（通信与信息系统专业论文）widosnet节点以太网网关接口的研究与实现.pdf

沈阳理工大学硕十学位论文 摘要 宽带综合数据光同步网( w d o s n e t ) 是本项目组根据现代网络发展需要而设 计的具有自主知识产权的全新的网络。采用光纤为传输媒介，使系统拥有巨大的 带宽容量，这样传输带宽的瓶颈得以解决；采用高速可编程片上系统组成的多处 理器使系统拥有足够的信息处理能力；另外由于采用全新的动态数据流量调整的 概念，可以使我们对它的未来有无限的想象空间。应用f p g a 、s o p c 等相关技 术，能够方便的传输文件、语音、图像及数据等综合业务信息，具有高实时性、 高可靠性、高灵活性及高效性的特点，应用前景广阔。 宽带综合数据光同步网主要由网络集中器部分和用户节点部分组成。本课题 主要完成节点以太网网关接口的基本功能。结合目前的发展现状，提出了嵌入式 以太网网关接口的解决方案。以n i o si i 嵌入式处理器为核心，利用以太网控制 器d m 9 0 0 0 a 设计了基于n i o si i 嵌入式处理器的以太网网关接口。到目前为止完 成了以太网网关接口的具体硬件设计方案以及在o u a r t u si i 平台下的相关模块化 设计，编写了节点计算机通信部分的相关协议以及网关接口的驱动程序。实验结 果表明，该设计完成了基本要求功能。与传统的嵌入式设计方案相比，该方案应 用f p g a 、s o p c 等相关技术具有很强的扩展性和灵活性，降低了开发成本和硬件实 现风险。 此外课题针对节点部分设计了数据管理器，以便实现数据的存储转发，并对 差错检测进行了研究与比较。本文中所给出的c p c 码的生成式和校验源程序在数 字通信中可以得到很好的运用。 关键词：w l i ) o s n e t ；网关接口：n i o si i ：f p g a 沈刚理r 大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i d e b a n di n t e g r a t e dd a t ao p t i c a ls y n c h r o n o u sn e t w o r kw a sd e s i g n e db yo u r p r o j e c tt e a ma c c o r d i n gt ot h en e e d so fm o d e mn e t w o r kd e v e l o p m e n t w i t hi n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t so ft h en e wn e t w o r k t h eo p t i c a lf i b e ri st h et r a n s m i s s i o n m e d i u m ，e n a b l e st h es y s t e mt oh a v et h eh u g eb a n dw i d t hc a p a c i t y , l i k et h i st r a n s m i t st h e b a n dw i d t hb o t t l e n e c kt ob ea b l et os o l v e ；a d o p t sh i g hs p e e dm u l t i - p r o c e s s o rw h i c h c o m p o s e do fs y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i pt oe n a b l et h es y s t e mt oh a v et h ee n o u g h i n f o r m a t i o n - h a n d l i n gc a p a c i t y ；m o r e o v e rb e c a u s eu s e st h eb r a n d - n e wd y n a m i cd a t a c u r r e n tc a p a c i t ya d j u s t m e n tt h ec o n c e p t ，i tw i l lb ee n a b l eu st oh a v et h ei n f i n i t e i m a g i n a t i o ns p a c et oi t sf u t u r e u s i n gr e l e v a n c et e c h n o l o g i e ss u c ha sf p g a ，s o p c ，i t w i l lb ea b l et ot r a n s f e ri n t e g r a t e db u s i n e s si n f o r m a t i o ns u c ha sd o c u m e n t ，v o i c e ，i m a g e a n dd a t ac o n v e n i e n t l y , w i t hh i g hr e a l t i m ep e r f o r m a n c e ，h i 班r e l i a