DSP的嵌入式系统中千兆数据传输的关键技术分析

摘 要：随着社会的发展，科技水平的进步，我们迎来了信息时代，在日常生活工作中随处可见信息化的影子，这势必会在一定程度上影响嵌入式网络技术的发展，该项技术是时展的必然趋势，能够广泛的运用在图像采集和传输的领域当中。而随着技术的逐步提升，无论是在工作中还是在生活中，人们在使用嵌入式系统对处理图像数据传输流的过程中对宽带的需求越来越高，文章将围绕DSP中嵌入式系统中的千兆数据关键传输技术方面进行研究分析。

关键词：DSP；嵌入式系统；千兆数据传输；关键技术

中图分类号：TN919.3 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）23-0026-02

1 研究背景分析

伴随着时展步伐的加快，信息技术革命的快速增长，人们已经广泛的接受和运用了图像处理技术，因而，数字化、高效、实时的图形处理技术成为专家进一步研究的重要课题。

从研究的成果方面来看，原有的8位和16位的处理器已经替换成了现在的32位和64位高速运算、大存储量的处理器，显著的提高了处理速度，同时为后续出现的嵌入式系统做好了铺垫。

1.1 嵌入式系统的概念

嵌入式系统的出现，标志着新技术的发展方向，较低的功耗、应用的多面性、较小的体积、较高的可靠性以及较强的性能等都是其较为突出的特点，无论是在网络通讯、国防军事方面，还是在工业控制、消费电子方面其都有广泛的应用。

嵌入式系统作为专用的综合性系统，其有效地将微处理器、应用软件以及操作系统汇集为一个整体，其中，嵌入式微处理器是核心元件。

1.2 DSP技术

在几十年的历史发展长河中，简单化的智能控制功能通过对单片机的广泛运用而得到实现。

随着不断发展和提升的技术水平，数据处理任务量的增加，数据精度和实时性要求的提高，在信号处理理论化、信号处理方式方法、计算机的技术水平等方面都得到显著提高的同时，低档次的单片机功能已经无法适应新时展的要求，这势必为DSP芯片的出现做好了铺垫。

DSP作为专用处理器被广泛应用在信号处理方面，人们称其为信息化社会或数字世界的引擎，无论是在指令算法还是在系统结构方面其都有独一无二的设计，因而在执行速度和编译效率方面均具有高效性。

并且，DSP正大规模地应用于嵌入式市场中，如：谱分析、数字滤波、图像的处理和分析以及FFT等领域。

由于大量信息数据的不断产生，百兆以内的通信速度已经无法适应图像数据的传输要求了，因而提出了更高要求的千兆数据传输技术。

2 关于嵌入式系统接入以太网技术的现状

2.1 不断提高的设计要求

人们早已提出了将以太网和嵌入式系统两者相结合的观点，但由于受到以太网确定性和速度性两方面的限制，这一观点难以实现，无法满足现代化工业通信网络发展的需求。并且各种网络通信的协议对嵌入式的系统运算速度和存储容量等都具有较高的要求。在实际的应用中，只有三十二位以上的处理器才能够满足这一要求，其他的处理器是难以满足的。

2.2 嵌入式以太网成熟的标志

随着DSP这一数字信号处理器的面世，实现了各种数字信号的实时处理算法，营造了新的数字信号应用、处理和研究的格局，提供了实际的工作环境，降低了工作成本。

如：TI公司的TMS320C6000这一系列的DSP芯片，其不但提供的系统存储容量充足，还具有高速、精确的运算能力，这标志着嵌入式以太网研究的条件已经趋于成熟。

2.3 系统设计的瓶颈

实际运用中，在嵌入式系统中植入以太网技术并不是一件容易的事情，在植入的过程中面临着多种问题的发生，如：人们在各个领域中广泛的利用高效的嵌入式处理器，显而易见越高的处理器性能，自然会非线性的增加功耗，这也使得在某些系统的设计过程中出现功耗问题，从而影响设计效果。

同时，技术的发展，几百上千兆的处理器主频状态已经不再是问题。随着逐渐加快的运算速度，若干个高速度处理器之间数据的传输以及高速数据流的输入输出对带宽的占用等都影响了系统设计。并且，多元化的系统设计必然会使得应用程序增大，这也是设计工作的难点之一。

3 设计的关键技术

3.1 系统整体结构设计的关键

为了实现高速通信的目标，减少DSP芯片的运行负担，提高其运算效率，就需要使用到高速的DSP+千兆以太网的控制器结构，在千兆以太网控制器中对网络层、物理层、传输层以及链路层进行分配。

