（光学工程专业论文）基于ieee+1394总线的高速相机数据传输方案设计.pdf

哈尔滨t 程大学硕十研究牛学位论文 摘要 人类从外部环境所获取的所有信息中，视觉信息大约占8 0 。为满足人 们对图像质量越来越高的要求，图像传感器的像素点数不断增加，响应速度 不断提高，这为图像数据的传输增加了困难。 本文采用的高速相机输出数据为两路1 6 0 m b s 的串行数据，每秒8 0 0 0 帧图像，每帧2 0 4 8 个有效像素。针对该相机的特点，本文采用i e e e1 3 9 4 总 线的方式将图像数据传输到电脑的方案设计，并进行了相关的硬件设计和调 试。 本文首先介绍了i e e e1 3 9 4 总线的技术特点，包括总线的寻址、拓扑结 构、电气特点等，而后对异步传输和等时传输流程进行了详细的说明，并对 i e e e1 3 9 4 总线规定的各种标准数据包格式做了分析和说明。 硬件电路设计是本文的重要内容，本文采用f p g a 、t i 公司的链路层控 制器t s b l 2 l v 3 2 和物理层芯片t s b 4 1 a b l 设计1 3 9 4 终端设备，通过6 芯电 缆与上位机的1 3 9 4 数据采集卡相连接，组建1 3 9 4 总线通信网络。 最后对硬件程序的设计和调试进行说明，包括相机数据的接收、链路层 控制器的访问程序、异步数据的接收和发送、链路层控制器d m 端口数据发 送等内容。结合g r f 和a t f 的数据包格式，文章对上位机读取配置r o m 和 1 3 9 4 终端设备发送配置r o m 信息过程做了说明。文中使用状态机来控制各 部分电路，完成了部分实验内容。 关键词：i e e e1 3 9 4 ；f p g a ；链路层控制器；v h d l 设计 哈尔滨下程大学硕+ 研究生学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i t i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i a b s t r a c t a m o n g a l lt h ei n f o r m a t i o nh u m a nb e i n gg e t s ，i m a g et a k e s8 0p e r s e n t i n o r d e rt om e e tt h ed e m a n df o rh i g h e ri m a g eq u a l i t y , t h ei m a g es e n s o r s p i x e l sg r o w m u c hm o r e ，a n dt h e i rr e s p o n s er a t e sb e c o m em u c hf a s t e r ，w h i c he n h a n c e st h e b u r d e nt od a t at r a n s m i s s i o nc i r c u i t s t h eh i 曲s p e e dl i n e a rc c dc a m e r ai nt h i sp a p e rh a st w od a t ac h a n n e l s ，a n d t h eo u t p u td a t ar a t ei s16 0 m b i t se a c hc h a n n e l i tg i v e so u t8 0 0 0f r a m e sp e r s e c o n d ，w h i c hh a s2 0 4 8p i x e l si ns i n g l ef r a m e a c c o r d i n gt ot h e s ec h a r a c t e r s ， i e e e13 9 4b u si si n t r o d u c e di nt h i sp a p e rt ot r a n s m i tt h ed a t at oc o m p u t e r t h e13 9 4c h a r a c t e r s ，s u c ha sb u sa d d r e s s i n g ，t o p o l o g y , e l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa n ds oo na r ei n t r o d u c e da tf i r s t i ta l s ot e l l st h ep r i n c i p l eo f a s y n c h r o n o u st r a n s m i s s i o na n di s o c h r o n o u s t r a n s m i s s i o ni nd e t a i la sw e l la st h e s t a n d a r