基于FPGA 的ATM SAR 及其接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　引言

　　近年來，寬帶接入技術(shù)得到了飛速的發(fā)展,其中非對(duì)稱用戶數(shù)字線路技術(shù)（ADSL）能利 用現(xiàn)有的電話網(wǎng)絡(luò)資源，具有投資少見效快等優(yōu)點(diǎn)，成為向B - ISDN 的最佳過渡形式之一。 在ADSL系統(tǒng)中，由數(shù)字用戶接入復(fù)用器（DSLAM）完成ATM的終結(jié)和路由，該模型分為4 層，自上而下分為高層、AAL層、ATM層和物理層，這里高層是指RFC1483及其以上各層， AAL層又分為拆分與組裝子層（SAR）和匯聚子層（CS）兩個(gè)子層，ATM層主要完成信元 復(fù)用/解復(fù)用、有關(guān)信元頭的操作以及流控等功能，UTOPIA（ATM的通用測(cè)試和操作物理接 口）位于ATM層和物理層之間，規(guī)范ATM層和物理層之間的信號(hào)電平和時(shí)序定義，物理層 的主要任務(wù)是物理線路編碼和信息傳輸。當(dāng)前，ATM SAR功能和UTOPIA接口由專用通信處 理芯片MPC866處理器來完成，成本較高功能固定，靈活性較差。針對(duì)特定的AAL5業(yè)務(wù)采 用FPGA芯片來實(shí)現(xiàn)AAL層中SAR子層功能和ATM層功能，，即在通用微處理器的環(huán)境中實(shí) 現(xiàn)ATM接口，增強(qiáng)產(chǎn)品的靈活性，同時(shí)降低成本,對(duì)替代專用通信芯片具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。

　　1 ATM 協(xié)議概述

　　ATM 是一個(gè)分組協(xié)議，利用異步傳輸模式規(guī)程，來自不同信源的數(shù)據(jù)經(jīng)由相同的物理 信道發(fā)送，所設(shè)計(jì)的協(xié)議滿足不同用戶應(yīng)用的需要。

　　ATM 協(xié)議棧，為了有效地處理不同的業(yè)務(wù)，協(xié)議被構(gòu)造為層次體系結(jié)構(gòu)，每層實(shí)現(xiàn)特 定的功能，圖1-1 顯示了通用的協(xié)議棧。高層協(xié)議包括應(yīng)用層、表示層、傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層。 應(yīng)用層的例子有用于傳送文件傳輸協(xié)議、簡單郵件傳送協(xié)議（SMTP）、提供虛擬終端服務(wù) 的Telnet 協(xié)議等，傳輸控制協(xié)議（TCP）和Internet 協(xié)議（IP）則分別是傳輸層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò) 層協(xié)議。

　　ATM 傳送信息的基本載體是ATM 信元，信元長度為53 字節(jié)，分為信頭和凈荷兩部分， 信頭為5 字節(jié)，凈荷為48 字節(jié)。ATM 層主要完成信元復(fù)用／解復(fù)用，有關(guān)信頭的操作，以 及流量控制。信元復(fù)用／解復(fù)用在ATM 層和物理層的TC 子層接口處完成，發(fā)送端ATM 層 將具有不同VPI/VCI 的信元復(fù)用在一起交給物理層；接收端ATM 層識(shí)別物理層送來的信元 的VPI/VCI，并將各信元送到不同的模塊處理，如識(shí)別出信令信元就交控制面處理，若為 OAM 等管理信元?jiǎng)t交管理面處理。信頭操作指VPI/VCI 翻譯，翻譯的依據(jù)是連接建立時(shí)所 分配的VPI、VCI 的值。

　　一對(duì)一模式下，如何實(shí)現(xiàn)物理層－ATM 層－AAL 層間簡單的ATM 協(xié)議，如何滿足備 用鏈路或多種類型的物理層共享一個(gè)ATM層的需求，如何在同一ATM層上同時(shí)支持AAL1、 無連接數(shù)據(jù)服務(wù)（AAL3/4）和面向連接數(shù)據(jù)服務(wù)？為此，提出了UTOPIA，即ATM 的通用 測(cè)試和操作物理接口（Universal Test and Operations PHY Interface for ATM）。 UTOPIA 是連接ATM 層和物理層的接口，允許物理層以不同的速度在不同的媒質(zhì)上進(jìn) 行數(shù)據(jù)傳輸，它包括收發(fā)數(shù)據(jù)端口、控制信號(hào)和地址信號(hào)。

　　UTOPIA LEVEL1 和LEVEL2 主 要在地址信號(hào)的定義上有所不同，其中LEVEL1 未定義地址信號(hào)，主要針對(duì)單個(gè)物理通道 （Single-PHY）的情況，最大工作頻率25MHz，支持物理層傳輸速率達(dá)到155Mbps，能夠 很好地支持OC-1、OC-3 等同步數(shù)字網(wǎng)的典型傳輸速率；LEVEL2 針對(duì)多個(gè)物理通道 （Multi-PHY）的情況，比LEVEL1 多了兩組地址信號(hào)，最多支持31 個(gè)PHY 端口（地址0～ 30，地址31 起端口分隔作用），最大工作頻率50MHz，支持物理層傳輸速率達(dá)到622Mbps， 能夠很好地支持OC-12、OC-12c 等同步數(shù)字網(wǎng)的典型傳輸速率。

