（电路与系统专业论文）基于1394总线图像采集及其链路核测试电路的设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 随着数字技术的发展，人们的生活中出现了越来越多的高技术含量设备。 i e e e1 3 9 4 是目前开发最快的外围标准总线之一，i e e e1 3 9 4 为计算机、外围设 备和消费电子类产品( 如便携式摄像机、录像机、打印机、个人电脑、电视机和 数码照相机等) 提供了简单廉价且带宽丰富的数据实时传输方式。并且由于i e e e 1 3 9 4 产品和系统良好的兼容性，用户可以实现图像和视频从便携式摄像机或照 相机到打印机、个人电脑、电视机的的无差错传输。可以说，这些优点必然会使 它成为外围设备之间图像和视频传输的主流标准总线。 本课题是本实验室与天津大学专用集成电路设计中心共同合作的项目，目的 之一是为其白行设计的大动态c m o s 图像传感器提供外围接口电路，以实现图 像信号在传感器与计算机之间的高速传输；目的之二是为实验室正在将开展的自 带控制器的1 3 9 4 链路层芯片i p 核设计项目提供f p g a 级原型验证测试电路。 本文从对i e e e1 3 9 4 协议的理解入手，讨论了i e e e1 3 9 4 的特点和协议结构。 并结合本次课题的具体应用，阐述了基于不同目的的硬件电路设计的思路、过程 和成果。在此基础上，本文还详细论述了硬件电路调试的理论和步骤。本文对于 i e e e1 3 9 4 接口电路和基于链路层i p 核的测试电路都进行了研究，具有一定的参 考价值和实用价值。 关键词： i e e e l 3 9 4 协议，c m o s 图像传感器，外围接口电路，链路层i p 核， f p g a 级电路设计，硬件调试 a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lc i r c i r t ，t h e r ea r em o r ea n dm o r ek i n d s o fh i g ht e c h n o l o g yd i v i c ea p p e a r e di no u rd a l i yl i f e t h ei e e e13 9 4m u l t i m e d i a c o n n e c t i o ne n a b l e ss i m p l e ，l o w c o s t ，h j i g h b a n d w i d t hi s o c h r o o u s ( r e a l - t i m e ) d a t a i n t e r f a c i n gb e t w e e nc o m p u t e r s ，p e r i p h e r a l s ，a 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 ss u c h a sc a m c o r d e r s ，v c r s ，p r i n t e r s ，p c s ，t v s ，a n dd i g i t a lc a m e r a s w i t hi e e e 13 9 4 一c o m p a t i b l ep r o d u c t sa n ds y s t e m s ，u s e r sc a nt r a n s f e rv i d e oo rs t i l li m a g e sf i o ma c a m e r ao rc a m c o r d e rt oap r i n t e r , p c ，o rt e l e v i s i o n , w i t hn oi m a g ed e g r a d a t i o n w e c o u l ds a yt h a tf i r e w i r ei so n eo ft h ef a s t e s tp e r i p h e r a ls t a n d a r d se v e rd e v e l o p e d , w h i c hm a k e si tg r e a tf o ru s ew i t hm u l t i m e d i ap e r i p h e r a l s a so n eo ft h ec o o p e r a t i v ep r o j e c t sw i t ht h ea s i cd e s i g nc e n t e ro ft i a n j i n u n i v e r s i t y , o n eo fo u rd e s t i n a t i o n si st op r o v i d eap e r i p h e r a lc i r c u i tf o rt h e i rc m o s i m a g es e n s o r , w h i c hc a nr e a l i z et h eh i g hp e r f o r m a n c ed a t at r a n s p o r