（通信与信息系统专业论文）sdh复用设备的高性价比监控板设计.pdf

兰州走学研究生荦住论丈 摘要 光纤通信技术是现代数字通信领域内的热点，发展非常迅猛，并且得到广泛 的应用。目前s d h 基本上取代了准同步数字序列( p d h ) ，在应用上也由长途传输 网逐渐转向本地网和接入网。 近年来，光纤通信设备的研究与开发也直是高校、研究机构和通信设备制 造商的重点工作，其中设备监控板在光纤通信网元中扮演的角色至关重要。本文 主要说明用于s d h ( s d h ：s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ，同步数字体系) 复用设备 的一种高性价比监控板的设计与实现。 本文首先介绍s d h 的背景知识、s d h 复用设备的结构及其网络监视控制板 的功能要求。然后阐述了监控板的硬件设计和实现。在此基础上，详细地说明了 用于高速s p i 接口实现的c p l d 模块的v h d l 程序设计，并对单片机程序结构 做了一些介绍。最后，通过系统的调测结果的说明，验证了设计的可行性。 关键字：s d h 监控板单片机c p l d 兰州大学研究生学住论文 a b s t r a c t o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y i sa h o t s p o t i nm o d e md i g i t a l c o m m u n i c a t i o n s i th a sa c q u i r e di n t e n s i v er e s e a r c hi n t e r e s t i n ga n dh a sb e e nw i d e l y a p p l i e d a tp r e s e n ts t a g e ，m o s to b s o l e t ep d hs y s t e mh a sb e e nr e p l a c e dw i t hs d h t e c h n o l o g y t h ea p p l i c a t i o no fp d h h a sg e n e r a l l yb e e ns h i f t e df r o ml o n g - d i s t a n c e t r a n s m i s s i o nn e t w o r kt oc o n n e c ta n dl o c a lt r a n s m i s s i o nn e t w o r kg r a d u a l l y i nr e c e n t y e a r s ，m o r e a n dm o r e c o l l e g e s ，r e s e a r c h i n s t i t u t i o n sa n d c o m m u n i c a t i o nd e v i c e sm a n u f a c t u r e r sf o c u st h e i re f f o r t so no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n d e v i c e s d e v i c es u p e r v i s i o nu n i tp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l e t h i st h e s i sm a i n l y d i s c u s s e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fah i 曲p e r f o r m a n c eb u tl o wc o s ts u p e r v i s i o n u n i ti ns d hm u l t i p l e x i e r t h et h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e sb a s i ck n o w l e d g eo f s d h a n dt h ek n o w l e d g eo f s t r u c t u r eo fs d h m u l f i p l e x i e ra n df u n c t i o nr e q u e s t so fn e t w o r ks u p e r v i s i o nu n i t t h e n t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f h a r d w a r ea r ed e s c r i b e d i nt h ef o l l o w i n gc h a p t e r ，v h d l p r o g r a md e s i g no f c p l dm o d u l ef o rt h ei m p l e m e n t a