　　2 ATM SAR 及UTOPIA 實(shí)現(xiàn)

　　針對(duì) AAL5 業(yè)務(wù)類型，方案設(shè)計(jì)內(nèi)容包括用FPGA 芯片實(shí)現(xiàn)UTOPIA 接口的讀、寫時(shí) 序控制、實(shí)現(xiàn)ATM SAR 功能及完成FPGA 與ARM 處理器上連通信。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的全部功 能都包括發(fā)送和接收兩個(gè)方向，其中UTOPIA 接口需滿足ATM Forum 提出的Level1 和 Level2 標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收的流程來劃分功能模塊，分為CS 子層數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、ATM SAR 模塊和UTOPIA 接口模塊，發(fā)送和接收過程均為獨(dú)立的模塊。

　　2.1 總體方案概述

　　如圖 2-1 系統(tǒng)總體框圖可知，F(xiàn)PGA 完成的工作包括對(duì)UTOPIA 總線的讀寫時(shí)序控制、 實(shí)現(xiàn)ATM SAR 功能和與ARM 處理連接。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的全部功能都包括發(fā)送和接收兩個(gè)方向， 詳細(xì)流程如下。

　?。?）發(fā)送流程：FPGA 存儲(chǔ)器接收CS 子層發(fā)送來的CPCS-PDU 包，將數(shù)據(jù)拆分成48 字節(jié)的SAR-PDU，然后加上5 個(gè)字節(jié)的信元頭，得到53 字節(jié)的信元存入發(fā)送存儲(chǔ)器中，由 FPGA 控制UTOPIA 接口發(fā)送時(shí)序發(fā)送到物理層去。

　　（2）接收流程：由FPGA 控制UTOPIA 接口接收時(shí)序接收來自物理層的53 字節(jié)信元 存入接收存儲(chǔ)器中，剝?nèi)バ旁^，由信元頭的PT 域指示數(shù)據(jù)的開始、中間和結(jié)束，將接收 到的信元還原成完整的一個(gè)CPCS-PDU 包存入FPGA 存儲(chǔ)器后發(fā)送給CS 子層。

　　2.2 發(fā)送流程模塊設(shè)計(jì)

　　根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送的流程來劃分功能模塊，分為 CS 子層數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)模塊、ATM SAR 模塊 和UTOPIA 接口發(fā)送模塊三個(gè)主要功能模塊。

　　CPCS-PDU 存儲(chǔ)模塊:實(shí)現(xiàn)：CPCS-PDU 存儲(chǔ)模塊輸入數(shù)據(jù)寬度為16 位，輸出數(shù)據(jù)寬度 為8 位，有可讀/寫、片選信號(hào)和地址總線。上層先查詢RAM 的可寫（WR）信號(hào)有效時(shí)， 將CPCS-PDU 包發(fā)送到16 位數(shù)據(jù)總線上，一個(gè)包發(fā)完后置RAM 的片選（CS）信號(hào)為無效； RAM 將數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)順序存入，并對(duì)PDU 包的字節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)，用RAM 的頭兩個(gè)字節(jié)存放 包的長度，3～6 字節(jié)存入VPI/VCI 值。一個(gè)PDU 包存入后置可寫（WR）信號(hào)無效，置可 讀（RD）信號(hào)有效。

　　SAR 拆分和ATM 模塊實(shí)現(xiàn)：首先在ATM 層創(chuàng)建一發(fā)送FIFO，用來存放ATM 層生成的 信元。在發(fā)送雙口RAM 可讀的狀態(tài)下，從CPCS-PDU 存儲(chǔ)器讀出頭2 個(gè)字節(jié)（即數(shù)據(jù)包的 長度）與48 比較，大于48，生成中間信元；等于48 生成末尾信元，存入FIFO，準(zhǔn)備發(fā)送。

　　UTOPIA 發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)：UTOPIA 接口實(shí)現(xiàn)采用信元級(jí)握手傳輸方式，它是以信元為單 位進(jìn)行傳輸，傳輸中的控制信號(hào)是以信元為基礎(chǔ)的。設(shè)計(jì)一個(gè)發(fā)送控制模塊，通過地址信號(hào) 輪詢PHY 層狀態(tài)，接收來自ATM 層的UTOPIA 控制信號(hào)、物理層的控制信號(hào)以及發(fā)送FIFO 的狀態(tài)信號(hào)，控制信元一個(gè)一個(gè)地從ATM 層發(fā)送到物理層，時(shí)序要求滿足ATM 論壇關(guān)于 UTOPIA 接口Level1 和Level2 標(biāo)準(zhǔn)。

