基于FPGA和DSP的1394b双向数据传输系统

摘要：IEEE 1394串行总线以其高速实时性的特点和灵活可配置的拓扑结构为提高系统性能提供了一种有效的途径。文中介绍了IEEE Std 1394b总线系统的功能和特点，并以FPGA和DSP为控制核心设计了1394b双向数据总线传输系统，最后阐述了系统的硬件设计、工作流程以及总线的配置过程。
关键字：1394b；FPGA；DSP；PCI9054；串行总线

0 引言
    随着时代和技术的发展，对于数据总线带宽的要求越来越高，现有的总线标准越来越难以满足实际应用中对高总线速率的要求。先进的总线技术对于解决系统的瓶颈，提高系统性能起着至关重要的作用，同时为了实现批量数据的传输，IEEE又公布了支持更高传输速率的IEEE Std 1394b-2002(简称1394b)串行总线标准，高速可升级性可支持高达800 Mb／s下的数据传输速率，并且能够向后兼容先前的1394-1995和1394a标准。由于1394b是一种数据传输速率更高的串行总线标准，支持异步传输和等时传输两种传输方式。分层的软件和硬件模型可使其通信建立在事务层、链路层和物理层协议的基础之上。本文充分利用FPGA和DSP芯片的硬件资源，基丁1394b传输协议和规范的基础上，介绍139 4b数据传输系统的硬件设计结构、系统的工作流程和总线的配置过程。

1 1394b的特点
    1394b双向数据传输系统的主要特点如下：
    (1)高速可升级：支持100 Mb／s、200 Mb／s、400 Mb／s和800 Mb／s的传输速率，使用塑料光纤时可以提高到3．2 Gb／s；
    (2)支持点到点传输：各个节点可脱离主机自主执行事务；
    (3)即插即用：可以在任何时候向1394b网络添加或移除设备，既不用担心会影响数据的传输，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；
    (4)热插拔：无需将系统断电就可以加入或移除设备；
    (5)传输距离：采用CAT-5UTP5线(5类非屏蔽双绞线)时，可以保证传输速率在100 Mb／s的前提下将传输距离延长至100 m，使用玻璃光纤时可在3．2Gb／s的前提下延长至50 m；
    (6)支持两种传输方式：包括等时(Isochronous)和异步(Asynchronous)数据传输方式；
    (7)拓扑结构：设备间采用树形或菊花链拓扑结构，每条总线最多可以连接63台设备；
    (8)可提供电源：一些低功耗设备可以通过总线取得电源，而不必为每一台设备配置独立的供电系统；
    (9)公平仲裁：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；
    (10)提高系统性能：将资源看作寄存器和内存单元，可以按照CPU内存的传输速率进行读／写操作，因此具有高速传输能力。

2 1394b数据传输系统的硬件实现
    由于1394b链路层芯片必须通过PCI总线接口与FPGA进行相连，实现数据的传输。如果只用FPGA和DSP来实现对PCI外设的控制，需要设计复杂的接口逻辑，在1394b高速数据传输系统中不仅会影响FPGA本身的性能，而且会给FPGA之外的电路或者系统带来诸多问题。因此这里采用PCI9054总线接口芯片配合FPGA和DSP来实现1394b双向数据传输系统，将对复杂的PCI总线接口的控制转换为对相对简单的本地总线接口的控制，不仅对PCI协议有着良好的支持，而且提供给设计者良好的接口，大大减少了设计者的工作量。PCI9054芯片在PCI总线端支持32位／33 MHz，当本地总线端采用32位数据总线时，其数据传输速率可达132 MB／s，故能够满足1394b总线上800 Mb／s的数据传输速率要求。
    本设计中的主控芯片采用Altera公司的EP2C70F672C6型FPGA主流芯片，DSP选用TI公司的TMS320C6415 DSP芯片，1394b套片选用TI公司的链路层芯片TSB82AA2和物理层芯片TSB81BA3，PCI9054采用PLX公司的32位33MHz的PCI总线通用接口芯片。1394b双向数据传输系统的硬件总体结构图如图1所示，主要由现场可编程门阵列(FPGA)模块、DSP模块、AD／DA数据转换接口模块、SPI数据输入／输出接口模块、串口(UART)通信模块、SRAM存储模块、EPCS串行配置器件模块、FLASH存储模块、PCI9054模块以及1394b套片模块组成。

    由于PCI9054内部可编程FIFO存储器的存在，数据可以大批量突发传输而不丢失，这样不仪满足实时性要求，同时可以根据用户的需要采用与PCI时钟异步的本地端时钟，PCI9054本地总线工作在C模式时，通过芯片内逻辑控制，将PCI的数据线和地址线分开，很方便地为本地端总线工作时序提供各种方式。图2所示为PCI9054在C模式下与FPGA相连的本地总线数据突发DMA传输方式的时序图，其中，LCCLK为输入时钟信号，从图2中可以看出，在本地端总线上读写数据时，可以不间断地进行突发传输，当数据不能连续传输时，则可以插入等待状态，这样可以大大提高数据的吞吐量。

