（光学工程专业论文）用于红外图像传输的1394接口的技术研究.pdf

顺 j 学位论文用十红外阔象传输的1 3 9 4 接口技术的研究 。 7 6 3 6 47 v 摘要 本文着重分析研究i e e e1 3 9 4 a 一2 0 0 0 体系结构及其通信协议，针对红外图像 数据传输的大批、高速、实时的要求，开发研究出1 3 9 4 接口电路在外设端应用 方案。相比较于u s b 的传输特点，13 9 4 支持点到点的传输，支持4 0 0 m b p s 、2 0 0 i d b p s 和1 0 0 m b p s 传输率，消除了主机处理器内存瓶颈，具有可升级性、易扩展、即 插即用、使用方便、成本低、速度高等特点。1 3 9 4 总线的高速性和独立于主机 的操作能力，使它成为本设计接1 3 的首选。本设计的核心器件采用t i ( 德州仪器) 13 9 4 物理层和链路层整合的芯片t s b 4 3 a a 8 2 和菲利普公司微控制器x a - g 3 7 芯片，文中给出了关键电路设计方案及驱动程序的设计思路。本文设计的结果将 为q 5 米以内的计算机和其他标准视频设各的连接提供高速串行接口，其传输速 率达到4 0 0 l b p s 。 关键词：i e e e1 3 9 4 a 2 0 0 0 ，接1 3 技术，红外图像传输 坝i j 学位论文用于红外例象传输的1 3 9 4 接口技术的研究 a b s t r a c t t h ei e e e13 9 4 a - 2 0 0 0s t r u c t u r ea n dc o m m u n i c a t i n gp r o t o c o li sd i s c u s s e di n t h i sd i s s e r t a t i o n i e e e1 3 9 4b u sp o s s e s s e so f m a n ya d v a n t a g e ss u c ha su p g r a d e a b i l i t y ， e x p a n d a b i l i t y , p l u ga n dp l a y ，e a s e o f - u s e ，l o wc o s ta n dh i g hs p e e d c o m p a r e dw i t h t h eu s b ，t h ei e e e13 9 4b u se l i m i n a t e st h eb o t t l e n e c kb e t w e e nah o s tp r o c e s s o ra n d t h ee m sm e m o r y , a n ds u p p o r t sad a t er a t eo f1 0 0m b p s ，2 0 0m b p sa n d4 0 0m b p s b e c a u s eo fi t s h i g hs p e e da n da b i l i t yo fh o s t - i n d e p e n d e n t ，t h e1 3 9 4b u sb e c o m e st h e p r e f e r r e dc h o i c ei n t h i sd e s i g n i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h eb l u ep r i n to ft h ek e yc i r c u i t d e s i g n i n ga n dt h ed r i v e r a l eg i v e nb yu s i n gt h em i c r o c o n t r o l l e rx a g 3 7a n dt h e t s b 4 3 a a 8 2 a ，w h i c hi sah i 曲p e r f o r m a n c e13 9 4i n t e g r a t e dp h ya n dl i n kl a y e r c o n t r o l l e r t h i sd e s i g ns h a l lp r o v i d et h eh i g h - s p e e ds e r i a li n t e r f a c ef o rt h ec o n n e c t i n g o fc o m p u t e ra n ds o m eo t h e rs t a n d a r dv i d e oe q u i p m e n tw i t h i n4 5m e t e r s ，r e a c h i n ga d a t er a t eo f 4 0 0m b p s k e y w o r d s ：i e e e1 3 9 4 a - 2 0 0 0 ，i n t e r f a c et e c h n i q u e ，t r a n s m i s s i o no f i n f r a r e d - - i m a g e 南京圳1 二人学硕+ 学位论文用于红外图像传输的1 3 9 4 接口的技术研究 1 绪论 1 1i e e e1 3 9 4 的发展背景 随着科技的发展，人们进入了数字化时代。