基于PCI總線(xiàn)的通用網(wǎng)絡(luò )協(xié)議實(shí)驗平臺

摘要：介紹了一種利用以太網(wǎng)專(zhuān)用芯片在Linux操作系統下構建基于PCI總線(xiàn)的通用網(wǎng)絡(luò )協(xié)議實(shí)驗平臺。通過(guò)修改該平臺的軟件部分，可以在實(shí)驗平臺上運行私有網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，測試協(xié)議性能，從而避免了針對每一種私有網(wǎng)絡(luò )協(xié)議搭建專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗平臺，節約了成本，縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間。

關(guān)鍵詞：PCI設備 Linux 通用網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗設備

在網(wǎng)絡(luò )技術(shù)快速發(fā)展的今天，根據用戶(hù)特殊的需求，有時(shí)需要研發(fā)特殊的私有網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，以使網(wǎng)絡(luò )的性能得到優(yōu)化。研究新的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，必須進(jìn)行仿真以驗證性能，但是網(wǎng)絡(luò )結構復雜，性能指標多樣，并且不同的協(xié)議需要的具體測試環(huán)境不同，因此很難用純軟件的方式（如NS2、OPNET）給出網(wǎng)絡(luò )協(xié)議運行性能的有效描述。另一方面，如果針對每一種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議搭建專(zhuān)門(mén)的測試平臺，則需要大量的人力、經(jīng)費和時(shí)間。而采用中硬件相結合的方法搭建一種通用網(wǎng)絡(luò )協(xié)議實(shí)驗平臺，既能很好地測試出整個(gè)設備的性能，又能大幅度節約開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，是一種切實(shí)可行的方法。

為此，本文提出一種通用網(wǎng)絡(luò )協(xié)議實(shí)驗平臺的軟硬件設計方案，并詳細介紹該平臺的中硬件設計方法。

1 系統設計的思想

該網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗平臺設計的目的是：針對不同的私有網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，開(kāi)發(fā)者可以根據協(xié)議標準有針對性地修改網(wǎng)絡(luò )層和傳輸層的程序代碼，然后通過(guò)本系統測試其協(xié)議的性能。所以，該系統應該是一個(gè)與協(xié)議無(wú)關(guān)且可程控的數據傳輸通道。數據包經(jīng)過(guò)系統傳輸后，更多的工作由傳輸層、網(wǎng)絡(luò )層和上層應用程序完成。該系統的整體框架結構如圖1所示。

為了保證實(shí)驗平臺的通用性可操作性，采用PC機和與PCI總線(xiàn)接口的網(wǎng)絡(luò )設備卡（以下簡(jiǎn)稱(chēng)PCI接口卡）組建該平臺。

近年來(lái)，Linux操作系統獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，它強大的功能、良好的界面、高效率以及全開(kāi)放的特性使其具有很強的吸引力?；谝陨峡紤]，在PC機中采用Linux操作系統。按Linux操作系統的設計標準，私有網(wǎng)絡(luò )協(xié)議軟件需要包含傳輸層代碼、網(wǎng)絡(luò )層代碼以及與設備相關(guān)的驅動(dòng)程序，并運行在系統“核心態(tài)”中。在本實(shí)驗平臺中，不需要用戶(hù)關(guān)心驅動(dòng)程序的設計，但允許將網(wǎng)絡(luò )層和傳輸層代碼運行在Linux“用戶(hù)態(tài)”中。

PCI接口卡是基于PCI總線(xiàn)的，它通過(guò)合理選擇接口芯片屏蔽PCI總線(xiàn)協(xié)議的多余功能，并使用FPGA芯片把上層傳輸過(guò)來(lái)的數據包進(jìn)行相應的處理（詳見(jiàn)第2節），然后傳遞到物理層設備。

2 實(shí)驗平臺的硬件設計

2．1 PCI接口卡結構

PIC接口卡由PCI總線(xiàn)接口芯片、數據處理模塊FPGA、數據緩存模塊RAM和有線(xiàn)傳輸驅動(dòng)模塊LVDS（Low Voltage Differential Signaling Driver）等四部分組成，模塊間的數據傳輸如圖2所示。