t i o no f h i g hs p e e ds p ii n t e r f a c e i si l l u m i n a t e di nd e t a i l t h ef m w a r eo ft h em c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) i sa l s o d e s i g n e di np a r t i c u l a r f i n a l l y ，t h ef e a s i b i l i t yo f t h ed e s i g ni sv a l i d a t e dv i at h e d e m o n s t r a t i o no f d e b u g g i n ga n dt e s t i n g k e y w o r d s ：s d hs u p e r v i s i o n - u n i t m c uc p l d i i 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的 成果、数据、观点等，均己明确注明出处。除文中已经注明引用的内 容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对 本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名船师签名：聋丝日期：心 兰州大学研究生擘住论文 第1 章绪论 随着社会进步、科学技术的发展，人类己开始进入了信息时代，而高度发达 的信息社会要求得到更高质量的信息服务，以实现多种多样的信息业务。同步数 字体系( s d h ：s y n e h r o n o u sd i g it a lh i e r a r c h y ) 正是当今世界信息领域在传输技 术方面的发展和应用热点，它是一个将复接、线路传输及交换功能融为一体的、 并由统一网管系统操作的综合信息传送网络，可实现诸如网络的有效管理、开业 务时的性能监视、动态网络维护、不同供应厂商设备之间的互通等多项功能：它 大大提高了网络资源利用率，并显著降低了管理和维护费用，实现了灵活、可靠 和高效的网络运行与维护，因而在现代信息传输网络中占据重要地位“。 1 1s d h 基本知识 1 1 1s 阴产生背景 伴随着光纤通信的发展，其中所采用的数字复用技术也在不断变化。但从复 用方式上看，不管是以2 m b s 为基础，还是以1 5 m b s 为基础，在四次群以下的 复用方式都采用准同步方式进行复接的，称为准同步数字系列( p d t t ) ，准同步数 字复接设备很好地适应了数字通信网自7 0 年代代以来的逐步要求扩容，传输一 般宽带数字业务的要求。但是在p d h 中，各速率等级虽规定了速率，支路信号可 来自不同的设备，这些设备有各自独立的时钟源，因而来自不同设备的同一速率 等级的支路信号其速率并不一定严格相等。 总之，p d h 在此以前对数字通信的发展起过很重要的作用，但是在数字通信， 特别是数字通信网和现代信息网络的进步发展中，也暴露了些固有的弱点。 p d h 存在的主要问题： ( 1 ) p d h 主要是为话音业务设计，而现代通信的趋势是宽带化、智能化和 个人化。 ( 2 ) p d h 传输线路主要是点对点连接，缺乏网络拓扑的灵活性，使得数字 通信设备的利用率较低，造成网络的调度性较差，同时也很难实现良 好的自愈功能。 ( 3 ) 存在的两大类或三种地区性标准( 日本、北美和欧洲) 在世界范围内统一 困难。p d h 有两种基础速率，其一是以1 5 4 4 m b i t s 作为第一级的基础速率，采 用的国家有美国、日本等：其二是以2 0 4 8 m b i t s 作为第一级的基础速率，采用 的国家有欧洲多国和中国。以这两种基础速率往上复接通过码速调整逐级实现。 现行的p n f 技术体系中只有1 5 4 4 m b i t s 和2 0 4 8 m b it s 的基群信号。 兰州欠荦研究生擘住论文 ( 4 ) 上下支路困难。p d h 各速率等级帧长不同，复接时高次群的一帧中容不 下低次群的一帧信号，因而使得低次群帧的起始点在商次群帧中没有固定位置， 也无规律可循。从而引起上下支路必须采用背靠背设备，逐级分接出要下的支 路，将不需要卸下的支路再逐级复接上去，造成设备的极大浪费，从而增加了设 备的复杂性、体积和功耗，使信号产生损伤，同时也难以实现低速和高速信号间 的直接互通。 ( 5 ) 横向不兼容。p d h 系列的设备虽然电接口( g 7 0 3 ) 己成标准，但没有统一 的光接口标准，致使不同厂家的设备，甚至同一厂家不同型号的设备光接口各不 相同，不能互连。无法实现横向兼容，大大限制了组网应用的灵活性。 ( 6 ) 用于网络运行、管理、维护和指配( 0 a i p ) 的开销比特很少，难以满足用 户的要求。p d h 技术体系中没有安排很多的比特，只有通过线路编码来安排一些 插入比特用于监控，因此用于网络管理的通道明显不足，仅依靠手工方式实现数 字信号连接等功能，难以满足用户对网络动态组网和新业务接入的要求。 