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

  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，要進一步擴展它的適用領(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，且中繼距離長達100m。它將原來的DS（Data-Strobe）編碼方式改進為8B／10B編碼方式，這對于1394性能的改進起著決定性作用。同時，1394b是向下兼容的，也就是說同一個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（開放式主機控制接口協(xié)議），它的主要功能是實現(xiàn)總線的鏈路層協(xié)議。本系統(tǒng)通過NIOSII處理器，根據(jù)1394 OHCI，對FPGA以及1394套片進行控制，實現(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端進行實時顯示，并實現(xiàn)與主機的相互通信。

　　1 1394 OHCI的特點

　　支持事務(wù)層和總線管理層，而且?guī)в幸粋€PCI主機總線接口，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。無論是從主機存儲器中讀出發(fā)送數(shù)據(jù)包，還是將接收到的數(shù)據(jù)包寫入主機存儲器，都是通過DMA來實現(xiàn)的。在向主機總線存儲空間讀和寫時，1394 OHCI也可以通過直接執(zhí)行1394讀和寫請求而作為主機總線和1394之間的總線橋。

　　等時傳輸：1394 OHCI可以執(zhí)行循環(huán)控制器的功能。也就是說它包含了一個循環(huán)計時器和計數(shù)器，可以在8 kHz時鐘的每個上升沿后安排一個循環(huán)開始包的傳輸。1394 OHCI可以產(chǎn)生內(nèi)部時鐘。當(dāng)它不是循環(huán)控制器時，1394 OHCI根據(jù)循環(huán)開始包，通過更正其循環(huán)計時器來保持它的內(nèi)部時鐘與主節(jié)點的周期同步。1394 OHCI為等時發(fā)送和等時接收各提供了一個DMA控制器。每個DMA控制器支持高達32個不同的DMA上下文（context）。等時發(fā)送DMA控制器可以在每個周期，從每個上下文發(fā)送數(shù)據(jù)。而每個上下文只能從唯一的等時信道發(fā)送數(shù)據(jù)。等時接收DMA控制器可以在每個周期，從每個上下文接收數(shù)據(jù)。但是每個上下文既可以從唯一的等時信道接收數(shù)據(jù)，也可以從多個等時信道接收數(shù)據(jù)。

　　2 硬件結(jié)構(gòu)

　　以FPGA內(nèi)嵌的NIOSII處理器為開發(fā)平臺，控制實現(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芯片一個用于對外部大量視頻數(shù)據(jù)進行緩存，另一個作為C代碼的運行空間。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SPI口進行等時傳輸。

圖1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖[!--empirenews.page--]

　　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處理器實現(xiàn)對總線的初始化，以及管理，并通過DMA方式實現(xiàn)等時和異步數(shù)據(jù)傳輸。其中等時數(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，而異步數(shù)據(jù)傳輸分為主機發(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、檢測電纜以及根節(jié)點的確定。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PCI寄存器的初始化和對OHCI寄存器的初始化。對PCI寄存器的初始化包括對TSB82AA2設(shè)備ID和PCI廠商ID的驗證，OHCI基地址寄存器的設(shè)置以及對指令狀態(tài)寄存器的配置。而對OHCI寄存器的初始化則包括對各個中斷寄存器和DMA上下文的設(shè)置，以及控制寄存器的配置。檢測電纜是否插入是通過讀取物理層芯片某寄存器的相應(yīng)位來判斷的。電纜插入后，通過檢查和配置Node ID寄存器，強制設(shè)置本節(jié)點為子節(jié)點，主機為根節(jié)點，直到成功為止。

　　3.2 數(shù)據(jù)的傳輸

　　在1394 OHCI中，不管是等時傳輸，還是異步傳輸，都是通過DMA方式實現(xiàn)的，而且每個DMA都有一個FIFO，用于暫時存放數(shù)據(jù)。其中各FIFO的存儲容量為：異步發(fā)送（AT）FIFO為5 kB，異步接收（AR）F7FO為2 kB，等時發(fā)送（IT）fIFO為2 kB，等時接收（IR）FIFO為2 kB。無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。

　　（1）主機發(fā)起的異步傳輸。

　　主機發(fā)起的異步傳輸即由主機發(fā)出異步傳輸請求，1394設(shè)備進行響應(yīng)，因此在這一部分，主要是異步請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)備接收到主機發(fā)來的異步請求包后，就會產(chǎn)生異步接收請求中斷，這可由鏈路層芯片中斷寄存器的RQPkt位表征。當(dāng)一個數(shù)據(jù)包傳送完畢后，數(shù)據(jù)包的最后一個指令描述符的xferStatus字段將被重置，這時數(shù)據(jù)包已被成功傳送到AT響應(yīng)FIFO中。

圖2 主機發(fā)起的異步傳輸工作流程[!--empirenews.page--]

　　（2）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)出異步傳輸請求，主機進行響應(yīng)。因此，這一部分主要是異步請求包的發(fā)送以及異步響應(yīng)包的接收，其工作流程如圖3所示。這時會產(chǎn)生異步請求輸出DMA中斷，這可由鏈路層芯片中斷寄存器的reqTxComplete位表征。1394設(shè)備接收到主機發(fā)來的異步響應(yīng)包后，會產(chǎn)生異步接收響應(yīng)中斷，這可通過鏈路層芯片中斷寄存器得知。另外，發(fā)送出去的請求包也將被暫時存放在內(nèi)存中，以便與返回的響應(yīng)包對應(yīng)。

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

　　（3）等時傳輸。

　　等時傳輸主要實現(xiàn)的功能是通過1394設(shè)備將外部的視頻數(shù)據(jù)等時傳輸?shù)街鳈C進行實時顯示。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，等時傳輸時，F(xiàn)PGA讀取SRAM中的數(shù)據(jù)，生成等時數(shù)據(jù)包。這一部分的主要工作就是等時數(shù)據(jù)包的發(fā)送，其工作流程如圖4所示。

圖4 等時傳輸?shù)墓ぷ髁鞒?/p>

　　4 測試結(jié)果分析

　　為了測試系統(tǒng)性能，進行了最快傳輸速度測試。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，每個數(shù)據(jù)包最大為4 096 bit。理論上一個傳輸周期125μs傳送一個數(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。實測的最快傳輸速度可達227 Mb·s-1，相對于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。同時，主機端實時顯示的視頻實時性和可靠性也較好。

　　5 結(jié)束語

　　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，實現(xiàn)了雙向傳輸，用異步傳輸方式傳輸主機端指令和攝像頭方位及狀態(tài)信息，用等時傳輸方式將攝像頭數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C端進行實時顯示。實驗表明，相對于1394a，該方案具有高速通信、可靠性高、實時性強等優(yōu)點，達到了預(yù)定目標(biāo)，運行良好。本系統(tǒng)研究的是1394設(shè)備與主機間的通信，在此基礎(chǔ)上還可以研究在脫離計算機的環(huán)境下，兩個1394設(shè)備間的通信傳輸以及多個設(shè)備的組網(wǎng)傳輸。