声纳数据传输的以太网通信系统设计与实现.pdf

摘要随着安静型潜艇的出现，拖曳式线列阵声纳以其远离本舰噪声的优点被广泛 应用于水面舰艇和潜艇。多通道数据的有效实时传输是数字式拖线阵设计的关键 技术之一。在我们设计的新型拖线阵声纳数据传输系统中采用CYPRESS公司的串 行背板技术作为湿端的编码电路，因此串行模块与信号处理机之间的数据转换电 路成为该拖线阵数据传输系统的重要部分，实现一种实时性强、接口灵活、便于 升级的数据转换系统在实际应用中有着重要意义。本论文的工作是设计并实现一个将串行水声信号纳入快速以太网的通信系 统，其设计目标是家用商业可利用技术（COTS）为拖曳线列阵提供一个开放的标 准接口。在系统设计中采用全双工交换式以太网技术解决传输中通信的实时性和 确定性问题，使用UDP通信协议保证传输的有效载荷，避免不必要的填充域数据 在网络上传输所占用的带宽，采用总线接口连接串行背板模块和微处理器，进一 步保证了网络传输的实时性。根据实际要求，采用SAMSUNG公司的低功耗、高性 能微处理器S3c4510B作为系统核心，它内部集成了多种片上外设，对简化系统 设计和提高可靠性有很大的意义。本文总结了作者在数字式拖线阵声纳数据传输的以太网通信系统设计和实 现过程中所完成的具体工作。关键词：声纳数据传输，以太网，嵌入式系统，ARM,TCP/IPAbstractWith succeeding in development of resting submarine,trailing linear array sonar is especially favored and extensively used for submarine and naval vessel.Real-time and efficient multi-channel data transfer is the key technique for design of digital trailing array.Serial back-board,developed by CYPRESS Company,is adopted for the code circuit of green end in our new-type digital sonar transfer system of trailing linear array.The circuit for data format conversion between the serial module and the signal processor becomes one of the most important elements in the system.It weighs heavily with practical application to implement a kind of data format conversion system that owns the properties of good real-time communication,flexibility and upgrading ease.In this dissertation,the communication subsystem that can put the serial hydroacoustic signal into Ethernet communication system has been designed and implemented.The design objective is to provide an open standard interface for trailing linear array by using COTS,Full-duplex switched Ethernet technique is used to solve the problem of communication real-time property and that of detemiinacy.UDP transport protocols ensure actual load and prevent unnecessary fill domain data from occupying the costful network bandwidth.The connection point