基于IEEE 1394總線的高速相機數(shù)據(jù)傳輸方案設(shè)計

1、哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文基于IEEE 1394總線的高速相機數(shù)據(jù)傳輸方案設(shè)計 姓名:王桂強申請學(xué)位級別:碩士專業(yè):光學(xué)工程指導(dǎo)教師:溫強20090501哈爾濱T程大學(xué)碩十研究牛學(xué)位論文摘 要人類從外部環(huán)境所獲取的所有信息中,視覺信息大約占80%。為滿足人 們對圖像質(zhì)量越來越高的要求,圖像傳感器的像素點數(shù)不斷增加,響應(yīng)速度 不斷提高,這為圖像數(shù)據(jù)的傳輸增加了困難。本文采用的高速相機輸出數(shù)據(jù)為兩路160Mb/s的串行數(shù)據(jù),每秒8000幀圖像,每幀2048個有效像素。針對該相機的特點,本文采用IEEE 1394總 線的方式將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X的方案設(shè)計,并進行了相關(guān)的硬件設(shè)計和調(diào) 試。本文首先介紹

2、了IEEE 1394總線的技術(shù)特點,包括總線的尋址、拓撲結(jié) 構(gòu)、電氣特點等,而后對異步傳輸和等時傳輸流程進行了詳細的說明,并對 IEEE 1394總線規(guī)定的各種標準數(shù)據(jù)包格式做了分析和說明。硬件電路設(shè)計是本文的重要內(nèi)容,本文采用FPGA、TI公司的鏈路層控 制器TSBl2LV32和物理層芯片TSB41ABl設(shè)計1394終端設(shè)備,通過6芯電 纜與上位機的1394數(shù)據(jù)采集卡相連接,組建1394總線通信網(wǎng)絡(luò)。最后對硬件程序的設(shè)計和調(diào)試進行說明,包括相機數(shù)據(jù)的接收、鏈路層 控制器的訪問程序、異步數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送、鏈路層控制器DM端口數(shù)據(jù)發(fā) 送等內(nèi)容。結(jié)合GRF和ATF的數(shù)據(jù)包格式,文章對上位機讀取配置

3、ROM和 1394終端設(shè)備發(fā)送配置ROM信息過程做了說明。文中使用狀態(tài)機來控制各 部分電路,完成了部分實驗內(nèi)容。關(guān)鍵詞:IEEE 1394;FPGA;鏈路層控制器;VHDL設(shè)計哈爾濱下程大學(xué)碩+研究生學(xué)位論文 iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiTiiiiiiiiiiiiiii宣iiiiAbstractAmong all the information human being gets,image takes 80persent.In order to meet the demand for higher image quality,the im

4、age sensorspixels grow much more,and their response rates become much faster,which enhances the burden to data transmission circuits.The hi曲speed linear CCD camera in this paper has two data channels,and the output data rate is 160Mbit/s each channel.It gives out 8000frames per second,which has 2048

5、pixels in single frame.According to these characters, IEEE 1394bus is introduced in this paper to transmit the data to computer.The 1394characters,such as bus addressing,topology,electrical characteristics and SO on are introduced at first.It also tells the principle of asynchronous transmission and

6、 isochronous transmission in detail as well as the standard data packets.FPGA,LLC(1ink layer controllerTSB 12LV32and physical layerTSB41AB 1iS used in this article in order to construct terminaldevice.Theterminal device iS connected to 1394.to.PCI card in computer with a 6wires cable to make a 1394n

7、et.This article analysis the VHDL program,which includes thecamera data receiving,accessing program to LLC,asynchronous data communication,DM port transmission and SO on.Combining with GRF and ATF dataformat,it tells the configuration ROM transmitting process.State machines are used to control all p

8、arts of circuits,however,the main state machine does not work well,and it just finishes parts of all functions.Keywords:IEEE 1394;FPGA;LLC(1ink layer controller;VHDL design哈爾濱工程大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:本論文的所有工作,是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下, 由作者本人獨立完成的。有關(guān)觀點、方法、數(shù)據(jù)和文獻的引用 已在文中指出,并與參考文獻相對應(yīng)。除文中已注明引用的內(nèi) 容外,本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)公開發(fā)表的作品 成果

9、。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體,均已在文中 以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承 擔。作者(簽字:礎(chǔ) 日期:如鹋年b月憎日哈爾濱工程大學(xué)學(xué)位論文授權(quán)使用聲明本人完全了解學(xué)校保護知識產(chǎn)權(quán)的有關(guān)規(guī)定,即研究生在校 攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)屬于哈爾濱工程大學(xué)。哈爾濱 工程大學(xué)有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件。 本人允許哈爾濱工程大學(xué)將論文的部分或全部內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù) 庫進行檢索,可采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本 學(xué)位論文,可以公布論文的全部內(nèi)容。同時本人保證畢業(yè)后結(jié)合 學(xué)位論文研究課題再撰寫的論文一律注明作者第一署名單位為哈 爾濱工程大學(xué)。涉

10、密學(xué)位論文待解密后適用本聲明。本論文(口在授予學(xué)位后即可口在授予學(xué)位12個月后 口 解密后由哈爾濱工程大學(xué)送交有關(guān)部門進行保存、匯編等。作者(簽字:三盜強、 日期:州年6月72Et導(dǎo)師(簽字:唧餌3日 如絡(luò)哈爾濱r稃大學(xué)碩十研究生學(xué)佗論文_I II第一章 緒論弟一早 珀T匕=1.1機器視覺進入到21世紀以來,人類社會已經(jīng)步入到信息時代的殿堂,人類獲取和 采集信息的途徑越來越廣泛,處理信息的方式與能力也越來越成熟。在科技 突發(fā)猛進的今天,信息的獲取和處理已經(jīng)成為一種產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計,在人類從 外部環(huán)境所獲取的所有信息中,視覺信息大約占80%【11。在所有信息當中, 圖像信息具有直觀和形象的特點,圖像

