基于FPGA的IEEE-1394b雙向數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  隨著IEEE Std 1394-1995技術(shù)的高速發(fā)展，IEEE 1394已經(jīng)成為眾多電子設(shè)備基本的外部接口。然而，要進(jìn)一步擴(kuò)展它的適用領(lǐng)域，就必須克服其接口被限制工作在較短距離以及不適用于較高數(shù)據(jù)傳輸率的缺陷。IEEE Std 1394b-2002作為其修訂版本支持800 Mb·s-1傳輸速率，且中繼距離長(zhǎng)達(dá)100m。它將原來(lái)的DS（Data-Strobe）編碼方式改進(jìn)為8B／10B編碼方式，這對(duì)于1394性能的改進(jìn)起著決定性作用。同時(shí)，1394b是向下兼容的，也就是說(shuō)同一個(gè)電路既可以選擇使用DS編碼也可以選擇使用8B／10B編碼。

　　現(xiàn)在符合1394b標(biāo)準(zhǔn)的鏈路層和物理層控制芯片都遵循1394 OHCI（開(kāi)放式主機(jī)控制接口協(xié)議），它的主要功能是實(shí)現(xiàn)總線的鏈路層協(xié)議。本系統(tǒng)通過(guò)NIOSII處理器，根據(jù)1394 OHCI，對(duì)FPGA以及1394套片進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了雙向數(shù)據(jù)傳輸。其主要功能是將外部視頻數(shù)據(jù)打包，按照1394b協(xié)議，傳輸?shù)街鳈C(jī)端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的相互通信。

　　1 1394 OHCI的特點(diǎn)

　　支持事務(wù)層和總線管理層，而且?guī)в幸粋€(gè)PCI主機(jī)總線接口，以及高速率數(shù)據(jù)傳輸所需要的DMA引擎。支持兩種數(shù)據(jù)傳輸：異步傳輸和等時(shí)傳輸。

　　異步傳輸：1394 OHCI可以發(fā)送和接收所有1394所定義的數(shù)據(jù)包格式。無(wú)論是從主機(jī)存儲(chǔ)器中讀出發(fā)送數(shù)據(jù)包，還是將接收到的數(shù)據(jù)包寫(xiě)入主機(jī)存儲(chǔ)器，都是通過(guò)DMA來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在向主機(jī)總線存儲(chǔ)空間讀和寫(xiě)時(shí)，1394 OHCI也可以通過(guò)直接執(zhí)行1394讀和寫(xiě)請(qǐng)求而作為主機(jī)總線和1394之間的總線橋。

　　等時(shí)傳輸：1394 OHCI可以執(zhí)行循環(huán)控制器的功能。也就是說(shuō)它包含了一個(gè)循環(huán)計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器，可以在8 kHz時(shí)鐘的每個(gè)上升沿后安排一個(gè)循環(huán)開(kāi)始包的傳輸。1394 OHCI可以產(chǎn)生內(nèi)部時(shí)鐘。當(dāng)它不是循環(huán)控制器時(shí)，1394 OHCI根據(jù)循環(huán)開(kāi)始包，通過(guò)更正其循環(huán)計(jì)時(shí)器來(lái)保持它的內(nèi)部時(shí)鐘與主節(jié)點(diǎn)的周期同步。1394 OHCI為等時(shí)發(fā)送和等時(shí)接收各提供了一個(gè)DMA控制器。每個(gè)DMA控制器支持高達(dá)32個(gè)不同的DMA上下文（context）。等時(shí)發(fā)送DMA控制器可以在每個(gè)周期，從每個(gè)上下文發(fā)送數(shù)據(jù)。而每個(gè)上下文只能從唯一的等時(shí)信道發(fā)送數(shù)據(jù)。等時(shí)接收DMA控制器可以在每個(gè)周期，從每個(gè)上下文接收數(shù)據(jù)。但是每個(gè)上下文既可以從唯一的等時(shí)信道接收數(shù)據(jù)，也可以從多個(gè)等時(shí)信道接收數(shù)據(jù)。