between the backboard module and micro-processer is bus interface,which guarantees the real-time properties further.According to actual requirements,the microprocessor S3C4510B,which is a low-power,high-performance and developed by SAMSUNG Company,is used as system core.Many on-chip peripheral equipments are integrated in this microprocessor,whose characteristic is very useful to simplify system designIn brief,my detailed research on design and implementation of the Ethernet communication system for digital trailing sonar data transfer is summarized in this dissertation.Keywords:sonar data transfer,Ethernet,embedded system,ARM,TCP/IPii结论第一章结论在这一章简要介绍了声纳技术和拖曳式线列阵数据传输技术的发展以及在实际中 的意义，比较了以太网和ATM这两种目前应用最为广泛的标准网络技术，从而引出了本 文的课题声纳数据传输的以太网通信系统设计与实现。1.1声 纳技术的发展”八八声纳是水下探测、导航的重要装备，一部现代声纳实际上就是一部大型的多功能计 算机。声纳技术是水声物理、水声工程、信号处理、电子学及换能器等领域互相结合 的产物。设计高性能的声纳对于海军的现代化建设和海洋资源的开发、利用以及海洋环 境保护都有重大作用。声纳作为一种电子设备，它的发展与微电子学和通信领域技术的 发展密不可分。声纳的发展始于1916年法国朗之万发明的回声定位声纳。第一次世界大战的爆发 促进了一系列军用声纳的发展，当时一些国家的舰艇就已经装备了不同型号的声纳设 备。第二次世界大战后，声纳技术得到迅速发展，60年代初出现了第一批采用低频、大功率、大尺寸基阵和信号处理技术的声纳。它利用水声传播规律，使舰用主、被动声 纳的作用距离都有大幅度提高。而后随着大规模集成电路的出现，数字计算机技术迅速 进入声纳领域，声纳在信号处理、可靠性和易于维修等方面都取得了很大进展，声纳正 在经历着从模拟到数与模混合再到全数字化的发展进程。声纳的种类很多，按照装备对 象、功能和湿端安装的位置有不同的划分，具体分类见图LL目前最重要的几种典型 数字式声纳为拖曳式线列阵声纳、舷侧线列阵声纳、岸用声纳和合成孔径声纳等。拖曳式线列阵声纳首先是在民用部门发展起来，用于海底石油勘探。随着水声对抗 技术的发展，拖曳式线列阵声纳以其远离本舰噪声的优点受到重视，20世纪60年代末 美国首先致力于把它移植到水面舰艇。西方主要海洋大国，如英国、法国、德国，也几 乎与美国同步研制拖曳式线列阵声纳。经过30多年的努力，拖曳式线列阵声纳已经成 为各种舰艇和潜艇最重要的声纳装备之一。拖曳式线列阵声纳可以分为被动式和主、被 动式两大类，港艇上安装的只有被动式拖线阵声纳，水面舰艇上安装的可以是被动和主 被动联合声纳。中国科学院硕士学位论文：声纳数据传输的以太网通信系统设计与实现才姬纳装备相应划分声纳e成声纳的功能划分出纳（C）擅声纳湿第安装的部位划分再妫图1.1声纳的分类2绪论 1.2拖 曳式线列阵声纳数据传输技术拖线阵声纳有明显的干端和湿端分界。典型的舰艇用主、被动拖曳式线列阵声纳的 湿端由轻缆、重缆、绞车、液压驱动设备以及水下声学接收模块、发射模块、减震模块、仪表模块组成，干端由发射机、信号处理系统和显示系统组成，如图L 2所示。拖缆的 作用 方面是作为机械的拖拉缆，另一方面用于水声信号的传输。由于拖缆较长(最长 可达1000米)，直径小，且为柔性，这对拖曳式线列阵声纳的数据传输系统设计提出了 更高的要求。采用数字信号作为水下信号的传输方式与模拟信号相比具有克服传输衰 减、抗干扰的优势，虽然也会引起误差，但是相对来说比较容易估计和预测，从而也就 比较容易消除影响，因此用数字通讯代替模拟传输成为声纳技术发展的一个方向。