11、信息的應(yīng)用已經(jīng)涉及到科學(xué)研究、工 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、教育、醫(yī)療、娛樂、安防監(jiān)控等各個領(lǐng)域21,由此產(chǎn)生了機器視 覺的概念。1.1.1機器視覺簡介美國制造工程師協(xié)會(SME機器視覺分會和美國機器人工業(yè)協(xié)會(RJA 的自動化視覺分會對機器視覺下的定義為【3】:“機器視覺是通過光學(xué)的裝置和 非接觸的傳感器自動地接受和處理一個真實物體的圖像,以獲得所需信息或用于控制機器人運動的裝置"。一圓一圖一圖 網(wǎng)l電路I1._j圖1.1機器視覺系統(tǒng)示意圖機器視覺技術(shù)用計算機來分析一個圖像,并根據(jù)分析得出結(jié)論。機器視 覺系統(tǒng)的主要應(yīng)用之一是用它來探測與辨識部件,光學(xué)器件允許處理器更精 確的觀察目標,并對哪些部件可

12、以通過,哪些需要廢棄做出有效的決定;機 器視覺的另一個主要應(yīng)用是用來創(chuàng)造一個部件,即運用復(fù)雜光學(xué)器件和軟件 相結(jié)合直接指導(dǎo)制造過程。視覺檢測系糾4L般以計算機為中心,由光源系 統(tǒng)、圖像傳感器、圖像采集單元、圖像處理單元以及控制單元等組成。哈爾濱T稗大學(xué)碩十研究生學(xué)位論文光源是機器視覺中的重要組成部分,它和圖像傳感器一起構(gòu)成視覺傳感 單元。圖像采集單元主要接收來自圖像傳感單元的數(shù)據(jù),并發(fā)送給圖像處理 單元。通過處理單元通過對采集到的數(shù)據(jù)的分析和處理將結(jié)果發(fā)送至控制單 元,并由控制單元做出相應(yīng)的處理。這是整個機器視覺系統(tǒng)工作的基本原理。 1.1.2機器視覺的現(xiàn)狀及發(fā)展目前,圖像機器視覺技術(shù)在美國、

13、歐洲、日本等發(fā)達國家的應(yīng)用已經(jīng)非 常普及。一方面其生產(chǎn)自動化程度高,人力成本占整個生產(chǎn)成本的比例較大, 消費者對產(chǎn)品質(zhì)量和一致性的要求就也很高。另一方面其設(shè)備制造業(yè)比較發(fā) 達,高科技產(chǎn)品所占的比例比較大。這些因素使得機器視覺技術(shù)得到了廣泛 的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計【5】,2006年北美機器視覺應(yīng)用市場中,半導(dǎo)體制造業(yè)所占據(jù)的份 額最大,約為3.8億美元,電子/電器制造業(yè)約為1.4億美元。機器視覺在整 個制造業(yè)的應(yīng)用占所有應(yīng)用的95%以上。相對于制造業(yè),在非制造業(yè)方面, 交通、實驗室、醫(yī)療等機器視覺的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的市場額可以忽略。由此可 見,在北美地區(qū),機器視覺已經(jīng)形成了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),有著巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)

14、用領(lǐng)域。到目前為止,機器視覺技術(shù)雖然在我國工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用,但 是由于國產(chǎn)的成像器件還只是停留在實驗室階段,國內(nèi)所使用的機器視覺產(chǎn) 品大多是采用國外的器件和設(shè)備,成本高,缺乏能夠形成規(guī)模的產(chǎn)業(yè)支撐, 因此發(fā)展一直緩慢。但從長遠來看,伴隨中國工業(yè)化進程的加快、工業(yè)體系 的完善和參與國際競爭的必定要求,機器視覺技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域必將越來越廣, 機器視覺的應(yīng)用市場也將越來也大,機器視覺在我國形成產(chǎn)業(yè)也將很快實現(xiàn)。 1.2本課題的意義和目的隨著機器視覺技術(shù)的發(fā)展,成像器件越來越成熟,其像素數(shù)量倍增,成 像速度也越來越快,這對于圖像數(shù)據(jù)的傳輸和存儲技術(shù)提出了更高的要求, 使圖像的數(shù)據(jù)傳輸成為制約機器

15、視覺的一個瓶頸。例如德國Mikrotron公司 生產(chǎn)的DS.Cube4系列的高速記錄相機的單幀分辨率為1280×1024像素,滿2哈爾濱T稗大學(xué)碩十研究,七學(xué)位論文 iFrr'iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii分辨率最高幀數(shù)為1000幀/s61,這意味著當采用8位RGB數(shù)據(jù)采集原始數(shù)據(jù) 時的數(shù)據(jù)流量為3.6GByte/s,而目前工業(yè)上常用的、成熟的通信協(xié)議很難達 到這么高的數(shù)據(jù)傳輸速率。本文使用的相機輸出為兩路160Mb/s的串行數(shù)據(jù),每秒鐘8000幀圖像,

16、每幀圖像2048個像素點【71?；谙鄼C的上述特點,本文提出了采用IEEE 1394總線的數(shù)據(jù)傳輸方案。通IEEE 1394總線將相機輸出的灰度信號傳入到電腦 之中。對于本課題中的高速相機而言,采用IEEE 1394協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)的方式比 采用USB2.0協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)的方式有著明顯的優(yōu)點:1、便于使用。雖然這兩種規(guī)范都支持熱拔插功能,USB2.0在操作系統(tǒng) 方面,需要Windows XP SPI才能提供支州81,即在系統(tǒng)中必須存在一個唯一 的USB主控制器。而對于IEEE 1394總線而言,它支持點對點的數(shù)據(jù)傳輸, 任何一個節(jié)點既可以作為主節(jié)點也可以作為子節(jié)點,不需要獨立的主控節(jié)點。 2、雖然在