1 1 2s o h 概念和特点 1 9 8 5 美国国家标准协会( a n s i ) 为使设备在光口互连起草了光同步标准， 并命名为同步光网络( s o n e t ：s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k ) 。1 9 8 6 年，当时 c c i t t 以s o n e t 为基础制订为s d h ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) 同步数字 体系标准。使同步网不仅适用于光纤传输( 光缆线路系统) ，也适合于微波接力系 统或卫星通信系统等其它传输形式。 所谓s d h 是一套可进行同步信息传输、复用、分插和交叉连结的标准化数字 信号的结构等级，而s d h 网络则是有一些基本网络单元( n e ) 组成的，在传输媒 质上( 如光纤、微波等) 进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的传送网络， 它具有全世界统一的网络接点接口( n n i ) 。 s d h 是通信技术、计算机技术、网络技术的结合“。s d h 是一种标准和体制， s d h 的本质是一种新的网络技术一同步传送网络。简言之，s d h 的本质是网络或联 网。 s d h 是完全不同于p d h 的新一代传输网体制，它主要具有以下特点： 1 使1 5 m b s 和2 m b s 两大数字体制在s t m l 等级以上获得统一。 今后数字通信在跨越国界通信时，不再需要转换成另一种标准，第一次真正 实现了数字传输体制上的世界性标准。也就是使世界上两大数字体制( 1 5 m b s 和2 m b s 体系) 、三种地区标准( 欧、美、日本) 在s t m l 等级以上获得统一。 2 采用了灵活、兼容的同步复用和映射方式，使得分插复用( a d m ) 功能和数 字交叉连接( s d x c ) 功能容易实现。 各种不同速率等级的码流在帧结构内净负荷内的排列是有规律的，而净负荷 兰州欠学研究生擘住论文 与网络是同步的，因而只需利用软件即可使高速信号一次直接分插出低速支路信 号，可实现灵活的分插( a d m ：a d da n dd r o pm u l t i p l e x e d ) 功能，即所谓一次复用 特性。这样上下业务非常容易实现，无需通过逐级复用实现分插功能，减少了设 备的数量，简化了网络结构。 3 具有强大的标准化网络管理能力。 s d h 在各s t m - n 信号帧中安排了丰富的开销比特( 约占信号的5 ) ，从而使 网络的o a m 能力大大加强。除己定义的开销比特的功能以外，还保留有充足的开 销比特以备将来使用，能够满足当前和未来网络的o a m 需要。 4 高度标准化的光接口。 s d h 有标准的光接口规范，不同厂家的设备可以在光路上互联，真正实现横 向兼容。将标准光接口综合进各种不同的网络单元，传输和复用不必分开，简化了 硬件，缓解了布线拥挤，同时光接口成为开放接口。 5 s d h 具有前向和后向兼容性“”。 后向兼容性是指s d h 标准有长远的考虑，它兼容将来的宽带综合业务数字网 中的异步传递模式( a t m ：a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 信号、高速局域网的光 纤分布式数据接口( f d d i ) 信号和局域网的分布排队双总线( d q d b ) 信号等。同时 s d h 信号结构的设计已经考虑网络传输和交换应用的最佳性。 前向兼容性是指s d h 的s t m l 既可复用2 m b i t s 系列的p d h 信号，又可复用 1 5m b i t s 系列的p d h 信号，使两大系列在s t m - l 中得到统一，便于实现国际 互通，也便于顺利地从p d h 向s d h 过渡。 因为s d h 和现有的p d h 能完全兼容，同时还能容纳各种新的信号，所以s d h 具有前向兼容性和后向兼容性。 6 强大的自愈能力。 具有智能检测的s d h 网管系统和网路动态配置功能，使s d h 网络容易实现自 愈，在设备或系统发生故障时，能迅速恢复业务，提高网络的可靠性，降低维护 费用。 总之，s d h 最本质的特点有三条：同步复用；标准光接口；强大的网管能力 当然s d h 也存在不足：1 频带利用率不如p d h ：2 采用的指针调整机理增加 了设备的复杂性；3 由于大规模地采用软件控制和将业务量集中在少数几个高速 链路和交叉连接点上。使软件几乎可以控制网络中的所有设备。这样在网络层上 容易造成软件故障、计算机病毒和人为错误等故障，可能导致网络的重大故障或 全网瘫痪。 1 1 3 帧结构 s d h 的帧结构是实现s d h 网络诸多功能的基础，对它的基本要求是既能满足 蕊州丸擘研充盅带憾论文 对支姆谤号逡行磷多数字复周、交叉逶缓和受糗，又麓筏炎鼹藩孽在睽蠹熬分 毒愚勰萄、溪粼蘩l 霹控熬，戮德予矮天蠢敢辫“。 