（模式识别与智能系统专业论文）基于ieee1394接口相机的设计.pdf

摘要 1 3 9 4 接口是始于苹果公司和德州仪器公司的一种高速串行接口标准，苹果 公司称之为f i r e w i r e ( 火线) ，索尼公司称之为i l i n k 。1 3 9 4 规范作为一种数据 传输的标准，该标准具有高速、灵活和可扩展性等特点，是当今公认的最为有 效的数据传输方式之一。随着1 3 9 4 规范的提出，1 3 9 4 接口已经在摄像机、计算 机等多种外设上得到广泛应用，并且成为研究数据传输的重要发展方向，因此 开发基于1 3 9 4 接口的相机系统就有重要的意义。 本文论述了一个基于1 3 9 4 规范的相机系统的软、硬件设计方法。该系统通 过1 3 9 4 接口与计算机相连接，能够满足视频信号实时传输的要求。整个系统分 为以下部分：采集部分、微控制器部分、1 3 9 4 接口电路和主机处理部分。系统 使用1 3 0 万像素图像传感器0 v 9 6 2 0 来完成数字图像的采集，使用支持1 3 9 4 a 规 范的t s b 4 3 a a 8 2 来完成接口控制。讨论了1 3 9 4 接口的实现和固件编程并给出了 系统的原理图、部分代码。 此外，论文阐述了w d m 驱动程序的分层结构、工作流程、即插即用、设备 栈以及i r p 处理技术、同步处理技术等内容。另外，还对1 3 9 4 总线技术进行了 论述，包括总线的管理、总线仲裁、总线配制以及寄存器和配置r o m 等内容， 在此基础上设计了系统的驱动程序。 关键词： i e e e l 3 9 40 v 9 6 2 0t s b 4 3 a a 8 2w d n 驱动程序 a b s t r a c t t h e1 3 9 4b u sa sh i g hp e r f o r m a n c es c a l a lb u sw a sp r o p o s e db va p p l ea n dt i a p p l e n a m e si tf i r e w i r ea n ds o n yn a m e si ti l i n k 13 9 4 a sak i n do f d a t at r a n s f o r s s t a n d a r dh a st h et r a i to fh i g hs p e e da g i l i t ya n de x t e n s i b l e ，i th a sb e e nt h o u g h ta so n e o ft h ed a t at r a n s m i s s i nm o d ea tm a x i m u me f f i c i e n c y a f t e rt h e1 3 9 4r e v i s i o no f s p e c i f i c a t i o ni si s s u e d ，1 3 9 4h a sb e e nw i d l e yu s e di np cp e r i p h e r a l se q u i p m e n ta n di t h a sb e c a m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n td i r e c t i o n so fv i d e oa c q u i s i t i o n s o i ti sv e r y i m p o r t a n tt od e s i g nac a m e r ab a s eo n1 3 9 4s p e c i f i c a t i o n i nt h ep a p e r , b o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ed e s i g n e do ft h ec a m e r ab a s eo nt h e 1 3 9 4 t h es y s t e mi sc o n n e c t e dt ot h ec o m p u t e rb yt h e1 3 9 4i n t e r f a c e a n di t i s c a p a b l eo fp r o c e s s i n gv i d e os i g n a l s t h es y s t e mi sc o m p o s e do ft h ef o l l o w i n gp a r t s ： t h ei m a g ea c q u i r i n gc i r c u i t ，m i c r oc o n t r o lu n i ta n d13 9 4i n t e r f a c ea n dt h es y s t e m d r i v e r i nt h ea c q u i r i n gc i r c u i t ，t h ei m a g es e n s o r0 v 9 6 2 0i su s e dt oc o m p l e t et h e a c q u i s i t i o no fd i g i t a li m a g e s w