基于PCI總線的通用網絡協議實驗平臺

摘要：介紹了一種利用以太網專用芯片在Linux操作系統下構建基于PCI總線的通用網絡協議實驗平臺。通過修改該平臺的軟件部分，可以在實驗平臺上運行私有網絡協議，測試協議性能，從而避免了針對每一種私有網絡協議搭建專門的實驗平臺，節約了成本，縮短了開發時間。

關鍵詞：PCI設備 Linux 通用網絡實驗設備

在網絡技術快速發展的今天，根據用戶特殊的需求，有時需要研發特殊的私有網絡協議，以使網絡的性能得到優化。研究新的網絡協議，必須進行仿真以驗證性能，但是網絡結構復雜，性能指標多樣，并且不同的協議需要的具體測試環境不同，因此很難用純軟件的方式（如NS2、OPNET）給出網絡協議運行性能的有效描述。另一方面，如果針對每一種網絡協議搭建專門的測試平臺，則需要大量的人力、經費和時間。而采用中硬件相結合的方法搭建一種通用網絡協議實驗平臺，既能很好地測試出整個設備的性能，又能大幅度節約開發成本，縮短開發時間，是一種切實可行的方法。

為此，本文提出一種通用網絡協議實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

該網絡實驗平臺設計的目的是：針對不同的私有網絡協議，開發者可以根據協議標準有針對性地修改網絡層和傳輸層的程序代碼，然后通過本系統測試其協議的性能。所以，該系統應該是一個與協議無關且可程控的數據傳輸通道。數據包經過系統傳輸后，更多的工作由傳輸層、網絡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。

為了保證實驗平臺的通用性可操作性，采用PC機和與PCI總線接口的網絡設備卡（以下簡稱PCI接口卡）組建該平臺。

近年來，Linux操作系統獲得了突飛猛進的發展，它強大的功能、良好的界面、高效率以及全開放的特性使其具有很強的吸引力。基于以上考慮，在PC機中采用Linux操作系統。按Linux操作系統的設計標準，私有網絡協議軟件需要包含傳輸層代碼、網絡層代碼以及與設備相關的驅動程序，并運行在系統“核心態”中。在本實驗平臺中，不需要用戶關心驅動程序的設計，但允許將網絡層和傳輸層代碼運行在Linux“用戶態”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總線協議的多余功能，并使用FPGA芯片把上層傳輸過來的數據包進行相應的處理（詳見第2節），然后傳遞到物理層設備。

2 實驗平臺的硬件設計

2．1 PCI接口卡結構

PIC接口卡由PCI總線接口芯片、數據處理模塊FPGA、數據緩存模塊RAM和有線傳輸驅動模塊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總線接口設計，而且還有一整套的網絡數據傳輸機制，技術成熟。所以在此選用W89C840AF，并借用該芯片的網絡數據傳輸機制，通過對芯片合理配置，實現一條從驅動程序到物理層設備的透明數據傳輸通道，來滿足設備要求。

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是為了滿足不同網絡協議以及算法對存儲器的需要而設置的，對于不同的私有網絡協議，根據實際需要選用適當容量的RAM即可，沒有很荷刻的要求。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、使用簡單并且價格低廉。

有線傳輸信號驅動模塊選用LVDS芯片對（ds90c401,ds90c402），該芯片對的優點是速率高（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總線接口芯片（W89C840AF）把從PCI總線上傳輸過來的數據封裝成“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。然后根據不同網絡協議的數據包格式，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網絡實驗系統，定義了一種私有的ATM協議，數據處理單元將完成以下任務：識別信元頭，按優先級對信元進行排隊、存儲、打包并轉發等。

FPGA要完成以上功能，其內部模塊需包括以下幾個模塊：“數據接口”、“控制接口”、“命令執行單元”、“實驗網物理層訪問控制單元”和“信道模擬單元”，如圖3所示。

FPGA把打包后的串行數據傳向LVDS，信號經過LVDS驅動后傳到接收方。

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。后面兩個接口比較簡單，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分別是發送數據和接收數據的參考時鐘，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三條控制線與FPGA交換控制信息。這里構建一個類似I2C串行總線協議的控制總線，其結構和工作時序如圖5所示。

3 實驗平臺的軟件設計

為了實現從處于“用戶態”的應用程序到處于“核心態”的驅動程序間的雙向數據傳輸通道，按照Linux操作系統的網絡相關代碼的劃分規則，實驗網絡結構中用戶層以下的代碼需要嵌入到Linux操作系統的核心代碼樹中，經過對內核的重新編譯，運行在Linux操作系統的“核心態”，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“用戶態”內部所有軟件模塊的通信比較簡單，通過調用UDP/IP協議的socket，在下層利用UDP/IP數據包拆解/封裝程序，構造出一個如圖6所示的數據傳輸通道。在這里，把“透明通道”定義為“過渡層”。

使用UDP/IP協議會涉及到Linux操作系統處理IP協議的相關內容，特別需要注意以下三個方面：（1）去掉系統中所有其它網絡硬件設備，關閉所有Linux操作系統的網絡服務，關閉Linux操作系統防火墻；（2）設備本設備的IP地址為192.168.0.1（實驗專用IP地址），綁定實驗網絡設備為192.168.0.X子網網關，更改“/etc/network”文件設置為“可以轉發IP包”；（3）調用一個IP Socket發送數據，在特定端口上監聽數據包的到達。

3．1 “過渡層”的設計

對于上層傳遞過來的數據，“過渡層”要完成的任務是：去掉數據包前面的以太網幀頭、IP數據包頭、UDP數據包頭，從而還原出原始數據包，然后傳遞給驅動部分。反之，下層傳遞過來的數據包經過相反的數據處理后向上層傳遞。

3．2 驅動程序的設計

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

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

關于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，從而屏蔽所有與以太網協議相關的功能。

網絡設備基本功能函數組的核心是“發送”、“接收”和“中斷響應”這三個基本函數。“發送函數”將發送的數據存入W89C840AF芯片的內存空間，然后寫C04/CTSD寄存器，請求芯片發送數據。W89C840AF芯片將接收到的數據包傳遞到系統內存后就會觸發中斷，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。