（通信与信息系统专业论文）基于compact+pci的实时系统交换平台设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着通信技术的迅猛发展，多种异构网络之间的互联和融合成为一种趋势。用户 希望通过一种统一的交换平台承载不同的网络业务，这样能够降低重复投入，使对不 同网络的管理能够标准化，更能实现异构网络互联互通。c o m p a c tp c i 总线技术是专 门为电信设备设计的一种工业总线标准，它为模块化的网络处理接口板提供高速可靠 的互连。本文对基于c p c ! 的实时系统交换平台的实现进行了研究与设计。 本文首先对交换平台的控制形式、运算环境进行了广泛而深入的讨论，在分析评 判了集中式控制和分布式控制的基础上选择了基于c p c i 总线的分柿式控制方式、多 处理器运算环境。在软件丌发平台的选择方面，采用了开放源码的l i n u x 操作系统， 不仅减少了软件成本，丽且有效的缩短了软件的丌发周期。而将l i n u x 内核网络设备 与c p c i 总线无缝连接到一起的设计使我们在尽可能少的修改实时系统内核的基础上 得到最好的交换效果。 本文在将c p c i 总线传输改造成网络数据收发的过程中提出并实现了“无干扰传 输”、总线板卡注册管理、热插拔等解决方案。与现有方案比较，该方案不但保留了 原有的高效、易扩展等优点，而且降低了硬件设计复杂度和实时系统内核设计复杂度。 关键词：c o m p a c tp c i ，分布式控制，实时系统，交换平台 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fc o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e s ，t h ei n t e r c o n n e c t i o n a n d i n t e g r a t i o nb e t w e e nh e t e r o g e n o u sn e t w o r k si sb e c o m i n gn e c e s s a ry - u s e r sn e e dau n i f i e d c o m m u n i c a t i o n p l a t f o r m t h a t o f f e r sd i f f e r e n tn e t w o r ks e r v i c e s t o r e d u c e r e p e a t e d i n v e s t m e n t ，s t a n d a r d i z e t h e m a n a g e m e n t o v e r m u l t i n e t w o r k s ，a n d ，m o r ei m p o f t a n t ， c o n n e c th e t e r o g e n o u sn e t w o r k st o g e t h e r c o m p a c tp c ib u si sa ni n d u s t r i a lb u ss t a n d a r d d e s i g n e d f o rt e l e c o m m u n i c a t i o nd e v i c e s i to f f e r s r a p i d a n dr e l i a b l ei n t e r c o n n e c t i o n b e t w e e nm o d u l a rn e t w o r kb o a r d s t h i st h e s i sf o c u s e so l lt h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o n o fac o m p a c tp c ib a s e dc o m m u n i c a t i o n p l a t f o r mf o rr e a l - t i m es y s t e m s f i r s t l y , t h ec o n t r o l l i n gm e t h o do ft h ec o m m u n i c a t i o np l a t f o r mi s e v a l u a t e da n da n a l y z e d t h o r o u g h l y , a n ds 0i si t sc o m p u t i n ge n v i r o n m e n t b a s e do ni n t e n s i v ec o m p a r e i s o nb e t w e e n c e n t r a l i z e dc o n t r o la n dd i s t r i b u t e dc o n t r o l ，ac o n c l u s i o ni sm a d et h a tad i s t r i b u t e dc o n t r o l o v e rc o m p a c tp c ib u sb ei m p l