（计算机软件与理论专业论文）ieee1394串行总线协议的研究及应用.pdf

摘要 随着计算机总线技术的快速发展，计算机和消费类电子产品的普及，电子产 品对信息数据传输速度、带宽、实时性和稳定性要求大幅度提升。i e e e l 3 9 4 总 线作为一种数据传输的标准，具有传输速率高、带宽容量高、可扩展好，而且具 有即插即用、总线动态配置等特点，迅速成为数据传输领域的广泛应用总线之一。 本文的研究内容作为大连市科学技术基金计划项目新型网络服务器的资源 管理与系统状态监控( 编号：2 0 0 5 j 2 2 j h 0 3 1 ) 的重要组成部分，主要研究如何 将i e e e l 3 9 4 串行总线应用于l i n u x 集群的监控系统。 本文介绍了i e e e l 3 9 4 高性能串行总线的技术特点以及体系结构，详细分析 了异步和等时传输方式的协议分层结构、传输接口以及数据发送和接收过程中的 数据拷贝以及实现方法，剖析了1 3 9 4 串行总线管理机制，并给出了测试结果。 鉴于1 3 9 4 接口的高速传输特性，在了解掌握i e e e l 3 9 4 体系结构、通信模型 和数据传输方式的基础上，本文设计实现了基于i e e e l 3 9 4 串行总线协议实现的 集群监控系统叫m s - m o n 系统。该系统提出了一种高效实时的串行总线监控方 案，在不改变i e e e l 3 9 4 串行总线协议的基础上，极少的变更1 3 9 4 驱动源码，将 i e e e l 3 9 4 串行总线协议与集群监控系统有机结合起来。该系统硬件应用和维护 简单，系统开销小，采用内核级编程方式，进一步降低系统开销，减少了集群监 控系统规模。使集群监控系统从采集信息的效率、更新节点信息的实时性、状态 信息的可靠性方面得到较大提高。本文为今后i e e e l 3 9 4 串行总线协议应用于集 群监控系统的进一步研究工作打下了坚实的基础。 关键词：ie e e i3 9 4 ；异步传输；等时传输；集群监控系统 a b s t r a c t w i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rb u st e c h n o l o g y , a n dt h ep o p u l a r i z a t i o n o fc o m p u t e ra n dc o n s u m e re l e c t r o n i c sp r o d u c t s ，t h er e q u i r e m e n t so fe l e c t r o n i c p r o d u c t st ot h ei n f o r m a t i o nd a t at r a n s m i s s i o ns p e e d ，b a n d w i d t h , t h er e a l t i m ea n d t h es t a b i l i t yg r e a t l yi m p r o v e a sas t a n d a r do fd a t at r a n s m i s s i o n ，i e e e13 9 4b u sh a s c h a r a c t e r i s t i c so fh i g l l s p e e dt r a n s m i s s i o n ，h i g h b a n d w i d t hc a p a c i t ya n dg o o d s c a l a b i l i t y , a n dp l u g - a n d p l a y , b u sd y n a m i cc o n f i g u r a t i o na n do t h e rf e a t u r e s ，w h i c h i sb e c o m i n go n eo ft h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o nb u s e si nt h ef i e l do fd a t at r a n s m i s s i o n t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ri sa ni m p o r t a n tp a r to fp r o j e c tw h i c hi ss u p p o r t e db y d a l i a ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yf u n d s ”r e s o u r c em a n a g e m e n ta n ds y s t e ms t a t u s m o n i t o r i n gi nw e bs e r v e r ( n o ：2 0 0 5j 2 2 j h 0 31 ) ”t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h i e e e l3 9 4s e r i a lb u su s e di nt h el i