（电力电子与电力传动专业论文）tcn网关相关技术的研究应用.pdf

a b s t r a i f r t c ni sat r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki nl i n ew i t hi e c 6 13 7 5 i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d a m o n gt h et r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks t a n d a r d s ，t c n ， c o m p o s e do fw i r et r a i nb u s ( w t b ) a n dm u l t i f u n e t i o nv e h i c l eb u s ( m v b ) ，p o s s e s s e s e v i d e n ta d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t l lo t h e r s g a t e w a yc o n t a i n i n gal a r g ea m o u n to ft c n i n f o r m a t i o n , i st h ec o n n e c t i o no fw t ba n dm v ba n dt h ec 出 i i e ro fw t ba n dt h ef i t t l a s l l p e l t i o l rd e v i c e si nm v b f o r e i g nm a n u f a c t u r e r sm o n o p o l i z et h et c np r o d u c t sa n dc o n t r o lt e c h n i q u ea n dt h e r e l e v a n td e v i c e sa r eq u i t em a t u r e i nc o n t r a s t , t h er e , a r c h e sa n da p p l i c a t i o no ft r a i n c o n t r o ln e t w o r kb e g a nq u i t el a t ei no u l rc o u n t r y c o n s e q u e n t l y , n e t w o r kd e v i c e sa n d 悖 c h i pr e l y0 1 1i m p o r t a t i o n ，w h i c hr e s u l t si nm a i n t e n a n c ed i f f i c u l t y , h i g hc o s ta n do t h e r p r o b l e m s t h e r e f o r e , t os t r e n g t h e nt h et h e o r e t i c a ls t u d y , m a s t e rt h ec o r et e c h n i q u e sa n d d e v e l o pt h ep r o d u c t s 、i n li n d e p e n d e n ti p r ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yl n g h t ) a i r ce s s e n t i a l f o rc o n s l a u e t i n go f t c na n dp r o m o t i n gh o m e - p r o d u c e dt r a i ni nc h i n a t h i sa r t i c l ep r e s e n t st h et h o r o u g hs t u d yo nt h es u p e r i o rd e v i c e - 一g a t e w a yo ft c n ， f o c u s i n gw t bi n a u g u r a t i o na n dm v bm a s t e r u n i t a r yd e s i g nt h o u g h to f t c ng a t e w a y i sc a l l e dt o p - d o w l ln l c t h o df r o me d ad e s i g np r e c e p t c i r c u i tl o g i ci sr e a l i z e db yt h e i i l l l d w a l r l 。