b i l i t y , h i g hf l e x i b i l i t y a n de f f i c i e n c yo ft h ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti sb r o a d l y w i d e b a n di n t e g r a t e dd a t ao p t i c a ls y n c h r o n o u sn e t w o r ki sm a i n l yc o m p o s e do f t h en e t w o r kc o n c e n t r a t o rp a r ta n dt h eu s e rn o d ep a r t t h i st o p i cm a i n l yc o m p l e t e st h e b a s i cf u n c t i o no f n o d ee t h e r n e tg a t e w a yi n t e r f a c e c o m b i n et h ec u r r e n td e v e l o p m e n t s i t u a t i o n ，p r o p o s e dt h ee m b e d d e de t h e r n e tg a t e w a y i n t e r f a c es o l u t i o n t a k et h en i o si i e m b e d d e dp r o c e s s o ra st h ec o r e ，u s i n ge t h e m e tc o n t r o l l e rd m 9 0 0 0 a ，h a sd e s i g n e dt h e e t h e r n e tg a t e w a yi n t e r f a c eb a s e do nt h en i o s e m b e d d e dp r o c e s s o r s of a rh a s c o m p l e t e dt h ee t h e r n e tg a t e w a yi n t e r f a c ec o n c r e t eh a r d w a r ed e s i g np l a na sw e l la s u n d e rt h eq u a r t o s p l a t f o r mr e l a t e dm o d u l a t i o nd e s i g n ，h a sc o m p i l e dt h en o d e c o m p u t e rc o r r e s p o n d e n c ep a r tr e l a t e dp r o t o c o la sw e l la st h eg a t e w a yi n t e r f a c ed r i v e r t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h i sd e s i g nh a sc o m p l e t e dt h ee s s e n t i a lr e q u i r e m e n t s f u n c t i o n c o m p a r e sw i t ht h et r a d i t i o n a le m b e d d e dd e s i g np r o p o s a l ，t h i sp l a nu s i n g f p g a ，s o p ca n ds oo i lc o r r e l a t i o nt e c h n i q u eh a st h ev e r ys t r o n ge x t e n s i o na n dt h e f l e x i b i l i t y , r e d u c e dt h ed e v e l o p m e n tc o s ta n dt h eh a r d w a r er e a l i z e st h er i s k i na d d i t i o nt h et o p i ch a sd e s i g n e dt h ed a t aa d m i n i s t r a t i o ni m p l e m e n tf o rn o d ep a r t ， w i t ht h ea i mo f r e a l i z i n gt h ed a t am e m o r yr e p e a t e r , a n dc a r r i e do n t ot h ee r r o rd e t e c t i o n h a ss t u d i e da n dc o m p a r e s i nt h i sa r t i c l eg a v et h ec r cc o d e sp r o d u c t i o nt y p ea n dt h e v e r i f i c a t i o ns o b i c ep r o g r