n u xc l u s t e rm o n i t o r i n gs y s t e m t h i s p a p e ri n t r o d u c e s t h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n da r c h i t e c t u r eo f i e e e13 9 4h i g h p e r f o r m a n c es e r i a lb u s ，a n da n a l y s e st h e a s y n c h r o n o u s a n d i s o c h r o n o u st r a n s m i s s i o nm o d e ，i n c l u d i n gt h ep r o t o c o lh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e ， t r a n s m i s s i o ni n t e r f a c ea n dt h ed a t a - c o p ya n di m p l e m e n t a t i o ni nt h ep r o c e s so fd a t a s e n d i n ga n dr e c e i v i n g d e t a i l sm a n a g e m e n tm e c h a n i s mo f 13 9 4s e r i a lb u s ，a n d 百v e s t h et e s tr e s u l t s i nv i e wo fh i g h s p e e dt r a n s m i s s i o nf e a t u r e so ft h e13 9 4i n t e r f a c e o nt h eb a s i s o fu n d e r s t a n d i n ga n dm a s t e r i n gi e e el39 4a r c h i t e c t u r e ，c o m m u n i c a t i o n sm o d e la n d d a t a t r a n s m i s s i o n ，t h i sp a p e rd e s i g n e s a n di m p l e m e n t e sc l u s t e rm o n i t o r i n g s y s t e m c m s m o ns y s t e m w h i c ho ft h ea g r e e m e n tb a s e so nt h ei e e e l3 9 4s e r i a l b u sp r o t o c o lt oa c h i e v et h ec l u s t e rm o n i t o r i n gs y s t e m t h i ss y s t e mp r e s e n t sah i g l l l y e f f i c i e n tr e a l t i m em o n i t o r i n go ft h es e r i a lb u sp r o g r a m m e ，l i t t l ec h a n g e s139 4 d r i v e r i n gs o u r c e ，m a k e si e e e i3 9 4s e r i a lb u sp r o t o c o lo r g a n i c a l l yc o m b i n e sw i t ht h e c l u s t e rm o n i t o r i n gs y s t e m ，w h i c hn o tc h a n g e si e e e13 9 4s e r i a lb u sp r o t o c o lo nt h e b a s i s t h i ss y s t e mh a sh a r d w a r ea p p l i c a t i o na n ds i m p l em a i n t e n a n c e ，s m a l ls y s t e m o v e r h e a d ，u s i n gk e r n e l - l e v e lp r o g r a m m i n ga p p r o a c h t or e d u c es y s t e mo v e r h e a d ， r e d u c i n gt h es c a l eo fc l u s t e rm o n i t o r i n gs y s t e r n f r o mt h ee f f i c i e n c yo f i n f o r m a t i o n c o l l e c t i o n t h er e a l t i m eo fu p d a t e dn o d e si n f o r m a t i o n ，t h es t a t ei n f o r m a t i o n s r e l i a b i l i