摘? 要: 為了最大限度地利用現有硬件資源,縮短開發周期,研制了1394-PCI的轉接卡,實現了基于1394的高速圖像傳輸系統" title="傳輸系統">傳輸系統。介紹了1394高速串行總線的特性及原理及1394-PCI轉接卡的硬件、軟件設計。?

　　關鍵詞: 1394高速串行總線? 1394-PCI轉接卡? 設備驅動程序" title="設備驅動程序">設備驅動程序?

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　　當今的計算機外圍設備都在追求高速性和高通用性,尤其在進行圖像數據處理和傳輸時,數據的大批量、高速、實時性對計算機與外設的接口提出了更高的要求。?

　　目前新型總線接口有兩種:USB和1394接口。它們都支持即插即用" title="即插即用">即插即用,具有易擴展、使用方便、成本低等特點。但在任何USB系統中,只能有一個主機,最多可接127個外設,在全速模式下的傳輸率為500kbps～10Mbps。而相比之下1394顯得更勝一籌。它支持點到點的傳輸,消除了主機處理器/內存瓶頸,具有可升級性,支持400Mbps、200Mbps和100Mbps傳輸率,單一總線支持63個節點,最多可支持1024條總線,從而可支持64K的節點數。由于1394總線的高速性和獨立于主機的操作能力,使它成為高速多媒體設備接口的首選。?

1 1394技術?

　　IEEE 1394起源于蘋果公司,又名FireWire,是為家用電器研制的一種高速串行總線標準,其目的是為了解決對速度要求很高的寬帶設備的傳輸問題。1995年12月,IEEE 1394-1995高速總線標準正式被IEEE標準委員會批準。?

1.1 1394的主要特點?

　　a.支持點對點傳輸。串行總線設備能自主執行事務,而不需要主機CPU的干預。?

　　b. 支持兩類事務:等時傳輸和異步傳輸。?

　　c. 可擴展總線。可以將新的串行設備連接入總線節點提供的端口從而擴展串行總線。?

　　d. 熱插拔。不需要系統斷電就可以動態地加入或刪除設備。?

　　e. 即插即用。每次加入或刪除設備時,總線節點會自動配置,并且配置時不需要主機系統的干預。?

　　f.巨大的映射至內存的地址空間。每個節點擁有256T字節的地址空間,每條總線上有16P字節的地址空間。?

1.2 1394原理?

　　1394原理主要定義了以下幾點:?

　　a. 1394總線的拓撲結構。1394串行總線的拓撲結構可以分為兩種環境:底板環境和電纜環境。不同環境間總線的連接需要總線橋。電纜環境下的物理拓撲結構是無環網絡結構,由電纜連接各節點間的端口,呈分支擴展,形成樹狀或菊花狀的網絡拓撲。底板環境中物理拓撲是多點接入(multidrop)的總線,總線上分布著多個連接器,允許節點直接插入,通過仲裁使各節點享用總線。?

　　b. 1394的物理接口。?

　　1394設備通過標準的六芯線纜來傳輸信號,如圖1所示。其中TPA/TPA*和TPB/TPB*為一對差分模式的信號線。VP、VG提供8～40V的電源,可以通過它們給其它的節點供電。?

　　c. 1394總線協議。在1394傳輸中,支持等時傳輸和異步傳輸事務,并將每次傳輸分解為一系列的小事務,有效地利用總線帶寬。異步事務需要數據確認,總線協議要復雜些,它包括三種基本事務類型:讀取、寫入和鎖定。每個事務由請求子事務和響應子事務組成。由于等時應用程序" title="應用程序">應用程序的性質,相關的總線事務十分簡單,等時事務每隔125μs向目標節點發送數據并且不需要任何回執。1394總線一共定義了12種事務類型的包格式,采用循環冗余校驗(CRC)進行數據差錯控制,有相應的硬件和軟件處理各類傳輸事務。?

??? d. 1394電源管理。電源管理涉及到單獨節點或節點中元件的電源狀態控制。1394定義了4種電源狀態以及相應的CSR寄存器和ROM配置項,支持掛起/恢復機制,使節點在軟件控制下處于低功耗。?

2 系統硬件設計?

2.1 圖像傳輸系統總體設計?

　　系統采用冗余備份的雙路1394高速總線將數據傳送給大容量存儲器、數據加密器和信道編碼器,如圖2所示。?

由于本地系統中普遍采用PCI接口,為了最大限度地利用現有硬件資源,縮短開發周期,研制了1394-PCI的轉接卡,來實現基于1394的高速圖像傳輸系統。該轉接卡主要通過物理層和鏈路層控制芯片組實現,其中鏈路層控制芯片采用TI公司的TSB12LV23,支持開放主機控制器接口(OHCI)的PCI接口芯片。?