图L2水面舰艇用主、被动拖曳式线列阵声纳结构图由于声纳设计技术应用领域的特殊性，一些关键技术都处于保密状态。数字式拖线 阵数据传输产品对外公开的不多，已公开的产品中最有代表性的是美国PSI公司基于异 步传输模式(ATM)的声纳数据采集传输系统。ATM-S0NET节点的传输速率为155.52Mbps,可以用于星形拓扑或SONET环形拓扑网络结构。每个节点接收RS-485串行数据，将数 据打包成AAL5协议数据单元，通过ATM将数据接入网络，ATM网络接口是全双工的。环形拓扑结构有一个缺陷，任何节点或电缆的损坏都会影响到整个网络。星形拓扑结构 可以避免这一缺陷，每个节点都连接到交换机，一个节点的失效只会影响到一部分系统 功能，但网络端口和电缆数量也大大增加在要求拖缆体积较小或基阵较大的情况下很 难实现。图1.3所示为ATM-S0NET的环形拓扑结构示意图。1.3以 太网的发展现状旧以太网是由Xeros公司在1973年最早研制成功的一种基带局域网技术，当时的传 输速率达到3Mbps。1980年Xcros、Digital、Intel共同推出了 10Mbps DIX以太网标 准。1983年以太网技术正式成为IEEE802.3标准，在此之后以太网的应用得到迅速发3中国秤邈硕士学位论文：声纳数据传输的以太网通信系统设计与实现L|j AIM SOMTATMSONErjitATMJJ!珞的口 K图L 3 ATM-SONET环形拓扑结构示意图展，全双工以太网、百兆以太网技术相继出现。1995年电气与电子工程师协会(IEEE)正式通过了 802.3u快速以太网标准，以太网技术实现了第一次飞跃，也得到了前所未 有的规模应用。据1998年的统计，全世界以太网卡总数已超过4 800万块，而ATM、.FDDT和令牌环的网卡总数仅500万块左右。用户数量的增长产生了规模效应，使得以 太网的价格大幅度下降。1998年802.3z千兆以太网标准发布，至此以太网技术不但在 局域网领域奠定了坚实的基础，而且在城域网市场也占有一席之地c 1999年 IEEE802.3ae工作组成立，致力于万兆以太网技术的研究，2002年6月802.3ae标准正 式通过，以太网又向广域网迈进了一大步。1.4以 太网与ATM比较在当今的LAN(局域网)主干技术中，最常见的是以太网和ATM技术。ATM技术是 80年代后期由ITU-T针对电信网支持宽带多媒体业务提出的，经过近十年的研究，到 90年代中期ATM技术已基本成熟，由ITU-T和ATM论坛制定的相关的国际标准也基本 齐全，并有多个电信设备厂商和计算机网络设备厂商推出了商用化的ATM设备。ATM技 术进入LAN市场始于1993年，当时宣称ATM是联网技术的未来，由于市场上迫切需要 高带宽的局域网络设备和技术，而以太网技术的桌面应用普及还仅仅是10Mbps的水平,在带宽上无法与ATM竞争，所以ATM网络的建设得到了长足发展。目前ATM网络的传输 速率有155.52Mbps、622 Mbps和9.6Gbps,与快速发展的以太网相比,ATM技术已经不 具有带宽上的优势，传输速率不再是以太网技术在拖线阵声纳数据传输中应用的障碍，而且与ATM技术相比以太网具有以下特点：开放标准，获得众多厂商支持DIX在首次公布以太网规范时就没有添加任何版权限制，Xeros公司甚至放弃了专 4绪论利和商标权利，其想法就是让以太网获得大量应用，进而生产以太网产品 IEEE也成 立专门的研究小组，广泛吸纳科研院所、厂商、个人会员参与研究讨论。这些举动使得 以太网获得了众多的厂商和服务提供商的支持，产品也极大丰富。目前支持以太网标准 的厂商有几十家，如 3com、Cisco Cabletron Nbase、Nortel Networks 和 Plain Tree 等。ATM技术最早由Fore、Newbridge和Bay Networks公司主导市场，后有Cisco、IBM 等公司介入，主要有十几家。结构简单，管理方便以太网协议非常简单，由于没有采用访问优先控制技术，它不需要管理网络上当前 的优先权访问级，因而简化了访问控制的算法，同时降低了网络管理的难度。而ATM技 术是由ITU-T针对电值网支持宽带多媒体业务提出的，所以ATM技术非常复杂。它分为 AAL层、ATM层和物理层，每层又都分为两个子层。为了提高传输效率，在ATM内部把 传送数据和传送控制信息的通路分开，形成带外信令机制，ITU和ATM论坛所采用的信 令还不一样。