e m e n t e d t h e n o nt h es e l e c t i o no fe m b e d d e ds o f t w a r e d e v e l o p i n gp l a t f o r m ，g n ul i n u x i sc h o s e nf o ri t sl o wc o s ta n de f f i c i e n t l ys h o r t e n e d s o f t w a r e d e v e l o p i n g d u r a t i o n a b o v ea l l ，t h ed e s i g no f g l u e l e s st r a n s i t i o nf r o ml i n u xk e r n e l n e t w o r kd e v i c e st oc p c ib u sm a k e su ss p e n dl e s st i m em o d i f y i n gr e a l - t i m es y s t e mk e r n e l w h i l e g a i n i n g b e s tc o m m u n i c a t i n ge f f e c t 。 w h i l er e f o r m i n gc p c ib u st r a n s f e rt on e t w o r kd a t at r a n s f e r , t h et h e s i sb r i n g sf o r w a r da n d i m p l e m e n t s “t r a n s f e r w i t h o u t i n t e r f e r e n c e ”，r e g i s t r a t i o n a n d m a n a g e m e n t o fb o a r d s ， h o t - s w a p , e r e 。w h e nc o m p a r e d t oc u r r e n ts o l u t i o n s jt h e s ei m p l e m e n t a t i o n sn o to n l yi n h e r i t t h ec h a r a c t e r i s t i c so f r e a l t i m e ，h i g he f f i c i e n c ya n ds c a l a b i l i t y , b u td e c r e a s et h ec o m p l e x i t y o fh a r d w a r e d e s i g na n dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e md e s i g na s w e l l k e yw o r d s ：c p c i ，d i s t r i b u t e dc o n t r o l ，r e a l - t i m es y s t e m ，c o m m u n i c a t i o np l a t f o r m h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果山本人承担。 学位论文作者签名 稚赓 f 1 期：加# 年，月oh 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校“商权 保髯并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电予版，允许论文被查阕和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学能论文。 保密口， 在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密西 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者煞名：辜善麽 n 期0 6 p 弘年厂月口闩 黼洲嗽：咋谚彰 f i 期：2 p p 弘年s - 月 o f i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 异构网络并存是目前网络的现状，多种异构网络融合则是大势所趋。以一种网络 为骨干、各种网络相互融合的方案可以用一种统一的方式灵活地提供多种网络业务。 融合后的网络给予统一的交换平台，它独立予底层承载踟议，能够完成n 乎n t t 控制、媒 体网关接入控制、资源分配、协议处理、路由、认证计费等现有不同网络的主要功能， 可以向用户提供现有网络能够提供的业务，并向- k 务支撑环境提供底层网络能力的访 问接口。 本文研究这样一种交换平台的实现。这个交换平台应该包含软件上的协议融合和 硬件上对融合的支持。软件协议融合是分模块对各异构网络单独处理，然后由统一的 交换平台完成数据的互通；硬件上就要适应这种模块化的设计思想，保证处理模块问 数据高速准确交换并适应模块定制。