基于FPGA的IEEE 1394b高速数据传输系统

摘要：介绍了IEEE 1394h串行总线的特点，并以FPGA嵌入式处理器Nios II为控制核心，设计实现了一种1394b高速数据传输系统。阐述了该系统的硬件设计和软件工作流程。实验表明，该系统可靠性高、实时性好、具有广泛的应用价值。
关键词：IEEE 1394b；串行总线；FPGA；Nios II

    随着信息技术的迅速发展，计算机的速度不断提高，外部设备的速度也随之提高。常用串行总线，如USB2．0总线最高速率为480 Mb·s-1，IEEE 1394a总线最高速率为400 Mb·s-1，但在有些情况下难以满足高带宽和实时性的要求，成为系统性能进一步提升的瓶颈。IEEE 1394 b-2002正是在这种情况下应运而生，它最高支持800 Mb·s-1的总线传输速率，最多可支持63个节点，最大传输距离100 m，支持即插即用、等时和异步传输，并且向下完全兼容IEEE 1394a的设备。1394b串行总线可以应用在众多的领域中，无论是在视频传输还是计算机外设、网络互连等方面都有着巨大的市场潜力。具有相同功能的1394b产品，比普通计算机配套设备便宜，具有更好的可扩展性和竞争力。

1 系统的硬件设计及仿真
    系统硬件设计框图如图1所示。根据用户需求，该系统以FPGA为单板控制核心，外部慢设备的控制或状态信号通过RS-232总线发送到FP-GA内部的相应接收模块。这些慢设备发送的数据信息量不大，但要求准确无误的传送到主机端显示，所以这些数据在1394b总线上采用了异步传输的方式。除慢设备外，系统单板还通过RS-422差分接收器接收两路压缩后的DVD视频图像数据。这些图像数据通过等时传输的方式不间断的发送到主机上，经过解压缩进行实时播放。系统单板上还留有一些扩展接口，用于功能扩展。

    综合考虑系统的功能需求及实现的复杂度，FPGA采用了Altera公司Cyclone II系列的EP2C70F67216。这款FPGA具有68 416个逻辑单元，422个用户I／O管脚，I／O标准支持3．3 V PCI，可以通过IP核实现主从模式的PCI接口。在系统中FPGA主要完成：(1)异步与等时数据的接收。(2)数据拼接与数据缓存。(3)外部SRAM的控制，实现大量数据的片外缓存。(4)与链路层控制器间的PCI接口时序控制。(5)与Nios II软核之间的接口模块。

    链路层控制器TSB82AA2通过PCI总线与FPGA相连，PCI接口的时序较复杂，本设计采用了FPGA内部的IP核PCI_Compiler来实现PCI主从传输模式。链路层控制器与FPGA的连接关系如图2所示。在SOPC Builder开发环境中，只需要设置相应的参数，就可以实现PCI总线与FPGA内部Av-alon总线之间的数据交换。需要注意的是，在生成硬件网表前需要加入IP核有关文件中提供的PCI约束信息，并按照约束文件的要求锁定管脚。

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    当FPGA为PCI主设备时，它通过PCI-Avalon桥发起PCI主传输，如图3所示是PCI主模式写交易的仿真时序。当FPGA为PCI从设备时，链路层控制器是PCI命令的发起者，并由PCI-Avalon桥自动进行分析，将PCI总线上的命令转化为相应的Avalon总线信息，图4所示是PCI从模式配置读写仿真图。

2 嵌入式软核Nios ll的设计
    Nios II是Ahera推出的32位RSIC嵌入式处理器，根据用户的需求有Nios II／f(快速)、Nios II／s(标准)以及Nios II／e(经济)3种可配置的方案。Nios II还支持片内调试和指令定制，具有较大的灵活性和可扩展性，而且许多常用的标准外设接口已经以IP核的形式集成在了SOPC Builder开发环境中，用户如需要则可直接调用，缩短了开发周期和成本。根据应用需要，本系统将Nios II配置成快速型，时钟频率为100 MHz。Nios II与各种外设通过Avalon总线连接，具体的连接关系如图5所示。

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    本系统中Nios II主要完成3个功能：(1)实现1394b设备的自举，协助主机完成设备识别以及设备的身份确认。(2)实现异步数据收发功能，异步读、异步写，根据请求包的类型进行分别处理。(3)满足传输条件时，为等时传输申请等时信道和带宽，成功后开始组织等时传输，传输结束后释放信道和带宽。图6为Nios II工作流程图。

    下面介绍等时传输过程，根据系统设计，将外部DVD压缩图像数据作为等时数据来处理。具体过程如下：
    (1)NioslI CPU对1394b的OHCI和链路层寄存器进行初始化，判断线缆是否插入，强制根节点，直到设备完成自举，节点的身份确认，如图7所示。

    (2)自举过程结束后，Nios II CPU检测等时传输的条件是否满足，如果满足则向主机发出申请，申请等时信道和带宽。
    (3)申请成功后，Nios II CPU开始组织数据进行传输。首先它向DMA控制器发送寄存器配置信息，从而将数据传送任务交由DMA控制器完成。
    (4)DMA控制器从FPGA的缓存单元中取出数据，并添加包头将数据拼接成合法的等时数据包格式，并发起PCI主模式传输。
    (5)数据经由PCI总线传送到链路层芯片中，又通过物理层芯片传送到1394b总线上，并由主机上连接的数据采集卡接收，最终由主机端的应用程序解压缩和播放数据。

3 结束语
    文中介绍了一种基于FPGA的IEEE 1394b高速数据传输系统，它能实现外部多路数据的实时传送。由于支持1394b的设备与支持1394a的设备可以相互兼容，所以在此基础上可以建立1394组网平台，实现多个系统的互联与传输。