642芯片的低成本的獨立開發(fā)平臺，可滿足視頻設(shè)計人員利用最新音頻和視頻算法套件快速進軍市場的需求，適用于 VoIP、視頻點播 (VOD)、多通道數(shù)字錄像應(yīng)用，以及高質(zhì)量的視頻編解碼解決方案。板上有一個600MHz的DM642芯片，還集成了4MB Flash，32MB 100MHz SDRAM，另外還有音視頻采集和輸出端口，10/100M以太網(wǎng)接口，仿真器的JTAG接口。EVM板將高性能的DSP內(nèi)核與集成的音頻、視頻及連接性選項進行了完美的結(jié)合。我們的TCP/IP協(xié)議棧就是在該板上實現(xiàn)的。

1.2 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧簡介

隨著近幾年網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以TCP/IP為代表的通用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)通訊的標準。

圖3 RTP/UDP/IP協(xié)議棧

上圖是典型的IP分層協(xié)議棧，底層協(xié)議對通信的影響主要表現(xiàn)在MTU(Maximum transmission unit)的大小對上層打包的制約，例如以太網(wǎng)的802.3協(xié)議和無線網(wǎng)的801.1協(xié)議對包長都有限制，否則就會丟包，因此在上層協(xié)議的實現(xiàn)時要注意這個問題。IP是最為成功、應(yīng)用最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，它提供一種盡力傳送的服務(wù)。在傳輸層，IP網(wǎng)絡(luò)通常使用兩種協(xié)議，即TCP和UDP。TCP提供一個面向字節(jié)的，有保證的傳輸服務(wù)。在差錯控制方面，主要使用重傳和超時等機制。由于它的延時不可預(yù)測性，并不適合實時通信業(yè)務(wù)。UDP提供一個簡單的不可靠的數(shù)據(jù)報服務(wù)。UDP報頭中包含校驗和，能夠用來檢測和丟棄包含誤碼的包。它適合進行實時通信，本文就是研究DM642用UDP傳輸數(shù)據(jù)的效率。RTP是典型的基于UDP/IP的應(yīng)用層傳輸協(xié)議，它是面向會話的，一個會話與一個傳輸?shù)刂罚?FONT face="Times New Roman">IP地址+UDP端口）相關(guān)聯(lián)。一個RTP包包括RTP Header，可選的Payload Header，以及Payload。

2． TI通信開發(fā)套件NDK

2.1 NDK開發(fā)套件的高效率設(shè)計

為了加速其高檔DSP的網(wǎng)絡(luò)化進程，TI公司結(jié)合其C6000系列芯片推出了TCP/IP NDK (Network Developer’s Kit)開發(fā)套件。

NDK主要的組件包括：（1）支持TCP/TP協(xié)議棧程序庫。其中主要包含的庫有：支持TCP/IP網(wǎng)絡(luò)工具的庫，支持TCP/IP協(xié)議棧與DSP/BIOS平臺的庫，網(wǎng)絡(luò)控制以及線程調(diào)度的庫（包括協(xié)議棧的初始化以及網(wǎng)絡(luò)相關(guān)任務(wù)的調(diào)度）（2）示范程序。其中主要包括DHCP/Telnet客戶端，HTTP/數(shù)據(jù)服務(wù)器示范等。（3）支持文檔 包括用戶手冊、程序員手冊和平臺適應(yīng)手冊。

NDK采用緊湊的設(shè)計方法，實現(xiàn)了用較少的資源耗費來支持TCP/IP。從實用效果看，NDK僅用200~250K程序空間和95K數(shù)據(jù)空間即可支持常規(guī)的TCP/IP服務(wù)，包括應(yīng)用層的telnet、DHCP、HTTP等。為了最大限度地減少資源消耗，TI為其NDK采用了許多特殊的技巧，重要的有：（1）UDP socket和RAW socket不使用發(fā)送或接收緩沖區(qū)；（2）TCP socket使用發(fā)送緩沖區(qū)，接收緩沖區(qū)依配置文件而定；（3）低層驅(qū)動程序與協(xié)議棧之間通過指針傳遞數(shù)據(jù)，不對包進行復(fù)制拷貝；4、設(shè)置專門的線程清除存儲器中的碎片和檢查存儲器泄露。因此，NDK很適合目前嵌入式系統(tǒng)的硬件環(huán)境，是實現(xiàn)DSP聯(lián)網(wǎng)通信的重要支撐工具。