为了计费的需要，ATM采用面向连接的传输技术，因而在传送数据之前必 须先进行耗时颇长的建立连接过程。这些措施虽然有助于保证服务质量（QoS）和信息 安全，但大大增加了系统的复杂性。ATM作为电信网技术，还具有流量控制和拥塞控制、动态带宽分配和管理、综合多种业务等针对电信网的功能，不仅增加了网络的复杂性，也使网络管理十分复杂。另外，就ATM信元本身而言，信元头的开销超过了 10%,如 果再把ATM适配层以及更高层协议的开销考虑进去，总开销可能会超过25%,这对于 短分组数据业务来说是难以接受的。因此，对于拖线阵数据传输系统而言ATM的功能和 管理过于复杂，而以太网技术更为适合。价格低廉在考虑价格时，系统维护费用也是重要的一项。以太网是人们最熟悉的网络标准，世界上90%的用户采用的都是以太网技术，加上以太网的协议非常简单，采用以太网 可以大大降低网络管理和系统维护的费用。技术持续改进，可平滑升级在以太网的发展过程中技术不断改进：物理介质从粗同轴电缆、细同轴电缆、双绞 线到光纤或无线；网络功能从共享以太网、全双工到交换以太网：传输速率从10Mbps、100Mbps、lGbps到lOGbps,满足了各种应用场合的需求。以太网的改进始终保持向前 兼容，使用户能够无缝升级，既能保护原有投资，又能满足系统扩展和升级。5中国科学院硕士学位论文；声纳数据传输的以太网通信系统或计与实现 1.5研 究背景及论文工作现代化战争、海洋开发和海洋环境保护等领域的需要，给拖曳式线列阵声纳的设计 提出了更高的要求。拖曳线列阵的应用依赖于水下传感器信号的有效实时传输，数据传 输系统是拖线阵声纳设计的重要课题之一，多通道、高采样率信号的有线远距离(1000 米以上)传输近年来受到广泛关注，因此设计一种低成本、高性能、高可靠性、接口灵 活、便于扩展和升级的拖线阵声纳数据传输系统有重要的应用价值。串行传输适合远距离通信，且电缆线少，成本低。在我们设计的新型声纳数据传输 系统中，采用CYPRESS公司的串行背板技术作为湿端编码电路，可以使水下信号传输速 率高、硬件体积小。在干端的串行数据到信号处理机的数据转换模块是整个数据传输系 统的核心部分。该数据转换模块的设计需要考虑以下几个方面：1数据实时传输声纳作为作战舰艇的重要探测、通信装备，要求具有实时性，数据传输延时过大会 使信息处理和决策滞后，从而造成毁灭性的影响。2.接口灵活声纳在使用过程中需要输入一些参数，同时要把某些结果输出，另外还要实时记录 海洋环境噪声和信号，这些功能要求为声纳配置必要的接口，如果采用开放的标准协议 就可以满足这一要求。3.高可靠性和易维修性对军事装备而言，高可靠性和易维修性是至关重要的。目前数字式声纳的故障定位 水平已经达到板级，甚至是重要芯片级，一旦发现工作不正常的芯片或板卡就可以报警，便于维修。除了使用可靠的元器件之外，积木式的系统集成和可扩展的软、硬件设计都 可以提高系统的可靠性。采用集成度高的芯片，可以使板级部件大为减少，为系统维 修带来极大方便。：4,采用商业可利用技术声纳的研制越来越多地采用商业可利用技术(C0TS,Commercial Off The Shelf),即采用商业上现成的技术，这样不仅可以缩短研制周期，降低成本，而且不会影响设备 的可靠性，有些西方国家已经把声纳是否基于COTS技术作为采购的一个条件。本文根据新型拖曳阵声纳数据传输系统研究和设计的需要，通过对现有数字式拖曳 阵产品的分析和对以太网与ATM这两种应用最为广泛的标准网络技术的比较，设计了拖 6绪论曳式线列阵声纳中传输水下串行信号到上位机的快速以太网通信系统，解决了大容量串 行数据的实时传输问题，为数字式拖线阵提供了标准协议的以太网接口。系统便于扩展,当线列阵基元增加时只需要再增加一个以太网通信板卡，并接入千兆以太网交换机即 可，另外，根据系统需耍选用SAMSUNG公司的集成多种片上资源的32位嵌入式微处理 器S3C4510B作为系统核心，提高了声纳系统的可靠性和易维修性。主要研究内容包括：(1)以太网传输技术 (2)TCP/IP 协议(3)串行背板传输技术(4)高速、抗干扰设计技术(5)嵌入式系统平台设计技术(6)JTAG接口程序下载7中国科学院硕士学位论文：声纳数据传输的以太网通信系统设计与实现第二章 以太网通信系统总体设计通信的实时性和确定性是拖线阵数据传输系统的实际要求，传统以太网采用 总线式拓扑结构和多路存取载波侦听碰撞检测（CSMA/CD）通讯方式，具有不确 定性。