通信论文发表探讨当下通信科技应用的新技术模式制度

　　摘要：我们把通信专用区按照以下4种用途进行分配：接收缓冲区、发送缓冲区、网卡命令区以及网卡状态区。然后，根据相应的通信协议如FC协议进行网络通信活动，通过访问通信专用区，控制具有通信控制逻辑、并串转换/串并转换器和光收发器等部件的DMC网卡，进行计算机之间的点对点直接内存通信。

　　关键词：通信技术,通信科技,通信发展

　　DMC通信机制中主要通信活动描述如下：(1)发送数据：通信源节点发送数据时，只需用户使用写普通内存的方法将数据写入通信专用区的发送缓冲区中，同时把发送命令写入通信专用区的网卡命令区。DMC网卡上的通信控制逻辑根据网卡命令区的命令解析结果，从通信专用区的发送缓冲区中取出数据发送至网络;(2)接收数据：在DMC通信机制的应用环境下，通信目的节点配置有相同的DMC网卡，网络上的数据经网卡的通信逻辑接收后放入通信专用区的接收缓冲区，同时网卡控制逻辑修改通信专用区中的网卡状态信息。当用户需要获得网络数据时，只需使用访问普通内存的方法读通信专用区的接收缓冲区数据即可。因此，DMC通信机制实现了两台计算机内存之间的直接通信。用户感觉不到DMC网卡的存在，使用访问普通内存的方法就可以实现计算机间的点对点直接通信。

　　在直接内存通信体系结构中，DMC网卡和内存处于对等的位置，对CPU是透明的，CPU使用操作普通内存的方法操作DMC网卡的通信专用区，用户通过对DMC网卡的通信专用区进行读写来完成网络通信活动。因此，DMC通信机制避免了数据在网卡设备和内存之间的拷贝，并且通信速率也不再受传统I/O总线的限制。

　　基于直接内存通信技术DMC以及FPGA片上的存储区域FIFO(FirstInputFirstOutput，FIFO)和寄存器，作者设计了DMC技术，并将其应用于高速光纤通道交换网的原理样机FIFO-DMC网卡。FIFO-DMC网卡由一对出口/入口光纤、光收发器、电收发器、FPGA可编程器件组成。FPGA为网卡的控制芯片，是整个系统的核心。其内部逻辑可分为DDR-DIMM内存总线接口逻辑和通信逻辑两个功能模块，各部分器件的功能分别如下：(1)光纤用于连接FIFO-DMC网卡和高速光纤交换网络的对应端口。(2)光收发器负责进行光信号与差分电信号之间的转换。(1)电收发器用于数据的串/并转换。(4)FPGA可编程器件从功能上可以分为两大部分：DDR-DIMM内存总线接口逻辑和通信逻辑，其中DDR-DIMM内存总线接口逻辑包括5个模块，分别为SPD模块、命令解析逻辑、时钟管理逻辑、地址控制逻辑、读写控制逻辑，用以完成网卡的通信逻辑以及网络用户和通信专用区之间的信息交互。通信逻辑包括发送逻辑、CRC校验逻辑、接收逻辑、控制逻辑、8B/10B编码逻辑与8B/10B解码逻辑5个模块，用以实现真正的网络传输活动。

