（安全技术及工程专业论文）基于SOPC技术的MVB控制器IP核研究.pdf

j e 基塞亟鑫堂亟雯焦论塞叁耋塞鲢 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fe m b e d d e dm i c r oc o n t r o la n d f i e l db u s , t h ep r o c e s sc o n 仃o a lo fm o d e mt r a i nh a sd e v e l o p e df r o mc o n c e n t r a t o dd i r e c t d i g i t a le o n 打o ls y s t e mt o d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mw h i c hb a s e do nn e t w o r k v l v b w h i c hi sb a s e du p o nc o n t r i b u t e dc o n t r o li sp a r to f i e c 6 1 3 7 5 - 1 ( 1 9 9 9 ) t c n t o g e t h e r w i t l lw t bh a ss t r o n gt i m e - c r i t i c a lc h a r a c t e r i s t i ca n dh i 西r e l i a b i l i t y a f t e r 锄i n - d e p t hs t u d yo fm v bb o t t o mc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t h em v b b u s - a e e e s s - i pc o f cw a sd e s i g n e da n dt h en i o s s o l i - c o r cp l - o c 器s o rw a si m p l a n t e d i n t of p g aa st h em a j o rc i r c u i t w i t ht h ea s s i s t a n c eo fa v a l o nb u s , t h em v bi n t e r f a c e c a r dw a sd e s i g n e db yi n t e g r a t i n gt h eb u s - a e e e s s - i pc o r ea n dt h ep r o g r a n m a a b l el o g i c 玎渤i l n 麓i nf p g a u n d e rt h es o p ce n v i r o n m e n t b a s e do nt h ec o m p a r i s o no fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lt r a i nc o m m u n i c a t i o n n e t w o r kt e c h n o l o g y , t h ep a p e rl e a d st ot h ep r o b l e mt h a tt ob es o l v e d t h e ni nc h a p t e ri i a n di i ic o n d u c t e di n - d e p t hs t u d yo ft h ec o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s ma n dd a t ae n w e o n f f o lt e c h n o l o g y c h a p t e ri va n dvm a k eao v e r a l ld e s i g no fm v b c ；a n da l s ot h e i n t e r n a lm o d u l e so f m v b c 1 1 l el a s tc h a p t e ri ss 啪印o f t h ep a p e r m v bh a st h ef o r e g r o u n do f w i d ea p p l i c a t i o nb yt h et r e n do f m o d e md e v e l o p m e n t o ft r a i na n dv e h i c l ea n dt h er e q u i r e m e n to fr e l i a b i l i t y , s a f e t y , t i m e - c r i t i c a l t h ed e s i g n c y c l eo f m v b i n t e r f a c ec a r dw a sr e d u c e db yt h i sd e s i g na n dh a sg r e a tm a r k