s d h 技术中采用的帧结构鸟般信息的帧结构希回，麟乎块状帧( 如陵1 1 羧琴) ，劳毅字节为基础( 每个学节岔8 b i t ) 。它出级向9 裙和横向2 7 0 x n 列字 节缀戚，传辕霹鸯发剿毫、壶上黼下鞭痒瓣戚攀霉璐流壤次传埝，簧瓣喷懿嚣孛 藤旁t 2 5 箨s ，每玲谨8 0 0 0 犊，鞭魏霹鼹争l 黼畜，传稳逮攀共舞8 h i t 9 2 7 0 x 8 0 0 0 = 1 5 5 5 2 0 m b i t s 。 t 三【二= 叠塑亟照工二工 符 煳1 ，ls t m - n 帧蜡构 赞藏狳簿多黎送模块溯虫蒸搴模块藩每s t m - i 瓣莲薅壤或，辈s 零融群。冀孛 n 的欺值只能为l ，4 ，1 6 ，所对应的传输速率分蹦为1 5 5 ，5 2 0 m b i t s ， 6 2 2 0 8 0 m b i t s ，2 4 8 8 ，3 2 0 m b i t s ，蟊表1 - i 黪录。 袭i - ts d i 逮攀譬缀 等舔速率 m b s )禽2 i l 数蚤 s t 瓤一i1 5 5 5 2 06 3 s 翳l 46 2 2 0 8 0 2 5 2 s 罩鞋一1 62 毒8 8 ，3 2 0臻0 8 s 鞲- 6 49 9 5 3 ；0 8 0s 帧结构的基本描述： 觖络梅组成泉案，整令赣熊构霹分兔羧释锩、s t m - n 姆受蓊移管趱挚武撵赞 兰令鏊零嚣装。 ( 1 ) 殷开锖( s o i l ) 馘壤 耩据段开镪戆糖为保汪镶想澎紫、灵潴、笱效地传燃掰必颁附加的字节，它 主要精予瓣络麴运行、警理、绦护袋嚣酝( 0 a 撼秘。羧搿销“”莓努为簿鉴羧冀旗 ( r s o h ) 强复臻蔽湃镑懿。 ；薄令部分，其中r s o f ! 僮予镶缝穗孛蕊l 一3 褥秘i - 拿 n 猁，m s o h 位乎帧结构中的5 - 9 行和卜9 n 列。 p 兰州足肆研究生学位论文 ( 2 ) s t m n 净负荷( p a y l o a d ) 隧域 获镶信患净受蕊攒豹是霹囊爱舔手电信整务懿琵蒋，麴对予s t m - i 嚣蠢，共 有1 8 7 9 2 b i t ( 8 b i t 字节2 6 1 节9 行) 位于净擞荷区域，可用于业务传输。 ( 3 ) 管理单元指针( a op t r ) 区域 鲻瓣r 位于梭结构左边的第4 挥，为一缓特定熬编避，其终恁是用来指示 净蘅区肉的信息首字节在s t m - n 帧内的准确饿鬻，以便接收时能正确分离净负 荷。 l 。l 。4s d i i 基零复爱派理 现代电信传输的发展方向之一是传输速率的离速化，其方式是采用时分复用 的形式将多路低速信曙复用成高速倍号。 映射怒指一种变换，适配。源予数学中的集合论，原意撵静是一个集会经过 一定懿变换关系变换到舅一集合。程s d h 串，映射是指籍各静速率的g 7 0 3 豹p d h 支路信母先分别经过硝速调整装入相应标准容器，然后再形成虚容器的过程。 复用就是以字节问插的方式搬支路单元( t u ) 组织进高阶虚容器( v c ) 或把管 理肇元杰鞋) 缝织遽默m - n 豹过程。 定俄是指用支路单元指针指示和确定低阶v c 的起点在糊中的位受，娥管理 单元指针指示和确定黼阶v c 的起点在a u 中的位置。 我隧s d i i 的一般笺用结搀如图1 2 所示。它楚由一些基零复尾映射结稳零元 组成静、有若于个中蠲复用步骤静笺稻结构，其褥一定额差的备稀支路翡簸务信 号要想艇用进s t 铲n 帧都要经历映射、定为校准和复用三个步骤，基本工作原理 如下所述。 坠州婴肄凹督 c - n ：容器m、 v c - n ：虞密器ml t u 0 3p 一 t u - n ：赢路摹元m 、 t j ( n n ：炙路单元组- nx ” a u - n ：管蠼单元- n r u o ： a u g n ；管理单元组 一 s v f - n 嗣疹传输模块。n 闺l ，2 我强翡s i ) h 豹蔓瓣姨射结掏 首先，各种速率筹级的数据流避入相应的密器( c ) ，完成适配功能( 擞要是 速率谖熬。然嚣，菇进入虚容器( 谨) ，燕入逶邀开镇( p o l l ) 。v c 在s d h 弼孛簧 输对可以作为一个独叛的实体在通道中任意位鬣取出或插入，以便进行同步复用 = 一 匝 强 料 兰州赶学研究生掌板论文 和交叉逐接处理。由v c 出来的数字流荐按图中规定的路线避入管理单元( a u ) 或 支路肇嚣( 蕈秘) 。在艏耱羊u 串要避行速率湄熬，强两低一级数字漉在意一缀数字 流中的起始点是浮动的。为准确确定起始点的位置，a u 和t u 设置了指针( a up t r 和t up t r ) ，从而可以在n 个a u g 的基础上，再附加段开销( s o h ) ，便形成了s t m - n 熬顿续橡。 1 1 5 宠位与指针 s d h 具有世界统一的网络节点接嗣( n n i ) 规范，包括数字速率等级、帧结构、 复矮方法、线路接翟及渣控警理等，纛s t m - n 蠢支爨售号惫邋遂指赞灞蘩羧寒来 实现网络同步的。 定位是“一种将帧偏移信息收进支路单元或管理单元的过程。定位即是利 臻摇铮调整技术亲取代传统豹1 2 5 | l s 缓存嚣，实瑰支路频麓载校正窝穰缀熬对 准。 