2．2 芯片的選擇

Winbond公司以太網(wǎng)控制芯片W89C840AF支持高達100Mbps的雙向數據傳輸，該芯片不但具有良好的PCI總線(xiàn)接口設計，而且還有一整套的網(wǎng)絡(luò )數據傳輸機制，技術(shù)成熟。所以在此選用W89C840AF，并借用該芯片的網(wǎng)絡(luò )數據傳輸機制，通過(guò)對芯片合理配置，實(shí)現一條從驅動(dòng)程序到物理層設備的透明數據傳輸通道，來(lái)滿(mǎn)足設備要求。

FPGA芯片只要能夠提供足夠多的I/O口和內部硬件資源即可。RAM是為了滿(mǎn)足不同網(wǎng)絡(luò )協(xié)議以及算法對存儲器的需要而設置的，對于不同的私有網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，根據實(shí)際需要選用適當容量的RAM即可，沒(méi)有很荷刻的要求。本系統中FPGA芯片選用ACEX1K50TC144，RAM芯片選用CY7C006AC_PLCC，主要考慮的是芯片的速率高、使用簡(jiǎn)單并且價(jià)格低廉。

有線(xiàn)傳輸信號驅動(dòng)模塊選用LVDS芯片對（ds90c401,ds90c402），該芯片對的優(yōu)點(diǎn)是速率高（155Mbps串行數據傳輸）、傳輸距離遠、靈敏度高、功耗小。

2．3 PCI接口卡的功能

PCI總線(xiàn)接口芯片（W89C840AF）把從PCI總線(xiàn)上傳輸過(guò)來(lái)的數據封裝成“以太幀”的格式，傳遞給FPGA（RAM可以對傳輸的數據進(jìn)行緩沖），FPGA去掉前8byte的“以太幀頭”從而獲得數據包。然后根據不同網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的數據包格式，在FPGA中靈活地設備相應的邏輯功能。如作者目前在研的衛星ATM網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗系統，定義了一種私有的ATM協(xié)議，數據處理單元將完成以下任務(wù)：識別信元頭，按優(yōu)先級對信元進(jìn)行排隊、存儲、打包并轉發(fā)等。

FPGA要完成以上功能，其內部模塊需包括以下幾個(gè)模塊：“數據接口”、“控制接口”、“命令執行單元”、“實(shí)驗網(wǎng)物理層訪(fǎng)問(wèn)控制單元”和“信道模擬單元”，如圖3所示。

FPGA把打包后的串行數據傳向LVDS，信號經(jīng)過(guò)LVDS驅動(dòng)后傳到接收方。

在接收方，數據的處理與此相反，不再多述。

2．4 W89C840AF與FPGA之間的接口設計

在PCI接口卡電路板中，芯片之間的接口設計有三部分：FPGA與W89C840AF之間的接口；FPGA與RAM之間的接口；FPGA與LVDS之間的接口。后面兩個(gè)接口比較簡(jiǎn)單，所以下面主要介紹FPGA與W89C840AF之間的接口設計。

W89C840AF與FPGA之間的數據接口如圖4所示。MTXCLK和MRXCLK分別是發(fā)送數據和接收數據的參考時(shí)鐘，必須設置為25MHz。MTXEN和MRXDV的數據幀傳輸的指示信號，TMXD[3：0]和MRXD[3：0]為4bit寬的數據傳輸接口。

W89C840AF芯片與FPGA之間除了傳輸數據外，還需要交換控制信息。由于W89C840AF芯片I/O接口有限，可以供暖和W89C840AF芯片的EECK、EEDI、EEDO三條控制線(xiàn)與FPGA交換控制信息。這里構建一個(gè)類(lèi)似I2C串行總線(xiàn)協(xié)議的控制總線(xiàn)，其結構和工作時(shí)序如圖5所示。