本章通过对系统设计要求和通信确定性等关键技术的研究，分析了以太网,通信系统设计和实现中的几个关键问题。2.1系统设 计要求拖线阵数据传输流图如图2,1所示。图2.1拖线阵数据传输流图为了减少串行传输节点的数量，每个串行背板传输模块接收两路A/D数据采 集模块的水声数据，并打包成自定义帧格式逐级传输到以太网通信系统，以太网 通信系统完成的功能是：1.按照自定义帧格式接收水下串行数据2.实现串行数据到微处理器的有效传输接口3.将数据打包，按照标准的以太网协议发送设计工作要求完成基于SAMSUNG公司S3C4510B处理器的设计与研制，包括 最小系统、以太网通信模块接口、串行传输模块及接口等，具体要求如下：微处理器及系统时钟频率：SAMSUNG ARM7TDMI内核S3c4510B 50MHz总线方式：32位内部地址总线、22位外部地址总线、32位数据总线存储器容量：数据存储器为32MB 125MHz同步动态存储器（SDRAM）128KB双口静态存储器（SRAM）程序存储器为8MB FLASH存储器8以太网通信系统总体设计电源：VME总线供电外部设备接口：两个标准以太网接口、两个RS232接口操作系统：嵌入式系统实时多任务内核HC/OS-II串行传输模块：CYPRESS公司HOTLink串行背板传输技术串行传输接口：总线接口方式 2.2以太网 通信系统设计关键技术 2.1.1串 行数据传输CYPRESS半导体公司推出的HOT Link(高速光收发器链路，High Speed Optical Transceiver Link)收发器，是针对背板应用的点到点通信高速 串行传输器件。HOTLinlJM系列包含了从50Mbps到L5Gbps宽范围的系列产品 第一代HOTLinlJM产品是于1993年推出的，包含有单独的发送器件和接收器件,工作范围从150Mbps到400Mbps,传输介质可以是光纤、同轴电缆、双绞线，最大传输距离使用光纤为几千米，双绞线为几十米。第二代HOTLink DX系列，将发送、接收、先进先出(FIFO)存储器等功能集成于一个单芯片解决方案中。目前推出的新一代针对高速通信交换机背板应用的HOTLink收发器实现了业 界最宽的连续工作范围0.21.5Gbps。这种高度集成的器件无须配置外围元件，它将并串行转换器一串并行转换器(SERDES)、逻辑器件、存储器集成在一个 节省空间和功耗的单芯片解决方案中，从而简化了线路板设计。CYPRESS凭借其 现有的HOTLink器件已经在SERDES技术领域确立了领导地位，为存储域网(SAN)、广域网(WAN)、无线基础设施网络(WIN)和局域网(LAN)交换 机背板等应用领域提供了高带宽和灵活性，开拓了巨大的市场。本系统采用的是HOTLink数据收发器CY7B923/933o它的工作模式可以设 置为编码模式(8B/10B Encoder Mode)直传模式(Bypass Mode)、自检模式(Test Mode),传输速率分为 160Mbps、330Mbps 和 400MbpsL 发送器 CY7B923 的功 能是将8bit并行TTL输入数据转换为PECL串行差分位流输出；接收器CY7B933 的输入为两路PECL串行差分输入，输出为串并转换后的8bit并行TTL数据“L 单向数据传输电路结构如图2.2所示。控制逻辑可以用CPLD、单片机或其他数 字逻辑器件实现。发送端和接收端数据缓存一般采用先进先出(FIFO)存储器，9中国科学院硕士学位论文：声纳数据传输的以太网通信系统设计与实现可以与CY7B923/933组成无缝接口。图2.2单向数据传输电路结构图 2.1.2嵌 入式微处理耦目前展入式系统已经渗透到日常生活中的各个方面，在工业、服务业、消费 电子等领域的应用范围不断扩大。各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件的 核心，鉴于嵌入式系统广阔的发展前景，嵌入式处理器的品种越来越多，速度越 来越快，性能越来越强，价格也越来越低。嵌入式微处理器有许多种流行的处理器核，芯片生产厂家一般都基于这些处 理器核生产不同的芯片.主要的嵌入式处理器架构包括ARM/StrongARM.MIPS Power PC和x86系列。其中ARM内核是全球领先的16/32位RISC（Reduced Instruction Set Computer精简指令集计算机）微处理器，已经成为移动通信、手 持设备、多媒体数字消费等嵌入式解决方案的RISC标准。