数字信息逐渐取代传统的模拟 视频、音频信息。数字化的视频、音频信息不但能够保证信息的质量，而且大 大的方便了对信息的各种处理。然而在传输过程中，信息还是以模拟的形式进 行的。无论是模数转换还是数模转换，或多或少都会降低信号的质量，所以保 证信号在电缆中以数字形式传输为势在必然；另一方面，各种各样的总线标准 给电气设备的生产和使用带来了诸多不便。因此，人们迫切需要一种能在高速 数字设备之间实现灵活通信的串行总线。i n t e l 的u s b1 0 总线的最大传输速率 仅有1 2 m b p s ，远不能满足此类设备的需求，而u s b2 0 和串行a t a l 0 等新规范 又缺乏软硬件支持。恰在此时，性能出色、传输速率高达4 0 0 m b p s 且技术成熟 的i e e e1 3 9 4 总线开始显露锋芒，成为应用热点。在这样的背景下，1 9 9 5 年1 2 月，电气与电子工程师协会( i e e e ) 正式通过了苹果公司的i e e e1 3 9 4 串行总 线标准。 1 2i e e e1 3 9 4 的发展历程 早在1 9 8 5 年，苹果公司就以经开始着手研究i e e e1 3 9 4 的前身f i r e w i r e ( 火线) 技术，在1 9 8 6 年由m i c h a e lt e e n e r 所草拟。德州仪器( t i ) 与索尼 公司对该技术给予了支持，为其研制了通信芯片，用于数码相机等影响设备的 数字接口。f i r e w i r e 是苹果公司的商标，而索尼公司称其为i l i n k ，德州仪器 称其为l y n x 。实际上，所有的商标名称都是同一个技术i e e e1 3 9 4 。 f i r e w i r e 于1 9 8 7 年完成，但是这个标准正式确立却是1 0 年之后。1 9 9 4 年 成立了i e e e1 3 9 4t a ( t r a d ea s s o c i a t i o n ) ，主要负责基于i e e e1 3 9 4 的应用 规格的制定和推广普及工作。1 9 9 5 年，i e e e 正式认可为i e e e1 3 9 4 1 9 9 5 中存 在一些模糊的定义，所以1 3 9 4 装置在前几年并不普及。后来有一份补充文件 ( i e e e1 3 9 4 a 草案) 来澄清疑点，更正错误及增进效能。由于i e e e1 3 9 4 的数 据传输速率相当快，因此有时又称其为“高速串行总线”并且被认为可以取代 并行总线s c s i 。 i e e e1 3 9 4 推广的最大障碍在于产品，因为主板芯片组直接对i e e e1 3 9 4 提供支持的几乎没有，要实现它必须依靠外接控制芯片，这样无疑大大提高了 南京础t _ 大学硕士学位论文 用于红外图像传输的1 3 9 4 接口的技术研究 产品的成本，这是厂家和顾客都不希望看到的；如此一来，市场上支持i e e e1 3 9 4 接口的主板便是十分稀少。之后的几年里，i e e e1 3 9 4 一直发展有限，只是用来 连接数码摄像机。不过近一年来，随着成本下降，1 3 9 4 卡正迅速普及，并且逐 渐出现了其他一些相关设备，如数码相机，硬盘，w e b c a m 等，使i e e e1 3 9 4 接 口有了转机。 目前人们愈来愈认识到数字影像的品质比模拟影像好后，配有1 3 9 4 接口的 数字摄像机已经慢慢变成一种趋势。 1 9 9 6 年，美国生产家用电器的很多家厂商组成的数字摄像机论坛采用i e e e 1 3 9 4 作为数字视频音频的标准接口，利用这种接口，可直接连数字电视机。 索尼公司生产的家用电器已全面采用了i e e e1 3 9 4 的标准接口，实现了家用电 器的数字化和网络化。柯达公司已生产出支持i e e e1 3 9 4 标准的数字相机。支 持i e e e l 3 9 4 标准的产品正在不断地被开发出来。如i n t e l 公司正在开发i e e e 1 3 9 4 的接口芯片；微软公司已在w i n9 8 中支持i e e e1 3 9 4 接口，并已开发出支 持数字摄像机、数字录像机的设备驱动程序等等。 作为一种数据传输的开放式技术标准，i e e e1 3 9 4 被应用在众多领域。i e e e 1 3 9 4 技术最适用于数字成像领域，支持的产品包括数码相机或数码摄像机等。 然而i e e e1 3 9 4 的潜在应用远非这些，无论是在计算机硬盘还是在网络互连等 方面部具有广阔的发展空间。目前，内置i e e e1 3 9 4 技术的硬盘和p c 主机板已 经面世。软件业巨头m i c r o s o f t 也已经开始了面向i e e e1 3 9 4 的产品开发，新 近发布的w i n d o w sx p 也支持i e e e1 3 9 4 。无疑，这将大大推动i e e e1 3 9 4 技术 的普及和推广。 近来采用1 3 9 4 的计算机外设产品愈来愈多，例如外接式硬盘与c d 烧录机， 因此促进计算机加装1 3 9 4 传输端口。