dd a t ap a c k e t s f p g a ，l l c ( 1 i n kl a y e rc o n t r o l l e r ) t s b 12 l v 3 2a n dp h y s i c a ll a y e r t s b 41a b 1i su s e di nt h i sa r t i c l ei no r d e rt oc o n s t r u c tt e r m i n a ld e v i c e t h e t e r m i n a ld e v i c ei sc o n n e c t e dt o13 9 4 t o p c ic a r di nc o m p u t e rw i t ha6w i r e sc a b l e t om a k ea1 3 9 4n e t t h i sa r t i c l ea n a l y s i st h ev h d l p r o g r a m ，w h i c hi n c l u d e st h ec a m e r a d a t a r e c e i v i n g ，a c c e s s i n gp r o g r a m t ol l c ，a s y n c h r o n o u sd a t ac o m m u n i c a t i o n ，d m p o r tt r a n s m i s s i o na n ds oo n c o m b i n i n gw i t hg r fa n da t f d a t af o r m a t ，i tt e l l s t h ec o n f i g u r a t i o nr o m t r a n s m i t t i n gp r o c e s s s t a t em a c h i n e sa r eu s e dt oc o n t r o l a l lp a r t so fc i r c u i t s ，h o w e v e r , t h em a i ns t a t em a c h i n ed o e sn o tw o r kw e l l ，a n di t j u s tf i n i s h e sp a r t so fa l lf u n c t i o n s k e y w o r d s ：i e e e13 9 4 ；f p g a ；l l c ( 1 i n kl a y e rc o n t r o l l e r ) ；v h d ld e s i g n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 作者( 签字) ：础 日期：如鹋年b 月憎日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：三盗强、 日期：州年6 月7 2 e t 导师( 签字) ： 唧饵3 日 如络 哈尔滨r 稃大学硕十研究生学佗论文 _ii i 第一章绪论弟一早珀t 匕= 1 1 机器视觉 进入到2 1 世纪以来，人类社会已经步入到信息时代的殿堂，人类获取和 采集信息的途径越来越广泛，处理信息的方式与能力也越来越成熟。在科技 突发猛进的今天，信息的获取和处理已经成为一种产业。据统计，在人类从 外部环境所获取的所有信息中，视觉信息大约占8 0 【1 1 。在所有信息当中， 图像信息具有直观和形象的特点，图像信息的应用已经涉及到科学研究、工 农业生产、教育、医疗、娱乐、安防监控等各个领域2 1 ，由此产生了机器视 觉的概念。 1 1 1 机器视觉简介 美国制造工程师协会( s m e ) 机器视觉分会和美国机器人工业协会( r j a ) 的自动化视觉分会对机器视觉下的定义为【3 】：“机器视觉是通过光学的装置和 非接触的传感器自动地接受和处理一个真实物体的图像，以获得所需信息或 用于控制机器人运动的装置 。 一圆一图一图 网 l 电路i 1 _ j 图1 1 机器视觉系统示意图 机器视觉技术用计算机来分析一个图像，并根据分析得出结论。机器视 觉系统的主要应用之一是用它来探测与辨识部件，光学器件允许处理器更精 确的观察目标，并对哪些部件可以通过，哪些需要废弃做出有效的决定；机 器视觉的另一个主要应用是用来创造一个部件，即运用复杂光学器件和软件 相结合直接指导制造过程。视觉检测系纠4 l 般以计算机为中心，由光源系 统、图像传感器、图像采集单元、图像处理单元以及控制单元等组成。 哈尔滨t 稗大学硕十研究生学位论文 光源是机器视觉中的重要组成部分，它和图像传感器一起构成视觉传感 单元。图像采集单元主要接收来自图像传感单元的数据，并发送给图像处理 单元。通过处理单元通过对采集到的数据的分析和处理将结果发送至控制单 元，并由控制单元做出相应的处理。这是整个机器视觉系统工作的基本原理。 