NDK的軟件開發(fā)環(huán)境是TI的開發(fā)工具CCS（code composer studio）。它包含有實時操作系統(tǒng)DSP/BIOS和主機與目標板之間的實時數(shù)據(jù)交換軟件RTDX。

2.2  NDK的配置和使用

在CCS下使用NDK需要在以下幾點上做特別處理：

（1）設(shè)置DSP/BIOS

PRD設(shè)置主時鐘。硬件抽象層的時鐘驅(qū)動需要一個100ms啟動一次的PRD函數(shù)作為主時鐘，函數(shù)名是llTimerTick()。

HOOK為TCP/IP協(xié)議棧設(shè)置保存的空間。OS庫的任務(wù)調(diào)度模塊需要調(diào)用hook來保存和調(diào)用TCP/IP協(xié)議棧的環(huán)境變量指針，這兩個hook函數(shù)是NDK_hookInit() 和 NDK_hookCreate()。

（2）包含文件和庫文件

請注意編譯時需要包含庫文件和文件路徑，一般默認為c:\ti\c6000\ndk\inc

（3）CCS工程編譯時的鏈接順序

CCS一般按照特定的順序來鏈接目標函數(shù)和庫文件，NDK是對這個鏈接順序很敏感的，錯誤的順序可以導(dǎo)致重復(fù)定義符號甚至不正確執(zhí)行等錯誤。為避免這個情況，可以在CCS里選擇Link Order"-> "build options對話框，將文件按照一定順序添加并且將庫文件添置到連接順序的最后，推薦的順序為：NETCTRL.LIB，HAL_xxx.LIB，NETTOOL.LIB，STACK.LIB和OS.LIB。

在初始化啟動協(xié)議棧之前，要為其分配一塊工作內(nèi)存（SDRAM），命令是_mmBulkAllocSeg( EXTERN1 )。還要調(diào)用fdOpenSession()來初始化文件指針向量表，否則創(chuàng)建socket的時候?qū)⒊霈F(xiàn)錯誤。

我們將發(fā)送/接收設(shè)置定義為一個任務(wù)，在創(chuàng)建任務(wù)句柄以前，我們應(yīng)該用NC_SystemOpen()打開網(wǎng)絡(luò)功能并進行設(shè)置，在系統(tǒng)關(guān)閉前也要進行相應(yīng)的處理。

使用NDK提供的socket API函數(shù)需要注意下面一些問題：

（1）NDK中對socket API 通過一個文件指針接口與操作系統(tǒng)相連接，因此要調(diào)用文件指針向量表初始化和關(guān)閉函數(shù)對文件系統(tǒng)進行相應(yīng)操作。

（2）NDK中并沒有提供windows API中強大的select函數(shù)，但是可以用fdselect實現(xiàn)一些相應(yīng)的工程�？梢韵嗷�對應(yīng)得API函數(shù)還有NDK中的fdclose 和標準的close, NDK中的fderror和標準的errno.(3) NDK提供了很多網(wǎng)絡(luò)工具的支持的函數(shù)，比如和DNS相關(guān)的一些函數(shù)，可以代替標準API中的getpeername, gethostname等。另外還有關(guān)于IGMP的一些函數(shù)可以用來支持組播，但是只支持作為組播用戶，不能支持作為組播服務(wù)器。

3．NDK傳輸UDP數(shù)據(jù)包效率測試及性能分析

3.1測試平臺結(jié)構(gòu)

