TI通信開發(fā)套件NDK

2.1 NDK開發(fā)套件的高效率設計

為了加速其高檔DSP的網絡化進程，TI公司結合其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網絡工具的庫，支持TCP/IP協(xié)議棧與DSP/BIOS平臺的庫，網絡控制以及線程調度的庫（包括協(xié)議棧的初始化以及網絡相關任務的調度）（2）示范程序。其中主要包括DHCP/Telnet客戶端，HTTP/數(shù)據(jù)服務器示范等。（3）支持文檔 包括用戶手冊、程序員手冊和平臺適應手冊。

NDK采用緊湊的設計方法，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，包括應用層的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)，不對包進行復制拷貝；4、設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）設置DSP/BIOS

PRD設置主時鐘。硬件抽象層的時鐘驅動需要一個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)議棧設置保存的空間。OS庫的任務調度模塊需要調用hook來保存和調用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，錯誤的順序可以導致重復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存（SDRAM），命令是_mmBulkAllocSeg( EXTERN1 )。還要調用fdOpenSession()來初始化文件指針向量表，否則創(chuàng)建socket的時候將出現(xiàn)錯誤。

我們將發(fā)送/接收設置定義為一個任務，在創(chuàng)建任務句柄以前，我們應該用NC_SystemOpen()打開網絡功能并進行設置，在系統(tǒng)關閉前也要進行相應的處理。

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，因此要調用文件指針向量表初始化和關閉函數(shù)對文件系統(tǒng)進行相應操作。（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)一些相應的工程。可以相互對應得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提供了很多網絡工具的支持的函數(shù)，比如和DNS相關的一些函數(shù)，可以代替標準API中的getpeername, gethostname等。另外還有關于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測試平臺結構

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，在DSP/BIOS中，任務對象就是被TSK模塊管理的線程。TSK模塊根據(jù)任務的優(yōu)先級和當前的執(zhí)行狀態(tài)動態(tài)的調度。DSP/BIOS總共有15個任務優(yōu)先級可以使用，并且提供了一組函數(shù)來操縱任務對象，包括建立、刪除、設置任務對象。任何任務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，我們在網絡控制的程序中進行任務的創(chuàng)建，圖5是創(chuàng)建任務的流程圖：

圖5：傳輸任務創(chuàng)建流程圖

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

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 );

//設置發(fā)送數(shù)據(jù)率

       TaskSleep(8);    // 1Mbit/s

}

……

}

測試里面有兩個關鍵參數(shù)需要設置，一個是發(fā)送（接收）的數(shù)據(jù)率和DM642內部第二級緩存的大小。收發(fā)的數(shù)據(jù)率可以通過改變任務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置：

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

3.3 測試結果和性能分析

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/ 執(zhí)行傳輸任務時可完成的低優(yōu)先級任務

其中接收和發(fā)送數(shù)據(jù)均設為每次1000 Byte，評測結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占用率均隨著網絡傳輸速率的增加而提高，而且基本上呈線性關系。因為收發(fā)數(shù)據(jù)是對數(shù)據(jù)簡單的搬移，它的復雜度是隨著數(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片內存儲容量的減少，使得片內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能夠廣泛應用于各種多媒體通信設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。值得我們去研究和關注。