馊计这特个交换i f 臼攒要考察的背景信息很 多，主要是选择一个适合的互联技术实现异构网络融合；选择系统的运算环境和硬件 支持方式。 1 1 选择融合网络 随着i p 网的日益发展和同趋成熟构建以i p 网络为攮础的交换5 f 台来承载多种 异构网络业务将得到很好的效果。 1 1 1i p 互联的特点 i p 网也就是按i p 协议传送i p 包的通信网。出于因特网业务如1 p 电话、i p 传真、 w w w 浏览、电子邮件等的迅猛发展，t c p i p 协议已获得公认，t p 网巾传送多媒体 信息已_ r 益受到重视l ”。 i p 网的优点是连接方便、简单，只需数据包带有l p 地址，通过一个一个路由就 可把该数据包传送到目的地。它是面向非连接型的，它不像电路交换方式为建立连接， 必须先传送有关信令，比较复杂 其次，它的网络资源利用率高，因为它是采用数据 包的统计复用方式，只要信道有空闲，任何信息都可以传送，不像电路交换方式只 华中科技大学硕士学位论文 要连接一旦建立，只能连接电路的双方进行通信，即使信道有空，谁也不能再进入该 信道进一步利用该信道。一个网络可许多用户共用，于是它的代价也最低 “。 l p 互联技术是在网络模型中的第三层实现了数据包的高速转发，是利用第二层交 换作为传送l p 分组通过一个网络的主要转发机制的一一组协议和机制。i p 瓦连利用交 换的高带宽和低延迟优势尽可能快地传送- 一个分组通过网络川。 一个l p 互联系统提供缺省的第三层l p 路由和转发及加速的第二层i p 互连的服 务，功能主要包括： 1 为进入和离开网络的服务提供常规的缺省i p 转发。 2 为进入和离开i p 互连系统的分组提供介质转换( 如以太网到x 2 5 ) 。 3 参与适当的i p 互连系统入口和出口问的第二层交换路径的建立、保持和释放 的控制过程。 4 在i p 互连系统入口处划分山符合条件的分组井将它们转发到第二二层交换路径 上。一般包括检查分组头的一些字段来决定是否应该将分组放到一条交换路 径上。 5 在l p 互连系统出口处，接收第二层交换路径上的分组，当分组离开i p 互连系 统时完成标准的i p 转发过程。 1 1 2i p 与a t m 的比较和选择 a t m 在几个方面上与i p 寻路存在不同。a t m 是面向连接的，而不是无连接的。 在进行任何数据传输之前，必须在两个通信实体之问建立一条端到端的连接。a t m 最 要通过人工配置手段或采用信令协议来建立连接。二者之间的另一个不同点是a t m 不需要在每一个中间节点( 交换机) 为单个的分组( 信元) 确定路由。对于a t m 来 说，两个通信实体之间的网络通路在进行任何数据交换之前就已经计算好，并且在整 个连接期间保持不变。在进行连接建立时，每一个中间节点的a t m 交换机都为该连 接分配一个标识符或标签，这个标识符或标签对于该交换机内的交换器、连接和分配 及输入输出端口都是难一的。这样可以实现两件事情：沿着一条固定的a t m 交换通 路上的资源将会为某个特定的连接所保留；单个的a t m 交换机只需建立一。个转发表， 而这个转发表是局部的，并且只保存着有关穿越该交换机的活动连接的表项。这一点 与路由器是不同的，路由器登须维护一个整个网络范周的路由表，路由表中包俞所有 华中科技大学硕士学位论文 可能的目的地址，其中或许还包含一些该路由器永远也不会用到的目的地址。 在a t m 交换机中转发信元的过程十分类似于在路山器中转发l p 分组。二者都在 信头中包含了地址信息，被用来在个列表中进行索引，该列表记录着可用于发送信 元或分组的接口。 表卜1i p 与a 硎的比较 属性i pa t m 连接性无连接面向连接 分组长度可变闱定( 5 3 字：崔) 0 0 s无有 信息数据数据、语音和蹦像 通路确定每分组连接建立 转发状态所有可能的网络局部活动的传输连接 转发基础最人匹配地址前级i 削定k 度的标签 信令无有 上表说明了i p 和a t m 之间原理上的几个差异i p 的优势在于它的简易性和高 度适应性。它几乎可以运行在任何一种数据链路技术的高层。a t m 是面向连接的， 需要有信令的支持，所以其复杂度比i p 要高；a t m 的信元长度为固定的5 3 字节，其 中净荷为4 8 字节，控制信息过多，灵活性差；此外a t m 设备复杂，不能像i p 那样 相所有可能的网络转发而只能在局部活动的传输连接上转发，因而不具有l p 的适应 性；l p 能够有效的屏蔽交换体系对上层的影响，使下层交换对于应用是透明的，因而 通用性强于a t m ；当今基于l p 的技术发展成熟，种类多，功能伞，十分有利于基于 i p 的互联系统的实现，可扩展性好，丌发难度较低。因此，采用i p 互连体制可以较 华中科技大学硕士学位论文 为容易地实现标准化、通用化、软件化、模块化和可扩展性的要求。 可以看出，l p 互联采用分层、丁r 放的体系结构，将传统交换机的功能模块分离成 独立的网络实体，各实体间采用开放的协议或a p ! 接口，从而打破了异构网络恻封闭 的格局，实现了多种异构网络间的融合。下一代网络的体系通过将业务与呼叫控制分 离、呼叫控制与承载分离，来实现相对独立的业务体系，使得上层业务与底层的异构 网络无关，灵活、有效地实现业务的提供，从而能够满足人们多样的、不断发展的业 务需求。 