t a t i o nb e t w e e n i m a g es e n s o ra n dc o m p u t e r t h eo t h e ri st op r o v i d eat e s t i n gb o a r dt ot h ei e e e13 9 4 l i n kc o r ed e s i g n b e g i n n i n gw i t ht h ei e e e 13 9 4 - 19 9 5s e r i a lb u sp r o t o c o l ，w ed i s c u s st h ef e a t u r e s a n ds t r u c t u r ea tf i r s t a n dt h e nw em a k eaf o c u so nt h eh a r d w a r ed e s i g no ft h et w o d i f f e r e n tp u r p o s e si no u rp r o j e c tw i t ht h e13 9 4l i n k l a y e ra n dp h y s i c a l - l a y e rc o n t r o l l e r b e s i d e s ，w ea l s od i s c r i b et h et h e o r ya n dp r o c e s so ft h eh a r d w a r ed e b u g g i n g t h e s e r e s e a r c h e so n13 9 4s e r i a lb u si n t e r f a c ec i r c u i tp o s s e s sc e r t a i nr e f e r e n t i a lv a l u ef o r c o m p r e h e n d i n gi e e e 13 9 4 1 ：e yw o r d s ：i e e e 1 3 9 4 ，c m o si m a g es e n s o r , p e r j p h e r a lc i r c u i t ， l i n kc o r ei p ，h a r d ，a r ed e s i g nb a s e do nf p g a ， h a r d w a r ed e b u g i n g 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，也不包含为获得墨鲞盘堂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：杠雅缠签字日期：沙0 7 年石月，多e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 叁鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂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：7 他多匡缠 签字日期：加7 年占月侈日 导师签名： 签字日期： 日 第一章绪论 1 1课题研究的背景 第一章绪论 在当代，现代电子技术正在飞速的发展，它也不断的丰富着人们的工作和生 活。随着更多的计算机周边设备的增加，以及越来越多的便携式产品都需要与计 算机进行连接以便进行数据的传输，使得数据传输的问题变得越来越严峻。与此 同时，随着成像技术的发展，单幅图像的数据量越来越大，成像的速度越来越快， 人们对于信号传输的要求也越来越高，因此迫切需要一种能够实时传送大批量图 像数据的方法。i e e e 1 3 9 4 作为一种新型的与平台无关的数字接口技术，可以 同时应用在m a c 和p c 中，为设备之间更方便快捷的数据传输提供了良好的解决 方案。 随着计算机技术的迅速发展，各种总线层出不穷。先进的总线技术对于解决 系统瓶颈，提高整个微机系统的性能有着十分重要的影响，目前总线结构方式已 经成为微机性能的重要指标之一。 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。按总线在微机系统中的位置可分为机内总线和外设总线，目 前在p c 机上流行的接口标准主要有i d e 、u s b 、s c s i 和i e e e1 3 9 4 四种。 i e e e1 3 9 4 与其它接口标准相比，有着不可替代的优点。它是一项与平台无 关的技术，正是凭借这种与众不同的跨平台能力，自其面世以来，得到了许多世 界知名i t 厂商的支持。当然，i e e e1 3 9 4 与其它总线相比，还有许多其它的优势， 将会在第二章中详细的介绍。 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。因此，i e e e1 3 9 4 的应用也将越来越广泛，有很大的研究和开 发的价值。 第一章绪论 1 2课题研究的目的 本课题的研究主要基于两个应用。