基于PCI總線的通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

摘要：介紹了一種利用以太網(wǎng)專用芯片在Linux操作系統(tǒng)下構(gòu)建基于PCI總線的通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過修改該平臺(tái)的軟件部分，可以在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上運(yùn)行私有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，測(cè)試協(xié)議性能，從而避免了針對(duì)每一種私有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議搭建專門的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，節(jié)約了成本，縮短了開發(fā)時(shí)間。

關(guān)鍵詞：PCI設(shè)備 Linux 通用網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展的今天，根據(jù)用戶特殊的需求，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(yàn)證性能，但是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性能指標(biāo)多樣，并且不同的協(xié)議需要的具體測(cè)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(yùn)行性能的有效描述。另一方面，如果針對(duì)每一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議搭建專門的測(cè)試平臺(tái)，則需要大量的人力、經(jīng)費(fèi)和時(shí)間。而采用中硬件相結(jié)合的方法搭建一種通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，既能很好地測(cè)試出整個(gè)設(shè)備的性能，又能大幅度節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(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(yàn)平臺(tái)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)介紹該平臺(tái)的中硬件設(shè)計(jì)方法。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想

該網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的目的是：針對(duì)不同的私有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，開發(fā)者可以根據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)有針對(duì)性地修改網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的程序代碼，然后通過本系統(tǒng)測(cè)試其協(xié)議的性能。所以，該系統(tǒng)應(yīng)該是一個(gè)與協(xié)議無(wú)關(guān)且可程控的數(shù)據(jù)傳輸通道。數(shù)據(jù)包經(jīng)過系統(tǒng)傳輸后，更多的工作由傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和上層應(yīng)用程序完成。該系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為了保證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的通用性可操作性，采用PC機(jī)和與PCI總線接口的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備卡（以下簡(jiǎn)稱PCI接口卡）組建該平臺(tái)。

近年來，Linux操作系統(tǒng)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，它強(qiáng)大的功能、良好的界面、高效率以及全開放的特性使其具有很強(qiáng)的吸引力?；谝陨峡紤]，在PC機(jī)中采用Linux操作系統(tǒng)。按Linux操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)備相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序，并運(yùn)行在系統(tǒng)“核心態(tài)”中。在本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，不需要用戶關(guān)心驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)，但允許將網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層代碼運(yùn)行在Linux“用戶態(tài)”中。

PCI接口卡是基于PCI總線的，它通過合理選擇接口芯片屏蔽PCI總線協(xié)議的多余功能，并使用FPGA芯片把上層傳輸過來的數(shù)據(jù)包進(jìn)行相應(yīng)的處理（詳見第2節(jié)），然后傳遞到物理層設(shè)備。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

2．1 PCI接口卡結(jié)構(gòu)

PIC接口卡由PCI總線接口芯片、數(shù)據(jù)處理模塊FPGA、數(shù)據(jù)緩存模塊RAM和有線傳輸驅(qū)動(dòng)模塊LVDS（Low Voltage Differential Signaling Driver）等四部分組成，模塊間的數(shù)據(jù)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(dá)100Mbps的雙向數(shù)據(jù)傳輸，該芯片不但具有良好的PCI總線接口設(shè)計(jì)，而且還有一整套的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)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(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，通過對(duì)芯片合理配置，實(shí)現(xiàn)一條從驅(qū)動(dòng)程序到物理層設(shè)備的透明數(shù)據(jù)傳輸通道，來滿足設(shè)備要求。

FPGA芯片只要能夠提供足夠多的I/O口和內(nèi)部硬件資源即可。RAM是為了滿足不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及算法對(duì)存儲(chǔ)器的需要而設(shè)置的，對(duì)于不同的私有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，根據(jù)實(shí)際需要選用適當(dāng)容量的RAM即可，沒有很荷刻的要求。本系統(tǒng)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。

有線傳輸信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊選用LVDS芯片對(duì)（ds90c401,ds90c402），該芯片對(duì)的優(yōu)點(diǎn)是速率高（155Mbps串行數(shù)據(jù)傳輸）、傳輸距離遠(yuǎn)、靈敏度高、功耗小。

2．3 PCI接口卡的功能

PCI總線接口芯片（W89C840AF）把從PCI總線上傳輸過來的數(shù)據(jù)封裝成“以太幀”的格式，傳遞給FPGA（RAM可以對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行緩沖），F(xiàn)PGA去掉前8byte的“以太幀頭”從而獲得數(shù)據(jù)包。然后根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的數(shù)據(jù)包格式，在FPGA中靈活地設(shè)備相應(yīng)的邏輯功能。如作者目前在研的衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，定義了一種私有的ATM協(xié)議，數(shù)據(jù)處理單元將完成以下任務(wù)：識(shí)別信元頭，按優(yōu)先級(jí)對(duì)信元進(jìn)行排隊(duì)、存儲(chǔ)、打包并轉(zhuǎn)發(fā)等。

FPGA要完成以上功能，其內(nèi)部模塊需包括以下幾個(gè)模塊：“數(shù)據(jù)接口”、“控制接口”、“命令執(zhí)行單元”、“實(shí)驗(yàn)網(wǎng)物理層訪問控制單元”和“信道模擬單元”，如圖3所示。