我們研究了在NDK下CPU對UDP數(shù)據(jù)包發(fā)送接收的效率，這個測試分成兩部分：一部分是測試從DM642向PC機發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包時，在不同的傳輸速率和不同的L2 cache大小時的CPU占用率，另一部分是測試DM642接收從PC機發(fā)送來數(shù)據(jù)包時，在不同的傳輸速率和不同的L2 cache大小時的CPU占用率。我們所使用的工具是在CCS下的NDK提供的socket API函數(shù)和在visual studio下提供的winsocket API。圖4是測試環(huán)境的示意圖。

圖4：NDK測試環(huán)境示意圖

3.2 測試平臺的配置和實現(xiàn)

由于接收和發(fā)送程序十分相似，我們僅以發(fā)送程序舉例。創(chuàng)建發(fā)送數(shù)據(jù)的程序為一個任務(wù)，在DSP/BIOS中，任務(wù)對象就是被TSK模塊管理的線程。TSK模塊根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級和當(dāng)前的執(zhí)行狀態(tài)動態(tài)的調(diào)度。DSP/BIOS總共有15個任務(wù)優(yōu)先級可以使用，并且提供了一組函數(shù)來操縱任務(wù)對象，包括建立、刪除、設(shè)置任務(wù)對象。任何任務(wù)對象都處于下面幾種狀態(tài)之一：運行態(tài)，就緒態(tài)，阻塞態(tài)，終止態(tài)。

         在這個工程中，我們在網(wǎng)絡(luò)控制的程序中進行任務(wù)的創(chuàng)建，圖5是創(chuàng)建任務(wù)的流程圖：

圖5：傳輸任務(wù)創(chuàng)建流程圖

其中創(chuàng)建任務(wù)的語句為：TaskCreate( tsk_udp, "udp_video", 5, 0x1000, peer_addr , 12345, 12345 )。理論上，可以通過設(shè)置兩個task的方法來增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾�，但是注意這兩個task應(yīng)該用不同的端口進行傳送。任務(wù)調(diào)度的應(yīng)用程序為：

static void tsk_udp( IPN IPAddr, int PeerPort , int LocalPort)

{        ……

// 創(chuàng)建 socket

s = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);

……

// 設(shè)置要綁定的地址端口屬性

bzero( &sin1, sizeof(struct sockaddr_in) );

sin1.sin_family      = AF_INET;

sin1.sin_len         = sizeof( sin1 );

sin1.sin_port        = htons(LocalPort);

//綁定IP地址和端口

if( bind( s, (PSA) &sin1, sizeof(sin1) ) < 0 )

{ goto exit_tsk;}

//設(shè)定目的地址端口屬性

bzero( &sin1, sizeof(struct sockaddr_in) );

sin1.sin_family    = AF_INET;

sin1.sin_len       = sizeof( sin1 );

sin1.sin_addr.s_addr = IPAddr;

sin1.sin_port      = htons(PeerPort);

……

// 分配工作緩沖區(qū)

if( !(pBuf = mmBulkAlloc( 1024 )) )

{goto exit_tsk;}

// 一下開始發(fā)送數(shù)據(jù)

for(;;)

{        // 填充發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)

*(int*)pBuf=send_udp_count++

// 發(fā)送數(shù)據(jù)

if( sendto( s, pBuf, 1000, 0, &sin1, sizeof(sin1) ) < 0 )

         { goto exit_tsk;//break;}

// 清空數(shù)據(jù)區(qū)

mmZeroInit( pBuf, (uint)test );

//設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)率

       TaskSleep(8);    // 1Mbit/s

}

……

}

測試里面有兩個關(guān)鍵參數(shù)需要設(shè)置，一個是發(fā)送（接收）的數(shù)據(jù)率和DM642內(nèi)部第二級緩存的大小。收發(fā)的數(shù)據(jù)率可以通過改變?nèi)蝿?wù)掛起的時間間隔長度來改變。系統(tǒng)函數(shù)TaskSleep(n)表示每隔n毫秒執(zhí)行一次發(fā)送，我們設(shè)定每次發(fā)送1000 Byte的數(shù)據(jù)，這樣TaskSleep(8)表示1Mbit/s的傳輸速率，TaskSleep(4)表示2Mbit/s的傳輸速率，以此類推。