e tv a l u ea n d t e c h n o l o g yv a l u e k e y w o r d s ：t c n ；m v b ；b u s - a e e e s s pc o r e ；s o p c ；f p g a ； 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 孑：踢 导师签名： 签字日期：0 刁年，上, e l1 7 日 签字日期：知习年，上y 日签字日期：僻l 、月1 5 日 韭塞窑煎盔堂殛堂僮尬塞独立! l 挂童盟 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年 月日 致谢 本论文的工作是在我的导师谭南林教授的悉心指导下完成的，谭南林教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 谭老师对我的关心和指导。 焦风川老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向焦风川老师表示衷心的谢意。 张冬泉副教授、张乐乐副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵 意见，在此表示衷心的感谢。 感谢徐搏阳对我的支持与理解，在我撰写论文期间，鼓励支持我，让我安心 撰写我的硕士学位论文； 在实验室工作及撰写论文期问，周长涛、于宁等同学对我论文中的研究工作 给予了热情帮助，感谢苏越梅、夏岩、齐虔等同学在此期闻对我的帮助，在此向 他们表达我的感激之情。 另外也要感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 业。 盐塞窑盈太堂亟堂焦论塞王i直 i引言 1 i问题的提出 随着机车通讯技术的发展，对机车通讯数据的可靠性、安全性和实时性都有 了更高的要求，因此怎样让车辆上的电子设备既能满足更快、更舒适的要求，又 能为社会节约更多成本已经成为列车电子设备工程师的最大难题。但是幸运的是 计算机控制技术和现成总线控制技术都有了飞速的发展，将汽车自动化和工业自 动化的技术标准应用在铁路领域已变成现实，将现代列车的过程控制从集中型的 直接数字控制系统发展成为基于网络的分布式控制系统也变成了现实。而列车通 信网络t c n 标准( i e c _ 6 1 3 7 5 ) 就是一个于规范车载设备数据通讯的标准，它包 括用于连接各节可动态编组的车辆的列车级通讯网络w t b 总线和用于连接车辆 内固定设备的车辆通讯网络m v b 总线。m v b 总线是目前最为先进的车内设备总 线，它采用了冗余的总线连接技术和曼彻斯特编码方式，并根据实际的应用要求 能提供不同的数据支持，能为在总线上的各个设备提供通讯接口和通讯服务。m v b 总线可以使用三种不同的介质媒体，它们都可以在统一的1 5 m b s 速度下进行访问 工作，它不仅可以作为车辆问的通讯的总线，而且还可以作为整个列车领域的总 线，具有广阔的应用前景【5 j 。 新一代列车使用的普及，许多铁路在它们的公开招标中明确要求与t c n 一 致。在未来几十年内i v i v b 将产生巨大的应用市场，而目前国内对m v b 的应用须 通过国外进口m v b c 实现，主要原因是国内未掌握m v b c 的核心技术，因此自主 掌握该芯片技术迫在眉睫。我们的项目正是在巨大的市场需求背景下，以“广州地 铁一号线测控系统的国产化研究”为依托而设立。 1 2国内外主流列车通信网技术现状 随着新一代列车使用的普及，w t b m v b 在欧洲已经得到大量应用，国内对 m v b 的研究与应用也进入了一个快速增长的时期。然而由于国外公司对m v b 关 键技术，尤其是核心器件多功能车厢总线控制器( i v i v b c ) 芯片的垄断，严重阻 碍了国内自己开发m v b 网络产品，给国内机车推广使用t c n 和开发基于t c n 标 准的其它应用带来了极大的阻力。同时由于制造工艺和设计技术的限制导致m v b 网卡实现方法过于复杂，造价偏高，全部引进价格难以承受。 国内对引进的列车通信网的标准、技术的二次开发不够，不利于m v b 技术在 国内机车和其它领域上的推广使用，同时也不利于制定自己的列车通信网络标准 和研制自己的列车通信网络产品。 1 3s o p c 技术概述 计算机通信技术的发展和提高离不开微电子技术和计算机技术在各个生产和 科学技术领域不断的广泛而深入的应用。列车通信技术及现场总线技术在此影响 下也取得了巨大的发展。微电子技术与计算机技术的发展历史是一个不断创新的 过程，这种过程包括原始创新、技术创新和应用创新等。每一项创新都能开拓出 一个新的领域。带来新的巨大的市场，对我们的生产、生活方式产生巨大影响。 s o p c ( s y s t c m o l lap r o g r a m m a b l ec h i p ，片上可编程系统1 是以p l d ( 可编程逻辑 器件) 取代a s i c ( 专用集成电路) ，更加灵活、高效的s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 解决方 案。