1 1 2 机器视觉的现状及发展 目前，图像机器视觉技术在美国、欧洲、日本等发达国家的应用已经非 常普及。一方面其生产自动化程度高，人力成本占整个生产成本的比例较大， 消费者对产品质量和一致性的要求就也很高。另一方面其设备制造业比较发 达，高科技产品所占的比例比较大。这些因素使得机器视觉技术得到了广泛 的应用。 据统计【5 】，2 0 0 6 年北美机器视觉应用市场中，半导体制造业所占据的份 额最大，约为3 8 亿美元，电子电器制造业约为1 4 亿美元。机器视觉在整 个制造业的应用占所有应用的9 5 以上。相对于制造业，在非制造业方面， 交通、实验室、医疗等机器视觉的传统应用领域的市场额可以忽略。由此可 见，在北美地区，机器视觉已经形成了产业结构，有着巨大的发展潜力和应 用领域。 到目前为止，机器视觉技术虽然在我国工农业领域有了广泛的应用，但 是由于国产的成像器件还只是停留在实验室阶段，国内所使用的机器视觉产 品大多是采用国外的器件和设备，成本高，缺乏能够形成规模的产业支撑， 因此发展一直缓慢。但从长远来看，伴随中国工业化进程的加快、工业体系 的完善和参与国际竞争的必定要求，机器视觉技术的应用领域必将越来越广， 机器视觉的应用市场也将越来也大，机器视觉在我国形成产业也将很快实现。 1 2 本课题的意义和目的 随着机器视觉技术的发展，成像器件越来越成熟，其像素数量倍增，成 像速度也越来越快，这对于图像数据的传输和存储技术提出了更高的要求， 使图像的数据传输成为制约机器视觉的一个瓶颈。例如德国m i k r o t r o n 公司 生产的d s c u b e 4 系列的高速记录相机的单帧分辨率为1 2 8 0 1 0 2 4 像素，满 2 哈尔滨t 稗大学硕十研究，七学位论文 i f r r i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 分辨率最高帧数为1 0 0 0 帧s 6 1 ，这意味着当采用8 位r g b 数据采集原始数据 时的数据流量为3 6 g b y t e s ，而目前工业上常用的、成熟的通信协议很难达 到这么高的数据传输速率。 本文使用的相机输出为两路1 6 0 m b s 的串行数据，每秒钟8 0 0 0 帧图像， 每帧图像2 0 4 8 个像素点【7 1 。基于相机的上述特点，本文提出了采用i e e e1 3 9 4 总线的数据传输方案。通i e e e1 3 9 4 总线将相机输出的灰度信号传入到电脑 之中。 对于本课题中的高速相机而言，采用i e e e1 3 9 4 协议传输数据的方式比 采用u s b 2 0 协议传输数据的方式有着明显的优点： 1 、便于使用。虽然这两种规范都支持热拔插功能，u s b 2 0 在操作系统 方面，需要w i n d o w sx ps p i 才能提供支州8 1 ，即在系统中必须存在一个唯一 的u s b 主控制器。而对于i e e e1 3 9 4 总线而言，它支持点对点的数据传输， 任何一个节点既可以作为主节点也可以作为子节点，不需要独立的主控节点。 2 、虽然在理论上u s b 2 0 的传输速率可以达到6 4 0 m b i t s ，但是其实际传 输速率只有u s b l 1 的1 2 1 3 倍左右，在突发传输率、平均读写速率、工作 站性能、文件拷贝速率等方面都要远远低于i e e e1 3 9 4 1 9 。这种情况尤其是在 多设备共用同一个传输通道的时候更为明显。 ” 3 、便于同步。本课题中采用的线阵相机输出为8 0 0 0 帧s ，这与i e e e1 3 9 4 总线1 2 5 1 x s 的传输周则1 0 1 吻合，更有利于数据的传输。 综上所述，虽然u s b 2 0 接口的应用更为普遍，但针对于本课题的相机 而言，采用i e e e1 3 9 4 总线更有利于硬件的设计和数据的传输。 1 3 本文的主要研究内容和篇章结构 在本课题中，主要的研究内容如下： l 、掌握i e e e1 3 9 4 总线的具体协议； 2 、设计1 3 9 4 总线的终端； 3 、编写硬件程序； 4 、进行数据的通信实验，验证相关的数据传输。 哈尔滨丁稃大学硕十研究生学位论文 全文结构及篇章划分情况如下： 第一章，绪论。简单的介绍课题的背景、课题的目的。 第二章，i e e e1 3 9 4 总线简介。主要介绍i e e e1 3 9 4 总线的协议规范、 传输机制及相应的数据包。 第三章，总体设计。主要介绍硬件电路选型和设计。 第四章，程序设计。介绍硬件程序设计和相应的仿真测试结果。 4 哈尔滨丁稃大学硕十研究生学位论文 第二章i e e e1 3 9 4 总线简介 2 1概述 i e e e1 3 9 4 最初是由a p p l e 公司提出的高速串行总线“f i r ew i r e ( 称为 “火线 技术) ，并在1 9 9 5 年由i e e e ( 电气与电子工程师协会) 正式制定为总 线标准，认可为i e e e1 3 9 4 1 9 9 5 规范，即i e e e1 3 9 4 。