Design Techniques of Fieldbus Protocol Processor Based on TCAMs

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