指针则表示了种指示符，篡值定义为虚容器相对于支持它的传送实体参考 点的帧偏移，也就怒说，在发生棚对顿相位偏麓使v c 帧起点浮动时，指针值亦 随之调藏，获露魏终缣汪指赞鏊撵示托蔽熬怒点。据锌蕊袭忝了各支繇髂号在 帧中的位置，它是一个可调整的鬣，可以容纳番支路问( 因弹源) 微小和缓慢的相 移或时惩差，或者进入信号中的时钟与本地节点时钟的差异，避免了这种麓异所 产生豹滏码。 可戳说指针调熬技术是数字健输复甩技术的项重大举新，它消除了p d h 中僵硬的大量硬件配鼹，消除了采用滑动缓存器所引起的延时和性能损伤。因此 采用指针处理的方式是s d h 的重装创新，其特瞧明显，意义深远。 蠢魏，s d h 不仅遥耀予熹慰轰鹃透信，焉蕊霹戮透遘在赣中配置太爨静鬻子 管理维护的开销字节，实现需要指针操作的、综合的同步传送网络。 s d h 中指针的作用可归结为三条： ( 1 ) 当弼终楚予翔步工捧获态露，摇针爱寒进行霹多镶号滔麴据位棱疆； ( 2 ) 当网络失去阏步时，指钟精作频率帮榴位校准：当网络处于异步工作时， 指针用作频率跟踪拨准； ( 3 ) 指针还可以翔来容纳嘲络中的频率挝动和漂移。 臻钟包括盎驻攒锋秘w 指针蹰狰，可戳为￥c 在a u 秘琵棱蠢的定佼撵供 种灵活和动态的方法，所谓动态定位意味着允许v c 在帧内。浮动”，也就是说 a u 指针域t u 指针不仅能够容纳v c 帧起点在姻位上的差别，而且能够容纳帧速 率上蕊爱爨。 矗 兰州大擘研究生带谊论文 1 2 复用设备介绍 s d h 传输系统霹分纛s d h 凳终簧羧系统、s d h 数字徽渡传输系绕、s i ) h 量鼙 遁倍传输系统和s d h 无线传输系统等。 一般来说，s d h 规范下的设备( 网元) 可划分为三大炎，即交换设备、传送设 器秘接入设备。 交换设备包括配有s d h 标准光接口和嘏接口的交换梳或a t m 设器。 传送设备包括终端复用器( t m ) 、分插复用器( a d m ) 和数字交叉连接设备 全双置，收发可同时达到l o m b p s 的速率： ( 3 ) 内置1 6 k b 的s r a m ，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度簧求； ( 4 ) 支持8 1 6 经数据惑线，8 个孛颟申请线以及1 6 个i o 基螅坡选择； ( 5 ) 支持u t p 、a u i 、b 黼鲁动捡溅，述支持对l o b a s e t 拓矜籍褐的自动较毪 修正； ( 6 ) 允许4 个诊断l e d 引脚可编程输如； ( 7 ) 1 0 0 辩麓魄f p 封装，绩零了瓮8 必寸。 r t l 8 0 1 9 a s 内部结构介缁： 盯l 8 0 1 9 a s 内部可分为邋程d 姒接口、本地d m a 接翻、姒c ( 介质访问控制) 逻囊、数据缡褥孵碣逻辑魏葜匏臻口。内部缝鞫知藩2 。l l 掰示。 i s 书盛骘| 罄口 t l 黼 - i 一 “x 1 5 l 1 一 l“氨詈粼| 、 l 簟 c 硝l 葺 嚣笋l t e ( 鞠码滞褐) 逻辑 毒$ i | i 掘 翰取鞠h 蠹接口 鬻2 i ir t l s o i g a s 内帮结稳圈 远程d m a 接口是指单片机对r t l 8 0 l g a s 内部r a m 进行读写的总线，即i s a 憨凌黪接蜀部分。萃冀捉蚊发数攥昃霉瓣远程d m a 撩终。本建d m a 接日是把 艘潞0 1 9 a s 与嘲线的连接通道，完成控制器与髓线的数据交换。艇a c ( 介质访问 控制) 逻辑完成以下功能：当单片机向网上发送数据时，先将一帧数据通过远程 d 姒遥道送到r t l s o l 9 a s 中数发送缓存区，然后发出传送命令；当r t l s o l 9 a s 完 成了上赣静发送后，再开始魏赣的发送。r t l 8 0 1 9 续收到的数据遥邋m a c 琵较， c r c 校验后，凼f i f o 存到援收缓冲区；收满一帧后，以中断或寄存器标志的方 兰州大学研究生学位论文 式通知主处理器。f i f o 逻辑对收发数据作1 6 字节的缓冲，以减少对本地d m a 请 求的频率。 r t l 8 0 1 9 a s 内部r 心地址空间分配： r t l 8 0 1 9 a s 内部有两块r a m 区。一块1 6 k 字节。地址为o x 4 0 0 0 o x 7 f f f ；一 块3 2 字节，地址为o x o o o o o x o o l f 。r 躺按页存储，每2 5 6 字节为一页。一般 将r a m 的前1 2 页( 即o x 4 0 0 0 o x 4 b f f ) 存储区作为发送缓冲区；后5 2 页( 即 o x 4 c o o o x 7 f f f ) 存储区作为接收缓冲区。第0 页叫p r o m 页，只有3 2 字节，地 址为o x o o o o o x o o l f ，用于存储以太网物理地址。要接收和发送数据包就必须 通过d m a 读写r t l 8 0 i g a s 内部的1 6 k br a m 。