（光学工程专业论文）基于高速dsp的千兆以太网嵌入式系统研究.pdf

中文摘要 随着嵌入式系统中图像数据流传输对带宽需求的日益增加，研究新型高带 宽、经济、灵活的传输平台，实现图像数据流的高速传输，具有重要的实际意义 和研究价值。论文致力于将千兆以太网技术应用于嵌入式图像处理系统，构建基 于高速d s p 昀千兆以太网嵌入式系统，弥补国内于嚣以太蘸技术在嵌入式系统 中应用的不足，把系统的通信速率提高到1 0 0 0 m b p s ，为图像数据流传输提供高 性价鲍的焦息交换模式。研究将有效促进嵌入式图像处理系统在王业在线检测、 智能控制等领域的应用。 鉴于嵌入式系统资源有限性与干兆通信速度下t c p i p 协议管理庞大性之间 的尖锐矛盾，论文设计了新型的高速d s p + 子兆以太网控制器的系统结构，采用 d s p 管理通信协议，控制千兆以太网控制器处理复杂的网络运算，使系统能够在 低d s p 占矮率下，维护千凳速度传输。 论文的主要工作内容包括： ( 1 ) 在实验室研制成功的d s p 中央控制电路板基础上，研究新型的基于高速 d s p 的千兆以太网嵌入式系统整体结构。将系统架构在p c i 通信总线之上，利用 p c i 总线的高速特性，减轻d s p 和千兆以太网控制器之间速率瓶颈对系统最高通 信速率的限制。 ( 2 ) 根据t c p i p 原理，研究d s p 与千兆以太网控制器的联合工作机制。在 数据收发过程中，有效使用硬件机制实现t c p a p 功能，减轻d s p 资源消耗。配 置、维护接收描述符和发送描述符，减少数据传输过程中的控制僚息对p c i 总线 带宽的消耗，从而减轻软件部分对系统最高通信速率的限制。 ( 3 ) 根据系统的数据最高通信速率瓶颈，建立基于高速d s p 斡千兆以太隧嵌 入式系统模型速率模型，使用m a t l a b 仿真系统的最高速率曲线，选取典型的工 作参数，计算了基于高速d s p 斡于兆以太圜控制器嵌入式系统的最高通信速率。 系统最高通信速率的理论分析与仿真表明：在优化的工作参数配置下，系统最高 工作速率可以达到9 4 9 m b p s 。 关键词：嵌入式系统，千兆以太网，t c p i p ，描述符，最高速率瓶颈 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n tf o rh i g hb a n d w i d t hi nt h ee m b e d d e di m a g e p r o c e s s i n gs y s t e m ，a ne c o n o m y , a g i l i t y , h i g h - s p e e dt r a n s p o r tp l a t f o r mt h a tg o e sl o n g d i s t a n c e s ，s u p p o r t sa l ls o r t so fn e t w o r k i n ga n dp r o c e s s i n go p t i o n s ，h a sa ni m p o r t a n t i m p a c to ni m a g es t r e a mt r a n s m i s s i o n t h ee m b e d d e di m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mc a n i n t e g r a t ew i t ht h ea d v a n c e dg i g a b i te t h e r n e tt e c h n o l o g yv e r yw e l l ，b yt h i sw a y , t h e s p e e do ft h es y s t e mc a nb ei n c r e a s e dt o10 0 0m b p s t h e r e f o r e ，t h ee m b e d d e dg i g a b i t e t h e r n e ts y s t e mc a nb ew i d e l yu s e di ne m b e d d e di n d u s t r yp r o d u c t i o n l i n ei m a g i n g e x a m i n a t i o ns y s t e ma r e a ，a n di n t e l l i g e n c em e a s u r e m e n te t c t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h ee m b e d d e dg i g a b i te t h e m e ts y s t e mb a s e do n 氧 g h s p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s i n c et h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rh a sl i m i t e d r e s o u r