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基于PCI Express的雙路IEEE 1394b接口卡的設計與實現(xiàn)
摘 要： 在此選用PLX公司的橋芯片PEX8114，設計并實現(xiàn)基于PCIe架構(gòu)的雙路1394b總線接口卡的硬件平臺。在該平臺上進行基于VxWorks操作系統(tǒng)的1349b驅(qū)動開發(fā)和主機PCIe接口驅(qū)動開發(fā)。經(jīng)過與1394總線測試設備的驗證測試，兩路1394b總線接口可以實現(xiàn)400 Mb/s的高速數(shù)據(jù)實時傳輸，證明了該模塊系統(tǒng)應用的可行性和可靠性，對其他通信系統(tǒng)的設計具有參考價值。
關鍵詞： IEEE 1394b; OHCI; PCI Express; 高速串行總線; PowerPC處理器
中圖分類號： TN915.04?34; TP336 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X(2015)12?0033?06
0 引 言
隨著嵌入式控制領域?qū)Υ笕萘?、高速、實時數(shù)據(jù)傳輸需求的不斷增長，以IEEE 1349b總線為代表的新一代串行總線應運而生，在工業(yè)控制、汽車和航空航天等領域應用越來越廣。同時由于總線速率和處理器主頻的不斷增強，要實現(xiàn)外部高速總線數(shù)據(jù)的傳輸和處理，還必須選擇與之匹配的主機接口來實現(xiàn)外部總線協(xié)議邏輯與處理器的高速互聯(lián)。采用傳統(tǒng)的PCI總線的并行數(shù)據(jù)傳輸接口已經(jīng)無法滿足芯片級互連對帶寬、成本、靈活性及可靠性的要求。串行點對點的PCI Express(簡稱PCIe)總線克服了PCI總線在系統(tǒng)帶寬、可靠性和可擴展性等方面的固有缺陷。
本文針對PCIe的技術優(yōu)勢，采用PCIe?PCI橋芯片(PEX8114)，實現(xiàn)了雙路IEEE 1394b總線接口卡。1394鏈路層接口以高速DMA方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C，以滿足高速實時采集的應用需求。
1 IEEE 1394b總線網(wǎng)絡簡介
IEEE 1394b通信系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)見圖1。1394節(jié)點由主機和1394接口兩部分組成。其中驅(qū)動和應用軟件駐留在主機上，驅(qū)動軟件以一組標準API函數(shù)形式提供給應用程序，應用程序通過調(diào)用驅(qū)動軟件完成對1394b模塊功能的使用、管理與控制。1394b接口模塊主要實現(xiàn)了3個協(xié)議層：事務層(Transaction layer)、鏈路層(LLC)和物理層(PHY)。
1394b通信可以同時支持等時和異步傳輸模型和服務，可以滿足不同應用的要求。異步傳輸是一種確認的傳輸方式，用于對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸筝^高的場合。等時傳輸是一種無應答的傳輸方式，強調(diào)數(shù)據(jù)的實時性，特別適合大容量圖像和視頻數(shù)據(jù)的傳輸。
由于IEEE 1394b總線高帶寬、低延遲、支持獨立于主機的點對點傳輸、良好的可擴展性和升級能力等特點，使其可以作為航空航天領域設備的互聯(lián)總線。特別是隨著航空電子設備智能化、自動化功能的增強，使基于圖像識別、跟蹤和測量變得日益重要，大容量高速傳輸圖像數(shù)據(jù)成為航空電子系統(tǒng)的一個重要特點。所以充分利用IEEE 1394b總線的這些優(yōu)越性能，適時地將其應用到航空電子統(tǒng)一網(wǎng)絡中，可視為解決通信問題的明智選擇。
2 系統(tǒng)硬件設計
