摘要：我們把通信專用區(qū)按照以下4種用途進行分配：接收緩沖區(qū)、發(fā)送緩沖區(qū)、網(wǎng)卡命令區(qū)以及網(wǎng)卡狀態(tài)區(qū)。然后，根據(jù)相應的通信協(xié)議如FC協(xié)議進行網(wǎng)絡通信活動，通過訪問通信專用區(qū)，控制具有通信控制邏輯、并串轉換/串并轉換器和光收發(fā)器等部件的DMC網(wǎng)卡，進行計算機之間的點對點直接內(nèi)存通信。

　　關鍵詞：通信技術,通信科技,通信發(fā)展

　　DMC通信機制中主要通信活動描述如下：(1)發(fā)送數(shù)據(jù)：通信源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，只需用戶使用寫普通內(nèi)存的方法將數(shù)據(jù)寫入通信專用區(qū)的發(fā)送緩沖區(qū)中，同時把發(fā)送命令寫入通信專用區(qū)的網(wǎng)卡命令區(qū)。DMC網(wǎng)卡上的通信控制邏輯根據(jù)網(wǎng)卡命令區(qū)的命令解析結果，從通信專用區(qū)的發(fā)送緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡;(2)接收數(shù)據(jù)：在DMC通信機制的應用環(huán)境下，通信目的節(jié)點配置有相同的DMC網(wǎng)卡，網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)卡的通信邏輯接收后放入通信專用區(qū)的接收緩沖區(qū)，同時網(wǎng)卡控制邏輯修改通信專用區(qū)中的網(wǎng)卡狀態(tài)信息。當用戶需要獲得網(wǎng)絡數(shù)據(jù)時，只需使用訪問普通內(nèi)存的方法讀通信專用區(qū)的接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)即可。因此，DMC通信機制實現(xiàn)了兩臺計算機內(nèi)存之間的直接通信。用戶感覺不到DMC網(wǎng)卡的存在，使用訪問普通內(nèi)存的方法就可以實現(xiàn)計算機間的點對點直接通信。

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

　　基于直接內(nèi)存通信技術DMC以及FPGA片上的存儲區(qū)域FIFO(FirstInputFirstOutput，F(xiàn)IFO)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(wǎng)的原理樣機FIFO-DMC網(wǎng)卡。FIFO-DMC網(wǎng)卡由一對出口/入口光纖、光收發(fā)器、電收發(fā)器、FPGA可編程器件組成。FPGA為網(wǎng)卡的控制芯片，是整個系統(tǒng)的核心。其內(nèi)部邏輯可分為DDR-DIMM內(nèi)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(wǎng)卡和高速光纖交換網(wǎng)絡的對應端口。(2)光收發(fā)器負責進行光信號與差分電信號之間的轉換。(1)電收發(fā)器用于數(shù)據(jù)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(nèi)存總線接口邏輯和通信邏輯，其中DDR-DIMM內(nèi)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(wǎng)卡的通信邏輯以及網(wǎng)絡用戶和通信專用區(qū)之間的信息交互。通信邏輯包括發(fā)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(xiàn)真正的網(wǎng)絡傳輸活動。

　　下面對FIFO-DMC網(wǎng)卡中的主要功能模塊進行簡要介紹。(1)FIFO-DMC網(wǎng)卡的通信專用區(qū)按照DMC通信機制的要求，F(xiàn)IFO-DMC網(wǎng)卡的通信專用區(qū)按用途分為4塊：接收緩沖區(qū)、發(fā)送緩沖區(qū)、網(wǎng)卡命令區(qū)以及網(wǎng)卡狀態(tài)區(qū)。接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)采用FPGA片上FIFO實現(xiàn)，數(shù)據(jù)接收FIFO命名為RxFIFO，用來存放網(wǎng)卡接受邏輯從網(wǎng)上接收的數(shù)據(jù)，用戶使用讀普通內(nèi)存的方法就可獲取。數(shù)據(jù)發(fā)送FIFO命名為TxFIFO，用來存放用戶待發(fā)送的數(shù)據(jù)，用戶使用寫普通內(nèi)存的方法把數(shù)據(jù)放入發(fā)送FIFO中，而后網(wǎng)卡的發(fā)送邏輯讀取FIFO的內(nèi)容進行傳輸。數(shù)據(jù)接收FIFO和數(shù)據(jù)發(fā)送FIFO的容量都為一幀數(shù)據(jù)的大小。網(wǎng)卡命令區(qū)和網(wǎng)卡狀態(tài)區(qū)采用FPGA片上64位寄存器實現(xiàn)，網(wǎng)卡命令區(qū)即網(wǎng)卡命令寄存器COMMAND_REG存放用戶發(fā)出的網(wǎng)卡命令。網(wǎng)卡狀態(tài)區(qū)即網(wǎng)卡狀態(tài)寄存器STATE_REG存放網(wǎng)卡的各種狀態(tài)信息。DMC軟件或網(wǎng)卡通信邏輯在對網(wǎng)卡進行操作前，讀取COMMAND_REG和STATE_REG的內(nèi)容，判斷相應位，再根據(jù)結果執(zhí)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(tǒng)初始化時全部清零。(2)SPD模塊SPD模塊使設計出的FIFO-DMC網(wǎng)卡設備保持與普通內(nèi)存相同的穩(wěn)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(wǎng)卡中使用VHDL語言編程模擬SPD芯片的工作。通過分析，F(xiàn)IFO-DMC網(wǎng)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(zhí)行讀操作(RandomAddressRead)，所以SPD模塊的結構比較簡單，主要包括START狀態(tài)控制以及Ran-domAddressRead命令響應兩個功能模塊。其中，START狀態(tài)的控制邏輯比較簡單，主要依靠作為從設備的SPD模塊監(jiān)聽串行數(shù)據(jù)線(SDA)和串行時鐘線(SCL)來產(chǎn)生，此處不再贅述。RandomAddressRead命令的響應由一個狀態(tài)機來實現(xiàn)，在不同的狀態(tài)完成相應的工作。其狀態(tài)轉換如圖3所示(該狀態(tài)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(nèi)存總線接口的各種內(nèi)存訪問命令，并對命令進行解析。FIFO-DMC網(wǎng)卡的命令解析邏輯由一個狀態(tài)機控制，狀態(tài)轉移時設置特定的信號，由該信號觸發(fā)相應的讀、寫邏輯。(4)地址解析邏輯此模塊在內(nèi)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(shù)據(jù)信息能夠在網(wǎng)絡用戶、網(wǎng)卡的通信邏輯和內(nèi)存之間正確地完成讀寫工作，協(xié)助FPGA中控制邏輯實現(xiàn)網(wǎng)卡的通信活動。由于FIFO-DMC網(wǎng)卡中使用了FPGA芯片上的FIFO和寄存器來模擬通信專用區(qū)，因此用戶操作通信專用區(qū)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(wǎng)卡狀態(tài)寄存器STATE_REG對應的虛擬地址。地址解析邏輯根據(jù)用戶訪問的虛擬地址信息定位到通信專用區(qū)的某個部分即可。(5)讀寫控制邏輯根據(jù)地址解析邏輯尋址出的通信專用區(qū)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(qū)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息主要有3類，分別是通信活動中的數(shù)據(jù)、用戶寫入網(wǎng)卡命令區(qū)的網(wǎng)卡命令以及網(wǎng)卡的狀態(tài)信息。