它是一项具有视频数 据传输速度的外部串行接口标准【1 1 1 ，它定义了数据的传输协定及连接系统， 可用较低的成本达到较高的性能，以增强电脑与外设，如硬盘、打印机、扫 描仪与消费性电子产品如数码相机、d v d 播放机、视频电话等的连接能力。 新的i e e e1 3 9 4 a 是一种针对高性能串行总线的设计，此标准的修订已发布。 i e e e1 3 9 4 b 标准则把总线的速度提高到8 0 0 、1 6 0 0 和3 2 0 0 m b s t l 2 】，同时提 供新的连接选择，如光纤。 i e e e1 3 9 4 总线主要有如下几个特剧1 3 】： 1 、占用空间小。i e e e1 3 9 4 串行总线共有六条铜质导线，其中两条用于 设备供电，四条用于数据信号传输。相对于并行总线，串行总线更节省空间。 2 、价格低廉。i e e e1 3 9 4 串行总线的控制软件和连接导线的实现成本都 比并行总线要低，而且不需要解决信号干扰问题，因此成本更加低廉。 3 、速度快并具有可扩展的数据传输速率。i e e e1 3 9 4 a 能够提供1 0 0 m b p s ， 2 0 0 m b p s ，4 0 0 m b p s 的速率，i e e e l 3 9 4 b 提供可高达8 0 0 m b p s ，1 6 g b p s 甚至 3 2 g b p s 的传输速率。 4 、支持异步传输和等时传输两种模式。在等时数据传输的同时可进行异 步数据传输。在等时传输模式下，数据以一个预先设定的固定速率连续传输 而不需要主机监控。等时数据传输可充分利用总线的带宽，而异步数据传输 则可保证传输的可靠性。 5 、支持热插拔和即插即用。不需要系统断电就可以增加和删除设备，而 且节点会自动配置，配置时不需要主机干预。 6 、具有点对点传输功能。数据能够在两个节点( 设备) 之间传输，而不 哈尔滨工程大学硕士研究生学位论文 需要主机的控制。 7 ，为外设提供电源。通过连接电缆可以向设备提供g , - - 4 0 v ，i s a 的电 源。 8 、灵活的拓扑结构。i e e e l 3 9 4 网络为树型拓扑结构，设备之间连接方 便。最多可连接1 0 6 3 个网段，每个网段可接入6 3 台设备。 2 2i e e e1 3 9 4 总线物理及电气特性 2 2 1电气参数和接口 1 3 9 4 总线的连接器用来和1 3 9 4 总线的线缆相连接，从而达到把所有1 3 9 4 设各连接起来的目的。常用的连接器主要有6 针和4 针连接器，分别对应6 芯数据线和省去电源线、地线的4 芯数据线 1 4 1 。如图21 所示。 图2 14 针、6 针连接器插头图2 26 芯数据线截面图 以6 芯数据线为例，其截面图如图2 2 所示。数据线的分配及功能如表 2 1 所示。 表2 1 数据线的编号及功能 管脚编号信号名称功能 1v p 线缆电源 2v g 线缆地线 3t p b + 接收时作为选通信号，发送时作为数据线号 4t p b ( 双绞线对) 51 1 ，a 接收时作为数据信号，发送时作为选通线号 6似( 取绞线对) 哈尔滨下程大学硕十研究生学传论文 i i i i 宣- f7i i i i i 萱i i i i i i i i i i t p a 和t p b 同时提供差模和共模信号用于支持不同的功能。其中共模信 号用于设备连接和拆卸的检测、速度信号和挂起恢复信号等；差模信号用于 总线复位、仲裁、配置和数据包传送等。当t p a t p b 电压比t p a * t p b * 电 压高时，将差分输出逻辑“l 信号，反之，将差分输出逻辑“0 信号；当 连接到信号对的选通和数据发生器失效时，总线会处于高阻状态。随着传输 速率的增大，差分信号的损耗也增大。因此1 3 9 4 数据线的长度不能超过4 5 m 。 表2 2 差分信号与传输速率关系表单位：m v 1 0 0 m b s2 0 0 m b s4 0 0 m b s 信号 最大值最小值最大值最小值最大值最小值 仲裁时 1 7 32 6 01 7 l2 6 21 6 82 6 5 数据传输时 1 4 22 6 01 3 22 6 01 1 82 6 0 2 2 2 传输信号 数据包经数据发生器用n r z ( n o n r e t u r n t o z e r o ，不归零制) 和数据 选通编码后传送，通过数据信号和选通信号的逻辑异或产生传输时需要的同 步信号。数据选通编码改善了数据在电缆中的传输特性。数据包在差分传输 中，经t p a 传输选通信号，经t p b 传输数据信号。 2 3i e e e13 9 4 总线拓扑结构 2 3 1节点和模块体系 i e e e1 3 9 4 串行总线的体系结构是按照节点来定义的。一个节点就是一 个寻址实体，它拥有自己的标识r o m 和标准的控制状态寄存器，能够独立 进行初始化和配置。一个模块可以有多个节点，而一个节点有可以有多个模 块【1 5 】。 