PCIe?1394b接口卡實現(xiàn)基于IEEE 1394b協(xié)議的總線收發(fā)功能。主機通過PCIe總線接口來訪問1394b的鏈路層寄存器和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，從而實現(xiàn)主機對1394b接口卡的配置和數(shù)據(jù)收發(fā)功能。1394b的物理層芯片的一端與鏈路層芯片的物理層和鏈路層接口相連，另一端為收發(fā)傳輸、仲裁提供電氣接口。1394b的物理層端口和模塊連接器之間采用有源變壓器進行隔離耦合，以保證總線的信號品質(zhì)和有效通信距離。其功能架構(gòu)圖如圖2所示。
在本文中，主機作為1394b節(jié)點的控制器，系統(tǒng)加電后，主機通過PCIe接口對1394b鏈路層芯片進行初始化，包括初始化寄存器、設置各個FIFO的大小、使能中斷、設置工作方式等。主機在本地SRAM中分別開辟了發(fā)送和接收緩沖區(qū)，1394鏈路層芯片TSB82AA2工作于異步DMA傳輸方式。主機將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖區(qū)后，然后啟動鏈路層芯片發(fā)送通道DMA控制器，鏈路層芯片從主機的發(fā)送緩沖區(qū)中將數(shù)據(jù)搬移到鏈路層芯片內(nèi)的FIFO中，最后由鏈路層芯片完成FIFO數(shù)據(jù)的發(fā)送。數(shù)據(jù)接收時，當接收節(jié)點的物理層芯片TSB41BA3D檢測到數(shù)據(jù)包到達時，物理層芯片根據(jù)接收的上下文配置，將匹配成功的數(shù)據(jù)包上傳鏈路層接收FIFO中，鏈路層啟動接收通道DMA控制器將接收FIFO中的數(shù)據(jù)直接搬移到主機的接收緩沖區(qū)中，完成數(shù)據(jù)的接收。
2.1 PCIe主機接口的實現(xiàn)
實現(xiàn)通用PCIe總線接口主要有以下兩種方式：
(1) 專用橋接口芯片。專用橋接口芯片可以實現(xiàn)完整的PCIe主控模塊和目標模塊接口功能，將復雜的PCIe總線轉(zhuǎn)換為相對簡單的本地總線。這樣用戶可以集中精力于應用方面的開發(fā)，而不是費力調(diào)試PCIe總線接口。而且此類接口芯片有完整的參考電路可以借鑒，降低了開發(fā)難度，提高了開發(fā)的效率。目前，PLX公司已推出了此類功能芯片有PEX8112和PEX8114等。
(2) 可編程邏輯設計方案。現(xiàn)階段，主流的FPGA和DSP廠商都在其產(chǎn)品中集成了基于PCIe協(xié)議的IP核，其優(yōu)點在于高度集成，節(jié)省PCB資源，具有靈活的可編程性，但開發(fā)難度比較大，開發(fā)周期比較長。
2.2 基本硬件配置
PCIe?1394b接口卡1394的鏈路層芯片選用TI公司的TSB82AA2，該芯片帶有獨立的PCI控制器，內(nèi)部帶有多個DMA發(fā)送通道和接收通道。物理層選用TI公司支持S400β傳輸模式，并提供3個端口的物理層芯片TSB41BA3。選用PULSE生產(chǎn)的1394b專用有源變壓器實現(xiàn)1394b物理層端口和模塊連接器之間隔離耦合。采用PLX公司的橋芯片PEX8114實現(xiàn)主機PCIe接口到1394鏈路層芯片PCI接口的協(xié)議轉(zhuǎn)換。
如圖2所示，PCIe?1394b接口卡硬件電路包括：電源電路、時鐘電路、鏈路層電路、物理層電路和主機接口電路。 2.3 1394b接口電路的實現(xiàn)
鏈路層芯片TSB82AA2提供了PCI主機接口和與物理層連接接口，實現(xiàn)CRC校驗以及同步服務，該芯片中集成了中斷寄存器、發(fā)送/接收FIFO和DMA通道控制器。物理層芯片完成物理層功能，實現(xiàn)仲裁機制，對收發(fā)信號進行編碼/解碼。
1394b的鏈路層?物理層接口交聯(lián)信號包括PCLK、LCLK_PMC、CTL0?CTL1、D0?D7、LREQ、PINT、LPS以及S5_LKON，具體連接方式如圖3所示。
2.4 高速電路與PCB設計
