基于FPGA和DSP的1394b雙向數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

摘要：IEEE 1394串行總線以其高速實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)和靈活可配置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為提高系統(tǒng)性能提供了一種有效的途徑。文中介紹了IEEE Std 1394b總線系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)，并以FPGA和DSP為控制核心設(shè)計(jì)了1394b雙向數(shù)據(jù)總線傳輸系統(tǒng)，最后闡述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、工作流程以及總線的配置過(guò)程。
關(guān)鍵字：1394b；FPGA；DSP；PCI9054；串行總線

0 引言
    隨著時(shí)代和技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于數(shù)據(jù)總線帶寬的要求越來(lái)越高，現(xiàn)有的總線標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越難以滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)高總線速率的要求。先進(jìn)的總線技術(shù)對(duì)于解決系統(tǒng)的瓶頸，提高系統(tǒng)性能起著至關(guān)重要的作用，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)批量數(shù)據(jù)的傳輸，IEEE又公布了支持更高傳輸速率的IEEE Std 1394b-2002(簡(jiǎn)稱1394b)串行總線標(biāo)準(zhǔn)，高速可升級(jí)性可支持高達(dá)800 Mb／s下的數(shù)據(jù)傳輸速率，并且能夠向后兼容先前的1394-1995和1394a標(biāo)準(zhǔn)。由于1394b是一種數(shù)據(jù)傳輸速率更高的串行總線標(biāo)準(zhǔn)，支持異步傳輸和等時(shí)傳輸兩種傳輸方式。分層的軟件和硬件模型可使其通信建立在事務(wù)層、鏈路層和物理層協(xié)議的基礎(chǔ)之上。本文充分利用FPGA和DSP芯片的硬件資源，基丁1394b傳輸協(xié)議和規(guī)范的基礎(chǔ)上，介紹139 4b數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的工作流程和總線的配置過(guò)程。

1 1394b的特點(diǎn)
    1394b雙向數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：
    (1)高速可升級(jí)：支持100 Mb／s、200 Mb／s、400 Mb／s和800 Mb／s的傳輸速率，使用塑料光纖時(shí)可以提高到3．2 Gb／s；
    (2)支持點(diǎn)到點(diǎn)傳輸：各個(gè)節(jié)點(diǎn)可脫離主機(jī)自主執(zhí)行事務(wù)；
    (3)即插即用：可以在任何時(shí)候向1394b網(wǎng)絡(luò)添加或移除設(shè)備，既不用擔(dān)心會(huì)影響數(shù)據(jù)的傳輸，也不需要進(jìn)行重新配置，總線會(huì)重新枚舉，節(jié)點(diǎn)也可以自動(dòng)配置，無(wú)需主機(jī)干預(yù)；
    (4)熱插拔：無(wú)需將系統(tǒng)斷電就可以加入或移除設(shè)備；
    (5)傳輸距離：采用CAT-5UTP5線(5類非屏蔽雙絞線)時(shí)，可以保證傳輸速率在100 Mb／s的前提下將傳輸距離延長(zhǎng)至100 m，使用玻璃光纖時(shí)可在3．2Gb／s的前提下延長(zhǎng)至50 m；
    (6)支持兩種傳輸方式：包括等時(shí)(Isochronous)和異步(Asynchronous)數(shù)據(jù)傳輸方式；
    (7)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：設(shè)備間采用樹(shù)形或菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每條總線最多可以連接63臺(tái)設(shè)備；
    (8)可提供電源：一些低功耗設(shè)備可以通過(guò)總線取得電源，而不必為每一臺(tái)設(shè)備配置獨(dú)立的供電系統(tǒng)；
    (9)公平仲裁：等時(shí)傳輸具有較高的優(yōu)先級(jí)，同時(shí)異步傳輸也能獲得對(duì)總線的公平訪問(wèn)；
    (10)提高系統(tǒng)性能：將資源看作寄存器和內(nèi)存單元，可以按照CPU內(nèi)存的傳輸速率進(jìn)行讀／寫操作，因此具有高速傳輸能力。