l a n g u a g ev e r i l o gh d l w h i l et h es o t t - e o t - eh a 小矾b yt h em e t h o do f f p g a + n i o s i i f i - o ma l t e r - , c o m p a n y w i t hh e l po ft h e “葛e 砌a n dv a l i d a t i o nt h e t m d e r s t a n d i n go f t h ep r o t o c o li sc o r r e c t i nt e r m so fl a y e rd e s i g no fm v ba n dw r b ，a c c o r d i n gt ot h ed o w n - t o pd e s i g n t h o u g l a t , b u sa c c e s s i n gi pc o w i t hi n d e p e n d e n ti p ro fs o p ct e e h n i q u ei sa d o p t e d ； s l , e c i a lc o r ep r o c e s s o rc h i pc o m b i n e dw i t hp o w e r f u la v a l o nb u sa n dn i o s l ls o f tc o l e p r o c e s s o rp e r f o r mt h ea p p l i c a t i o no f w t bi n a u g u r a t i o na n dm v b m a s t e r 1 1 l ef u n c t i o no fm v bm a s t c ri sv e r i f i e da n dw t b i n a u g u r a t i o ne x p e r i m e n t so f m u l t i - n o d ea r ea c h i e v e dw i t l lt h eh e l po ft h ed e t e c t i o ns y s t e mo fl o e o m o t i v eo f m u l t i - n o d ea n dm v bs l a v ed e v i c ei n t e r f a c eb a s eo nt h es e a r e l ar e s u l t sa b o v e k e y w o r i o s ：t c n ；g a t e w a y ；, s o p c ；w t b 岍t i o n ；m v bm a s t e r c l a s 8 1 n o ：t n g l 5 8 5 2 ；t p 3 9 3 0 3 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： 咖窖 导师签名沙降 签字只期：砷年月刁日签字日期：厶岬年7 z 月2 2 - h 北塞銮通太堂亟坐位i 金奎独剑性直圜 独创性声明 本人声明所呈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已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：易与签字日期：沙吵年胗月；f 日 致谢 在论文完成之际，我要衷心的感谢我的导师王立德教授。本论文是在王老师 的悉心指导下完成的。王立德教授渊博的学闯、活跃的思想、严谨的叁度以及宽 厚的为人令学生获益匪浅，他严谨求实的治学态度对我目前的研究工作以至今后 的工作和学习影响深远。另外，王老师在科研及生括上给予我的关怀令我深受感 动、难以忘怀。他为我创造了一个良好的科研条件以及许多难得的锻炼机会，他 不断的鼓励增添了我的信心，使我敢于直面困难，在科研的道路上逐步成熟起来。 硕士学业即将完成之际，在此衷心感谢三年来王立德老师对我的关心和指导。 同时还要感谢王永翔博士。在他的带领下，项目组里充满了浓厚的学术氛围。 他的严谨求实的治学态度和追求创新的科研方法对我科研能力的提高起到的极大 的推动作用。项目研发过程中，他鼓励我克服难关并给予了我极大的帮助，使我 能够顺利完成自己的研发工作。在此向王永翔博士表示由衷的谢意。同时也向本 课题组的刘文清表示衷心的感谢，他们都在本课题研究过程中给予过我支持和帮 助。 在学习和科研期问，有幸结识了刘彪博士以及徐海涛、王磊、姜娜等师兄师 弟师妹。在与他们相处的日子里，不仅通过学术交流与积极有益的探讨令本人获 益良多，而且他们的关心和帮助让我感到了友谊的珍贵和集体的温暖。 另外也感谢我的父亲母亲，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学业。 最后，承蒙各位专家、教授的评阅和评议，你们提出的宝贵意见将使作者受 益匪浅。谢谢! 第一章绪论 当今人类正进入网络信息时代，计算机网络的迅猛发展正在改变着人们的工 作和生活。铁路运输也不例外。列车运行中越来越多的信息，例如车厢状态信息、 列车控制信息、列车诊断信息、旅客服务信息等，需要在列车组中的各个车辆之 间进行传输和交换，这就需要通过一种网络来实现，这种网络被称之为列车通信 网络。近几年来我国大力开发的电动车组、高速车、城市轨道车等新的铁路机车 车辆都需要装上列车通信网络产品，以实现整个列车的正常运行。国内一些院校、 研究所、工厂先后对列车通信网络进行了开发研究和引进消化工作，并将产品装到 了自己制造的动车组上由于市场的需要，开发性能优越的列车通信网络产品已迫 在眉睫。 