2.2 TSB12LV23/TSBAB03芯片組?

??? TSB12LV23提供主機接口和物理層接口,實現CRC校驗以及同步服務。在芯片中集成了中斷寄存器、傳送/接收FIFO和DMA通道。TSBAB03芯片完成1394總線協議中的物理層功能,實現仲裁機制,對收發信號進行編碼/解碼。?

　　鏈路層和物理層芯片的連接電路圖如圖3所示。

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3 系統軟件設計?

　　系統軟件包括1394設備驅動程序、動態鏈接庫和應用程序。?

3.1 1394設備驅動程序開發 ?

　　Windows驅動模型(WDM)定義了驅動程序分層,以適應即插即用系統。1394系統驅動程序采用分層結構模型,其設備棧如圖4所示。設備驅動位設備棧頂,通過發IRP給IEEE 1394總線驅動來與設備通信。IEEE 1394總線驅動為1394總線提供了獨立于硬件的接口,并將一部分IRP傳向端口驅動程序。?

　　在分層模型中,1394總線驅動負責管理1394設備驅動程序與1394控制器之間的通信;加載及卸載設備驅動程序。設備驅動程序在功能層工作,它們不需要任何低層硬件資源,只需對總線驅動程序發請求,由總線驅動程序訪問硬件來完成這些請求。?

　　用DDK設計的1394設備驅動由4個模塊組成:初始化模塊、即插即用模塊、電源管理模塊以及I/O" title="I/O">I/O模塊。?

　　初始化模塊提供設備驅動的入口點,從而將不同的IRP請求發向相應的執行模塊。?

　　即插即用模塊用于實現1394設備的熱插拔和動態配置。當總線驅動程序在加電或者添加/刪除時檢測到新設備,從設備中取出一個或多個標識符,用于檢查所有可用的安裝文件,發現合適的設備驅動程序。驅動程序被裝入,調用AddDevice入口點,告訴它發現一個新設備,并創建功能設備對象(FDO)。總線驅動程序或者安裝文件詳細描述設備所需的硬件資源,使用仲裁器為每個設備分配資源。?

??? 電源管理模塊負責設備的掛起和恢復。?

　　I/O模塊完成I/O請求的大部分工作。該模塊定義了所需的I/O控制代碼,從而為應用程序提供了調用系統驅動程序的接口。?

3.2 動態鏈接庫的設計?

　　由于Windows具有與設備無關的特性,不提倡與機器底層的東西打交道。如果直接用Windows的 API函數或I/O讀寫指令進行訪問和操作,程序運行時往往就會產生保護模式錯誤甚至死機,更嚴重的情況會導致系統崩潰。用DLL技術可以方便地解決上述問題。而且DLL沒有自己的堆棧,與調用它的應用程序采用有相同的堆棧模式,減少了編程設計上的不便;一個DLL在內存中只有一個實例,使之能高效經濟地使用內存;DLL的代碼封裝性使得程序簡潔明晰。?

　　在1394 API動態鏈接庫中封裝了所有的1394請求命令,如異步讀/寫、等時讀/寫等,從而可以很方便地在應用級實現1394傳輸。通過調用DeviceIoControl向設備發請求,由I/O管理器構造一個1394請求塊傳給總線驅動程序;由總線驅動程序完成該請求或者將請求進一步傳給端口驅動程序,然后返回執行狀態。?

3.3 應用程序設計?

　　在高速圖像傳輸系統中,應用程序是控制數據流的中心。采用VC++ 6.0和2000DDK實現,主要功能有:獲取視頻數據源、檢測1394設備、總線管理、分配1394地址空間、設置等時資源和通道、完成1394傳輸。一次等時傳輸流程如圖5所示。?

4 應用前景?

　　如前所述,由于1394的高速、靈活和可擴展性,使其在很多方面都大有用武之地,其中包括大容量存儲器、視頻會議、家庭網絡、高速打印機、娛樂設備等。而且由于數字廣播、因特網、家庭數字網絡和高帶寬的視頻/音頻傳輸的需求,使得IEEE 1394迅速發展。?

參考文獻?

1 IEEE Standards Board. IEEE Standard (1394-1995) for a High Performance Serial Bus. 12 December 1995?

2 Don Anderson. FireWire系統體系(第二版). 北京:中國電力出版社, 2001.3?

3 Microsoft Corporation. Windows 2000 DDK Document 1985-2000. 2000.6?