一種基于PCI接口的1394B總線的設計與實現(xiàn)

周勇 索曉杰 白晨

摘? ?要：1394B是一種高帶寬、低延遲、高可靠特性高速串行總線，已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)控制、汽車和航空航天等領域。文章設計了一種基于OHCI協(xié)議的1394B總線，主機通過PCI接口與1394B控制器之間通過DMA操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。

關鍵詞：1394B;開放式主機控制器接口;外圍組件互連

1? ? 1394OHCI

IEEE1394俗稱火線接口，主要用于視頻的采集，最初由Apple公司提出，由IEEE正式制定，支持100 Mbps，200 Mbps，400 Mbps通信速率，其目的是簡化計算機的外部連線，并且為實時數(shù)據(jù)傳輸提供一個高速接口。1394B是對IEEE1394增強或者擴展，主要是對總線效率進行改進，輸速率將分別達到800 Mbps，1 600 Mbps和3 200 Mbps，支持即插即用熱插拔功能[1]。

1394開放式主機控制器接口（1394Open Host Controller Interface，1394OHCI）是1394串行總線鏈路層協(xié)議的一種實現(xiàn)，附帶一些支持事物層和總線管理層的特性[2]。1394OHCI包含了用于高性能數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹苯觾?nèi)存存?。―irect Memory Access，DMA）引擎和一個主機接口。1394OHCI主機接口既可作為主設備，又可作為從設備。

2? ? 硬件設計

處理器選用TI公司的SM32C6415高性能定點數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP），該芯片集成外圍組件互連（Peripheral Component Interconnect，PCI）接口，最高工作頻率為600 MHz。DSP的EMIF接口掛接FLASH和SRAM，其中FLASH用于存儲DSP的固化程序;SRAM用于DSP片內(nèi)SRAM的補充，可用于程序的運行;當DSP作為PCI從設備時，外接SRAM可作為從設備的memory空間。1394B總線掛接在DSP的PCI接口，DSP通過PCI接口對遵循OHCI規(guī)范的1394B鏈路層設備進行訪問，通過DMA操作發(fā)送和接收1394B數(shù)據(jù)。

本設計中PCI接口掛接4路1394B總線，傳輸速率400 Mb/s。PCI總線為33 MHz的32 bit數(shù)據(jù)傳輸。1394B接口包括復位電路、時鐘電路、電源電路、鏈路層電路、物理層電路、變壓器。1394B總線的硬件組成如圖1所示。

2.1? CCDL芯片選擇

1394B總線鏈路層協(xié)議芯片選用TI的TSB82AA2B，該芯片支持S100，S200，S400，S800等傳輸速率模式，本設計根據(jù)需求配置為S400模式使用，可以通過軟件設置其相關的寄存器來選擇1394B信號傳輸速率。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?？砂凑誔CI規(guī)范連接在主處理器的PCI接口上，通過PCI總線進行對鏈路層的控制[3]。

1394B物理層芯片選用TSB41BA3D，是一款兼容IEEE1394a-2000和IEEE1394B-2002的、具有3個端口的物理層芯片，支持100/200/400 Mbps傳輸速率，實現(xiàn)1394的物理層功能。通過使用上下拉電阻對上電配置管腳進行配置，本設計物理層芯片配置成1394B的S400模式。

物理層與線纜間選用1394B總線三端口變壓器TM1062TX3DUA進行耦合和隔離，可有效保護物理層芯片。

2.2? 1394B鏈路層收發(fā)數(shù)據(jù)流

本設計中DSP SM32C6415處理器集成PCI接口，處理器和4個PCI接口的鏈路層芯片共同掛接在PCI總線上。DSP通過IDSEL對不同的設備進行配置訪問。PCI總線上的5個設備都需要作為PCI的Master和Slave。1394B鏈路層數(shù)據(jù)流如圖2所示。

DSP和鏈路層芯片主從關系如下：

首先，DSP作為主設備，在配置周期對4個基于PCI接口的鏈路層進行配置，配置從設備的訪問空間，同時配置自己作為從設備的訪問空間。

其次，在存儲器讀寫周期，通過訪問鏈路層的OHCI寄存器控制鏈路層的操作。DSP作為從設備時需要為每個作為主設備的鏈路層芯片分配內(nèi)部訪問空間，包括發(fā)送數(shù)據(jù)地址和接收數(shù)據(jù)地址，地址位于DSP的片內(nèi)SRAM或片外SRAM.DSP把發(fā)送的余度信息放置到DSP的發(fā)送地址。