c e ，i ti si n c a p a b l eo fr e a l i z i n gt h ec o m p l e xt c p i pp r o t o c o l ，an e ws t r u c t u r e c o n s i ao fh i 曲一s p e e dd s pa n dg i g a b i te t h e m e tc o n t r o l l e ri sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h ew o r kh a sb e e nd o n ea sf o l l o w s ： ( 1 ) d e v e l o pt h ew h o l es t r u c t u r ef o rt h ee m b e d d e dg i g a b i te t h e m e ts y s t e mb a s e d o nh i g h s p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r i n v e s t i g a t et h ep c ic o m m u n i c a t i o nc i r c u i tf o r t h ec e n t r a lc o n t r o lu n i ta n dt h eg i g a b i te t h e m e tc o n t r o lu n i t ，t h u s ，r e l i e v et h e c o m m u n i c a t i o ns p e e dr e s t r i c t i o nt h r o u g hh i g h - s p e e db u s 。 ( 2 ) t h eh i g h - s p e e dd s p i su s e dt oc o n t r o lt h eg i g a b i te t h e m e tc o n t r o l l e rb a s e d o nt h et c p i pp r o t o c 0 1 t h ep u r p o s e - b u i l dh a r d w a r eh e l p st oa l l e v i a t et h eb u r d e no f d s eb yt h i sw a y , t h es y s t e mc a na c h i e v eh i g hb a n d w i d t h ，w i t hl i m i t e dc p u u t i l i z a t i o n i no r d e rt oc o n t r o lt h ef u n c t i o no ft h eg i g a b i te t h e m e tc o n t r o l l e r , d s pu s e as t r u c t u r er i n gt om a n a g er e c e i v ed e s c r i p t o ra n dt r a n s m i td e s c r i p t o r , t h u s ，r e l i e v e t h es y s t e ms p e e dr e s t r i c t i o nt h r o u g hs o f t w a r ef u n c t i o n ( 3 ) b u i l dt h em a x i m u ms y s t e ms p e e dm o d u l ea c c o r d i n gt ot h eb o t t l e n e c ks p e e d o ft h es y s t e m w i t ht h eh e i po fm a t l a b ，t h ec u r v eo ft h em a x i m u ms y s t e ms p e e dc a n b ea c q u i r e d ，a n d ，t h e r e f o r e ，t h es y s t e m si m p o r t a n tp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e d f i n a l l y , b a s e do nt h em o d e l ，t h em a x i m u ms p e e do ft h ed e v i c e sc a nr e a c h9 4 9 m b p s 。 k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m , g i g a b i te t h e m e t ，t c p i p , d e s c 却t o r , b o t t l e n e c ks p e e do ft h es y s t e m 独创性声鳃 本人声臻掰星交魏学位论文楚本人褒学努指导下进行憋研究工作和取得豹 研究成暴，除了文串特刹加以标涟和致谢之处外，论文牵不雹含其德入己经发表 或撰写避的研究成果，也不包含为获得拳星盘鲎。