　　下面对FIFO-DMC网卡中的主要功能模块进行简要介绍。(1)FIFO-DMC网卡的通信专用区按照DMC通信机制的要求，FIFO-DMC网卡的通信专用区按用途分为4块：接收缓冲区、发送缓冲区、网卡命令区以及网卡状态区。接收缓冲区和发送缓冲区采用FPGA片上FIFO实现，数据接收FIFO命名为RxFIFO，用来存放网卡接受逻辑从网上接收的数据，用户使用读普通内存的方法就可获取。数据发送FIFO命名为TxFIFO，用来存放用户待发送的数据，用户使用写普通内存的方法把数据放入发送FIFO中，而后网卡的发送逻辑读取FIFO的内容进行传输。数据接收FIFO和数据发送FIFO的容量都为一帧数据的大小。网卡命令区和网卡状态区采用FPGA片上64位寄存器实现，网卡命令区即网卡命令寄存器COMMAND_REG存放用户发出的网卡命令。网卡状态区即网卡状态寄存器STATE_REG存放网卡的各种状态信息。DMC软件或网卡通信逻辑在对网卡进行操作前，读取COMMAND_REG和STATE_REG的内容，判断相应位，再根据结果执行相应动作来防止冲突。寄存器中各位置“1”表示有效，在系统初始化时全部清零。(2)SPD模块SPD模块使设计出的FIFO-DMC网卡设备保持与普通内存相同的稳定性，能够正确地被北桥芯片或者CPU芯片中的存储管理器识别。在FIFO-DMC网卡中使用VHDL语言编程模拟SPD芯片的工作。通过分析，FIFO-DMC网卡的SPD模块只需使用SPD芯片的5个引脚：SA0、SA1、SA2、SDA和SCL，并且BIOS对SPD模块只执行读操作(RandomAddressRead)，所以SPD模块的结构比较简单，主要包括START状态控制以及Ran-domAddressRead命令响应两个功能模块。其中，START状态的控制逻辑比较简单，主要依靠作为从设备的SPD模块监听串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)来产生，此处不再赘述。RandomAddressRead命令的响应由一个状态机来实现，在不同的状态完成相应的工作。其状态转换如图3所示(该状态图由软件SynplifyPro编译程序代码后生成)。(3)命令解析逻辑命令解析逻辑主要接收来自DDR-DIMM内存总线接口的各种内存访问命令，并对命令进行解析。FIFO-DMC网卡的命令解析逻辑由一个状态机控制，状态转移时设置特定的信号，由该信号触发相应的读、写逻辑。(4)地址解析逻辑此模块在内存访问命令到来时，控制地址总线上的行地址和列地址等信息进行地址译码工作，寻址被访问的存储单元，使得各种数据信息能够在网络用户、网卡的通信逻辑和内存之间正确地完成读写工作，协助FPGA中控制逻辑实现网卡的通信活动。由于FIFO-DMC网卡中使用了FPGA芯片上的FIFO和寄存器来模拟通信专用区，因此用户操作通信专用区时只有4个地址信息：TxFIFO写端口对应的虚拟地址，RxFIFO读端口对应的虚拟地址，命令寄存器COMMAND_REG对应的虚拟地址以及网卡状态寄存器STATE_REG对应的虚拟地址。地址解析逻辑根据用户访问的虚拟地址信息定位到通信专用区的某个部分即可。(5)读写控制逻辑根据地址解析逻辑寻址出的通信专用区空间以及命令解析逻辑解析的结果，对FPGA的寄存器或者FIFO进行读写操作。外部与通信专用区之间传输的数据信息主要有3类，分别是通信活动中的数据、用户写入网卡命令区的网卡命令以及网卡的状态信息。

　　直接内存通信技术DMC得以实现的重要根基是预留部分内存空间供DMC通信机制进程专用，这依赖于Linux操作系统提供的灵活机制。因此，DMC网卡的软件功能包括：(1)实现通信专用区的物理内存预留：依据Linux操作系统对内存的管理办法，将FIFO-DMC网卡插入内存插槽的高端，使其存储空间即通信专用区处于内存区的物理地址最高端。然后，我们借助于Linux内核启动时能接收某些命令行选项或启动时参数的特性，修改系统引导程序中的启动配置参数mem，限定内核使用的内存数量。实际物理内存中大于mem值的部分就是预留的内存空间，系统不会使用这片物理内存。(2)实现通信专用区内存的映射：由于Linux操作系统是一个虚拟内存系统，访问内存是基于虚拟地址空间的，因此为了能够使用被预留的通信专用区空间，需要把这部分物理内存正确映射到虚拟内存空间中。Linux操作系统提供了至少3种实现内存映射的方法，可以在系统不同时刻将通信专用区映射为I/O内存、内核空间内存或普通用户空间，考虑到DMC技术中通信专用区需要在用户态下进行访问，作者最终选择使用mmap设备操作方法来实现通信专用区的内存映射。并且，由于在FIFO-DMC网卡的设计中使用FPGA片上FIFO和寄存器模拟实现通信专用区，因此DMC软件实现对通信专用区映射之后，只需要网卡命令寄存器、网卡状态寄存器、数据发送FIFO的写端口和数据接收FIFO的读端口4个虚拟地址。(3)实现用户对通信专用区的访问接口：由于FIFO-DMC网卡硬件逻辑中提供了将通信专用区作为普通内存管理和访问的功能，因此用户可以使用访问普通内存的方法访问通信专用区。

　　FIFO-DMC网卡的测试平台采用PC机，CPU为Intel(R)Pentium(R)4，北桥芯片为Intel的RG82865PESL722。FPGA采用ALTERA公司Cyclone的EP1C4芯片，串/并转换使用德州仪器的tlk2501，光电转换则选用美国Finisar公司的产品FTRJ8519。示波器为Tektronix的TDS3052。为了降低调试的难度，通过BIOS设置，将内存时钟频率200MHz改为100MHz。

　　DDRDIMM接口模块接收到各种网卡命令后从示波器上看到的波形图。图中，FIFO-DMC网卡在通道1(图中标号为1的那条线)的上升沿锁存信号。经测试，FIFO-DMC网卡能在开机的BIOS自检中被识别为内存设备，正确响应CPU的读写命令，并能在操作系统引导时预留共享存储区，证明了直接内存通信DMC通信机制是正确的和可行的。

　　扩频信号不相关，所以被扩展到一个很宽的频带上，使之进入信号通频带内的干扰功率大大降低，相应地增加了相关器输出端的信号/干扰比，因此扩频通信系统具有很好的抗干扰性能，非常适于移动通信。

　　扩频通信系统具有非常强的选择性寻址能力，可以采用码分多址(CDMA)的方式组成多址通信网。多址通信网内的所有接收机和发射机都可以同时使用相同的频率工作。采用扩频通信技术构成多址通信网时，比常规通信体制更易于实现网络的同步，便于实现灵活的随机接入;同时，也便于利用计算机进行信息的控制和交换。