17、理論上USB2.0的傳輸速率可以達到640Mbit/s,但是其實際傳 輸速率只有USBl.1的12.13倍左右,在突發(fā)傳輸率、平均讀/寫速率、工作 站性能、文件拷貝速率等方面都要遠遠低于IEEE 139419。這種情況尤其是在 多設(shè)備共用同一個傳輸通道的時候更為明顯。 ” 3、便于同步。本課題中采用的線陣相機輸出為8000幀/S,這與IEEE 1394總線1251xs的傳輸周則101吻合,更有利于數(shù)據(jù)的傳輸。綜上所述,雖然USB2.0接口的應(yīng)用更為普遍,但針對于本課題的相機 而言,采用IEEE 1394總線更有利于硬件的設(shè)計和數(shù)據(jù)的傳輸。1.3本文的主要研究內(nèi)容和篇章結(jié)構(gòu)在本課題中,主要的研究

18、內(nèi)容如下:l、掌握IEEE 1394總線的具體協(xié)議;2、設(shè)計1394總線的終端;3、編寫硬件程序;4、進行數(shù)據(jù)的通信實驗,驗證相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸。哈爾濱丁稃大學(xué)碩十研究生學(xué)位論文全文結(jié)構(gòu)及篇章劃分情況如下:第一章,緒論。簡單的介紹課題的背景、課題的目的。第二章,IEEE 1394總線簡介。主要介紹IEEE 1394總線的協(xié)議規(guī)范、 傳輸機制及相應(yīng)的數(shù)據(jù)包。第三章,總體設(shè)計。主要介紹硬件電路選型和設(shè)計。第四章,程序設(shè)計。介紹硬件程序設(shè)計和相應(yīng)的仿真測試結(jié)果。 4哈爾濱丁稃大學(xué)碩十研究生學(xué)位論文第二章IEEE 1394總線簡介2.1概述IEEE 1394最初是由Apple公司提出的高速串行總線“Fir

19、e Wire"(稱為 “火線"技術(shù),并在1995年由IEEE(電氣與電子工程師協(xié)會正式制定為總 線標準,認可為IEEE 1394.1995規(guī)范,即IEEE 1394。它是一項具有視頻數(shù) 據(jù)傳輸速度的外部串行接口標準【111,它定義了數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)定及連接系統(tǒng), 可用較低的成本達到較高的性能,以增強電腦與外設(shè),如硬盤、打印機、掃 描儀與消費性電子產(chǎn)品如數(shù)碼相機、DVD播放機、視頻電話等的連接能力。 新的IEEE 1394a是一種針對高性能串行總線的設(shè)計,此標準的修訂已發(fā)布。 IEEE 1394b標準則把總線的速度提高到800、1600和3200Mb/stl2】,同時提 供新的連

20、接選擇,如光纖。IEEE 1394總線主要有如下幾個特劇13】:1、占用空間小。IEEE 1394串行總線共有六條銅質(zhì)導(dǎo)線,其中兩條用于 設(shè)備供電,四條用于數(shù)據(jù)信號傳輸。相對于并行總線,串行總線更節(jié)省空間。 2、價格低廉。IEEE 1394串行總線的控制軟件和連接導(dǎo)線的實現(xiàn)成本都 比并行總線要低,而且不需要解決信號干擾問題,因此成本更加低廉。 3、速度快并具有可擴展的數(shù)據(jù)傳輸速率。IEEE 1394a能夠提供100Mbps,200Mbps,400Mbps的速率,IEEEl394b提供可高達800Mbps,1.6Gbps甚至3.2Gbps的傳輸速率。4、支持異步傳輸和等時傳輸兩種模式。在等時數(shù)據(jù)

21、傳輸?shù)耐瑫r可進行異 步數(shù)據(jù)傳輸。在等時傳輸模式下,數(shù)據(jù)以一個預(yù)先設(shè)定的固定速率連續(xù)傳輸 而不需要主機監(jiān)控。等時數(shù)據(jù)傳輸可充分利用總線的帶寬,而異步數(shù)據(jù)傳輸 則可保證傳輸?shù)目煽啃浴?、支持熱插拔和即插即用。不需要系統(tǒng)斷電就可以增加和刪除設(shè)備,而 且節(jié)點會自動配置,配置時不需要主機干預(yù)。6、具有點對點傳輸功能。數(shù)據(jù)能夠在兩個節(jié)點(設(shè)備之間傳輸,而不哈爾濱工程大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文需要主機的控制。7,為外設(shè)提供電源。通過連接電纜可以向設(shè)備提供g,-40V,I.SA的電 源。8、靈活的拓撲結(jié)構(gòu)。IEEEl394網(wǎng)絡(luò)為樹型拓撲結(jié)構(gòu),設(shè)備之間連接方 便。最多可連接1063個網(wǎng)段,每個網(wǎng)段可接入63臺設(shè)備。

22、2.2IEEE 1394總線物理及電氣特性2.2.1電氣參數(shù)和接口1394總線的連接器用來和1394總線的線纜相連接,從而達到把所有1394設(shè)各連接起來的目的。常用的連接器主要有6針和4針連接器,分別對應(yīng)6芯數(shù)據(jù)線和省去電源線、地線的4芯數(shù)據(jù)線141。如圖21所示。圖2.14針、6針連接器插頭 圖2.26芯數(shù)據(jù)線截面圖以6芯數(shù)據(jù)線為例,其截面圖如圖2.2所示。數(shù)據(jù)線的分配及功能如表 21所示。表21數(shù)據(jù)線的編號及功能管腳編號 信號名稱 功能1VP 線纜電源2VG 線纜地線3TPB+接收時作為選通信號,發(fā)送時作為數(shù)據(jù)線號 4TPB (雙絞線對511,A 接收時作為數(shù)據(jù)信號,發(fā)送時作為選通線號 6

