摘要：我們把通信專用區按照以下4種用途進行分配：接收緩沖區、發送緩沖區、網卡命令區以及網卡狀態區。然后，根據相應的通信協議如FC協議進行網絡通信活動，通過訪問通信專用區，控制具有通信控制邏輯、并串轉換/串并轉換器和光收發器等部件的DMC網卡，進行計算機之間的點對點直接內存通信。

　　關鍵詞：通信技術,通信科技,通信發展

　　DMC通信機制中主要通信活動描述如下：(1)發送數據：通信源節點發送數據時，只需用戶使用寫普通內存的方法將數據寫入通信專用區的發送緩沖區中，同時把發送命令寫入通信專用區的網卡命令區。DMC網卡上的通信控制邏輯根據網卡命令區的命令解析結果，從通信專用區的發送緩沖區中取出數據發送至網絡;(2)接收數據：在DMC通信機制的應用環境下，通信目的節點配置有相同的DMC網卡，網絡上的數據經網卡的通信邏輯接收后放入通信專用區的接收緩沖區，同時網卡控制邏輯修改通信專用區中的網卡狀態信息。當用戶需要獲得網絡數據時，只需使用訪問普通內存的方法讀通信專用區的接收緩沖區數據即可。因此，DMC通信機制實現了兩臺計算機內存之間的直接通信。用戶感覺不到DMC網卡的存在，使用訪問普通內存的方法就可以實現計算機間的點對點直接通信。

　　在直接內存通信體系結構中，DMC網卡和內存處于對等的位置，對CPU是透明的，CPU使用操作普通內存的方法操作DMC網卡的通信專用區，用戶通過對DMC網卡的通信專用區進行讀寫來完成網絡通信活動。因此，DMC通信機制避免了數據在網卡設備和內存之間的拷貝，并且通信速率也不再受傳統I/O總線的限制。

　　基于直接內存通信技術DMC以及FPGA片上的存儲區域FIFO(FirstInputFirstOutput，FIFO)和寄存器，作者設計了DMC技術，并將其應用于高速光纖通道交換網的原理樣機FIFO-DMC網卡。FIFO-DMC網卡由一對出口/入口光纖、光收發器、電收發器、FPGA可編程器件組成。FPGA為網卡的控制芯片，是整個系統的核心。其內部邏輯可分為DDR-DIMM內存總線接口邏輯和通信邏輯兩個功能模塊，各部分器件的功能分別如下：(1)光纖用于連接FIFO-DMC網卡和高速光纖交換網絡的對應端口。(2)光收發器負責進行光信號與差分電信號之間的轉換。(1)電收發器用于數據的串/并轉換。(4)FPGA可編程器件從功能上可以分為兩大部分：DDR-DIMM內存總線接口邏輯和通信邏輯，其中DDR-DIMM內存總線接口邏輯包括5個模塊，分別為SPD模塊、命令解析邏輯、時鐘管理邏輯、地址控制邏輯、讀寫控制邏輯，用以完成網卡的通信邏輯以及網絡用戶和通信專用區之間的信息交互。通信邏輯包括發送邏輯、CRC校驗邏輯、接收邏輯、控制邏輯、8B/10B編碼邏輯與8B/10B解碼邏輯5個模塊，用以實現真正的網絡傳輸活動。