s o p c 代表一种新的系统设计技术，也是一种初级的软硬件协同设计技术。 与s o c 技术相比，集成电路只有安装在整机系统中才能发挥它的作用。i c 芯 片是通过印刷电路板( p c b ) 等技术实现整机系统的。尽管芯片的速度可以很高，功 耗可以很小，但由于p c b 板中芯片之间的连线延时、p c b 板的可靠性及重量等因 素的限制，整机系统的性能受到了很大的限制。 而s o c 技术的产生基础是由于随着半导体工艺水平的不断进步，使器件特征 尺寸越来越小，芯片集成规模越来越大，数百万门级电路可以集成在一个芯片上。 多种兼容工艺技术的开发，使差别很大的不同种器件可在同一个芯片上集成，把 功能复杂的智能核( 处理器) 和数字逻辑电路集成到同一个芯片上，做成一个完整的 单芯片电子系统，形成s o c 器件。 s o c 技术的研究、应用和发展是微电子技术发展的一个新的里程碑。s o c 能 提供更好的性能、更低的功耗、更小的印制板( p c b ) 空间和更低的成本，带来了电 子系统设计与应用的革命性新变革，可广泛应用于移动电话、硬盘驱动器、p d a ( 个 人数字助理) 和手持电子产品等。s o c 是2 l 世纪电子系统开发应用的新平台。s o c 从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法，芯片结构、各层次电路，直至 器件的设计紧密结合起来，在单个( 或少数几个) 芯片上完成整个系统的功能。s o c 的设计以口核为基础，以硬件插述语言为系统功能和结构的主要描述手段，借助 于以计算机外平台的e d a 工具进行。研究表明，与i c 组成的系统相比，由于8 0 ( 2 设计能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，因而可以在同样的工艺技术条件 下，实现更高性能的系统指标。s o c 技术，也大大促进了软硬件协同设计及计算 机系统设计自动化的发展。 2 s o p c 是a l t e r a 公司提出来的一种s o c 解决方案。它将处理器、存储器、加 口、l v d s 等系统设计需要的功能模块集成到一个p l d 器件上，构建成个可编 程的片上系统。它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升 级，并具备软硬件在系统可编程的功能。可编程器件内，还具有小容量商速r a m 资源。由于市场上有丰富的mc o r e 资源可供灵活选择，用户可以构成各种不同的 系统，如单处理器、多处理器系统。有些可编程器件内还可以包含部分可编程模 拟电路。除了系统使用的资源外，可编程器件内还具有足够的可编程逻辑资源， 用于实现其他的附加逻辑。 1 4 课题背景及意义 国内的列车网络及控制技术是在技术引进的基础上发展起来的，国外厂商只 愿提供产品而不转让关键技术。由于难以单独购买网络专用芯片等种种原因，目 前仍是直接采用国外产品，或用国外( 设计) 的网卡( 万元以上的高价) 等进行系统集 成，以此构成列车通信网络( 即国产化) 。因而，国内工程技术人员在掌握现代列车 网络控制技术方面，除计算机网络技术外还需充分掌握现代列车传动控制，故障 检测与诊断等诸多方面的新技术，需要进一步加强基础理论性的研究，真正从底 层掌握核心技术，自下而上从深入了解网络底层协议入手，逐步掌握核心板卡及 替代核心专用芯片方面的设计制造技术。 目前国内的m v b 发展还面临着以下几个难题： 夺目前m v b 的产品和核心技术仍然由国外的几个公司垄断 由于国外公司对m v b 关键技术，尤其是核心器件多功能车厢总线控制器 f m v a c ) 芯片的垄断，严重阻碍了国内自己开发m v b 网络产品，而整机 引进的周期长且价格难以承受。 国内对引进的标准，技术的理解消化和二次开发都做的不够，这不利于 m v b 技术在国内机车或者其它领域的推广使用，向时也不利于吸取经验 研制自己的列车网络产品和制定自己的列车网络标准。 国内对列车通信网络的研究较少，没有多少技术积累，而此类技术要求高、 投入大，导致国内列车通信网研究进步缓慢。 产晶的后期服务、维修配件、升级换代等方面面幅困难。铁路产品的生命 周期相对较长，如果没有完全自主掌握，在产品的后期服务，维修配件、 升级换代等方面必然会带来极大的困难。广州地铁、上海地铁、香港地铁、 台湾铁路等已经面临这方面的问题。 1 5 研究内容及目的 对列车通信网的要求为：实时性、协议简单性、信息交换的频繁性、网络负 载的稳定性、较高的安全性、可靠性和容错能力、低成本。即对实时性、可靠性 及网络构成的实用性要求比较高。 按照i e c 6 1 3 7 5 1 标准，t c n 在总体结构上由多功能车辆总线m v b 和绞线式 列车总线w t b 总线组成。本课题主要围绕m v b 总线底层协议及它们的互连实现 方法展开研究。设计a v a l o n 片上总线接口。使之适合于运用在a l t c r a 公司的s o p c 系统中。课题的主要研究具体内容包括一下几点： 1 对列车通信网的数据通信的稳定性进行研究，分析列车通信网数据通信的 差错可能以及解决办法。 