23、似 (取絞線對哈爾濱下程大學(xué)碩十研究生學(xué)傳論文iiii宣-f 7 iiiii萱iiiiiiiiii TPA和TPB同時提供差模和共模信號用于支持不同的功能。其中共模信 號用于設(shè)備連接和拆卸的檢測、速度信號和掛起/恢復(fù)信號等;差模信號用于 總線復(fù)位、仲裁、配置和數(shù)據(jù)包傳送等。當TPA/TPB電壓比TPA*/TPB*電 壓高時,將差分輸出邏輯“l(fā)"信號,反之,將差分輸出邏輯“0信號;當 連接到信號對的選通和數(shù)據(jù)發(fā)生器失效時,總線會處于高阻狀態(tài)。隨著傳輸 速率的增大,差分信號的損耗也增大。因此1394數(shù)據(jù)線的長度不能超過4.5m。 表2.2差分信號與傳輸速率關(guān)系表 單位:mV100Mb/s

24、 200Mb/s 400Mb/s信號最大值 最小值 最大值 最小值 最大值 最小值 仲裁時 17326017l 262168265數(shù)據(jù)傳輸時 142260132260118260 2.2.2傳輸信號數(shù)據(jù)包經(jīng)數(shù)據(jù)發(fā)生器用NRZ(Non.Return.To.Zero,不歸零制和數(shù)據(jù)/選通編碼后傳送,通過數(shù)據(jù)信號和選通信號的邏輯異或產(chǎn)生傳輸時需要的同 步信號。數(shù)據(jù)/選通編碼改善了數(shù)據(jù)在電纜中的傳輸特性。數(shù)據(jù)包在差分傳輸 中,經(jīng)TPA傳輸選通信號,經(jīng)TPB傳輸數(shù)據(jù)信號。2.3IEEE 1394總線拓撲結(jié)構(gòu)2.3.1節(jié)點和模塊體系IEEE 1394串行總線的體系結(jié)構(gòu)是按照節(jié)點來定義的。一個節(jié)點就是一 個

25、尋址實體,它擁有自己的標識ROM和標準的控制狀態(tài)寄存器,能夠獨立 進行初始化和配置。一個模塊可以有多個節(jié)點,而一個節(jié)點有可以有多個模 塊【15】。模塊:代表連接入總線的物理設(shè)備,由一或多個節(jié)點組成,共享一個物 理接口。節(jié)點:是模塊內(nèi)的邏輯實體,可獨立進行初始化設(shè)置和系統(tǒng)配置,它提供 一個識別ROM和控制寄存器集。.; 蘭璽鎏三謦鑾:翟:譬鑾:釜鯊苫;.單元:代表節(jié)點的功能組成,具有訪問內(nèi)存或FO的特性,節(jié)點中的單 元由自己的驅(qū)動程序控制,節(jié)點地址可直接映射到一個或多個單元?；啬_一”一 囂輦霜tI”niliaJize”“ 回勰7舞:圖2.3模塊、節(jié)點、元件的相互關(guān)系模塊是一個物理封裝的概念,它可

26、以是一個物理設(shè)備;而節(jié)點則是邏輯 上的一個尋址實體,節(jié)點分配的地址空間直接映射到各個元件,它們是不同 的邏輯實體,有著各自的設(shè)各驅(qū)動程序,能夠獨立運行。換句話說一個元件 對應(yīng)著節(jié)點的一個功能在元件體系結(jié)構(gòu)中有著自己的狀態(tài)控制寄存器。 2.3.2拓撲結(jié)構(gòu)IEEE 1394總線的拓撲結(jié)構(gòu)可以分為兩種環(huán)境:底板環(huán)境和線纜環(huán)境。 線纜環(huán)境下的物理結(jié)構(gòu)是無環(huán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),由電纜連接各節(jié)點間的端口呈分支 擴展,形成樹狀或菊花狀的網(wǎng)絡(luò)拓撲。底板環(huán)境中物理拓撲是多點接入的總 線?？偩€上分布著多個連接器,允許節(jié)點直接插入,通過仲裁使各節(jié)點享用 總線。2.3.3尋址EEEl394總線采用的是64位CSR體系結(jié)構(gòu),遵循

27、64位固定尋址方 式,其中高16位為節(jié)點標識。而節(jié)點標識又分為兩部分:總線標識(Bus ID 占10位,物理標識(Phy_lD占6位。所以1394總線最多可支持216-64K 個節(jié)點,并且1394拓撲結(jié)構(gòu)中最多可以有210.1條總線,每條總線最多可掛 26-1個節(jié)點。余下的48位作為節(jié)點內(nèi)部地址,總?cè)萘繛?蚰B的1394節(jié)點空 間分為三種:1、初始內(nèi)存空間。哈爾濱下稃人學(xué)碩十研究生學(xué)侍論文2、私有空間。3、初始寄存器空間:(12KB的CSR結(jié)構(gòu)空間;(2串行總線的寄存 器空間;(3最先1KB的ROMID空間;(4初始元件空間。私有空間是為本地節(jié)點保留的。在256MB的寄存器空間中,起始處的 2

28、KB空間保留給控制狀態(tài)寄存器和ROM標識頭的1KB空間,余下的作為初 始元空間【161。對于串行總線,節(jié)點只需用元件空間的頭2048字節(jié)。這2048個字節(jié)加 上CSR、ROM共4096個字節(jié),就是所謂的1394CSR空間。遵循CSR體系 構(gòu)定義的32位擴展尋址方式?？偩€寄存器的地址偏移量都是從FFFF F000 0000開始地圭¨炎,p仃讎器私彳廣西蕊廠可曬可面硒麗麗雨而T麗砜麗礦I雨雨訂 寄打器廠強弱盯rr萬西TF萬露巧麗再兩罩雨可了.T需萬砑兩酊甄萬1節(jié)Fi兩孓西廣圖2.41394總線節(jié)點地址2.3.4配置ROM可以執(zhí)行事物的1394串行總線節(jié)點都應(yīng)該實現(xiàn)配置ROM,這為配置和

