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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)點架構(gòu)，詳細(xì)描述了系統(tǒng)的整體設(shè)計方案、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和工作過程。經(jīng)實驗驗證，該網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)最高400 Mb/s的高速數(shù)據(jù)實時傳輸，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技術(shù)，具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、支持異步和等時傳輸、點對點連接、可熱插拔、線纜提供電源等優(yōu)點[1]。多臺設(shè)備可以通過樹狀或菊*鏈狀拓?fù)溥B接到網(wǎng)絡(luò)中，并共享總線傳輸帶寬。雖然IEEE1394a協(xié)議相對比較復(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)采用樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，通過軟件將主控計算機上的1394節(jié)點設(shè)為根節(jié)點，其他設(shè)備上的1394節(jié)點設(shè)為葉節(jié)點，目的是使主控計算機能對整個網(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)點與葉節(jié)點之間、葉節(jié)點與葉節(jié)點之間都采用IEEE1394a標(biāo)準(zhǔn)線纜連接。本網(wǎng)絡(luò)中根節(jié)點下有兩棵樹，它們都在同一條總線Bus0上。不在一棵樹上的1394節(jié)點也可位于同一個設(shè)備上，如Node1、Node2和Node5都在同一個設(shè)備上。
2 硬件設(shè)計
主控計算機上的1394節(jié)點采用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)是開放的，而且PowerPC在大數(shù)據(jù)量、高速信號處理中具有強大的優(yōu)勢和很好的應(yīng)用潛力。由于大多數(shù)PC機上都具有PCI接口，PCI總線應(yīng)用廣泛，PCI接口驅(qū)動的通用性較強，所以主控計算機與PowerPC可通過主控計算機上的PCI接口進(jìn)行通信，這就簡化了在主控計算機上開發(fā)PCI接口驅(qū)動的工作。而IEEE 1394接口采用雙接口芯片設(shè)計，并配備了SDRAM作為大容量數(shù)據(jù)緩沖，用Flash來存放軟件。1394節(jié)點都是通過1394總線連接的。主控計算機上的1394節(jié)點（已設(shè)為根節(jié)點）通過1394總線與網(wǎng)絡(luò)中其他某個設(shè)備上的1394節(jié)點（已設(shè)為葉節(jié)點）相連的整體框圖如圖2所示。左側(cè)為根節(jié)點架構(gòu)，右側(cè)為葉節(jié)點架構(gòu)。葉節(jié)點的架構(gòu)與根節(jié)點的架構(gòu)是類似的，但由于只有根節(jié)點與主控計算機連接，而葉節(jié)點不與主控計算機相連，所以葉節(jié)點并不需要PCI總線。
圖2 主控計算機上的1394節(jié)點架構(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個線纜接口的物理層芯片。TSB12LV32是一款支持IEEE1394a總線標(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來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。TSB12LV32為后端提供了主機接口，系統(tǒng)中PowerPC采用主機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]，用于總線復(fù)位、傳輸錯誤和內(nèi)部FIFO狀態(tài)指示。
對于數(shù)據(jù)的收發(fā)，采用DMA來進(jìn)行數(shù)據(jù)的搬運而完成。通過中斷機制來把收到消息事件報告給核心處理器PowerPC，由處理器對消息進(jìn)行處理。
圖3 軟件層次圖
3 軟件設(shè)計
根據(jù)軟件要實現(xiàn)的功能，可把軟件劃分為3個層次，如圖3所示。
3.1 1394內(nèi)核軟件
對1394內(nèi)核的物理層和鏈路層寄存器進(jìn)行配置，對OHCI、總線管理器配置等[3]，并對這些內(nèi)核函數(shù)進(jìn)行了封裝。這種隔離的好處是可使用戶不必關(guān)心底層硬件，只需調(diào)用內(nèi)核函數(shù)就可開發(fā)出用戶軟件。通過建立結(jié)構(gòu)體來將這些函數(shù)進(jìn)行分類、鏈接，驅(qū)動軟件在調(diào)用內(nèi)核函數(shù)時可通過結(jié)構(gòu)體來直接找到相應(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)動鏈接了起來。
3.2 驅(qū)動軟件
由于1394協(xié)議支持異步傳輸和等時傳輸，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。對于發(fā)送，驅(qū)動軟件先根據(jù)異步流包的格式，對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。對于接收，是利用中斷機制來接收消息的。
3.3 通信軟件
上電后，1394總線上首先會出現(xiàn)持續(xù)125 μs左右的總線復(fù)位(bus reset)狀態(tài)，之后進(jìn)行樹標(biāo)識和自標(biāo)識工作。樹標(biāo)識進(jìn)程定義了總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。樹標(biāo)識之前，每一1394節(jié)點都知道自己和其他的節(jié)點相連，此過程過后，整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渚托纬闪耍O(shè)置計算機為根節(jié)點(root)，其他的節(jié)點為分支節(jié)點。樹標(biāo)識后是自標(biāo)識進(jìn)程，自標(biāo)識通過根節(jié)點發(fā)送自標(biāo)識授權(quán)信號和節(jié)點返回自標(biāo)識數(shù)據(jù)包來完成，其實現(xiàn)的功能主要有：為每個節(jié)點分配物理標(biāo)識，相鄰節(jié)點交換傳輸速度信息，將樹標(biāo)識進(jìn)程定義的拓?fù)湓谡麄�網(wǎng)絡(luò)中廣播。
根據(jù)內(nèi)核函數(shù)，對整個通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化，包括初始化PCI總線init_pci()、初始化1394設(shè)備init_1394dev()、樹標(biāo)識和自標(biāo)識、主控機上的1394節(jié)點設(shè)為根節(jié)點（葉節(jié)點不進(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)點采用發(fā)送STOF包來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)同步，即以發(fā)送STOF包作為一幀的開始，葉節(jié)點收到STOF包后立即與整個網(wǎng)絡(luò)同步。對于發(fā)送過程，通信軟件把要發(fā)送的消息傳遞給驅(qū)動軟件，進(jìn)行發(fā)送。對于接收過程，若接收到新消息，就會報中斷給處理器，并根據(jù)中斷號進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序就會置標(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
結(jié)合高速網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的通信要求，自行設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)完成了網(wǎng)絡(luò)中主控計算機與網(wǎng)絡(luò)之間、根節(jié)點與葉節(jié)點之間、葉節(jié)點與葉節(jié)點之間的通信，實驗表明，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)、車載信息系統(tǒng)、工業(yè)自動化系統(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)域擴展。
