TI通信開發(fā)套件NDK

2.1 NDK開發(fā)套件的高效率設(shè)計(jì)

為了加速其高檔DSP的網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)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(tái)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(cè)、程序員手冊(cè)和平臺(tái)適應(yīng)手冊(cè)。

NDK采用緊湊的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了用較少的資源耗費(fèi)來支持TCP/IP。從實(shí)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(dòng)程序與協(xié)議棧之間通過指針傳遞數(shù)據(jù)，不對(duì)包進(jìn)行復(fù)制拷貝；4、設(shè)置專門的線程清除存儲(chǔ)器中的碎片和檢查存儲(chǔ)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(shí)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP/BIOS和主機(jī)與目標(biāo)板之間的實(shí)時(shí)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(diǎn)上做特別處理：

（1）設(shè)置DSP/BIOS

PRD設(shè)置主時(shí)鐘。硬件抽象層的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)需要一個(gè)100ms啟動(dòng)一次的PRD函數(shù)作為主時(shí)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(gè)hook函數(shù)是NDK_hookInit() 和 NDK_hookCreate()。

（2）包含文件和庫文件

請(qǐng)注意編譯時(shí)需要包含庫文件和文件路徑，一般默認(rèn)為c:\ti\c6000\ndk\inc

（3）CCS工程編譯時(shí)的鏈接順序

CCS一般按照特定的順序來鏈接目標(biāo)函數(shù)和庫文件，NDK是對(duì)這個(gè)鏈接順序很敏感的，錯(cuò)誤的順序可以導(dǎo)致重復(fù)定義符號(hào)甚至不正確執(zhí)行等錯(cuò)誤。為避免這個(gè)情況，可以在CCS里選擇Link Order"-> "build options對(duì)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?yàn)椋篘ETCTRL.LIB，HAL_xxx.LIB，NETTOOL.LIB，STACK.LIB和OS.LIB。

在初始化啟動(dòng)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(shí)候?qū)⒊霈F(xiàn)錯(cuò)誤。

我們將發(fā)送/接收設(shè)置定義為一個(gè)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(jìn)行設(shè)置，在系統(tǒng)關(guān)閉前也要進(jìn)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(duì)socket API 通過一個(gè)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(duì)文件系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)操作。（2）NDK中并沒有提供windows API中強(qiáng)大的select函數(shù)，但是可以用fdselect實(shí)現(xiàn)一些相應(yīng)的工程。可以相互對(duì)應(yīng)得API函數(shù)還有NDK中的fdclose 和標(biāo)準(zhǔn)的close, NDK中的fderror和標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(tái)結(jié)構(gòu)

我們研究了在NDK下CPU對(duì)UDP數(shù)據(jù)包發(fā)送接收的效率，這個(gè)測試分成兩部分：一部分是測試從DM642向PC機(jī)發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包時(shí)，在不同的傳輸速率和不同的L2 cache大小時(shí)的CPU占用率，另一部分是測試DM642接收從PC機(jī)發(fā)送來數(shù)據(jù)包時(shí)，在不同的傳輸速率和不同的L2 cache大小時(shí)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(tái)的配置和實(shí)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?yàn)橐粋�(gè)任務(wù)，在DSP/BIOS中，任務(wù)對(duì)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(jí)和當(dāng)前的執(zhí)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)的調(diào)度。DSP/BIOS總共有15個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)可以使用，并且提供了一組函數(shù)來操縱任務(wù)對(duì)象，包括建立、刪除、設(shè)置任務(wù)對(duì)象。任何任務(wù)對(duì)象都處于下面幾種狀態(tài)之一：運(yùn)行態(tài)，就緒態(tài)，阻塞態(tài)，終止態(tài)。

在這個(gè)工程中，我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)控制的程序中進(jìn)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(gè)task的方法來增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩�但是注意這兩個(gè)task應(yīng)該用不同的端口進(jìn)行傳送。任務(wù)調(diào)度的應(yīng)用程序?yàn)椋?/p>

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?yán)锩嬗袃蓚�(gè)關(guān)鍵參數(shù)需要設(shè)置，一個(gè)是發(fā)送（接收）的數(shù)據(jù)率和DM642內(nèi)部第二級(jí)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(shí)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?cè)O(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?cè)贒M642評(píng)估版上，采用標(biāo)準(zhǔn)的recvfrom函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，以無連接的UDP協(xié)議與windows PC進(jìn)行相互傳輸。對(duì)不同傳輸速率和不同大小的二級(jí)緩存下CPU的占用率進(jìn)行了比較。

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

其中接收和發(fā)送數(shù)據(jù)均設(shè)為每次1000 Byte，評(píng)測結(jié)果在下面四個(gè)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(shí)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?yàn)槭瞻l(fā)數(shù)據(jù)是對(duì)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(jí)緩存的大小對(duì)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(gè)得益于DM642兩級(jí)緩存的工作原理和強(qiáng)大的DMA功能。

L2 cache增大帶來的另一個(gè)影響是CPU片內(nèi)存儲(chǔ)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(huì)減緩程序的運(yùn)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(shí)尤為明顯，這就需要程序員根據(jù)實(shí)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(jìn)行高速多媒體通信的可行性，本文討論了TI DM642上NDK設(shè)計(jì)的原理，并進(jìn)行了與PC機(jī)實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)了高效率的TCP/IP傳輸協(xié)議，即使高達(dá)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(qiáng)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。