a mm i g h to b t a i nt h ev e r yg o o du t i l i z a t i o ni nt h ed i g i t a l c o m m u n i c a t i o n 沈阿1 理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：w i d o s n e t ；g a t e w a yi n t e r f a c e ；n i o si i ；f p g a 沈阳理工大学 硕士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! j 币的指导下，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 何其他个人或集体己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 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 瓣寿 日期：盼g 年易月阳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将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、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：旅磊 各 日 期：一另图油目 指导教师签名：秀扒。 日 期：一弓目h 日 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着科技的高速发展，现在己经进入数字信息技术和网络技术高速发展时代。 网络相对人们十分重要，人们通过网络连接世界，从地球的一端到另一端可以很 方便地传输文件和信息，同时也在吸收着各种先进的文化和科学知识。计算机、 微电子等技术的发展，促进通信网络提供越来越多的服务，使我们日常生活及工 作越来越离不开通信网络。人们要求网络提供更多业务的服务，要求有更高的服 务质量，同时又有新的需求不断地出现。人们不再满足于传统网络所能给人类带 来的便利，在不远的将来网络不仅要传播数据，还要传播录像、动态数据，传播 实时性很强的语音，传输一些突发的数据信号，又要传输始终保持固定流量的数 据信号等等。能够按不同目的的要求实时、准确、可靠、有效地( 有q o s 保证) 传输上述各类数据信号是人们不断追求的目标，为此，人们提出了下一代( n g n ) 网络的概念。实际上，下一代网络是一个虚指的概念，是区别于现有网络的另一 一种网络形式。现有的网络已经无法满足日益增多的业务服务需求，人们不得不 提出未来网络的概念。 目前世界上应用于工业控制的计算机网络主要由世界各大工业集团推出的互 不兼容的场地总线及工业以太网等，而且这些场地总线一般都限制在几兆比特以 下及几千米以内。并且当网络需要的传输信息接近甚至超过网络最大的容量时， 无论采用何种传输协议都会产生瓶颈效应，实时性、可靠性均难满足。因此传统 网络很难满足人类现代化的需求，一种全新的、实时性很强的、高速传输的宽带 网络将是未来社会发展的需要。 宽带综合数据光同步网( w 0 s n e t ) 即是为了迎合现代发展需要提出的一种 具有自主知识产权的全新的网络。其最大的特点是采用光纤作为传输媒介能够提 供千兆位的带宽，传输损耗小，实时性好，抗电磁干扰能力强的特点【。高速网络 的发展使得光纤成为一种最主要的传输媒质。光纤通信作为一项新兴的通信技术， 从一开始就显示出无比的优越性，经过将近三十年的发展，光纤通信技术【2 l 已成为 沈阳理工大学硕士学位论文 现代通信网络系统的最佳选择。 宽带综合数据光同步网( w d o s n e t ) 技术上它基于同步数字体系( s d h ) 、 光纤通信等技术，选用高性能的处理器芯片f p g a t 3 1 1 4 1 以及采用高速可编程片上系 统s o p c i 5 j 组成的多处理器信息处理系统使系统拥有足够的信息处理能力，另外采 用全新的动态数据流量调整的概念。其网络结构为有根树形，节点的综合服务器 ( i s d ) 利用片上数据选择的概念来完成传统的交换功能又具有数据带宽可变的灵 活性。w i d o s n e t 采用1 2 5 1 a s 周期时隙进行数据传输，能够方便地与同步数字体系 ( s d h ) 网络连接，因此它可作为接入网。w l d o s n e t 不存在数据碰撞延迟，仅 存在可确定的数据处理延迟及传输延迟。由于它是一种时延完全确定的实时网络， 因此可以传输数据，更适合传输实时性强的语音及图象等综合信息。它既可以作 为以文件传输为主要目的计算机局域网又可以容纳传输语音为主电话网络，同时 可以兼容以传送数字图像的数字电视网络，达到真正的三网合一。同时由于 w i d o s n e t 采用光纤为传输媒介，特别适合于干扰严重的工业环境及要求防爆严 格的环境工厂现代化管理系统的应用。由于光传输损耗极小，因此它几乎没有距 离限制( 相对局域网，它可以传送5 0 公里以上) 。w i d o s n e t 具有完全的自主知 识产权，它的优越性能使我们对它的未来有无限的想象空间。 