一種基于PCI接口的1394B總線的設計與實現

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，已經廣泛應用于工業控制、汽車和航空航天等領域。文章設計了一種基于OHCI協議的1394B總線，主機通過PCI接口與1394B控制器之間通過DMA操作，實現數據的高速傳輸。

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，并且為實時數據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串行總線鏈路層協議的一種實現，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據傳輸的直接內存存取（Direct 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規范的1394B鏈路層設備進行訪問，通過DMA操作發送和接收1394B數據。

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數據傳輸。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，內部帶有多個DMA發送通道和接收通道。可按照PCI規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鏈路層收發數據流

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鏈路層數據流如圖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部訪問空間，包括發送數據地址和接收數據地址，地址位于DSP的片內SRAM或片外SRAM.DSP把發送的余度信息放置到DSP的發送地址。

再次，作為Master操作鏈路層的OHCI寄存器來使鏈路層作為Master發起burst讀操作，而后鏈路層作為Master通過Burst操作把DSP上的發送地址數據傳送到鏈路層的發送FIFO中，通過物理層芯片發送出去。

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發起burst寫操作，把接收FIFO中的數據放置到DSP的接收數據地址中。

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，但由于數據傳輸的獨占性，每一時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，按照一定的算法協調系統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。本設計通過FPGA實現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，由發起PCI傳輸事務的設備發起。GNT#為總線授權信號，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先級算法及動態優先級算法。在固定優先級算法中各個設備的優先級是確定的，仲裁器按照事先設定的優先級為每個設備分配使用權。該算法的缺點是一旦PCI總線事務繁忙或高優先級設備出錯REQ#常低，優先級高的設備會占有總線不放權，導致低優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優先級算法。動態優先級算法是在每次仲裁授權后的設備優先級加1，下次仲裁時優先選擇優先級數低的設備。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? ? 結語

本文從硬件設計、器件選型、收發數據流、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，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