摘要: 介紹了高速網絡通信系統(tǒng)的網絡構建、拓撲結構,、節(jié)點架構,，詳細描述了系統(tǒng)的整體設計方案、硬件設計,、軟件設計和工作過程,。經實驗驗證，該網絡可以實現(xiàn)最高400 Mb/s的高速數(shù)據(jù)實時傳輸,，證明了這種網絡通信系統(tǒng)具有可行性和高可靠性,。
引言
IEEE1394作為一種高性能的串行總線技術,，具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、支持異步和等時傳輸,、點對點連接,、可熱插拔、線纜提供電源等優(yōu)點[1],。多臺設備可以通過樹狀或菊*鏈狀拓撲連接到網絡中,，并共享總線傳輸帶寬。雖然IEEE1394a協(xié)議相對比較復雜,，但功耗較低,，數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定，組網方便(無需路由器)[2],。IEEE1394已經在高速通信中表現(xiàn)出了優(yōu)異的數(shù)據(jù)傳輸性能,，并可確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃浴?/p>
1 系統(tǒng)方案
IEEE1394高速網絡通信系統(tǒng)采用樹狀拓撲結構來構建網絡，通過軟件將主控計算機上的1394節(jié)點設為根節(jié)點,，其他設備上的1394節(jié)點設為葉節(jié)點,，目的是使主控計算機能對整個網絡進行控制和監(jiān)管。組建好的網絡拓撲結構如圖1所示,。
圖1 高速網絡通信系統(tǒng)拓撲結構圖
在圖1中,，根節(jié)點與葉節(jié)點之間,、葉節(jié)點與葉節(jié)點之間都采用IEEE1394a標準線纜連接,。本網絡中根節(jié)點下有兩棵樹，它們都在同一條總線Bus0上,。不在一棵樹上的1394節(jié)點也可位于同一個設備上,，如Node1、Node2和Node5都在同一個設備上,。
2 硬件設計
主控計算機上的1394節(jié)點采用PowerPC作為通信和數(shù)據(jù)處理的核心,。采用PowerPC的原因是它的體系結構是開放的，而且PowerPC在大數(shù)據(jù)量,、高速信號處理中具有強大的優(yōu)勢和很好的應用潛力,。由于大多數(shù)PC機上都具有PCI接口，PCI總線應用廣泛,，PCI接口驅動的通用性較強,，所以主控計算機與PowerPC可通過主控計算機上的PCI接口進行通信，這就簡化了在主控計算機上開發(fā)PCI接口驅動的工作,。而IEEE 1394接口采用雙接口芯片設計,，并配備了SDRAM作為大容量數(shù)據(jù)緩沖，用Flash來存放軟件,。1394節(jié)點都是通過1394總線連接的,。主控計算機上的1394節(jié)點（已設為根節(jié)點）通過1394總線與網絡中其他某個設備上的1394節(jié)點（已設為葉節(jié)點）相連的整體框圖如圖2所示,。左側為根節(jié)點架構，右側為葉節(jié)點架構,。葉節(jié)點的架構與根節(jié)點的架構是類似的,，但由于只有根節(jié)點與主控計算機連接，而葉節(jié)點不與主控計算機相連,，所以葉節(jié)點并不需要PCI總線,。
圖2 主控計算機上的1394節(jié)點架構
IEEE1394接口采用的是鏈路層芯片TSB12LV32和物理層芯片TSB41AB3。TSB41AB3是支持3個線纜接口的物理層芯片,。TSB12LV32是一款支持IEEE1394a總線標準的高性能通用鏈路層芯片,，最高傳輸速率為400 Mb/s[5]，本網絡可采100 Mb/s,、200 Mb/s,、400 Mb/s來進行數(shù)據(jù)的傳輸。TSB12LV32為后端提供了主機接口,，系統(tǒng)中PowerPC采用主機接口完成寄存器的配置和異步流包的傳輸,。TSB12LV32還為PowerPC提供了中斷輸出INT和可編程狀態(tài)STAT[0:2]，用于總線復位,、傳輸錯誤和內部FIFO狀態(tài)指示,。
