IEEE1394總線(xiàn)的高速網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 摘要: 介紹了高速網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)架構(gòu)，詳細(xì)描述了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和工作過(guò)程。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)最高400 Mb/s的高速數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，證明了這種網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)具有可行性和高可靠性。

　　引言

　　IEEE1394作為一種高性能的串行總線(xiàn)技術(shù)，具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、支持異步和等時(shí)傳輸、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接、可熱插拔、線(xiàn)纜提供電源等優(yōu)點(diǎn)[1]。多臺(tái)設(shè)備可以通過(guò)樹(shù)狀或菊*鏈狀拓?fù)溥B接到網(wǎng)絡(luò)中，并共享總線(xiàn)傳輸帶寬。雖然IEEE1394a協(xié)議相對(duì)比較復(fù)雜，但功耗較低，數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定，組網(wǎng)方便(無(wú)需路由器)[2]。IEEE1394已經(jīng)在高速通信中表現(xiàn)出了優(yōu)異的數(shù)據(jù)傳輸性能，并可確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃浴?/p>

　　1  系統(tǒng)方案

　　IEEE1394高速網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)采用樹(shù)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)軟件將主控計(jì)算機(jī)上的1394節(jié)點(diǎn)設(shè)為根節(jié)點(diǎn)，其他設(shè)備上的1394節(jié)點(diǎn)設(shè)為葉節(jié)點(diǎn)，目的是使主控計(jì)算機(jī)能對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制和監(jiān)管。組建好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1  高速網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

　　在圖1中，根節(jié)點(diǎn)與葉節(jié)點(diǎn)之間、葉節(jié)點(diǎn)與葉節(jié)點(diǎn)之間都采用IEEE1394a標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)纜連接。本網(wǎng)絡(luò)中根節(jié)點(diǎn)下有兩棵樹(shù)，它們都在同一條總線(xiàn)Bus0上。不在一棵樹(shù)上的1394節(jié)點(diǎn)也可位于同一個(gè)設(shè)備上，如Node1、Node2和Node5都在同一個(gè)設(shè)備上。

　　2  硬件設(shè)計(jì)

　　主控計(jì)算機(jī)上的1394節(jié)點(diǎn)采用PowerPC作為通信和數(shù)據(jù)處理的核心。采用PowerPC的原因是它的體系結(jié)構(gòu)是開(kāi)放的，而且PowerPC在大數(shù)據(jù)量、高速信號(hào)處理中具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)和很好的應(yīng)用潛力。由于大多數(shù)PC機(jī)上都具有PCI接口，PCI總線(xiàn)應(yīng)用廣泛，PCI接口驅(qū)動(dòng)的通用性較強(qiáng)，所以主控計(jì)算機(jī)與PowerPC可通過(guò)主控計(jì)算機(jī)上的PCI接口進(jìn)行通信，這就簡(jiǎn)化了在主控計(jì)算機(jī)上開(kāi)發(fā)PCI接口驅(qū)動(dòng)的工作。而IEEE 1394接口采用雙接口芯片設(shè)計(jì)，并配備了SDRAM作為大容量數(shù)據(jù)緩沖，用Flash來(lái)存放軟件。1394節(jié)點(diǎn)都是通過(guò)1394總線(xiàn)連接的。主控計(jì)算機(jī)上的1394節(jié)點(diǎn)（已設(shè)為根節(jié)點(diǎn)）通過(guò)1394總線(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)中其他某個(gè)設(shè)備上的1394節(jié)點(diǎn)（已設(shè)為葉節(jié)點(diǎn)）相連的整體框圖如圖2所示。左側(cè)為根節(jié)點(diǎn)架構(gòu)，右側(cè)為葉節(jié)點(diǎn)架構(gòu)。葉節(jié)點(diǎn)的架構(gòu)與根節(jié)點(diǎn)的架構(gòu)是類(lèi)似的，但由于只有根節(jié)點(diǎn)與主控計(jì)算機(jī)連接，而葉節(jié)點(diǎn)不與主控計(jì)算機(jī)相連，所以葉節(jié)點(diǎn)并不需要PCI總線(xiàn)。

圖2  主控計(jì)算機(jī)上的1394節(jié)點(diǎn)架構(gòu)

　　IEEE1394接口采用的是鏈路層芯片TSB12LV32和物理層芯片TSB41AB3。TSB41AB3是支持3個(gè)線(xiàn)纜接口的物理層芯片。TSB12LV32是一款支持IEEE1394a總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的高性能通用鏈路層芯片，最高傳輸速率為400 Mb/s[5]，本網(wǎng)絡(luò)可采100 Mb/s、200 Mb/s、400 Mb/s來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。TSB12LV32為后端提供了主機(jī)接口，系統(tǒng)中PowerPC采用主機(jī)接口完成寄存器的配置和異步流包的傳輸。TSB12LV32還為PowerPC提供了中斷輸出INT和可編程狀態(tài)STAT[0:2]，用于總線(xiàn)復(fù)位、傳輸錯(cuò)誤和內(nèi)部FIFO狀態(tài)指示。