模块：代表连接入总线的物理设备，由一或多个节点组成，共享一个物 理接口。 节点：是模块内的逻辑实体，可独立进行初始化设置和系统配置，它提供 一个识别r o m 和控制寄存器集。 7 ；兰玺鎏三謦銮：翟：譬銮：釜鲨苫； 单元：代表节点的功能组成，具有访问内存或f o 的特性，节点中的单 元由自己的驱动程序控制，节点地址可直接映射到一个或多个单元。 回脚一”一 嚣辇霜t i ”n i l i a j i z e ”“ 回勰7 舞： 图2 3 模块、节点、元件的相互关系 模块是一个物理封装的概念，它可以是一个物理设备；而节点则是逻辑 上的一个寻址实体，节点分配的地址空间直接映射到各个元件，它们是不同 的逻辑实体，有着各自的设各驱动程序，能够独立运行。换句话说一个元件 对应着节点的一个功能在元件体系结构中有着自己的状态控制寄存器。 2 3 2 拓扑结构 i e e e1 3 9 4 总线的拓扑结构可以分为两种环境：底板环境和线缆环境。 线缆环境下的物理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。底板环境中物理拓扑是多点接入的总 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。 2 3 3 寻址 e e e l 3 9 4 总线采用的是6 4 位c s r 体系结构，遵循6 4 位固定寻址方 式，其中高1 6 位为节点标识。而节点标识又分为两部分：总线标识( b u si d ) 占1 0 位，物理标识( p h y _ l d ) 占6 位。所以1 3 9 4 总线最多可支持2 1 6 - - 6 4 k 个节点，并且1 3 9 4 拓扑结构中最多可以有2 1 0 1 条总线，每条总线最多可挂 2 6 - 1 个节点。余下的4 8 位作为节点内部地址，总容量为2 蚰b 的1 3 9 4 节点空 间分为三种： 1 、初始内存空间。 哈尔滨下稃人学硕十研究生学侍论文 2 、私有空间。 3 、初始寄存器空间：( 1 ) 2 k b 的c s r 结构空间；( 2 ) 串行总线的寄存 器空间；( 3 ) 最先1 k b 的r o m i d 空间；( 4 ) 初始元件空间。 私有空间是为本地节点保留的。在2 5 6 m b 的寄存器空间中，起始处的 2 k b 空间保留给控制状态寄存器和r o m 标识头的1 k b 空间，余下的作为初 始元空间【1 6 1 。 对于串行总线，节点只需用元件空间的头2 0 4 8 字节。这2 0 4 8 个字节加 上c s r 、r o m 共4 0 9 6 个字节，就是所谓的1 3 9 4 c s r 空间。遵循c s r 体系 构定义的3 2 位扩展寻址方式。总线寄存器的地址偏移量都是从f f f ff 0 0 0 0 0 0 0 开始 地圭炎，p 仃雠器 私彳广西蕊厂可晒可面硒丽丽雨而t 丽砜丽矿i 雨雨订 寄打器厂强弱盯r r 万西t f 万露巧丽再两罩雨可了t 需万砑两酊甄万1 节f i 两孓西广 图2 41 3 9 4 总线节点地址 2 3 4 配置r o m 可以执行事物的1 3 9 4 串行总线节点都应该实现配置r o m ，这为配置和 诊断与设备相关的问题提供了必要的关键信息。根据i e e e1 3 9 4 协议的规定， 所有1 3 9 4 总线节点的配置r o m 都存放在f f f ff 0 0 00 4 0 0 h 至f f f ff 0 0 0 0 7 f c h 的1 k b 的内存空间中【17 1 。 i e e e1 3 9 4 - 1 9 9 5 定义了两种配置寄存器的格式：最小格式和正常格式。 9 哈尔滨t 程大学硕+ 研究生学位论文 如图2 5 所示，最小配置r o m 格式的前8 位的值是0 1 h ，这是最小格式 + 的标识符。v e n d e ri d 标识了生产此设备的公司，也可以包含由厂商定义的 数据结构。 1 0 11 6 i v e n d o l i d i 图2 5 最小配置r o m 格式 对于那些可以充当总线管理器、循环控制器或者等时资源管理器的节点 来说，必须采用正常格式的配置r o m ，正常配置r o m 的结构如图2 6 所示。 i n f o _ l e n g t hc r c _ l e n g t h r o m _ c r c _ v a l u e vuu b u s _ i n f o _ b l o c k r o o l d i r e c t o r y u n i t d i r e c t o r i e s r o o ta n du n i tl e a v e s v e n d o l d e p e n d e n l i n f o r m a t i o n 图2 6 正常配置r o m 的格式 根目录和总线信息块是任何一个正常格式的配置r o m 必不可少的。总 线信息块用来指定一些与总线相关的功能，根目录提供了用来识别驱动程序 和诊断软件的一些，同时也提供了指向其它目录和数据结构的可选指针。 