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基于FPGA和DSP的1394b双向数据传输系统

• 摘要：IEEE 1394串行总线以其高速实时性的特点和灵活可配置的拓扑结构为提高系统性能提供了一种有效的途径。文中介绍了IEEE Std 1394b总线系统的功能和特点，并以FPGA和DSP为控制核心设计了1394b双向数据总线传输系统，最后阐述绕行电感器了系统的硬件设计、工作流程以及总线的配置过程。
  关键字：1394b；FPGA；DSP；PCI9054；串行总线
  
  0 引言
  随着时代和技术的发展，对于数据总线带宽的要求越来越高，现有的总线标准越来越难以满足实际应用中对高总线速率的要求。先进的总线技术对于解决系统的瓶颈，提高系统性能起着至关重要的作用，同时为了实现批量数据的传输，IEEE又公布了支持更高传输速率的IEEE Std 1394b-2002(简称1394b)串行总线标准，高速可升级性可支持高达800 Mb／s下的数据传输速率，并且能够向后兼容先前的1394-1995和1394a标准。由于1394b是一种数据传输速率更高的串行总线标准，支持异步传输和等时传输两种传输方式。分层的软件和硬件模型可使其通信建立在事务层、链路层和物理层协议的基础之上。本文充分利用FPGA和DSP芯片的硬件资源，基丁1394b传输协议和规范的基础上，介绍139 4b数据传输系统的硬件设计结构、系统的工作流程和总线的配置过程。
  磁珠电感
  1 1394b的特点
  1394b双向数据传输系统的主要特点如下：
  (1)高速可升级：支持100 Mb／s、200 Mb／s、400 Mb／s和800 Mb／s的传输速率，使用塑料光纤时可以提高到3．2 Gb／s；
  (2)支持点到点传输：各个节点可脱离主机自主执行事务；
  (3)即插即用：可以在任何时候向1394b网络添加或移除设备，既不用担心会影响数据的传输，也不需要进行重新配置，总线会重新枚举，节点也可以自动配置，无需主机干预；
  大电流电感 (4)热插拔：无需将系统断电就可以加入或移除设备；
  (5)传输距离：采用CAT-5UTP5线(5类非屏蔽双绞线)时，可以保证传输速率在100 Mb／s的前提下将传输距离延长至100 m，使用玻璃光纤时可在3．2Gb／s的前提下延长至50 m；
  (6)支持两种传输方式：包括等时(Isochronous)和异步(Asynchronous)数据传输方式；
  (7)拓扑结构：设备间采用树形或菊花链拓扑结构，每条总线最多可以连接63台设备；
  (8)可提供电源：一些低功耗设备可以通过总线取得电源，而不必为每一台设备配置独立的供电系统；
  (9)公平仲裁：等时传输具有较高的优先级，同时异步传输也能获得对总线的公平访问；
  (10)提高系统性能：将资源看作寄存器和内存单元，可以按照CPU内存的传输速率进行读／写操作，因此具有高速传输能力。
  
  2 1394b数据传输系统的硬件实现
  由于1394b链路层芯片必须通过PCI总线接口与FPGA进行相连，实现数据的传输。如果只用FPGA和DSP来实现对PCI外设的控制，需要设计复杂的接口逻辑，在1394b高速数据传输系统中不仅会影响FPGA本身的性能，而且会给FPGA之外的电路或者系统带来诸多问题。因此这里采用PCI9054总线接口芯片配合FPGA和DSP来实现1394b双向数据传输系统，将对复杂的PCI总线接口的控制转换为对相对简单的本地总线接口的控制，不仅对PCI协议有着良好的支持，而且提供给设计者良好的接口，大绕行电感器大减少了设计者的工作量。PCI9054芯片在PCI总线端支持32位／33 MHz，当本地总线端采用32位数据总线时，其数据传输速率可达132 MB／s，故能够满足1394b贴片电感总线上800 Mb／s的数据传输速率要求。
  本设计中的主控芯片采用Altera公司的EP2C70F672C6型FPGA主流芯片，DSP选用TI公司的TMS320C6415 DSP芯片，1394b套片选用TI公司的链路层芯片TSB82AA2和物理层芯片TSB81BA3，PCI9054采用PLX公司的32位33MHz的PCI总线通用接口芯片。1394b双向数据传输系统的硬件总体结构图如图1所示，主要由现场可编程门阵列(FPGA)模块、DSP模块、AD／DA数据转换接口模块、SPI数据输入／输出接口模块、串口(UART)通信模块、SRAM存储模块、EPCS串行配置器件模块、FLASH存储模块、PCI9054模块以及1394b套片模块组成。

  

  
  由于PCI9054内部可编程FIFO存储器的存在，数据可以大批量突发传输而不丢失，这样不仪满足实时性要求，同时可以根据用户的需要采用与PCI时钟异步的本地端时钟，PCI9054本地总线工作在C模式时，通过芯片内逻辑控制，将PCI的数据线和地址线分开，很方便地为本地端总线工作时序提供各种方式。图2所示为PCI9054在C模式下与FPGA相连的本地总线数据突发DMA传输方式的时序图，其中，LCCLK为输入时钟信号，从图2中可以看出，在本地端总线上读写数据时，可以不间断地进行突发传输，当数据不能连续传输时，则可以插入等待状态，这样可以大大提高数据的吞吐量。

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