目前苹果计算机的产品全数装有1 3 9 4 传 输端口，日本价值1 0 0 美元以上的数字外围产品也几乎都配备1 3 9 4 接口；可以 预计未来绝大部分p c 都将会采用这种极具吸引力的传输规格。 i e e e1 3 9 4 已经在多媒体领域被广为接受，相信在急需一种可以把内部设备 ( 如硬盘) 和外部设备( 如数字相机) 连为一体的新型高速总线的p c 市场，i e e e 1 3 9 4 的前景也必将是一片光明。i e e e l 3 9 4 总线是一种新型串行高速总线，目前 正处于应用开发阶段。在国外，它首先受到家用电器生产厂家的重视。由于这 种总线的传输速率可达4 0 0 m b p s ，可在计算机与家用电器之间实时传送未经压缩 的图。 ， 南京珲t 大学硕七学位论文用于红外图像传输的1 3 9 4 接口的技术研究 1 3i e e e1 3 9 4 的性能特点 i e e e1 3 9 4 是为了增强外部多媒体设备与电脑连接性能而设计的高速串行 总线，传输速率可以达到4 0 0m b p s ，利用i e e e1 3 9 4 技术我们可以轻易地把电 脑和如摄像机，高速硬盘，音响设备等多种多媒体设备连接n 7 1 2 4 - - 2 7 2 0 - 2 2 。总 体上说，i e e e1 3 9 4 具有以下特点： ( 1 ) 占用空间小： i e e e1 3 9 4 串行总线共有6 条铜质导线， 其中2 条用于设备供电，4 条用于数据信号 传输，相对于并行总线，串行总线更节省空 问。同时既小又细的串行电缆代替了各种巨 大而昂贵的接口。接口十分精巧，它的6 个 插针连接一对电源线和两对双绞信号线。如 图1 3 1 所示 ( 2 ) 即时数据传输： 电线 线信号 同时支持等时和异步两种数据传输模f p a t p a t p b t p b - - 式，在异步数据传输模式下，信息的传输可 图1 3 11 3 9 4 线缆结构 以被中断；而在等时传输模式下数据能在 不受任何中断和干扰的情况下实现连续传输。在等时数据传输的同时可进行异 步数据传输，在一定的时间内能够进行数据的顺序传输，从而将数字声音、图 像信息实时准确地传输至接收设备。 ( 3 ) 支持较远距离的传输： 普通线缆环境下，两个设备之间的最大距离可达到4 5 m ( 高级线缆可达 1 5 m ) ，使用中继器可以延长两个设备间的距离至7 2 m ，跨越最多1 6 个中继器。 1 3 9 4 b 规范支持多介质传输，用玻璃光缆或5 类双绞线传输，设备间距离可达 1 0 0 m 以上。 ( 4 ) 内存映射的架构： 遵循a n s ii e e e - - 1 2 1 2 控制及状态寄存器( c s r ) 标准，该标准定义了6 4 位 的地址空间，可寻址1 0 2 4 条总线的6 3 个节点。每个节点可包含2 5 6 兆的内存 空间。所有i e e e1 3 9 4 总线上的资源，皆可以映射到某段内存地址，并依此方 式来存取数据。 ( 5 ) 1 3 9 4 接线可提供电源： 具有完备的电源管理体系，既可以通过串联线缆为接驳设备供电，又可以 通过电他或其它的电力设备供电，也可以使用两种供电方式的组合；并且支持 3 南京理t 人学硕士学位论文用于红外图像传输的1 3 9 4 接口的技术研究 节约能源的挂起和恢复机制；同时也能向总线供电。 ( 6 ) 通用i 0 连接头： 整合各种p c 的连接头成为一种万用的连接头，使用者就不用花时间辨认不 同外围设备要接到那个接头，同时也降低了系统的成本。 ( 7 ) 点对点的通讯架构： 与其他支持外部设备的串行总线( 如u s b ) 不同，i e e e l 3 9 4 支持点到点传输， 这样串行总线节点在传输数据时并不需要主系统的干涉，因此不会增加主机的 负载，c p u 资源占用率低。这将使得启用设备之间的高速输入输出时，不会影 响到计算机系统的性能， ( 8 ) 支持多种总线速度： 适应不同应用要求。1 3 9 4 a 支持的速度范围为1 0 0 l b p s ，2 0 0 m b p s 和4 0 0 m b p s ， 其中支持l o o m b p s 和2 0 0 t d b p s 的总线设备已经推出。1 3 9 4 b 支持的速度更高，为 8 0 0 m b p s ，1 6 0 0 m b p s 和3 2 0 0 m b p s 。不象u s b ，在一个1 3 9 4 系统中，各种速度的 设备可以共存，但不互相影响通讯速度。 ( 9 ) i e e e1 3 9 4 是最理想的多媒体设备的接口： i e e e1 3 9 4 支持等时传输模式，等时传输模式会确保某一连线的频宽。对 于如数码摄录机这种记录容量大，又需要非常高精度的传输的设备，i e e e1 3 9 4 就最适合了。 ( 1 0 ) 支持热插拔： i e e e1 3 9 4 可以自动侦测设备的加入与移出动作并对系统做重新整合，无须 人工干预。这就意味着在任何时刻，用户均可以将设备加入到总线中或从总线 中移去而不必关掉电源或重新启动计算机。总线控制器会自动重新配置好设备。 每个设各的资源均由总线控制自动分配，用户不作任何繁琐的配置工作。 