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。要真正实现国产化就要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核心专用芯片方面的 设计制造技术。网关是列车通信网络中级别最高的设备包含了列车网络通信技 术的全部内容，本文将围绕通信网络中的网关展开深入的研究。 i 1 概述 1 1 i列车通信网络概述 2 0 世纪8 0 年代初，以单片微机为代表的计算机开始应用到列车控制及故障诊 断、显示系统。工业控制总线技术和控制方法不断进步和推广应用，使得许多原 来用硬连接线不便或不可能实现的功能成为可能。而随着对铁路运输要求的提高 以及计算机网络技术的不断发展。在铁路领域逐步形成专用的列车通信网络成为 必然 列车通信网络是一种面向控制，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。它以计算机网络为核心，把计算机技术、控制技术、 设备故障诊断技术、网络通信技术紧密结合起来。它将整个列车微机控制系统的 各层次及各层次各单元之间连接起来，作为系统信息交换和共享的渠道，实现全 列车环境下的信息交换。列车通信网络的应用，使得列车控制系统真正成为一个 分布式控制系统，并为列车系统的信息化打下了基础。 ：现场总线技术的发展，使用其来单独组建列车通信网络的模式种类繁多，如 l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、c _ n 、d e v i c e n e t 等等，为了建立一个统一的标准，1 9 8 8 年。 国际电工委员会( i e c ) 电气牵引设备( t c 9 ) 成立了第2 2 工作组( w g 2 2 ) 与国际铁 路联盟联合着手定制了t c n ( t r a i nc o 哪u n i c a t i o nn e t w o r k ) 标准i e c 6 1 3 7 5 。根据 定义，这里所说的t c n ，是指进行通信的车辆总线及列车总线的集合。并确定绞线 式列车总线( w i r et r a i nb u s ，w t b ) 和多功能车辆总线( m u l t i f u n c t i o nv e h i c l e b u s ，吖b ) 作为列车总线和车辆总线。其后在1 9 9 9 年，t c n 标准草案通过并成为正 式标准。国际上有许多家铁路大公司开发出了符合t c n 标准的车载网络系统，w t 8 和m v b 己在欧洲和一些其他国家列车上广泛采用，我国政府业已在标准上签字， 承诺遵守此项标准。 1 1 2列车通信网络网关的意义 网关( g a t e w a y ) 又称网间连接器、协议转换器，它是连接基于不同通信协议的 网络的设备，使文件可以在这些网络之问传输。网关在传输层及其以上实现网络 互连，是最复杂的网络互连设备，用于两个高层协议不同的网络互连。 在分布式控制的t c n 网络中，t c n 网关属于t c n 系统中w v b 的第五类设备，同时也 是i 盯b 网络的载体，是属于t c n 网络中级别最高的设备。它包含t c n 网络通信技术的 全部内容。此类设备可以包含并可以访问两条以上的总线，承担车辆内部的总线 管理、车辆甸的编组互连、不周总线协议之间转换的任务，具有设备状态轮询、 过程数据通信、消息数据通信。总线管理，r l b 总线初运行和网关路由功能，对于 整个网络的可靠性起决定的作用因此网关是t c n 网络系统中不可缺少的设备。 1 2s o p c 技术概述 s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 即可编程的片上系统，或者说是基于大规 模f p g a 的单片系统。s o p c 的设计技术是现代计算机辅助设计技术、e d a 技术 和大规模集成电路技术高度发展的产物。s o p c 技术是将尽可能大而完整的电子系 统，包括嵌入式处理器系统、接口系统、硬件协处理器或加速系统、d s p 系统、 数字通信系统、存锗电路以及普通数字系统等，在单一f p g a 中嵌入实现。大量 采用口复用、软硬件协同设计、自顶向下和自底向上混合设计的方法，边设计、 边调试、边验证。原本需要写上几千行的v h d l 代码的功能模块，通过嵌入口核 后，只需几十行c 代码即可实现。因此，可以使得整个设计在规模、可靠性、体 积、功耗、功能、性能指标、上市周期、开发成本、产品维护及其硬件升级等多 2 方面实现最优化。 传统的设计技术已经很难满足系统化、网络化、高速度、低功耗、多媒体等 实际需求，s o p c ( 片上可编程系统) 可将处理器、存储器、外设接口和多层次用 户电路等系统设计需要的功能模块集成到一块芯片上，因其灵活、高效、设计可 重用特性，已经成为集成电路未来的发展方向，广泛应用到汽车、军事、航空航 天、广播、测试和测量、消费类电子、无线通信、医疗、有线通信等领域。 1 3 课题背景 随着嵌入式微机控制技术和现场总线技术的发展，现代列车的过程控制已从集 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。