FPGA把打包后的串行數(shù)據(jù)傳向LVDS，信號(hào)經(jīng)過LVDS驅(qū)動(dòng)后傳到接收方。

在接收方，數(shù)據(jù)的處理與此相反，不再多述。

2．4 W89C840AF與FPGA之間的接口設(shè)計(jì)

在PCI接口卡電路板中，芯片之間的接口設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。

W89C840AF與FPGA之間的數(shù)據(jù)接口如圖4所示。MTXCLK和MRXCLK分別是發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的參考時(shí)鐘，必須設(shè)置為25MHz。MTXEN和MRXDV的數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)闹甘拘盘?hào)，TMXD[3：0]和MRXD[3：0]為4bit寬的數(shù)據(jù)傳輸接口。

W89C840AF芯片與FPGA之間除了傳輸數(shù)據(jù)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三條控制線與FPGA交換控制信息。這里構(gòu)建一個(gè)類似I2C串行總線協(xié)議的控制總線，其結(jié)構(gòu)和工作時(shí)序如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)從處于“用戶態(tài)”的應(yīng)用程序到處于“核心態(tài)”的驅(qū)動(dòng)程序間的雙向數(shù)據(jù)傳輸通道，按照Linux操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)相關(guān)代碼的劃分規(guī)則，實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中用戶層以下的代碼需要嵌入到Linux操作系統(tǒng)的核心代碼樹中，經(jīng)過對(duì)內(nèi)核的重新編譯，運(yùn)行在Linux操作系統(tǒng)的“核心態(tài)”，這樣做比較復(fù)雜。鑒于以上原因，在本設(shè)計(jì)中采用了以下處理方法：考慮到“用戶態(tài)”內(nèi)部所有軟件模塊的通信比較簡(jiǎn)單，通過調(diào)用UDP/IP協(xié)議的socket，在下層利用UDP/IP數(shù)據(jù)包拆解/封裝程序，構(gòu)造出一個(gè)如圖6所示的數(shù)據(jù)傳輸通道。在這里，把“透明通道”定義為“過渡層”。

使用UDP/IP協(xié)議會(huì)涉及到Linux操作系統(tǒng)處理IP協(xié)議的相關(guān)內(nèi)容，特別需要注意以下三個(gè)方面：（1）去掉系統(tǒng)中所有其它網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備，關(guān)閉所有Linux操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，關(guān)閉Linux操作系統(tǒng)防火墻；（2）設(shè)備本設(shè)備的IP地址為192.168.0.1（實(shí)驗(yàn)專用IP地址），綁定實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為192.168.0.X子網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，更改“/etc/network”文件設(shè)置為“可以轉(zhuǎn)發(fā)IP包”；（3）調(diào)用一個(gè)IP Socket發(fā)送數(shù)據(jù)，在特定端口上監(jiān)聽數(shù)據(jù)包的到達(dá)。

3．1 “過渡層”的設(shè)計(jì)

對(duì)于上層傳遞過來的數(shù)據(jù)，“過渡層”要完成的任務(wù)是：去掉數(shù)據(jù)包前面的以太網(wǎng)幀頭、IP數(shù)據(jù)包頭、UDP數(shù)據(jù)包頭，從而還原出原始數(shù)據(jù)包，然后傳遞給驅(qū)動(dòng)部分。反之，下層傳遞過來的數(shù)據(jù)包經(jīng)過相反的數(shù)據(jù)處理后向上層傳遞。

3．2 驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

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(shè)備。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，Linux操作系統(tǒng)中有一套標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)方法，所以在這里僅介紹驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)中的幾個(gè)值得注意的事項(xiàng)。主要有：（1）PCI設(shè)備的探測(cè)和注冊(cè)函數(shù)；（2）W89C840AF芯片的配置；（3）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基本功能函數(shù)組。

PCI設(shè)備探測(cè)和注冊(cè)函數(shù)可以建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)象，同時(shí)注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基本功能函數(shù)組，并參考W89C840AF芯片數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的說明賦予設(shè)備執(zhí)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“傳輸允許”、“接收允許”、“全雙工模式”和“100Mbps傳輸速率模式”等選項(xiàng)外，還要打開“Accept Error Packet”、“Accept Runt Packet”、“Accept Broadcast Packet”、“Accept Multicast Packet”和“Accept All Physical Packet”等選項(xiàng)，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(shè)備基本功能函數(shù)組的核心是“發(fā)送”、“接收”和“中斷響應(yīng)”這三個(gè)基本函數(shù)。“發(fā)送函數(shù)”將發(fā)送的數(shù)據(jù)存入W89C840AF芯片的內(nèi)存空間，然后寫C04/CTSD寄存器，請(qǐng)求芯片發(fā)送數(shù)據(jù)。W89C840AF芯片將接收到的數(shù)據(jù)包傳遞到系統(tǒng)內(nèi)存后就會(huì)觸發(fā)中斷，中斷處理函數(shù)響應(yīng)中斷并調(diào)用接收函數(shù)，將數(shù)據(jù)包和相應(yīng)的參數(shù)向系統(tǒng)的上層傳遞。