ec o n t r o lt h e1 3 9 4i n t e r f a c eb yt h e1 3 9 4c o n t r o l l e r t s b 4 3 a a 8 2w h i c hs u p p o r t s1 3 9 4 n ei m p l e m e n t a t i o no f1 3 9 4i n t e r f a c e t h ef i r m w a r ep r o g r a m m i n g ，p r i n c i p l e ，k e yc o d e sa r eg l y e n w ee x p o u n dw d md r i n v e r s sl a y e r e da r c h i t e c t u r e ，w o r kf l o w , p l u ga n dp l a y , e q u i p m e n ts t a c ki r pp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a n ds y n c h r o n i z a t i o np r o c e s s i n gt e c h n o l o gy i na d d i t i o n ，1 3 9 4b u st e c h n o l o g yi sa n a l y z e dc o m p l e t e l y b u sm a n a g e m e n t ，b u s a r b i t r a t i o n ，b u sc o n f i g ，b u sc o m m u n i c a t i o n ，r e g i s t e ra n dc o n f i gr o ma n ds oo na r e i n c l u d e d f i n a l l y ，d e s i g n e dt h e1 3 9 4d r i v e r k e yw o r d s ：ie e e l 3 9 40 v 9 6 2 0t s b 4 3 a a 8 2w d md riv e r i l 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于i e e e l 3 9 4 接1 2 1 相机的设计 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 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作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已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。 作者签名：鑫j 逄如年三月兰妇 作者签名：及l 谤纩物年乡月型珀 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 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，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：= l 盘出! 互年立月2 角 指导导师签名： 月塑日 第一章绪论 1 1 图像采集技术发展及应用现状 随着信息技术的不断发展和进步，将计算机技术引入到了图像采集、处理等领域。 传统的视频领域正面临着模拟化向数字化的变革，过去往往需用大量的人力和物力去 处理采集到的信号，如今已经可以借助计算机软件在个人计算机上就能够处理。图像 信号的获取也由从前的模拟信号，发展到现在的数字信息采集。由于数字采集数据量 较大，在这种情况下，如何将将采集到的大量数字信号传送到计算机上，是计算机处 理信息的最大障碍。现代计算机系统广泛采用总线( b u s ) 结构。总线是计算机各个部 分之间传送信息代码的公共通道。随着半导体芯片制造技术的不断提高，计算机结构 的更新与工作速度大幅度提高，全新的系统扩展总线不断涌现。目前能够满足信号速 度传输要求的总线有u s b 总线和i e e e l 3 9 4 总线。这两种总线方式都具有传输速度快、 易扩展、支持热插拔和即插即用，可通过集线器以菊花链的形式连接多个外设等特点。 到目前为止具有1 3 9 4 接口的外设，只是应用在音像设备和数码照像等设备上。但是 i e e e l 3 9 4 所具有的众多优点决定了1 3 9 4 技术将有更广阔的应用空间。 1 2i e e e l 3 9 4 串行总线的特点 i e e e l 3 9 4 总线1 1 j 最初是由a p p l e ( 苹果) 公司提出的，并且a p p l e ( 苹果) 公司将其 命名为f i r e w i r e ( 火线) 。f i r e w i r e 与后来s o n y ( 索尼) 公司的i l i n k 一样都是指的是 i e e e l 3 9 4 技术。提出i e e e l 3 9 4 总线最初的目的是简化计算机的连线，并且为实时数 字传输提供一个高速接口，1 9 9 5 年被i e e e 标准委员会认可为一种高速、对等的串行总 线。 