i e c 6 1 3 7 5 列车通 讯网络( t c n ) 标准是i e c 联合t l l c 经过十年的工作采用了一个用于规范车载设备数 据通讯的标准。列车通讯网络分为用于连接各节可动态编组的车辆的列车级通讯 网络i t l b 和用于连接车辆内固定设备的车辆通讯网络州b 。 同其它的几种通用的现场总线( l o n w o r k s 、w o r d f i p 、c n 等) 在列车上的应用相 比，m v b 在实时性、可靠性、可管理性、介质访问控制方法、寻址方式、通信服务 种类等方面有着一定的优势。w t b 用作编组经常改变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。当前w t b l i v b 在欧洲已经得到 大量应用。但由于i t l b 、i i v b 是专门针对列车通信网络而开发的，其适用范围、供 货商，经济性均不如其它几种通用现场总线。然而所有与耵b m v b 连接的设备都需 要通过w t b m v b 网络接口单元访问盯b m v b 。而国外公司对该网卡的核心通信控制 器芯片的垄断给国内机车推广使用该标准和开发基于此标准的其它应用带来了 极大的阻力。同时由于当时制造工艺和设计技术的限制导致购买芯片实现方法过 于复杂，造价偏高。因此进行t c n 底层协议的实现方法研究尤其是自低层向上层 对t c n 网络高级设备的研究，并用通用的现场可编程逻辑器件( f p 6 a ) 和s o p c 设计方 法实现其所有功能，很有现实意义。 目前t c n 通信网络的产品和核心技术仍然由国外的几个公司垄断。由于国外 公司的垄断，给国内的t c n 网络带来了严峻的问题： l 、严重阻碍了国内自主开发t c n 通信网络产品，而整机引进的周期长且价格 难以承受； 2 、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，这既不利于 t c n 通信网络技术在国内机车或者其它领域的推广使用，同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。 3 、国内对列车通信网络的研究较少，技术积累不足，而此类技术要求高、投 北壅至墟占堂亟坐位论塞墓二童绮论 入大，导致国内列车通信同研究进步缓馒。 针对上述的各种困难，t c n 底层协议及其关键技术的研究成为必然，其中t c n 网关( t c n 网络的高级设备) 的研究成为重中之重。 1 4 研究内容及目标 此课题属于铁道部部委重点课题，2 0 0 5 年铁道部科技研究开发计划“t c n 底层 协议及关键技术研究”编号( 2 0 0 5 j 0 2 0 ) 的子课题。此课题主要工作在于对t c n 网关的研究，并且利用s o p c 技术进行设计。完成相关的试验，达到符合i e c 6 1 3 7 5 标准的通信要求。 按照i e c 6 1 3 7 5 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t c n 网关两大核心技术：耵b 初运行与| i 、r b 总 线管理器进行研究。主要利用s o p c 技术并其设计a v a l o n 片上总线接口，使之适 合于运用在a i t e r a 公司的s o p c 系统中。 在分布式控制的t c n 网络中，网关是等级最高的设备，承担车辆间的互连、编 组、不同总线协议转换的任务。它对于整个网络的可靠性起决定的作用。在t c n 网关的研究中，课题的主要研究内容包括以下几点： 1 、w t b 网络初运行关键技术的研究。由于t c n 网关是耵b 网络的载体，实现 i r r b 的初运行具有重要的意义。在网关的研究中，对l 盯b 可变编组的初运行进行研 究与利用s o p c 技术实现初运行的初步应用。 2 、总线管理器的研究与应用。t c n 网关为m v b 五类设备，除了具有m v b 从设 备的功能还应具备总线管理m 玛主的功能。对总线管理器的研究是自底层到上层 的研究。包括： 1 ) m v b 总线访问i p 核的改进设计，a v a l o n 总线接口的设计。 2 ) m v b 总线管理器的研究，并利用n i o s li 完成总线轮询并与标准板卡进行通 信。 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i p 核、耵b 总线i p 核、n i o s i i 软核处理器实现新型t c n 网关的初步设计。 并结合总线管理器功能与w t b 初运行设计网关硬件。通过在n i o s i i 上层软件的编 程，实现总线管理器功能与w t b 初运行。 4 北躯奎强厶芏亟堂焦j 幺奎簋三重匿羞整佳j 鐾让墨龌 第二章网关整体设计思想 t c n 网关包含多种信息：总线类型：绞线式列车总线和多功能车辆总线；协 议功能：协议的信息转换：特殊功能：w t b 总线的初运行，m v b 总线管理器。 鉴于网关功能的多样性，结构的复杂性，本设计采用了s o p c 技术，使用e d a 综 合的设计思想，自上而下，自下而上的设计方法完成对网关的核心设计，大大简 化了设计步骤，提高了系统的可靠性。 