或其他教育机构的学位溅证 书面霞餍过薛材辩。与我添工棒麓露志对搴研究掰敲蕊蕞篱贡献褥藩在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学链论文撵者签名：杨 承签字星期；善护舻7 萃移冀琴1 3 学位论文版权使蔫授权书 本学位论文作者完全了解恭鎏蓉氅。有哭傺留、健糌学饿论文的规定。 特授教。墨盎表壁霉辍将学覆谂文熬全部蓑都分遗容鬃入煮关数攮痒遴行检 索，并浆用影印、缩印斌扫描等髓制手段傺存、汇编以供谶阅和借阚。同意学校 怒重家脊关部 鼍或橇搀送交论文熬复印绺鞠磁盘。 ( 保密酶学位论文程解密纛适用本授权说嚼 学霞凳文潞签裳：松祆 签字黧燃：彳耋硪事霉越髻爨 差 l 导帮整名：【掀穆导帮整名：参l 彳殁李汐 签字整絮：2 唧霉易翌鐾塑 第一章绪论 第一章绪论 1 1 嵌入式系统通信背景及发展趋势 随着信息理论和信息技术的发展，特别是高速d s p 应用于嵌入式图像处理 系统，力机器视觉领域带来了根本性数变革。对于复杂的、分散的嵌入式图像处 理系统，由于它们往往是同时、并行、独立地工作，因此把它们联系起来实现分 布控制、现场处理和高速通信是现代机器视觉领域中的一个重要发展方向。 嵌入式系统最初使用低速总线技术传输简单的信息。例如r s 2 3 2 技术、 r s 4 8 5 技术、1 0 m b p s 1 0 0 m b p s 以太网技术等已经在在嵌入式系统通信中获得成 熟的应用。这些低速昀通信技术实现简单、遥髂过程中占耀c p u 资源少、成本 低廉，但是提供的传输带宽小。 高度集成、结构分散、快速通信的图像设备豹广泛应用，需要使用更好服务 质量、更大带宽的通信技术【l 】。例如，对于设备采集到的分辨率为2 0 4 8 2 0 4 8 的图像，在帧频为2 0 f p s 的通信要求下，需要的通信带宽为8 0 m b s 。传统低速的 数字透信技术远远不能满足这样大批量图像数据流传输的要求。 为适应机器视觉领域中图像数据流通信的要求，目前出现的高速数字接口技 术主要有：u s b 技术、i e e e l 3 9 4 技术、c a m e r al i n k 技术以及千菸以太网技术。 下面对这些技术的性能分别进行介绍。 1 1 。1u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 技术 通用串行总线( u s b ) 是自1 9 8 0 年来串口和并口技术出现后，最重要的计 算机外设互连标准之一。初期被应用予摄像采集、扫描仪、监视器、人祝交互设 备等【2 】【3 】。近年来，由于u s b 协议的逐渐升级，又使u s b 技术的工业应用进入嵌 入式系统领域【4 】。如今，数码录音视、数码相机以及高速的视频传输设备等也纷 纷成为u s b 技术的应用领域【5 】。 图1 - 1 是u s b 接口及电缆结构。u s b 使用四针插头和插座，两根电源线带 有5 v 电压，支持即插即用功能，最多能同时连入1 2 7 个u s b 设备，由各个设 备均分带宽。u s b 使用分别标记为d + 和d 的双绞线传输，它们各自使用半双工 差分信号并协同工作，以抵消长导线麓电磁干扰。电气维构保证璐b 支持最高 传输距离5 米，最高传输速率为4 8 0 m b p s 。 第一章绪论 # 。 姆 图1 - 1 u s b 接口和电缆结构 v b u s 叶 d - g m u s b 发展到今天，总共有3 种标准：1 9 9 6 年发布的u s b l0 1 9 9 8 年发布的 u s b l1 咀及剐刚发布的最新标准u s b 20 此3 种标准最大的差别就在于数据传 输率方面，在其它方面也有不同程度的差别。总体来说目前的u s b 20 功能比 较完善，速率最高”。 u s b 接口本身存在着一些不足之处： ( 1 ) 传输速度慢虽然u s b 20 的理论速度已经达到4 8 0i b p s ，但是在传输大 批量图像数据流的场合中相形见绌。 ( 2 ) u s b 的最大传输距离是5 米，否则传输数据不稳定，这就限制了u s b 在长距离通信中的应用。 ( 3 ) 以p c 机为中心的联结系统u s b 不能脱离了p c 机而独立存在，而只能 存在于p c 系统中在多个设备互连的时候，还需要增加h u b ，这样就限制了使 用的灵活性。 ( 4 ) u s b 理论上可以使用菊花链的拓扑结构，但是要求设备具有两个以上的 接口，市场上很少有这样的产品，因此不容易实现多点通信口】。 1 1 2i e e e1 3 9 4 技术 1 e e e1 3 9 4 技术是苹果公司针对桌面计算机通信提出的一种火线( f i r e 嘶) 技术，提供对等网络( p e e r - t o - p e e r d a t a t r a n s f e r , p p d t ) 通信标准p 】，最初应用于 打印机设备的通信，现在广泛的应用于计算机和外围设备之间的多媒体数据流通 信，包括：数字影音( d i 窟i t a l a v ) 、数码摄像机( d i g i t a l c a m c o r d e r ) 和p c 机之 间的通信”。 图1 - 2 是1 3 9 4 接口和电缆结构。