第一个3 2 位数据( 4 字节，q u a d l e t ) 包括：信息长度说明总线信息 块中3 2 位数据的数量；c r c 长度表示在计算c r c 时应该包含多少个3 2 位数据；c r c 数值存放c r c 数据校验结果。 配置r o m 中总线信息块的结构如图2 7 所示。图中第一个3 2 位数据是 a s c i i 编码的“1 3 9 4 ；i r m c 设置为l 时表示该节点具有等时资源管理器的 功能：若c m c 为l 则表示为该节点具有循环控制器的能力：i s c 用来表明节 1 0 丁上 cp西co一d|ic 哈尔滨t 挥大学硕+ 研究生学位论文 点是否支持等时传输，如果i s c - - 1 则表示该节点支持等时传输，否则即为不 支持等时传输。而c y cc l ka c c 表示的是节点循环时钟控制器的精确程 度，若c m c 被设置为“1 ”，则c y cc l ka c c 必须是o 一1 0 0 之间的某个数 值。其他各值则说明的是可接受异步数据包的最大有效长度、节点的生产商 信息等。 图2 7 总线信息块结构 2 4i e e e1 3 9 4 总线的协议结构 图2 81 3 9 4 总线协议结构 l l 哈尔滨丁稗大学硕十研究牛学位论文 i e e e1 3 9 4 总线定义了四个协议层，用于在请求者和响应者之间的数据 传输过程中完成相关服务。各层的关系如图2 8 所示： 串行总线管理部分，提供串行总线的基本控制功能并实现总线配置和节 点活动的管理。串行总线管理部分由节点控制器、总线管理器和等时资源管 理器三个部分组成【1 8 】。 2 4 1 事务层 事务层只支持异步传输的操作，遵循c s r 结构的请求响应协议，但是 它不提供任何用于等时传输的服务。在串行总线上，节点间的数据传输有三 种不同的类型： 1 、读：某一特定地址的数据由响应者到数据请求者的过程； 2 、写：数据从请求者到一个或多个响应者的过程； 3 、锁定：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 理并返回请求者的过程。 2 4 2 链路层 链路层提供源节点和目标节点之间的数据服务，链路层的基本数据单元 是数据包和与之相应的确认包。数据传输主要是通过主机接口、f i f o 、链路 核以及物理链路层接口来实现的。数据以链路层芯片所定义的数据包的格式 进入f i f o ，然后由链路核进行解码、编码来构造i e e e1 3 9 4 数据包，并加上 c r c 校验码，经由接口发送到物理层。 链路层支持两种数据传输：等时传输和异步传输，等时传输是一种在一 定带宽内传输的不需要确认的数据传输服务，异步传输是一种带有确认的数 据传输服务。i e e e1 3 9 4 总线的一个传输周期为1 2 5 u s ，在这1 2 5 u s 的时间中 等时性传输处理时间大约为1 0 0 u s ，随后的时间异步传输才可被处理( 约占2 5 u s ) ，但是等时资源管理器会确保为异步传输留有足够的带宽。 2 4 3 物理层 物理连接由节点的物理层端口及其相连的线缆组成。一个物理接口可能 有多个端口，这样就形成了有分支的多种连接。物理层的一个主要任务是参 1 2 哈尔滨t 稃大学硕十研究生学位论文 与总线配置过程。当系统加电、有设备加入或移出总线时，都会引起总线自 动复位，总线上所有节点将重新进行总线配置过程。配置过程包括总线复位 ( 初始化) 、树标识、自标识三个阶段，总线仲裁将在配置过程完成后进行。 图2 9 显示了总线配置过程的各个阶段。 节点细入或树枥：识歼始自身标识开始 移f 1 总线 i8 0 - 3 0 0 r e s1 0 i l 譬_ 1 6 6 i xs7 0 | ls _ 卜_ _ 一_ t 广- 叫卜卜_ - _ _ 毒卜- - _ - - ： 总线霞霞。时间 树标识时间 自身标识时阀 图2 9 总线配置过程示意图 2 5i e e e13 9 4 总线的通信模型及服务【1 9 】 异步事务要求总线毫无差错的进行数据传输。异步传输情况下，通过对 接收数据进行循环冗余校验，可以验证数据是否正确的传输。当校验发现数 据错误时，发送方进行数据重传；与异步传输不同，等时传输不要求确认数 据传输的准确性，而对实时性要求更高，因此要求数据能够按时到达指定的 地址即可，而对其中某位出现的错误并不关心。 2 5 1异步传输 异步传输使用确定的6 4 位地址指向某一个特定节点，所有异步传输共占 2 0 的总线带宽，在带宽确定的情况下，数据传输仅取决于传输的速度。在 传输过中，节点不被分配任何特定的总线带宽，但1 3 9 4 协议可以保证每个节 点在适当的时间间隔内获得对总线的公平访问。异步传输有三种基本类型的 操作：读、写和定操作。 