台式PC大多采用CISC（Complex Instruction Set Computer复杂指令集计算机）微处理器,如Intel的x86 系列，它们使用了复杂的指令集，指令类型很多，包括了所有的数学指令，执行 一条指令一般需要多个时钟周期，这些指令中的一些经常使用，而另一些用的很 少，但CISC处理器将处理全部的指令集。由于嵌入式系统资源有限，因此多采 用RISC处理器。RISC处理器精简了指令集，指令类型很少，长度固定（32位）,RISC指令集只有数学指令的子集，它是用一组简单而快速的指令来完成同样的 工作，指令单周期执行，因此可以运行得更快，而且更廉价。ARM和MIPS体 系结构是RISC的两大主流。ARM处理器有三大特点：小体积、低功耗、低成本而高性能；16/32位双 指令集；全球众多的合作伙伴。ARM核非常小，典型的芯片面积只有几个平方 亳米。ARM处理器目前有五个系列产品：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和以太网通信系统总体设计SecurCoreo其中ARM7TDMI是目前低端的ARM内核，广泛应用于PDA、GPS、交换机、路由器等低端嵌入式设备，ARM7TDMI核性能如表2.1。表2.1 ARM7TDM1核性能金属层Vdd晶体管核面积 0.3 5um33.3V74 2092.1平方毫米时钟1MIPS功耗M1PS/W；0 66MHz 16087mW690本系统选用的SAMSUNG公司S3C4510B处理器是基于ARM7TDMI内核的俄 入式微处理器。2.1.3通 信的确定性以太网一词是指以 CSMA/CD 机制（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection,冲突检测载波监听多点访问）作为介质访问控制方法的一类 LANo CSMA/CD MAC被认为是自Xerox最初的研究工作以来最重要的进展，它提供了一个极其简单的算法，可以在多个设备之间进行信道使用仲裁。CSMA/CD MAC算法仲裁共享信道的原理可以被描述为“先监听再行动的工作 方式一个节点要发送报文时，首先监听网络，如果网络忙则等到空闲为止，否则将立即发送。如果两个或更多的节点监听到网络空闲并同时发送报文时将发 生冲突，因此每个节点在发送时还需要继续监听网络。当检测到两个或更多个报 文发生碰撞时节点立即停止发送，并等待一段随机长度的时间后重新发送。该随 机时间将由标准二进制指数补偿算法确定。重发前的时间在。（T-1）之间的 时间片中随机选择（i代表被节点检测到的第i次碰撞事件），一个时间片为重发 循环所需要的最小时间。但是在10次碰撞发生后，该间距将被冻结在最大时间 片（1023）,16次碰撞发生后，控制器将停止发送并向节点处理器回报失败 信息。在网络负载较高时，这种碰撞成为网络的主要问题，极大地影响了以太网 的数据吞吐量。在一系列碰撞后，报文可能会丢失，因此通信将无法得到保障。以太网的这种CSMA/CD介质访问控制机制导致了网络传输延时和通信响应的“不确定性:初期以太网的拓扑结构是总线型的，传输介质为粗/细同轴电缆，挂接在11中国科学院硕士学位论文:声纳数据传输的以太网通信系统设计与实现10Base5（粗同轴电缆）或10Base2（细同轴电缆）上的所有以太网设备共享同 一个逻辑传输介质。当网络负荷较大时报文碰撞就比较频繁，大大降低了网络性 能。为解决这个问题人们采用网桥或路由器将网络分成多个网段（segment）,以 一个多口集线器为中心，构成星型拓扑结构。一组竞争信道访问的站成为冲突域（collision domains）每个冲突域采用CSMA/CD机制管理网络冲突。这种分段 方法可以使每个冲突域的网络负荷大大减少，冲突很少发生。随着以太网技术的发展，出现了以太网交换技术。交换式集线器（以太网交 换机）构成的以太网系统也属于星型结构，但与传统集线器（共享集线器）有本质 的区别。由于共享式集线器的结构和功能仅仅是一种物理层中继器，因此在逻辑 上可以认为是有多个连接点的公共总线连接到公共总线上的各节点遵循 CSMA/CD机制发送和接收报文，因此还会发生碰撞。交换式集线器可以认为是 一个受控制的多端口开关矩阵。如图2.3所示，一个五端口的以太网交换机，两端口号图2.3以太网交换机工作机理个不同端口之间有一个逻辑开关，这样可以有20个逻辑开关，控制20个数据通 道，每个数据通道实际上反映了一个端口发送帧和另一个端口接收帧的逻辑现 象。