29、診斷與設(shè)備相關(guān)的問題提供了必要的關(guān)鍵信息。根據(jù)IEEE 1394協(xié)議的規(guī)定, 所有1394總線節(jié)點的配置ROM都存放在FFFF F0000400H至FFFF F000 07FCH的1KB的內(nèi)存空間中【171。IEEE 1394-1995定義了兩種配置寄存器的格式:最小格式和正常格式。哈爾濱T程大學(xué)碩+研究生學(xué)位論文如圖2.5所示,最小配置ROM格式的前8位的值是01H,這是最小格式 +的標識符。Vender ID標識了生產(chǎn)此設(shè)備的公司,也可以包含由廠商定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。10116I vendoLidI圖2.5最小配置ROM格式 對于那些可以充當總線管理器、循環(huán)控制器或者等時資源管理器的節(jié)點 來說

30、,必須采用正常格式的配置ROM,正常配置ROM的結(jié)構(gòu)如圖2.6所示。info_length crc_length rom_crc_value V U Ubus_info_blockrooLdirectoryunitdirectoriesroot and unit leavesvendoLdependenLinformation圖2.6正常配置ROM的格式根目錄和總線信息塊是任何一個正常格式的配置ROM必不可少的?？?線信息塊用來指定一些與總線相關(guān)的功能,根目錄提供了用來識別驅(qū)動程序 和診斷軟件的一些,同時也提供了指向其它目錄和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的可選指針。第一個32位數(shù)據(jù)(4字節(jié),Quadlet包括:信

31、息長度說明總線信息 塊中32位數(shù)據(jù)的數(shù)量;CRC長度表示在計算CRC時應(yīng)該包含多少個32位數(shù)據(jù);CRC數(shù)值存放CRC數(shù)據(jù)校驗結(jié)果。配置ROM中總線信息塊的結(jié)構(gòu)如圖2.7所示。圖中第一個32位數(shù)據(jù)是 ASCII編碼的“1394"IRMC設(shè)置為l時表示該節(jié)點具有等時資源管理器的 功能:若CMC為l則表示為該節(jié)點具有循環(huán)控制器的能力:ISC用來表明節(jié)丁.上西 一 .d 哈爾濱T揮大學(xué)碩+研究生學(xué)位論文點是否支持等時傳輸,如果ISC-1則表示該節(jié)點支持等時傳輸,否則即為不 支持等時傳輸。而CYC CLK ACC表示的是節(jié)點循環(huán)時鐘控制器的精確程 度,若CMC被設(shè)置為“1”,則CYC CLK

32、ACC必須是O一100之間的某個數(shù) 值。其他各值則說明的是可接受異步數(shù)據(jù)包的最大有效長度、節(jié)點的生產(chǎn)商 信息等。圖2.7總線信息塊結(jié)構(gòu)2.4IEEE 1394總線的協(xié)議結(jié)構(gòu)圖2.81394總線協(xié)議結(jié)構(gòu)哈爾濱丁稗大學(xué)碩十研究牛學(xué)位論文IEEE 1394總線定義了四個協(xié)議層,用于在請求者和響應(yīng)者之間的數(shù)據(jù) 傳輸過程中完成相關(guān)服務(wù)。各層的關(guān)系如圖2.8所示:串行總線管理部分,提供串行總線的基本控制功能并實現(xiàn)總線配置和節(jié) 點活動的管理。串行總線管理部分由節(jié)點控制器、總線管理器和等時資源管 理器三個部分組成【18】。2.4.1事務(wù)層事務(wù)層只支持異步傳輸?shù)牟僮?遵循CSR結(jié)構(gòu)的請求/響應(yīng)協(xié)議,但是 它不提

33、供任何用于等時傳輸?shù)姆?wù)。在串行總線上,節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸有三 種不同的類型:1、讀:某一特定地址的數(shù)據(jù)由響應(yīng)者到數(shù)據(jù)請求者的過程;2、寫:數(shù)據(jù)從請求者到一個或多個響應(yīng)者的過程;3、鎖定:數(shù)據(jù)從請求者到響應(yīng)者,然后在響應(yīng)者內(nèi)部的確定地址進行處 理并返回請求者的過程。2.4.2鏈路層鏈路層提供源節(jié)點和目標節(jié)點之間的數(shù)據(jù)服務(wù),鏈路層的基本數(shù)據(jù)單元 是數(shù)據(jù)包和與之相應(yīng)的確認包。數(shù)據(jù)傳輸主要是通過主機接口、FIFO、鏈路 核以及物理/鏈路層接口來實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)以鏈路層芯片所定義的數(shù)據(jù)包的格式 進入FIFO,然后由鏈路核進行解碼、編碼來構(gòu)造IEEE 1394數(shù)據(jù)包,并加上 CRC校驗碼,經(jīng)由接口發(fā)送到物理層

34、。鏈路層支持兩種數(shù)據(jù)傳輸:等時傳輸和異步傳輸,等時傳輸是一種在一 定帶寬內(nèi)傳輸?shù)牟恍枰_認的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù),異步傳輸是一種帶有確認的數(shù) 據(jù)傳輸服務(wù)。IEEE 1394總線的一個傳輸周期為125us,在這125us的時間中 等時性傳輸處理時間大約為100us,隨后的時間異步傳輸才可被處理(約占25 us,但是等時資源管理器會確保為異步傳輸留有足夠的帶寬。2.4.3物理層物理連接由節(jié)點的物理層端口及其相連的線纜組成。一個物理接口可能 有多個端口,這樣就形成了有分支的多種連接。物理層的一個主要任務(wù)是參12哈爾濱T稃大學(xué)碩十研究生學(xué)位論文與總線配置過程。當系統(tǒng)加電、有設(shè)備加入或移出總線時,都會引起總線自