i e e e1 3 9 4 电缆进行了专门设计，其中包含 六根铜芯线：两根负责供电，供电线的电压维持在8 4 0 v 之间；另外四根分为两 个双绞线对，分别用于发送和接收信号。i e e e1 3 9 4 最远传输距离为4 5 米，支 持热插拔，总线配置发生改变后，节点地址会自动重新分配。 在i e e e1 3 9 4 总线发展历史上，出现两种标准：i e e e1 3 9 4 a 和l e e e1 3 9 4 b 。 1 e e e1 3 9 4 a 支持三种传输速率：1 0 0 m b p s 、2 0 0 m b 呻、4 0 0 r o p e ，提供数据流控 制和节能特性【j ”i e e e1 3 9 4 b 是一个高传输速率，长距离版本的i e e e1 3 9 4 ，在不 第一章绪论 同的传输距离和传输速率下可咀使用不同的传输媒介i 。由于采用增强的方案 通信带宽被扩展到8 0 0 m b p s 32 m b p s m 】。 钢嗉! 拼一 叫j b 一一2 9 一。二q t l t 1 8 网i 21 3 9 4 接n 和电缆结构 1 e e e1 3 9 4 技术的缺点主要表现在3 个方面： ( 1 ) 应用少，现在支持i e e e i3 9 4 的设备不多，只有部分数码相机和m p 3 等 一些需要高带宽的设备使用i e e e1 3 9 4 ( 1 4 o ( 2 ) 资源占用高i e e e1 3 9 4 需要占用大量的资源所以需要高速c p u 【”】。 ( 3 ) 集成i e e e1 3 9 4 接口的p c 机几乎没有设备使用i e e e1 3 9 4 总线接入主 机的时候，需要购买专门的1 3 9 4 卡。 ( 4 ) 传输距离有限，节点之的最大距离不能超过45 米，如果需要进行长距 离通信，那么必须使用i e e e1 3 9 4 中继器。由于1 e e e1 3 9 4 晟多只能支持1 6 层 树型网段，所以两个端点之间的最大传输距离也只有7 2 米( 1 6 4 5 米= 7 2 米) 。 1 1 3c a m e r al i n k 技术 c a m e r a l i n k 标准由自动化图像协会( a u t o m a t e d i i m g i n g a s s o c i a t i o n a i a ) 制 定。这项技术提供了数字相机和图像采集卡( f r a m eg r a b b e r s ) 之间的标准接口 1 6 1 。 c a m e r al i n k 标准基于n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 的c h a n n e ll i n k 技术，可以提供最高 的通信速率是；在6 6 m h z 的工作频率上速度是每秒6 8 0 m b y t a s ，在8 5 m h z 的工 作频率上速度是每秒8 5 0 m b y t e s ”】。 c a m e r al i n k 的核心技术是：l v d s ( 1 0 w - v o l t a g e - d i f f e r e n t i a l s i g n a l ) 和c h a n n e l l i n k 。l v d s 采用差分信号，额定的差动信号摆动为3 5 0 m v 低的信号摆动减少 了上升和下降时间，使得l v d s 理论传输速率达到19 2 3g b p s o s l 。同时差分传输 时接收器只关心两信号差值，噪声被抵消，因此差分数据传输方式比单线数据传输 方式对共模输入噪声有更强的抵抗能力。l v d s 技术的这些优点为数据在传输通 道中高速稳定传送提供了保证。 c h a n n c ll i n k 作为平板显示器接口的解决方案，具有基于l v d s 技术的物理 层，并已被扩展至通用的数据传输。图1 - 3 是c h 珊e l n n k 的工作机制。c h 啪e l l i n k 是通过复用器芯片与解复用嚣芯片来组成t t l i c m o s 数据通道数据通道中 第一章绪论 数据以l v d s 数据流的方式进行传输。2 8 位硼c m o s 数据经过复用器芯片在一 个时钟周期内转化为混合的4 组l v d s 数据流，同时在第5 组l v d s 链路上将移位 时钟信号发送出去。时钟信号的每个周期都对2 8 位数据进行采样和发送【2 0 1 。这 种数据线多潞合成技术不仅解决了数据的传输速率闻题，褥且使系统的传输导线 数鼍压缩了8 0 ，减少了连接件的物理尺寸，节约了系统成本。 一 k 。”一= l - 4 d r ：bd a t a ( l d v s ) 辜 骖沪 一 嚣| o ，r - t 吟 d a t a ( l d v s ) 辜 卜 y沙 笔 卜 卜 - t 卧多 d a t a ( l d v s ) 睾 卜少 矿1 一， 卜 卜 恍 d a t a ( l d v s ) 辜 沙 = = 晦 c l o c k ( l d v s ) 奎 参玎1 i 一 图1 3 c h a n n e ll i n k 的工作原理 享 2 8 c a m e r al i n k 使用3 静配置方式( b a s e 、m e d i u m 、f u l lc o n f i g u r a t i o n ) ，所以 支持系统集成制造商简化掉l v d s 设计使用的复杂电缆和大尺寸连接器【2 。 