根据以上论证比较，本系统采用i p 互联体制，将多种异构网络数据业务都用i p 网络来承载。 1 2 系统运算环境 我们需要设计的异构网络交换s 严台是构建在实时嵌入式系统上的。 嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括微处理、存 储器及外设器件和i o 端口等；软件部分包括实时和多任务操作系统( r t o s ) 和应 用程序。应用程序控制着系统的运作和行为，而操作系统控制着应用程序与硬件的交 互f 2 羽。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4 个特点： 1 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务势且有较短的中断响应时阐， 从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 2 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化， 而为了避免在软件模块之闯出现错误的交叉作用，掰要设计强大的存储区保 护功能，同时也有利于软件诊断。 3 可扩展的处理器结构，以能最迅速地- 玎展出满足应用的最高性能的嵌入式微 处理器。 4 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便拽式的无线及移动计算嗣i 通信 设备更是如此。 实时系统与其他普通的系统之问的最大的不同之处就是要满足处珲与时f l l j 的关 华中科技大学硕士学位论文 系。“在实时计算中，系统的f 确性不仅仅依赖于计算的逻辑结果而目依赖于结果产 生的时间”。对于实时系统来随最重要的要求就是实时操作系统必须有满足在个事 先定义好的时间限制中对外部或内部的事件进行响应和处理的能力。这样，实时系统 可以定义为“一个能够在事先指定或确定的时问内完成系统功能和对外部或内部、同 步或异步时间作出响应的系统”。此外作为实时操作系统还需要有效的中断处理能力 来处理异步事件和高效的i 0 能力来处理有，格时间限制的数据收发应用。这样的实 时系统才能适应多网络间的通信要求l “i 。 由于多异构网络处理的复杂性，单个的实时系统( 包含微处理器) 是不能够完成 互通任务的，必须选择多处理器多操作系统并行的运算方式，这就是我们设计的系统 运算环境分布式控制的多处理器交换平台【2 卅。 随着电信与数据通讯产业的迅猛发展，用户要求系统本身除了要具备很高的可靠 性外，万一系统出现问题时，必须在很短的时间内恢复系统的正常运行。而要满足这 些需要就要求系统具有热插拔功能，也就是晚系统出现故5 章的部件能进行带电更换。 由于现在大多数操作系统的引导时间越来越氏，所以在更换部件的同时必须保持操作 系统的正常运行。这些要求使通信设备的实现形式有改进的需要。c o m p a c tp c ! 是p c i s p e c i f i c a t i o n ( p c 电气规范) 加上r u g g e de u r o c a r dp a c k a g i n g ( 欧式片结孛句) ，这样在 c o m p a c tp c i 系统中就可采用在台式机中广泛使用的高性能的p c i 技术，降低了新技 术的使用成本，系统的整体性能得以提升，基于p c i 技术的丰富软件工具，也使得用 户在使用中更加便捷；同时默式卡结构使得系统的可靠性进一步提高。另外采用i e e e 1 1 0 1 1 1 后端输出方式，使得对系统的维护更加方便快捷，大大缩短了系统的平均维 护时间1 7 。13 1 。 应甭基于c o m p a c tp a 的总线技术以及硬件接口没计娥范能够使模块他的网络处 理单元无缝地连接在一起，并能为各网络处理单元的实时嵌入式系统提供高速、可靠 的连接完成数据、控制信息的交换，真j f 实现统一的交换平台1 7 _ l 3 1 。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 本文的内容安排 本文以基于c p c i 的实时系统交换平台设计为主题，围绕实现异构网络融合、网 络数据实时处理、多处理器多操作系统互通所余姚的关键技术，如嵌入式实时操作系 统、i p 互联技术、c o m p a c tp c i 热插拔技术、p c i 总线通信技术等展开论述，并根据 系统需求设计出一种基于嵌入式操作系统和c p c i 总线的交换平台。 本文的其他章节的安排及主要内容如下： 第二章介绍了设计系统交换平台的需求，包括系统的处理对象、对处理的要求： 列举了两种可能的控制方式：集中式控制和分布式控制，比较了他们的优缺点并总结 出了适合与本系统要求的系统交换5 f 台的控制结构，即为分m i 式控制的基”r 总线架构 的多处理嚣多操作系统并行结构。 第三章根据第二章对系统设计需求的分析介绍和分析了c o m p a c tp c ! 总线结构及 其技术、实时操作系统的关键技术和热插拔技术。它们是实现系统交换r 甲台不可缺少 的技术。 第四章根据前面的系统需求分析和关键技术学习对整个交换平台的硬件环境、软 件结构进行概要设计，以软件设计为主，分为交换甲台初始化、中断处理、数摒传输、 板卡注册管理等几大模块进行详细设计，并对殴计一 的关键性步骤进行了着咀讨论。 