首先，本课题是天津大学集成电路设计中 心开发的大动态c m o s 图像传感器项目的一部分，目标是设计符合其指标要求 的1 3 9 4 外围接口电路，实现图像信号在传感器与计算机之间的高速传输；其次， 本课题还可以作为该中心正在研究开发的i e e e1 3 9 4 链路层口核设计的硬件测 试电路，为该设计进行必要的f p g a 级原型验证，以保证其功能和时序的正确性。 1 3论文主要工作 在上一小节中，已经说明了本课题的两个应用方向，针对目前实验室设计的 大动态c m o s 图像传感器，要设计符合标准的外围接口电路，并在此基础上进 一步深入研究i e e e1 3 9 4 1 9 9 5 协议内容，为实验室开展的自带控制器的1 3 9 4 链路层芯片i p 核设计项目提供硬件测试电路。 论文主要工作如下： 1 对i e e e1 3 9 4 的概念、历史、特点和应用做了初步的论述，简要说明本 课题的研究目的及意义。 2 深入理解i e e e1 3 9 4 1 9 9 5 协议内容，理解系统的整体架构，并在此基 础上对于协议的重点内容进行讲解。 3 在理解协议的基础上，设计符合标准及性能要求的大动态c m o s 图像传 感器外围接口电路，并对该硬件的可扩展性做了一定的研究。 4 详细阐述对硬件电路进行调试的思路和步骤，以及在调试中出现的问 题。 5 论文详细介绍对该接口电路的f p g a 固件编程，v e r i l o g 程序在q u a r t u s l i 5 1 集成开发环境下的仿真、综合过程；还对各部分组成和功能进行了 说明。 6 本文对于基于i e e e1 3 9 4 链路层i p 核设计的硬件测试电路结构和功能都 进行了详细的阐述。 第二章i e e e1 3 9 4 协议及结构体系概述 第二章i e e e1 3 9 4 协议及结构体系概述 2 1i e e e1 3 9 4 概述 2 1 1i e e e13 9 4 基本概念 i e e e1 3 9 4 最初是苹果公司于1 9 8 6 年开发的f i r e w i r e ( 火线) 规范，这个名称 来源于它的传输速度。i e e e 在1 9 9 5 年认可f i r e w i r e 为i e e e1 3 9 4 1 9 9 5 规范。 之后索尼公司对1 3 9 4 进行了许多改进，并且推出了它自己的版本d u b b e di l i n k ， 大部分的索尼计算机和数码摄像机都使用了该版本的i e e e1 3 9 4 规范。 由于在i e e e1 3 9 4 1 9 9 5 规范中存在一些模糊的定义，后来又有一份补充文 件来澄清疑点，解决了一些兼容性的问题，这个经过改进的规范被称为1 3 9 4 a t l l 。 2 0 0 1 年，i e e e 推出了更新的1 3 9 4 规范1 3 9 4 b 。这份规范以前两个规范为基 础，目标是“在新型应用中普及多媒体标准规格9 9 01 3 9 4 b 是1 3 9 4 技术的升级 版本，是仅有的专门针对多媒体视频、音频、控制及计算机而设计的家庭网络标 准。1 3 9 4 b 能提供8 0 0m b p s 或更高的传输速度，它通过低成本、安全的c a t 5 ( 五 类) 实现了高性能家庭网络。1 3 9 4 a 自1 9 9 5 年就开始提供产品，1 3 9 4 b 是1 3 9 4 a 技术的向下兼容性扩展，相信在不久之后将会成为市场的主流商品。由于本课题 选用了基于i e e e1 3 9 4 1 9 9 5 规范的芯片，因此论文中的所有内容均依据i e e e 1 3 9 4 1 9 9 5 规范。 i e e e l 3 9 4 分为两种传输方式：b a c k p l a n e 模式( 即底板模式) 和c a b l e 模式 ( 即线缆模式) 。b a c k p l a n e 模式的速率分别为1 2 5m b p s 、2 5m b p s 、5 0m b p s ， 可以用于多数的高带宽应用。c a b l e 模式是速度非常高的模式，分为1 0 0m b p s 、 2 0 0m b p s 和4 0 0m b p s 几种，在2 0 0 m b p s 下即可传输不经压缩的高质量数据和 视频。 2 1 2i e e e1 3 9 4 的特点 1 3 9 4 接口具有以下特点【2 】： 廉价：1 3 9 4 接口硬件成本很低，现在一块p c i 接口的1 3 9 4 卡还不到1 0 0 元； 高速可升级：标准的1 3 9 4 接口支持1 0 0 m b p s 、2 0 0 m b p s 和4 0 0 m b p s ； 开放式标准：开放式标准使得1 3 9 4 接口标准可以应用于很多设备，利 第二章i e e e1 3 9 4 协议及结构体系概述 于推广； 真正的点对点传输协议：可以在任何时候向i e e e1 3 9 4 网络添加或删除 设备，既不需要担心影响数据的传输，也不需要进行重新配置。即可以 使得不同的数字设备之间通过1 3 9 4 接口直接连接而无需计算机的干涉； 支持热拔插：可以在计算机运行的情况下接入或移除1 3 9 4 设备而不会 造成计算机系统的崩溃； 公平仲裁：使等时传输具有较高优先级，同时异步传输也能获得对总线 的公平访问。 