1 4i e e e1 3 9 4 产品在中国的应用 我国i e e e1 3 9 4 总线产品的应用主要集中在三个领域：家电行业、个人计 算机行业和专业音视频行业“”。 1 家电行业 在家用消费类电子产品中，以高端视频设备使用1 3 9 4 接口为多，如数字摄 录机、数字录像机、数字电视、游戏机等产品。其中以索尼公司的产品为大家 所熟悉，国内的一些单位也在进行技术研究。在国际上，1 3 9 4 t a 的主要方向也 是占领这部分市场。 2 个人计算机行业 南京珊丁大学硕十学位论文用于红外图像传输的1 3 9 4 接口的技术研究 在个人计算机行业中，i e e e1 3 9 4 的主要对手是u s b 。虽然从两者的市场划 分来看，u s b 是以低端市场入手，逐步向高端扩展；而i e e e1 3 9 4 正好相反， 是从高端市场作入口来占领市场。因此，两者并不是针锋相对地竞争。但由于 二者的性能相似，所以常在一起作比较。虽然在苹果电脑公司的m a c 机上1 3 9 4 接口是标准配置，但由于i n t e l 没有支持1 3 9 4 接口而是推动u s b ，所以1 3 9 4 在 我国个人机用户中认知率和普及率并不高。市场上多见的产品主要是高端外围 设备如高档声卡、高清晰度视频采集卡、单纯的1 3 9 4 接口卡、移动硬盘、d v d 刻录机等。而其中大部分是因为用户为了配合相关家电的使用才选购的。 随着w i n d o w s 系列操作系统对1 3 9 4 接口的全面支持，高档数字音视频设备用户 的增加，1 3 9 4 接口的使用量可能会有一定提高。国内的电脑公司在笔记本和台 式机上已经开始配置1 3 9 4 接口并作为卖点之一。由于在个人机应用上没有充分 发挥1 3 9 4 接口的点对点、实时传输等性能，所以用高速、热插拔、长距离等特 点s n u s b 比较，1 3 9 4 芹w u s b 的竞争还会继续下去。至于以1 3 9 4 技术为基础的家 庭网络，目前还不成熟，而且还有来自i e e e8 0 2 1 1 系列的竞争，需要看来来 的发展。 3 专业音视频行业 专业音视频行业是使用1 3 9 4 设备的重要力量。由于i e e e1 3 9 4 的实时技术 可以使数据发送时间与接收者精确同步，这一点是音视频工作最需要的特征。 而且：1 3 9 4 总线也可同时让数字音频、m i d i 、数字视频和控制信号在上面传输， 这样可大大简化设备的连接复杂度，提高设备组织的灵活性。所以，在广播电 视业务和专业领域的数字摄录设备上有着广泛的应用。音频编辑领域也大量用 了1 3 9 4 设备作为数字音频信号的传输媒体。如小谷( o t a r i ) 、雅马哈、索尼等 公司都有大量的支持设备。 4 其他情况 从标准的先进性来看，该标准对国内信息家电设备的互连具有指导作用。 但由于1 3 9 4 相对复杂度高、专利费用和设备开发费用昂贵等问题，限制了它在 国内的发展。目前使用i e e e1 3 9 4 标准只限于中高端产品。i e e e1 3 9 4 在国内 的应用主要是设备级的使用，即直接利用现有的1394 成套设备来满足工作 需要，或采用o e m 的方式配置1 3 9 4 接口，而对接口的研发程度不深。从标准化 的角度来看，国内厂商对1 3 9 4 基础技术的研究热情还不很高、持观望态度，对 i e e e1 3 9 4 a 及i e e e1 3 9 4 b 的理解还不透彻，因此暂时还没有将后续标准转化为 国家标准或行业标准的计划。随着国内技术的发展，将会在未来推进1 3 9 4 系列 或类似国外先进标准的工作，并争取融入国际标准制定的行列中去，进而提高 国内企业的竞争力。 南京理t 大学硕十学位论文用于红外罔像传输的1 3 9 4 接口的技术研究 1 5 本设计主要的研究任务 当今的计算机外围设备都在追求高速性和高通用性，尤其红外热像仪在进 行图像数据处理和传输时，数据的大批量、高速、实时性对计算机与外设的接 口提出了更高的要求。 项目要求原始图像数据通过高速接口向计算机传输。如此大批量的未经过 压缩的数据传输要达到实时性，必须有高速的接口设备才可以实现。目前新型 接口有两种：u s b 和1 3 9 4 接口。它们都支持即插即用，具有易扩展、使用方便、 成本低等特点。但在任何u s b 系统中，只能有一个主机，最多可按1 2 7 个外设， 在全速模式下的传输率为5 0 0 k b p s - - l o m b p s 。而相比之下1 3 9 4 显得更胜一筹。 它支持点到点的传输，消除了主机处理器内存瓶颈，具有可升级性，支持 4 0 0 m b p s 、2 0 0 m b p s 和l o o m b p s 传输率。由于1 3 9 4 总线的高速性和独立于主机的 操作能力，使它成为本设计接口的首选。 本设计就是针对数据传输的大批、高速实时的要求，开发研究出1 3 9 4 接口 在外设端应用的测试板。其任务主要是提供给1 5 米以内的计算机和其他标准 视频设备连接，其传输速率需达到4 0 0m b p s 。 主要工作： 1 i e e e1 3 9 4 体系结构结分析与研究： 2 i e e e1 3 9 4 通信协议研究； 3 i e e e1 3 9 4 接口电路原理方案研究； 4 i e e e1 3 9 4 接口电路设计。 