第五章为全文的总结以及对基于c p c i 的系统交换平台的发展方向的探讨。 华中科技大学硕士学位论文 2 设计需求概述 本文描述的基于c o m p a c tp c i ( 或简称c p c i ) 的实时系统交换平台是服务于一个 异构网络通信设备，它支持分组交换业务如x 2 5 、i p 业务和语音业务并能完成网问 互通。由于网络的异构性，处理每种类型网络数据的模块完全不同。为了实现不同网 络数据的互通。交换平台必须为各模块提供透明传输。 当考虑这个异构网络通信设备的系统实现时，其控制方式可选择分稚式、集中式 和集中分布相结合等形式。 2 1 集中式控制 集中控制方式的技术体制较成熟，可以通过完善的系统设计和可靠性措施提高全 - 系统的m t b f ( 平均故障间隔时间) 。集中式控制方式逻辑拓扑为星型结构，系统实 现简明，便于模块化，系统管理统一【2 3 l 1 5 1 。 系统以中央处理单元系统主板为处理核心，功能较为强大，其他板卡为从设 备，没有自己独立操作系统和处理器。所有的管理和控制功能以及数据处理均交于系 统主板完成。如图2 1 所示，在集中式挖制的结构叶f ，模块n 得到的数据均要传输给 7 华中科技大学硕士学位论文 主系统板处理，这样不但加重了系统板的处理负担，而且也增加c p c i 总线上的数据 流量，降低了信息交互的实时性和有效性。此外，集中式控制还需要构造核心处理模 块( 系统主板) 和各接入接口模块的控制管理通道以满足处理器间的信息交换需要， 而当系统主板有所故障时，就会造成整个系统的完全瘫痪。 2 2 分布式控制 在分布式网络结构中，系统的每一个模块都有其独立的微处理器和嵌入式操作系 统。模块之间的通信由c p c i 总线支持，因此整个系统实际为一个多处理器多操作系 统并行的系统。总线的系统板一方面对各类业务网络数据进行统一处理，另一方面将 与特定业务网络的接口分布到各种具体设备板卡中进行标准的接入信道的适配。这样 网络数据以及控制信令可以通过的标准的通信接口传入系统板， “它完成信息的交换 和转发。这样就做到分稚式接入和集中交换的完美统一，既保证了信息交互的实时性 和有效性，又可充分适应异构网络接口的多样性，使设备实现具有很强的扩展能力和 灵活的组织能力1 2 删i s 】。如图2 2 所示。 羲据处理 模块n c p u 嵌入式操作系统 板号通俯 j 丽r 一卜弋 厂一、 圈2 - 2 分布式控制的数据交换 华中科技大学硕士学位论文 2 3 集中式控制和分布式控制的比较 2 3 1 复杂度 系统设备复杂度分为硬件复杂度和软件复杂度。分布式系统结构相对于集中式系 统结构而言，由于每块板卡上都有c p u 和嵌入式操作系统，看起来似乎变得复杂了。 但是相对于集中式控制方式而言，由于在分布式控制中系统主板的功能平均分配到了 每块板卡上，从而降低了系统板的硬件复杂度。 软件复杂度方面，采用嵌入式实时操作系统。相对于集中式系统结构而言，分稚 式结构的系统功能由每块板卡来实现，这样就降低了单板的软件复杂度。同时，由刁： 各块板卡之间的硬件相似性，相应的系统软件也有着较好的可移植性，尤其体现在操 作系统和硬件驱动方而。相比集中式控制，由于每个设备的功能较平均而不是都集 中在系统板，因此软件复杂度反而有所下降。 2 3 2 扩展性 整个系统采用c p c i 总线，多板卡模块化方式进行设计。可以根据不同的使用需 求通过增加或改变硬件、软件的配置，方便地扩展或提升系统的功能，其扩展能力 包括以下方面： 硬件可扩展能力：整个系统采用c p c i 总线插卡式设计，根据不同的接口需求设 计不同的接口模块板卡通过配置不同的接口模块实现不同网络互连。 软件可扩展能力：根据用户和网络接口的不同需求设计不同的通信软件模块，通 过对软件模块的配鼍实现不同的功能。 2 3 3 维护性 相比集中式控制，分布式控制方式中增加的c p u 和嵌入式操作系统使得单板的 功能变的更加强大，同时提高了各个模块之问的独立性和可维护性。 2 4 系统控制方式总结 由以上的比较和分析，整个系统将采用多处理器j 用交换j 甲台的架构，这就要求 华中科技大学硕士学位论文 交换平台必须提供高速、有效的数据传输来满足模块问的协作，并支持模块信息同步 和增减通知。 圈2 3 交换平台示意圈 如图所示，交换平台是一个统称，它由各个模块的交换设备驱动和一条共用的交 换总线搭建而成，为各个模块能够进行数据交换提供保障。有了这个交换平台，各模 块只需专心处理各自网络的数据，需要交给其他模块处理的数据通过交抉设铒马 i 动盥 接发到交换总线的另一端模块接收即可。c p c ! 总线是符合本系统交换平台要求的。 种总线。 上面讲述的是交换平台的作用，而运行在交换平台上的器个模块都有自己的操作 系统。因为各模块都一直在处理网络数据，对处理的效率要求很高，有限定的响应时 间使系统具有可预测性；同时软件系统必须被装起来控制与其相关的硬件，所以运行 在各模块上的操作系统应该是实时嵌入式的。 整个系统的架构是多模块共用一条交换总线，总线上的各模块是一种协作关系。 各个模块通过交换平台联系起来，形成一个整体，整个系统也就具有了每个模块所能 提供的功能。