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Chinese Academy of Sciences Institutional Repositories Grid
基于TCAM的现场总线协议处理器设计技术

文献类型:学位论文

作者辛晓宁1,2
答辩日期2008-01-26
文献子类博士
授予单位中国科学院沈阳自动化研究所
授予地点沈阳
导师于海斌
关键词现场总线 三元内容寻址存储器 协议处理器 低功耗 片上系统
学位名称博士
学位专业机械电子工程
其他题名Design Techniques of Fieldbus Protocol Processor Based on TCAMs
英文摘要现场总线是一种用于制造和过程自动化设备的局域网,本身具有通过网络实现分布式自动控制的能力。现场总线仪表是现场总线网络上的节点,同时具有同类传统仪表的功能。现场总线仪表中的信息处理部件是一种嵌入式系统,使用片上系统技术实现,可使性能得以提高。总线供电的现场总线仪表依赖从信号线上获取的有限能量工作,系统只能工作于较低的时钟频率,为满足实时性要求,一般使用专用集成电路(ASIC)加速协议处理。ASIC具有较高的性能,但设计风险较高起且一般只能支持一种协议。现场总线国际标准IEC61158包含了10种不同的通信协议,未来还将有更多的协议加入,研究具有接近ASIC处理效率的通用协议处理器具有重要意义。论文提出了一种基于三元内容寻址存储器(TCAM)的现场总线通用协议处理器设计方法。通用协议处理器的概念来自互连网设备的研究,特指具有面向数字通信问题优化的数据通道的专用指令集处理器。TCAM是一种具有“位屏蔽”功能的硬件查找表,可在一个时钟周期内实现大规模的查表运算。本文提出的现场总线协议处理器中,利用TCAM和双口RAM作为实现运算和控制的核心部件,可在数据接收过程中实现多种协议处理任务而无须中断主CPU,使系统性能得以提高。由于可动态修改参数,这种协议处理器具有较ASIC加速器更强的高层协议处理能力。通过向RAM中写入不同的数据,可支持IEC61158中的多种现场总线协议。在初始化后,现场总线协议处理器由协议数据流驱动,不需要通过总线读取指令和操作数,可避免与主处理器的总线冲突。为降低协议处理器的功耗,在架构级和晶体管级设计中采用了多种低功耗设计技术。在状态机工作模式下,TCAM可以被分割为多个较小的模块,大多数情况下,只需要激活其中之一。为减小每个TCAM模块的功耗,采用了低功耗的“与非型”连接方式。为保证处理速度和增强处理能力,提出了一种新颖的基于双TCAM单元的“与非”型TCAM阵列设计方法。论文中还讨论了协议处理器中其它电路的低功耗设计方法,分别给出了合理的设计方案。HSPICE仿真分析结果表明,这种协议处理器每次操作的能耗只有14.7pJ,仅为已知最低功耗处理器的6%。论文还将TCAM技术推广到物理层协议处理问题,给出了一种通用曼彻斯特码收发电路的设计方案,并提出了一种通用的并行CRC校验电路实现方法,形成了一个完整的通用硬件协议处理器的解决方案,这种协议处理器至少可用于IEC61158中的5种现场总线协议,并可推广到其它通信系统。
语种中文
公开日期2010-11-29
产权排序1
页码156页
分类号TP273
源URL[http://210.72.131.170//handle/173321/91]  
专题沈阳自动化研究所_工业信息学研究室_工业控制系统研究室
作者单位1.中国科学院沈阳自动化研究所
2.中国科学院研究生院
推荐引用方式
GB/T 7714
辛晓宁. 基于TCAM的现场总线协议处理器设计技术[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2008.

入库方式: OAI收割

来源:沈阳自动化研究所

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