t y , t h ep e r f o r m a n c eo fc l u s t e rm o n i t o r i n gs y s t e mh a sg r e a t l yi m p r o v e d t h i s p a p e rm a k e sas o l i df o u n d a t i o nf o ri e e e l39 4s e r i a lb u sp r o t o c o lu s i n gi nt h ef u r t h e r r e s e a r c ho fc l u s t e rm o n i t o r i n gs y s t e m k e y w o r d s ：i e e e 13 9 4 ；a s y n c h r o n i s mt r a n s m i s s i o n ； c l u s t e rm o n i t o r i n gs y s t e m i e e e l 3 9 4 串行总线协议的研究及应用 学位论文独创性声明 本人承诺：所呈交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果。论文 中除特别加以标注和致谢的地方外，不包含他人和其他机构已经撰写或发表过的 研究成果，其他同志的研究成果对本人的启示和所提供的帮助，均已在论文中做 了明确的声明并表示谢意。 学位论文作者签名： 诃孵 1 日 期：( 扣占6 t 学位论文版权的使用授权书 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交复印件或磁盘，允许论文被查阅袖r 旧 阅。本文授权辽宁师范大学，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 并进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密 的学位论文在解密后使用本授权书。 学位论文作者签名： 何嘱 指导教师签名：云0 音移 日期： 2 o 字6 2 i 髓e 1 3 9 4 串行总线协议的研究及应用 1 1 课题研究背景 第一章前言 随着微机技术的发展，对标准总线的性能的要求越来越高。总线技术之所以 能够得到迅速发展，是由于采用总线结构在系统设计、生产、使用和维护上有很 多优越性。概括起来说，便于采用模块结构设计方法，简化了系统设计；便于生 产与之兼容的硬件板卡和软件，可以得到厂商的广泛支持：模块结构方式便于系 统升级和扩充性能；便于故障诊断维修，降低了成本。 外部总线是微处理器与外围设备之间传送信息的一组信号线，也是微处理器 与外部硬件接口的核心。外部总线按传送格式分为串行总线和并行总线。并行总 线相对复杂，控制软件和连接导线都会增加技术开发的实现成本，而且并行导线 容易产生信号干扰，解决此问题同样需要费用开销。对于串行总线来说需要更多 的软件控制，但其优势在于节省空间，串联线体积更小，使用更为方便。i e e e l 3 9 4 总线就是一种比并行总线性价比高的串行总线设计。 i e e e l 3 9 4 是1 9 8 7 年a p p l e 公司发布的f i r ew i r e n 一1 高速串行总线，其目标 就是要提供一个易于使用、价格低廉、高速率的通信串行总线。1 9 9 5 年，其被 i e e e 协会采纳，推出了i e e e l 3 9 4 - 1 9 9 5 规范，成为第一个i e e e l 3 9 4 标准的正式 版本。但是在此规范中存在一些模糊定义，因此i e e e 协会对1 3 9 4 规范在 i e e e l 3 9 4 - 1 9 9 5 版本上进行了两次改进。一次是2 0 0 0 年i e e e 协会推出了 i e e e l 3 9 4 - 2 0 0 0 的增强版本i e e e l 3 9 4 a ，解决了一些兼容性并更正了错误添加了 一些功能。一次是2 0 0 1 年推出的i e e e l 3 9 4 b ，其目标是“在新型应用中普及多 媒体标准规格”。其带宽、传输速度、支持长度和成本效率等都有了大幅度提高。 i e e e l 3 9 4 提供数字设备之间高速、廉价、规格化、多用途的传输方式，是 数字信息传输的一大革命，被认为是未来总线最佳选择之一。i e e e l 3 9 4 的高速 性是其日益受到广泛应用的重要原因， i e e e l 3 9 4 主要应用于商业和民用产业， 这是一般串行总线不能比拟的。目前， 而且更主要集中在要求高速率、大批量 传输数据的市场，如：多媒体、数字视频、大容量存储器和家庭网络等领域。1 3 9 4 产品突破了传输介质的限制，实现了高速轻便的计算机设备。i e e e l 3 9 4 逐渐受 到了计算机、芯片、软件及消费类电子产品等各种厂商的普遍重视和支持设备的 应用也越来越广。在软件上，各种操作系统也积极提供对i e e e l 3 9 4 设备的支持。 微软公司在w i n 9 8 中正式支持1 3 9 4 接口，并逐步提供了一系列w i n d o w s 环境和 n t 环境下的驱动程序开发工具和a p i 函数，方便了1 3 9 4 驱动的开发，加快了 i e e e l 3 9 4 设备的普及。