在该网络中节点与计算机之间的通信【6 】也是尤为重要的，是任何一个网络都不 可或缺的部分，而以太刚7 】是目前使用最广泛的局域网技术，由于其高度灵活性和 实现的简单性，近年来得到了迅猛的发展。统计数字表明，目前全球9 0 以上的 网络采用以太网技术并且世界上使用的以太网接口己超过一亿。随着以太网技术 的不断发展和完善，以太网在城域网的应用己经逐渐走向成熟。本课题从此角度 出发，应用高性能级的处理芯片f p g a 以及成熟的以太网技术来设计节点与计算 机之间的接口即以太网网关接口。将光网络与以太网相结合必将是下一代网络的 趋势，应用前景广阔。 1 2 国内外发展状况和趋势 随着网络技术的飞速发展，多媒体的应用愈来愈多，对网络的需求也越来越 大，不仅要求对语音、图像及数据的传输，还要保证其高速可靠的传输，而且网 络还必须和i n t e m e t 网互联。这样网络必须具有大容量数据带宽和对i n t e m e t 接口 第1 章绪论 技术【8 】的要求。近几年来，宽带互联网高速发展，宽带用户不断增长，宽带不断地 渗入社会的各行各业以及人们的日常生活，特别是目前网络正朝着应用型方向发 展，人们对网络的依赖也越来越强。在这种状况下，人们对网络技术的要求也越 来越高。传统的工业以太网虽然是一个统一、开放的通信标准，传输速率较高， 但是现在达不到对于网络中要求数据的可靠性及实时性的传输，并且现在的现场 总线【9 】存在着标准太多，兼容性不强，而且随着传输距离的增加传输速度会减少， 不能传输大容量的数据、语音、图像等。 光纤的出现彻底解决了以上的问题。在网络中采用光纤作为传输媒介解决了 传输带宽的瓶颈的问题。由于光网络具有的一系列特点，使其在通信网中居于相 当重要的地位，它是通信基础网络的核心。在全球，几乎8 0 以上的信息量是通 过光纤网络来传输的。近几年来，由于d w d m 技术的发展和成熟，光纤带宽的潜 力得到了进一步挖掘。我们知道，光网络只有通过适当的、合理的、科学的体系 结构互联以后才能组成真正理想的网络体系结构，以提供高速、宽带、高质量的 业务。伴随着光器件技术和光信号处理技术的发展，在光传输层已经提供了联网 能力。因此，光网络的研究和建设已经成为近期网络发展和建设的重点。 宽带综合数据光同步网便是本课题组根据当今网络发展的局势提出的一种全 新的网络。宽带综合数据光同步网，采用嵌入式技术【1 0 】，应用性能较高的处理芯 片f p g a 及片上可编程系统s o p c 来构建新型网络，实现语音、图像、数据实时 性的传输，是一种全业务的综合性控制网络，节省了多系统的运作投资、也减少 了多系统的误码率，向着计算机网络技术应用三大领域的统一方向发展，将具有 无可预计的巨大经济效益。 近年来现代社会对信息的需求越来越大，i n t e r n c t 对于信息的传播与获取变得 越来越重要，个人计算机的应用层出不穷，将个人计算机接入网络早已是发展的 潮流。随着以太网技术的不断发展，目前9 0 的网关接口采用的都是以太网技术。 将以太网与宽带综合数据光同步网相结合是本课题的着眼点，也是未来网络发展 的必然趋势。 1 3 论文研究内容和所做工作 本课题的目标是为宽带综合数据光同步网的节点部分提供一个简单易行、实 沈阳理工大学硕士学位论文 用可靠的能与计算机网络进行通信的一个以太网网关接口，课题的设计是基于嵌 入式s o p c 、n i o si i 等先进技术，采用功能强大的f p g a 核心芯片及d m 9 0 0 0 a 以太网控制器为网络中的节点与计算机网络之间搭建桥梁，实现网络节点和计算 机之间的通信。 该课题的前期任务包括： ( 1 ) 通过资料查询和调研，全面了解嵌入式以太网网关系统的设计方法和开 发方法； ( 2 ) 分析和研究目前的嵌入式系统以太网网关解决方案的特点以及适用场 合： ( 3 ) 了解硬件研发所需要的具体流程； ( 4 ) 对嵌入式网关系统进行了总体设计和模块划分，并对主控程序、通信模 块、用户接口、系统管理、串口通信协议集成等各个模块进行设计与实现。 课题的主要内容包括以下3 个方面： 1 网络中节点以太网网关接口的设计与实现 以太网以成熟的技术、广泛的用户基础和较高的性能价格比，是传统的数据 传输网络应用中较为优秀的解决方案，大概有超过9 5 的用户使用以太网连接其 内部网络。在本网络中节点要与计算机进行通信，两个不同的网络要进行通信需 要依靠接口来实现。针对此问题本课题要研究内容是在节点处做一个以太网网关 接口。通过以太网接口实现网络和计算机之间的物理连接，为网络内部通信提供 条物理通道，通过这个通道进行高速的数据传输，同时应用网络协议及时检测 网络内部情况完成数据帧的发送与接收、错误帧校验等实现网络内部的数据管理。 此项内容要考虑的是节点的以太网接口怎样设计以及怎样利用以太网的可用资源 为网络所用。 2 、网络内部管理 网络内部管理主要是维护网络正常高效地运行具体讲就是能及时检测网络内 部出现的故障并进行处理，通过对网络的配置协调更有效地利用网络资源，保证 网络高效率正常运行。本课题主要是对网络内部数据进行管理，具体要完成以下 ：作： ( 1 ) 将残帧、差错帧等一切非法帧检出，防止转发到集中器。 第1 章绪论 ( 2 ) 当计算机数据流出现拥塞或碰撞时，进行数据流量管理。 