2 m v b 总线访问i p 核的设计及其与a v a l o n 总线的接口设计。总线访问口 核是实现m v b 的总线访问处理器( 8 a p ) 的核心内容。将此口核写入 f p g a ( 现场可编程阵列) 或者制作a s i c ( 专用大规模集成电路) ，结合物理 层的总线收发器完成总线访问。总线访问p 核可分为物理层、数据链路 层和与应用层的接口三大部分。 3 基于a l t e r a 公司的s o p c 技术，在f p g a ( 大规模可编程阵列) 上集成m v b 总线访问口核和n i o si i 软核处理器实现新型m v b 网络接口卡的初步设 计。 4 2 列车通讯网络t c n 列车通信网络( 包括地铁列车、城市轻轨列车上的通信网络) 是面向控制的一种 连接车载设备的数据通信系统，是分布式列车控制系统的核心组成部分目前有 多种通用现场总线技术被应用在列车通讯网络中。 2 1列车通讯网络发展概况 计算机在轨道交通工具上的应用随着7 0 年代后期微处理器技术的普及而迅速 发展。最初微处理器主要应用于机车车辆单个设备的控制，随着微处理器控制、 服务对象的增多，引入了铁路控制系统层次划分的思想，产生了基于串行通信的 用于较为独立的控制设备或层次问信息交换的总线与企业标准，如b b c 的连接机 车控制层与传动控制层的串行控制器总线，该总线后来发展成为用于连接机车内 的所有智能设备的m i c a s 车辆总线，简称m v b 。9 0 年代初，产生了列车总线， 以满足机车和动车组重联控制的需要。至此，一些大的铁路公司以牵引控制系统 为基础、以列车通信系统为纽带、以新器件和新工艺为载体，相继推出广泛覆盖 牵引、制动、辅助系统，旅客舒适设备控制和显示、诊断等的列车通信与控制系 统，在欧洲一般简称为t c c 。在北美，类似的系统被称为基于通信的列车控制系 统，简称c b t c 3 4 j 。 1 9 9 9 年6 月，经过长达1 1 年的工作，i e c t c 9 w g 2 2 在a b b 的m v b 、西门 子的d i n4 3 3 2 2 和意大利的c d 4 5 0 等运行经验的基础上制订的列车通信网络 ( t c n ) 标准i e c 6 1 3 7 5 1 正式成为国际标准1 4 j 。 在北美，由一家美国公司e c h e l n o 于9 0 年代初开发的主要用于建筑自动化和 工业控制的现场总线l o n w o r k s 被部件供应商和铁路公司所接受。紧跟着 i e c 6 1 3 7 5 1 正式成为国际标准之后，i e e e 于1 9 9 9 年制订了i e e e l 4 7 3 列车通信协 议。该协议包含i e c 6 1 3 7 5 1 规定的t c n ( 1 4 7 3 2 t ) 和7 8 k b p s 数据速率的 l o n w o r k s ( 1 4 7 3 2 l ) ，分别简称为t 型网络和l 型网络。 参照上述两大国际标准，并结合国内铁道牵引的实际情况，2 0 0 2 年我国铁道 部也制定了相应的中华人民共和国铁道行业标准一列车通信网络。同样也规定 了两种类型的列车通信网络：t 型和l 型。目前，国内列车通信网络的应用主要 集中于l 型网络。 5 2 2列车总线的作用 图2 1 列车总线的主要功能 f i g 2 - 1f u n c t i o no f t r a i nc o m m u n i c a t i o n b u s 如图2 - 1 ，不同类型的车辆在列车总线上进行通讯，其主要目的在于： 1 远程控制：牵引控制( 遥控，动车组控制) 和车辆控制( 照明，门窗，空调 等) 。 2 设备诊断：包括设备故障，维护信息。 3 旅客信息：报站，坐位预定，通讯等。 2 3列车总线与其它现场总线 i e c 6 1 3 7 5 1 标准制定之前，有多种现场总线作为候选列车总线。其中包括： f i p ，p r o f i b u s ，b i t b u s ，c a n 。l o n w o r k s 等。这里对其中几种与w t b 以及m v b 进行比划5 6 】【射。 图2 1w t b 、m v b 与其它总线的比较 ，1 m + r t pm v b + r t pw o d d f i pl o n w o r k sc a n o s i 层 变量：1 ，2 ， 变量：1 ，2 ，7 7l ，2 ，7 l 7l ，2 次消息：1 7 消息：l 7 网络拓总线， 总线拓扑 自由拓扑，总自由拓扑，总总线拓 扑编组自适应 线拓扑线拓扑扑 曼彻斯特编 差分曼彻斯特 n l 屹 帧编码曼彻斯特编码曼彻斯特编码 码编码 编码 6 物理层 支持支持支持不支持不支持 冗余 数据完 1 6 位c r c 每6 4 位数据8 1 6 位c r c1 6 位c r c 5 位 整性位c r c c r c 总体来讲，作为通用的现场总线，w o r l d f i p ，l o n w o r k s 和c a n 都可以在列 车控制系统的通信中找到合适的应用。