i e e e l 3 9 4 的潜在市场是无穷的，无论是在计算机硬盘还 i e e e l 3 9 4 串行总线协议的研究及应用 是在网络互联等方面它都具有广阔的发展空间。随着i e e e l 3 9 4 技术的不断发展， 其重要的研究价值和广阔的应用领域，必是将来高科技技术的竞争热点。因而对 i e e e l 3 9 4 研究的意义显然是十分重要。 鉴于i e e e l 3 9 4 接口具有数据传输高速、实时和可靠等特性，将i e e e l 3 9 4 串 行总线协议与集群监控系统有机结合起来，能有效降低系统开销，减少集群监控 系统的规模。就集群系统而言，它是由互相连接的多个独立计算节点聚集而成的 单一系统映像啪1 ( s s i s i n g l es y s t e mi m a g e ) ，是一种高性价比的高性能计算环境。 工业标准化的集群系统c l u s t e r 已经占据了t o p5 0 0h p c 排行榜的垄断地位，2 0 0 7 年1 1 月的榜单上有4 0 6 套系统，8 1 2 的比重，而1 9 9 8 年1 1 月只有2 套，十年 问增长了数十倍之多。这种具有工业标准化优势的系统逐渐得到大多数厂商和用 户的青睐。集群监控系统是集群管理的核心，监控系统得到的数据可以用于负载 均衡、任务调度和相应服务的调整，及时通知管理员有关硬件方面的故障或软件 方面的失效，以便保证集群系统的可靠性。集群监控系统作为直观反映集群性能 的方式之一，已经在诸多大规模集群系统中发挥了十分重要的作用。 1 2ie e e l3 9 4 总线的发展现状 i e e e l 3 9 4 作为一项与平台无关的技术，可以同时应用于m a c 和p c 中。正是 这种与众不同的跨平台能力，其面世以来，受到许多世界知名i t 厂商的支持。 1 9 9 5 年，n e c 、苹果、康柏等计算机厂商开始在他们生产的高端产品的主板上提 供i e e e l 3 9 4 接口。由5 0 多家企业构成的数字化视频摄像机联盟，把i e e e l 3 9 4 作为数字化视频和音频的标准接口规格。随后，微软在其新代操作系统 ( w i n d o w s 9 8 和w i n d o w sn t 5 0 ) 中加入了对i e e e l 3 9 4 的系统级支持。在2 0 0 3 年 3 月戴尔计算机公司就已推出了搭载i e e e l 3 9 4 p c i 卡的“d i m e n s i o nx p s t ”系 列。在同年6 月于美国召开的“1 3 9 4d e v e l o p e rc o n f e r e n c e ”上展出n e c 的 i e e e l 3 9 4s w i t c hs y s t e m “p o r t a l g e r ”，受到收到热烈欢迎，评价很高，它是构 成i e e e l 3 9 4 网络的关键性设备，成为家庭网络的连接枢纽。 2 0 0 4 年1 3 9 4 有两个新的规范宣布：其一是结合1 3 9 4 b 标准和以太网协议的 物理层而制定的1 3 9 4 c 标准，该标准将家庭网络领域纳入1 3 9 4 的应用领域范围。 其二是无线1 3 9 4 标准( w i r e l e s s1 3 9 4 ) ，该规范主要在超宽带技术u w b ( u l t r a w i d eb a n d ) 设备间实现1 3 9 4 无线传输，该协议可以更加优化室内网络连接 ( i n r o o mc l u 夸t e rc o n n e c t i v i t y ) ，诸如数字摄录机、m p 3 等便携式设备与桌面 设备( t a b l e t o pd e v i c e ) 的互联问题。 从2 0 0 4 年以来，1 3 9 4 接口在消费类电子产品中得到了广泛的应用，s o n y 、 p h i l i p 、y a m a h a 等多家厂商都在其电子产品中增加了i e e e l 3 9 4 接口。从多方面 2 i e e e l 3 9 4 串行总线协议的研究及应用 反映出i e e e l 3 9 4 规范已经得到越来越多的厂商和使用者的认可。个人电脑领域 以多媒体台式电脑和笔记本电脑为主导市场，1 3 9 4 接口在p c 市场领域稳步增长。 2 0 0 5 年在t h e1 3 9 4t r a d ea s s o c i a t i o n 的领导下w i r e l e s s1 3 9 4 标准在不 断完善；1 3 9 4 c 规范( 1 3 9 4 cs t a n d a r d ) 于2 0 0 5 年最后得到i e e e 委员会的正式批 准通过，1 3 9 4 协议以基于以太网的物理层为切入点，1 3 9 4 c 协议想以此为契机而 成为一种网络互连技术( n e t w o r k i n gt e c h n o l o g y ) ，但是这一点得到认可还需要 许多工作。 随着时代和技术的发展，消费类电子产品与个人计算机的融合已成为一种不 可逆转的大趋势。由于i e e e l 3 9 4 的优良特性，包括m i c r o s o f t 和i n t e l 在内的 众多知名i t 厂商对i e e e l 3 9 4 的产品的支持开发，都将极大程度地推动i e e e l 3 9 4 技术的普及和全面推广。 