正常工作时，一个端口不能向一个以上端口发送帧（广播或组播除外），-个通道也不能进行双向数据传输（全双工数据传输除外），从图2.3可以看到，各端口的信息流是被隔离的。由此可见，在以太网交换机组成的系统中，每个端 口就是一个冲突域，交换机隔离了每个端口的冲突域，如图2.4所示。交换机端 口就是该端口上的冲突域终点，端口之间报文的传输不再受到CSMA/CD MAC 算法约束。在交换式以太网中，虽然交换机本身的工作不受CSMA/CD约束，但是在节 点到交换机或交换机之间如果采用传统的半双工传输方式的话仍然要遵循12以太网通信系统总体设计CSMA/CD MAC算法。为解决这个问题，20世纪90年代出现了全双工以太网技 术。与传统的半双工以太网相比区别在于，端口间两对双绞线（或两根光纤）上图2.4交换式LAN冲突域可以同时发送和接收报文，因此采用交换式全双工以太网技术时，任一节点发送 报文不会再发生碰撞，冲突域不复存在。也就是说，使用交换机，接入网络的节 点独占一条线路，可以避免冲突，网络响应时间是确定的。2.L4 TCP/IP协议3】3】以太网技术本身只做了物理层介质、介质访问控制、报文帧格式和逻辑链路 控制等方面的规定，对应于ISO/OSI参考模型的物理层和数据链路层，而对更高 层的技术规范没有做规定，因此以太网上可以支持运行多种协议，如TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）DECnet Novell IPX、MAP AppleTalk.TOP等。其中TCP/IP协议是互联网上的协议，随着互联网的普及，TCP/IP协议也得到了最为广泛的应用，并成为以太网的事实上的标准。TCP/IP是70年代中期美国国防部（DOD）为其ARPNET广域网开发的网 络体系结构和协议标准，它代表了一个协议栈。TCP/IP协议族中有很多协议，如图2.5所示。IP是TCP/IP协议族中最为核心的协议，所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP数据都 以IP数据报格式传输。IP提供不可靠、无连接的数据报传送服务，差错检测和修 正依赖高层协议实现。作为第三层协议，IP负责路由选择和投递数据报。为实现 这一任务，IP完成一系列通信功能，包括寻址、状态指示、管理、分段和必要时 对数据报进行重新组装。IP数据报的格式如图2,6所示。IP采用32比特地址编址,中国科学院硕士学位论文:声纳数据传输的以太网通信系统设计与实现图2.5 TCP/IP协议族中不同层次的协议分成指定网络编号和主机号两部分。IP地址编号由InterNIC因特网网络信息中 心分配。由于以太网是48比特地址，所以中间需要转换。当一台主机把以太网 数据帧发送到位于同一局域网上的另一台主机时是根据48比特的以太网地址来 确定目的端口的。设备驱动程序从不检查IP数据中的讦目的地址。地址解析协 议ARP为这两种不同的地址形式提供映射：32位的IP地址和数据链路层使用的 任何类型的地址（如低层物理地址），一般为网络接口卡的ROM地址。物理地址 就是介质访问控制（MAC）地址。ARP提供了从IP到MAC的地址解析使IP分 组能通过局域网帧传输至相应的MAC地址。TCP和UDP是传输层两个完全不同的协议，尽管TCP和UDP都使用相同的网 络层（IP）,但TCP提供的是面向连接的、可靠的字节流服务，而UDP不提供可 靠性。TCP使用三次握手的连接方式，要求对连接的存在和连接建立之后的分组 传送进行确认，因此是一种可靠的通信服务。通信双方在传输数据之前必须建立 连接，一旦TCP连接建立成功，TCP协议就能自动处理消息包的分组打包、解包、检错、重发和错误报告，以保证数据能可靠的到达目的地址。使用UDP时，传输 层的数据传输是无连接的。进程的每个输出操作都正好产生一个UDP数据报，并 组装成一份待发送的IP数据报,UDP数据报封装成一份IP数据报的格式如图2.7以太网通信系统总体设计15 U20字节图2.6 IP数据报格式及首部中的各字段所示，UDP首部的各字段如图2.8所示。端口号表示发送进程和接收进程，TCP和 UDP用目的端口号来分用来自IP层的数据的过程。由于IP层已经把IP数据报分配 给TCP或UDP（根据1P首部中协议字段值），因此TCP端口号由TCP来查看，而UDP 端口号由UDP来查看。