2 1t c n 结构及特点 t c n 网络具有两级总线的层次结构，即机车级总线1 r 8 ( w i r et r a i nb u s ) 和车 辆级总线w b ( m u l t i f u n c t i o nv e h i c l eb u s ) 。这两级总线将整个列车连成一个整 体。车辆级信息通过m v b 在车辆内部传送，机车级信息经协议转换器( 网关g a t e w a y ) 转换后经w t b 传送至目标车辆。在t c n 网关的研究过程中，本节首先介绍t c n 网络结 构及其两种总线协议。 2 1 1网络总体层次 列车通信网络属于局域两，它采用分层的拓扑结构，裉据歹i j 车控制的特点， 分为上、下两级层次：上层为绞线式列车总线( w t s ) ，属于较高一级的列车主干 网络，连接各个车厢的网络节点。下层为多功能车辆总线( m v s ) ，连接一个车厢 或固定车组内部各个可编程终端装置。 列车总线用于连接经常相互连挂和解连的重联车辆，传输速率为1 m b p s ，最 多支持3 2 个节点，每个节点最多可挂1 5 个车辆总线，传输介质为屏蔽双绞线。 车辆总线用于连接各个车辆内的控制单元和设备，传输速率为1 5 m b p s ，传输介 质分为电气短距离、电气中距离和光纤。每个车厢内设置一个通信节点，列车总 线通过节点与车辆总线相连。车辆总线分别设置在各节车厢内，连接该节车厢的 各个控制单元与设备。列车通信网络的结构如图2 1 所示。其中，车厢中从站及 智能设备的数量因要求不厨丽有差别。 圈2 - 1t c n 同络体系结构 f i g u r e2 - 1a m h i 眦t u r co f t c n 列车总线和车辆总线是两个独立的通信予网，可采用不同的网络和协议，这是 考虑到：第一，列车总线能对列车总线节点命名和确定方位，这需要相当复杂的 硬件和初始化过程，而对于设备固定的车辆总线来说是多余的。第二，车辆总线 比列车总线有更严格的定时要求，车辆总线上的响应时间约比列车总线快l o 倍 两种不同的通信协议，是通过网关设备进行协议转换的。每一列车在运行中必 须有一个且只能有一个控制总线工作的节点称为控制节点。正常情况下以前导 车的主节点为控制节点，称为主控节点。主控节点管理列车总线的运行，必要的 时候主控节点可以切换。 2 1 2绞线式列车总线协议 列车总线由各个车厢内固定安装的电缆通过车厢之间的互连而构成。列车总 线上连接的设备称为节点，每个车厢中可能有一个以上的节点。节点可以不连接 车辆总线，也可以连接几个车辆总线。列车总线节点可作为列车总线和车辆总线 之倒的网关。通常将有动力装置的车厢( 动车或机车) 内的节点称为主节点( m a s t e r n o d e ) ，无动力装置的车厢内的节点称为从节点( s l a v en o d e ) 。 列车总线采用总线型的拓扑结构。由于是共享总线。每一列车在一次运行中 必须有一个且只有个控制列车总线工作的节点，称为控制节点。控制节点必须 是主节点，通常情况下以前导机车的主节点为控制节点，成为总线主设备( b u s m a s t e r ) 。在一个运行周期内，由总线主设备管理列车总线的运行，必要的时候总 线主设备可以切换。列车总线是自组态的，当列车编组改变时，列车总线自动重 新构成，得到一个总线主设备，并自动指定各个节点地址、位置及识别运行方向， 这就是所谓的列车总线初运行。 6 2 1 3多功能车辆总线协议 车厢设备是通信网络上各种信息的发源地，也是服务命令的执行机构。车辆总 线连接各个车厢设备，周期性地广播用于牵引和列车控制的，时间严格的过程数 据。，车辆总线在机车、车辆或正常操作期问不分开的车厢组中是标准数据的传送 载体。它既提供可编程设备之问的互连，也提供可编程设备与其传感器和执行机 构之间的互连。和列车总线不同，车辆总线具有固定的结构和地址，且拓扑结构 为一对多点的主从方式。在一定周期内，由总线管理器负责控制整个车厢内各设 备对总线的访问。总线上可以有多个总线管理器，但在一个给定的时间内，只能 有一个总线管理器是主动的，称为主设备，其他的管理器作为冗余以防故障的出 现，它们之间可以进行切换。 由于列车的干扰状况和运行环境的恶劣程度是其它工业场合不可比拟的，所以 车辆总线通信的可靠性要求极高。同时，车辆总线要求通信具有强实时性，能在 规定的采样周期内及时响应操作命令，及时采集机车的工况参数，及时给出控制 指令等。 2 1 4 t c n 技术特点 l 、分层控制系统 列车通信网络通常采用三级总线网络的分层结构。第一级总线网络用于连接 数据采集站、设备站、司机控制站，构成列车设备控制、监测与故障诊断的列车 级网络，通常称为列车级别的总线：第二级总线网络用于连接车辆内的各种控制 设备，构成车厢级数据采集、控制的车辆级网络，通常称为车辆级总线。在车辆 总线下扩展第三级总线网络即设备级总线如连接传感器的总线或连接执行单元 的控制总线，它们可作为车辆总线的设备连接到车辆总线上。 2 、开放式控制系统 列车通信网络是一个开放式系统，其体系结构遵循i s 0 7 4 9 5 标准规定的 i s o 跳，方便不同生产厂家的设备互连。