使用c a m e r al i n k 技术带来的最大缺点是：其接暖本身的机械尺寸太大 ( 1 5 5 x 0 。5 1 英寸) ，尽管半导体集成电路技术可以把成像系统做得很小，但这个 接口决定了该类摄像机的尺寸不可能很小。另外，这个协议的传输距离较近，使 用专门的连接线，转输距离最远氇只有l o 米。照然可以使用光纾把距离增加到 数百米，但成本高别2 2 1 。 1 1 4 千毙以太网技术( g i g a b i te t h e r n e t ) 千兆以太网技术出i e e e 8 0 2 3 委员会提出，提供1 g b p s 的带宽，并且向下兼 容原有的以太网标准，实现与1 0 m b p s 、1 0 0 m b p s 以太网的互操作性，使现有以 太网自然平滑的升级【2 3 1 。 将千嚣以太网技术应焉于嵌入式系统中，不健可敬支持远距离翁各种网络连 接和处理选项，；而鼠能够提供多媒体数据流实时导入个人电脑主机中所需要的 带宽泓】。 千兆以太网技术提供足够的速度和传输距离；使用价格低廉的r j 4 5 接口和 网线，支持长达1 0 0 m 的传输距离；同时省去了一个专用的p c 机接入卡，这使 c a m e r al i n k 难以望其项背。g i g a b i te t h e m e t 接霹可以实现和u s b 、f i r e w i r e 同 样的即插即用功能，而且可以实现数据的连续高速传输，不会像u s b 和f i r e w i r e 4 协。墨o介-l_l 第一奄绪论 那样牺牲了d s p 处理图像的速度。 综上所述，相对于c a m e ml i n k 和其他高速总线技术，嵌入式图像检测系统使 用千兆以太网技术与主机通信，可以获得更好的性价比f 2 5 1 。 1 2 千兆以太网技术研究现状 千兆以太网是i e e e8 0 2 3 以太网标准的扩展。1 9 9 8 年，i e e e 推出了8 0 2 3 z 千兆位以太阙标准1 0 0 0 b a s e x 。该标准使用了与以前的以太网相同的帧格式， 规定了长波光纤、短波光纤和短铜跳线三种介质上的10 0 0 m b p s 的传输。1 9 9 9 年 又推出了名为i e e e8 0 2 3 a b 的标准1 0 0 0 b a s e t ，提供了在1 0 0 米的4 对五类u t p 上传输1 0 0 鼢p s 数据的方法 弱】。 千兆以太网凭借其优越的性价比获得广泛的应用，下面介绍千兆以太网技术 在不同应用领域的研究现状。 1 2 1 千兆以太网技术在主干网络、服务器通信中的应用 千兆以太网舀前的主流应用体现在三个方面；第一，千兆以太网主要用予网 络核心服务器连接；第二，千兆以太网应用于聚合高速工作站的骨干连接；第三， 千熬以太网逐步向桌蘧部署弘玎。 千兆以太网采用四种物理介质满足不同的应用场合：1 0 0 0 b a s e t 使用4 对 五类非屏蔽双绞线电缆，传输速率1 0 0 0 m b p s ，传输距离l o o m ，主要用于结构化 布线中同一层建筑的水平铜缆的通信。 1 0 0 0 b a s e c x 是针对低成本、优质的屏蔽绞合线或同轴电缆的短铜跳线而制 定的标准，其最大有效传输长度是2 5 m 。它主要应用于配线间内的设备互连，即， 在单机架或相邻机架内的网桥、交换机、路由器等的连接，也可应用于连接配线 闻墨的服务器。该技术在传输距离上存在着严重的不足，随羞光纤成本麴降低， 加上光纤固有的宽带优势，短铜跳线接入技术的市场日趋缩小。 1 0 0 0 b a s e s x 是针对工作于多模光纤上的短波长( 7 7 0 n m 8 6 0 n m ) 激光收 发器而制定的标准。当使用6 2 5 a n 的多模光纤时，传送距离可达2 7 5 m ，当使用 5 0 a n 的多模光纤时，连接距离可达5 5 0 m 。由于多模光纤传播距离的限制，它主 要用于建筑物蠹部豹连接( 建筑物干线) 和壹接端站连接( 服务器和高性戆工作 站) 。当园区主干网的距离大于5 5 0 m 的时候，需要使用单模光纤作为传输介质。 1 0 0 0 b a s e - l x 是针对工作于单模光纤上的波长( 1 2 7 0 - - 1 3 5 5 n m ) 激光器丽制 定的标准，但是也可以应用于多模光纤。它实际允许的传播距离比1 0 0 0 b a s e - s x 标准允许的距离大。当使用6 2 5 , t a n 的多模光纤时，传送距离可达4 4 0 m ，当使用 第一耄绪论 5 0 , u r n 的多模光纤时，连接距离可达5 5 0 m 。在使用1 0 删的单模光纤时，传送距 离可达5 0 0 0 m 。 1 0 0 0 b a s e l x 是第一个规定工作在单模光纤上的标准。这对支持千兆以太网 的主流应焉，部困区主干圈连接是菲常必要的。这种应用环境霈要豹传送距离以 及数据传送速率，均要求介质的传送能力应高于多模光纤。图1 - 4 是使用 1 0 0 0 b a s e - l x 技术的千兆以太网作为主于网络的拓扑结构【2 8 1 。