南京理t 大学硕士学位论文用于红外图像传输的1 3 9 4 接口的技术研究 2i e e e1 3 9 4 体系结构 串行总线体系根据节点定义，一个节点是一个可寻址实体，它能被独立地 复位和标识。一个模块中有多个节点，一个节点有多个单元。 节点是一个拥有唯一地址地逻辑实体。它提供了一个可识别r o m 和一套 标准化了地控制寄存器，能够独立的被复位。 2 1 i e e e1 3 9 4 的拓扑结构 1 3 9 4 串行总线的拓扑结构可以分为两种环境：底板环境和电缆环境。不同 环境间总线的连接需要总线桥。 电缆环境下的物理拓扑结构是无环网络结构，由电缆连接各节点间的端口， 呈分支扩展，形成树状或菊花状的网络拓扑。每个端口由收发器和一些简单的 逻辑单元组成，线缆和端口的作用就是总线中继器，在节点间形成条逻辑总 线。由于每个节点都中继数据、电源和地信号，所以即使本地电源关闭时，物 理层仍然可以工作。如果一个节点耗电量不太大，它完全可以通过线缆供电来 正常工作。1 3 9 4 串行总线可以提供8 8 0 v 电压和最高1 5 a 的电流，实际工作 时的电流和系统有关【3 】。图2 1 _ 1 为底板环境和线缆环境联合使用的情况： 阁2 1 1 底板环境与线缆环境通过总线桥 底板环境中物理拓扑是多点接入( m u l t i d r o p ) 的总线，总线上分布着多个连 接器，允许节点直接插入，通过仲裁使各节点享用总线。1 3 9 4 串行总线可以和 一组标准并行总线并存于设备的底板上。总线通过i e e e 总线标准中为串行通信 保留的两根信号线可以从底板环境扩展到线缆环境。 7 南京理t 大学硕七学位论文 用于红外图像传输的1 3 9 4 接r l 的技术研究 2 2i e e e1 3 9 4 的连接方式和寻址 i e e e1 3 9 4 控制芯片只能提供3 个接口，所以一般i e e e l 3 9 4 接口卡的节点 有单e l 、双口和三口3 种，它的连接方式可用链状或树型方式联结。 c s r 体系结构定义了3 2 位和6 4 位的寻址模式，1 3 9 4 总线只遵循c s r 体系 结构6 4 位固定寻址方式，高1 6 位为节点标识，余下是节点内部寻址。 节点标识又分为两个部分： 最前面l o 位是“总线”的编号( b u s i d ) ，当此1 0 位全部为l 时，表示广 播到所有总线上，因此可寻址2 一1 = 1 0 2 3 个网络。再下来的6 位就是物理标 识( p h y s i c a l i d ) ，用于寻址网络上的节点号码，当此6 位全部为l 时，表示 广播到网络上所有的节点，因此个网络上最多可按2 6 1 = 6 3 台设备。 再下来的4 8 位是节点的缓存器区及私有区”。总容量为2 ”b 的节点空间分 为三种： ( 1 ) 初始内存空间 ( 2 ) 私有空间 ( 3 ) 初始寄存器空间 a ) 2 k b 的c s r 结构空间： b ) 最先i k b 的r o 虻i d 空间； c ) 串行总线的寄存器空间； d ) 初始元件空间。 其中，起始处的2 k b 空间保留给控制状态寄存器、1 3 9 4 总线寄存器和r o m 标识的头i k b 空间，余下的作为初始元件空间。 对于串行总线，节点只需用初始元件空间的头2 0 4 8 b 。这2 0 4 8 b 加上c s r 、 r o m 共4 k b 就是所谓的1 3 9 4c s r 空间。 我们以循环开始包为例来说明寻址的方法。在等时循环中，每1 2 5 u s 都由 个特定节点( 循环控制器) 发送个循环开始包，这个开始包的主要目的时 使总线上所有的节点取得同步，它对所有节点的“c y c l e j i m e ”寄存器进行寻 址并向其中写入新的值。 既然循环开始包要向总线上所有节点发送数据，那么它必定是个广播包， 所以总线地址和节点地址应该全为“1 ”，即： b u s i d = 3 f f hn o d e i d = 3 f h 节点寄存器空间的其实地址为f f f ff f f ff f f f0 0 0 0 h ，在后面我们会知道 c y c e _ t i m e 寄存器在这个寄存器空间内的偏移址为2 0 0 h ，所以发送循环开始包 南京删工大学硕士学位论文用于红外图像传输的1 3 9 4 接口的技术研究 时所对应的6 4 位地址应该如图2 2 1 所示 图2 2 1c y c l e t i m e 寄存器 由于连接的节点数是有限制的，同节点链状直线连接最多为1 6 台设备，各 分段距离最长为4 5 m ，而每个树型结构最多可连接6 3 台。在每一个节点上可以 以对等的方式( p e e rt op e e r ) 传送数据，在一般i e e e l 3 9 4 的网络上会有一台计 算机，但它不一定需要介入总线仲裁或数据传送的工作。当有一新设备加入i e e e 1 3 9 4 的网络时，该设备会自动被给予一个识别码，大大简化了手动设定设备地 址的麻烦。 