　　下面對FIFO-DMC網卡中的主要功能模塊進行簡要介紹。(1)FIFO-DMC網卡的通信專用區按照DMC通信機制的要求，FIFO-DMC網卡的通信專用區按用途分為4塊：接收緩沖區、發送緩沖區、網卡命令區以及網卡狀態區。接收緩沖區和發送緩沖區采用FPGA片上FIFO實現，數據接收FIFO命名為RxFIFO，用來存放網卡接受邏輯從網上接收的數據，用戶使用讀普通內存的方法就可獲取。數據發送FIFO命名為TxFIFO，用來存放用戶待發送的數據，用戶使用寫普通內存的方法把數據放入發送FIFO中，而后網卡的發送邏輯讀取FIFO的內容進行傳輸。數據接收FIFO和數據發送FIFO的容量都為一幀數據的大小。網卡命令區和網卡狀態區采用FPGA片上64位寄存器實現，網卡命令區即網卡命令寄存器COMMAND_REG存放用戶發出的網卡命令。網卡狀態區即網卡狀態寄存器STATE_REG存放網卡的各種狀態信息。DMC軟件或網卡通信邏輯在對網卡進行操作前，讀取COMMAND_REG和STATE_REG的內容，判斷相應位，再根據結果執行相應動作來防止沖突。寄存器中各位置“1”表示有效，在系統初始化時全部清零。(2)SPD模塊SPD模塊使設計出的FIFO-DMC網卡設備保持與普通內存相同的穩定性，能夠正確地被北橋芯片或者CPU芯片中的存儲管理器識別。在FIFO-DMC網卡中使用VHDL語言編程模擬SPD芯片的工作。通過分析，FIFO-DMC網卡的SPD模塊只需使用SPD芯片的5個引腳：SA0、SA1、SA2、SDA和SCL，并且BIOS對SPD模塊只執行讀操作(RandomAddressRead)，所以SPD模塊的結構比較簡單，主要包括START狀態控制以及Ran-domAddressRead命令響應兩個功能模塊。其中，START狀態的控制邏輯比較簡單，主要依靠作為從設備的SPD模塊監聽串行數據線(SDA)和串行時鐘線(SCL)來產生，此處不再贅述。RandomAddressRead命令的響應由一個狀態機來實現，在不同的狀態完成相應的工作。其狀態轉換如圖3所示(該狀態圖由軟件SynplifyPro編譯程序代碼后生成)。(3)命令解析邏輯命令解析邏輯主要接收來自DDR-DIMM內存總線接口的各種內存訪問命令，并對命令進行解析。FIFO-DMC網卡的命令解析邏輯由一個狀態機控制，狀態轉移時設置特定的信號，由該信號觸發相應的讀、寫邏輯。(4)地址解析邏輯此模塊在內存訪問命令到來時，控制地址總線上的行地址和列地址等信息進行地址譯碼工作，尋址被訪問的存儲單元，使得各種數據信息能夠在網絡用戶、網卡的通信邏輯和內存之間正確地完成讀寫工作，協助FPGA中控制邏輯實現網卡的通信活動。由于FIFO-DMC網卡中使用了FPGA芯片上的FIFO和寄存器來模擬通信專用區，因此用戶操作通信專用區時只有4個地址信息：TxFIFO寫端口對應的虛擬地址，RxFIFO讀端口對應的虛擬地址，命令寄存器COMMAND_REG對應的虛擬地址以及網卡狀態寄存器STATE_REG對應的虛擬地址。地址解析邏輯根據用戶訪問的虛擬地址信息定位到通信專用區的某個部分即可。(5)讀寫控制邏輯根據地址解析邏輯尋址出的通信專用區空間以及命令解析邏輯解析的結果，對FPGA的寄存器或者FIFO進行讀寫操作。外部與通信專用區之間傳輸的數據信息主要有3類，分別是通信活動中的數據、用戶寫入網卡命令區的網卡命令以及網卡的狀態信息。