但是由于i s o 跚是为互连各种不同类型 的网络而制定的一般性结构，其许多功能在列车控制网络中是多余的，因此，列 车控制网络根据其在列车环境下的特定应用进行了优化，最低层配置多种物理层 协议以扩大适用范围；在高层使用简化协议来提高实时性。 3 、实时控制系统 列车通信网络以实时方式控制整个列车，其网络传输具有短距离、低传输率 和实时性强的特点。根据信息性质和实时性要求，列车网络中传送的数据分为3 7 北塞窒亟太芏毯堂焦j 金奎 堑；童圜羞整住盈让墨提 种类型：表示列车上状态的过程数据；一些非紧迫的用于诊断功能、旅客服务功 能的消息数据；用于列车初运行和其它管理所用的监督数据。 4 、高可靠性控制系统 列车通信网络的软硬件都应能满足网络连续运行，且能适应恶劣的现场环境， 即使在出现故障或不适当操作的情况下，也能提供相关服务。 2 2 嵌入式片上系统 2 2 1s o p 0 技术 s o c ( s y s t e mo nac h i p ) 称为片上系统，它是指将一个完整产品的功能集成 在一个芯片上或芯片组上。s o c 中可以包括微处理器c p u 、数字信号处理器d s p 、 存储器( r o m 、r a m 、f l a s h 等) 、总线和总线管理器、外围设备接口等还可以 包括数模混合电路( 放大器、比较器、a d 和d a 转换器，锁相环等) 甚至传感 器、微机电和微光电单元。 s o c 是专用集成电路系统，其设计周期长、设计成本高，s o c 的设计技术难 以被中小企业、研究所和大专院校采用。为了让s o c 技术得以推广，a l t e r a 公司 于2 l 世纪初推出s o p c 技术。s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ) 称为可编程 片上系统，它是基于可编程逻辑器件( f p g a 或c p l d ) 可重构的s o c 。s o p c 集 成了硬核或软核c p u 、d s p 、锁相环( p l l ) 、存储器、i 0 接口及可编程逻辑、可 以灵活高效地解决s o c 方案，而且设计周期短，设计成本低，一般只需要一台配 有s o p c 开发软件的p c 和一台s o p c 试验开发系统( 或开发板) ，就可以进行s o p c 的设计与开发。目前，s o p c 技术已成为备受众多中小企业、研究所和大专院校青 睐的设计技术。 s o p c 有三大技术特征：采用深亚微米( d s m ) t 艺技术，p 核复用以及软硬件 协同设计。 一、口核复用技术 基于s o p c 的设计在很大程度上依赖于集成电路口。l p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 是知识产权的简称。集成电路脾是指经过预先设计、预先验证、符合产业界普遍认 同的设计规范和设计标准，并且有相对独立并可以重复利用的电路模块或子系统， 如c p u 、运算器、存储器、放大器等。集成电路p 模块具有知识含量高、占用芯片 面积小、运行速度快、功耗低、工艺容差性大等特点，可重复用于s o c 、s o p c 或 复杂a s i c ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 设计中。 二、软硬件协同设计 嵌入式系统设计早期，主要有两种方式：针对一个特定的硬件进行软件开发： 根据一个已有的软件实现其具体的硬件结构。前者是个软件开发问题：后者是 一个软件固化的问题。早期的这种设计方法不能从系统级进行验证，不容易发现 软硬件边界的兼容问题。软硬件协同设计可以从系统功能描述开始，将软硬件完 成的功能作全盘考虑并均衡，在设计空问搜索技术的支持下，设计出不同的软硬 件体系结构并进行评估，最终找到较理想的目标系统的软硬件体系结构，然后使 用软硬件划分理论进行软硬件划分并设计实现。在设计实现时，始终保持软件和 硬件设计的并行进行，并提供互相通信的支持。在设计后期对整个系统进行验证， 最终设计出满足条件限制的目标系统。以f p g a 为基础的s o p c 的软硬件协同设 计，为芯片设计实现提供了更为广阔自由的空问。 2 2 2a v a l o n 总线技术 a v a l o n 是一种简单的总线体系结构，用来将处理器和周边设备集成到s o p l c 。 并规定了主设备和从设备的端口连接方式和时序关系。a v m o n 总线拥有多秤传输 模式，以适应不同外设的要求。 a v a l o n 总线拥有多种传输模式，以适应不同外设的要求。a v a l o n 总线的基本 传输模式是在一个主外设和一个从外设之间进行单字节、半字或字( 8 、1 6 或3 2 位) 的传输。当一次传输结束后，不论新的传输过程是否还是在同样的外设之问进行， a v a l o n 总线总是可以在下一个时钟周期立即开始另一次传输。a v m o n 总线还支持 一些高级传输模式和特性，侈如支持需要延迟操作的外设、支持需要流传输操作 的外设以及支持多个总线主设备并发访问。a v a l o n 总线支持多个总线主外设，允 许单个总线事务中在外设之问传输多个数据单元。这一多主设备结构为构建s o p c 系统提供了极大的灵活性。并且能适应高带宽的外设。例如，一个主外设可以进 行直接存储器访问( d i i a ) 传输。