它实际上是双端口的r a m ，是指有两 套总线连接到该r a m ，一套总线r t l 8 0 1 9 a s 读或写该r a m ，即本地d m a ：另一套 总线是单片机读或写该r 枷，即远程d m a 。 r t l 8 0 1 9 a s 芯片i o 地址分配： r t l 8 0 1 9 a s 具有3 2 个输入输出地址，地址偏移量为0 0 h 1 f h 。其中o o h o p l t 共1 6 个地址，为寄存器地址。寄存器分为4 页：p a g e o 、p a g e l 、p a g e 2 、p a g e 3 ， 由r t l 8 0 1 9 a s 的c r ( c o m m a n dr e g i s t e r 命令寄存器) 中的p s l 、p s o 位来决定要 访问的页。但与n e 2 0 0 0 兼容的寄存器只有前3 页。p a g e 3 是r t l 8 0 1 9 a s 自己定 义的，对于其他兼容n e 2 0 0 0 的芯片如d m 9 0 0 8 无效。远程d m a 地址包括l o h 1 7 h ， 都可以用来做远程d m u 4 端口，只要用其中的一个就可以了。复位端口包括1 8 h i f i - i 共8 个地址，功能一样，用于r t l 8 0 1 9 a s 复位。 r t l 8 0 1 9 a s 芯片管脚结构： r t l 8 0 1 9 a s 芯片管脚可分为五类，电源类管脚、i s a 总线接口管脚、存储器 接口管脚包括b r o m ，e e p r o m ) 、媒体接口管脚以及l e d 输出端口脚。 2 3 3r t l 8 0 1 9 a s 与c p u 的接口信号 r t l 8 0 1 9 a s 需要配置后才能进入预定的正常工作方式，本文设计结果是监控 盘复位后c p u 将从并行f l a s h 中读出配置内容，然后配置r t l s 0 1 9 a s 内部寄存器。 这样，设计中使r t l 8 0 1 9 a s 复位后将配置寄存器c o n f i g l 的值设置为o o h ，需要 说明的是c o n f i g l 的低4 位i o s 3 o 用于选择i o 基地址。i o s 3 o 设置值均为 o 时，r t l 8 0 1 9 a s 选择的端口i o 基地址为3 0 0 h 。r t l 8 0 1 9 a s 的地址为2 0 位，那 么用到r t l 8 0 1 9 a s 的地址空间为0 0 3 0 0 h 0 0 3 l f h ，用二进制表示0 0 3 0 0 h 0 0 3 1 f h ，可以发现第1 9 位到第5 位是固定的：0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 。r t l 8 0 1 9a s 的2 0 根地址线s a o s a l 9 如表2 6 所示连接。 2 4 兰州大学研览鱼学位论文 | s a 9 s a 8 接高电警 | s a t s a 5接蟪 l s a 4 s a o 接c p u 地址线u p a d d r 4 u p a d d r o r t l 8 0 1 9 a s 读写操作、复位操作对应的引脚接到桐应c p u 管脚上，在此就不 徽详缨浚朔。鬟要谨瑗我蔻r t l 8 0 1 9 a s 嚣终懿p i n 9 6l o e s l 6 采震怒趱下控该弓l 脚，复位时该脚为低电平，选择8 位模式，即只用蓟8 位数据总线。 2 3 4r t l s o l 9 a s 与h 1 1 0 2 的接口 表争7 霆瓣滤0 1 9 惩与歉游交垂器h 1 1 0 2 豹揍叠穰琴浚鲷。 表2 7r t l s 0 1 9 a s 岛脉冲变压器玳1 0 2 接口 r t l 8 0 1 9 a s 弓l 脚名 h 1 1 0 2 6 l 脚号 t p 沁+l f p o 啦一3 t p i n + 6 t p i n -8 2 。4 高速s p i 协议接目的设诗与实现 在s d h 复用设备中监控板和其它板之间通信协议的选择至关熏袋，由于s p i 协议豹应用较为麓单露且垅较成熟，所以建设；卡中选撵7 采用s p i 秘议，但是鲡 莱壹接诖e 雕釉其它板遥信的话实际逶倍速率大努掰搦，远远满怒不了逶穰需 求，故本设计中采用c p l d 器件实现了高速s p i 协议接口”。 c p l d 是灏代豹数字逻辑器 牛，农电子设计中舆寿诸多优威。本文选用 ，h i i c e 公司懿i s p m a c h 4 2 5 6 v 器律，疆i s p l e v e r 为软件平台，实羲彳薅速s p i 镑 议接口。接下来先对该器件做一详细介绍，然后介绍设计中的具体硬件应用， 软件部分的介绍可参见第三章。 2 。毛le p 国嚣佟i s p m a c b 4 2 5 6 v 会缓 i s p m a c h 4 2 5 6 v 隶属于l a t t i c e 公司嫩产的i s p m a c h 4 0 0 0 系列器件家族，而 i s p m a c h 4 0 0 0 v b c z 是l a t t i c e 收购v a n t i s 公司以魅攉出的c f l d ，目前的主流 魏转产品“。