2 3i e e e1 3 9 4 的通信模型 i e e e l 3 9 4 可支持两种传输模式：一为异步( a s y n c h r o n o u s ) 传输；另一为等 时( i s o c h r o n o u s ) 传输。 当采用异步模式传送数据时，其数据的传输是非连续性的，反应时间较灵 敏，具有c r c 检测，数据传输错误可重发，i e e e l 3 9 4 会根据不同设备的实际需 要分配相应的带宽。当某个设备需要向其它设备发送信息时，会发出专门的连 接信号，且必须有相对应的响应( a c k n o w l e d g e ) ，因此，它会追踪数据的传送与 接收是否正确，告知其它设备自己将要使用某一带宽。如果用户希望在设备列 络中传送视频流信息的话。使用上述模式则无法实现视频信息的连续正常传送。 这是因为如果在发送视频信息的同时有其它的设备要求占用总线带宽的话，视 频数据流将会被中断，从而导致画丽质量的降低”3 。 等时传输其数据的传输是连续性的，保证了视频和其它类似设备能够持续 地占据和使用自己所需要的带宽，具有c r c 检测，可传播，不具有响应，因其 具有等时性，所以可应用在视频及音频等实时数据传输上。该模式一般而言， i e e e l 3 9 4 一个传输周期为1 2 5 u s ，在这1 2 5 u s 的时间中等时性传输会优先被处 理，随后异步传输才可被处理( 约占2 5 u s ) 。在异步传输模式下，信息的传送可 以被中断；而在同步传输模式下，数据将在不受任何中断和干扰的情况下实现 南京理丁= 学硕士学位论文 用于红外图像传输的1 3 9 , t 接口的技术研究 连续传送。 2 4 i e e e1 3 9 4 的协议结构 i e e e l 3 9 4 接口的传输通过分层协议实现，分为事务层、链路层、物理层和 串行总线管理“。”3 。图2 4 1 即是1 3 9 4 的协议结构 微处瑚嚣 p c i 总线 图2 4 11 3 9 4 的架构 莲接嚣 2 4 1 串行总线管理层 串行总线管理描述了协议、服务和操作程序。由此一个行使管理级控制的 节点能够管理总线上其他节点的操作。在所有环境中，节点控制者部件如c r s 或者r o m 结构等，被用来构造和管理在一个独立节点上的活动。 总线管理的服务为：提供全部总线的控制功能，包括确保向所有总线连接 设备的电力供应；优化定时机制；分配异步传输的通道i d 和总线带宽；咀及处 理基本错误提示等m m 。嘲m 删。 在电缆环境中，有两个管理实体被定义，同步资源管理着和总线管理者。 这两个管理者可以在同一个节点或不同的节点设置。管理目的的有效结台代表 塑曼型三查鲎婴主堂些堡壅 旦主堑苎里堡堕塑塑塑生鲎旦竺茎查堡塑_ _ 一 了等时资源管理者的存在和总线管理者的不存在。在这种环境下，等时资源管 理者会练习由总线管理者家丁的管理责任的子集。另一个有效结合就是没有任 何总线管理者，那么等时通信就不能被允许了。 在背板环境中，更多的码元有主背板决定比较重要，所以，对中心控制的 需求就减少了，主背板区潜在的需求挂历支持在等时数据可选设备支持的时候 发生。 串行总线管理主要由三个部分组成： a ) 总线管理器；在总线上只有一个节点可以充当总线管理器的角色。 b ) 节点控制器：所有没有充当总线管理器的节点也有自己独立的节点控制 器。 c ) 等时资源管理器：用来分配带宽和其他的等时资源。 2 4 2 事务层 只处理异步数据包，遵循c s r 结构的请求响应协议。提供r e a d 、惭i 8 和l o c k 命令。 r e a d 命令某一个特定地址的数据由响应者到数据请求者的过程 w r i t e 命令数据由一个请求者到一个或者多个响应者的过程 l 。c k 命令数据从请求者到响应者，然后在响应者内部的确定地址进行 处理，并且返回请求者的过程。即：通道生成住返通路实现r e a d 和”。8 碧嬖： 注意的是虽然事务层通过对等时控制c s r 寄存器进行读取和比较交换等 操作，为等时传输提供了一条通往总线管理层的通路，但是事务譬絮不提供任 藉晶于等时传输的服务。等时传输应该有应用程序直接驱动“”。2 ”。“。 事务层功能由固件实现。 ( 1 ) 事务层有四种服务原语组成：这些原语及其数据流的关系如图2 t 4 2 所示： a 请求由一个请求者使用的开始事务的原语； b 指示用来通知正在输入请求的响应者的原语； c 响应由响应者用来返回状态和可能的给请求者的数据的原语； d 确认用来通知请求者相应的响应到来的原语： 事务请求 事务确认 图2 4 2 事务服务 务指示 务响应 南京理工人学硕士学位论文用于红外图像传输的1 3 9 4 接口的技术研究 串行总线结构将一个事务中的数据字节的最大数目限制到2 的乘幂，所以 整个异步连接层的包传送少于6 2 u s ( 这是等时周期的一半) 。这意味着异步包的 数据负载在9 8 3 0 4 l b p s ，电缆的基本速率下被限制到5 1 2 字节。在更高的速率 下可以传送更长的包，在较低的速率下传送较短的包。然而实现可能被加以更 多的闲置。唯一需要的事务实在q u a d e t 地址上的q u a d l e t 读写( 这些是访问 标准的c s r 资源所必须的事务) 。