1394b接口卡的PCB設計遵循高速信號布線和信號完整性的要求。PCIe?1394b接口卡主要包括PCIe接口和1394b總線接口兩部分高速電路設計。模塊設計時主要考慮了以下幾點：
(1) 元器件布局合理，應盡量保持1394物理/鏈路層接口接近，PCIe橋芯片與主機連接器接近，以減少噪聲耦合和信號的損耗;
(2) 電源變換芯片的位置應遠離晶振、1394物理層、高速信號等敏感區(qū)域，并且耦合電容應盡量靠近各芯片的電源管腳，以減少噪聲耦合的機會;
(3) 1394物理端口應設計端接網(wǎng)絡以實現(xiàn)與線纜傳輸線的阻抗匹配，并且端接網(wǎng)絡盡量靠近物理層芯片的TP管腳;
(4) 1394和PCIe總線都采用差分信號，差分信號對在走線時要求同一組內(nèi)的差分信號嚴格等長，組和組之間的信號長度盡量一致，以保證信號編碼的對稱性;
(5) 時鐘信號是敏感信號，PCIe總線接口的100 MHz差分時鐘，1394b物理層的49.152 MHz，以及物理層鏈路層接口的98.304 MHz的時鐘信號。這些時鐘信號線應盡量少打過孔，避免與其他信號線并行走線，避開電源，對時鐘線進行必要的保護，將其放在單獨的層中，適當增加線間距，周圍流出額外的間隙等;
(6) 其他減少電磁干擾的措施還包括：保證地線回路與信號通路盡量接近，避免地線回路不連續(xù)，布線時不使用90°拐角的信號線等。
3 VxWorks環(huán)境下驅(qū)動的開發(fā)
在本文中與該1394b接口卡適配的主機采用飛思卡爾公司的PowerPC8640處理器，移植嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks5.5，在Tornado環(huán)境下開發(fā)系統(tǒng)驅(qū)動。驅(qū)動軟件作為應用程序與硬件通信的橋梁，對系統(tǒng)性能有著重要影響，可靠的驅(qū)動軟件是硬件穩(wěn)定運行的保證。
PCIe?1394b接口卡驅(qū)動軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，驅(qū)動軟件主要由主機PCIe接口驅(qū)動和IEEE 1394b總線驅(qū)動組成。
3.1 主機PCIe接口驅(qū)動開發(fā)
系統(tǒng)上電后，主機PCIe接口驅(qū)動軟件對PowerPC8640的PCIe總線控制器和橋芯片PEX8114進行配置，配置完成后，主機就可以訪問1394設備。配置流程如圖5所示。
首先初始化PowerPC8640的基地址和空間大小。PowerPC8640在內(nèi)部定義了多個局部存取窗口，按照優(yōu)先級選取一個窗口作為PCIe的配置窗口，可設置窗口的基地址和窗口大小。然后掃描PCIe鏈路上的PCIe設備，這時能掃描到PowerPC8640的PCIe設備，通過查看ID號可判定。在掃描到PowerPC8640的PCIe設備后進行PCIe鏈路訓練，查詢訓練狀態(tài)。如果狀態(tài)為0x16，訓練通過，PCIe鏈路正常，可以進行下一步設置;如果不是，則需要檢查鏈路上的異常，出現(xiàn)異常一般需要看物理鏈接、時鐘、以及PCB走線等。訓練通過后進行PowerPC8640的PCIEe設備寄存器設置，需要把PowerPC8640的PCIe設備配置為主設備，設置PowerPC8640的PCIe設備為BUS0，點對點連接的設備(PEX8114)為BUS1。
配置完PowerPC8640的PCIe設備后再次掃描PCIe鏈路，查找鏈路上的橋芯片PEX8114，PEX8114的總線號是BUS1，找到后再按照類型1配置橋芯片的頭標區(qū)，配置原級總線號、次級總線號寄存器，并配置下游設備的PCI空間基址和大小。配置完PEX8114橋芯片后再次掃描PCIe鏈路，這時就可以找到要訪問的1394設備的ID號，然后再配置這2路1394設備各自的PCI配置空間。主機PCIe接口的初始化是整個模塊能夠正常工作的前提，在完成上述流程后，主機就可以訪問到1394設備，為下一步調(diào)用1394b總線驅(qū)動奠定了基礎。
3.2 IEEE 1394b總線驅(qū)動設計
3.2.1 1394 OHCI協(xié)議