模块越多，系统的功能就越多，反之则越少，此时的系统被称作可扩展 式系统。如果其中有模块 n 现故障，或者t l ：l 新的模块加入系统，系统郡廊该采取桐麻 措施来增减，使自己始终具有平台上所有模块所能提供的全部功能。而维持这种可扩 展性的办法是通过热插拔技术实现的。 0 华中科技大学硕士学位论文 3 关键技术概述 正如上一章的内容讲述的那样，本文讨论的是实时系统交换平台的设计，所以有 必要对实时系统的特点进行分析和论述，同时对设计- f t 所涉及的相关关键技术进行介 绍。本章描述了c o m p a c tp c i 总线操作和性能特点、实时系统的基本要素和基本需求、 热插拔技术的基本原理，并分析了这几种技术结合起来的可行性。 3 1 c o m p a c tp c i 总线架构 在1 9 9 4 年创建的p i c m g 组织的主要任务就是制定一丌放的p c i 技术标准规范， 1 9 9 5 年1 1 月p i c m g 发布了第一版c o m p a c tp c i 规范，以后又陆续发布了系列补充 的标准规范，其中1 9 9 8 年8 月发布的c o m p a c tp c i 热捅拔规范，对c o m p a c tp c i 总 线在电信和控制领域的应用起到了积极的推动作用。 c o m p a c tp c i 简单的说就是p c is p c c i f i c a t i o n ( p c i 电气规范1 加上r u g g e de u r o c a r d p a c k a g i n g ( 欧式卡结构) ，这样在c o m p a c tp c i 系统中就可采用在台式机中广泛使用 的高性能的p c i 技术，降低了新技术的使用成本，系统的整体性能得以提升，基于 p c i 技术的丰富软件工具，也使得用户在使用中更加便捷；同时欧式卡结构使得系统 的可靠性进一步提高。另外采用i e e e1 1 0 1 1 1 后端输出方式，使得对系统的维护更 加方便快捷，大大缩短了系统的平均维护时间。 3 1 ic p c i 基本架构 c o m p a c tp c i 系统背板和c o m p a c tp c i 板卡采用的是标准的2 m m 高密度气密性针 孔连接器，扳卡的尺寸分3 u ( 1 0 0 m m x l 6 0 m m ) 和6 u ( 1 6 0 m m 2 3 3 m m ) 两种，3 u 的系 统只提供3 2 6 4 位的p c i 系统总线，6 u 的系统除了提供3 2 6 4 位的p c i 系统总线外， 还有多达3 1 5 线的用户定义的输入输出线，非常适用于电信与数据通讯等要求高吞吐 壁的应用f 8 9 】。它具有极高的性能，其主要特点是： 1 具有地址数据多路复用的高性能3 2 位或6 4 位的同步总线。总线引脚数目和 部件数量少( 对于总线目标设祷只有4 7 根信号线对于卡设备最多只有4 9 华中科技大学硕士学位论文 根信号线) 降低了成本及柑线复杂度。 2 p c i 局部总线在3 3 m h z 总线时钟、3 2 位数据通路时，可达到峰值1 3 2 m b i t s 的带宽；在3 3 m h z 总线时钟，6 4 位数据通路时可达到峰值2 6 4 m b i t s 的带 宽；在6 6 m h z 主频时，对于3 2 位数据通路和6 4 位数据通路带宽的峰值，可 分别达到2 6 4 m b i t s 或5 2 8 m b i t s 的带宽；p c i 总线还有线性突发传输功能， 保证了满载的高速传输。 3 隐蔽的总线仲裁，减小了仲裁开销。 4 极小的存取延时采用总线多主控和异步数据转移操作。 5 c p c i 提供的数掘和地址奇偶校验功能，保证数据完整性和准确性。 6 p c ! 总线与c p u 和时钟频率无关，它能支持多个外设，设备间通过局部总线 可以完成数掘快速传递，从而很好地解决数据传输的瓶颈问题。 7 对p c i 扩展卡及元件，能够自动配置，实现设备的即插即用。 从结构上看，c p c i 总线的特点表明它是一种理想的系统交换平台的载体，它提 供商传输带宽，同时能够保证数据完整性和准确性；能够支持多外设，很好的适应了 系统可扩展性的要求；采用的是p c i 总线操作规程，很好的适应了一般的p c i 扩展元 件，降低了开发难度；独特的引脚及外围电路设计集连接紧密牢固、抗干扰、易更换、 热插拔等优点于一身。 背板是c p c i 总线架构的摹础，它为c p c i 总线交换提供物理连接、电路保证。 图3 - 1 是一个典型的c p c i 背板，它有8 个插槽，其中一个为系统板插槽( s y s t e m s l o t ) ， 其它7 个为外设板插槽( p e r i p h e r a ls l o t ) ，像这样一个系统插槽外带7 个外设插槽的单 元称作一个c p c i 段( c p c i s e g m e n t ) 。 系统插槽提供总线仲裁、时钟分配和整个c p c i 段的重新启动等功能，系统插槽 要通过管理每块外设插槽上板卡的1 d s e l 信号来完成整个系统的初始化i 外设插槽上可以安放简单的接1 = i 板、智能从属装胃( i n t e l l i g e n g e es l a v e ) 或p c i 总线的控制装胃( p c im a s t e r ) 。 