3 實(shí)驗平臺的軟件設計

為了實(shí)現從處于“用戶(hù)態(tài)”的應用程序到處于“核心態(tài)”的驅動(dòng)程序間的雙向數據傳輸通道，按照Linux操作系統的網(wǎng)絡(luò )相關(guān)代碼的劃分規則，實(shí)驗網(wǎng)絡(luò )結構中用戶(hù)層以下的代碼需要嵌入到Linux操作系統的核心代碼樹(shù)中，經(jīng)過(guò)對內核的重新編譯，運行在Linux操作系統的“核心態(tài)”，這樣做比較復雜。鑒于以上原因，在本設計中采用了以下處理方法：考慮到“用戶(hù)態(tài)”內部所有軟件模塊的通信比較簡(jiǎn)單，通過(guò)調用UDP/IP協(xié)議的socket，在下層利用UDP/IP數據包拆解/封裝程序，構造出一個(gè)如圖6所示的數據傳輸通道。在這里，把“透明通道”定義為“過(guò)渡層”。

使用UDP/IP協(xié)議會(huì )涉及到Linux操作系統處理IP協(xié)議的相關(guān)內容，特別需要注意以下三個(gè)方面：（1）去掉系統中所有其它網(wǎng)絡(luò )硬件設備，關(guān)閉所有Linux操作系統的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)，關(guān)閉Linux操作系統防火墻；（2）設備本設備的IP地址為192.168.0.1（實(shí)驗專(zhuān)用IP地址），綁定實(shí)驗網(wǎng)絡(luò )設備為192.168.0.X子網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，更改“/etc/network”文件設置為“可以轉發(fā)IP包”；（3）調用一個(gè)IP Socket發(fā)送數據，在特定端口上監聽(tīng)數據包的到達。

3．1 “過(guò)渡層”的設計

對于上層傳遞過(guò)來(lái)的數據，“過(guò)渡層”要完成的任務(wù)是：去掉數據包前面的以太網(wǎng)幀頭、IP數據包頭、UDP數據包頭，從而還原出原始數據包，然后傳遞給驅動(dòng)部分。反之，下層傳遞過(guò)來(lái)的數據包經(jīng)過(guò)相反的數據處理后向上層傳遞。

3．2 驅動(dòng)程序的設計

由于W89C840AF是以太網(wǎng)控制芯片，因此可以把PCI接口卡看作網(wǎng)絡(luò )設備。對于網(wǎng)絡(luò )設備，Linux操作系統中有一套標準的驅動(dòng)程序設計方法，所以在這里僅介紹驅動(dòng)程序設計中的幾個(gè)值得注意的事項。主要有：（1）PCI設備的探測和注冊函數；（2）W89C840AF芯片的配置；（3）網(wǎng)絡(luò )設備基本功能函數組。

PCI設備探測和注冊函數可以建立網(wǎng)絡(luò )設備對象，同時(shí)注冊網(wǎng)絡(luò )設備基本功能函數組，并參考W89C840AF芯片數據傳輸數據的說(shuō)明賦予設備執行“DMA”能力。

關(guān)于W89C840AF芯片的配置，主要是C18/CNCR寄存器的配置。除了打開(kāi)“傳輸允許”、“接收允許”、“全雙工模式”和“100Mbps傳輸速率模式”等選項外，還要打開(kāi)“Accept Error Packet”、“Accept Runt Packet”、“Accept Broadcast Packet”、“Accept Multicast Packet”和“Accept All Physical Packet”等選項，從而屏蔽所有與以太網(wǎng)協(xié)議相關(guān)的功能。

網(wǎng)絡(luò )設備基本功能函數組的核心是“發(fā)送”、“接收”和“中斷響應”這三個(gè)基本函數。“發(fā)送函數”將發(fā)送的數據存入W89C840AF芯片的內存空間，然后寫(xiě)C04/CTSD寄存器，請求芯片發(fā)送數據。W89C840AF芯片將接收到的數據包傳遞到系統內存后就會(huì )觸發(fā)中斷，中斷處理函數響應中斷并調用接收函數，將數據包和相應的參數向系統的上層傳遞。