w t b 用作编组经常改变的列车的列车总线 无疑是最为合适的，其它的总线都不能提供编组自适应的能力。 m v b 是为快速的过程控制优化的总线，能提供最佳的响应速度，适合用作车 辆总线。对于固定编组的列车，m v b 也可以用作列车总线。此外，m v b 也可被 应用于其它需要快速响应的工业控制网络。 w o r l d f i p 是一种优秀的通用现场总线，具有比m v b 更多的优点，完全可替 代m v b 的应用。 l o n w o r k s 是一种在实时性、灵活性和安全性等方面采取折中、平衡后而获得 的现场总线。l o n w o r k s 可应用于固定编组的列车总线，车辆总线或专门的传感器、 执行器总线。 c a n 总线简单可靠，非常适于用作传感器、执行器总线。同l o n w o r k s 一样， 其实时性需要应用的设计和验证。由于其缺乏消息传输能力和传输距离受限，所 以不适合用作车辆总线。 2 4列车通讯网络t c n 与多功能车辆总线m v b 正如i e c 6 1 1 5 8 现场总线标准一样，i e c 联合u i c 经过十年的工作制定了一个 用于规范车载设备数据通信的标准i e c 6 1 3 7 5 列车通信网络标准即t c n 标准。 t c n 将列车通信网络分为两层：用于连接各节可动态编组的车辆的列车级通 信网络w t b 和用于连接车辆内固定设备的车辆通信网络m v b 。从某种程度上来 看，w t b 和m v b 也可以被认为是应用于列车上的现场总线标准。如图2 - 2 列车 总线和车厢总线通过网关节点连接。 图2 2 列车通讯网络的拓扑结构 f i g 2 - 2t o p o l o g yo f t r a i nc o m m u n i c a t i o nn 咖o r k 多功能车辆总线m v b 是应用于一个车辆或固定车组这一特定环境下的局域 7 网，它将位于同一车辆，或不同车辆中的标准设备连到列车通信网络上的车辆总 线。它提供了两种连接：一是可编程设备之间的互连，二是将这些设备与它们的 传感器和执行机构互连【1 2 1 。 为了符合t c n 标准并能方便地实现m v b 设备之间的互连，各个与m v b 相 连的设备都必须具有统一的硬件和软件接口。 硬件接口主要由各个设备中的m v b 网络接口单元( 或称网络接口卡) 实现，网 卡实现物理层信号的转换，执行数据链路层的通信功能，基本任务是将网络设备 发送的数据送入网络，或从网络中接收其他设备发来的数据并将它送给设备。 软件接口则实现m v b 链路层服务功能，为高层提供服务及服务访问接口，从 而屏蔽底层协议，提供透明的、可靠的链路通路，方便用户的使用。网络接口单 元m v b 网络中占有重要的地位，所有与m v b 连接的设备通过m v b 网络接口单 元访问m v b 。 韭塞銮通叁堂亟堂焦纶裹到主通信旦煎握差堂燕剑 3列车通信网数据差错控制 为了保证列车的安全行驶，列车通信网的数据差错控制是极其重要的。列车 通信网上所传输的帧一般都是短帧，如在m v b 上所有的主帧只有3 3 个比特，所 以它不能像以太网一样使用4 个字节的检验字段来检测帧的完整性。而且在w t b 和m v b 中，由于两者之间发送数据帧格式的差异，它们的数据差错控制方式是不 一样的。在m v b 上只有一个字节用于检错，在w t b 有两个字节用于检错。本章 从列车通信网总线上数据帧的特点，提出从帧头、长度、编码规则和校验码四个 方面来检测数据帧的完整性，提高了数据帧的检错率。 3 1 差错类型 数据传输系统的任务是提高传输效率而又无差错的传输数据。任何一个远距 离的通信线路都难免有一定程度的噪声，信道中的噪声使发送端发出的信号和接 收端接收到的数据不一致，因而造成了传送差错。噪声分为两种：白噪声和脉冲 噪声【勰】。 3 1 1白噪声 白噪声在较长时间内一直都存在，而且在所有频率上都一样。它是一种随机 信号。这种噪声引起的差错称为随机错。因为一般的信道都保证了相当大的信号 与白噪声比值，所以由于白噪声引起的误差较小。 3 1 2脉冲噪声 脉冲噪声是由某种特定的、短暂的原因造成的，幅度可能很大，所以，它是 数据通信中发生差错的主要原因，又称为突发错。 所谓的随机差错是指某个码元出现错误时与前后码元无关，而突发错则是指某 个码元发生错误，会影响到之后的数据通信，因而差错是成群发生的。说明突发 差错的一个重要参数就是突发长度。突发长度是指发生差错的群码中第一个码元 到最后一个码元的长度。在实际通信中，经常是随机错误和突发错误混合在一起。 冲击噪声可能来源在外部，也可能来自信道内部。虽然采用有效的屏蔽措施， 改善设备性能，选择合理的调制方法等都可以大大降低噪声，但是不能完全消除。 9 拙塞銮通太堂亟堂焦淦奎到笙通信匿鍪堡羞鱼撞劁 衡量一个信道质量的重要参数是误码率p ，定义为： 错误码元数 ，。 接收的总码元数 实际的信道中不允许传输过程有误码是不行的。当误码率不能达到要求的时 候，可采用两种方法来提高通信质量：一是改善信道的电特性，包括选择适当的 传输信道，改进数据通信线路的传输特性以及选用高性能的电子设备，使误码率 降至允许范围内。