2 1 3i e e e l 3 9 4 与u s b 的比较 1 i e e e l 3 9 4 与u s b 都是串行总线，有很多相似之处，表现在： 都支持即插即用及热插拔的功能，安装简单； 都提供统一的通用接口，都可提供总线供电方式； 都采用串接方式，可以连接多台设备。 2 它们之间的主要差别在于： 在1 3 9 4 的拓扑结构中，不需要h u b 就可连接6 3 台设备，并可由网 桥将这些独立的子网连接起来。1 3 9 4 的拓扑结构在其外部设备增减 时会自动重设网络，其中包括网络短暂的等待状态。 应用领域有所不同：总体上来讲u s b 连接器通常应用在低带宽的场 合之中，如连接数码照相机和便携式音频播放器等。u s b1 1 主要应 用在中低速外部设备上，它提供的传输速度有低速1 5 m b p s 和全速 1 2 m b p s 两种。低速的u s b 带宽支持低速设备，如显示器、调制解 。 调器、鼠标、键盘、扫描仪、打印机、光驱、磁带机、软驱等。全 速的u s b 带宽将支持大范围的多媒体设备。关于1 3 9 4 的应用，将 在后续小节详细表述。 相比于u s b 接口，在u s b l 1 时代，早期1 3 9 4 连接器的传输速率已经可以 达到4 0 0 m b p s ，因此1 3 9 4 a 接1 2 1 在速度上占据了很大的优势。现在，u s b 连接 器目前已经从早期的1 1 版本发展到2 0 版本，数据的传输速率也从1 2 m b p s 提 高到4 8 0 m b p s ，而1 3 9 4 b 规范的传输速率则可以达到最大8 0 0 m b p s 。将来人们还 计划推出p 1 3 9 4 b 规范，该规范将可以使用光纤和c a t - 5 电缆，而且速度也将提 高到3 2 0 0m b p s 。1 3 9 4 连接器作为整个互连系统中最基础的器件，无论从产品的 外观、传输速率还是到产品的性能，都有很大的改进。 第二章i e e e1 3 9 4 协议及结构体系概述 2 1 4i e e e1 3 9 4 的应用及发展 在个人计算机和消费性电子的许多应用领域里，i e e e 1 3 9 4 串行总线已经成 为数字设备经常采用的网络和影音联机方式。 在个人计算机领域里，1 3 9 4 的最广泛的应用是把数字摄录像设备连接至个 人计算机平台，以便下载、编辑和储存数字视频内容。由于具备高速和双向传输 的优点，无论要对视频内容进行实时编辑，还是要将编辑结果存回摄录像设备的 录像带，1 3 9 4 都是很理想的联机方式。 在消费| 生电子领域，1 3 9 4 则广泛用于视频转换器、高清电视、数字录放机、 d v dr e c o r d 、d v d a u d i o 、s a c d 和影音接收机。三菱己开始提供多款高画质 电视，它们都配备三个1 3 9 4 连接端口，可用来连接至其它装置；三菱还提供内 建1 3 9 4 连接端口的数字录放机，可透过线缆连接至电视，录制和播放标准画质 和高清晰度视频内容。 在d v dr e c o r d e r 领域，先锋和其它厂商的d v d 播放机也开始采用1 3 9 4 连 接，可用来将摄录像机的视频内容下载和备份至d v d 光盘片，它们是比录像带 成本更低且更方便的永久性数据储存媒介。视频转换器制造商也将1 3 9 4 界面加 入他们的产品，以便和高清电视联机。 在音频领域，先锋推出d v d a u d i o 播放机和影音接收机，它使用13 9 4 连接 这两部装置，可同时传送较新的d v d a u d i o 和s a c d 格式以及目前居于主流地 位的c d 及环绕音效格式。由于1 3 9 4 频宽很高，又能保护数据内容，很适合这 方面的应用。目前市场产品是以1 3 9 4 a 2 0 0 0 标准为主，传输速率为4 0 0 m b p s ， 较新的1 3 9 4 b 装置已有样品供应，它们的速度增为8 0 0 m b p s ，未来还将提高至 16 0 0 m b p s 和3 2 0 0 m b p s 。 目前，1 3 9 4 正朝着家庭联网方向发展，美国c e a 、三菱电子( 美国) 、微软 和韩国政府都把采用1 3 9 4 实现家庭联网提上了议程。然而1 3 9 4 要实现真正的家 庭联网还有很多路要走。今后，1 3 9 4 将着力解决两个问题：一是提高网络效率 和接口速度，建立融合性的1 3 9 4 网络；二是实现无线1 3 9 4 ，即解决1 3 9 4 和无 线网络技术的协议转换问题。 第二章i e e e1 3 9 4 协议及结构体系概述 2 2i e e e13 9 4 拓扑结构概述 2 2 1 节点和模块体系 i e e e1 3 9 4 串行总线的体系结构是按照节点来定义的。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，能够独立进行初始化 和配置。一个模块可以有多个节点，而一个节点又可以有多个元件。这里的模块 是一个物理概念，节点和元件都是逻辑寻址实体【2 1 。 所谓模块，是指连接到总线上的物理设备。每个模块都可以包含一个或多个 可以独立初始化和配置的节点。