2 1394b數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)
    由于1394b鏈路層芯片必須通過(guò)PCI總線接口與FPGA進(jìn)行相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。如果只用FPGA和DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)PCI外設(shè)的控制，需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的接口邏輯，在1394b高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中不僅會(huì)影響FPGA本身的性能，而且會(huì)給FPGA之外的電路或者系統(tǒng)帶來(lái)諸多問(wèn)題。因此這里采用PCI9054總線接口芯片配合FPGA和DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)1394b雙向數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，將對(duì)復(fù)雜的PCI總線接口的控制轉(zhuǎn)換為對(duì)相對(duì)簡(jiǎn)單的本地總線接口的控制，不僅對(duì)PCI協(xié)議有著良好的支持，而且提供給設(shè)計(jì)者良好的接口，大大減少了設(shè)計(jì)者的工作量。PCI9054芯片在PCI總線端支持32位／33 MHz，當(dāng)本地總線端采用32位數(shù)據(jù)總線時(shí)，其數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)132 MB／s，故能夠滿足1394b總線上800 Mb／s的數(shù)據(jù)傳輸速率要求。
    本設(shè)計(jì)中的主控芯片采用Altera公司的EP2C70F672C6型FPGA主流芯片，DSP選用TI公司的TMS320C6415 DSP芯片，1394b套片選用TI公司的鏈路層芯片TSB82AA2和物理層芯片TSB81BA3，PCI9054采用PLX公司的32位33MHz的PCI總線通用接口芯片。1394b雙向數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)模塊、DSP模塊、AD／DA數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口模塊、SPI數(shù)據(jù)輸入／輸出接口模塊、串口(UART)通信模塊、SRAM存儲(chǔ)模塊、EPCS串行配置器件模塊、FLASH存儲(chǔ)模塊、PCI9054模塊以及1394b套片模塊組成。

    由于PCI9054內(nèi)部可編程FIFO存儲(chǔ)器的存在，數(shù)據(jù)可以大批量突發(fā)傳輸而不丟失，這樣不儀滿足實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)可以根據(jù)用戶的需要采用與PCI時(shí)鐘異步的本地端時(shí)鐘，PCI9054本地總線工作在C模式時(shí)，通過(guò)芯片內(nèi)邏輯控制，將PCI的數(shù)據(jù)線和地址線分開(kāi)，很方便地為本地端總線工作時(shí)序提供各種方式。圖2所示為PCI9054在C模式下與FPGA相連的本地總線數(shù)據(jù)突發(fā)DMA傳輸方式的時(shí)序圖，其中，LCCLK為輸入時(shí)鐘信號(hào)，從圖2中可以看出，在本地端總線上讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，可以不間斷地進(jìn)行突發(fā)傳輸，當(dāng)數(shù)據(jù)不能連續(xù)傳輸時(shí)，則可以插入等待狀態(tài)，這樣可以大大提高數(shù)據(jù)的吞吐量。