　　直接內存通信技術DMC得以實現的重要根基是預留部分內存空間供DMC通信機制進程專用，這依賴于Linux操作系統提供的靈活機制。因此，DMC網卡的軟件功能包括：(1)實現通信專用區的物理內存預留：依據Linux操作系統對內存的管理辦法，將FIFO-DMC網卡插入內存插槽的高端，使其存儲空間即通信專用區處于內存區的物理地址最高端。然后，我們借助于Linux內核啟動時能接收某些命令行選項或啟動時參數的特性，修改系統引導程序中的啟動配置參數mem，限定內核使用的內存數量。實際物理內存中大于mem值的部分就是預留的內存空間，系統不會使用這片物理內存。(2)實現通信專用區內存的映射：由于Linux操作系統是一個虛擬內存系統，訪問內存是基于虛擬地址空間的，因此為了能夠使用被預留的通信專用區空間，需要把這部分物理內存正確映射到虛擬內存空間中。Linux操作系統提供了至少3種實現內存映射的方法，可以在系統不同時刻將通信專用區映射為I/O內存、內核空間內存或普通用戶空間，考慮到DMC技術中通信專用區需要在用戶態下進行訪問，作者最終選擇使用mmap設備操作方法來實現通信專用區的內存映射。并且，由于在FIFO-DMC網卡的設計中使用FPGA片上FIFO和寄存器模擬實現通信專用區，因此DMC軟件實現對通信專用區映射之后，只需要網卡命令寄存器、網卡狀態寄存器、數據發送FIFO的寫端口和數據接收FIFO的讀端口4個虛擬地址。(3)實現用戶對通信專用區的訪問接口：由于FIFO-DMC網卡硬件邏輯中提供了將通信專用區作為普通內存管理和訪問的功能，因此用戶可以使用訪問普通內存的方法訪問通信專用區。

　　FIFO-DMC網卡的測試平臺采用PC機，CPU為Intel(R)Pentium(R)4，北橋芯片為Intel的RG82865PESL722。FPGA采用ALTERA公司Cyclone的EP1C4芯片，串/并轉換使用德州儀器的tlk2501，光電轉換則選用美國Finisar公司的產品FTRJ8519。示波器為Tektronix的TDS3052。為了降低調試的難度，通過BIOS設置，將內存時鐘頻率200MHz改為100MHz。

　　DDRDIMM接口模塊接收到各種網卡命令后從示波器上看到的波形圖。圖中，FIFO-DMC網卡在通道1(圖中標號為1的那條線)的上升沿鎖存信號。經測試，FIFO-DMC網卡能在開機的BIOS自檢中被識別為內存設備，正確響應CPU的讀寫命令，并能在操作系統引導時預留共享存儲區，證明了直接內存通信DMC通信機制是正確的和可行的。

　　擴頻信號不相關，所以被擴展到一個很寬的頻帶上，使之進入信號通頻帶內的干擾功率大大降低，相應地增加了相關器輸出端的信號/干擾比，因此擴頻通信系統具有很好的抗干擾性能，非常適于移動通信。

　　擴頻通信系統具有非常強的選擇性尋址能力，可以采用碼分多址(CDMA)的方式組成多址通信網。多址通信網內的所有接收機和發射機都可以同時使用相同的頻率工作。采用擴頻通信技術構成多址通信網時，比常規通信體制更易于實現網絡的同步，便于實現靈活的隨機接入;同時，也便于利用計算機進行信息的控制和交換。

　　擴頻信號的頻譜結構主要是由擴頻碼決定的，而與待傳輸的信息基本無關，因此擴頻通信中信息的安全程度取決于所使用的擴頻碼。擴頻通信系統可以使用周期很長的偽隨機碼，在一個周期中偽隨機碼具有隨機特性，因此經過其調制后的數字信息類似于隨機噪聲。有的擴頻通信系統可以在信噪比為-20～−15dB的條件下工作，對方很難測出信號的參數，從而達到安全保密通信的目的。此外，擴頻信號還可以進行信息加密，對傳送的信息進行保護。

　　多徑問題是長期以來一直困擾通信系統的一大難題，特別是對于移動通信系統來說這一問題解決起來更為復雜和困難。擴頻通信技術則使解決這一難題成為可能。這是因為該項技術具有很強的抗多徑能力，只要滿足一定的條件，就可以達到抗干擾的目的，甚至還可以利用多徑能量來提高系統的性能，在一般的擴頻系統中，這個條件很容易得到滿足。