35、 動復(fù)位,總線上所有節(jié)點將重新進行總線配置過程。配置過程包括總線復(fù)位 (初始化、樹標識、自標識三個階段,總線仲裁將在配置過程完成后進行。 圖2.9顯示了總線配置過程的各個階段。節(jié)點細入或 樹櫪:識殲始 自身標識開始移f1總線I 80-300res 10Il譬_166ix s 70|l S _卜_一_T廣-叫卜卜_-_毒卜-_-'-: 總線霞霞。時間 樹標識時間 自身標識時閥 圖2.9總線配置過程示意圖2.5IEEE 1394總線的通信模型及服務(wù)【19】異步事務(wù)要求總線毫無差錯的進行數(shù)據(jù)傳輸。異步傳輸情況下,通過對 接收數(shù)據(jù)進行循環(huán)冗余校驗,可以驗證數(shù)據(jù)是否正確的傳輸。當校驗發(fā)現(xiàn)數(shù) 據(jù)錯

36、誤時,發(fā)送方進行數(shù)據(jù)重傳;與異步傳輸不同,等時傳輸不要求確認數(shù) 據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性,而對實時性要求更高,因此要求數(shù)據(jù)能夠按時到達指定的 地址即可,而對其中某位出現(xiàn)的錯誤并不關(guān)心。2.5.1異步傳輸異步傳輸使用確定的64位地址指向某一個特定節(jié)點,所有異步傳輸共占 20%的總線帶寬,在帶寬確定的情況下,數(shù)據(jù)傳輸僅取決于傳輸?shù)乃俣取Ｔ?傳輸過中,節(jié)點不被分配任何特定的總線帶寬,但1394協(xié)議可以保證每個節(jié) 點在適當?shù)臅r間間隔內(nèi)獲得對總線的公平訪問。異步傳輸有三種基本類型的 操作:讀、寫和定操作。表2.3異步數(shù)據(jù)包傳輸?shù)淖钊碎L度與速度關(guān)系數(shù)據(jù)傳輸速率 每包可傳輸最大有效數(shù)據(jù)(Bytes 100Mb/s 5

37、12200Mb/s 1024400Mb/s 2048800Mb/s 4096哈爾濱T稗大學(xué)碩+研究乍學(xué)位論文異步事務(wù)模型基于請求節(jié)點和響應(yīng)節(jié)點之間的通信,每一個事務(wù)又包括 請求予事務(wù)和響應(yīng)子事務(wù),以及請求者和響應(yīng)者在數(shù)據(jù)傳輸過程中相應(yīng)的鏈 路層和物理層操作,下面以圖2.10為例簡單說明1394異步傳輸過程。魔用罐l 匕j;。 .竺2星 .擎用層 。rr。r (1(13(13 (13 (14 (8 事務(wù)屢生 , 事務(wù)層 _-_,r_'|_-'|一_產(chǎn)(2 (12 (7 9 (12 (2 (9(7 鏈齬蠅.,.,r一,1掣路壁 (3,奴5(11(6(10 (11(5L麗(3(10(

38、6物理 理屢圖2.10異步傳輸模型圖2.13中各點的定義為:1TRDATA Request,事務(wù)層初始化一個異步事務(wù); 2LK , 鏈 路 層 初 始 化 一 個 異 步 事 務(wù) ; . D A T Request3PH_ARB_Request,物理層仲裁串行總線控制權(quán);4PHY, 物 理 層 向 鏈 路 層 報 告 仲 裁 結(jié) 果 ; _A R B Confirmation 5PHYDATA 6PHY, 向 鏈 路 層 發(fā) 送 接 收 到 數(shù) 據(jù) 包 通 知 ; . D A T A Indication 7LLC,向事務(wù)層報告接收到事務(wù)請求;, 一 個 事 務(wù) 請 求 D A T A Ind

39、ication 9LLC DATA10PHY_DATA_Request,控制向總線上的數(shù)據(jù)傳輸:11PHYDATA Indication,通知鏈路層接收數(shù)據(jù)包:12LLC,通 知 事 務(wù) 層 成 功 接 收 到 請 求 。 . D A T A Confirmation 13TRDATA Confirmation,接收到事務(wù)確認:14TR DATA Response,接收事務(wù)響應(yīng)。請求節(jié)點發(fā)送事務(wù)層請求到相應(yīng)的鏈路層,鏈路層將該請求編碼打包發(fā) 14哈爾濱T程大學(xué)碩十研究生學(xué)位論文送到物理層,當該節(jié)點物理層仲裁到總線使用權(quán)時,將請求數(shù)據(jù)包以電氣信 號的形式發(fā)送到串行總線,傳送到響應(yīng)節(jié)點,響應(yīng)節(jié)點的

40、鏈路層對此信號解 碼,并進行校驗,當數(shù)據(jù)包內(nèi)數(shù)據(jù)正確則接收數(shù)據(jù)包,并繼續(xù)發(fā)往事務(wù)層, 這樣響應(yīng)節(jié)點就得知此請求數(shù)據(jù)包已經(jīng)到來,并完成請求子事務(wù)。響應(yīng)節(jié)點 會立即向請求節(jié)點返回確認數(shù)據(jù)包,之后響應(yīng)節(jié)點的事務(wù)層將響應(yīng)數(shù)據(jù)包傳 送給它的鏈路層和物理層,當節(jié)點競爭到總線使用權(quán),發(fā)送該響應(yīng)數(shù)據(jù)包到 請求節(jié)點的物理層,并在鏈路層解碼,最終發(fā)送到節(jié)點的事務(wù)層,此次事務(wù) 完成。2.5.2等時傳輸?shù)葧r傳輸和異步傳輸有所不同,不是依靠64位地址來確定目標節(jié)點,而 是使用6位信道號碼來確定設(shè)備。發(fā)起等時傳輸?shù)墓?jié)點稱為“交談?wù)摺?接收 方稱為“收聽者"。通過總線廣播并按照與傳送關(guān)聯(lián)的指定信道號碼為基礎(chǔ)發(fā) 送