因此，节点就成为了模块内部的一个逻辑实体， 而元件就是节点内部实现具体功能的部分。 2 2 2拓扑结构 i e e e1 3 9 4 串行总线的拓扑结构分为两种环境：底板环境和线缆环境。不同 环境间总线的连接需要总线桥，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成分支扩展，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。底板环境中物理拓扑是多点接入的总线。本课题主要对 线缆环境下的1 3 9 4 规范进行了研究和开发。 2 2 3寻址 c s r 体系结构定义了3 2 位和6 4 位的解址模式，然而i e e e1 3 9 4 规范仅支持 6 4 位固定解址模式，在这种模式下，6 4 k 节点将被分配并得到相等的地址空间， 串行总线规范进一步给1 0 2 4 条总线分配6 4 k 节点。每个节点会分配得到2 5 6 t b 的地址空间，此空间会因不同目的而分为不同块，每个地址范围的标签是： 1 初始内存空间； 2 私有空间； 3 初始寄存器空间： 串行总线寄存器空间； r o mi d 空间( 最先l k b ) ； 第二章i e e e1 3 9 4 协议及结构体系概述 初始元件空间。 私有空间是为本地节点保留的。对于串行总线来说，为简化系统设计的复杂 程度，在实际编程的过程中，1 3 9 4c s r 空间的范围设定为初始元件空间的头 2 0 4 8 b ，再加上c s r 寄存器和c o n f i g r o m 共4 k f l 勺范围就可以了。图2 一l 示例了 1 3 9 4 实现的总6 4 位地址空间定义【3 1 。 图2 - 11 3 9 4 的总6 4 位地址空间 2 2 4协议结构 在1 3 9 4 协议中定义了三个协议层，实现请求者与响应者之间的数据传输过 程。 1 事务层：支持异步事务的读、写和锁定操作。其过程遵循c s r 体系结 构的定义，可以为等时数据提供通向总线管理层的通路，并不对等时事 务的操作提供任何服务，但可以对等时控制寄存器进行相关操作。等时 传输由应用层程序直接驱动； 2 链路层：主要为事务层服务。它实现对等时和异步数据包的寻址、数据 校验、分析等功能，链路层还提供了等时传输服务，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； 第二章i e e e1 3 9 4 协议及结构体系概述 3 物理层：有如下三个主要功能： 将链路层上的逻辑信号转化为串行总线上的电气信号； 实现总线仲裁，保证同一时刻总线上只有一个节点发送、接收数据， 以防止出现总线冲突； 为串行总线定义物理和机械接口； 4 1 3 9 4 串行总线还包括串行总线管理层，实现总线配置和节点活动的管 理。依据各节点在网络中所承担职责的不同，各节点管理层实现的功能 也各有差异。但每一个节点均需包含独立的节点控制单元，实现对总线 自动配置的支持。主要由三个部分组成： 总线管理器； 节点控制器； 等时资源管理器。 图2 2 简单表述了1 3 9 4 三层协议的相互关系及各自的功能。 图2 2 各层协议的关系和功能 第二章i e e e1 3 9 4 协议及结构体系概述 2 3通信模型及服务 1 3 9 4 通信过程中有两种重要的事务：等时事务和异步事务。可以这样说， 它们是1 3 9 4 通信过程中两种最基本的事务。许多数据必须在一定时间内传送 ( t i m es e n s i t i v e ) ，例如视频和音频比特流，这些事务就称为等时事务。为了将这 类数据同步，周期定时器( c y c l et i m e r ) 会在双绞线上产生1 2 5 微秒的周期，它 对整个1 3 9 4 网络都相同；无论是必须在一定时间内传送的视频和音频( 等时事 务) 还是必须确定传送完成且正确的数据( 异步事务) ，它们都可在这个周期时间 内传送。通过1 3 9 4 标准所规定的仲裁机制，总线上的节点会决定谁有权利在某 个周期时间内传送数据。所有型态的数据( 视频、音频和通信) 都会被转换成包， 加上描述这些数据型态、来源和目的地址的包头信息，然后送到总线。图2 3 即 是这个1 2 5 微秒周期的结构图【4 】，等时数据最多可占用1 0 0 微秒，留下2 5 微秒 来传送和确认异步信息。如果某个装置有可能传送等时数据，那么在1 3 9 4 网络 初始化时，它就必须先向被指定为等时资源管理器( i s o c h r o n o u sr e s o u r c e m a n a g e r ) 的节点要求带宽，任何一个节点所能传送的最大等时数据量 ( i s o c h r o n o u sp a y l o a d ) 则是由缆线速度决定，详细值如表2 1 所示。 表2 - l 节点传送的最大等时数据量 缆线速度最大数据量传送时间 洲4 0 9 6 个字节- - - 8 4 微秒 s 2 2 0 4 8 个字节 8 4 微秒 s l 1 0 2 4 个字节8 4 微秒 t h ec a b l e 阴”国 露瑟瑟篓蓊皇- s h 嘲 o 懈t r a n s a e e o c u ； 隧i 荔荔麓i l 象霪 皇- s o c h 阳n o u 毫 二 暑a s v n 咖m t 啪鞠脯 图2 _ 31 34 总线循环周期 9 第二章i e e e1 3 9 4 协议及结构体系概述 因此，若某个节点在周期时问内取得最大的等时传送带宽，其它节点就只有 约1 6 微秒的时间来传送它们的等时数据。