TMS320C6455（下面简称C6455）是TI公司目前单片处理能力最强的高性能定点DSP，最高主频可达1.2 GHz，定点处理能力为9 600 MMAC/s。

C6455在具有高速计算能力的同时，还在片上集成的千兆以太网控制器，无须外加专用的以太网控制芯片，就可与其他以太网设备进行通信，从而有效提高了DSP与其他系统的高速数据传输能力。

C6455片上EMAC模块和VSC8201芯片均支持RGMII，GMII，MII，RTBI和TBI接口模式，因此两芯片之间可以方便的接口，这里采用了标准GMII模式。

系统整体结构的几个关键设计，有以下几方面：

3.1.1 系统时钟的选取

千兆以太网需要高精度的系统时钟才能可靠的传输数据，设计时必须采用高精度的晶振或晶体（精度在4位以上）；VSC8201允许引入25 MHz和125 MHz的时钟，从精度、布局布线和电磁兼容性几个方面综合考虑的问题，应采用25 MHz时钟。

3.1.2 硬件的布局布线

千兆以太网外部差分数据线上时钟高达125 MHz，在高时钟频率下，VSC8201与RJ45之间的信号线必须等长差分布线，才能保证数据传输的可靠性。同时，EMAC接口与VSC8201之间的数据线如TXD（7-0）和RXD（7-0）也必须尽可能的短，并且等长布线。

3.1.3 系统硬件复杂度

千兆以太网是一个高速接口，复杂的硬件设计会带来更多的不可靠性，因此应尽量降低系统的复杂度。一个有效的方法是，采用带变压器的RJ45网络插座，不仅能够降低系统的体积，还能有效提高系统的可靠性。

3.2 DSP硬件设计的关键

正如我们所知，千兆以太网的吞吐速率极高，为了符合这一特性，在与以太网控制器进行通信的过程中需要使用到高速的DSP数据总线。而存在于DSP芯片中的PCI总线正好拥有这一高效通信速率的特点。

在6000的系列中TMS320C64X是DSP的中心款，其是作为最高性能定点的DSP芯片存在，而在TI公司研发的第二代DM642，其在数字化的多媒体领域中被广泛运用，作为32位定点的处理器，能够达到600 HZ的主频状态，最大处理的能力在 4 800 MIPS以上。

需要注意的是，PCI在使用DM642为接口时，需要与相关的PCI2.2的协议规范相符合，能够满足PC99的各种要求，无论是PCI的主接口还是从接口都必须满足，选择32位数据总线或地址，具备单功能设备的特性，拥有中间地址译码，所有片上的RAM都能够通过PCI或EMIF的作用进行访问，设有独立的外部存储器；对于存储器的读块、读、写命令、读乘、CFG读、I/O等都能够发挥支持作用；从访问的突发长度没有限制；主设备的传输能够达到64 KB之多；满足单字传输I/O读写的能力等。

在6000系列的DSP中需要使用到两种电源，一种为器件的接口供电，一种为CPU的核心供电。根据C6000DSP型号的不同，其所使用到的核心电压也会有所差异。

因而，在上电的过程当中首先需要上电的是CPU的核心电源，也能够采取外设电源（I/O）与其同时上电的这样一种形式。当需要将电源关闭时，首先需要将DVdd关断，再将CVdd关断。

针对所采用的C6000DSP这一系统，应当确保每一个核心供电的电源都能够提供给DSP芯片2 A以上的电流，直至I/O电源上电为止。

4 结 语

千兆以太网在嵌入式图像处理系统中的广泛运用是时展的需求，是技术进步的必然趋势，笔者主要根据以往嵌入式以太网占用了较多DSP的问题进行研究分析，将新型的嵌入式的处理器形式构建了出来，提出了专用千兆以太网控制器通信技术的观点，并对这门技术进行了详细阐述，为该行业未来的研究及发展方向做出一点贡献。

参考文献：

[1] 赵贵海.基于DSP的嵌入式系统中千兆数据传输的关键技术研究[D].

天津：天津理工大学，2008.

[2] 杨永.基于高速DSP的千兆以太网嵌入式系统研究[D].天津：天津大学，

2007.

[3] 王为.基于FPGA-DSP的浮选图像系统多通道采集装置研制[D].长沙：

中南大学，2014.

[4] 冯欣欣.基于DSP阵列及千兆网接口的彩超信号处理系统设计与实现 [D].西安：西安电子科技大学，2011.

[5] 卿思奇.基于DSP的嵌入式眼动跟踪系统设计与实现[D].武汉：华中科 技大学，2011.

[6] 宋敏.基于DSP和嵌入式平台的在线电能质量监测系统设计[D].上海：

上海交通大学，2012.