1 3 论文的组织 第一章首先回顾了i e e e l 3 9 4 总线的发展现状，介绍了i e e e l 3 9 4 总线的重要 性以及课题研究的目的及意义。 第二章给出了i e e e l 3 9 4 总线的一些基本概念和理论，阐述了该总线的主要 特点及其应用方法，并对i e e e l 3 9 4 与u s b 进行了全面的比较。 第三章详细分析了i e e e l 3 9 4 总线的异步和等时数据传输方式。对总线数据 传输过程进行了量化分析并给出实验结果，最后讨论了i e e e l 3 9 4 总线管理机制。 第四章分析了集群监控系统的结构、关键技术以及目前国外国内集群监控系 统的典型应用。详细分析了论文提出的一种基于i e e e l 3 9 4 串行总线协议实现的 集群监控系统叫m s - m o n 系统，并给出c m s m o n 系统的设计与实现方法。 第五章对全文总结，并对i e e e l 3 9 4 串行总线的未来研究进行展望。 3 i e e e l 3 9 4 串行总线协议的研究及应用 第二章高速串行总线ie e e l3 9 4 总线是指计算机、测量仪器、自动测试系统内部以及相互之间信息传递的公 共通路，是计算机和内部测试系统的重要组成部分，其性能在计算机和自动测试 系统中具有举足轻重的作用。利用总线技术，能够大大简化系统结构，增加系统 的兼容性、开放性、可靠性和可维护性，便于实行标准化以及组织规模化的生产， 从而显著降低系统成本。在c p u 与外设一定的情况下，外部总线速度是制约计算 机整体性能的重要因素之一。 i e e e l 3 9 4 是外部总线中应用范围比较广的一种，其主要特点有： 1 快速、可扩展的数据传输速率：能够以1 0 0 m b p s 、2 0 0 m b p s 和4 0 0 m n o p s 的 速率传输各种数据信号，同一网络中的数据能以不同的速度进行传输。新的协议 规范速度可提升到8 0 0 m b p s 、1 6 g b p s ，甚至3 2 g b p s 。 2 支持等时和异步两种数据传输模式，两种方式可以同时进行数据传输。 3 支持即插即用：每次加入或移除设备时，总线会重新枚举并自动配置，整 个过程不需要主机系统的干预。 4 拓扑结构灵活多样且具有可扩展性：在一个网络中同时可进行菊链式和树 状联接，支持多条串行总线互联。 5 支持点对点传输：串行总线设备能自主执行事务，而不需要主机的干预， 占用的系统资源更少。 6 支持公平仲裁：实现仲裁以确保等时应用获得一个恒定总线带宽，而异步 应用能获得对总线的公平访问。 i e e e l 3 9 4 被广泛应用于与通信相关的各个领域，如表2 1 所示。 表2 1i e e e l 3 9 4 应用领域 信息家电数码摄像机，数字电视，机顶盒，d v d ，游戏机 p c 体系的连接迮接硬盘，光驱，扫描仪，串行总线，磁盘阵列 上业测控领域连接高端测试系统，实时传输来自示波器、逻辑 分析仪、图像采集装置和外嗣高速a d 的海量数 据，外挂式虚拟测量仪器，数控机床 2 1 体系结构 i e e e l 3 9 4 串行总线的体系结构是按照节点来定义的。如图2 1 所示，一个 节点就是一个寻址实体，它有自己的标识r o m 和标准的控制状态寄存器，能够独 4 i e e e l 3 9 4 串行总线协议的研究及应用 立进行初始化和配置。一个模块可以有多个节点，模块是连接到总线上的物理设 备，每个模块包含一个或多个可以独立初始化和配置的节点。而一个节点又可以 有多个元件嵋”，元件是节点内部实现具体功能的部分，具有访问内存或i l o 的 能力，节点地址可以映射到一个或多个元件中，可以有各自的设备驱动程序并独 立运行。 图2 1 节点、模块、元件相互关系 i e e e l 3 9 4 串行总线的拓扑结构可以分为两种环境旧：线缆环境和底板环境， 如图2 2 所示，不同环境问总线通过总线桥连接。线缆环境下的物理拓扑结构是 无环网络结构，由电缆连接各节点问的端口呈分支扩展，形成树状或菊花状的网 络拓扑。每个端口由收发器和一些简单的逻辑单元组成，线缆和端口的作用就是 总线中继器，在节点阳j 形成一条逻辑总线。底板环境中物理拓扑是多点接入 ( m u l t i d r o p ) 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 裁使各节点共享总线。i e e e l 3 9 4 串行总线可以和一组标准并行总线并存于设备 的底板上，通过串行总线保留的两根信号线可以从底扳环境扩展到线缆环境。 日豳 i e e e l 3 9 4 串行总线协议的研究及应用 并行总线 2 2 协议分层 图2 2 底板环境和线缆环境示意图 境) i e e e l 3 9 4 总线的协议分层是由四部分组成的，如图2 3 所示，分别为物理 层、链路层、事务层、总线管理层。 串行总线管理层 串行总线 图2 3i e e e l 3 9 4 协议分层 物理层主要提供设备和线缆之间的电气和机械连接，处理数据传输和接收， 确保所有设备可以访问总线，由硬件实现。