3 1394b数据传输系统的数据流向
    由于1394b总线标准支持等时子事务和异步子事务两类子事务，因此，其传输的数据类型分为等时数据和异步数据，等时传输将数量不定的数据按照规定的时间间隔向某个地址发送，对实时性要求较高，不需要返回确认信号；而异步传输是将数据传送到特定的地址，对数据传输的准确性要求较高，需要接收端以多次握手的方式发送返回确认信号。在本系统中由DVD播放器发送的数据经图像压缩板压缩后由SPI口传入FPGA，或者由摄像头发送的数据经过A／D转换，再由FPGA的通用I／O口送入FPGA，两者均为等时数据；而一些控制命令等异步数据则由串口送入FPGA，并经过DSP进行处理，DSP和FPGA相结合可以提高数据传输的效率。FPGA实现数据的串并转换以及数据的拼接并对数据打包成符合1394b协议的数据包类型以及配置数据包的包头信息，经过读／写FIFO并在外部的SRAM进行缓存，通过DMA仲裁模块进行仲裁处理，用DMA这一快速数据传输机制将数据写入PCI9054的FIFO中。PCI9054作为一种桥接芯片，在本地总线和PCI总线之间提供信息传递，通过PCI9054芯片将本地端数据总线标准转换成能被1394b链路层芯片传输的PCI总线数据标准，再通过1394b的链路层芯片实现对等时和异步数据包的地址和信道号的解码、数据校验、数据分析等，最后由物理层芯片通过仲裁逻辑实现对总线的存取，并对本地节点要发送的数据进行编码，由物理层芯片提供的电气和机械接口将数据位发送到与之相连的1394b线缆上去，最终送入接有1394b板卡的主机进行DVD发送的数据解压缩和播放，以便对摄像头发送的视频进行播放以及异步数据的显示等操作。读出的数据则由接有1394b板卡的主机发送，并通过1394b物理层芯片、1394b链路层芯片、FPGA、外部SRAM等进行数据处理，根据数据包类型由相应的端口送出去，在这期间与发送数据相比进行了相反的操作，这样就实现了1394b双向数据传输系统。
    FPGA作为整个系统的控制管理模块，主要完成以下任务：
    (1)对SPI端口、UART端口和AD／DA端口数据的发送和接收；
    (2)将待发送的数据进行串并转换和数据拼接；
    (3)将数据进行打包、解包处理并通过SRAM进行数据的缓存；
    (4)与PCI9054芯片进行通信，以完成数据的传送。
    本系统中DSP的主要功能是：
    (1)与PCI9054芯片和1394b链路层芯片通信实现设备的自举和身份的确认；
    (2)发送和接收一些控制命令，控制数据的传输；
    (3)实现异步数据的发送和接收功能，根据异步请求数据的类型对其进行相应的处理；
    (4)为等时传输申请等时信道和带宽，传输后释放所申请的信道和带宽。

    图3所示是系统中FPGA的内部框图，由于数据传输速率较快，数据的处理需要一定的时间，不能将每一组数据无间断的传输，且FPGA内部FIFO容量有限，采用SRAM与FPGA相结合完成输入输出数据的缓存；DSP实现一些辅助的操作如对异步数据的处理、配置PCI9054芯片的内部寄存器和1394b链路层寄存器等操作以及PCI的传输控制、设备识别、为等时传输申请信道和带宽等；EPCS串行配置芯片实现配置数据的存储，使系统上电后将配置数据自动下载到FPGA内部，同时可以用FLASH存储器存放DSP用户代码，在DSP上电工作后，利用DSP提供的boot机制，再将程序下载到DSP RAM中，使本系统实现脱机工作。

4 1394b的系统工作流程
    1394b总线的配置是自动进行的，它不受任何设备和主机的干扰。总线配置过程主要有三个步骤：
    (1)总线初始化；
    (2)自标识；
    (3)树标识。
    在这三个过程之后，整个系统在逻辑上形成了树状拓扑结构，每个节点都被赋予了一个节点号并都发出节点说明信息。总线的初始化过程如下：
    (1)设备识别：设备识别可通过E2PROM来完成；
    (2)分配I／O空间和Memory空间；
    (3)配置PCI9054的DMA寄存器；
    (4)对1394b链路层和物理层芯片进行配置。
    由于1394b OHCI(Open Host Control Interface Specification)协议是1394b串行总线链路层协议的一种实现方式。1394bOHCI协议规定1394b的等时传输和异步传输均为DMA方式，所以需要对PCI9054的DMA寄存器进行配置。PCI9054中有两个独立的通道采用DMA方式传输数据可以不受主机的干预，同时采用突发方式传输数据可以提高数据的传输速率，同时也可以充分发挥PCI总线的性能。
    系统上电后，通常需要进行设备的自举，协助主机完成设备识别和设备身份的确认，设备的自举主要包括：初始化链路层寄存器；初始化配置ROM；判断电缆是否插入；强制根节点；响应根节点、读取配置ROM请求直到根节点调用相应驱动程序完成设备识别。图4所示为本系统的工作流程图。

    设备自举完成以后，即可等待数据包的到来，根据数据包的类型，如果是异步数据包则进行相应的处理；如果是等时数据包则进行等时信道和带宽的申请，申请成功后则配置DMA寄存器以DMA方式进行等时数据的发送或等时数据的接收，等时数据传输完毕后释放其信道和带宽，这样完成一次数据的传输，接下来进行下一次数据的传输，如此循环完成整个数据的传输。

5 结束语
    IEEE 1394b作为一种与平台无关的技术，可以同时应用在MAC和PC中，本文研究的主要内容是利用FPGA、DSP和PCI9054芯片实现1394b数据传输系统。现在国内基本上还停留在1394或1394a总线数据的传输上，本系统是在前人的基础上，实现1394b总线上的数据传输，同时本系统兼容1394a实现1394的传输，还可以将传输速率提高作为验证1394b协议的通用平台，1394b能提供800 Mb／s或更高的传输速度，虽然市面上还没有1394b接口的光储产品出现，但相信在不久之后也必然会出现在用户眼前，无论是在视频传输还是在计算机外设、网络互连等方而，都将有广阔的市场。