下面分别对等时事务和异步事务加以 介绍。 2 3 1异步传输 异步传输情况下，要求总线能够无差错的传输数据。串行总线可以通过对接 收数据进行循环冗余校验，验证数据是否正确的传输。当校验发现数据错误时， 发送方进行数据重传。异步事务模型基于请求节点和响应节点之间的通信，每一 个事务又包括请求子事务和响应子事务。请求子事务是由请求节点向响应节点传 输地址、命令；响应子事务对于写操作来说，是由响应节点返回对应的请求子事 务的完成状态，对于其他操作来说，是响应节点通过响应子事务返回数据。异步 传输使用确定的6 4 位地址指向某一个特定节点，所有异步传输共占2 0 的总线 带宽，在带宽确定的情况下，数据传输仅取决于传输的速度。在传输过程中，节 点不被分配任何特定的总线带宽，但1 3 9 4 协议可以保证每个节点在适当的时间 间隔内获得对总线的公平访问。异步传输有三种基本类型的操作：读、写和锁定 操作。 2 3 2等时传输 与异步传输有所不同，等时传输并不要求确认数据的传输，而是强调了数据 的实时性。在这种情况下，操作者只关心数据是否能按时到达接受设备，而对其 中的某个位出现错误并不十分关心。等时传输不是依靠6 4 位地址来确定目标节 点，而是使用一个6 位的信道号码( c h a n n e li d ) 来确定一个或者多个设备。发起 等时传输的节点称为交谈者( t a l k e r ) ，接收方称为收听者( l i s t e n e r ) 。在等时传输 中，既然操作者并不关心数据是否正确地到达了接受方，那么就没有必要让接受 方发送确认信号来对数据的正确性进行确认。每次等时传输开始时，希望执行等 时传输的节点必须向等时资源管理器申请所需的带宽，总的总线带宽以一个循环 时间为基础。一旦等时传输获得了总线带宽，信道就会在每个固定的时问问隔 ( 1 2 5 微秒) 内获得对应的时间。目标节点就必须如此配置以便于向所希望的等 时事务作出响应，接收方可以用信道号码来访问应用程序的内存缓冲区。每个等 时传输接收一个保证的总线带宽，最多有8 0 的总线周期分配给等时传输。 第二章i e e e13 9 4 协议及结构体系概述 2 4总线配置 1 3 9 4 串行总线是自动进行配置的，且总线的配置过程独立于主机，但是任 何一个节点都不能简单的以物理层拓扑来定义根节点。在总线配置以前，各个节 点的能力都是未知的。因此整个配置过程中的数据传输都是以1 0 0 m b p s 的基础 速率来进行的，以保证所有的节点都可以参加总线配置过程。总线配置过程主要 有三个步骤，配置过程以及各步骤所用时间如下 总线初始化：自节点加入时刻起8 0 3 0 0 微秒内完成； 树标识：在总线初始化后的1 0 1 6 6 微秒内完成； 自标识：在树标识完成后的7 0 微秒内完成。 总线配置过程开始后，所有的1 3 9 4 事务都被停止，直到树标识和自标识以 后才能继续执行。异步事务在配置过程完成以后由应用程序重新安排事务顺序， 而等时事务是以信道号为基础的，不受线缆配置的影响，因而可以从断点处恢复 执行。配置结束后，整个系统在逻辑上形成树状或菊花链状的拓扑结构。 2 4 1总线初始化 总线配置的第一个步骤就是总线初始化，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。多种原因可能 引起总线复位过程： 物理层电源状态发生变化； 连接节点发出总线重置信号； 加入和删除节点； 物理层接受到软件发出的总线复位请求 m a xa r bs t a t et i m e 超时复位。 总线复位过程中，每个节点的物理层将关闭并保留与其他端口相关联的连接 状态，物理层寄存器将返回到初始状态，c s r 寄存器的值也将受到影响。初始化 结束后，所有节点将位于拓扑结构的同一等级上。下图2 4 示例了一个已确立拓 扑的1 3 9 4 节点族重置后的拓扑副5 1 。 第二章i e e e1 3 9 4 协议及结构体系概述 船戈闭 节序c 图2 - 4 总线初始化后的网络状态图 物理层发送总线复位信号时，它将在双绞线t p a 、t p b 上同时驱动信号“l ”， 收到此复位信号的节点将转发此信号。这样就可以保证总线上所有节点都收到此 复位信号。复位的优先权在总线上是最高的。总线初始化后节点的已知信息仅限 于节点本身是叶子节点、分支节点还是独立节点。总线初始化的时间要足够的长， 以允许完成一个正在执行的事务，其最小值为1 6 7 微秒。 2 4 2树标识 总线复位结束以后，树标识过程开始，这个过程是为了标识所有连接节点的 拓扑结构：树标识可以形成一个无环的树型网络拓扑结构，这棵树中的一个节点 会被指定为根节点，其他节点分别是分支节点和叶子节点；还可以使所有连接在 网络中的端口被指定为父端口或子端口，所有没有连接的端口被标定为关状态， 此后也不会参加各种仲裁活动。