　　2 硬件結(jié)構(gòu)

　　以FPGA內(nèi)嵌的NIOSII處理器為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主要由NIOSII系統(tǒng)模塊、SPI口的數(shù)據(jù)輸入輸出模塊、1394套片模塊、SRAM模塊、串口（UART）通信模塊、電源管理模塊、EPCS模塊和Flash模塊組成。其中，F(xiàn)PGA芯片為主控芯片，選擇Ahera公司Cyclone II系列的EP2C70F672C8N；Flash芯片用于存儲(chǔ)NIOSII嵌入式處理器的代碼和數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA上電后從中讀??；SRAM芯片一個(gè)用于對(duì)外部大量視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，另一個(gè)作為C代碼的運(yùn)行空間。串口主要用以產(chǎn)生異步數(shù)據(jù)，外部視頻數(shù)據(jù)則主要通過(guò)SPI口進(jìn)行等時(shí)傳輸。

圖1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　3 軟件工作流程

　　在NIOSII IDE集成環(huán)境下，根據(jù)1394 OHCI協(xié)議，使NIOSII處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)總線的初始化，以及管理，并通過(guò)DMA方式實(shí)現(xiàn)等時(shí)和異步數(shù)據(jù)傳輸。其中等時(shí)數(shù)據(jù)傳輸僅考慮將外部視頻數(shù)據(jù)打包發(fā)送到主機(jī)，而異步數(shù)據(jù)傳輸分為主機(jī)發(fā)起的異步傳輸和1394設(shè)備發(fā)起的異步傳輸。

　　3.1 系統(tǒng)的自舉

　　主要為系統(tǒng)初始化、檢測(cè)電纜以及根節(jié)點(diǎn)的確定。系統(tǒng)初始化主要是配置鏈路層芯片寄存器，使其工作在需要的狀態(tài)下。分為對(duì)PCI寄存器的初始化和對(duì)OHCI寄存器的初始化。對(duì)PCI寄存器的初始化包括對(duì)TSB82AA2設(shè)備ID和PCI廠商ID的驗(yàn)證，OHCI基地址寄存器的設(shè)置以及對(duì)指令狀態(tài)寄存器的配置。而對(duì)OHCI寄存器的初始化則包括對(duì)各個(gè)中斷寄存器和DMA上下文的設(shè)置，以及控制寄存器的配置。檢測(cè)電纜是否插入是通過(guò)讀取物理層芯片某寄存器的相應(yīng)位來(lái)判斷的。電纜插入后，通過(guò)檢查和配置Node ID寄存器，強(qiáng)制設(shè)置本節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)，主機(jī)為根節(jié)點(diǎn)，直到成功為止。

　　3.2 數(shù)據(jù)的傳輸

　　在1394 OHCI中，不管是等時(shí)傳輸，還是異步傳輸，都是通過(guò)DMA方式實(shí)現(xiàn)的，而且每個(gè)DMA都有一個(gè)FIFO，用于暫時(shí)存放數(shù)據(jù)。其中各FIFO的存儲(chǔ)容量為：異步發(fā)送（AT）FIFO為5 kB，異步接收（AR）F7FO為2 kB，等時(shí)發(fā)送（IT）fIFO為2 kB，等時(shí)接收（IR）FIFO為2 kB。無(wú)論是物理層接收到的還是要發(fā)送出去的數(shù)據(jù)包，都被暫時(shí)存放在相應(yīng)的FIFO中，由1394套片的內(nèi)部邏輯控制將其傳送到1394總線上。

　?。?）主機(jī)發(fā)起的異步傳輸。

　　主機(jī)發(fā)起的異步傳輸即由主機(jī)發(fā)出異步傳輸請(qǐng)求，1394設(shè)備進(jìn)行響應(yīng)，因此在這一部分，主要是異步請(qǐng)求包的接收以及異步響應(yīng)包的發(fā)送。其工作流程如圖2所示。1394設(shè)備接收到主機(jī)發(fā)來(lái)的異步請(qǐng)求包后，就會(huì)產(chǎn)生異步接收請(qǐng)求中斷，這可由鏈路層芯片中斷寄存器的RQPkt位表征。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包傳送完畢后，數(shù)據(jù)包的最后一個(gè)指令描述符的xferStatus字段將被重置，這時(shí)數(shù)據(jù)包已被成功傳送到AT響應(yīng)FIFO中。