华中科技大学硕士学位论文 3 1 2c p c i 总线基本操作 图3 - 1c p c i 总线槊构( 背板) c p c i 的总线操作遵循p c i 总线操作规程1 7 d 3 1 。 总线上的活动表现为m a s t e r 和t a r g e t 之间的信息传输和交互。当一个m a s t e r 得到 总线的控制权后，山它来决定下一次传输的类型。在传输的地址段，c b e # 信号线用 于给出传输的类型命令。c b e # 包含四根信号线，经过这四根信号线的组合可以形成 一组总线操作命令，当命令生效后c b e # 又行使字节选择的职能【7 - 1 3 】。 c i b e 3 ：o # c o m m a n d t y p e 0 0 0 0i n t e r r u d la c k n o w l e d g e 0 0 0 1 s p e c i a lc y c l e 0 0 1 0l ，or e a d 0 0 1 1i ，ow r i t e 0 1 0 0r e s e r v e d 0 1 0 1r e s e w e d 0 1 0 m e m o r yr e a d 0 1 1m e m o r y w r i t e 1 0 0 0r e s e r v e d 1 0 0 1r e s e r v e d 1 0 1 0 c o n f l g u r a l t o nr e a d 1 0 11 c o n l l g u r a t t o nw r i t e 110 0m e m o r vr e a dm u l t i p l e 1 0 1d u a ia d d r e s sc y c l e 1 1 1 0 m e m o r yr e a dl i n e 111m e m o r vw r i t ea n dl n v a l i d a t e 圈3 - 2c b e # 的命令 华中科技大学硕士学位论文 c b e # 形成的命令包括：中断确认，特殊周期，i o 读，i o 写，读内存，写内存， 读配置空间，写配簧空i i j ，双地址周期等。 1 ，中断确认 中断确认用于对p c i 总线上的中断控制器进行读操作，地址线没有作用，b e 线 用来决定中断类型的大小。 2 特殊周期 被m a s t e r 用于向一个或多个t a r g e t 广播消息。 3 i o 读和v o 写 i o 读写用于在i o 控制器和m a s t e r 之问传输数据。每一个i o 设备都有它自己 的地址空间。地址线用来指示一个特定的设备以保证数据传输的正确。 4 读内存和写内存 内存的读写用于确认一次内存和m a s t e r 之恻的数据传输。具体的数据格式取决予 内存和缓存的具体形式。 5 读配置空间和写配置空f i i j 配置空间调配命令允许m a s t e r 读写和改变p c i 设备的配簧。每一个p c i 致备可以 有最多2 5 6 个内置寄存器来初始化和配置。 6 双地址周期 用于6 4 位的操作。 3 2 位的数据的读写操作对各个主要信号线的时序提出了很高的配合要求。下面分 别从读和写两个方丽来说明他们的配合关系。 3 1 2 1 总线读写操作 对于读操作，下图示意了当f r a m e # 有效后丌始的地址段和数据段中各个数据信 号之间的配合关系。 4 华中科技大学硕士学位论文 似nnn 八八n 八八r 1234 5678a r 卧m 酣= 墨i i l 季硅：枣? ： a d c ，b e l 坚! 猷 i b e # 。t i i l l = | l ：i # l 事l 军| 葚啪w l 羔毒l l 蠢l l 土l 砖 d e v s e l # ；l - - 二鹫 ( 二 3ill l 蕊 f r a m e # 信号是总线交易的“指示灯”，只有当f r a m 脒信号有效时总线交易才 能进行。f r a m e # 是低电平有效，所以罔巾当f r a m e # 信号变为低电平后总线操作才 开始。 a d 信号是3 2 根信号线组成的一组地址数据复用的信号，不同时期分别表示总 线地址和传输的数据。如图中所示，f r a m e # 信号有效后的第一个时钟周期内a d 信 号代表总线地址，即读操作将要访问的p c i 总线地址，然后a d 信号就转而表示所要 传输的一个个数据，这里是从t a r g e t 端读到的数据。数据信号问可能出现回转周期， 因为地址会由t a r g e t 端提供。前面讲过的c b e # 在f r a m e # 有效的时候表示总线操作 命令读命令，随后c b e # 进行数据字节选择。 i r d y # 和t r d y # 分别表示“i n i t i a t o rr e a d y ”和“t a r g e tr e a d y ”，是两个低电平有 效的状态描述信号，i r d y # 有效表示操作的发起端已经准备就绪，同理t r d y # 表示 目标端准备就绪。只有当i r d y # 和t r d y # 同时有效( 都为低电平) 的时候数据才能 够传到总线上。 d e v s e l # 信号是低电平有效的设备选择信号。