41、到一個或多個設(shè)備。為確保有足夠的總線帶寬可用,希望執(zhí)行等時傳輸?shù)?節(jié)點必須向等時資源管理器申請所需帶寬,總的總線帶寬以一個總循環(huán)時間 (125us為基礎(chǔ),最多有80%的總線周期(100us分配給等時傳輸,因此 每個數(shù)據(jù)包能傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)同異步數(shù)據(jù)報相同,如表2.2所示。一旦獲得 信道號碼和充分的總線帶寬,目標節(jié)點就必須如此配置以便于向所希望的等 時事務(wù)做出響應(yīng),接收方可以用信道號碼來訪問應(yīng)用程序的內(nèi)存緩沖區(qū)。在 等時傳輸中,沒有響應(yīng)數(shù)據(jù)包,不需要確認數(shù)據(jù)包表明數(shù)據(jù)的接收,不需要 對數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性進行確認,如圖2.11所示。應(yīng)用聯(lián)節(jié)他(1鏈蹄腔v。-。彳。 (2,砂(4節(jié)點B 礴墻艟 。Z。

42、(6鏈路層 。c_。 (5物理層弋探乜丁理盛 L孳時數(shù)探乜卜一哈爾溟T稃大學(xué)碩十研究牛學(xué)仲論文圖中各點定義為:1LK_ISO.request,使鏈路層發(fā)送一個等時數(shù)據(jù)包;2PHY-ARB.requst,使物理層仲裁總線控制權(quán):3PHY . ,向 鏈 路 層 報 告 仲 裁 結(jié) 果 ; _A R B confirmation4PHY_DATA.request,仲裁成功后物理層向鏈路層請求數(shù)據(jù):5PHY_DATA.indication,通知鏈路層接收等時數(shù)據(jù)包;6LK_ISO.indication,表明接收到數(shù)據(jù)包。2.6IEEE 1394總線的數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)包物理包 主數(shù)據(jù)包 應(yīng)答數(shù)據(jù)包據(jù)包沒有數(shù)據(jù)

43、負載的異步包 辭節(jié)異步數(shù)據(jù)包 數(shù)據(jù)塊異步數(shù)據(jù)包 廠1寫響應(yīng)包 伴節(jié)讀請求包循環(huán)開始包4字節(jié)讀響應(yīng)包鏹定請求包 餓定響應(yīng)包 圖2.121394協(xié)議的數(shù)據(jù)包關(guān)系 IEEE 1394的數(shù)據(jù)包有很多種,但是總的說來可以分三類【20】【21】:物理層數(shù)據(jù)包、主數(shù)據(jù)包和確認數(shù)據(jù)包,如圖2.12所示。下面就具體的介紹IEEE1394所定義的各種數(shù)據(jù)包。2.6.1物理層數(shù)據(jù)包物理層數(shù)據(jù)包有一個固定的格式:64位長,并且只有前32位數(shù)據(jù)是有 效數(shù)據(jù),后32位的數(shù)據(jù)是前32位數(shù)據(jù)的按位邏輯取反。物理層的一般格式 如圖2.13所示。其中,最前面兩位是數(shù)據(jù)包標識字段,該字段的具體含義如 表2.4所示。 16哈爾濱T程

44、大學(xué)碩十研究牛學(xué)位論文trartm'nttocl佃sl圖2.13物理層數(shù)據(jù)包的一般格式 表2.4數(shù)據(jù)包標識字段含義數(shù)值物理配置數(shù)據(jù)包 OOB 開啟鏈路包 01B 開啟鏈路包 10B自標識數(shù)據(jù)包1、自標識包自標識包用于在串行總線初始化過程中向其它節(jié)點報告節(jié)點自身狀態(tài)和 信息,它由物理層在自標識過程中產(chǎn)生,在總線初始化過程中鏈路層接收并 識別自標識包。IEEE 1394.1995規(guī)范定義每個節(jié)點允許的最多端口為27個,在IEEE 1394a.2000修訂中對自標識包做了修訂,將每個節(jié)點允許的最多端口減少到16個,修改后每個節(jié)點最多只需要三個自標識包,稱為自標識包0、 自標識包1和自標識包2

45、,節(jié)點實際發(fā)送的自標識包個數(shù)取決于節(jié)點實現(xiàn)的 端口個數(shù)。圖2.14和圖2.15為自標識包的格式。transmitted firstI logical inverse of first quadlet Iself.ID packet群0transmitted last圖2.14自標識0數(shù)據(jù)包格式transmitted f.rstllogical inverse of f|rst quadletlself.ID packet櫛1.舞2transmitted lastfor n=3through 7.fields pa through ph are reserved圖2.15自標識1/2/3包數(shù)據(jù)格

46、式業(yè)郵郵陋盟曲郵陋 衛(wèi)陽郵阱 衛(wèi)曠郵陋 盟明m陋 弦一l &郵叫 曲一畔釁腳 印一眵州m n一012百柁姻一瞰瞰瞰哈爾濱T程大學(xué)碩十研究生學(xué)位論文自標識包內(nèi)各字段的含義如下:1phy ID.-是自標識包發(fā)送節(jié)點的物理標識;2L:如果該位被設(shè)置,則說明節(jié)點的事務(wù)層和鏈路層都被激活;,3gap_cnt字段的內(nèi)容為節(jié)點物理層寄存器內(nèi)gap_count字段的當前值;4sp:標識節(jié)點支持的傳輸速度。OOB表示100Mbps,01B表示100Mbps 和200Mbps,10B表示lOOMbps和200Mbps和400Mbps,l lB為以后協(xié)議 的升級保留;5c:競爭節(jié)點標志,當該位和L位同時為1