表2 3异步数据包传输的最人长度与速度关系 数据传输速率 每包可传输最大有效数据( b y t e s ) 1 0 0 m b s5 1 2 2 0 0 m b s1 0 2 4 4 0 0 m b s2 0 4 8 8 0 0 m b s4 0 9 6 哈尔滨t 稗大学硕+ 研究乍学位论文 异步事务模型基于请求节点和响应节点之间的通信，每一个事务又包括 请求予事务和响应子事务，以及请求者和响应者在数据传输过程中相应的链 路层和物理层操作，下面以图2 1 0 为例简单说明1 3 9 4 异步传输过程。 魔用罐l 匕j ；。 竺2 星 擎用层 。r r 。r ( 1 )( 1 3 ) ( 1 3 )( 1 3 )( 1 4 )( 8 ) 事务屡生， 事务层 _ - _ _ _ ，r _ | _ - - | 一_ _ _ _ 产 ( 2 )( 1 2 )( 7 )9 )( 1 2 )( 2 )( 9 ) ( 7 ) 链龉蝇，r 一，1 掣路壁( 3 ) ，奴5 ) ( 1 1 ) ( 6 ) ( 1 0 ) ( 1 1 ) ( 5 ) l 丽( 3 ) ( 1 0 ) ( 6 ) 物理 理屡 图2 1 0 异步传输模型 图2 1 3 中各点的定义为： 1 ) t rd a t ar e q u e s t ，事务层初始化一个异步事务； 2 ) l k，链路层初始化一个异步事务；d a t ar e q u e s t 3 ) p h _ a r b _ r e q u e s t ，物理层仲裁串行总线控制权； 4 ) p h y，物理层向链路层报告仲裁结果；_ a r b c o n f i r m a t i o n 5 ) p h yd a t a，仲裁成功后想物理层发送数据；request 6 ) p h y，向链路层发送接收到数据包通知；d a t a i n d i c a t i o n 7 ) l l c，向事务层报告接收到事务请求； _dataindication8)tr，接收到一个事务请求；_ d a t a i n d i c a t i o n 9 ) l l cd a t a，初始化返回给请求节点的确认包；response 1 0 ) p h y _ d a t a _ r e q u e s t ，控制向总线上的数据传输： 1 1 ) p h yd a t ai n d i c a t i o n ，通知链路层接收数据包： 1 2 ) l l c，通知事务层成功接收到请求。d a t a c o n f i r m a t i o n 1 3 ) t rd a t ac o n f i r m a t i o n ，接收到事务确认： 1 4 ) t rd a t ar e s p o n s e ，接收事务响应。 请求节点发送事务层请求到相应的链路层，链路层将该请求编码打包发 1 4 哈尔滨t 程大学硕十研究生学位论文 送到物理层，当该节点物理层仲裁到总线使用权时，将请求数据包以电气信 号的形式发送到串行总线，传送到响应节点，响应节点的链路层对此信号解 码，并进行校验，当数据包内数据正确则接收数据包，并继续发往事务层， 这样响应节点就得知此请求数据包已经到来，并完成请求子事务。响应节点 会立即向请求节点返回确认数据包，之后响应节点的事务层将响应数据包传 送给它的链路层和物理层，当节点竞争到总线使用权，发送该响应数据包到 请求节点的物理层，并在链路层解码，最终发送到节点的事务层，此次事务 完成。 2 5 2 等时传输 等时传输和异步传输有所不同，不是依靠6 4 位地址来确定目标节点，而 是使用6 位信道号码来确定设备。发起等时传输的节点称为“交谈者”，接收 方称为“收听者 。通过总线广播并按照与传送关联的指定信道号码为基础发 送到一个或多个设备。为确保有足够的总线带宽可用，希望执行等时传输的 节点必须向等时资源管理器申请所需带宽，总的总线带宽以一个总循环时间 ( 1 2 5 u s ) 为基础，最多有8 0 的总线周期( 1 0 0 u s ) 分配给等时传输，因此 每个数据包能传输的最大数据同异步数据报相同，如表2 2 所示。一旦获得 信道号码和充分的总线带宽，目标节点就必须如此配置以便于向所希望的等 时事务做出响应，接收方可以用信道号码来访问应用程序的内存缓冲区。在 等时传输中，没有响应数据包，不需要确认数据包表明数据的接收，不需要 对数据传输的准确性进行确认，如图2 1 1 所示。 应用联 节他 ( 1 ) 链蹄腔 v 。- 。彳。 ( 2 ) ，砂( 4 ) 节点b 礴墙艟 。z 。 ( 6 ) 链路层 。c _ 。 ( 5 ) 物理层弋探乜丁理盛 l 孳时数探乜卜一 哈尔溟t 稃大学硕十研究牛学仲论文 图中各点定义为： 1 ) l k _ i s o r e q u e s t ，使链路层发送一个等时数据包； 2 ) p h y - - a r b r e q u s t ，使物理层仲裁总线控制权： 3 ) p h y ，向链路层报告仲裁结果；_ a r b c o n f i r m a t i o n 4 ) p h y _ d a t a r e q u e s t ，仲裁成功后物理层向链路层请求数据： 5 ) p h y _ d a t a i n d i c a t i o n ，通知链路层接收等时数据包； 6 ) l k _ i s o i n d i c a t i o n ，表明接收到数据包。 