　　擴頻通信系統對其他通信系統的干擾比較小，這是因為擴頻通信系統的頻譜密度低。由于擴頻信號擴展了頻帶，因此在輸出信號功率相同的情況下，降低了輸出信號單位頻帶內的功率，從而降低了系統在單位頻帶內電波的通量密度。擴頻通信系統的這一特點對空間通信極為有利。

　　雖然DS、FH、TH等單一的擴頻方式都具有較強的抗干擾性能，但它們也都有各自的缺陷。例如，DS擴頻方式的缺點是碼捕獲時間較長、抗窄帶瞄準干擾能力有限、“遠—近”效應影響較大等;FH擴頻方式的不足之處是抗跟蹤干擾能力、抗寬帶噪聲干擾能力差等;TH擴頻方式的主要缺點是對定時要求嚴格等。因此，在實際應用中，單一的擴頻方式往往不能滿足實際通信的需要，特別是在需要同時解決諸如抗干擾、多址組網、定時定位、抗多徑、降低“遠—近”效應等一系列問題的情況下，需要將兩種或多種擴頻方式結合起來，以便彌補單一擴頻方式的不足，解決某些技術難點，提高通信系統的綜合性能。而且，采用混合式擴頻技術還有利于增強系統設計的靈活性，降低技術難度和成本。所以，進一步研究混合式擴頻系統(如FH/DS、TH/DS、FH/TH、DS/FH/TH等)是今后的重要發展方向之一。

　　短波差分跳頻通信(又稱“短波相關跳頻通信”)是近年來發展起來的一種有別于常規跳頻通信的一種新型跳頻體制，它的主要特點就是將調制和編碼統一起來，較好地解決了提高數據傳輸速率和抗跟蹤式干擾等問題。短波差分跳頻通信系統是以先進的數字信號處理技術及高速的DSP芯片為基礎設計的，該系統硬件結構簡單，易于采用數字化軟件無線電的架構，擁有傳輸速率高、抗跟蹤干擾能力強、頻譜復用、抗衰落性能好等優勢，是近年來擴頻通信領域一個重要的發展方向。作為一種全新的通信體制，目前短波差分跳頻通信存在著跳頻圖案的二維連續性和隨機性較差、寬帶頻率選擇困難、誤碼傳播以及組網困難等問題，因此尚未進入實用化階段，針對該種擴頻方式，在相關跳頻算法設計、抗干擾算法、多址性能、組網等方面仍需要開展更加深入的研究工作，解決其中的技術難點。

　　混沌系統的類隨機特性非常適于通信的噪聲偽裝調制，而且，通過混沌系統對初始相位敏感的依賴性，可提供數量極多、非相關、類隨機、又是確定且易于產生與再生的信號，所以混沌序列特別適合作為擴頻通信中的擴頻碼。而且，由于混沌擴頻序列沒有周期，類似于一個隨機過程，所以系統的保密性好，很難破譯。混沌擴頻通信是目前混沌應用研究最熱門的發展方向之一，當前采用混沌擴頻序列的CDMA系統尚未得到實際應用，還需要開展進一步的研究工作。

　　跳頻技術與多種高效調制技術主要應用于民用通信系統中，但是，由于無需考慮跟蹤式干擾或轉發式干擾等敵對干擾，其跳速通常較慢。在今后的研究工作中，應著重探索如何將高速跳頻技術與高效調制解調技術進行有機的結合，充分發揮其特點，以便達到理想的通信效果。

　　基于DSP(數字信號處理器)的擴頻通信是指硬件設備采用DSP作為核心處理器，通信部分采用抗干擾性、保真性好的擴頻無線通信。擴頻通信的實現對硬件要求較高，由于DSP芯片具有很強的數據運算和處理能力，且精度較高，因此可以較好地適用于擴頻通信，兩者的結合通過優勢互補實現了通信功能的完善，這是目前該技術研究的重點。當前，該技術主要用于水下通信和地下礦井移動通信中。