　　對(duì)于數(shù)據(jù)的收發(fā)，采用DMA來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的搬運(yùn)而完成。通過(guò)中斷機(jī)制來(lái)把收到消息事件報(bào)告給核心處理器PowerPC，由處理器對(duì)消息進(jìn)行處理。

圖3  軟件層次圖

　　3  軟件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)軟件要實(shí)現(xiàn)的功能，可把軟件劃分為3個(gè)層次，如圖3所示。

　　3.1  1394內(nèi)核軟件

　　對(duì)1394內(nèi)核的物理層和鏈路層寄存器進(jìn)行配置，對(duì)OHCI、總線(xiàn)管理器配置等[3]，并對(duì)這些內(nèi)核函數(shù)進(jìn)行了封裝。這種隔離的好處是可使用戶(hù)不必關(guān)心底層硬件，只需調(diào)用內(nèi)核函數(shù)就可開(kāi)發(fā)出用戶(hù)軟件。通過(guò)建立結(jié)構(gòu)體來(lái)將這些函數(shù)進(jìn)行分類(lèi)、鏈接，驅(qū)動(dòng)軟件在調(diào)用內(nèi)核函數(shù)時(shí)可通過(guò)結(jié)構(gòu)體來(lái)直接找到相應(yīng)的內(nèi)核函數(shù)，從而進(jìn)行調(diào)用，這樣就把1394內(nèi)核軟件和上層驅(qū)動(dòng)鏈接了起來(lái)。

　　3.2  驅(qū)動(dòng)軟件

　　由于1394協(xié)議支持異步傳輸和等時(shí)傳輸，且為了保證傳輸?shù)目煽啃裕什捎卯惒搅靼M(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。對(duì)于發(fā)送，驅(qū)動(dòng)軟件先根據(jù)異步流包的格式，對(duì)通信軟件中的消息進(jìn)行組幀打包，然后調(diào)用內(nèi)核函數(shù)進(jìn)行發(fā)送。對(duì)于接收，是利用中斷機(jī)制來(lái)接收消息的。

　　3.3  通信軟件

　　上電后，1394總線(xiàn)上首先會(huì)出現(xiàn)持續(xù)125 μs左右的總線(xiàn)復(fù)位(bus reset)狀態(tài)，之后進(jìn)行樹(shù)標(biāo)識(shí)和自標(biāo)識(shí)工作。樹(shù)標(biāo)識(shí)進(jìn)程定義了總線(xiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。樹(shù)標(biāo)識(shí)之前，每一1394節(jié)點(diǎn)都知道自己和其他的節(jié)點(diǎn)相連，此過(guò)程過(guò)后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渚托纬闪?，設(shè)置計(jì)算機(jī)為根節(jié)點(diǎn)(root)，其他的節(jié)點(diǎn)為分支節(jié)點(diǎn)。樹(shù)標(biāo)識(shí)后是自標(biāo)識(shí)進(jìn)程，自標(biāo)識(shí)通過(guò)根節(jié)點(diǎn)發(fā)送自標(biāo)識(shí)授權(quán)信號(hào)和節(jié)點(diǎn)返回自標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)包來(lái)完成，其實(shí)現(xiàn)的功能主要有：為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配物理標(biāo)識(shí)，相鄰節(jié)點(diǎn)交換傳輸速度信息，將樹(shù)標(biāo)識(shí)進(jìn)程定義的拓?fù)湓谡麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)中廣播。

　　根據(jù)內(nèi)核函數(shù)，對(duì)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化，包括初始化PCI總線(xiàn)init_pci()、初始化1394設(shè)備init_1394dev()、樹(shù)標(biāo)識(shí)和自標(biāo)識(shí)、主控機(jī)上的1394節(jié)點(diǎn)設(shè)為根節(jié)點(diǎn)（葉節(jié)點(diǎn)不進(jìn)行此步）、初始化中斷等。

　　初始化完畢后，首先掛接中斷服務(wù)程序。然后根節(jié)點(diǎn)采用發(fā)送STOF包來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)同步，即以發(fā)送STOF包作為一幀的開(kāi)始，葉節(jié)點(diǎn)收到STOF包后立即與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)同步。對(duì)于發(fā)送過(guò)程，通信軟件把要發(fā)送的消息傳遞給驅(qū)動(dòng)軟件，進(jìn)行發(fā)送。對(duì)于接收過(guò)程，若接收到新消息，就會(huì)報(bào)中斷給處理器，并根據(jù)中斷號(hào)進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序就會(huì)置標(biāo)志位，通知通信軟件中的接收函數(shù)把接收到的消息進(jìn)行處理。

　　結(jié)語(yǔ)

　　結(jié)合高速網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的通信要求，自行設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)完成了網(wǎng)絡(luò)中主控計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)之間、根節(jié)點(diǎn)與葉節(jié)點(diǎn)之間、葉節(jié)點(diǎn)與葉節(jié)點(diǎn)之間的通信，實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)通信良好。由于此網(wǎng)絡(luò)遵循IEEE1394標(biāo)準(zhǔn)，所以可應(yīng)用于家庭數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)、車(chē)載信息系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)等[4]。隨著IEEE1394技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用也從商用向更多領(lǐng)域擴(kuò)展。