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摘要：針對TMS320C6678DSP的嵌入式網絡實現方案，對該DSP的網絡控制模塊和ndk進行了深入地研究與分析，實現了SYS/BIOS系統下NDK組件的初始化及配置。并以PC與dsp之間網絡通信為例，介紹了PC端Winsock與DSP的NDK開發流程，通過PC與DSP的網絡通信數據傳輸的測試，分析了影響網絡通信速率的幾個因素。實驗結果表明，使用NDK提供的組件，可以方便快捷地實現網絡應用開發。
關鍵詞：嵌入式系統；TCP/IP協議；數字信號處理器（DSP）；網絡開發包（NDK）
網絡通信作為一種有效的通信方式，在DSP應用開發中占據越來越重要的地位。從DSP設備實時獲取監控或測量的數據、向DSP設備發送命令控制其采取適當的處理行為等，都需要網絡通信的支持。隨著嵌入式網絡通信技術研究與應用越來越廣泛，網絡通信處理技術越來越成熟。TI公司推出了TCP/IP協議棧。此協議棧與TI網絡開發工具包NDK(NetworkDeveloper'sKit)結合在一起使用。NDK是一個基于SYS/BIOS實時操作系統的網絡協議棧，目前主要用于開發和驗證TIC6000系列和ARM系列嵌入式處理器的網絡應用功能。包含在NDK版中的代碼是通用的C代碼。NDK棧作為一個快速的原型平臺為開發網絡和包處理程序提供服務。它能用于向已經存在的應用程序中添加網絡連接，以支持網絡的通信、配置和控制。基于SYS/BIOS的網絡開發組件，提供網絡協議棧的支持，提供基本網絡服務開發的接口，簡化了DSP網絡應用程序的開發[1]。NDK僅用200～250K的程序空間和95K的數據空間即可支持常規的TCP/IP服務，包括應用層的TELNET、DHCP和HTTP等協議，可使基于數字信號處理技術的因特網終端的網絡連接成本大大降低。因此，NDK很適合目前的嵌入式系統硬件環境，是實現DSP網絡開發的重要支撐工具。
1NDK的功能架構
如圖1所示，NDK主要由5個庫組成，分別是硬件抽象庫（hal.lib）、網絡控制庫（netctrl.lib）、網絡工具庫（nettool.lib）、操作系統庫（os.lib）和協議棧庫（stack.lib）。(1)硬件抽象庫HAL將具體的底層硬件抽象為一個硬件抽象層與NDK隔離，主要負責管理與網絡相關的硬件資源，為NDK提供一組編程接口。包含硬件外設到NDK的接口，例如，計時器、LED指示燈、以太網設備和串口等。(2)網絡工具庫NETTOOL庫中包含了NDK提供的所有基于網絡服務的套接字，以及一些用于網絡應用程序開發的工具。在網絡工具庫中最常用的組件是基于標簽的配置系統，它幾乎控制棧及其服務的每個方面[2]。(3)操作系統庫將DSP/BIOS操作系統的功能抽象為一個操作系統適配層與NDK隔離，將某些抽象的操作系統調用映射到SYS/BIOS函數調用。這個適應層允許SYS/BIOS系統程序員將NDK系統調整到任何基于SYS/BIOS的操作系統中。(4)協議棧庫主要是TCP/IP協議棧，它包含以太網和點到點協議頂層套接字層的所有內容。TCP/IP協議棧是主要的TCP/IP網絡功能庫，該庫構建在SYS/BIOS操作系統之上，實現了從上層套接字到底層鏈路層的所有功能。STACK庫是基于SYS/BIOS編譯的，能充分利用SYS/BIOS操作系統，在平臺間遷移時不需要移植。(5)網絡控制庫NETCTRL是協議棧配置、初始化和事件調度的核心，它控制TCP/IP與外部的交互。在所有的協議棧模塊中，它對NDK的操作時最重要，其功能：a)負責NDK的初始化和底層設備驅動；b)通過配置服務回調函數啟動和維護系統配置；c)向底層設備驅動提供接口，同時調度驅動事件；d)在退出時卸載系統配置和清理驅動。
2NDK協議棧的配置和初始化