47、時節(jié)點將在當前的總線初始 化過程中競爭總線管理器或等時資源管理器;6pwr:標識節(jié)點的電源類型,包括電源消耗和資源特性:7pO'p15:各端121狀態(tài)字段,OOB表示沒有端i:3,01B表示沒有激活的 端口,lOb表示端口被激活并連接至父節(jié)點,llB表示端口被激活并連接至 子節(jié)點;8i:初始化復(fù)位標志位,該位置l時節(jié)點初始化當前總線復(fù)位,在整個 總線復(fù)位過程中i都會保持為1,直到下次總線復(fù)位的發(fā)起者不是該節(jié)點時, 該節(jié)點的i字段才會被清零:9m:說明當前自標識包后還有后續(xù)自標識包:lOn:表示附加自標識包的序號;11rsv.保留字段。2、開啟鏈路包開啟鏈路包用于通知目標物理層為其鏈路層

48、加電,這個數(shù)據(jù)包主要用于 那不能對自己的鏈路層進行自動加電的節(jié)點。其具體格式如圖2.16所示。transmitled firstI 01l phy_lD 100000000.00000000.00000000 logical inve.rse of first quadlettransmitted last 圖2.16開啟鏈路包數(shù)據(jù)格式3、物理配置包物理配置數(shù)據(jù)包向總線上所有的物理層發(fā)送廣播,用來配置1394總線。哈爾濱T程大學(xué)碩十研究生學(xué)位論文物理配置包主要有兩個功能:(1設(shè)置間隔計數(shù)字段?？梢詫⑵渲翟O(shè)置的比較小,通過減少總線閑置 時間來提高總線效率。(2選擇根節(jié)點?？梢詮娖饶骋粋€特定的節(jié)點

49、在下一個總線初始化后充 當整個拓撲中的根節(jié)點。物理配置包的具體結(jié)構(gòu)如圖2.17,其中個字段的含義同上文所介紹的含義一致。transmitted first圖2.17物理配置包數(shù)據(jù)格式2.6.2主數(shù)據(jù)包1394的主要數(shù)據(jù)包分為異步數(shù)據(jù)包和等時數(shù)據(jù)包,其中異步包可以分為 三大類:無載荷數(shù)據(jù)異步包、四字節(jié)載荷數(shù)據(jù)異步包和塊載荷數(shù)據(jù)異步包。 無載荷數(shù)據(jù)異步包包括四字節(jié)讀請求包和寫響應(yīng)包。數(shù)據(jù)包格式如圖2.18所 示。transmitted firsttransmitted first(a4字節(jié)讀請求包destination lD tI rt teode priI I I I -I I I l I -

50、-l I - I I l lsource.ID rcode reserved-I I I l I _I I l - I I -I -。 l I I。-。msewed-I-I I I l I - I -l I I -. I I -。 . 1lheader_CRCI-l。I I-I- I I l l l-I -l l I l t-.(b4字節(jié)寫響應(yīng)包圖2.18無載荷異步數(shù)據(jù)包格式哈爾濱T稃大學(xué)碩十研究生學(xué)位論文四字節(jié)載荷數(shù)據(jù)異步包包括數(shù)據(jù)塊讀請求包、四字節(jié)寫請求包、循環(huán)開始包、四字節(jié)讀響應(yīng)包。如圖2.19所示。transmitted firstdestinationIDtIntcodepriII-

51、I-IlIlII。-I-_ISOUrce_lD-III-I-t-Idestinat自 n_offset.II-lI_-.I I l -I-_.1l.I I I-data_!engthextended tcode Il-lI-IIItlII-l-.-I-l一-。 -heade CRC-I-I-lI-I I.一.-l l 。 -I-。 t l Itransmitted first(a數(shù)據(jù)塊讀請求包destina.t on.。IDtI rttcodepnIl-IIIIIIlIIIsourcelDtI-IllIIdestination_offsetIl-ll_lIIIIII_-I I I l - I

52、l l -quadlet.dataI I I I . I IIl I -I -. I II l。 -I。 -I -I l-l-I-l-I.I I-I I I0Il.I.。. transmitted first(b4字節(jié)寫請求包destination IDtIrt-fc唑。M.r I Il-II I -一ll-IIsourceID - -。II。.-.-I.destination.offset-I I -l l -I 。 I . 1一。 I I -1. 。 。 .I 。 I . I -f Icycle. t i m e data-1. 1-.1-l-r. rl II -I . 1。 -II .

53、-. -1-II I-.-.1_.。Ieale托-l-。-l.II.-.-transmitted first(c循環(huán)開始包destinationIDtlntcodepdII-IIlllll_IIIf-IIl-IIsourcelDrcodereservedl-I。-IlI 1.-I-。III-III I。I -.。reservedIlIII。II.1I.-lI-。.。-l Il。I-I。I。quadlet dataI-I.1III-I.1-I II。.I II-I。l-l-.header CRCI-ItI。I.1lIIlI-.-_IIIIII-.(d4字節(jié)讀響應(yīng)包 圖2.194字節(jié)載荷異步數(shù)據(jù)包哈爾濱T稗大學(xué)碩十研究生學(xué)位論文塊載荷異步數(shù)據(jù)包包括塊數(shù)據(jù)寫請求包、塊數(shù)據(jù)讀響應(yīng)包、鎖定請求包、鎖定響應(yīng)包,如圖2.20中的(a至(d所示:transmitted firstdestinationID廿rtI.n.-.-.-l-I-一I-。I。-I-I-