本文基于1394 OHCI協(xié)議的驅(qū)動程序設計。1394 OHCI是專門針對主機端開發(fā)的協(xié)議，也是IEEE 1394串行總線鏈路層協(xié)議的一種具體實現(xiàn)方式，并附帶一些支持事務層和總線管理層的特性。1394 OHCI還包含高性能DMA數(shù)據(jù)傳輸和一個主機總線接口。該接口既可作為主機總線上的主設備，又可作為從設備。作為一個從設備，它譯碼并響應主機對1394 OHCI內(nèi)部寄存器的訪問。作為一個主設備，采用DMA方式發(fā)送(AT DMA)和接收(AR DMA)所有在IEEE 1394協(xié)議中規(guī)定的數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)1394的異步傳輸和等時傳輸。
如圖6所示，1394接口卡通過PCI總線把1394 OHCI的寄存器映射到內(nèi)存，并且內(nèi)存和1394卡上都有FIFO存儲空間作為傳輸數(shù)據(jù)的緩存，這樣所有對1394寄存器的操作和數(shù)據(jù)收發(fā)都轉(zhuǎn)變成對內(nèi)存的操作。所有收發(fā)數(shù)據(jù)都駐留在CPU端內(nèi)存空間中所創(chuàng)建的1394 FIFOs中，當啟動發(fā)送或接收時，1394鏈路層芯片的DMA控制器會自動的讀取或?qū)懭雰?nèi)存中1394 FIFOs中的數(shù)據(jù)，從而在不需CPU直接參與的情況下，實現(xiàn)了CPU和1394設備之間的數(shù)據(jù)流搬移，減少軟件開銷。
3.2.2 設備管理
設備管理提供1394b設備管理和控制，實現(xiàn)設備打開、設備關閉、復位總線、設備強制根節(jié)點、禁止設備端口、查看設備端口狀態(tài)等功能。用戶可以通過這些接口實現(xiàn)對1394設備工作狀態(tài)的管理、查詢和判斷。主要包括初始化、物理層操作、總線操作。 (1) 初始化。1394設備的初始化需要完成打開設備、分配資源、加載設備配置、掛接中斷、使能中斷等功能。其流程圖見圖7。初始化工作的核心是對鏈路層芯片TSB82AA2內(nèi)部配置寄存器的初始化，主要包括控制寄存器、中斷寄存器、中斷屏蔽寄存器、FIFO控制寄存器等。通過等時接收通道配置，中斷配置，異步請求接收配置，異步響應接收配置等，為等時和異步包的發(fā)送和接收做好準備。在完成這一系列配置后，使能鏈路層，最后觸發(fā)總線物理復位。1394的初始化過程必須遵守一定的順序，并且每次發(fā)生總線復位后，都需要對1394的鏈路層、物理層進行重新配置，初始化。
(2) 物理層操作。物理層操作的驅(qū)動程序可以實現(xiàn)對物理層芯片的所有寄存器的讀/寫訪問，從而獲取相關總線信息。物理層寄存器的訪問是通過一系列的鏈路層寄存器訪問來實現(xiàn)。通過訪問物理層寄存器，可以控制和獲知總線狀態(tài)，如發(fā)起總線復位，強制根結(jié)點等。
(3) 總線操作。所有與總線信息相關的驅(qū)動都包含在總線操作的驅(qū)動程序中，包括總線拓撲圖的生成，速度圖的生成，等時帶寬資源的獲取、分配以及釋放，等時通道資源的獲取、分配以及釋放，總線管理器ID的獲取和強制總線復位發(fā)起。
3.2.3 通信管理
通信管理提供異步流的發(fā)送和接收，等時接收功能。另外通過異步4 B數(shù)據(jù)包讀/寫，異步塊數(shù)據(jù)包讀/寫的驅(qū)動功能完成異步傳輸。異步包的特點是保證數(shù)據(jù)的正確到達，他是一種點對點的數(shù)據(jù)包。異步流包和異步包不同，異步流包采用等時數(shù)據(jù)包格式，但是在異步周期里發(fā)送，這樣做的優(yōu)點是保證數(shù)據(jù)包的正確傳遞，同時支持一對多通信。
(1) 異步流包發(fā)送。由主機通知鏈路層芯片該消息數(shù)據(jù)準備好，根據(jù)數(shù)據(jù)包發(fā)送條件判斷出該數(shù)據(jù)包具備發(fā)送條件后，配置異步流發(fā)送上下文，啟動DMA，鏈路層芯片從主機內(nèi)存中指定的數(shù)據(jù)包地址中將數(shù)據(jù)搬移到鏈路層芯片的FIFO 緩沖中，然后啟動并完成異步流的發(fā)送。異步流包發(fā)送流程如圖8所示。