i e e e l 3 9 4 总线具有如下特点【2 l ： 1 i e e e l 3 9 4 支持三种传输速率：l o o m b p s 、2 0 0 m b p s 、4 0 0 m b p s 的传输速率。目前 可支持的最高传输速率可达到1 6 0 0 m b p s ； 2 i e e e l 3 9 4 支持点到点的传输：各个节点可以脱离主机自主执行事务； 3 i e e e l 3 9 4 支持两种数据传输模式：等时传输和异步传输模式。等时传输应用于 实时性的任务，而异步传输可将数据传送到特定的地址： 4 i e e e l 3 9 4 可提供电源：对于一些低功率的设备可以通过i e e e l 3 9 4 总线的6 - p i n 获得电源，而不必要特地为设备提供电源； 5 i e e e l 3 9 4 总线的拓扑结构使得每条总线最多可以连接6 3 台设备，由于节点间 的最大距离不应超过4 5 米，i e e e l 3 9 4 非常适合在局域网中使用； 6 i e e e l 3 9 4 总线支持热插拔，在无需断电的情况下就可以添加和移除设备。既不 用担心影响数据的传输，也不需要进行重新配置，总线会重新枚举，节点也可以自动 配置，无需主机干预； 7 i e e e l 3 9 4 总线公平仲裁：使等时传输具有较高的优先级，同时异步传输也能获 得对总线的公平访问； 8 i e e e l 3 9 4 是最理想的多媒体设备接口； 9 提高系统性能：将资源看作是寄存器和内存单元，可以按照c p u 内存的传输速 率进行读写操作，具有高速的传输能力。 正是由于i e e e l 3 9 4 所具有的众多优点，使得i e e e l 3 9 4 技术的应用越来越广泛， 并显示出强大的优越性，很多产品都采用了1 3 9 4 接口作为它们的标准接口。如数字 摄象机、数字v c r 、外挂硬盘等。随着1 3 9 4 技术应用的不断深入，有关i e e e l 3 9 4 技 术的研究也逐渐受到重视。 1 3le e e l3 9 4 产品的应用示例 在我国i e e e l 3 9 4 产品的应用主要集中在以下三个领域：家电、个人计算机和专 业音视频行业1 3 j 。 家电行业：在家用电子产品中，以高端视频设备使用i e e e l 3 9 4 接口为多，如数 字摄像机、数字录象机和数字电视等产品，而低端产品往往不采用i e e e l 3 9 4 接口技 术。 个人计算机行业：在个人计算机行业中，i e e e l 3 9 4 的主要对手是u s b 。虽然从两 者的市场划分来看，u s b 是以低端市场入手，逐步向高端扩展：而i e e e l 3 9 4 正好相反， 是从高端市场作入口来占领市场。因此，两者并不是针锋相对地竞争。但由于二者的 性能相似，所以常在一起作比较。虽然在苹果电脑公司的m a c 机上1 3 9 4 接口是标准 配置，但由于i n t e l 没有支持1 3 9 4 接口而是推动u s b ，所以1 3 9 4 在我国个人机用户中 认知率和普及率并不高。市场上多见的产品主要是高端外围设备如高档声卡、高清晰 度视频采集卡、单纯的1 3 9 4 接口卡、移动硬盘、d v d 刻录机等。而其中大部分是因为 用户为了配合相关家电的使用才选购的。 随着w i n d o w s 系列操作系统对1 3 9 4 接口的全面支持，高档数字音视频设备用户 的增加，1 3 9 4 接口的使用量可能会有一定提高。国内的电脑公司在笔记本和台式机上 已经开始配置1 3 9 4 接口并作为卖点之一。由于在个人计算机应用上没有充分发挥 1 3 9 4 接口的点对点、实时传输等性能，所以用高速、热插拔、长距离等特点和u s b 比较，1 3 9 4 和u s b 的竞争还会继续下去。至于以1 3 9 4 技术为基础的家庭网络，目前 还不成熟，而且还有来自i e e e8 0 2 1 1 系列的竞争，需要看未来的发展。 专业音视频领域：专业音视频行业是使用1 3 9 4 设备的重要力量。由于i e e e l 3 9 4 的实时技术可以使数据发送时间与接收者精确同步，这一点是音视频工作最需要的特 征。而且，1 3 9 4 总线也可同时让数字音频、m i d i 、数字视频和控制信号在上面传输， 这样可大大简化设备的连接复杂度，提高设备组织的灵活性。所以，在广播电视业务 2 和专业领域的数字摄录设备上有着广泛的应用。音频编辑领域也大量用了1 3 9 4 设备 作为数字音频信号的传输媒体，如雅马哈、索尼等公司都有大量的支持设备。 1 4 本论文的研究意义和主要工作 目前在静态图像和动态图像采集系统如数码相机、摄像机等器材中使用的图像传 感器，高分辨率以c c d 图像传感器为主，c m o s 工艺的图像传感器只在一些低分辨率的 摄像头中使用，但是c c d 图像传感器功耗高，体积大，生产成本高，且不易与主流的 c m o s 技术集成于同一芯片中。而c m o s 图像传感器技术近几年发展突飞猛进，优势越 来越明显。同传统的c c d 图像传感器相比，c m o s 最明显的优势是集成度高、功耗低、 生产成本低、容易与其它芯片整合。