而L2 cache大小的改變可以通過以下語句來設(shè)置：

CACHE_setL2Mode(CACHE_64KCACHE)表示設(shè)置了64K L2 Cache；CACHE_setL2Mode(CACHE_128KCACHE)表示設(shè)置了128K L2 Cache，以此類推。

3.3 測試結(jié)果和性能分析

我們在DM642評估版上，采用標準的recvfrom函數(shù)進行數(shù)據(jù)接收，以無連接的UDP協(xié)議與windows PC進行相互傳輸。對不同傳輸速率和不同大小的二級緩存下CPU的占用率進行了比較。

CPU占用率=空閑周期可完成的低優(yōu)先級任務(wù)/ 執(zhí)行傳輸任務(wù)時可完成的低優(yōu)先級任務(wù)

其中接收和發(fā)送數(shù)據(jù)均設(shè)為每次1000 Byte，評測結(jié)果在下面四個圖表里面顯示出來。

表1：由DM642發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包的CPU占用率（%）

圖6：DM642發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包CPU占用率比較圖

表2：由DM642 UDP數(shù)據(jù)包的CPU占用率（%）

圖7：DM642接收UDP數(shù)據(jù)包CPU占用率比較圖

從上面的比較可以看出 DM642發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包時的CPU占用率均隨著網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的增加而提高，而且基本上呈線性關(guān)系。因為收發(fā)數(shù)據(jù)是對數(shù)據(jù)簡單的搬移，它的復(fù)雜度是隨著數(shù)據(jù)的增加而線性增長的，在高速緩存一定得

情況下CPU的占用率線性增加。

而第二級緩存的大小對CPU的占用率也有影響，一般而言是L2 cache越大，CPU占用率越小，而且隨著收發(fā)數(shù)據(jù)率的變大而顯得更加明顯，這個得益于DM642兩級緩存的工作原理和強大的DMA功能。

L2 cache增大帶來的另一個影響是CPU片內(nèi)存儲容量的減少，使得片內(nèi)能放下的代碼段和數(shù)據(jù)段就比較少，這樣反而會減緩程序的運行速度，這在處理復(fù)雜的編解碼程序，數(shù)據(jù)段和代碼段比較多時尤為明顯，這就需要程序員根據(jù)實際情況統(tǒng)籌安排合理配置。

4．總結(jié)與展望

為了研究在嵌入式芯片上進行高速多媒體通信的可行性，本文討論了TI DM642上NDK設(shè)計的原理，并進行了與PC機實時數(shù)據(jù)通信的測試。測試表明TI公司推出的NDK套件在DM642芯片上實現(xiàn)了高效率的TCP/IP傳輸協(xié)議，即使高達16Mbit/s的傳輸速率，CPU的占用率也不到10%，這使得它完成多路的視頻傳輸也綽綽有余，這是DM642能夠廣泛應(yīng)用于各種多媒體通信設(shè)備和終端的有力保證。再配合DM642芯片強大的多媒體處理功能，使得其在多媒體通信市場上有廣闊的前景。值得我們?nèi)パ芯亢完P(guān)注。

 參考文獻：

[1] TMS320DM642 Video/Imaging Fixed-Point Digital Signal Processor Data manual

[2]  TMS320DM642  Evaluation  Module

Technical Reference

[3] Texas Instruments TMS320C6000 TCP/IP Network Developer’s Kid Programmer’s Reference Guide

[4]  李方慧，王飛，何佩琨。TMS320C6000系列DSPs原理和應(yīng)用（第二版）。北京：電子工業(yè)出版社

[5]  W.Richard.Stevens。TCP/IP Illustrated。北京：機械工業(yè)出版社