主要特点有提供逻辑信号到物理电信 号的转化，支持最大4 0 0 1 惦p s 传输速率，最大4 5 米传输距离，最多可以连接 6 3 个节点；实现自动的总线初始化，设备以对等的方式互连。1 3 9 4 b 版本对此层 进行了一些改进，增强信号传输率，加大传输距离口1 。 链路层提供等时和异步模式下的数据包确认、定址、数据校验及数据分帧等 6 i e e e l 3 9 4 串行总线协议的研究及应用 实现。主要特点有提供半双工的传输服务；实现模式分为异步传输：数据包发向 明确的节点，要求等到应答，适用于对数据带宽和时间限制要求较低的应用；等 时传输：用广播的方式，定的时间间隔内不断发送数据包，不要求得到应答，适 用于高数据传输的速率，比较严格的时间同步数据传输和动态数据传输领域h 1 。 事务层只处理异步数据包，提供数据回传发送等命令，由固件实现。主要特 点有a p i 为向上层应用提供命令操作接口，用于节点间的数据传输；数据包传送 方式按时钟频率不同，将数据包分为在一个周期中可以传输的长度，进行连续发 送和响应；多线程的数据请求方式，即一个请求没有得到响应，可以接收另外一 个请求；层层之间的通信方式，依靠两组应答信号；数据在总线上的形式为分包 形式7 1 。 总线管理层提供全部总线的控制，包括对总线连接设备的电源提供、优化定 时机制、分配同步通道i d 以及处理基本错误提示等。主要特点有定义一组用于 对其他三层的管理和控制的服务；负责在总线上与其他节点的协商，主要设定自 身的传输速度和模式等；i e e e l3 9 4 标准采用了控制与状态寄存器结构，根据配 置r o m 的定义完成对逻辑单元的管理和控制口1 。 2 3 总线配置 在系统加电、有新的设备加入或者移出总线时，都可以引起总线配置的重新 开始。i e e e l 3 9 4 总线的配置是自动进行的。在一个已经连接好的网络上，这种 配置过程不会受到网络中任何设备和主机处理器的干扰。每当一个新设备或节点 被载入或移出串行总线时，整个总线都需要复位，并且重新设置。总线的配置是 通过总线初始化、树标识和自标识这三个步骤来完成的。在此过程之后，整个系 统在逻辑上形成了树状的拓扑，每个节点都被赋予了一个节点i d 并都发出节点 说明信息，这些信息由管理层使用。 总线初始化以总线复位开始。总线复位强迫所有的节点进入它们的初始状 态，清除它们的拓扑信息。每个节点的物理层关闭并保存与每个端口相关联的连 接状态。引起总线复位的原因有：物理层的电源状态发生变化，就会发出总线 复位信号。新节点的加入或者已有节点的删除。节点发出总线复位信号。 物理层接收到软件发出的总线复位请求。( 蔓) m a x _ a r b _ s t a t e _ t i m e 超时复位。复 位的优先权在总线上是最高的，总线复位的时间必须足够长，以使某个正在执行 的事务可以完成，其最小值为1 6 7l as 。 总线复位以后，总线上的节点开始树标识过程以标识根节点和所有连接节点 的拓扑结构。树标识过程是把一个一般的网络拓扑变换成一个树状结构拓扑。在 这个树的结构中，有一个节点将被指定为根节点，其他的节点为分支节点和叶子 7 i e e e l 3 9 4 串行总线协议的研究及应用 节点。该过程还使所有连接在网络中的端口被指定为父端口或子端口，靠近根节 点的端口为父端口，远离根节点的端口为子端口。当一个节点的所有连接在网络 中的端口都是子端口的时候，这个节点就被称为根节点。而那些仅有一个端口连 接到总线上的节点就作为叶节点。根节点拥有最高的自然优先级。 树标识进程从一个或多个节点向它们可能的父节点发送父通知信号开始。 父通知：由子节点发往父节点的信号，一般由父端口发往子端口。 子通知：由父节点发往子节点的信号，一般由子端口发往父端口。 所有叶节点向与其连接的节点发送父通知信号，接收到信号的节点就会把自 己对应的端口标识为子端口，这样的节点也称为分支节点。作为父通知的响应， 分支节点要向其相连的叶节点返回一个子通知，接到子通知的节点会把相应端口 标识为父端口。当连接在总线上的所有节点都标记为子节点或父节点，或者连接 在总线上的所有端口都标记为父端口或是子端口后，树标识过程结束。 随后进入自标识过程，每个节点都有机会得到一个唯一的物理标识，并向连 接到总线上的所有管理实体表明自己的身份。自标识进程是在树标识过程形成的 “树”结构的基础上进行的。该过程可以理解为一种遍历树的算法，这种算法按 照一定的规则先从树的一个叶子节点开始对这个树进行后序遍历，当连接到根节 点所有端口的节点都完成自标识过程之后，根节点再做自标识。至此整个自标识 过程完成了。 2 4le e e i3 9 4 与u s b 比较 通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 和i e e e l 3 9 4 均为串行接口，而 且都支持热插拔，所以人们普遍认为i e e e l 3 9 4 和u s b 是未来通信通道的竞争者， 但在现实中与其说是竞争者不如说是互补的。i e e e l 3 9 4 和u s b 的应用点是不同 的。u s b 主要面向中低速设备，如鼠标、键盘等，u s b 提高了传输速率，并且为 p c 的外设提供了统一接口，方便了使用。