在树标识前，任何一个节点都有可能成为根节点， 根节点的选择是不依赖于拓扑的。 上文说过，在树标识过程中，所有连接在网络中的端口将分别被指定为父端 口或子端口。当一个节点的所有连接在网络中的端口都被标识为子端口时，这个 节点就被称为根节点。有些特殊的节点可以通过推迟它自身参与树标识的过程， 并以此来成为根节点。当网络中所有节点的所有端口均被标记为子端口或父端口 时，树标识的过程就完成了。节点族完成树标识后的总线示例如下图2 5 所示【5 j 。 第二章i e e e1 3 9 4 协议及结构体系概述 2 4 3自标识 帕失闭 节原c 图2 - 5 树标识完成后的总线结构 树标识结束之后，总线进入自标识阶段。自标识顾名思义就是对本身做一个 标识，从而使别的节点知道自己的功能。在自标识过程中每个节点都有机会得到 一个惟一的物理标识，并向连接到总线上的所有管理实体表明自己的身份。自标 识主要实现以下功能： 为网络中每个节点分配相应的物理标识； 在两两直接相邻的节点之间交换最大传输速度能力； 广播树标识中确定的拓扑结构。 自标识过程中，根节点向网络中所有节点发出一个自标识授权信号，开始自 标识进程，当目标节点收到它的自标识授权信号，该节点会为自己分配惟一的物 理标识并返回自标识数据包。自标识的过程采取的是一种“后序遍历算法，允 许低级的电源管理并可以建立一个表示数据通路的速度能力的系统拓扑结构，自 标识整体是一个迭代的过程，根节点是最后进行自标识的节点，当连接到根节点 所有端口的节点都完成白标识过程以后，根节点自己再做自标识，当根节点的自 标识完成之后，整个自标识过程结束。下图2 - 6 为完成自标识后的总线示例p j 。 第二章i e e e1 3 9 4 协议及结构体系概述 船芙闭 市原e 节序c 图2 - 6自标识完成后的各节点状态 每个节点发送的自标识数据包个数与节点端口数目有关，包含了节点及其端 口的基本信息。这一过程结束后，网络中一些节点可以利用自标识数据包中信息 完成如下功能： 发布能被其他节点访问的拓扑结构图： 发布能被其他节点访问的速度图； 电源管理控制； 优化总线传输。 这些功能大都由网络中的一些特权节点实现，比如总线管理器节点、等时资 源管理器节点等等。 自标识完成后，总线的配置过程就完成了。之后总线处于闲置状态，所有节 点都可以开始正常的仲裁活动。当重新出现总线复位时，总线配置的过程将重新 开始。图2 7 显示了总线配置过程中，各个步骤的时间关系【5 1 。 第二章i e e e1 3 9 4 协议及结构体系概述 图2 7 总线配置中各步骤的时间关系 2 5物理层和链路层接口 在1 3 9 4 1 9 9 5 规范中描述了链路层芯片和物理层芯片之间的接口标准。因 为本设计采用了链路层和物理层的双芯片方案，因此有必要说明链路层和物理层 之间的接口连接情况。 1 3 9 4 总线分为物理层、链路层、和事务层等几个层次。物理层的主要功能 有：数据的发送和接受、数据的转发、总线仲裁以及提供接口和电缆的物理参数。 而链路层的功能主要有：与物理层的通讯、异步数据包的发送和接受、确认信号 的发送、等时数据包的发送和接受等等。因此从功能上看，物理层和链路层是相 互独立的。链路层芯片通过向物理层芯片发送请求来初始化发送数据包的事务， 而物理层把从总线上接受到的数据包通过接口传送到链路层，所以它们之间的接 口首先应该包括数据线和控制线，另外还有一些向对方传送本身信息的管脚。图 2 8 显示了物理层和链路层之间的连接【6 j 。 第二章i e e e1 3 9 4 协议及结构体系概述 1 s b 们a b 3 s y s c u c nm c t l1 u b r d 啦习甲 l a y e r c o n 朝r o u e r ir e q u s 1c ，l k 渊 卜丽丽l s 0 图2 8 物理层和链路层的连接 物理层芯片对双向管脚具有控制功能，仅当控制由物理层传向链路层时，链 路层才能驱动这些管脚。链路层通过一个专门的管脚执行所有主动提供的活动， 接口上的这些活动包括传输、接受、状态和请求这四类。 1 请求操作： 为了请求总线或者存取物理层寄存器，链路层芯片通过l r e q 管脚发送一个 很短的串行数据流到物理层芯片。发送的信息包括请求的类型或数据包的发送速 度。根据操作类型不同，此次传输过程有可能分别传输7 b 、9 b 或者1 7 b 数据。 另外，为了公平访问或优先级访问而请求总线，在接口成为空闲状态后，链路层 至少还应该发送一个时钟的请求。 2 传输操作： 链路层芯片通过l r e q 管脚向串行总线发出存取请求时，物理层芯片将要仲 裁这次操作。如果物理层赢得了仲裁，它就通过在c t l 管脚上声明“传输”操 作来授权这次存取。这个操作将占用一个s c l k 周期的时间，同时后面还跟着一 个空闲周期。 3 接受操作： 当物理层发现串行总线上有数据时，它就通过c t l 1 ：0 】管脚上声明一个“接 受”状态来初始化接受操作，这时d 7 ：0 1 1 拘各个管脚都被置为“l ”。需要注意的 是，数据包传输开始以前的速度代码是一种物理链路层的协议，在随后的数 据包头和数据c r c 校验中，并不对速度代码进行校验。 