另外，那些想竞争总线管理资源的节点也将完 成q u a d i e t “比较交换”请求和确认，拥有这些资源的节点将完成q u a d l e t “比 较交换”指示和响应。 ( 2 ) 加锁子命令 既然串行总线支持分开事务，当事务学列完成不可分的测试一置位操作时 串行总线不能只是简单的被加锁。因此，专门加锁事务被定义为把请求者的 意图传达给响应者，这样就允许在响应者完成不可分的更新。有一个标准加锁 事务格式，但是有好几个不同的子命令定义有条件和无条件的更新行为。 加锁子命令服从c s r 体系结构，并以完成取、加、比较、交换初始化必须 的模型为基础。别的子命令定义另外的更新行为，这些更薪事件可以很容易的 通过稍微增加设备来完成基本的数据存储单元，两个加锁请求里发出的数据值 ( 请求数据和请求变元) ，一个在加锁响应里返回的数据值( 响应数据) 。这个 数据模型的模块图如图2 4 3 所示： 图2 4 3 简化加锁模型 c o m p a r e s w a p 加锁服务同r e q u e s t a r g 和m e m o r y d a t a 的值相比较，如果 这些值时相同的，那么，m e m o r y d a t a 将被加载成r e q u e s t d a t a 的值。然而， 如果这些值不相同，那么m e m o r y d a t a 保持不变。在别的情况下，r e q u e s t d a t a 返回m e m o r y d a t a 的初始化值。 m a s k s w a p 加锁事务执行一个按位的操作。如果每一个r e q u e s t _ a r g 掩码位 被设置为l ，那么相应的m e m o r y d a t a 的位被设置成相应的r e q u e s t d a t a 位的 值。每一个r e q u e s t a r g 掩码位被清除的话，相应的m e m o r y d a t a 的位保持不 变。在别的情况下，r e q u e s t d a t a 返回m e m o r y d a t a 的初始值。 南京瑚t 人学碗十学位论文用于红外图像传输的 3 9 4 接口的技术研究 f e t c ha d d 加锁事务将r e q u e s t d a t a 的值加到m e m o r y d a t a 中。 r e q u e s t a r g 的值被忽略。r e q u e s t d a t a 返回m e m o r y d a t a 的初始值。 这四个数据值( m e m o r y d a t a 、r e q u e s t d a t a 、r e q u e s t d a t a 和 r e s p o n s e d a t a ) 是同样的大小，或是3 2 位或是6 4 位。多有的加锁事务都是可 选的，但是如果任意加锁事务被执行，那么m a s k s w a p 和c o m p a r e s w a p 操作也 将被执行。 子事件队列独立性 对于分开一响应串行总线设计模型，分离的和独立的队列为输入和传出事 务的响应而存在。对于一个从来没有明确产生读写和加锁事务的单响应者，两 个队列就足够了，一个用来接受事务请求，另一个用来发送事务响应。这些队 列是独立的，也就是说响应队列子事件的发送并不会被请求队列包的重试状态 所影响。 一个复杂的事务请求者响应者节点( 典型的如有带一步d 姒能力的节点) 有两队队列。最为事务请求者，一个输出请求队列保持一个等待被发送的事务 请求：输入响应队列保持被返回的事务响应。作为响应者，一个请求队列保持 向该节点寻址的事务请求：而输出响应队列保持将被返回的事务响应。作为一 个c p u 或者其他高层协议的启动程序，这些队列必须单独的被处理：避免死锁， 即事务请求的发送不能阻塞事务响应的发送；避免饥饿，即事务响应的发送不 能阻塞事务请求的发送。在类似的方法中，d m a 设备队列也必须单独运行：避免 死锁，即对前一个事请求的接受不会阻塞对事务响应的接受：避免饥饿，即对 前一个事务响应的接受不会阻塞对接下来的事务请求的接受： 桥已经把度列分为事务请求和事务响应，使他们在各自的方向活动，所以， 被串行总线节点初始化的事务和被其他总线初始化的事务能够独立的被处理。 队列的独立性对节点的重试协议有影响，就是说事务请求和响应队列必须 被独立地服务。当使用了重试协议，请求和响应以顺序方式被重试，并且从事 务请求响应队列的重试必须交错进行，所以在每四个共享中断至少有一个重试。 这四个共享中断约束提供了灵活性，可以同时处理每一个事务请求和响应队列 一个r e t r y x 年口r e t r y _ a r e t r y b 。 2 4 3 链路层 对于异步事务，链路层提供了事务层和物理层之间的接口，还提供了基于 与事务层相同的请求响应模型的各种服务；对于等时事务，链路层提供等时 软件驱动程序和物理层间的接口。提供等时初臣步模式下的数据包接收确认、 定址、数据校验以及数据分帧等“7 “”。2 ”。”。 链路层提供了半双工数据包传送服务。发送一个简单数据包的过程称为子 南京瑚工大学硕十学位论文用于红外图像传输的1 3 9 4 接口的技术研究 行为。在串行总线链路层使用了两种类型“1 。 