主干网络经常会有 很高的流量负载，这正是千兆以太网游刃有余的地方。 图1 4 使用千兆以太网技术的主干网络结构 自1 9 9 8 - 1 9 9 9 年千兆以太网标准被通过后，千兆以太网经过几年的发展， 产品技术已经相当成熟，很多企业都选择将现有的网络升级为千兆以太网。随着 技术门槛进r 步降低，交换机正在向大众纯的市场转移，瞥经商不可攀的千兆交 换机现在也开始普及。从当前的发展趋势来看，图内千兆以太网交换机市场发展 速度强劲，予凳以太阙也走出了大型企渡戆应震领域，彝中小型企业蔓延。 1 2 2 千兆以太网技术在工业相机中( g i g e 相机) 中的应用 使用千兆以太网技术的相机被工业图像检测系统广泛采用。舢陵( a u t o m a t e d i m a g i n ga s s o c i a t i o n ) 在2 0 0 6 年5 月推出适用于工业成像应用的g i g ev i s i o n ，即 通过网络传输视频信号的标准。随着以太网技术的飞速发展，建立在现存网络标 准基础上的g i g ev i s i o n 在长度和速度上显示了极大的优判2 9 1 。国外些机器视觉 公司已经推出了遵循g i g ev i s i o n l 憨工业相机，丽国内的磷究处子起步阶段。 g i g ev i s o n 具有下面4 个主要部分睁川： 6 第一章绪论 ( 1 ) 设蔷识刖( d e v i c ed i s c o v e ”j ) 定义了如榍机等设备如何获取i p ，被嘲络 进行【! 别； ( 2 ) g v c p ( g i g e v i s i o n c o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 规定了如何指定数据流通道控制 和配置相应设备： ( 3 ) g v s p ( g i g e v i s i o ns t r e a mp r o t o c 0 1 ) 规定了图像数据的打包，以及提供 了相机发送图像数据和其它信息到主机的机制； ( 4 ) x m l 描述文件( 计算机可读的数据表) 在相机的功能和内部使用者2 问建立了映射。7 项强制属性需要在x m i ，中描述，并几该描述需要满足e m v a ( 欧 洲机器视世学会) g e n l c a m 标准。 所有的g i g e 相机在背部集成有r j 一4 5 以太同接口、电源接口。部分g i g e 相 机使用i o 接口进行触发与同步控制。g i g e v i s i o n 支持p c 机使用以太网对g i g e 相机进行触发和同步操作，但是这可能导致触发信号的延迟。因为应用设备软件 通常都是在w i n d o w s 或者l i n u x 操作环境里运行。触发信号的请求可能在操作 系统的操作队列巾遭到延迟，使宴时信号流遭到中断。如果需要实时的端到端性 能、高清晰度成像技术或高级输入输出性能，那么就需要这个专用的i o 接口 进行触发控制。图1 - 5 是典型g i g e 相机的外部结构。 晦鼓 图l - 5 g l 舻相机外部连接结构。 图1 - 6 是g i g e 相机的内部结构示意图。g i g e 相机在数据传输的时候需要执行 的功能有j ： ( 1 ) 接收镜头采集的图像数据： ( 2 ) 将图像数据转换成i p 数据包； ( 3 ) 排队封装好的i p 数据包，等待发送； ( 4 ) 发送i p 数据包； ( 5 ) 使用g i g e 总线接收镜头控制信号； ( 6 ) 处理网络功能，例如上电配置和包重传。 目前国外市场上提供的g i g e 相机按照网络协议实现的机制不同。可以分为 两类：一类是采用专用的硬件电路。专门为此而设的硬件能提供较高的性能和可 第一章绪论 靠性，系统能以l o o o m b p s 速率全速进行图像数据的处理和传输。它们能毫不费 力的满足那些使用高清晰度、高帧频设备的实时数据吞吐量要求。 专用硬件电路以确定的时钟周期精确度工作这种精度能够提供快速、有效 和确定的工作性能从而减少滞后时间带来的影响和误差。这是达到高水平的系 统级性能，以及提高图像采集设备所得结果的质量所必需的。 硬件接u 的外形十分紧凑，使得摄像机的尺寸降到最小。而且功效( 功率效 率) 很高无论传送多少数据都只需要耗费2o w 的功率。 s i m p l eg i g ev i s i o ns y s t e m “_ 辞毒羹_ 。哥 d 艮；i e i 鬲而i ；i 而。鬻* u 一m 黼磐 r 商i 一 ”h j l ”“ t y p i c a lg i g en e m o r kl a y o u t 黜掌龄翟。 圈1 - 6 典型的g i g e 相机系统结构 另外一类接口采用基于实时操作系统的应用软件来实现。在理论上，这种方 法可以实现和硬件接n 同样的性能。软件接n 带来的最大的挑战是功耗。这点非 常关键，这些接口的功耗与其所处理的图像数据的多少直接挂钩。分析表明，使 用优化的嵌入式处理器一个软件接口还是需要消耗高达2 5 w 的功率才足以驱 动一个以每秒5 0 帧的速率进行工作的1 6 0 0 1 2 0 0 传感器的吞吐量。但是许多成 像设备所用的摄像机的操作功率最多也不过是i o w 。