i e e e l 3 9 4 则凭借其高速的数据传输率 在信息家电和高端服务器等领域有着广泛的使用。它们分别会在高端产品和中低 端产品领域发挥各自的作用。它们主要性能比较如表2 2 所示。 i e e e l 3 9 4 串行总线协议的研究及应用 表2 2u s b 与i e e e l 3 9 4 主要技术参数比较 技术参数 u s b l 1u s b 2 0 i e e e l 3 9 4 a i e e e l 3 9 4 b 发布时间 1 9 9 82 0 0 11 9 9 52 0 0 2 传输速度 1 5 m 1 2 m b i t s4 8 0 m b it s 4 0 0 m b i t s8 0 0 m b i t s 1 6 g b i t s 支持长度 5 m 5 m ( h u b 3 0 m ) 4 5 m1 0 0 m 线缆芯数4 ( 信号线2 芯+4 ( 信号线2 芯+6 ( 信号线4 芯)6 ( 信号线4 芯) 供电线2 芯)供电线2 芯) 支持系统 w in 9 5 0 s 2w i n 9 8 s e ，w i n m e w i n 9 8 s e ，w i n m e w i n 9 8 s e ，w i n m e w i n 9 8w i n 2 0 0 0 ，w i n x p w i n 2 0 0 0 ，w i n x p w i n 2 0 0 0 ，w i n x p 支持特性p n p ，热插拔p n p ，热插拔p n p ，热插拔p n p ，热插拔 支持设备1 2 7 个1 2 7 个6 3 个6 3 个 屏蔽无有有有( 信号线对) 传输方式同步传输、批量传输、中断传输、等时传输、异步传输 控制传输 是否属于总 否 是 线标准 硬件组成控制器、控制器驱动程序、u s b 芯传输层、链路层、物理层、串行 片驱动程序、u s b 设备以及针对总线管理 不同u s b 设备的客户驱动程序 成本估价比较低比较昂贵 对c p u 要求需主机c p u 对数据传输进行控制不需任何主机进行控制 电源供应提供5 v 的直流电压和0 5 a 的电提供了8 v 4 0 v 的电压及5 a 的电 流，耗电大必须用外接电源流，理论上最大可以提供 2 0 0 w ( 4 0 5 a ) 的功率 连接的设备u s b 技术的目标在于低速、低带高速、宽带宽的连接，如数字电 范围宽、低价的外设，如鼠标、键盘、视、数码相机、可移动存储设备 打印机、扫描仪、调制解调器等等 面向全线的计算机外设 是否需要 是否( 本身包括了一个数据桥的功 h u b能，从而也简化设备的连接) 9 i e e e l 3 9 4 串行总线协议的研究及应用 第三章ie e e l 3 9 4 数据传输 i e e e l 3 9 4 总线支持异步和等时两种方式同时传输。异步传输用于无损传输 数据的情况，串行总线可以验证数据是否通过总线正确传送，可向数据发送者提 供应答信号，并可以通过数据重传来弥补传输错误的数据包；等时数据传输模式 在优先级上要高于异步传输模式。等时传输应用在需要大量传输数据，但对数据 的误码率没有太高要求的情况，它并不要求确认数据的完整接收，而是强调数据 传输的实时性。 异步传输保证总线能够无差错的传输数据，实现更为复杂的通信过程。在这 一过程中，它必须通过验证( c r c 校验) 来确定数据是否通过总线正确传送，如 果传送不正确，接收方报告错误，并由发送方重传。其传输模型如图3 1 所示。 八 请求 。八 7 请 7 响、 求 地址、事务类型和数据 应 节 节 i 点j 状态和数据 点， 1 响应 图3 i 异步传输模型 等时数据传输的两端( 交谈者和收听者) 通过通道进行通信。当然通信之前， 交谈者必须首先向等时资源管理器申请所需要的带宽。总线带宽按周期( 1 2 5 u s ) 来分配，其中等时传输最多可以获得l o o u s 的传输时间。其传输模型如图3 2 所 示。 图3 2 等时传输模型 3 1 异步数据传输 3 1 1 传输接口 在l i n u x 平台i e e e l 3 9 4 协议驱动程序为用户提供的最基本发送和接收的接 1 0 i e e e l 3 9 4 串行总线协议的研究及应用 口函数为r a w l 3 9 4 一w r i t e 和r a w l 3 9 4 _ r e a d 。函数原型如下： s s i z e _ tr a w l 3 9 4 _ w r i t e ( s t r u c tf i l e * f i l e ，c o n s tc h a r * b u f f e r ，s i z e t c o u n t ，l o f f t * o f f s e t is i g n o r e d ) ； s s i z e tr a w l 3 9 4 _ r e a d ( s t r u c tf i l e * f i l e ，c h a r * b u f f e r ，s i z e _ tc o u n t ， l o f f _ t * o f f s e t i s i g n o r e d ) ； i e e e l 3 9 4 的收发信息由r a w 层的读写操作两部分组成。