3 、节点计算机部分相关协议的编写与实现 宽带综合数据光同步网是本课题组自行研发提出的一种新型的网络，其相关 协议完全由本课题组的成员进行编写，每个成员负责一部分。本课题主要负责网 络节点与计算机之间进行通信部分的相关协议编写，主要包括怎样实现节点计算 机的数据收发以及节点计算机数据管理器的内部结构设计等。 1 4 论文的章节安排 论文主要围绕宽带综合数据光同步网与节点以太网网关接口的设计和实现展 开阐述。本文的主要任务是：负责节点网关接口的具体硬件设计和部分软件设计， 并且对系统进行连接和调试；对网络的拥塞控制进行研究以及实现网络内部的数 据管理等。具体工作内容如下： 第一章：“绪论 ，简要论述宽带综合数据光同步网提出背景、系统概括以 及理论基础等。给出了本文研究的主要内容和文章的组织结构。 第二章：“宽带综合数据光同步网节点计算机的结构与设计 ，介绍了宽带 综合数据光同步网的组成及特点，重点介绍了用户节点计算机部分的结构设计、 功能。 第三章：“节点以太网网关接口的硬件电路设计 ，主要论述节点以太网网关 接口部分的相关硬件设计、f p g a 外围电路的设计、p c i 物理接口设计、电源电路 设计及其工作原理。 第四章：“节点以太网网关接口的嵌入式设计”，主要论述基于s o p c 的嵌 入式系统设计，介绍了n i o si i 处理器内核的设计及以太网网关接口的相关软硬 件模块结构设计、实现方法以及自定义用户外设接口的设计与v e r i l o g 语言实现等。 第五章：“节点以太网网关接口的软件设计与调试”，详细介绍了网关接口 在n i o si ii d e 环境下的驱动程序的设计以及系统硬件单元电路的调试过程并给 出了试验结果。 第六章：“网络内部数据管理”，在此主要论述节点数据管理器的设计与实 现方法，并提出了实现差错校验和拥塞控制的几种方法及比较等。 最后给出全文的结论。 沈阳理工大学硕士学位论文 第2 章综合数据光同步网节点计算机的结构与设计 2 1 宽带综合数据光同步网简介 宽带综合数据光同步网( w d o s n e t ) 是本项目组自行设计的一种全新的综合 业务网络模型，它能够方便地传输文件、语音、图像及数据等信息，它具有高实 时性、高可靠性、高灵活性及高效性的特点。为了更好的了解本课题的节点部分 的设计，下面简要的介绍一下宽带综合数据光同步网系统的结构和功能，但这只 是设计的初级阶段，有些功能和结构有待于进一步的研究和探讨。 2 1 1 宽带综合数据光同步网的组成 宽带综合数据光同步网包括集中控制器与网络用户节点两大部分。其结构如 图2 1 所示： 图2 1宽带综合数据光同步网结构图 集中器是网络的头端，它位于星型网络的中心，它是一个多级多处理器组成 的双机热备份系统。它具有如下主要功能： ( 1 ) 系统流量管理功能：负责各节点传送的语音、图像及数据完成数据成帧的 任务。产生与发布同步时钟，通过数据流携带的同步时钟信息，使网络各节点达 到时钟同步的目的。 ( 2 ) f l 了各接1 ：3 组成的分布式缓冲区及动态调整的集中式缓冲区保证系统能够进 行信道利用率的数据信息调度。 ( 3 ) 根据不同速率的数据接口进行速率动态预测调度使数据时延最小。 第2 章综合数据光同步网节点计算机的结构与设计 ( 4 ) 资源管理功能，如：信道资源的控制与管理( 动态控制调节网络流量) 功 能、话路及图像用户认证及授权功能、信息管理、p 地址管理及转换功能、信息 密钥管理功能等。 ( 5 ) 系统管理功能：对部分信息分析进行管理的功能、系统功能模块设计与分 配功能、信息量统计功能、系统状态记录与管理功能等。 ( 6 ) 路由器功能：与局域网( 以太网、各种场地总线) 及其它网络( 广域网： i s d n 、x d s l 、v 5 2 等及分组传送网a t m 等) 进行连接的功能。 ( 7 ) 网络安全性保证功能：建立防火墙，滤除可能遭受的恶意攻击，确保网络 的安全性。 ( 8 ) 系统故障自动检测、记录、报警、备份系统自动热切换及手动切换、动力 电源与备用电源切换功能等。 l 光调制发射枇 上 光耦合釉 去各节点光接收机 图2 2 下行光分配系统 ( 9 ) 光接收的光电转换及光发射的电光转换与光分配功能( 光耦合器可以平均 分配也可以根据各节点的距离不同进行光的功率分配) 如图2 2 所示。 2 1 2 宽带综合数据光同步网的特点 宽带综合数据光同步网是一种全新理念的网络，其具有以下特点： ( 1 ) 宽带综合数据光同步网将传统的硬件交换变为软件交换( 片上数据选择) ， 将集中处理变为分散处理。使得过去非常难实现的任务变的非常简单，如：多任 务种类、多信息速率复杂结构的交换机，利用节点分散处理方式，使系统结构非 常简单。如：在其它系统中非常难实现的电视会议系统及电话会议系统在宽带综 合数据光同步网上实现起来非常容易。 ( 2 ) 宽带综合数据光同步网采用光纤作为传输媒介能够提供干兆位的带宽，实 沈阳理工大学硕士学位论文 时性好，抗电磁干扰能力强的特点。由于光传输损耗极小，因此它几乎没有距离 限制( 相对局域网，它可以传送5 0 公里以上) 。 ( 3 ) 宽带综合数据光同步网采用全新的非对称数字同步体系结构【1 1 1 ，每秒8 0 0 0 个时隙，每个标准时隙为1 2 5 9 s ，每个标准帧为1 0 2 4 b i t 。