NDK協議棧初始化的基本過程：(1)運行StackThreadBegin（Global.stackBe-ginHook）掛鉤函數。注意在這個掛鉤函數中，任何與NDK相關的代碼都不能運行，因為NC_Syste-mOpen()函數還沒有運行。(2)用初始化函數對操作系統環境進行初始化：NC_SystemOpen(Priority，OpMode)，它的兩個參數Priority和OpMode分別決定網絡事件調度器在SYS/BIOS線程中的優先級和操作模式。這個函數必須在NDK相關的函數被調用之前調用。(3)通過CfgNew()創建一個新的配置。一旦創建了配置句柄，就可以將配置信息裝載到句柄中，既可以整體裝載，也可以采用一次一個條目的形式進行裝載。(4)通過配置函數API的調用構建新配置或加載一個原來存在的配置：CfgLoad()/CfgAddEntry()，兩者的區別在于整體裝載還是逐一進行裝載，裝載的參數包括：網絡主機名，IP地址和子網掩碼，默認路由的IP地址，需要執行的服務（例如：DHCP、DNS和HTTP），命名服務器的IP地址，協議棧的屬性（例如：IP路由、套接字緩存大小等）。(5)通過調用NC_NetStart()函數，用上面的配置啟動協議棧。該函數由四個參數：配置句柄、指向開始函數的指針、指向結束函數的指針和指向IP地址時間的函數。開始函數和結束函數只被調用一次，開始函數在初始化結束后準備執行網絡應用程序時調用，IP地址事件函數允許被多次調用，NC_NetStart()函數直到協議棧繪會話終止才返回。(6)在一些初步的初始化后，NC_NetStart()函數創建一個新的線程，這個新的線程會調用生成的NetworkOpen()函數。NetworkOpen()函數根據網絡需求創建網絡任務線程。(7)在正常操作下，協議棧直到函數NC_Net-Stop()被調用才會關閉。(8)當NC_NetStart()返回且會話結束后，調用Cfg_Free()釋放配置句柄。(9)當所有資源釋放后，調用NC_System-Close完成系統關閉操作[3]。NDK的初始化流程如圖2所示。
3NDK與PC通信測試的實現
PC與DSP的網絡通信是經常使用的場景之一，采用C/S的網絡開發架構，基于socket進行PC與DSP通信的程序設計，PC端作為server，DSP端作為client，在DSP端發送數據，PC端收到數據后不作任何處理，把接收到的數據回傳給DSP，在DSP端統計往返時間及誤碼率。程序流程圖如圖3所示。這里采集100次往返時間進行統計分析，DSP端發送接收緩沖區默認設置8192字節。這里從PC操作系統的CPU負載情況進行測試分析，CPU占用率70%時的通信速率統計結果如圖4、圖5所示。為了測試PC操作系統CPU占用率比較低的情況下的網絡通信速率，將與測試無關的進程關閉，減輕CPU的負載。PC操作系統CPU占用率為10%的通信速率統計情況如圖6、圖7所示。從圖4到圖7可以看出：在Windows系統占用率低的時候，通信時間的波動確實減小，往返時間也相應的減少了。通信往返時間受PC端影響較大，因為Windows是非實時系統，在消息處理上有其內在的機制。DSP端是實時系統，所以延遲小，響應快。另外，對數據進行校驗誤碼率為零。另外在測試中關閉了Nagle算法與關閉前進行數據對比分析，發現關閉Nagle并不能減少太多時間。對于socket還有其他設置選項如發送緩沖區大小，接收緩沖區大小以及重傳超時時間設置等，可以根據具體的應用進行相關的設置，提高網絡通信效率。
4結束語
通過NDK對TCP/IP協議棧進行初始化和配置，實現了PC與DSP的網絡通信，完成了數據網絡通信工作，測試研究表明NDK開發套件使用方便，性能優良可靠，可以最大限度地節省開發時間和成本，是嵌入式DSP網絡開發的首選。
參考文獻：
[1]張楓.基于NDK的DSP網絡接口移植開發設計[J].網絡與通信，2013(3)：45-47.
[2]梁迅.基于NDK的DSP網絡編程[J].計算技術與自動化，2005(3)：79-82.
作者：鄭佳晶 高榮榮 單位：中國電子科技集團公司第四十五研究所