對于數(shù)據(jù)的收發(fā)，采用DMA來進行數(shù)據(jù)的搬運而完成,。通過中斷機制來把收到消息事件報告給核心處理器PowerPC,，由處理器對消息進行處理。
圖3 軟件層次圖
3 軟件設計
根據(jù)軟件要實現(xiàn)的功能,，可把軟件劃分為3個層次,，如圖3所示。
3.1 1394內核軟件
對1394內核的物理層和鏈路層寄存器進行配置,，對OHCI,、總線管理器配置等[3]，并對這些內核函數(shù)進行了封裝,。這種隔離的好處是可使用戶不必關心底層硬件,，只需調用內核函數(shù)就可開發(fā)出用戶軟件。通過建立結構體來將這些函數(shù)進行分類,、鏈接,，驅動軟件在調用內核函數(shù)時可通過結構體來直接找到相應的內核函數(shù)，從而進行調用,，這樣就把1394內核軟件和上層驅動鏈接了起來,。
3.2 驅動軟件
由于1394協(xié)議支持異步傳輸和等時傳輸，且為了保證傳輸?shù)目煽啃?，故采用異步流包進行數(shù)據(jù)的傳輸,。對于發(fā)送,，驅動軟件先根據(jù)異步流包的格式，對通信軟件中的消息進行組幀打包,，然后調用內核函數(shù)進行發(fā)送,。對于接收，是利用中斷機制來接收消息的,。
3.3 通信軟件
上電后,，1394總線上首先會出現(xiàn)持續(xù)125 μs左右的總線復位(bus reset)狀態(tài)，之后進行樹標識和自標識工作,。樹標識進程定義了總線的拓撲結構,。樹標識之前，每一1394節(jié)點都知道自己和其他的節(jié)點相連,，此過程過后,，整個網絡的拓撲就形成了，設置計算機為根節(jié)點(root),，其他的節(jié)點為分支節(jié)點,。樹標識后是自標識進程，自標識通過根節(jié)點發(fā)送自標識授權信號和節(jié)點返回自標識數(shù)據(jù)包來完成,，其實現(xiàn)的功能主要有：為每個節(jié)點分配物理標識,，相鄰節(jié)點交換傳輸速度信息，將樹標識進程定義的拓撲在整個網絡中廣播,。
根據(jù)內核函數(shù),，對整個通信網絡進行初始化，包括初始化PCI總線init_pci(),、初始化1394設備init_1394dev(),、樹標識和自標識、主控機上的1394節(jié)點設為根節(jié)點（葉節(jié)點不進行此步）,、初始化中斷等。
初始化完畢后,，首先掛接中斷服務程序,。然后根節(jié)點采用發(fā)送STOF包來進行網絡同步，即以發(fā)送STOF包作為一幀的開始,，葉節(jié)點收到STOF包后立即與整個網絡同步,。對于發(fā)送過程，通信軟件把要發(fā)送的消息傳遞給驅動軟件,，進行發(fā)送,。對于接收過程，若接收到新消息,，就會報中斷給處理器,，并根據(jù)中斷號進入相應的中斷服務程序,，中斷服務程序就會置標志位，通知通信軟件中的接收函數(shù)把接收到的消息進行處理,。
結語
結合高速網絡通信系統(tǒng)的通信要求,，自行設計的網絡通信系統(tǒng)完成了網絡中主控計算機與網絡之間、根節(jié)點與葉節(jié)點之間,、葉節(jié)點與葉節(jié)點之間的通信,，實驗表明，系統(tǒng)通信良好,。由于此網絡遵循IEEE1394標準,，所以可應用于家庭數(shù)字化網絡、車載信息系統(tǒng),、工業(yè)自動化系統(tǒng)等[4],。隨著IEEE1394技術的不斷發(fā)展，其應用也從商用向更多領域擴展,。