3 1394b數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向
    由于1394b總線標(biāo)準(zhǔn)支持等時(shí)子事務(wù)和異步子事務(wù)兩類子事務(wù)，因此，其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型分為等時(shí)數(shù)據(jù)和異步數(shù)據(jù)，等時(shí)傳輸將數(shù)量不定的數(shù)據(jù)按照規(guī)定的時(shí)間間隔向某個(gè)地址發(fā)送，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，不需要返回確認(rèn)信號(hào)；而異步傳輸是將數(shù)據(jù)傳送到特定的地址，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性要求較高，需要接收端以多次握手的方式發(fā)送返回確認(rèn)信號(hào)。在本系統(tǒng)中由DVD播放器發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)圖像壓縮板壓縮后由SPI口傳入FPGA，或者由攝像頭發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換，再由FPGA的通用I／O口送入FPGA，兩者均為等時(shí)數(shù)據(jù)；而一些控制命令等異步數(shù)據(jù)則由串口送入FPGA，并經(jīng)過(guò)DSP進(jìn)行處理，DSP和FPGA相結(jié)合可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)的拼接并對(duì)數(shù)據(jù)打包成符合1394b協(xié)議的數(shù)據(jù)包類型以及配置數(shù)據(jù)包的包頭信息，經(jīng)過(guò)讀／寫FIFO并在外部的SRAM進(jìn)行緩存，通過(guò)DMA仲裁模塊進(jìn)行仲裁處理，用DMA這一快速數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制將數(shù)據(jù)寫入PCI9054的FIFO中。PCI9054作為一種橋接芯片，在本地總線和PCI總線之間提供信息傳遞，通過(guò)PCI9054芯片將本地端數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換成能被1394b鏈路層芯片傳輸?shù)腜CI總線數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，再通過(guò)1394b的鏈路層芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)等時(shí)和異步數(shù)據(jù)包的地址和信道號(hào)的解碼、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析等，最后由物理層芯片通過(guò)仲裁邏輯實(shí)現(xiàn)對(duì)總線的存取，并對(duì)本地節(jié)點(diǎn)要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，由物理層芯片提供的電氣和機(jī)械接口將數(shù)據(jù)位發(fā)送到與之相連的1394b線纜上去，最終送入接有1394b板卡的主機(jī)進(jìn)行DVD發(fā)送的數(shù)據(jù)解壓縮和播放，以便對(duì)攝像頭發(fā)送的視頻進(jìn)行播放以及異步數(shù)據(jù)的顯示等操作。讀出的數(shù)據(jù)則由接有1394b板卡的主機(jī)發(fā)送，并通過(guò)1394b物理層芯片、1394b鏈路層芯片、FPGA、外部SRAM等進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)數(shù)據(jù)包類型由相應(yīng)的端口送出去，在這期間與發(fā)送數(shù)據(jù)相比進(jìn)行了相反的操作，這樣就實(shí)現(xiàn)了1394b雙向數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。
    FPGA作為整個(gè)系統(tǒng)的控制管理模塊，主要完成以下任務(wù)：
    (1)對(duì)SPI端口、UART端口和AD／DA端口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；
    (2)將待發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)拼接；
    (3)將數(shù)據(jù)進(jìn)行打包、解包處理并通過(guò)SRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)的緩存；
    (4)與PCI9054芯片進(jìn)行通信，以完成數(shù)據(jù)的傳送。
    本系統(tǒng)中DSP的主要功能是：
    (1)與PCI9054芯片和1394b鏈路層芯片通信實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自舉和身份的確認(rèn)；
    (2)發(fā)送和接收一些控制命令，控制數(shù)據(jù)的傳輸；
    (3)實(shí)現(xiàn)異步數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能，根據(jù)異步請(qǐng)求數(shù)據(jù)的類型對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理；
    (4)為等時(shí)傳輸申請(qǐng)等時(shí)信道和帶寬，傳輸后釋放所申請(qǐng)的信道和帶寬。

    圖3所示是系統(tǒng)中FPGA的內(nèi)部框圖，由于數(shù)據(jù)傳輸速率較快，數(shù)據(jù)的處理需要一定的時(shí)間，不能將每一組數(shù)據(jù)無(wú)間斷的傳輸，且FPGA內(nèi)部FIFO容量有限，采用SRAM與FPGA相結(jié)合完成輸入輸出數(shù)據(jù)的緩存；DSP實(shí)現(xiàn)一些輔助的操作如對(duì)異步數(shù)據(jù)的處理、配置PCI9054芯片的內(nèi)部寄存器和1394b鏈路層寄存器等操作以及PCI的傳輸控制、設(shè)備識(shí)別、為等時(shí)傳輸申請(qǐng)信道和帶寬等；EPCS串行配置芯片實(shí)現(xiàn)配置數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，使系統(tǒng)上電后將配置數(shù)據(jù)自動(dòng)下載到FPGA內(nèi)部，同時(shí)可以用FLASH存儲(chǔ)器存放DSP用戶代碼，在DSP上電工作后，利用DSP提供的boot機(jī)制，再將程序下載到DSP RAM中，使本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)脫機(jī)工作。