圖2 主機(jī)發(fā)起的異步傳輸工作流程

　?。?）1394設(shè)備發(fā)起的異步傳輸。

　　同樣，由1394設(shè)備發(fā)起的異步傳輸即由1394設(shè)備發(fā)出異步傳輸請(qǐng)求，主機(jī)進(jìn)行響應(yīng)。因此，這一部分主要是異步請(qǐng)求包的發(fā)送以及異步響應(yīng)包的接收，其工作流程如圖3所示。這時(shí)會(huì)產(chǎn)生異步請(qǐng)求輸出DMA中斷，這可由鏈路層芯片中斷寄存器的reqTxComplete位表征。1394設(shè)備接收到主機(jī)發(fā)來(lái)的異步響應(yīng)包后，會(huì)產(chǎn)生異步接收響應(yīng)中斷，這可通過(guò)鏈路層芯片中斷寄存器得知。另外，發(fā)送出去的請(qǐng)求包也將被暫時(shí)存放在內(nèi)存中，以便與返回的響應(yīng)包對(duì)應(yīng)。

圖3 1394設(shè)備發(fā)起的異步傳輸?shù)墓ぷ髁鞒?/p>

　?。?）等時(shí)傳輸。

　　等時(shí)傳輸主要實(shí)現(xiàn)的功能是通過(guò)1394設(shè)備將外部的視頻數(shù)據(jù)等時(shí)傳輸?shù)街鳈C(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。外部視頻數(shù)據(jù)與FPGA的SPI接口相連，F(xiàn)PGA把接收到的數(shù)據(jù)緩存在SRAM中，等時(shí)傳輸時(shí)，F(xiàn)PGA讀取SRAM中的數(shù)據(jù)，生成等時(shí)數(shù)據(jù)包。這一部分的主要工作就是等時(shí)數(shù)據(jù)包的發(fā)送，其工作流程如圖4所示。

圖4 等時(shí)傳輸?shù)墓ぷ髁鞒?/p>

　　4 測(cè)試結(jié)果分析

　　為了測(cè)試系統(tǒng)性能，進(jìn)行了最快傳輸速度測(cè)試。設(shè)置總線傳輸速度為800Mb·s-1，根據(jù)1394總線協(xié)議的規(guī)定，每個(gè)數(shù)據(jù)包最大為4 096 bit。理論上一個(gè)傳輸周期125μs傳送一個(gè)數(shù)據(jù)包，因此每秒最多傳輸數(shù)據(jù)31.25 Mb，轉(zhuǎn)換為比特率，最大傳輸速度為250 Mb·s-1。實(shí)測(cè)的最快傳輸速度可達(dá)227 Mb·s-1，相對(duì)于1394a理論上的最大速度125 Mb·s-1提高了較多，因此該系統(tǒng)在傳輸速度上具有較大優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，主機(jī)端實(shí)時(shí)顯示的視頻實(shí)時(shí)性和可靠性也較好。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　本系統(tǒng)，采用800 Mb·s-1的總線傳輸速率，利用FPGA內(nèi)嵌的NIOSII處理器作為控制核心，實(shí)現(xiàn)了雙向傳輸，用異步傳輸方式傳輸主機(jī)端指令和攝像頭方位及狀態(tài)信息，用等時(shí)傳輸方式將攝像頭數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。實(shí)驗(yàn)表明，相對(duì)于1394a，該方案具有高速通信、可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)，運(yùn)行良好。本系統(tǒng)研究的是1394設(shè)備與主機(jī)間的通信，在此基礎(chǔ)上還可以研究在脫離計(jì)算機(jī)的環(huán)境下，兩個(gè)1394設(shè)備間的通信傳輸以及多個(gè)設(shè)備的組網(wǎng)傳輸。