(2) 異步流包接收。設備在接收到消息之前，首先在設備的初始化時，初始化主機內(nèi)存中的緩沖區(qū)，配置異步流的接收上下文鏈，啟動接收，當設備檢測到數(shù)據(jù)包到達時，物理層芯片根據(jù)接收的上下文配置，將和配置的通道號匹配的異步流包上傳鏈路層，鏈路層啟動DMA將接收到的數(shù)據(jù)直接放在接收上下文指定的主機緩沖區(qū)內(nèi)，然后更新接收的上下文，自動切換到下一個緩沖區(qū)對應的上下文。
(3) 等時包發(fā)送和接收。OHCI協(xié)議規(guī)定了至少有8個DMA通道可以用來發(fā)送等時數(shù)據(jù)，每個等時通道在每個等時周期只能發(fā)送一個數(shù)據(jù)包。等時包的發(fā)送流程與異步流包的發(fā)送路程類似，這里不再贅述。等時包的接收流程，如圖9所示。
3.2.4 中斷管理
中斷管理接口用于實現(xiàn)中斷回調(diào)接口的注冊和注銷等功能。任何一次DMA傳輸完成或退出，芯片都會產(chǎn)生一個中斷通知主機，主機通過讀取中斷事件寄存器來判斷發(fā)生了何種中斷。根據(jù)初始化時已經(jīng)配置好的中斷屏蔽寄存器，針對其中使能的每一種中斷原因編寫相應的中斷服務例程，由中斷管理接口完成中斷例程的掛接。
4 IEEE 1394b總線通信測試
為了驗證設計的正確性和實時性，構(gòu)造了IEEE 1394b總線通信的測試環(huán)境，如圖10所示。在PC機上使用TI公司的PCI?1394卡作為總線上的節(jié)點A，配合操作界面，啟動1394b數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收功能。主機PowerPC8640和雙路PCIe?1394b接口卡整體作為被測對象，其內(nèi)部的兩個節(jié)點分別標記為節(jié)點B和C。系統(tǒng)中節(jié)點A、B、C都具有3個端口。節(jié)點B和節(jié)點C分別與節(jié)點A的0和2號端口連接，這樣節(jié)點A就可以向節(jié)點B和C之間進行數(shù)據(jù)通信。
圖10 IEEE 1394b總線通信的測試環(huán)境
為了監(jiān)控和分析總線上的數(shù)據(jù)和物理層信號品質(zhì)，本文采用1394總線數(shù)據(jù)分析儀和信號質(zhì)量測試儀，它們作為兩個獨立的葉子節(jié)點，分別與被測對象中節(jié)點B的1和2號端口連接。其中1394總線數(shù)據(jù)分析儀用來分析總線的網(wǎng)絡拓撲、包格式、包速率、包內(nèi)容和包間隔等參數(shù);信號質(zhì)量測試儀主要測試信號完整性，包括差分幅度、上升下降時間、眼圖、抖動、差分延遲、共模電壓、誤碼率等。通信實驗中，包的發(fā)送分為單次發(fā)送和連續(xù)發(fā)送，測試結(jié)果表明：發(fā)送和接收數(shù)據(jù)正確，不丟包，誤碼率≤10-10，模塊中兩路1394b接口通信穩(wěn)定，實時性較好。
5 結(jié) 語
本文從航空電子系統(tǒng)大容量信息傳輸?shù)男枨蟪霭l(fā)，提出航空電子系統(tǒng)基于IEEE 1394b高速串行總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O想。借助成熟的PCIe互聯(lián)技術，在板卡上構(gòu)建了兩路1394b通信接口，以PowerPC8640為主機，開發(fā)了基于VxWorks操作系統(tǒng)的1349b驅(qū)動程序和主機PCIe接口驅(qū)動程序。經(jīng)過實際的通信測試，證明將這種高速串行總線技術應用到航空電子系統(tǒng)中的圖像數(shù)據(jù)通信是可行的。
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