上行为点对点，下行为 一点对多点。同时具有下行比特率可远大于上行比特率的特点，可提高网络的效 率及灵活性。 ( 4 ) 采用n i o s l i 多处理器嵌入式结构，使得集中器可以简单方便的进行动态数 据流量调节。自行开发f p g a 超大规模数字集成电路设计，使系统的升级与改进 更加方便。 ( 5 ) 宽带综合数据光同步网采用动态数据量调节技术，使得网络利用率可达 7 5 以上。如：话路信道在结束通话时释放占用的时隙，使信道利用率大幅度提高； 对实时信息( 实时性要求高的数据、话路、实时监控的图像) 的传输必须占用的 信道资源外，其它数据信息根据数据的优先级来动态分配剩余信道资源，使满负 荷运转时，即便是低优先级的数据信息也能进行传送，而高优先级的数据信息也 能高效传输。 ( 6 ) 宽带综合数据光同步网开辟虚窗口，将低数据率的网络利用开辟的虚窗口， 用少量的信道资源，动态的在虚窗口独立运行其它网络，可以方便的在本网络运 行任何协议设备，通过网关处理器又可方便的与其它网络互联。 ( 7 ) 相对于其它工业、企业现有的现场总线、局域网络，宽带综合数据光同步网 具有完全可确定的实时性，它由于采用数字同步体系结构，不存在排队延迟，特 别适合进行实时的数据、语音、图像等的综合传输。 2 2 节点计算机的结构与设计 2 2 1 节点子系统的结构设计 宽带综合数据光同步网中，节点子系统部分将用户端与网络连接( 节点子系 统结构如图2 3 所示) ，它具有如下主要功能： ( 1 ) 在集中器向节点传送的数据流中提取出连接在节点上的用户终端所需的 数据并进行分配。 第2 章综合数据光同步网竹点计算机的结构与设计 ( 2 ) 在集中器向节点传送的数据流中提取出同步时钟，从而使得整个系统 中的所有节点都有同时钟进行同步。 ( 3 ) 将用户终端的数据组织成帧并传送到集中器。 ( 4 ) 具有数模及模数转换功能和压缩及解压缩功能。 ( 5 ) 通过监视下行数据实现间接监控运行状态。 i 采至第中裔t 去囊巾薯 9 b i t a lb l 节点数据控翩单元 la lb l b i t l , 断处理总线 图2 3 节点子系统结构 接收控制与数据总线： 节点接收集中器的数据是由解串器完成串并转换然后送给各类( 语音、数据、 图象、计算机四类) 节点控制单元。 连接的总线为：接收控制总线为9 位，l 位地线。其中1 位是数据有效位，8 位是数据地址位用来控制接收的节奏。接收数据总线为3 2 位数据线，1 位地线。 其作用是用来传送接收来至集中器的数据信号，它们都是单向传输总线。 发送控制与数据总线： 节点向集中器发送的数据是各类( 语音、数据、图象、计算机四类) 节点控 制单元的数据通过串行器将数据完成并串转换任务的。 发送的总线为：申请发送数据的7 位中断控制总线及4 位中断处理总线共同 完成数据发送的申请及控制的功能。发送数据总线为1 6 位数据线，1 位地线。用 来传送来至节点控制单元的数据信号，它是一组三态的总线，都是单向传输总线。 中断处理总线的控制功能将在第四章进行详述。 2 2 2 节点计算机的数据结构设计 节点计算机的状态命令字结构设计如图2 4 所示： 图2 4 计算机状态命令字结构 沈阳理工人学硕士学位论文 a 为网速控制字；b 数据控制字；c 分帧结构控制字；d 分帧结构控制字； e 有数据传输表述字；f 为图象通信控制字；g 为计算机通信控制字；h 语音呼叫 控制字。 g ：= 0 时；表示无计算机网络信号的起始位传输，但并不表示无计算机数据传 输。有计算机数据传输时，e = i 。 g ：= 1 时；表示有计算机网络信号的起始位传输，同时e = i 。这时发送的数据 格式与8 0 2 3 规定的标准计算机数据格式【1 2 1 不同，将一个新起始符与一个数据长度 代替原7 个字节的帧前序及一个字节的起始符，后面的计算机数据结构不变。 节点计算机的数据结构设计如图2 5 所示： 图2 5 计算机数据结构 一个起始符1 1 0 1 1 0 1 1 ( d b h ) ，1 个字节的数据长度( 在一个时隙发送的数据 固定长度，是本时隙包括帧前序的全部数据长度，也是接收下面时隙数据长度) 及6 个字节的目的地址，6 个字节的源地址。同时保证传输的数据没有相同的d b 出现，如有，则选下一个时隙发送。发送的时隙最小长度为8 个字节，一般应为 1 6 个字节以上【13 1 。 发送的计算机数据帧结构与8 0 2 3 规定的结构不同之处是，没有帧前序而是起 始符为l1 0 1 1 0 11 ( d b h ) 仅为1 个字节及在目的地址与起始符之间插入1 个时隙 数据长度。 时隙数据长度由节点发送控制器决定，其长度是发送当时信道的空闲长度。 计算机仅有l 路信号在同一节点上传，并不意味着一个节点仅能容纳1 个计 算机接口，它可以容纳m 个计算机接口。它们可以采用分时操作的方式，由节点 控制器根据计算机的优先级对其进行控制。当发送1 个计算机接口数据，而有其 它计算机接口也要发送数据时，向其它端点发送长暂停帧，以示接入忙。直到有 信道空闲后才按优先级发送0 暂停帧，这时被允许的计算机可以不作任何延迟的 立即发送。如果没有优先级，则顺序发送。 ， 暂停帧( p a u s ef r a m e ) 结构：( 帧前序a a ) x 7 + ( f ；i f 导码a b ) 1 + ( 目的地 址) 6 + ( 源地址) 6 + ( 帧长度类型) 2 + ( 暂停标志) x 2 + ( m a c 控制参数) 2 + ( 备 用区) x 4 2 + ( f c s ) x 4 。 第2 章综合数据光同步网节点计算机的结构与设计 其中目的地址( d a ) ：放置被要求暂停计算机地址码；也可以是对所有站的 广播地址：0 1 8 0 c 2 0 0 o o 0 1 ( 1 6 进制数) 。 帧长度类型( l t ) ：放置8 8 0 8 ( 1 6 进制数) 表示为m a c 介质接入控制帧。 暂停标志：放置0 0 0 1 ( 1 6 进制数) 表示为m a c 介质接入控制帧中的暂停帧。 m a c 控制参数：放置o o o o 至f f f f 双字节：用来控制暂停时间。 注：m a c 控制参数= 0 0 0 0 时，允许立即发送不作任何延迟。 m a c 控制参数可以是o o 0 0 至f f f f 之问任意数，数值代表暂停比特数。 m a c 控制参数= f f f f 时，要求暂停6 5 5 3 6 个时隙。 节点在接收时在收到目的地址后，判断是否为本节点的地址，如不是停止接 收；如是则记住起始的信道位置( 帧前序的位置) ，同时接收下1 个字节数据长度， 6 个字节的源地址及后面接收的帧长度，并进行记录，按其长度在下面时隙连续接 收，直到以四个时隙f c s 作结尾的信息结束。 以上起始符的变化仅在本网中应用，在上传及本地接收时，都要还原为8 0 2 3 规定的帧结构。 即：帧前序1 0 1 0 1 0 1 0 ( a a ) ：7b y t e 。起始符i o i o i o l l ( a b ) ；lb y t e 。 2 2 3 节点计算机通信 计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的产物。计算机与通信的相互结 合主要有两个方面：一方面，通信网络为计算机之间的数据传递和交换提供了必 要手段；另一方面，计算机技术被渗透应用到通信系统的各个环节，提高了通信 网络的各种性能。 计算机网络是指独立自治、相互连接的计算机集合。独立自治意味着每台连 网的计算机是一个完整的计算机系统，可独立运行用户程序；相互连接意味着两 台计算机之间能够相互交换信息。计算机之间的连接是物理的，由硬件实现。计 算机之问的信息交换具有物理和逻辑上的双重含义。在计算机网络的最底层，信 息交换体现为直接相连的两台机器之间无结构的比特流传输：而在物理层之上的 各层所交换的信息便有了一定的逻辑结构，越往上逻辑结构越复杂，也越接近用 户真j 下需要的形式。信息交换在低层由硬件实现，而到了高层则由软件实现。 沈阳理工大学硕士学位论文 1 计算机通信协议 要想让两台计算机进行通信，必须使它们采用相同的信息交换规则。我们把 用于规定信息的格式以及如何发送和接收信息的一套规则称为通信协议。 通信协议有3 个要素： 语法，即数据及控制信息的格式、编码及信号电平等。 语义，即发出任何控制信息，完成什么动作以及做出何种应答。 时序，事件或操作执行的顺序关系。 计算机系统是一个非常复杂的系统。为了减少通信协议设计的复杂性，本课 题采用把通信问题划分为许多个小问题，然后为每个小问题设计一个单独的协议 的办法。这样使得每个协议的设计、分析和测试都比较容易。分层模型是一种用 于开发通信协议的设计方法。本质上，分层模型描述了通信问题分为几个小问题 的方法，每个小问题对应于一层。协议总是指某一层协议，准确地说，它是对等 实体之间通信规定的有关通信规则约定的集合。 所谓协议分层，就是指按照信息的流动过程将网络的整体功能分解为一个个 的功能层，不同机器上的同等功能层之间采用相同的协议，同一个机器上的相邻 功能层之间通过接口进行信息传递。这样做的好处在于使每一层实现一种相对独 立的功能，有利于交流，理解和标准化。 2 计算机通信机制 计算机和外部设备之间进行信息交换、计算机和计算机之间进行信息交换、 计算机和网络之间进行信息交换，都需要一定的通信机制1 4 l 。在某些场合，计算 机和外部之间是采用并行的方式进行信息交换的。但是，由于并行通信方式会导 致硬件的开销过大，所以很少使用。目前计算机和外界进行通信都是采用串行方 式。 串行通信是把数据依照一定的顺序一位一位地进行传送的通信方式。在串行 通信中有两种基本的方式，即异步通信和同步通信。 ( 1 ) 异步通信 异步通信是指每一个数据的传送是独立的，各数据的传送在时间上是相互隔 开的，并且没有特定的时间联系。异步串行通信为了完整发送一个数据，规定每 个数据用相同的帧格式发送，每一帧数据有起始、数据、奇偶校验位和停止位组 第2 章综合数据光同步网：i i 7 点计算机的结构与设计 成。 起始位：起始位用于表示数据传送的开始。 数据：在起始位后紧接的数据。在传送时先从数据的最低位开始传送，最后 传送最高位。 奇偶校验位：用于测错。 停止位：在奇偶校验位之后，停止位为高即逻辑“1 ：它是数据的结束标志。 ( 2 ) 同步通信 同步通信是数据块传送方式，传送的数据是一个接一个的同步发送的。同步 是依靠同步字符完成的，同步字符安排在数据块的首部，它用于发送和接收双方 在数据块开始传送时进行同步。 