a 异步子行为大量的可变数据和几个字节的事务层信息被传送到一个明 确的地址并返回一个确认符。 b 等时子行为也称为“信道”。大量的可变数据被按规则中断传送，有 明确寻址但是没有确认符返回。 子行为有以下三种可能的形式： a 仲裁队列要传送数据包的节点请求物理层来获得总线的控制权。如果 节点已经获得总线控制权，物理层将立刻对链路层作出响应。 b ，数据包的传输对于异步予行为，源节点发送数据前缀洗脑( 如果需 要，包含一个速度码) 、节点的源地址和目的地址、事务代码、事务标签、重试 代码、数据、一个或者两个循环冗余码和包结束标识( 也是另一个数据的前缀 或者个数据的结束信号) 。等时子行为包含了一个通道标识符而不是源地址和 目的地址，而且没有事务标签或者重试代码。 c 确认符对确定的目的地址返回的唯一代码，表明被包接收器接受。 等时的包和异步广播包没有确认符。确认符也在数据前缀的前面并且终止于另 一个数据前缀或数据末尾。 所有的异步子行为一般被周期性空闲总线分开，被称为“子行为间隙”。如 图2 4 4 所示： 数据前子行为 数据后缀数据前子行为数据后缀 兰一篓一 图2 4 4 异步子行为的例子 值得注意的是间隙一般出现在总线上包发送和确认符接受之间。这种响应 间隙有不同嘎的长度，取决于对于连接请求和确认符的发送者和接受者在总线 上的位胃。然而响应间隙的最大长度也比一个子行为的间隙短，以保证总线上 的其他节点不能在确认符收到之前开始仲裁。 链路层功能由硬件实现。 ( 1 ) 链路层的服务 链路层也有请求、指示、响应和确认服务原语，如图2 4 5 所示 请求被连接请求者用来发送一个数据包给一个连接响应者的原语： 南京硎t 人学硕+ 学位论文用于红外图像传输的1 3 9 4 按 | 的技术研究 指示被连接响应者执行的包接收； 响应由连接响应者完成的一个确认发送 确认由请求者完成的确认的接收 连接请求 连接确认 请求者链路层响应者链路层 指示 响应 图2 4 5 链路层服务 ( 2 ) 链路层与事务层的相互作用 事务层和链路层以种最优化总线使用的方式相互作用。 写处理可以以两种不同的方法实现：统一的或分离的；分离处理和同步子 行为在定环境下可以被连接；一个忙的事务层可以加强在对等层上有限的流 程控制。 a 统一处理 如果响应事务层和链路层足够快，那么完全的写事务完成单链路层子行为： 数据包和响应确认符的传输，如图2 4 6 所示： 写 请 求 写 确 认 请求者 事务层 请求者 连接层 响应者 连接层 响应者 事务层 数据包媒体数数据包 请求 据包指示 写指矛 一 7 请求子行为 一j l 1 11 确认确认响应写响 图2 4 6 统一事务实例 b 分离处理 当响应的层很慢的时候，分离事务分开要求链路层的请求和响应子行为。 注意，其他的链路层子行为可能在一个简单事务的请求和响应之间使用总线。 如图2 4 7 所示： 南京弹工人学硕士学位论文用于红外图像传输的1 3 9 4 接口的技术研究 其他链路层操作 个子行为之间 请求者 事务层 请求者 连接层 响应者 连接层 响应者 事务层 数据包媒体数数据包 请求据包指示 r r _ 7 ) ，指示请求子行为 j l 两 y 确认挂起确认挂起 ，胸应挂起 ， 无数彩无数据包无数写响应 包指示 包请求完成 r 1 j 请求子行为 响应完成确认响应 确认完成 图2 4 ，7 分开事务实例 c 子行为链接 如果数据必须双方向传输，那么分离事务经常被用于读和加锁事务类型。 但是如果读和加锁响应很快，两个子行为将直接跳过数据末尾、子行为间隙和 相应仲裁连接。用来发生连接的异步子行为如图2 4 8 所示。 请求者请求者响应者响应者 事务层连接层连接层事务层 霉 i 数据包i 媒体数i 数据包l 蘩1 篓誓包l 篓? 数l 耋耋包| 读 确 认 图2 4 8 使用连接子行为的分开事务 由于响应的仲裁被跳过，公平过程也不会加到响应上。数据前缀信号被用 来作为包请求确认符的终止符以表明响应包被连接。类似的，被同一个节点发 送的等时子行为可能被连接到一起。 南京王i f ! 工大学硕十学位论文用于红外图像传输的1 3 9 4 接口的技术研究 2 4 4 物理层 提供串行总线上传送的数据比特( 包) 的传输和接收所必需的电子和机械接 口，参与配置进程，处理数据传输和接收。物理层还实现了仲裁进程，以确保 i 司一时间上只有一个节点在总线上传输数据。 物理层功能由硬件实现“”。2 。2 “。 在实际操作过程中，设备必须首先要求控制物理层。如果进行异步传输， 数据发送和接收方互换地址然后进行数据传输。当接收方收到数据包时，会 向发送方传回确认信息。如果接收方没有收到数据包，则启动错误修复机制。 如果进行等时传输，发送方首先要求获得一个特定带宽的数据通道。然后 将通道i d 附加在所要传输的数据中一起发送。接收方对数据流进行检测，只有 当发现具有特定i d 号的数据时才进行接收。 等时数据传输模式在优先级上要高于异步传输模式。当一台设备发送等时 数据时，将获得个专用的数据通道，直到数据传送完毕为止。而同一时刻发 生的异步数据传输则只能使用当前所剩的可用带宽。上述机制充分保证了象视 频流这样的对时间延迟要求很高的应用，可以在不受其他应用于扰的情况下实 时完成。 一般来讲