再次，作為Master操作鏈路層的OHCI寄存器來使鏈路層作為Master發(fā)起burst讀操作，而后鏈路層作為Master通過Burst操作把DSP上的發(fā)送地址數(shù)據(jù)傳送到鏈路層的發(fā)送FIFO中，通過物理層芯片發(fā)送出去。

最后，DSP作為Master通過存儲器讀寫操作訪問鏈路層芯片OHCI寄存器使能芯片接收，鏈路層接收FIFO中值超過閾值會自動作為Master發(fā)起burst寫操作，把接收FIFO中的數(shù)據(jù)放置到DSP的接收數(shù)據(jù)地址中。

2.3? PCI仲裁

PCI總線是一種共享式總線，可以連接多個主設備，但由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)莫氄夹裕恳粫r刻只能由一個主設備占用總線。為了有效利用PCI總線帶寬，必須設置一個總線仲裁器，按照一定的算法協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各個主設備的操作。DSP 6415的集成的PCI接口沒有仲裁器功能，且本設計PCI總線上的5個設備都需要作為主設備，因此，PCI仲裁器需要片外實現(xiàn)。本設計通過FPGA實現(xiàn)PCI仲裁功能。每個具備主設備功能的PCI設備的REQ#和GNT#均連接到FPGA的IO管腳上。其中，REQ#為請求總線信號，由發(fā)起PCI傳輸事務的設備發(fā)起。GNT#為總線授權(quán)信號，由PCI仲裁器裁決后給出。

目前應用于PCI總線仲裁的算法主要有固定優(yōu)先級算法及動態(tài)優(yōu)先級算法。在固定優(yōu)先級算法中各個設備的優(yōu)先級是確定的，仲裁器按照事先設定的優(yōu)先級為每個設備分配使用權(quán)。該算法的缺點是一旦PCI總線事務繁忙或高優(yōu)先級設備出錯REQ#常低，優(yōu)先級高的設備會占有總線不放權(quán)，導致低優(yōu)先級設備一直無法申請到總線而餓死，不符合本設計中高容錯性要求。本模塊設計采用動態(tài)優(yōu)先級算法。動態(tài)優(yōu)先級算法是在每次仲裁授權(quán)后的設備優(yōu)先級加1，下次仲裁時優(yōu)先選擇優(yōu)先級數(shù)低的設備。保證所有的設備都有均等機會占有總線，放置一個總線故障，整個CCDL總線均不能正常運行，導致故障蔓延。

3? ? 結(jié)語

本文從硬件設計、器件選型、收發(fā)數(shù)據(jù)流、PCI接口仲裁等方面詳細介紹了一種基于PCI接口的1394B總線的設計與實現(xiàn)，本設計支持S100，S200，S400等多種傳輸速率模式，具有高帶寬高、低成本、高可靠性等特點。

[參考文獻]

[1]SOCIETY OF AUTOMOTIVE ENGINEERS.IEEE 1394B interface requirements for military and aerospace vehicle applications [EB/OL].（2020-03-13）[2020-04-10].http：//std79.infoeach.com/view-Nzl8NTc0NjA3.html.

[2]PROMOTERS OF THE 1394 OPEN HCI.1394 Open host controller interface specification[EB/OL].（2000-01-06）[2020-04-10].1394Open Host Controller Interface Specification

[3]TEXAS INSTRUMENTS.TSB82AA2B 1394B OHCI-Lynx controller data manual，10/2011[EB/OL].（2011-10-20）[2020-04-10].http：//www.ti.com.cn/product/cn/TSB82AA2B

Design and implementation of 1394B bus based on PCI interface

Zhou Yong， Suo Xiaojie， Bai Chen

（Xian Aeronautics Computing Technique Research Institute， AVIC， Xian 710065， China）

Abstract：1394B is a high-speed serial bus with high bandwidth， low latency and high reliability. It has been widely used in industrial control， car， aeronautics， astronautics and other fields. In this paper， a 1394B bus based on OHCI protocol is designed， which realizes the high-speed transmission of data through DMA operation between the PCI interface of the host computer and the 1394B controller.

Key words：1394B; open host controller interface; peripheral component interconnect