4 1394b的系統(tǒng)工作流程
    1394b總線的配置是自動(dòng)進(jìn)行的，它不受任何設(shè)備和主機(jī)的干擾?？偩€配置過(guò)程主要有三個(gè)步驟：
    (1)總線初始化；
    (2)自標(biāo)識(shí)；
    (3)樹(shù)標(biāo)識(shí)。
    在這三個(gè)過(guò)程之后，整個(gè)系統(tǒng)在邏輯上形成了樹(shù)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都被賦予了一個(gè)節(jié)點(diǎn)號(hào)并都發(fā)出節(jié)點(diǎn)說(shuō)明信息?？偩€的初始化過(guò)程如下：
    (1)設(shè)備識(shí)別：設(shè)備識(shí)別可通過(guò)E2PROM來(lái)完成；
    (2)分配I／O空間和Memory空間；
    (3)配置PCI9054的DMA寄存器；
    (4)對(duì)1394b鏈路層和物理層芯片進(jìn)行配置。
    由于1394b OHCI(Open Host Control Interface Specification)協(xié)議是1394b串行總線鏈路層協(xié)議的一種實(shí)現(xiàn)方式。1394bOHCI協(xié)議規(guī)定1394b的等時(shí)傳輸和異步傳輸均為DMA方式，所以需要對(duì)PCI9054的DMA寄存器進(jìn)行配置。PCI9054中有兩個(gè)獨(dú)立的通道采用DMA方式傳輸數(shù)據(jù)可以不受主機(jī)的干預(yù)，同時(shí)采用突發(fā)方式傳輸數(shù)據(jù)可以提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，同時(shí)也可以充分發(fā)揮PCI總線的性能。
    系統(tǒng)上電后，通常需要進(jìn)行設(shè)備的自舉，協(xié)助主機(jī)完成設(shè)備識(shí)別和設(shè)備身份的確認(rèn)，設(shè)備的自舉主要包括：初始化鏈路層寄存器；初始化配置ROM；判斷電纜是否插入；強(qiáng)制根節(jié)點(diǎn)；響應(yīng)根節(jié)點(diǎn)、讀取配置ROM請(qǐng)求直到根節(jié)點(diǎn)調(diào)用相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序完成設(shè)備識(shí)別。圖4所示為本系統(tǒng)的工作流程圖。

    設(shè)備自舉完成以后，即可等待數(shù)據(jù)包的到來(lái)，根據(jù)數(shù)據(jù)包的類型，如果是異步數(shù)據(jù)包則進(jìn)行相應(yīng)的處理；如果是等時(shí)數(shù)據(jù)包則進(jìn)行等時(shí)信道和帶寬的申請(qǐng)，申請(qǐng)成功后則配置DMA寄存器以DMA方式進(jìn)行等時(shí)數(shù)據(jù)的發(fā)送或等時(shí)數(shù)據(jù)的接收，等時(shí)數(shù)據(jù)傳輸完畢后釋放其信道和帶寬，這樣完成一次數(shù)據(jù)的傳輸，接下來(lái)進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)的傳輸，如此循環(huán)完成整個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸。

5 結(jié)束語(yǔ)
    IEEE 1394b作為一種與平臺(tái)無(wú)關(guān)的技術(shù)，可以同時(shí)應(yīng)用在MAC和PC中，本文研究的主要內(nèi)容是利用FPGA、DSP和PCI9054芯片實(shí)現(xiàn)1394b數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)基本上還停留在1394或1394a總線數(shù)據(jù)的傳輸上，本系統(tǒng)是在前人的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)1394b總線上的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)本系統(tǒng)兼容1394a實(shí)現(xiàn)1394的傳輸，還可以將傳輸速率提高作為驗(yàn)證1394b協(xié)議的通用平臺(tái)，1394b能提供800 Mb／s或更高的傳輸速度，雖然市面上還沒(méi)有1394b接口的光儲(chǔ)產(chǎn)品出現(xiàn)，但相信在不久之后也必然會(huì)出現(xiàn)在用戶眼前，無(wú)論是在視頻傳輸還是在計(jì)算機(jī)外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)互連等方而，都將有廣闊的市場(chǎng)。