从外设到存储器传输数据时不需要处理器干预。 a v a l o n 主从外设之间的交互是构建在从端口仲裁技术上的：当多个主外设同 时要求访问同一个从端口时，从端口仲裁决定哪一个主外设取得访问权。从端口 仲裁具有以下两个优点： l 、仲裁的细节被封装在a v a l o n 总线内部。因而。主从外设的接口是一致的， 与总线上的主从外设的数量无关。每个主外设到总线的接口都与总线上是否还有 其他主外设无关 2 、多个主外设只要不是在同一总线周期访问同一个从端口，便可同时执行多 个总线传输。 a v a l o n 总线是为s o p c 环境而设计的。所有外设的接口与a v a l o n 总线时钟同 9 北塞銮亟塞堂亟堂焦论奎筮三童圆羞整佳途让墨提 步，不需要复杂的握手、应答机制；所有的信号都是高电平或低电平有效，便于 信号在总线中高速传输；为了方便外设的设计，地址、数据和控制信号使用分离 的、专用的端口。 a v a l o n 总线模块是由s o p cb u i l d e r 自动生成的。a v a l o n 总线模块为连接到总 线上的外设提供以下服务： 1 、数据通道复用a v a l o i l 总线模块中的数据选择器将数据从选中的从外设 传送到相应的主外设。 2 、地址译码一地址译码逻辑为每个外设产生片选信号。这简化了外设的设 计，因为外设不必各自对地址线进行译码来产生片选信号。 3 、等待周期生f 茂_ 一为适应具有特殊同步要求的外设，加入等待周期可以将 总线传输延长一个或多个总线周期。当日标从外设不能在一个时钟周期内响应时， 总线模块会加入等待周期使主外设暂停。当读使能和写使能信号具有建立时间或 保持时间要求时也会加入相应等待周期。 4 、动态地址对齐动态地址对齐隐藏了宽度不同的外设之间连接的细节。 例如，通过3 2 位的主端口读传输来访问1 6 位存储器时，动态地址对齐会自动执 行两次从端口读传输，以便从1 6 位存储器设备中取出3 2 位数据。这一特性简化 了主外设中硬件和软件的复杂性，因为主外设不必考虑从外设的物理特性。 5 、中断优先级分配；当一个或多个从外设产生中断时，a v a l o n 总线模块会将 中断传递给相应的主外设。同时传递优先级最高的中断请求0 r q ) 号。 6 、延迟传输功能_ a v a i o i l 总线模块内部包含了在主从端口对之间进行延迟 传输所需要的逻辑。 7 、流传输模式a 朔l 总线模块内部包含了在主从端口对之间进行流传输 所需要的逻辑。 2 2 3p l d 应用 随着数字电路应用越来越广泛，传统通用的数字集成芯片已经难以满足系统 的功能要求，而且随着系统复杂程度的提高，所需通用集成电路的数量呈爆炸性 增值，使得电路的体积膨大，可靠性难以保证。此外，现代产品的生命周期都很 短，一个电路可能需要在很短的周期内作改动以满足新的功能需求，对于采用通 用的数字集成电路设计的电路系统来说即意味着重新设计和重新布线。因此，系 统设计师们希望自己设计专用集成电路( a s i c ) 芯片，而且希望a s i c 的设计周期尽 可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的a s i c 芯片，并且立即投入实际应用 之中，因而出现了可编程逻辑器件( p l d ) 1 0 可编程逻辑器件p l d ( p r o g r a m m a b l el o 画cd e v i c e ) 是一种半定制集成电路， 在其内部集成了大量的门和触发器等基本逻辑元件l e ( l o g i ce l e m e n t s ) ，用户只 要通过编程来改变p l d 内部电路的逻辑关系或连线，就可以得到所需设计电路。 可编程逻辑器件的出现，改变了传统的数字系统设计方法，其设计方法为采用e d a 技术开创了广阔的发展空间，并极大提高了电路设计的效率。 由于受集成电路技术和工艺的影响，并不是任何p l d 芯片都支持s o p c 技术， 早期p l d 产品的集成度不高，包含的逻辑单元l e 数量不多，难以构成一个单片 系统( s o c ) 。随着超大规模集成电路技术与工艺的发展，p l d 的集成度越来越高， 包含l e 数量越来越多，为s o p c 技术打下了基础。目前，针对a l t e r a 公司的产品 而言，支持s o p c 技术的p l d 新器件包括c p l d ( c o m p l c xp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e ) 类型的m a x 和m a x i i 器件，f p g a 类型的c y c l o n e 、c y c l o n e1 1 、s t r a t i x 、 s c a t i x 、s t r a t i xg x 。 在本网关的设计中，选择了a l t c t a 公司c y d ei i 系列的f p g a 作为核心可编 程器件。c y c l o n ei i 是a l t e r a 公司的的第二代f p g a 系列器件。c y c l o n ei i 器件可 以实现n i o s l l 嵌入式处理器系统，n i o s l l 系统的处理器和外围设备占用6 0 0 2 0 0 0 个逻辑元件。