功耗为软件接r l 所能处理 的数据吞吐量加了一个上限。所以使用软件接r n 的千兆以太阿技术通常应用在较 低数据传输率下工作的传感器。 g i 嚣相机高速，长传输距离的特性，为工业在线检测领域提供了高带宽、低 成本的解决方案。图l - 7 是g i g e 相机在工业在线检测领域应用的例子，这个例子 使用一台p c 机控制多个g i g e 相机。市场上的g i g e 相机使用瞄a 或者通用处理器 管理网络协议，只能支持图像采集与传输功能m 】，而图像处理功能则交给p c 机 第一豢绪论 完成，因此，p c 机的图像处理能力决定了支持的g i g e 相机数目。这种需要p c 机 控制的g i g e 桶杌难以应用在大规模多点梭测的工业图像检测系统中。 圈l 一7 g i g e 相机在z 业在线检测领域的应用 王韭在线检测的发展要求嵌入式图像系统囱小型化、具有强大处理熊力和高 速通信的方向发展。将千兆以太网技术融入嵌入式图像检测系统中，研究具有独 立图像处理能力的智能高速通信系统，是一个崭新的技术。 1 3 本课题研究的目的及主要内容 目前的嵌入式设备都是采用1 0 m b p s 1 0 0 m b p s 以太网技术通信。截至现在， 嵌入式以太嬲系统可以实现的最高通信速率为9 0 m b p s 。传统的嵌入式以太网通 信技术提供的带宽已经成为图像数据流通信的瓶颈。千兆以太网技术具有优越的 性价比，将其应用于嵌入式系统，足以满足分散检测设备高速通信的带宽需求。 本课题的研究嗣的：在保证嵌入式系统图像处理能力的前提下，引入予兆以 太网技术，构建新型的基于高速d s p 的千兆以太网嵌入式系统。 本文的安排和各章主要内容如下： 第一章介绍了嵌入式系统通信背景，针对嵌入式系统通信对带宽需求的日益 增加，分别阐述了四种主流的高速通信技术，通过性价比的比较，确定使用于兆 以太网技术解决嵌入式系统高速通信问题；然后着重分析了千兆以太网技术的研 究现状，针对千兆以太网技术在嵌入式图像处理系统中应用的空白，阐述本文的 研究目的和内容。 第二章对基于高速数字信号处理器的千兆以太网系统的关键技术进行分析 研究。首先褫究t c 黻p 协议的体系结构进霉亍硬究，对i p 协议、t c p 协议进行详 细的分析，选择适合高速可靠通信的管理协议，然后研究1 0 0 0 b a s e x 技术和 9 眵够 第一章绪论 1 0 0 0 b a s e t 技术，并结合课题背景选择1 0 0 0 b a s e t 作为本系统所使用的予兆以 太网技术。 第三章针对嵌入式系统资源的有限性以及t c p i p 协议的复杂性，在实验室 研制成功的d s p 中央控制电路板基础之上，构建新型的高速d s p 秘千毙以太网 控制器联合通信的系统结构；分析d s p 中央控制电路板结构以及千兆以太网控 制单元结构，研究p c i 总线之上的d s p 中央控制单元和予兆以太阏控制单元通 信结构，利用p c i 总线的高速特性，减少芯片间工作速率瓶颈对系统最高通信速 率的影响。 第四章根据k ：朔p 协议，研究网络数据通信的工作机制，设计支持单个连 接的t c p 服务进程状态机，保证数据传输的可靠性，同时解决d s p 对千兆以太 网控制器硬件功能的控制闰题，控制大批量图像数据流传输，最后设计描述符存 储环结构，有效的管理接收描述符和发送描述符。 第五章建立基于高速d s p 的千兆以太网嵌入式系统的速率模型，仿真系统 的最高工作速率曲线，分析最高工作速率益线，计算系统在优化的工作参数配置 下最高工作速率。 1 0 第二掌手獒以太网基本原理 第二章千兆以太网基本原理 本章对基于高速数字信号处理器的千兆以太网系统的关键技术进行分析研 究。首先对t c p d p 协议的体系结构进行研究，选择适合大藏：量圈像数据流高速 可靠传输的管理协议。然后分析1 0 0 0 b a s e x 技术和1 0 0 0 b a s e t 技术。并结合本 课题的背景需求选择1 0 0 0 b a s e - t 作为本系统所使用的千兆以太网技术。 2 1t c p b p 协议体系结构 t c p i p 协议是传输控制协议互联网协议的缩写，是目前应用最广泛的协议 之一，并且它是现在的互联网协议标准。t c p i p 协议提供了全双工的可靠交付 的服务，保证数据的可靠传输，具有差错控制( 检测数据丢失、错序或重复的信 息) 、流量控制收发双方同步传输数据) 、连接控制( 端到端的连接建立、中止、 和中断) 等功能。 t c p i p 协议的体系结构分为四个层次，这四层由高到低分别为：应用层、 传输层、网络层和链路层。其中每一层完成不同昭通信功能，具体各层莳功能和 各层所包含的协议如图2 1 所示。 传输层( t c p 和u d p ) 网络层( 翠、l e 氛偿移矧 疆 链路层( 以太网、令牌环网、f d d i 、i e e e 8 0 2 。3 ) 等 物理层 圈2 - 1t c p i p 协议分菇结构 1 物理层( p h y s i c ml a y e r ) 物理层的任务就是透明地传送比特流。在物理层上所传数据的单位是比特。 传递信息所利用的一些物理媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆等，并不在物理层 之内蔼在物瑷层的下薅【矧。