因此，c m o s 图像传感器正取代c c d 图像传感器成 为研究和应用热点。 研究开发c m o s 图像传感器的机构很多。在国外主要有：比利时i m e c 、柯达、贝 尔实验室、s o n y 公司、佳能、夏普、东芝等公司。在国内，浙江大学、西安交通大学、 台湾大学等单位都开展了c m o s 图像传感器的设计、研制和应用开发等工作。在国内， 数码相机生产厂商大多采用c m o s 图像传感器技术。c m o s 图像传感器具有速度快、成 本低、功耗低、无光晕、集成度高、多功能化、单电源工作等优点，各大著名相机制 造厂商纷纷推出了高端的c m o s 数码相机产品。如佳能公司推出的e o s 4 5 0 d 系列相机 其有效像素达到1 2 2 0 万，e o s 5 0 d 系列相机其有效像素高达1 5 1 0 万，尼康公司d 9 0 系列相机其有效像素达到1 2 3 0 万，索尼公司的a 9 0 0 系列相机其有效像素达到2 4 6 0 万。由此可见，c m o s 图像传感器的应用越来越受到各个相机制造商的重视。 本论文研究工作紧密围绕应用c m o s 数字图像传感器来实现图像的采集过程和 1 3 9 4 高速串行接口的设计以及系统的驱动。随着c m o s 图像传感器技术的不断发展， 传感器采集的数据量越来越大，为了满足高速图像数据传输的要求，本论文应用了 1 3 9 4 接口，而并非u s b 接口，并详细分析了该相机系统的设计思路，做了如下的研究 工作： 1 研究了i e e e l 3 9 4 接口协议； 2 研究了相机系统图像采集部分、微控制器部分和1 3 9 4 接口部分的电路设计，并 制成p c b 进行硬件电路调试工作； 3 研究了基于w d m 系统驱动程序的设计。 1 5 本章小结 本章主要介绍了图像采集技术的发展和应用现状，通用串行总线i e e e l 3 9 4 的特 点以及i e e e l 3 9 4 产品在中国的应用，最后是本课题的研究目的和意义，以及本论文 要完成的主要任务和工作。 3 2 1 概述 第二章系统设计概述 数码照相机简称数码相机，英文名称为“d i g i t a lc a m e r a ，是一种利用c c d 图像 传感器或者c m o s 图像传感器把光学影像信号即光信号转换成电子数据的电子产品。目 前c m o s 图像传感器的成像效果可以与c c d 图像传感器的成像效果相媲美，并且很多数码 相机、摄像机制造商已经推出了高分辨率的数码相机和摄像机产品，所以研究c m o s 图 像传感器也具有一定的实际应用意义。数码相机作为图像采集设备，不仅能采集静止 图像，而且也能采集动态图像，通过相机的接口可以将采集的图像信息传给计算机， 以便进行数据的存储和处理，所以相机的应用领域日益广泛。 随着信息技术的不断发展，对数据时时传输的要求不段提高。这就需要一个高速 的串行接口作为数据的传输通道，1 3 9 4 技术被提出以来，一直被认为是实现数据传输 的高速公路，所以对1 3 9 4 技术的研究具有实际的应用意义。 2 2 系统结构的组成 本论文的设计内容是设计一个基于1 3 9 4 接口的相机系统。整个系统主要可分为 四部分：前端的图像信号采集电路、微控制器、1 3 9 4 接口控制电路和上位机应用程序 组成，其系统组成框图如图2 1 所示。 、 图2 i 系统组成结构图 2 3 系统设计元器件的选择 图像传感器部分：选择以o m n i v i s i o n 公司推出的较为典型的彩色o 5 英寸1 3 0 万像素的c m o s 数字图像传感器为核心。它支持s x g a 和v g a 两种工作模式，在图像传 感器内部集成了一个1 0 位模数转换器和信号放大电路，用于处理静止图像和动态图 像，所以从传感器输出的信号就是数字信号。 当传感器工作在v g a 模式即分辨率为3 0 万像素时，采集的图像帧率可达3 0f p s 。 当传感器工作在s x g a 模式即分辨率为1 3 0 万像素时，采集的图像帧率可达1 5 f p s 。使 用c m o s 数字图像传感器0 v 9 6 2 0 传感器芯片，只需要加少许外围控制电路和光学镜头 4 就可以实现图像采集的功能和实现对传感器的控制。 1 3 9 4 控制器部分：结合高分辨率图像采集、传输和处理的要求、以及开发周期 的要求和市场上1 3 9 4 控制器的功能现状，决定采用物理层和链路层集成的1 3 9 4 控制 芯片- - t i 公司推出的t s b 4 3 a a 8 2 作为1 3 9 4 接口控制芯片。在第三章中，将会详细介 绍常用1 3 9 4 接口设计及其设计方案选择。 2 4 本章小结 本章简要的从系统的组成和元器件选择方面介绍了系统设计的内容，在接下来的 几章中，将分别就1 3 9 4 技术及其接口方案、系统的设计内容和系统驱动程序的设计 做进一步阐述。 5 第三章1 3 9 4 总线技术及接口设计方案 论文本章从i e e e l 3 9 4 体系结构的角度介绍i e e e l 3 9 4 技术，i e e e l 3 9 4 总线技术【4 1 是实现i e e e l 3 9 4 设备驱动程序的基础，并给出了常用的1 3 9 4 接口设计方案以及设计 方案说明。 