但是这种办法往往受到技术和设备成本的限制，很难达到要求； 第二种就是在数据通信中，采用差错控制技术，来满足信道的通信要求f ”l z g 。 3 2m v b 上的数据差错控制 m v b 中所有的主帧都只有3 3 比特，这就决定了在m v b 中不能使用4 个字节 的检验字段。m v b 中的帧使用1 个字节的检验序列、帧长度检查和曼彻斯特编码 来检测帧的完整性。 3 2 1m v b 信号表示特性 l i 广弋丽t 面广广1 f 同 i 堡坐li ! ! 暾i 焦嫩i 壁啦i 广飞西1 - 嚣丁丽_ t _ 蠢订 l 妲墼qil ! 咝鲤鲤2l 照i 垡女l 匮习 互盔工盖a 盈i 妲哟l 塑堂l 鳇哟i 熊堂地鲤i 垒塑l 厂- 蚕弱一_ _ r 1 百1 匿1 丽r 西 面r _ _ 西1 面r 1 1 i - r 司 li ! 哟l 型擞l l ! 堂l 鲤啦地墩i 鲤唆l 竖幽l 塑塑l 缝塑i 垡啦i m s d i 土起精分辨符s s 瑰从届螬骨再符d i l 髫箍盏荷c s ：捻验序封e 魄终止分羿符 “埔生杖格式似馘曲奔车一长成的鼠麓格点 图3 1m v b 的帧格式 f i g 3 - 1t h ef r a m ef o r m a to f m v b m v b 最常用的传输介质是屏蔽双绞线，传输速率为1 5 m b s ，每个比特时问 为6 6 7 n s 。在m v b 的帧中使用的是曼彻斯特编码，它有四种可能的比特编码：。1 ” 是前半个比特高而后半个比特低；“0 ”是前半个比特低而后半个比特高；“n h ” 的两个半比特都高；“n l ”的两个半比特都低。只有“0 ”和“1 ”才能表示有效数 据，“n i l ”和“n l ”是表示帧头和帧尾的分界符。曼彻斯特编码方案保证在数据 区域的每一比特周期的中部总有跳变，便于发送方与接收方同步。由于其脉冲为 宽度的1 2 ，故其所需带宽是直接二进制编码的2 倍。m v b 中的一个有效的帧包 t 0 括：一个起始分界符、由“0 ”和“l ”组成的帧数据和一个终止分界符。m v b 的 帧格式如图3 1 所示。 一个主帧应以主起始分界符开始，接着为数据载荷和检验序列，最后为终止 分界符。一个从帧应以从起始分界符开始，接着为1 6 、3 2 、6 4 、1 2 8 、2 5 6 位帧数 据( 在每6 4 个数据位后包含一个8 位的校验序列或当帧数据只有1 6 或3 2 位时将一个 8 位的校验序列附加其后) ，最后为终止分界符唧l 。 3 2 2基于m v b 分界符的错误检测 m v b 有三种分界符：主起始分界符、从起始分界符和终止分界符。由于帧头 是固定数据位组成，故基于帧头的错误检测是一种有效的检错方法，其格式如图 3 - 2 所示： 木】； 史 蝴虐蠹瀚分再符彻黼分鼻静懈f 毫气十鲰i 茸自蠛皿扮葬符 图3 - 2m v b 中分界符格式 f i g 3 - 2t h ed i v i d i n gl i n ef o r m a to f m v b 在起始和终止分界符处发生的比特错误可能引起对帧类型的错误解释或有效 载荷长度的错误。从上图中可以看出，主起始分界符与从起始分界符的码距是1 2 个半比特。在比特率很低的情况下发生1 2 个半比特的错误的情况几乎是不可能的， 任何不是这两种正确起始分界符的值将会被检测出来。终止分界符由一个n l 比特 和一个n i l 比特组成，在数据部分的恰当位置仅需要有两个半比特发生错误就可导 致虚假的终止分界符。m v b 规范中又要求忽视终止分界符后面的任何脉冲，所以 一个帧后面的更多的数据都被忽略。但是在m v b 上的所有的主帧的长度都是固定 的3 5 个比特( 包括分界符) ，虚假的终止分界符肯定会导致主帧的长度发生变化， 而任何长度不符的主帧都会被检测出来。 拙塞窑通态堂亟堂焦j 金塞到生通焦塑鏊握差壁撞劐 从帧有五种有效的长度，在一个长的从帧中的恰当位置产生一个虚假的终止 分界符可能会是产生一个有效长度的短帧，例如在6 4 比特有效载荷的帧中两个恰 当位置的半比特错误产生的终止分界符，可能会形成1 6 或3 2 比特荷载的帧。目前 m v b 芯片设备只允许每一个1 2 比特编号的从帧有且只有一个长度，如果一个从帧 的长度不符合主帧所指定的长度，其它设备将不会响应。 3 2 3m v b 数据部分错误检测 m v b 使用检验序列来检测数据荷载。检验序列是由1 e c 6 0 8 7 0 5 标准中的7 比特循环冗余校验码和一个奇偶校验码组成的。c r c 中使用的多项式如下： g o ) = x + x 。+ ，+ x 2 + l ( 3 - 2 ) 7 位余数的结果应用一个偶校验位来扩展，所有的8 位数据取反发送。其数据 传送的步骤为： 1 1 将数据乘以2 7 ，即左移7 位； 2 ) 除以生成多项式g ( 曲，得到余数： 3 ) 余数用偶校验位扩展： 4 ) 发送的检验序列为扩展后余数的取反。 使用这种检验序列可以检测出帧中所有的l 位和2 位错误。在有1 6 比特载荷 出现3 位错误而未能检测出的概率为o 0 0 4 ，有6 4 比特载荷出现有3 比特错误而 未能检测出来的概率为0 0 5 9 。