4 状态操作： 物理层芯片如果有状态信息要发送到链路层芯片，它将初始化一次状态传 第二章i e e e1 3 9 4 协议及结构体系概述 输。物理层首先等待接口进入空闲状态，然后进行传输，通过在c t l i ：0 管脚上 声明“状态”信号初始化它的状态传输，这时d 7 ：0 】上是与其对应的状态信息。 物理层一般发送状态的前4 位到链路层，这4 位是链路层状态机必须的状态信息。 2 6总线仲裁及总线管理 2 6 1总线仲裁 总线仲裁的主要目的是保证等时信号有足够的带宽，同时保证异步信号有公 平的访问总线时间，总线上的节点都要通过仲裁来争夺总线的所有权。在线缆模 式下，1 3 9 4 使用分等级的点到点算法来进行仲裁。等时和异步传输的总闲置时 问是有区别的：等时问隔是指下一个等时传输事务的仲裁在等时数据传输过程中 的总线闲置时间，这段时间检测值应在0 0 4 微秒到0 0 5 微秒之间；子事务问隔 是指一个异步传输事务的仲裁之前在异步数据传输过程中的总线闲置时间，这段 时间间隔可以调整，以使得仲裁尽快开始，而不干预正常的子事务的完成和其后 的确认。 当链路层需要传输数据包时，它必须首先使物理层获得总线的使用权。数据 包传输的类型决定了链路层的请求类型。当链路层请求总线使用权时，它必须用 以下四种仲裁服务中的一种【4 】： 公平仲裁服务：用于传输异步数据包； 优先级仲裁服务：用于传输循环开始数据包或具有高优先级的异步 数据包； 立即仲裁服务：用于传输确认数据包； 等时仲裁服务：用于传输一个等时数据包。 下面详细介绍异步仲裁和等时仲裁。 1 异步仲裁 异步事务的仲裁是基于一种公平间隔的轮换优先权算法。当链路层希望可以 尽快发送数据包时就要使用异步仲裁。异步总裁分为两种：公平仲裁和紧急仲裁。 公平仲裁可以使多个节点的总线上所有的节点都有平等使用总线的机会。这样做 是为了防止某些因为物理连接而拥有较高优先级的节点长期占用总线。紧急仲裁 只是在底板模式下有效，故在这里不作过多介绍。 2 等时仲裁 异步仲裁适用于不需要保证高带宽的节点，但某些数据的发送和接受就应该 使用等时仲裁了。本文在这里讨论总线上没有异步事务，只有等时事务的情况。 第二章i e e e1 3 9 4 协议及结构体系概述 等时事务开始紧跟在循环开始包之后，所有想仲裁总线控制权的等时节点在识别 到总线闲置时间约为0 0 4 微秒后，等时仲裁就开始了。等时服务在一次等时事 务完成o 0 4 微秒后，会启动另一次等时仲裁。 2 6 2总线管理 由于1 3 9 4 串行总线上的每一个节点的能力有所不同，它们对总线进行管理 时的权限也不一样。可以分为以下几种： 具有总线管理的全部功能； 具有总线管理的部分功能； 不具有总线管理的功能。 可以执行总线管理的节点可能位于串行总线的任何地方。这类节点可以提供 如下的服务： 发布能被其他节点访问的拓扑结构； 发布能被读取以确定两节点间每个线缆部分最大速度的速度图； 执行循环控制器的工作； 执行总线管理控制； 执行优化总线传输功能。 更广泛的意义上讲，节点的功能如下： 转发器功能； 执行事务的功能； 等时功能； 循环管理器功能； 等时资源管理器功能； 总线管理器功能。 下面就节点两个最重要的功能：循环控制器和等时资源管理器作详细介绍。 1 循环控制器 对于等时传输来说，总线必须保证有一个恒定的带宽，在1 3 9 4 中，每隔1 2 5 微秒的固定间隔发送的字节数代表了总线的带宽，在这1 2 5 微秒中，等时事务和 异步事务占用的时间长短不同，所以说它们的带宽不同。 这个1 2 5 微秒的定时信号是由循环控制器发送的，循环控制器通过发送循环 开始包来标记下一系列等时事务的开始。这个数据包是以1 2 5 微秒为周期发送 的，循环控制器在循环开始包内传送c y c l et i m e 中的内容，并将其广播到网络 中去。如果前一个等时循环中由于延时而超出1 2 5 微秒的循环时间，所有等时节 点都将确认这一变化。 第二章i e e e1 3 9 4 协议及结构体系概述 整个循环开始包发送的过程都是在循环控制器的控制之下自动进行的，不需 要人工干预。另外，循环控制器必须由根节点充当，如果根节点不能作为循环控 制器，将重新寻找一个可以实现循环控制器功能的节点，比如等时资源管理器来 执行这项功能。 2 等时资源管理器 在线缆模式下，等时资源管理器是串行总线管理层的一部分。等时资源管理 器为有秩序的等时操作分配信道、带宽等必须的资源。等时资源管理器也是网络 中的一个节点，它的位置在自标识以后就明确了。在没有总线管理器的情况下， 等时资源管理器也可以执行某些总线管理器的功能。 等时资源管理器是如何确定的呢? 首先，所有可以充当等时资源管理器的节 点都要把本身的功能标识出来，这一步是通过设置自标识数据包中相应字段来实 现的；其次，所有竞争节点在发送本身自标识包的同时监视所有其他的自标识数 据包，通过这种方式确认其他的节点是否在竞争i r m 地位，如果有多个节点竞 争i r m ，那么物理标识最大的那个节点将赢得所有权。经过上两个步骤，在自 标识过程执行完毕后，等时资源管理器就确定了。 第三章电路结构设计 第三章电路结构设计 本文在第一章中，说明了本课题研究的目的，其一是配合天津大学专用集成 电路( a s i c ) 设计中心自行设计