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基于 DSP 的網絡通信程序設計
摘要：通過分析網卡基本通信過程控制和數字信號處理器（DSP）對網卡直接編程方法,成功設計基于DSP的網絡通信程序，從而最終實現DSP系統數字化和網絡化的融合。DSP芯片是專門為實現各種數字信號處理算法而設計的、具有特殊結構的微處理器，其卓越的性能、不斷上升的性價比、日漸完善的開發方式使它的應用越來越廣泛。將計算機網絡技術引入以DSP為核心的嵌入式系統，使其成為數字化、網絡化相結合，集通信、計算機和視聽功能于一體的電子產品，必須大大提升DSP系統的應用價值和市場前景。將DSP技術與網絡技術相結合，必須解決兩個關鍵問題：一是實現DSP與網卡的硬件接口技術，二是基于DSP的網絡通信程序設計。DSP與網卡的硬件接口技術參考文獻[1]有比較詳盡的論述，以下主要討論基于DSP的網絡通信程序設計。
1 通信協議的制定
協議是用來管理通信的法規，是網絡系統功能實現的基礎。由于DSP可以實現對網卡的直接操作，對應于OSI網絡模型，網卡包含了物理層和數據鏈路層的全部內容，因此，規定了數據鏈路層上數據幀封裝格式，就可以為基于DSP的局域網絡中任意站點之間的通信提供具體規范。因為以太網是當今最受歡迎的局域網之一，在以太網中，網卡用于實現802.3規程，其典型代表是Novell公司的NE2000和3COM公司的3C503等網卡，所以研究工作中的具體試驗平臺是以DSP為核心構成的以太局域網，主要用于語音的實時通信，所使用的網卡為Novell公司的NE2000網卡。NE2000網卡的基本組成請見參考文獻[2]，其核心器件是網絡接口控制器（NIC）DP8390。該器件有三部分功能：第一是IEEE802.3MAC（媒體訪問控制）子層協議邏輯，實現數據幀的封裝和解封，CSMA/CA（帶碰撞檢測功能的載波偵聽多址接入）協議以及CRC校驗等功能；第二是寄存器堆，用戶對NE2000網卡通信過程的控制主要通過對這些寄存器堆中各種命令寄存器編程實現；第三是對網卡上緩沖RAM的讀寫控制邏輯。DP8390發送和接收采用標準的IEEE802.3幀格式。IEEE802.3參考了以太網的協議和技術規范，但對數據包的基本結構進行了修改，主要是類型字段變成了長度字段。所以，以DSP為核心的局域網內通信數據包基本格式如圖1所示。
DSP讀出數據包和打包從目的地址開始。目的地址用來指明一個數據幀在網絡中被傳送的目的節點地址。NE2000支持3種目的地址：單地址、組地址及廣播地址。單地址表示只有1個節點可以接收該幀信息；組地址表示最多可以有64個字節接收同一幀信息；而廣播地址則表示它可以被同一網絡中的所有節接收。源地址是發送幀節點的物理地址，它只能是單地址。目的地址和源地址指網卡的硬件地址，又稱物理地址。
在源地址之后的2個字節表示該幀的數據長度，只表示數據部分的長度，由用戶自己填入。數據字段由46～1500字節組成。大于1500字節的數據應分為多個幀來發送；小于46字節時，必須填充至46字節。原因有兩個：一是保證從目的地址字段到幀校驗字段長度為64字節的最短幀長，以便區分信道中的有效幀和無用信息；二是為了防止一個站發送短幀時，在第一個比特尚未到達總線的最遠端時就完成幀發送，因而在可能發生碰撞時檢測不到沖突信號。NE2000對接收到的從目的地址字段后小于64字節的幀均認為是“碎片”，并予以刪除。在數據字段，根據系統的具體功能要求，用戶可以預留出若干個字節以規定相應的協議，以便通信雙方依據這些字節中包含的信息實現不同的功能。
2 基于DSP的網絡通信程序設計
如果基于網絡操作系統，用戶可以利用一些軟件對網絡操作系統的支持，很容易地編寫出優秀的網絡通信程序，但這些程序必須依附于網絡操作系統。而在DSP環境下，必須深入了解網絡接口控制器（NIC）的工作原理[2]，通過對網絡直接編程，實現局域網內任意站點之間的通信而完全拋開網絡操作系統。
DSP對網卡的通信過程控制就是DSP對DP8390中各種寄存器進行編程控制，完成數據分組的正確發送和接收。DP8390的所有內部寄存器都是8位，映像到4個頁面。每個頁面有16個可供讀寫的寄存器地址（RA=00H～0fH）。頁面的選擇由命令寄存器CA控制。第0頁寄存器用于收發過程，第1頁寄存器主要用于DP8390的初始化，第2頁寄存器則用于環路診斷。DSP對寄存器的操作是將寄存器作為DSP的端口設備，其實際物理端口地址（PPA）為網卡基本I/O端口地址（BIOA）與寄存器地址（RA）之和（即PPA=BIOA RA）。應注意的是，PPA與寄存器間并不存在一一對應關系，對PPA的讀操作與寫操作并不一定是對同一寄存器進行的，這種情況在第0頁尤其明顯。用戶數據分組在DSP和網卡交互是通過網卡的數據端口實現的，既可以用DMA方式也可以用PIO方式讀入數據分組或將數據分組送至網卡RAM緩沖區。在本系統中，DSP采用DMA方式對網卡進行數據讀寫。網卡的數據端口地址（NDPA）為網卡基本I/O地址（BIOA）加偏移地址10H（即NDPA=BIOA 10H）。
網卡通信過程控制可分為網卡初始化、接收控制和發送控制。下面分別予以討論。
2.1 網卡初始化
網卡初始化的主要任務是設置所需的寄存器狀態，確定發送和接收條件，并對網卡緩沖區RAM進行劃分，建立接收和發送緩沖環。具體過程請參閱參考文獻[2]。需要說明的是，每一塊網卡被賦予一個物理地址，以便通信站點的標識。這個物理地址存在網卡的PROM（存儲地址為0000～0005H）六個單元中，在網卡初始化時，通過遠程DMA讀入DSP內存中，并送入網卡物理地址寄存器。在一步的意義在于：一方面，如果能正確讀出網卡的物理地址，則說明網卡硬件基本沒有問題，網卡的上電復位和DSP對網卡的初始化順利通過；另一方面，這個物理地址可以用于DSP網絡系統中的點名、包的過濾丟棄等服務，也就是說，在鏈路層根據數據幀攜帶的源地址和目的地址確定數據報從哪里來，是否接收或丟棄。網卡初始化時另一個重要的工作就是接收緩沖環的設置，為了有效利用緩沖區，NIC將接收緩沖區RAM構成環形緩沖結構，如圖2所示。
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