3 1i e e e l 3 9 4 总线技术 3 1 1i e e e l 3 9 4 体系结构 串行总线体系根据节点定义，一个节点是一个可寻址实体，能够独立的被复位和 标识。一个模块中有多个节点，一个节点有多个单元。 节点是一个拥有唯一地址的逻辑实体。它提供了一个可识别的r o m 和一套标准化了 的控制寄存器，能够独立的被复位。 1 i e e e l 3 9 4 的拓扑结构 i e e e l 3 9 4 串行总线的拓扑结构分为两种环境：底版环境和线缆环境。不同环境间 总线的连接需要总线桥。 电缆环境下的物理拓扑结构是无环网络结构，由电缆连接各节点间的端口，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，在节点间形成一条逻辑总线。由于每个节点 都中继数据、电源和地信号，所以即使本地电源关闭时，物理层仍然可以工作。如果 一个节点耗电量不太大，它完全可以通过线缆供电来正常工作。1 3 9 4 串行总线可以提 供8 - 8 0 v 电压和最高1 5 a 的电流，实际工作时的电流和系统有关【5 l 。图3 1 所示为底板 环境和线缆环境联合使用的情况。 图3 1 底板环境和线缆环境通过总线桥连接 6 底板环境中物理拓扑是多点接入的总线，总线上分布着多个连接器，允许节点直 接插入，通过仲裁使各节点享用总线。1 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。总线通过工e e e 总线标准中为串行通信保留的两根信号线可以从底板环 境扩展到线缆环境。 2 i e e e l 3 9 4 的连接方式和寻址 c s r 体系结构定义了3 2 位和6 4 位的寻址模式，而i e e e l 3 9 4 协议只支持c s r 体系结构 6 4 位的寻址方式，其中高1 6 位为节点标识，而节点标识分为总线标识( 1 0 位) 和物理标识 ( 6 位) 。所以1 3 9 4 可以支持6 4 k 个节点，最多可有1 0 2 3 条总线，每条总线最多可支持6 3 个节点。其余的4 8 位作为节点内部寻址【5 1 ，2 稿字节的1 3 9 4 节点空间分为内存空间、私 有空间和寄存器空间，如表3 - 1 所示： 表3 - 1 总线节点内部地址空间 1 6 为节点空间节点内部地址分配 私有空间是为本地节点保留的，在2 5 6 m 的寄存器空间中起始处的2 0 4 8 个字节保 留给控制状态寄存器、1 3 9 4 总线寄存器和r o m ，余下的作为初始元件空间，如表3 2 所示。 表3 22 5 6 m 寄存器空间分配表 控制状态寄存器 6 4 m 1 3 9 4 总线寄存器 6 4 m r o m 标识1 2 8 m 初始元件空间1 2 8 m 3 i 2i e e e l 3 9 4 的传输类型 1 3 9 4 串行总线支持两种传输模式1 5 l ：等时传输和异步传输。 在1 3 9 4 的某些应用中，要求对数据进行完整的、无任何数据损坏的传输，为确保 数据准确无误的传输，应该采用异步传输模式。因为异步传输模式可以验证数据是否 通过总线正确传输。接收方响应节点可以向发送方响应节点确认是否正确收到传输。 异步传输使用确定的6 4 位地址来指向一特定的节点，所以异步传输占据的总线带 宽较少，不需要稳定的总线带宽，但必须保证每个节点对总线的公平访问。 异步传输的特点： 1 不保证带宽各节点在公平时间间隔内获得对总线的公平访问； 7 2 用c r c 校验和响应代码来验证数据的传输； 3 所有异步传输共同占有最少2 0 的带宽； 4 用6 4 位地址来确定目标节点。 等时传输其数据的传输是连续的，并不需要确认数据传输。这样就可以保证视频 和其它类似设备能够持续地占据和使用自己所需要的带宽。对于等时传输模式而言， i e e e l 3 9 4 - - 个传输周期为1 2 5 弘s ，在这1 2 5 z s 的时间中等时性传输会优先被处理，随后 异步传输才可被处理。在异步传输模式下，信息的传送可以被中断；而对于同步传输 模式，数据将在不受任何中断和干扰的情况下实现连续传送。 等时传输的特点：保证带宽节点必须向等时资源管理节点要求分配所需带宽、不 需要校验、每个总线周期最多有8 0 9 6 可分配给等时传输、用通道号来标识目标节点。 3 1 3i e e e l 3 9 4 的协议结构 在1 3 9 4 协议中定义了4 个协议层，即事务层、链路层、物理层和串行总线管理层 f 1 】【m o l 。下面分别介绍各个协议层的功能。 1 事务层 事务层支持异步传输的读、写和锁操作，遵循c s r 结构的请求响应协议。但是事 务层不提供任何用于等时传输的服务，只是为等时数据提供了一条通往总线管理层的 通路。等时传输应该有应用程序直接驱动。 2 链路层 链路层主要为事务层服务，它实现对等时传输和异步传输数据包地寻址、数据校 验、分析等功能，链路层还提供了等时传输服务。链路层可以将事务层请求转化为相 应的包或子事务，准备发送到总线上。 在串行总线链路层使用了异步子行为和等时子行为两种类型。 1 ) 异步子行为：大量的可变数据和几个字节的事务层信息被传递到一个明确的地 址并返回一个确认符。 