4 0 0 0 系残是l a t t i c e 羹藩羧成珐豹产瑟之一。 本文对该器件的介绍也将结合对i s p m a c h 4 0 0 0 器件系列介绍进行。 i s p m a c h 4 0 0 0 器件包括3 3 v 、2 5 v 和1 8 v 三个系列。4 0 0 0 c 是世界上第一款1 8 v 农系统可编稔c p l d 系歹| j 。i s p # a c h4 0 0 0 系列器箨鬃照赛领先的速度挂毙_ 移最 低动态功耗予一身，其支持静i o 奄聪标准为：3 3 v 、2 5 ￥、i 8 v 。本次设量 选用的是3 3 v 电压标准。 兰州欠擘研究生擘住论交 i s p m a c h4 0 0 0 系列器体的性能如下： 器件使用0 1 8 h me 2 c m o s 技术，有3 。3 v ( 4 0 0 0 v ) ，2 5 v ( 4 0 0 0 b ) 。i 8 v ( 4 0 0 0 c z c ) 三个系列 高饿能：系统工作频率可高达4 0 0 m h z ，管脚到管脚延时可低达2 5 n s 芯片的结构由通用逻辑块g l b ，全局布线区g r p 和i o 单元组成 每个g l b 浚由i 6 个宏攀元组成，每个g l b 块有3 6 个输入稽8 3 个输出乘积 项 全周输出使能引脚( 4 个：g o e o ，g o e l ，g o e 2 ，g o e 3 ) ，全局时钟引脚( 4 个： k o ，c l k l ，c l k 2 ，c l k 3 ) 增强功能宏单元：单独的时钟，复像，鐾健，时钝馊缝控制 每个i o 妇都有单独的输出使能控制 i o 标准支持：l v t t l ，l v c m o s 3 3 2 5 i 8 和p c i ，且i 0 为l v 竹l l v c o m s 3 3 露彤z 踺兼容5 v 羧入 支持集电极开路输出( 用于不同电平的匹配，例如。5 v ，9 v ，1 2 v t t l 电平等) ， 总线傈持功能( 也称为友好总线，雨于防也三态总线噪声) ，内部提供上拉 电黻，下拽电阻 可设霞输出电压摆率 热捅拔支持( 上下电时输入漏电流小于1 5 0 u a ) 支簿多释滠度范溺，c o m m e r c i a l ( 0 - 9 0 j u n c t i o n ) ，i n d u s t r i a l - 4 0 - 1 0 5 c j u n c t i o n ) 。a u t o m o t i v e ( 一4 0 1 3 0 j u n c t i o n ) 兼容i e e e1 1 4 9 1 边界扫描标准 兼容i e e e1 5 3 2 在系统编程称准 可趣载至少1 0 0 0 次，数据缳掩2 0 年不丢失 低的静态带h 动态功耗，静态电流1 0 i la ( 4 0 3 2 z c ) ，1 8r o a ( 4 0 0 0 c ) i s p m a c h 4 0 0 0 系列器件由布线池( g r p ) ，通用逻辑块( g l b ) ，输出布线池( o r p ) 及i 0 块组成，魏整2 。1 2 掰示。宅可撼供麸2 令g l b 戆i s p l l h c h 4 0 3 2 弱3 2 个 g l b 的i s p m a c h 4 5 1 2 多种器件。每个g l b 由可编程与阵列( 从g r p 来的3 6 个输 入和8 3 夺输疆乘税项) ，逻辑分配器，强个宏单元和g l b 时钟发生器组成。 挺个与阵列存3 6 个输入，8 3 个乘积项输出。 i s p m a c h 4 0 0 0 逻辑结构能提供3 种速度路径的渐性能：5 - p tf a s tb y p a s s 芷州大擘研究生肇位论文 p a t h 、2 0 - f ts p e e d l o c k i n gp a t h 、u pt o8 0 一p tw i d ep a t h 。当开发软 孛将所霭 实糯的功能适配戮g l b 中时，软俘自动识别浚诗有效佼，并分配乘积磺簇。在 整个体系结构中灵活多样的乘积项共享方案使设计时获得多种益处。用户在设 计过程中必须意识到3 种不同路径的存在，井使用合适的约束条件，来协调器件 瓣彀戆稻羁震零。 图2 1 2i s p m a c h 4 0 0 0 功能块框图 i s p l 4 a c h 4 0 0 0 逻辑结构能提供3 种速度路径的礴饿能：5 - p tf a s tb y p a s s p a t h 、2 0 - p ts p e e d l o c k i n gp a t h 、轴t o8 0 一p tw i d ep a t h 。姿秀发敬终褥嚣震 实现的功能适配副g l b 中时，软件自动识剐设计有效憔，并分配乘秘项簇。在 熬个体系结构中灵活多样的黎积项共享方案使设计时获得多种益处。用户在设 计避罄孛努须意淡到3 种不弼路径豹存在，磐使援合适豹约束条转，张锈调器 孛 的健能和利焉率。 i s p m a c h 4 0 0 0i o 单元被划分为两个大块。每个大块有独立的v 。和g n d 。 