通过向n i o s l l 处理器指令集中增加定制指令，可以加快软件算法的 运行。定制指令可以在一个时钟周期内处理完复杂的任务，为系统优化提供了一 种高性价比的解决方案。 c y c l o n ei i 器件最多通过内嵌的专用接1 ：1 电路实现与双数据速率( d d r ) s d r a m 和f c r a m 及单数据速率( s d r ) s d r a m 器件进行快速可靠的数据交换， 最高速率可达6 6 8 m b s 。 2 2 4 综合设计思想 传统的集成电路采用一种自下而上的设计方法，对设计进行逐次划分的过程是 从存在的基本单元出发的，设计树最末枝上的单元，或是已经制造出的单元或是 其他项目已开发好的单元或者是可外购得到的单元。这种设计方法与只用硬件在 模拟实验板上建立一个系统的步骤有密切联系。设计人员对于这种方法机进行设 计比较熟悉，并且实现各个子模块电路所需的时问短。 从系统级开始的一种设计方法自上而下的设计是把系统划分为基本单元，然后 再把每个基本单元划分为下一层次的基本单元，一直这样做下去，直到可以直接 用e d a 元件库中的元件来实现为止这种方法在设计周期伊始就做好了系统分析。 由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次完成的，所以能够早期发现结构设计 上的错误，避免设计工作的浪费同时也减少了逻辑仿真的工作量。自顶向下的 设计方法方便了从系统划分和管理整个项目，使得几十万门甚至几百万门规模的 复杂数字电路的设计成为可能。并可减少设计人员，避免不必要的重复设计，提 高了设计的次成功率。 在复杂数字逻辑电路和系统的设计过程中，通常采用是以上两种设计方法的结 合一一综合设计的思想。设计时需要考虑多个目标的综合平衡。在高层系统用自 上而下的设计方法来实现，而在低层系统使用自下而上的方法从库元件或数据库 中调用已有的单元设计。这种方法兼有两种设计方法的优点而且可以使用矢量测 试库进行测试。 2 30 s i 结构体系 o s i 是i s o 在网络通信方面所定义的开放系统互连模型，i s o ( 国际化标准组 织) 定义了这样一个开放协议标准。有了这个开放的模型，各网络设备厂商就可 以遵照共同的标准来开发网络产品，最终实现彼此兼容。o s l 分气层结构： l 、物理层( p h y s i c a l ) 这是整个o s i 参考模型的最低层，它的任务就是提供网络的物理连接。所以， 物理层是建立在物理介质上( 而不是逻辑上的协议和会话) ，它提供的是机械和电 气接口。主要包括电缆、物理端口和附属设备，如双绞线、同轴电缆、接线设备 ( 如网卡等) 、l u 一4 5 接口、串口和并口等在网络中都是工作在这个层次的物理 层提供的摄务包括；物理连接、物理服务数据单元顺序化( 接收物理实体收到的 比特顺序。与发送物理实体所发送的比特顺序相同) 和数据电路标识。 2 、数据链路层( d a t a l i n k ) 数据链路层是建立在物理传输能力的基础上，以帧为单位传输数据，它的主要 任务就是进行数据封装和数据链接的建立。封装的数据信息中。地址段含有发送 节点和接收节点的她址，控制段用来表示数据连接帧的类型，数据段包含实际要 传输的数据，差错控制段用来检测传输中帧出现的错误。 具体讲。数据链路层的功能包括：数据链路连接的建立与释放、构成数据链 路数据单元、数据链路连接的分裂、定界与同步、顺序和流量控制和差错的检测 和恢复等方面。 3 、网络层( n e t w o r k ) 网络层属于o $ i 中的较高层次了，从它的名字可以看出，它解决的是网络与网 络之间，即网际的通信阎题，而不是同一网段内部的事。网络层的主要功能即是 提供路由，即选择到达目标主机的最佳路径，并沿该路径传送数据包。 4 、传输层( t r a n s p o r t ) 1 2 传输层解决的是数据在网络之间的传输质量问题，它属于较高层次。传输层 用于提高网络层服务质量，提供可靠的端到端的数据传输。这一层主要涉及的是 网络传输协议，它提供的是一套网络数据传输标准。如t c p 协议。 传输层的功能包括：映像传输地址到网络地址、多路复用与分割、传输连接的 建立与释放、分段与重新组装、组块与分块。 5 、会话层( s e n s s i o n ) 会话层利用传输层来提供会话服务，会话可能是一个用户通过网络登录到一个 主机，或一个正在建立的用于传输文件的会话。 会话层的功能主要有：会话连接到传输连接的映射、数据传送、会话连接的 恢复和释放、会话管理、令牌管理和活动管理。 6 、表示层( p r e s e n t a t i o n ) 表示层用于数据管理的表示方式，如用于文本文件的a s c i i 和e b c d i c ，用于 表示数字的l s 或2 s 补码表示形式。如果通信双方用不同的数据表示方法，他们 就不能互相理解。表示层就是用于屏蔽这种不同之处。 表示层的功能主要有：数据语法转换、语法表示、表示连接管理、数据加密和 数据压缩。 7 、应用层( a p p l i c a t i o n ) 这是o s i 参考模型的最高层，它解决的也是最高层次，即程序应用过程中的问 题，它直接面对用户的