2 ) 等时子行为：大量的可变数据被按规则中断传送，有明确寻址但是没有确认符 返回。 3 物理层 把链路层的逻辑信号转化成在串行总线上传输的电信号，实现仲裁服务，以保证 同一时刻总线上只有一个节点在发送数据，为串行总线提供物理和机械接口。在线缆 环境下，物理层还提供了数据重新同步和重复事务，同时还可以实现总线自动初始化 的功能。 4 串行总线管理层 串行总线管理也可以把它称为管理层。管理层主要负责总线的配置和对各个节点 的活动管理。 8 总线管理层由三部分组成： 1 ) 总线管理器：在总线上只有一个节点可以充当总线管理器的角色。 2 ) 节点控制器：所有没有充当总线管理器的节点也都有自己独立的节点控制器。 3 ) 等时资源管理器：用来分配带宽和其他的等时资源。 i e e e l 3 9 4 的协议结构如图3 2 所示： 3 1 4i e e e l 3 9 4 的数据包 图3 2i e e e l 3 9 4 的协议结构 i e e e l 3 9 4 的数据1 3 】包有很多种，主要有以下几种：主数据包、异步数据包、确认数 据包、等时数据包等。各数据包之间的关系如图3 3 所示。 每一种数据包都有自己独特的标识，可以完成其独有的功能。主要介绍以下几种 数据包。 1 主数据包： 每个主数据包都是由规则的4 字节组成。一个主数据包可以通过数据包的长度和编 9 码与应答包和物理层数据分开，其组成如图3 4 所示。其中每个数据包可以通过数据包 的长度和编码与应答包和物理层数据包区分。主数据包的格式如图3 4 所示。 主数据包的长度应该有两个q u a d l e t ，数据包主要由组二部分组成：包头和数据块 组成。而且数据包的包头末尾必须有c r c 检验，这个检验只对包头的数据有效。若一个 数据包的包头c r c 检验出错，则节点将不会对它有任何动作，也不会有任何响应。同样， 对于数据块，不包括包头在内，也只有一个针对数据块数据的c r c 检验。 数据块 读请求包 循环 il 4 字节 i 开始包ll 读请求包i 图3 3 数据包之间的关系 数据块异步数据包 数据块 写请求包 _ j 锁定 请求包 数据读 响应包 l 锁定 响应包 主数据包有两种基本的数据包组成：等时数据包和异步数据包。等时数据包和异 步数据包的区分是由事务代码的值来区分的。 2 异步数据包： 异步数据口1 包是由链路层控制器根据事务层发送过来的数据和命令打包而成的。数 据包形成之后，通过物理层芯片在1 3 9 4 总线上串行传输。由下图可以看出，随着事务 类型的不同，异步数据包的内容也不同。 每一个合法的异步数据包都是由一系列q u a d l e t 组成的。异步数据包属于主数据包 的一种，所以它应该遵守主数据包的一些规则。 一个异步数据包的长度至少应该有4 个q u a d l e t 它至少应该包括一个包头，也可能 包含一个数据块。包头的第四个q u a d l e t 中，有可能包含数据包类型的特殊数据。异步 数据包的格式如图3 5 所示。 3 确认包 确认包【3 j 是由目的节点发出的，如果目的节点收到的不是等时包，它就会立即发送 1 0 恙 异一 一 的一r_l 载包一 包颥黼t1_上梆袜数步一一1读燃高l一司 没 一 一 确认包，以向发送数据包的节点发出确认。确认包和主数据包不同，最主要的是确认 包的长度是一个字节。 ( 最先传送的位) 图3 4 主数据包的格式 重传 目的地址标识传输标签事务代码优先级 代码 源地址标识 数据包信息说明 数据包4 字节数据说明 数据包头c i 屺校验 数据块的第一个4 字节 数据块的第二个4 字节 数据块的剩余部分 补“0 ”( 如果需要的话) 数据c r c 校验 。( 最后传送的位) 图3 5 异步数据包的格式 确认包由确认代码和奇偶校验位组成，这两个字段各占4 位。确认数据包的格式如 图3 6 所示。 图3 6 确认数据包格式 4 等时数据包 等时事务是单个数据包向一个或者多个节点执行多端传输或者广播传输。和异步 数据传输不同的是，它不依靠节点的目的地址和偏移址来确定地址的，取而代之的是 一个信道号码。 等时数据包都是一系列的q u a d l e t 数据的流。等时数据包符合主数据包的规则，等 时包的长度至少为两个q u a d l e t ，它至少应该包含一个包头，如果需要，还会在包头的 后面跟一个数据块。串行总线只定义了一种等时数据包。 等时数据包的格式如图3 7 所示： ( 最先传送的位) d a t al e n g t h t a g c h a n n e lt c o d e s y 数据包头c r c 校验 数据区 补“0 ”( 如果需要的话) 数据c r c 校验 3 1 5 总线仲裁 图3 7 等时数据包的格式 ( 最后传送的位) 总线上的节点都要通过仲裁过程来争夺总线的所有权，仲裁的目的是保证等时事 务的带宽和异步事务的公平间隔。 数据包传输类型决定了请求仲裁类型。物理层提供以下几种仲裁服务： 1 公平仲裁服务，用于传输异步数据包。 2 优先级仲裁服务，用于传输周期开始包或是一个具有优先级异步数据包。 3 立即仲裁服务，用于传输确认数据包。 1 2 4 等时仲裁服务，用于传输一个等时数据包。 5 混合仲裁服务，在一个同时拥有等时和异步事务的总线上经常会出现混合仲裁 的情况。 