　　扩频信号的频谱结构主要是由扩频码决定的，而与待传输的信息基本无关，因此扩频通信中信息的安全程度取决于所使用的扩频码。扩频通信系统可以使用周期很长的伪随机码，在一个周期中伪随机码具有随机特性，因此经过其调制后的数字信息类似于随机噪声。有的扩频通信系统可以在信噪比为-20～−15dB的条件下工作，对方很难测出信号的参数，从而达到安全保密通信的目的。此外，扩频信号还可以进行信息加密，对传送的信息进行保护。

　　多径问题是长期以来一直困扰通信系统的一大难题，特别是对于移动通信系统来说这一问题解决起来更为复杂和困难。扩频通信技术则使解决这一难题成为可能。这是因为该项技术具有很强的抗多径能力，只要满足一定的条件，就可以达到抗干扰的目的，甚至还可以利用多径能量来提高系统的性能，在一般的扩频系统中，这个条件很容易得到满足。

　　扩频通信系统对其他通信系统的干扰比较小，这是因为扩频通信系统的频谱密度低。由于扩频信号扩展了频带，因此在输出信号功率相同的情况下，降低了输出信号单位频带内的功率，从而降低了系统在单位频带内电波的通量密度。扩频通信系统的这一特点对空间通信极为有利。

　　虽然DS、FH、TH等单一的扩频方式都具有较强的抗干扰性能，但它们也都有各自的缺陷。例如，DS扩频方式的缺点是码捕获时间较长、抗窄带瞄准干扰能力有限、“远—近”效应影响较大等;FH扩频方式的不足之处是抗跟踪干扰能力、抗宽带噪声干扰能力差等;TH扩频方式的主要缺点是对定时要求严格等。因此，在实际应用中，单一的扩频方式往往不能满足实际通信的需要，特别是在需要同时解决诸如抗干扰、多址组网、定时定位、抗多径、降低“远—近”效应等一系列问题的情况下，需要将两种或多种扩频方式结合起来，以便弥补单一扩频方式的不足，解决某些技术难点，提高通信系统的综合性能。而且，采用混合式扩频技术还有利于增强系统设计的灵活性，降低技术难度和成本。所以，进一步研究混合式扩频系统(如FH/DS、TH/DS、FH/TH、DS/FH/TH等)是今后的重要发展方向之一。

　　短波差分跳频通信(又称“短波相关跳频通信”)是近年来发展起来的一种有别于常规跳频通信的一种新型跳频体制，它的主要特点就是将调制和编码统一起来，较好地解决了提高数据传输速率和抗跟踪式干扰等问题。短波差分跳频通信系统是以先进的数字信号处理技术及高速的DSP芯片为基础设计的，该系统硬件结构简单，易于采用数字化软件无线电的架构，拥有传输速率高、抗跟踪干扰能力强、频谱复用、抗衰落性能好等优势，是近年来扩频通信领域一个重要的发展方向。作为一种全新的通信体制，目前短波差分跳频通信存在着跳频图案的二维连续性和随机性较差、宽带频率选择困难、误码传播以及组网困难等问题，因此尚未进入实用化阶段，针对该种扩频方式，在相关跳频算法设计、抗干扰算法、多址性能、组网等方面仍需要开展更加深入的研究工作，解决其中的技术难点。

　　混沌系统的类随机特性非常适于通信的噪声伪装调制，而且，通过混沌系统对初始相位敏感的依赖性，可提供数量极多、非相关、类随机、又是确定且易于产生与再生的信号，所以混沌序列特别适合作为扩频通信中的扩频码。而且，由于混沌扩频序列没有周期，类似于一个随机过程，所以系统的保密性好，很难破译。混沌扩频通信是目前混沌应用研究最热门的发展方向之一，当前采用混沌扩频序列的CDMA系统尚未得到实际应用，还需要开展进一步的研究工作。

　　跳频技术与多种高效调制技术主要应用于民用通信系统中，但是，由于无需考虑跟踪式干扰或转发式干扰等敌对干扰，其跳速通常较慢。在今后的研究工作中，应着重探索如何将高速跳频技术与高效调制解调技术进行有机的结合，充分发挥其特点，以便达到理想的通信效果。

　　基于DSP(数字信号处理器)的扩频通信是指硬件设备采用DSP作为核心处理器，通信部分采用抗干扰性、保真性好的扩频无线通信。扩频通信的实现对硬件要求较高，由于DSP芯片具有很强的数据运算和处理能力，且精度较高，因此可以较好地适用于扩频通信，两者的结合通过优势互补实现了通信功能的完善，这是目前该技术研究的重点。当前，该技术主要用于水下通信和地下矿井移动通信中。

期刊VIP网，您身边的高端学术顾问

文章名称： 通信论文发表探讨当下通信科技应用的新技术模式制度

文章地址： http://www.qikanvip.com/tongxin/19128.html