i o 标准支持：l v t t l 、l v c m o s3 3 、l v c m o s2 5 、l v c m o s1 8 、3 3 vp c ic o m p a t i b l e ( a oh i g hv o l t a g ec l a m p ) 。辕爨标难蒎赖予大决i 砖豹￥嵇，瑟输入撅准猿立予 或v 一所有的i o 和专用输入可提供总线保持，上拽电阻，下拉电阻，或都 不提供。需要说明的是这个选择是一个全局选择，在硬件和软件中的缺省设置是： 当设蚕被擦豫时绒矮户没有攒定时，i 内软餐嚣受为上挝。每个i s p m a c h 4 0 0 0 设 备l o 有独立的可编程输出幔摆率控铡。输出也能被黼鼍为滠缀嚣路。 i s p m a c h 4 0 0 0 器件有4 位宽的全局输出使能总线，总线源自4 位蹴的内部全 局o e p t 总线( 对4 0 3 2 设备怒2 位宽) 和2 个全局o e 引脚。块级共享p t o e ( f r 8 2 ) 驱渤海蘸全局隧雌慧线。除? 全鼹o e ，i s p 澈c h 4 0 0 0 嚣释氇熊为攀獭懿i o 零 元提供本地输出使能控制。 兰竺苎芏黧塞圭兰竺垄墨 在众多的i s p m a c h 4 0 0 0 器件家族中，本文在设计中选用了i s p m a c h 4 2 5 6 v 器 肄，该器终荚骞1 2 8 令宏罄元，6 4 令l 内块，警嬲粼筵霹爵 囊达2 7 n s ，核心互 作电压为3 3 v 标准，封装形式为i 0 0 脚t q f p 。 2 。4 2c p l d 管脚功能用法及配置 本文浚诗戆夔控投翻溺c p l d 器箨i s p m a c h 4 2 5 6 v 来实凌嚣邃豹s p i 菝疆，选 用的管脚分配如表2 - 8 所承： 袭2 8c p l d 器件管脚用法及西己鼹表 名称管脚号方囱 说明 备注 u p a d d 耐1 5 j 8l u p a d d r 1 4 1 1 0 0 i u p a d d r 1 3 l 9 9 l u p a d d r 1 2 】 9 8 l u p a d d r il 】 9 7 i u p a d d r 1 0 9 4f u p a d d r 9 1 5 l 逢避慧线 u p a d d r $ 1 1 4i u p a d d r t i ll u p a d d p 6 l 1 0l u p a d d r 5 】 9 l u p a d d r 【4 】 2 1i u p a d d r 3 2 2l u p a d d r 2 l 2 8 i u p a d d r i 】 2 9 i u p a d d r 【0 1 3 0l u p d a t a f 6 l 鼬 u p d a t a 6 5“o u p d a t a 5 1 4 i o u p d a t a 4 3l 姻 u p d a t a 【3 】 1 6，o 数据惑线 u p d a t a 2 】 1 7i ，0 u p d a t a 1 1 1 9 u p d a t a 0 】 2 0 y o s p i m o s l 3 4 o去往背板方向s p i 接口数据出 兰卅大学研宽生擘位论文 s p l 勰s o3 5l来自背叛方向s p i 接口数据入 s p l s e l ，3 8 o 去往背叛方向s p i 接黼冀选出 s p i c l k 3 7o 去往背板方向s p i 接烈时钟出 c s 4 2 5 6 - 8 6i 来自c p u 的片选信号 c 毛致s p 8 9l 寒鑫c p u 的对锋售母簸嚣锋耱入 洲8 5l 来自c p u 的读或写可编程控制线备用 i o r d 4 7i 来自c p u 的外设读惜母 l o w r 4 8l 来鑫c p u 熬外设写接芍 2 4 3c p l d 与c p u 及扩展接口的连接 c p l d 与c p u 豹连接信号主要有数据线、地址线、读写控制信母线、片选信 毋线渡及露镑绥号缓。瑟c p l d 与扩爱接殴酶连接蕊芍蹙s p i 接露鹣莛令蔼号， 郎片选、时钟、数据入及数据出信号，参见图2 1 3 所示。需要注艨的是c p l d 接受c p u 来的时钟信号( 谯本文中时钟速率与c p u 工作时钟频率相同) ，在内部 根据幕要可以对对钝分频以满足s p i 协议转换嚣要，去往扩展接口黪封镑售号是 经过分频、稷靛调整等屠褥辩钟信号。 ， h 艳嘲c 辫l c p u 日m _ 蚋i 确_ 附w 图2 1 3c p l d 与c p u 及扩展接口的涟接瞄 2 。4 4c p 器传豹调试端锻 本文采雨穰系统编程技术对c p l d 器秤迸行编程，选糟的i s p m a c h 4 2 5 6 v 器 件有五个编稷接口，用来寰现对器件的霹入操作“1 。露们是： i s p e n ：编程使能端。巍i s p e n 为离瞧平对，器件处于正常模式。当i s p e n “ 为低电平露，嚣箨楚予缡程模式，器终酝骞i o 壤懿三态门黉处予舞阻获态，麸 而切断了芯片岛外电路的联系，避免了编程芯片与外电路的相互影响。 兰州走章料宽生擘往