　　2.3 接收模塊流程設(shè)計(jì)

　　根據(jù)數(shù)據(jù)接收的流程來劃分功能模塊，分為UTOPIA 接口接收模塊、ATM SAR 組裝模 塊和接收SAR-PDU 存儲(chǔ)模塊三個(gè)主要功能模塊。

　　UTOPIA 接收模塊模塊實(shí)現(xiàn)：首先在ATM 層創(chuàng)建一個(gè)接收FIFO，再設(shè)計(jì)一個(gè)接收控制 模塊，通過地址信號(hào)輪詢PHY 層狀態(tài)，接收來自ATM 層的UTOPIA 控制信號(hào)、物理層的 控制信號(hào)以及接收FIFO 的狀態(tài)信號(hào)，控制信元一個(gè)一個(gè)地從物理層傳送到ATM的FIFO 中。

　　ATM和SAR 組裝模塊實(shí)現(xiàn)：在SAR-PDU存儲(chǔ)器可寫的狀態(tài)下，不斷讀入信元接收FIFO 的53 字節(jié)數(shù)據(jù)，剝?nèi)バ旁^還原為SAR-PDU，由信元標(biāo)識(shí)PT 來判斷SAR-PDU 是中間還 是末尾數(shù)據(jù)包，并計(jì)算CPCS-PDU 包長度，最后在SAR-PDU 存儲(chǔ)器中存入一個(gè)完整的 CPCS-PDU 包，包的長度存入存儲(chǔ)器的頭兩個(gè)字節(jié)中。

　　接收 SAR-PDU 存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)：接收SAR-PDU 存儲(chǔ)模塊輸入數(shù)據(jù)寬度為8 位，輸出數(shù)據(jù) 寬度為16 位，有可讀/寫、片選信號(hào)和地址總線，如圖4-8?？蓪?WR)信號(hào)有效時(shí)，RAM從第六個(gè)字節(jié)開始順序存入SAR-PDU（頭2 個(gè)字節(jié)放包長，后4 個(gè)字節(jié)存放VPI/VCI 值）， 直到存入最后一個(gè)SAR-PDU，RAM 頭兩個(gè)字節(jié)存入CPCS-PDU 包的長度，置可寫（WR） 信號(hào)無效，置可讀（RD）信號(hào)有效，此時(shí)一個(gè)完整的CPCS-PDU 包已經(jīng)存好，供CS 子層 讀取。

　　3 軟、硬件調(diào)試

　　編寫基于ARM7處理器μcLinux 系統(tǒng)下的CPCS-PDU 數(shù)據(jù)包的收發(fā)程序，在Red Hat9.0 系統(tǒng)中（ARM 工具鏈已建立好）編譯通過后，下載到在ECPB 板上運(yùn)行。程序主要完成ARM 處理器對(duì)外設(shè)FPGA 的復(fù)位、讀、寫等操作，流程圖如圖3-1 所示。

　　QuartusⅡ軟件的SignalTapⅡ邏輯分析儀可以用來采集FPGA 內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和I/O 引腳信號(hào)， 通過JTAG 端口送往邏輯分析儀顯示。調(diào)試過程中主要利用SignalTapⅡ邏輯分析儀和示波 器，通過收、發(fā)數(shù)據(jù)包來驗(yàn)證FPGA 中數(shù)據(jù)處理的正確性。

　　調(diào)試步驟如下：

　?。?）ARM 測(cè)試程序和FPGA 程序下載；

　?。?）ECPB 板ARM 初始化配置、CMTC 板UTOPIA 接口初始化等；

　?。?）程序運(yùn)行； 按照上述步驟驗(yàn)證 FPGA 芯片設(shè)計(jì)是否滿足任務(wù)需求。經(jīng)過發(fā)送和接受數(shù)據(jù)包測(cè)試后得 出，經(jīng)反復(fù)數(shù)據(jù)測(cè)試比對(duì)，F(xiàn)PGA 工作正常，滿足任務(wù)要求。

　　4 結(jié)束語

　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于對(duì) ATM 技術(shù)和UTOPIA 接口時(shí)序進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的分析與研究， 以替代現(xiàn)有專用通信處理器為目標(biāo)，提出了一種采用FPGA 來實(shí)現(xiàn)ATM SAR 和UTOPIA 接 口的解決方法。設(shè)計(jì)好的FPGA 芯片與上層ARM 處理器和物理層CMTC 板對(duì)接后應(yīng)用于 ADSL 測(cè)試系統(tǒng)中，在數(shù)據(jù)接收和發(fā)送兩個(gè)方向，F(xiàn)PGA 均正確完成上述功能，且工作穩(wěn)定， 具備了專用通信處理器MPC866 同樣的功效。作者相信，本文的研究成果，即采用FPGA 在基于ARM 處理器的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了ATM 接口，對(duì)于ATM 應(yīng)用領(lǐng)域的成本降低和靈活性有 著較大的實(shí)際意義，也為替代專用通信芯片邁出了成功的一步。