摘要: 介紹了高速網絡通信系統的網絡構建、拓撲結構、節點架構，詳細描述了系統的整體設計方案、硬件設計、軟件設計和工作過程。經實驗驗證，該網絡可以實現最高400 Mb/s的高速數據實時傳輸，證明了這種網絡通信系統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，具有數據傳輸速率高、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協議相對比較復雜，但功耗較低，數據傳輸更加穩定，組網方便(無需路由器)[2]。IEEE1394已經在高速通信中表現出了優異的數據傳輸性能，并可確保數據傳輸的安全性和可靠性。

　　1  系統方案

　　IEEE1394高速網絡通信系統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節點設為根節點，其他設備上的1394節點設為葉節點，目的是使主控計算機能對整個網絡進行控制和監管。組建好的網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1  高速網絡通信系統拓撲結構圖

　　在圖1中，根節點與葉節點之間、葉節點與葉節點之間都采用IEEE1394a標準線纜連接。本網絡中根節點下有兩棵樹，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節點采用PowerPC作為通信和數據處理的核心。采用PowerPC的原因是它的體系結構是開放的，而且PowerPC在大數據量、高速信號處理中具有強大的優勢和很好的應用潛力。由于大多數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作為大容量數據緩沖，用Flash來存放軟件。1394節點都是通過1394總線連接的。主控計算機上的1394節點（已設為根節點）通過1394總線與網絡中其他某個設備上的1394節點（已設為葉節點）相連的整體框圖如圖2所示。左側為根節點架構，右側為葉節點架構。葉節點的架構與根節點的架構是類似的，但由于只有根節點與主控計算機連接，而葉節點不與主控計算機相連，所以葉節點并不需要PCI總線。

圖2  主控計算機上的1394節點架構

　　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來進行數據的傳輸。TSB12LV32為后端提供了主機接口，系統中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STAT[0:2]，用于總線復位、傳輸錯誤和內部FIFO狀態指示。

　　對于數據的收發，采用DMA來進行數據的搬運而完成。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

　　根據軟件要實現的功能，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，只需調用內核函數就可開發出用戶軟件。通過建立結構體來將這些函數進行分類、鏈接，驅動軟件在調用內核函數時可通過結構體來直接找到相應的內核函數，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協議支持異步傳輸和等時傳輸，且為了保證傳輸的可靠性，故采用異步流包進行數據的傳輸。對于發送，驅動軟件先根據異步流包的格式，對通信軟件中的消息進行組幀打包，然后調用內核函數進行發送。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總線上首先會出現持續125 μs左右的總線復位(bus reset)狀態，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節點都知道自己和其他的節點相連，此過程過后，整個網絡的拓撲就形成了，設置計算機為根節點(root)，其他的節點為分支節點。樹標識后是自標識進程，自標識通過根節點發送自標識授權信號和節點返回自標識數據包來完成，其實現的功能主要有：為每個節點分配物理標識，相鄰節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。

　　根據內核函數，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節點設為根節點（葉節點不進行此步）、初始化中斷等。

　　初始化完畢后，首先掛接中斷服務程序。然后根節點采用發送STOF包來進行網絡同步，即以發送STOF包作為一幀的開始，葉節點收到STOF包后立即與整個網絡同步。對于發送過程，通信軟件把要發送的消息傳遞給驅動軟件，進行發送。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把接收到的消息進行處理。

　　結語

　　結合高速網絡通信系統的通信要求，自行設計的網絡通信系統完成了網絡中主控計算機與網絡之間、根節點與葉節點之間、葉節點與葉節點之間的通信，實驗表明，系統通信良好。由于此網絡遵循IEEE1394標準，所以可應用于家庭數字化網絡、車載信息系統、工業自動化系統等[4]。隨著IEEE1394技術的不斷發展，其應用也從商用向更多領域擴展。