2 6i e e e13 9 4 总线的数据包 数据包 物理包 主数据包 应答数据包 据包 没有数据负载的异步包辞节异步数据包 数据块异步数据包 厂1 写响应包伴节读请求包 循环开始包4 字节读响应包 镪定请求包饿定响应包 图2 1 21 3 9 4 协议的数据包关系 i e e e1 3 9 4 的数据包有很多种，但是总的说来可以分三类【2 0 】【2 1 】：物理层 数据包、主数据包和确认数据包，如图2 1 2 所示。下面就具体的介绍i e e e1 3 9 4 所定义的各种数据包。 2 6 1 物理层数据包 物理层数据包有一个固定的格式：6 4 位长，并且只有前3 2 位数据是有 效数据，后3 2 位的数据是前3 2 位数据的按位逻辑取反。物理层的一般格式 如图2 1 3 所示。其中，最前面两位是数据包标识字段，该字段的具体含义如 表2 4 所示。 1 6 哈尔滨t 程大学硕十研究牛学位论文 t r a r t m n ) t t o c l 佃s l 图2 1 3 物理层数据包的一般格式 表2 4 数据包标识字段含义 数值物理配置数据包 o o b 开启链路包 0 1 b 开启链路包 1 0 b 自标识数据包 1 、自标识包 自标识包用于在串行总线初始化过程中向其它节点报告节点自身状态和 信息，它由物理层在自标识过程中产生，在总线初始化过程中链路层接收并 识别自标识包。i e e e1 3 9 4 1 9 9 5 规范定义每个节点允许的最多端口为2 7 个， 在i e e e1 3 9 4 a 2 0 0 0 修订中对自标识包做了修订，将每个节点允许的最多端 口减少到1 6 个，修改后每个节点最多只需要三个自标识包，称为自标识包0 、 自标识包1 和自标识包2 ，节点实际发送的自标识包个数取决于节点实现的 端口个数。图2 1 4 和图2 1 5 为自标识包的格式。 t r a n s m i t t e df i r s t il o g i c a li n v e r s eo ff i r s tq u a d l e ti s e l f i dp a c k e t 群0 t r a n s m i t t e dl a s t 图2 1 4 自标识0 数据包格式 t r a n s m i t t e df r s t l l o g i c a li n v e r s eo ff | r s tq u a d l e t l s e l f i dp a c k e t 栉1 舞2 & # 3 t r a n s m i t t e dl a s t f o rn = 3t h r o u g h7 f i e l d sp at h r o u g hp ha r er e s e r v e d 图2 1 5 自标识1 2 3 包数据格式 业邮邮陋盟曲邮陋卫阳邮阱卫旷邮陋 盟明m 陋 弦一l邮叫曲一畔衅脚印一眵州m n 一0 1 2百柁姻 一瞰瞰瞰 哈尔滨t 程大学硕十研究生学位论文 自标识包内各字段的含义如下： 1 ) p h yi d - 是自标识包发送节点的物理标识； 2 ) l ：如果该位被设置，则说明节点的事务层和链路层都被激活；， 3 ) g a p _ c n t 字段的内容为节点物理层寄存器内g a p _ c o u n t 字段的当前值； 4 ) s p ：标识节点支持的传输速度。o o b 表示1 0 0m b p s ，0 1 b 表示1 0 0 m b p s 和2 0 0m b p s ，1 0 b 表示l o o m b p s 和2 0 0 m b p s 和4 0 0m b p s ，ll b 为以后协议 的升级保留； 5 ) c ：竞争节点标志，当该位和l 位同时为1 时节点将在当前的总线初始 化过程中竞争总线管理器或等时资源管理器； 6 ) p w r ：标识节点的电源类型，包括电源消耗和资源特性： 7 ) p o p 1 5 ：各端1 2 1 状态字段，o o b 表示没有端i ：3 ，0 1 b 表示没有激活的 端口，l o b 表示端口被激活并连接至父节点，l l b 表示端口被激活并连接至 子节点； 8 ) i ：初始化复位标志位，该位置l 时节点初始化当前总线复位，在整个 总线复位过程中i 都会保持为1 ，直到下次总线复位的发起者不是该节点时， 该节点的i 字段才会被清零： 9 ) m ：说明当前自标识包后还有后续自标识包： l o ) n ：表示附加自标识包的序号； 1 1 ) r s v 保留字段。 2 、开启链路包 开启链路包用于通知目标物理层为其链路层加电，这个数据包主要用于 那不能对自己的链路层进行自动加电的节点。其具体格式如图2 1 6 所示。 t r a n s m i t l e d