由于在帧中出现3 位比特错误的概率远远大于发生 4 位或更多位错误的概率，故我们只要讨论发生3 位错误的情况。 在m v b 中使用的是曼彻斯特编码，故发生一个比特值的反转需要噪声使得前 半个比特往一个方向翻转而后半个比特往另一个方向翻转。我们把曼彻斯特码看 成是独立而相邻的半个比特，当只有半个比特值发生了转变时，接收方就能发现 收到的帧不符合曼彻斯特编码的规律而丢弃。只有当一个有效的曼彻斯特码的一 对半比特都恰好翻转时，才是发生了一个真正的比特翻转。故在一个m v b 帧中发 生3 个比特错误的情况就是刚好有6 个半比特发生偏转成了三个有效的比特。根 据差错产生原理，长帧产生的错误概率大于短帧。设尸f 为m v b 半比特错误的概 率，则有6 4 比特有效载荷数据部分产生3 比特的错误的概率a 为： a = 靠c 乞( 心) ”c ： ( 3 3 ) 则在6 4 比特有效载荷的帧中不发生3 比特错误的概率是( 1 - a ) 。故在m v b 中最长数据帧( 2 5 6 比特有效载荷) 中产生3 比特错误的概率彳一计算如下： a 。= l 一( 1 4 ) = 1 一( 1 一c ：4 + c ：爿2 一c j a 3 + 4 4 ) ( 3 - 4 ) = c ：a c j 彳。+ c ；a 一a 4 由于a 是一个远小于1 的数，故在实际工程应用时，上式简化为： 。= l 一( 1 一爿广= c ：4 = 4 a ( 3 - 5 ) 因为在帧中所有l 或2 比特的错误码都可以被检验序列检测出来，而发生4 比特的错误的概率远小于发生3 比特错误的概率。最后得出可能未检测出来的概 率p 是： p = 0 0 0 5 9 x 4 a = 0 0 0 5 9 x 4 c f , , 岛( 只) 6c2(3-6) 在m v b 中的数据传输率是1 5 m b s ，我们考虑到在一条通信链路上每秒传输 的4 2 8 5 7 帧( 假设所有的帧都是3 5 比特的短帧且没有间隔时间) ，那么在m v b 中 一年所传输的帧不超过1 3 5 1 0 ”个帧，假设每年未检测出来的错误帧小于1 0 1 ( 实时系统中的典型值) ，可以得出下式： 1 3 5 。1 0 ”x p = 1 0 。( 3 7 ) 根据上面的公式算出p 大约为2 8 5 l o ，在使用屏蔽双绞线时的错误率可以 达到l o ，完全符合这个要求。需要指出的是，我们在所有的计算时都是考虑的是 最坏的情况。在计算可能出现错误帧的概率时用最长的帧作为计算，而在通信量 上则采用了最短的帧。这样做的好处是使得出来的值更加安全。 由于m v b 上的信号使用的是曼彻斯特编码，它有可能受到突发性比特错误的 干扰。突发性错误是一连串的比特流全部或部分受到破坏。尖锐的噪声可以引起 突发性错误，只要其突发性错误的长度不大于检验序列的长度，检验序列可以完 全检测出这种错误。 但还有一种可能的错误，当接收方发生了半个比特的滑移时，也会引起突发 性的错误，它会认为随后的比特是1 8 0 反相。这种比特滑移是由接收方电路上的 设备的短的噪声会引起的。在起始分界符时发生的比特滑移会导致接收方认为是 一个错误的帧而丢弃。而在有效载荷部分的比特滑移则有两种可能未被检测出： 一是两个比特滑移导致其产生的帧长度的变化相互抵消。二是产生了一个滑移加 上虚假的终止结束符而产生了一个正确长度的帧。 如果一对比特滑移产生长度不变突发性的错误，当滑移超过7 个比特时，当 检测出来的概率大概是0 0 0 4 。对于一个6 4 比特的帧来说，这是很大的弱点。所 以，当不能阻止发生比特滑移时，我们将仔细设计接收方的电路，以保证在帧的 头部和尾部不会同时发生滑移。如果只有帧头或帧尾发生此类错误，那么就可以 因为长度不符检查出此类错误。如果发生一个比特滑移的同时有一个比特破坏而 移动了结尾分界符，当此比特的滑移离结尾分界符大于7 个比特时，发生错误而 未能检测的概率为o 0 0 0 4 。这很可能发生在6 4 比特的帧中，在1 6 比特的帧中也 有可能发生。所以我们在接收方的设备要使用跟踪比特时间，避免出现这种情况 的比特滑移。 综上所述，我们可以看出，m v b 中产生未检测出来的错误最有可能是接收方 发生了比特偏移而产生的突发性错误。这就要求t c n 接收方的设备能够没有比特 滑移使之避免出现未检测出的错误。 3 2 4m v b 中基于长度的检测 在以太网中，每个帧的合法长度是为6 4 - - 1 5 1 8 字节，接收方将丢弃不符合这 个长度范围的帧。而在m v b 中，有两种基于长度的检测：是对整体帧长合法性 的检测；二是对各设备特定的帧长的检测。所有m v b 的主帧的长度都是1 6 比特 ( 不包含分界符) ，而m v b 中从帧的长度可以是1 6 、3 2 、6 4 、1 2 8 和2 5 6 比特。 整体帧长合法性的检测是丢弃那些不符合这个规定的帧。 m v b 主帧中1 6 比特的有效数据是由4 个比特的功能代码和1 2 比特的地址组 成。前4 位的fc o d e 限定了后1 2 位数据且表明了接收从帧的长度。特定的帧长 的检测是指接收方丢弃那些不符合设备所固定长度的帧。预设时定义了每个设备 的响应事件以及数据的长度。