TCP端口号与UDP端口号是相互独立的。UDP长度字段指的是图2.8 UDP首部UDP首部和UDP数据的字节长度，该字段的最小值为8字节。检验和是1的补码的算 术和，UDP和TCP在首部中都有覆盖它们首部和数据的检验和，UDP的检验和是可 选的，而TCP的检验和是必需的。如果发送端没有计算检验和而接收端检测到检 中国科学院硕士学位论文：声纳数据传输的以太网通信系统设计与实现验和有差错，那么UDP数据报就要被悄悄地丢弃，不产生任何差错报文（当IP层 检测到IP首部检验和有差错时也这样做）UDP检验和是一个端到端的检验和，它由发送端计算，然后由接收端验证，其目的是为了发现UDP首部和数据在发送 端到接收端之间发生的任何改动，可以获得一定程度的额外的数据完整性。2.3系 统设计中需要解决的关键问题*本节分析和总结了拖线阵数据传输的以太网通信系统实际设计和实现过程 中需要解决的关键问题。2.2.1总线接口设计串行背板传输模块与嵌入式微处理器的接口设计对数据传输性能有很大的 影响，接口数据传输的实时性是保证以太网通信系统数据传输实时性的基础。为 了解决这个问题，我们采用了总线接口方式连接串行背板模块和嵌入式微处理 器，共享式多端口存储器是实现总线接口的主体。这部分将涉及到双口 RAM的 时序设计和数据帧的分配等问题。2.2.2实时性设计通信的实时性和确定性是拖线阵数据传输系统的关键要求，系统设计中采用 以下方法保证以太网通信响应的实时性：L采用全双工交换式以太网技术由 2.1.3节分析可知，以太网交换机在端口之间数据帧的输入和输出不 再受CSMA/CD MAC算法约束，避免了冲突。而全双工通信又使端口间两对双绞线（或两根光纤）上可以同时发送和接收报文。因此采用交换式全双工以太网技术 时，任一节点发送报文不会再发生碰撞，冲突域不复存在。也就是说，使用交换 机，接入网络的节点独占一条线路，可以避免冲突，网络响应时间是确定的。系统中采用双处理器结构，每个处理器有一个全双工10/100M自适应网口，两个网口接入千兆以太网交换机，构成全双工交换式局域网，这就使得以太网通 信系统的实时性有了重要保障。2.减少网络负载以太网通信系统总体设计采用UDP通信协议可以充分保证报文传输的有效载荷，避免不必要的填充域 数据在网络上传输所占用的带宽，进一步保证网络传输的实时性。3.总线接口串行背板模块与嵌入式微处理器以总线接口连接，以保证系统实时性，在 2.2.1节已经叙述。2.2.3总线供电以太网通信系统采用“总线供电”方式工作。“总线供电”是指利用总线为 设备提供工作电源。由于信号处理机安装在VWE总线机箱内，以太网通信系统 利用VME总线提供的电源作为工作电源，系统电路设计为标准6U板尺寸I这 样以太网通信系统就可以同样放置在VME机箱内，不需要单独提供电源。采用“总线供电”可以减少设备的线缆，降低系统安装的复杂度，对拖线阵的应用具 有重要意义。2.2.4高速SDRAM与CPU的接口为了更好地实现嵌入式微处理器的多任务工作方式，系统内设置了 32MB 125MHz同步动态存储器(SDRAM),它的时序设计和处理器内部相应寄存器的设 置，以及电路板布线、调试都很重要 2.2.5以太网接口电路和软件设计以太网通信是系统的主要功能，设计中需要实现硬件接口电路以及驱动程序 和TCP/IP协议。2.2.6最小系统和串行传输模块高速电路设计高速电路设计一般是指当信号的互连延时大于信号边沿翻转时间的20%时 所进行的设计。此时，板上的信号导线就会显示出传输线效应，互连线的信号延 迟已经不能再忽略，并将极大地影响着整个电路的性能。因此必须考虑信号波形 的完整性问题，信号传输中的反射、串扰问题，电磁干扰问题以及热噪声等，需 要妥善处理电路设计与电路板的布线。中国科学院硕士学位论文:声纳数据传输的以太网通信系统设计与实现第三章以太网通信系统硬件设计本章在充分使用商业可利用产品的基础上，根据拖线阵数据传输的实际需 要，设计了系统硬件架构，着重讲述了各组件或功能模块的实现。第一节介绍了 系统的硬件结构。第二节讲述系统各组成器件的选择。第三节对重要器件做了详 细介绍，如嵌入式微处理器S3c4510B、SDRAM、双口 RAM和FLASH芯片、，网络芯片等，这一节是硬件设计和实现的基础。第四节到第九节具体讲述了主要 功能模块的实现，重点介绍各模块的连接关系和原理。3.1系线硬件结构设计以太网通信系统可以分为串行背板模块和以太网模块两个部分，二者通过总 线连接方式传输数据。串行背板模块的