在同步通信中，所传送的数据是单纯的数据，并不像异步通信那样前有起始 位，后有奇偶校验和停止位。同步通信的特点如下：用同步字符标志数据传送的 开始，使发送和接收双方进行同步；数据的每一位所占用的时间相等，一般由时 钟信号衡量；数据之间不能有空隙，当线路空闲或没有数据传送时，发送同步字 符。 沈阳理工大学硕士学位论文 第3 章节点以太网网关接口的硬件电路设计 3 1 节点以太网网关接口的硬件电路结构 传统以p c 为中心的互联网应用现已开始转向以嵌入式设备为中心。据网络专 家预测，将来在互联网上传输的信息中，有7 0 来自小型嵌入式系统，因此，对 嵌入式系统接入因特网的研究是有必要的。目前有两种方法可以实现单片机系统 接入因特网：一种方法是利用n i c ( 网络控制网卡) 实现网络接口，由单片机来提 供所需的网络协议；另外一种方法是利用具有网络协议栈结构的芯片和p h y ( 物理 层的接收器) 来实现网络接口，主控制器只负责往协议栈结构芯片的某个寄存器里 放上适当的数据。与此同时，用f p g a 实现单片机系统接入因特网的方法也日益 受到人们的重视。本文提出采用f p g a 实现网络协议栈，介绍1 0 m 1 0 0 m 以太网 接口协议【1 4 】的硬件实现方法，其硬件结构框图如图3 1 所示 雠- - _ il 啦- b - i 嘲镪俺铂毒l h t ； 彳rj 亡彳p气r - 舒盎盛 l 科啦籀i i | 玎舢t r ，l 3 cj c3 v t j k 皂嚏 一 、 急多j 二 藏”ll 强一h 鼍_ t f 删备 i 、o 簟r f e 彳r彳产 一 l 一蝴饰ll 蚓一- 蚓柚辑f 呵p 1 丑姒蚴 l 图3 1 硬件结构框图 课题的核心芯片采用集成度高、设计灵活的f p g a 芯片。f p g a 是2 0 世纪8 0 年代中期出现的高密度可编程器件，短短几十年来，取得了惊人的发现，其单片 集成密度从最初的1 2 0 0 门发展到目前的几百万门，而且时钟频率由最初不到 1 0 m h z 发展到目前的3 0 0 m h z ，由许多独立的可编程模块组成，用户可以通过编 程将这些模块连接起来实现不同的设计。 网关接口部分采用的是d a v i c o m 公司生产的一种1 0 m 1 0 0 m 快速以太网控制芯 1 4 第3 章节点以太网网关接口的硬件电路设计 片d m 9 0 0 0 a 。d m 9 0 0 0 a 结构完整，性价比高，而且有比较通用的接口，可以直接 连接到大多数微处理器的总线上。 3 2f p g a 器件概述及其外围电路设计 f p g a 是现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 的简称，它是电子 设计领域中最具活力和发展前途的项技术，上至高性能的c p u ，下至简单的7 4 电路，都可以用f p g a 来实现。可以通过传统的原理图输入法或硬件描述语言自 由地设计一个数字系统。通过软件仿真，可以事先验证设计的正确性。在p c b 完 成以后，还可以利用f p g a 的在线修改功能，随时修改设计而不必改动硬件电路。 所以，使用f p g a 来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少p c b 面积，提 高系统的可靠性。f p g a 的这些优点使得f p g a 技术在9 0 年代后得到飞速的发展， 同时也大大推动了e d a 软件和硬件描述语言的进步。 3 2 1f p g a 的基本结构及特点 f p g a 器件一般由6 部分组成，分别为可编程i o 单元、基本可编程逻辑单元、 嵌入式块r a m 、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核等1 1 5 1 。 ( 1 ) 可编程输入输出单元简称i o 单元，它们是芯片与外界电路的接口部分， 完成不同电气特性下对输入输出信号的驱动与匹配需求。为了使f p g a 有更灵活 的应用，目前大多数f p g a 的i o 单元被设计为可编程模式，即通过软件的灵活配 置，可以适配不同的电气标准与i o 物理特性；可以调整匹配阻抗特性，上下拉电 阻；可以调整输出驱动电流的大小等。可编程i o 单元支持的电气标准因工艺而异， 不同器件商不同器件族的f p g a 支持的i o 标准也不同，一般说来，常见的电气标 准有l v t t l 、l v c m o s 、s s t l 、h s t l 、l v d s 、l v p e c l 和p c i 等。值得一提的 是，随着a s i c 工艺的飞速发展，目前可编程i o 支持的最高频率越来越高，一些 高端f p g a 通过d d r 寄存器技术，甚至可以支持高达2 g b i t s 的数据速率。 ( 2 ) 基本可编程逻辑单元是可编程逻辑的主体，可以根据设计灵活地改变其 内部连接与配置，完成不同的逻辑功能。f p g a 一般是基于s r a mi 艺的，其基 本可编程逻辑单元几乎都是由查找表( l u t ，l o o ku pt a b l e ) 和寄存器( r e g i s t e r ) 组成 沈阳理工大学硕士学位论文 的。