它为链路层实体之闻进行院特流遥信提供物理连接所 需的机械、电气、光电转换和规程手段。其功能包括建立、维护和拆除物理电路， 第二章手凳以太睡基本凝理 实现物理层比特流的透明传输引。 2 数据链路层( l i n kl a y e r ) 数据链路层也称为网络接口层，它的功能是负责接收i p 数据报文并通过网络 发送数据包；或扶鼷络上接收物理帧，抽出至p 数据报文交给臻层汹。 把接收到的网络层数据包( 即i p 数据报文) 通过该层的物理接口发送到传输 介质上，或从物理网络上接收数据帧，抽出i p 数据报文并交给i p 层。t c p d p 协 议并没有定义具体的数据链路层，只要是在其上能进行i p 数据报文传输的物理 网络( 如以太网、令牌环网、f d d i 、i e e e 8 0 2 3 及r s 2 3 2 串行线路等) ，都可以 当成t c p d p 协议栈的链路层。所以k 鄹l p 协议支持多种不同懿链路层协议， 3 网络层 网络层也称为互联阙层，负责相邻计算机之闻的透信。其功能主要有如下几 个方面：处理来自运输层的分组发送请求，将分组添加报头，形成i p 数据报文， 选择适当的路径，把i p 数据报文送往适当的网络接口；处理输入数据包，对其进 行合法性检查，并检查其信宿地址，分别将其转发或经处理后送往运输层；网络 层还负责处理i c m p 报文，进行路径选择、流量控制、拥塞控制等e 3 6 。 网络层包含四个互联协议，每个协议实现的功能如下： ( 1 ) 网际协议i p 负责在主机和网络之间寻址和路由数据包。 0 ) 网际控制消息协议i c m p - 发送消息，并报告有关数据包的传送错误。 ( 3 ) 互联组管理协议i g m p 用于主机向本地多路广播路由器报告主机成员。 ( 4 ) 地址解析协议a r p ：获得同一物理网络巾的硬件主机地址。 4 传输层 。 传输层负责在网络上相互通信的主机之间提供通信会话，即应用程序之间端 到端( e n dt oe n d ) 的透信。这层包括嚣个协议，分别为t c p ( 传输控制协议) 和 u d p ( 用户数据报协议) 。其中t c p 是面向连接的通信，采用三次握手机制，为 应用程序提供可靠的通信连接；两u d p 是无连接通信，不对包的传输进行可靠 憔保证，发逝数据屠，它并不保证接收端能够完整的接收到这个数据包，数据的 可靠传输由应用层来负责。 2 1 1i p 协议( 网际协议) 瘸际协议p 是t c p 瑾体系中两个最重要的协议之一，也是最鬟要的因特网 标准协议之。它向下屏蔽了不同物理网络的底层，向上提供一个逻辑上统一的 互联网。互联网上的所有数据包都要通过i p 协议进行传输，它是通信网络与高 层协议的分界。 i p 数据报文的格式分为报头区和数据区两大部分，其中数据区包括高层协 1 2 第二章于凳以太隧基本骧理 议需要传输的数据，报头区是为了正确传输高层数据面加的各种控制信息，它的 前一部分是固定长度的2 0 个字节，后一部分是长度可变的可选字段。i p 层的数 据包格式如图2 2 所示： 0481 21 6 1 9 2 43 l 版本蓠部长度服务类型 总长度 标识标志片偏移 生存时间 协议首部校验和 源缝缝 目的地址 长度可变的可选字段填充 数据部分 毒尸 互二 二二二五五二 + 一 伸数据报文_ 圈2 - 2臻掇文酶格式 坤数据报文的格式详细的说明了i p 协议实现的功能。版本号规定了数据包 使餍i p v 4 或者i p v 6 ；头长度标识了报头区的长度( 不包括数据区) ；服务类型( t o s ， t y p eo f s e r v i c e ) 规定了对本数据包的处理方式( 优先级、短延迟、高吞吐量和高可 靠性) ；总长度标识了报头区和数据部分之和的长度；协议字段指出此数据包携 带的数据是使用何种协议( i c m p 、i g m p 、t c p 、e g p 、i g p 、u d p 、i p v 6 或者 o s p f ) ，以便使目的主机的网络层知道应该将此数据包上交给哪个进程；首部校 验和字段保证传输内容的正确性，它只校验数据包的首部，不包括数据部分。礤 首部的可变部分是一个选项字段，用来支持排错、测量以及安全等措施，此字段 的长度是可变静，麸1 个字节到钧个字节不等。选项字段的项霉包括一下内容： 不严格的源站路由选择( 1 0 0 s es o u r c er o u t i n g ) 、严格的源站路由选择( s t r i c ts o u r c e r o u t i n g ) 、路出记录( r e c o r dr o u t e ) 和时闻戳( t i m e s t a m p s ) 。 为了实现数据的有效传输，i p 协议使用分片和重组的技术解决数据包在不 同网络上传输时出现的不兼容性。分片和重组技术使用标识字段、不分片位( d f ) 标悫、未完位f m f ) 标志、片偏移字段配合实现。 使用以太网进行网络互联时，i p 数据包通过以太网发送和接收，而以太网设 备并不识别l p 地址，只能使用物理地址传播以太网数据帧，因此，需要把搿地址 和m a c 地址进行相互转换p 。地址的映射使用a r p 协议处理。 1 3 第二牵千兆以太鼹基本原理 a r