6 异步仲裁，当链路层希望可以尽快地发送数据包时就要用到异步仲裁。异步仲 裁又分为公平仲裁和紧急仲裁两种。 其中等时仲裁和异步仲裁使用的信号是相同的。总线仲裁保证等时信道的带宽和 异步信道的公平间隔是仲裁的基础。仲裁信号开始于节点识别到总线的一段总线闲置， 从而表明了先前一个数据包传送的结束。 3 1 6 总线配置 1 3 9 4 总线配置【5 】是自动进行的，在一个已经连接好的网络上，总线的配置不会受到 任何设备和主机的干扰。 在总线配置过程主要有三个步骤： 1 总线初始化 2 树标识 3 自标识 总线的配置独立于主机，但是任何一个节点都不能简单地以总线物理拓扑为基础 来定义根节点。在总线配置前，各个节点是未知的。比如，节点是否具有等时资源管 理器的功能，节点是否支持l o o m b s 以上的数据传输速率等，都是未知的。所以整个配 置过程中数据的传输都是以l o o m b s 的基础速率来进行的，以便保证所有的节点都可以 参加总线配置的过程。 在线缆配置过程中，总线被复位，并且所有的1 3 9 4 总线传输都会停止，异步事务 在配置完成后应重新排列事务。因为节点标识值会由于拓扑结构的变化而变化。而等 时事务以通道信号为基础标识目标节点，它们在配置完成后可以从中断点恢复事务。 一旦自标识过程完成，为使总线上的节点能够执行总线管理功能，就必须采取许 多措施。许多操作是通过串行总线管理服务和软件控制完成的。 3 1 7 总线管理 总线管理【5 j 也是串行总线的一部分，它不是任何节点都可以充当的。如果网络中有 可以充当总线管理器的节点，它就可以实现对网络中其它节点的管理功能，这些功能 包括循环控制器、总线性能的优化、电源管理、速度管理和拓扑管理等。 总线管理器可以处于串行总线网络中的任何一处。当节点在自标识进程中广播其 自标识数据包时，它同时收集各个节点的信息。总线管理器利用这些信息来建立其它 节点可以访问的拓扑结构图和速度图。 1 3 总线管理包括： 1 初始化等时事务的开始 2 跟踪并分配串行总线资源 3 调整间隔定时要求优化总线带宽 4 执行电缆电源管理操作 5 提供拓扑和速度信息给其他节点使用 总线管理器发布指定串行总线的映射图，映射图说明了系统中线缆连接各节点间 支持的最大传送速度。同时提供与总线电源、为异步事务保留带宽及总线最优化相关 联的多种总线管理功能。 3 1 8 寄存器、元件空间和配置r 伽 1 控制状态寄存器 c s r 总线【6 l 体系结构的正式名称是i s 0 i e c l 3 2 1 3 规范。这一规范定义了一套遵循这 一标准的多种总线所实现的核心特征。i e e e l 3 9 4 规范不但定义了c s r 具体依赖于串行总 线的扩展特征。下表中为初始寄存器空间位于节点地址空间中的位置，从表中可以看 出c s r 寄存器结构位于节点地址空间中的最高的2 5 6 m b 处。 c s r 体系中定义的控制状态寄存器的详细分布情况如表3 3 所示： 表3 - 3c s r 寄存器 偏移( 1 6 位)寄存器名描述 0 0 0 控制状态寄存器 0 0 4 设置状态寄存器设置控制状态寄存器 0 0 8节点标识寄存器 指定1 6 位节点标识值 o o c 复位重启寄存器节点的复位开始 0 1 0 - 0 1 4 间接地址和数据寄存器间接访问r o m ) 1 k b 0 1 8 o i c 分离超时寄存器分离传输的最大延时 0 2 0 - 0 2 c 增值寄存器测试寄存器诊断测试接口( 可选) 元件基址寄存器元件边界寄存器 0 3 0 - 0 4 c 从未实现 内存基址寄存器内存边界寄存器 0 5 0 - 0 5 4 中断号和掩码寄存器 节点中断 0 5 8 - 0 7 c时钟寄存器组同步时间 0 8 0 - 0 f c 请求信息和相应信息寄存器目标节点的地址信息 1 0 0 - 1 7 c 保留给c s r 1 8 0 - 1 f c错误日志缓存 保留给串行总线 2 0 0 - 3 f c1 3 9 4 总线寄存器见下表 1 4 2 1 3 9 4 总线寄存器 c s r 体系中为各类总线保留了一定的寄存器空间，针对各总线的设计和应用，有不 同的定义。在1 3 9 4 总线标准中将这些保留空间定义为1 3 9 4 总线寄存器，具体内容如表 3 - 4 所示。 表3 - 41 3 9 4 总线寄存器 偏移( 1 6 位)寄存器名描述 2 0 0 时钟周期寄存器 时钟周期时间为等时传输提供同步方式 2 0 4总线时间寄存器 总线时间 2 0 8 电源状态寄存器 通知节点电源即将失败 2 0 c 电源寄存器 2 1 0 忙超时寄存器 最大重试等待时间 2 1 4 2 1 8 保留 2 1 c 总线管理器标识寄存器选择或定位总线管理 2 2 0 等时带宽寄存器等时资源管理记录分配带宽 2 2 4 - 2 2 8等时通道寄存器 等时资源管理记录分配通道 2 3 c 测试控制寄存器 用于诊断错误状态 2 3 0 测试使用寄存器 2 3 7 3 f c保留 3 元件空间 c s r 体系结构在它的初始化单元空间里为依赖于节点的资源预留了地址空间，元件 空间的起始地址为f f f ff 0 0 0 00 8 0 0 h 。串行总线保留的这部分初始化单元空间在表3 5 中列出。