命令的发起端首先将总线地址发到 p c i 总线上，由总线上的其它所有设备进行地址译码，若发现发起端请求的地址属于 自己，则将自己对应的d e v s e l # 信号冒低，使之有效，这样发起端就和这个设稀建 华中科技大学硕士学位论文 姒nn 八八n 八八一八厂 加- i = 匦壅x 亟 奎互二0 ：二巫互二o = 尊二 c b e # j = 罩双亘匹妊匦琰二e 二j 亘巫 二亚尊二 三釜e l 壁l 葚 一、l 厂_ i l 1 、l ，l 豫刚卜等l l l j t r 。卜。l l j 卜 图3 - 4 写操作时序图 使传输终止有两种方式：m a s t e r 发起的终i e 和t a r g e t 发起的终i t 。 3 1 2 2 总线仲裁机制 为了减小传输延迟，p c i 仲裁机制是基于连接的而不是基于时间片的。也就是说， 总线上的m a s t e r 必须对每一次连接做出仲裁。p c i 使用一个中心仲裁机制，每一个 m a s t e r 有一个唯一的r e q 一和g n t # 信号。仲裁是隐藏的，即仲裁f h 前一次连接发m ， 这样就可以不花费p c i 总线周期，除非总线闲置。 一个设备通过置r e q # 信号来发出请求使用总线，当然这是当它有确实需要的时 候。一个仲裁器可以在任何时钟周期取消对一个设备的g n t # ( 允许信号) ，一个m a s t e r 允许开始一个传输当它的g n t # 置“1 ，后且总线空闲。 下图示意了基本的仲裁机制，这晕有两个设备都来申请使用总线，个仲裁器在 华中科技大学硕士学位论文 两个设备之间做出调度。他先让a 设备得到总线使用权，对应a d 信号传送的是a 设 备相关的地址和数据；然后将总线所有权发放给b 设备，a d 信号则传送b 设备的地 址和数据。总之只有当某一设备的r e q # 有效且得到仲裁器配合将相应g n t # 置低后 该设备才能拥有总线操作权。 c l kn 八nn nn 厂 12345b7 r e 舶 r e o b o n t 缸鲁 o n t b f r m 酬 0 t i|t l 一_ if i； 湎蒸n _n面而n _ f _ i 3 1 2 3 总线延迟 a c s s - 图3 5 总线仲裁时序图 p c i 是一个低延迟、高速的i o 总线。m a s t e r 和t a r g e t 在一个传输中可以加入的等 待周期均有一定的限制。每一个m a s t e r 有一个可编程的定时器来决定它在总线忙时可 以占用总线的最大时间。有了这些限制和总线仲裁顺序，总线延迟变得可以预测了。 1 t a r g e t 延迟 t a r g e t 延迟是一个t a r g e t 在簧t r d y # 有效之前需要等待的时钟周期数。 2 m a s t e r 数据延迟 m a s t e r 数据延迟是m a s t e r 用来置i r d y # 为有效表示已经准备好传输数据的时钟周 期数。 3 仲裁延迟 而仲裁延迟是当m a s t e r 发出使用总线请求之后到总线空闲及m a s t e r 得到总线使用 权之间的时钟周期数。 华中科技大学硕士学位论文 3 1 2 4 纠错功能 p c i 提供了奇偶校验及其它系统错误校验机制。p c i 错误恢复机制能够允许设备 从错误中恢复而不影响其他的设备。 p c i 上的奇偶校验用来判断m a s t e r 是否成功的寻址到了它所想要的t a r g e t 及是否 正确的传输了数据。 奇偶校验遵循的原则是：对于任何p c i 传输过程，奇偶校验都是一样的。 a d 3 1 ：0 0 ，c b e 3 ：0 和p a r 上的“1 ”的个数是一个偶数。奇偶检验不是可选的- 它必须被任何p c i 设备所支持。 3 1 2 5 配鬻空自j 当p c i 设备上电时，配置软件必须扫描系统巾的不同总线来确定设备的存在和设 备的配簧需求。这个过程通常包括：扫描总线、激活总线、，检查总线、总线列举等。 为了完成这个过程，每个p c i 的设备都必须实现p c i 规程定义的一组配置寄存器。这 些配霉寄存器存放在设备的，配置空间”罩。 p c i 设备的配置软件读取配置空间的寄存器来确定设备提供的功能和设备类型， 并进入相应功能的配置区域来确定设备对i 0 和存储空间的需求，进而进行配置保证 互斥性。 简言之，定义p c i 配簧空间( c o n f i g u r a t i o ns p a c e ) 是为了提供一个适当的接f 1 来 满足系统配置的需要，包括：对设备重新定位( 包括中断绑定) 的支持；不需要用户 干预的安装调试和测试；设备无关的系统地址映射表等。 所有的p c i 设备都必须实现配置空间。多功能的设备必须为所实现的每一种功能 提供配置空间。 1 配置空间的组织 该空间由预定义的头部分和设备相关部分组成，共有2 5 6 个字节。预定义的头部 分由设备唯一确定的域组成，分为两个部分：一丌始的1 6 个字：锚对所有的设备都是 一样的，剩下的字节相应于设备支持的基本功能而有不同的布局，布局由0 e h 处的头 类型域决定。系统软件有时需要获取供应商的i d ，桥芯片必须确定的对不存在的设备 华中科技大学硕士学位论文 做出判断，这要通过在i d 返回0 f