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

　　FIFO-DMC網(wǎng)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(chǎn)品FTRJ8519。示波器為Tektronix的TDS3052。為了降低調(diào)試的難度，通過BIOS設置，將內(nèi)存時鐘頻率200MHz改為100MHz。

　　DDRDIMM接口模塊接收到各種網(wǎng)卡命令后從示波器上看到的波形圖。圖中，F(xiàn)IFO-DMC網(wǎng)卡在通道1(圖中標號為1的那條線)的上升沿鎖存信號。經(jīng)測試，F(xiàn)IFO-DMC網(wǎng)卡能在開機的BIOS自檢中被識別為內(nèi)存設備，正確響應CPU的讀寫命令，并能在操作系統(tǒng)引導時預留共享存儲區(qū)，證明了直接內(nèi)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(nèi)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(tǒng)具有很好的抗干擾性能，非常適于移動通信。

　　擴頻通信系統(tǒng)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(wǎng)。多址通信網(wǎng)內(nèi)的所有接收機和發(fā)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(wǎng)時，比常規(guī)通信體制更易于實現(xiàn)網(wǎng)絡的同步，便于實現(xiàn)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?shù)男畔⒒緹o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(tǒng)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(jīng)過其調(diào)制后的數(shù)字信息類似于隨機噪聲。有的擴頻通信系統(tǒng)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(shù)，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(tǒng)的一大難題，特別是對于移動通信系統(tǒng)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(tǒng)的性能，在一般的擴頻系統(tǒng)中，這個條件很容易得到滿足。

　　擴頻通信系統(tǒng)對其他通信系統(tǒng)的干擾比較小，這是因為擴頻通信系統(tǒng)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(nèi)的功率，從而降低了系統(tǒng)在單位頻帶內(nèi)電波的通量密度。擴頻通信系統(tǒng)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(wǎng)、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(tǒng)的綜合性能。而且，采用混合式擴頻技術還有利于增強系統(tǒng)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(tǒng)(如FH/DS、TH/DS、FH/TH、DS/FH/TH等)是今后的重要發(fā)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(fā)展起來的一種有別于常規(guī)跳頻通信的一種新型跳頻體制，它的主要特點就是將調(diào)制和編碼統(tǒng)一起來，較好地解決了提高數(shù)據(jù)傳輸速率和抗跟蹤式干擾等問題。短波差分跳頻通信系統(tǒng)是以先進的數(shù)字信號處理技術及高速的DSP芯片為基礎設計的，該系統(tǒng)硬件結構簡單，易于采用數(shù)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(yōu)勢，是近年來擴頻通信領域一個重要的發(fā)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(xù)性和隨機性較差、寬帶頻率選擇困難、誤碼傳播以及組網(wǎng)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(wǎng)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(tǒng)的類隨機特性非常適于通信的噪聲偽裝調(diào)制，而且，通過混沌系統(tǒng)對初始相位敏感的依賴性，可提供數(shù)量極多、非相關、類隨機、又是確定且易于產(chǎn)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(tǒng)的保密性好，很難破譯?；煦鐢U頻通信是目前混沌應用研究最熱門的發(fā)展方向之一，當前采用混沌擴頻序列的CDMA系統(tǒng)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(diào)制技術主要應用于民用通信系統(tǒng)中，但是，由于無需考慮跟蹤式干擾或轉發(fā)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(diào)制解調(diào)技術進行有機的結合，充分發(fā)揮其特點，以便達到理想的通信效果。

　　基于DSP(數(shù)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(xiàn)對硬件要求較高，由于DSP芯片具有很強的數(shù)據(jù)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(yōu)勢互補實現(xiàn)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。