如果主帧给一个从设备发生一个不符合它的响应事 件的指令，尽管此时的检验序列正确，设备也将忽略这个指令。同样地，如果一 个从帧的长度不符合主帧fc o d e 指定的长度，尽管此时的检验序列正确，目的设 备也将忽略此帧 2 9 1 。 1 4 4s o p c 系统设计流程 随着技术的进一步发展，s o c 设计面临着一些诸如如何进行软硬件协同设计， 如何缩短电子产品开发周期的难题。为了解决s o c 设计中遇到的难题，设计方法 必须进一步优化。因此，人们提出了基于f p g a 的s o c 设计方案s o p c ( s y s t e m o n ap r o g r a m m a b l ec h i p ) 。随着百万门级的f p g a 芯片、功能复杂的即核和可重构的 嵌入式处理器软核的出现，s o p c 设计成为一种确实可行的、重要的设计方法。 a l t e r a 公司在其开发工具q u a r t u si i 中集成了s o p cb u i l d e r 工具。在该工具的辅助 下，设计者可以非常方便地完成系统集成，软硬件协同设计和验证，最大限度地 提高电子系统的性能，加快设计速度和节约设计成本闭。 4 is o p c 系统开发过程 1 具有直观的图形用户界面( g u i ) 利用图形用户界面，用户可以快速方便地定义和连接复杂的系统。如图4 1 所示，用户可从左边的库中添加所需的部件，然后在右边的表中配置它们。 图4 - in i o si i 处理器配置 f i g 4 - 1c o n f i g u r en i o si ic p u 2 自动生成和集成软件与硬件 s o p cb u i l d e r 会生成每个硬件部件以及连接部件的片内总线结构，仲裁和中 断逻辑。它也会产生系统可仿真的r t l 描述以及为特定硬件配置设计的测试平台， 能够把硬件系统综合到单个网表中。s o p cb u i l d e r 还能够生成c 和汇编头文件， 这些头文件定义了存储器映射、中断优先级和每个外设寄存器空间的数据结构。 s o p cb u i m 盯也会为系统中现有的每个外设生成定制的c 和汇编函数库。例如， 如果系统包括一个u a r t ，s o p cb u i l d e r 就会访问u a r t 的寄存器并定义一个c 结构，生成通过u a r t 发送和接收数据的c 和汇编例程。 嵌入式软件设计者需要完整的、与定制硬件匹配的软件开发环境，s o p c b u i l d e r 可以自动产生这些软件。当系统生成时s o p c b m l d e r 创建软件开发需要的 软件组件，并提供完整的设计环境，软件开发环境包含下列内容： 头文件 外围设备驱动程序 自定义软件库 o s r t o s ( 实时操作系统) 核 除了实用方便，软件开发环境也在硬件和软件工程师之间建立良好的设计连 贯性。使用s o p cb m l d 盯，硬件的改变立即反映在软件开发环境中，软件开发工 程师在进行软件设计时可以不必害怕硬件发生改变，只要软件工程师使用最新的 头文件、库和驱动程序，硬件开发和软件开发就可以平滑的连接起来。 3 基于q u a r t u si i 和n i o si i 的s o p c 基本开发流程 如图4 2 所示是一个简化的基于q u a a u si i 和n i o s 的s o p c 开发流程。从图 中可见，s o p c 开发流程比f p g a 的开发流程增加了处理器及其外设接口的定制步 骤以及软件开发的步骤( 阴影框) 。然而，这些新增加的步骤在s o p cb m l d 胃( 定 制处理器和外设接口) 、n i o s i d e ( 软件集成开发环境) 工具的协助下显得相当 轻松【2 。 1 6 f ， = 乱 、 要l 立 l 与编译设置 ”1 。 、 f 编译系统 1 直接编译f p 6 a 工程 - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ 。一， 三三三) 一一一揪中 图4 - 2 s o p c 开发流程 f i g 4 - 2s o p cd e v e l o pf l o w 4 2基于n i o si i 的嵌入式开发流程 n i o s i i 和n i o s 的开发流程是一样的，只是在软件开发上n i o s 使用n i o ss d k s h e l l 对程序进行编译、下载；而n i o s i i 使用n i o s i l l d e 集成开发环境来完成整个 软件工程的编辑、编译、调试和下载，大大提高了软件开发效率。图4 - 3 所示为创 建一个完整的n i o s i i 系统的全部开发流程，图中包括创建一个工作系统的软、硬 件的各项设计任务。 1 7 j e 塞銮通太堂亟堂焦j 佥奎q 丞统邈让远程 图 广 厂 卜辚髫张卜一一将软件下载跚发板 到开发扳l 一一一“l 汪鐾 j 1 2 5。一乙m 的起始 图5 8 从起始分界符 f i g 5 - 8t h es l a v e s t a r t d e l i m i t e r t x a 信号波形中除去起始分界符，后面即为数据部分，采用的是曼彻斯特编 码。在图