r a w 层写操作 r a w l 3 9 4需要给出传输设备文件信息，传递数据的起始地址_ w r i t e f i l eb u f f e r 及数据个数c o u n t 。r a w l 3 9 4 _ w r i t e 将c o u n t 个起始地址为b u f f e r 的数据发送到 由f i l e 指定的设备文件中，经由物理传输线路，到达接收一方。同时生成未完 成的发送请求并挂到相应队列中，等待发送的完成。当数据到达接收一方，经由 中断传送到r a w 层，生成待完成的接收请求并挂到相应队列中，等待接收的完成。 r a w 层读操作r a w l 3 9 4 一r e a d 需要给出接收设备文件信息f i l e ，接收数据的起始 地址b u f f e r 及接收数据的最大个数c o u n t 。r a w l 3 9 4 _ r e a d 从f i l e 指定的设备文 件中接收数据，将接收到的数据保存到起始地址为b u f f e r 的空间，并且接收到 的数据所包含的数据元素个数最多不能超过c o u n t ，随后从完成的接收请求队列 中将该请求摘除。 i e e e l 3 9 4 通过链路设备层提供的异步收发控制寄存器完成收发任务。对于 异步事务需要建立由描述符列表组成的d m a 相关纲要。这里描述符是1 6 字节或 3 2 字节的长度，且按1 6 字节为单位进行排列。每个描述符定义了待传输的数据 包格式和控制信息，并由相应的d m a 控制器将数据放入对应的先进先出队列中， 然后发出中断请求完成发送。数据接收则是相反的过程。i e e e l 3 9 4 异步通信过 程的层次结构如图3 3 所示。 r a w l3 9 4 _ w r i t e l_i i_ i _ 一 图3 3i e e e l 3 9 4 层次结构图 r a w l 3 9 4 r e a d i e e e l 3 9 4 串行总线协议的研究及应用 3 1 2 发送的实现 图3 4i e e e l 3 9 4 发送实现图 i e e e l 3 9 4 异步发送实现过程如图3 4 所示。系统调用过程r a w l 3 9 4 _ w r i t e ， 首先从用户空间的缓冲区拷贝数据b u f f e r 到内核空间的缓冲区延迟请求下的请 求中，完成第一次数据拷贝。然后对当前文件状态进行判断，存在三种情况：一 种是已被打开，调用过程s t a t e o p e n e d ；一种是已被初始化，调用过程 s t a t ei n i t i a l i z e d ；一种是已连接，调用过程s t a t e c o n n e c t e d 。下面则是要 对延迟请求下的请求类型进行判断，选择相应的处理方式。这里考虑在过程 s t a t e c o n n e c t e d 中，当延迟请求下的请求类型匹配异步发送请求时，调用过程 h a n d l e 。该过程首先判断数据包包头的长度，判断是否为块数据_asyncr e q u e s t 包或是四倍字节数据包。为数据包分配缓存空间，规定数据包的大小，置包的信 息状态为未应用状态。根据数据包的格式填写数据包的主机和节点标识信息，以 及数据包的包头大小、事务代码t c o d e 、数据包的数据大小和期待响应值。然后 从上层传输的请求中将长度为h e a d e r _ l e n g t h 的数据拷贝给数据包的包头。完成 后再次从上层传输的请求中将长度为d a t a s i z e 的数据拷贝给数据包的数据缓 冲中，完成第二次与第三次的数据拷贝。设置传输数据包的完成请求处理函数， 并将延迟请求插入到设备文件下的延迟请求队列尾部。 然后调用过程h p s b s e n d _ p a c k e t 开始发送异步传输数据包。对于本地节点 和远程节点分别采取不同处理方式，本文以远程节点为例。将上层传来的数据包 交给结构体h o s t - d r iv e r - t r a n s m it _ p a c k e t 所指示的过程来处理，该结构体在 1 2 i e e e l 3 9 4 串行总线协议的研究及应用 设备驱动初始化时被设置为o h c i t r a n s m i t 。 进入设备驱动层首先判断数据包类型，决定得到的是一个等时、异步请求或 是一个异步响应数据包。对于异步请求类型，需要将该请求插入d m a 延迟请求队 列中等待处理，随后调用过程d m a t r m f l u s h 循环从d m a 延迟请求队列摘取数据 包，再调用过程i n s e r t _ p a c k e t 将该数据包插入到d m a 发送缓冲寄存器下f i f o 队列。过程i n s e r t _ p a c k e t 主要完成的动作是根据数据包类型建立相应的d m a 缓 冲数据空间，包括缓存地址、数据包，以及d m a 控制命令字等。如果d m a 控制器 状态允许，则向发送寄存器发出命令，开始数据包在物理层的发送过程，到此整 个发送过程结束。 3 1 3 接收的实现 图3 5i e e e l 3 9 4 异步接收实现图 i e e e l 3 9 4 异步接收实现过程如图3 5 所示。从中断触发事件的中断处理过 程o h c i i r qh a n d l e 开始数据的接收。根据接收事件类型，