这些单元寄存器的地址都由初始寄存器空间内的偏移地址来表示，寄存器空 间偏移址的起始地址是f f f ff 0 0 0 00 8 0 0 h 。 表3 - 51 3 9 4 资源寄存器 偏移( 1 6 位)寄存器名描述 10 0 f f c 保留给1 3 9 4 总线 1 0 0 0 - 1 3 f c 拓扑映射寄存器总线管理器，用来记录总线拓扑 1 4 0 0 - 1 f f c 保留给1 3 9 4 总线 2 0 0 0 2 f f c速度映射寄存器 总线管理器用来记录节点间的速度关系 3 0 0 0 f f f c 保留给1 3 9 4 总线 4 配置r o m 串行总线上有传输功能的节点应该实现配置r o m ，这为配置和诊断与设备相关的问 题提供了必要的关键信息，r o m 中所包含的信息有： 1 ) 为识别本设备驱动程序所需要的信息； 2 ) 为识别诊断软件所需的信息； 3 ) 为指定设备涉及的总线功能所需要的信息； 4 ) 为指定可选的模块、节点以及元件特性和参数所需的信息； 在协议中支持两种配置r o m 的格式：通用配置和最小配置。其中最小配置r o m 格式 1 5 提供2 4 位的厂商标识，而通用配置格式还提供总线信息块和根目录信息。 3 2 接口设计及系统方案选择 3 2 1 常用1 3 9 4 控制器及接口方案介绍 1 3 9 4 控制器指以1 3 9 4 串行引擎为主的专用集成电路。1 3 9 4 芯片在外设领域的应用 面很广，1 3 9 4 外设控制芯片通常包括物理层，链路层，交易层，和串行总线管理层4 个 部分组成。目前，生产1 3 9 4 控制芯片的厂家有t i 、n e c 、s o n y 等。市场上的供应的1 3 9 4 控制芯片主要有两种：单芯片和芯片组。单芯片指物理层与链路层功能由集成芯片完 成。t i 公司于2 0 0 1 年推出了一款将物理层和链路层整合的芯片一一t s b 4 3 从8 2 。 t s b 4 3 a a 8 2 1 3 9 4 h 1 芯片是t i 公司推出的一款新型低成本集成式1 3 9 4 链路层控制器和双端 口物理层控制器，能够实现i e e e l 3 9 4 串行总线接口，并且兼容了i e e e l 3 9 4 1 3 9 5 和 i e e e l 3 9 4 a _ 吨0 0 0 规范。芯片组指物理层功能和链路层功能由各自独立的芯片实现。物 理层的控制芯片主要有t i 公司的t s b 4 1 a b 2 、t s b 4 1 l v 0 4 a 和s o n y 公司的c x d l 9 4 7 q 等。链 路层芯片有t i 公司出品的符合i e e e l 3 9 4 高速串行总线标准的链路层控制芯片 t s b l 2 l v o i b 。 结合上面所说的1 3 9 4 控制器的情况，目前设计1 3 9 4 接口有两种方法： 1 多芯片方法： 使用多芯片设计方法需要购买1 3 9 4 物理层和1 3 9 4 链路层芯片做为1 3 9 4 接口控制芯 片，并且将接口芯片与单片机连接。此时，单片机要处理许多1 3 9 4 协议。使用多芯片 方法意味着设计者需要更多的努力，开发设计时间更长，从而推迟了产品上市时间。 此设计方法的成本较高，因此不利于产品的大批量生产。 2 单芯片方法： 使用单芯片设计方法仅仅需要购买1 3 9 4 物理层和1 3 9 4 链路层集成接口控制芯片。 以t i 公司t s b 4 3 a a 8 2 为例，t s b 4 3 a a 8 2 1 3 9 4 芯片是德州仪器公司推出的一款新型低成本 1 3 9 4 集成控制芯片，能够实现i e e e l 3 9 4 串行总线接口，兼容了i e e e l 3 9 4 - 1 3 9 5 和 i e e e l 3 9 4 a 一2 0 0 0 接口规范。使用t s b 4 3 a a 8 2 开发1 3 9 4 接口具有将减少芯片之间的连接， 降低干扰等优势，因此最好使用单芯片设计方法，这就是为什么t i 公司推出t s b 4 3 a a 8 2 单芯片的原因。使用单芯片设计方法还可以减少设计复杂度，缩短开发周期。 不同的设计实现方式在设计成本、系统复杂性、设计开发周期以及通用性等方面 各不相同，本设计采用的是单芯片的设计方法。 3 2 2 方案的简介 结合高分辨率图像的采集、传输和处理的要求、开发周期的要求以及市场上供应 的1 3 9 4 控制器的功能现状和应用现状，决定采用将物理层和链路层功能合二为一的集 成的1 3 9 4 控制芯片。这样使得系统在电路设计，系统性能、灵活性和成本等方面具有 一定的优势。在硬件上，系统以1 3 9 4 控制芯片t s b 4 3 a a 8 2 为核心，只需要加上少量的外 围电路即可以完成，比起使用多芯片的设计方法即使用物理层控制芯片和链路层控制 芯片要简单的多。因此方案最终选择了单芯片设计方法即采用t i 公司的1 3 9 4 集成控制 芯片t s b 4 3 a a 8 2 。 本设计使用a t m e l 公司生产的高性能、低功耗的8 位a v r 微处理器a t m e g a l 6 作为系统 微控制器。 3 2 2 1t s b 4 3 m 1 8 2 简介 t s b 4 3 a a