基于FPGA 的ATM SAR 及其接口设计与实现-基础电子

精品文档-下载后可编辑基于FPGA的ATMSAR及其接口设计与实现-基础电子摘要：本文针对AAL5业务,采用FPGA实现了AAL层中SAR子层功能和ATM层功能,向下提供UTOPIA主接口与物理层从接口连接,向上提供并行总线与ARM处理器连接,即在通用微处理器的环境中实现ATM接口。本文的研究成果不仅在提高产品的性价比和灵活性方面有较大的实际价值,而且对于促进通信设备国产化和提高国内企业的竞争力也有着一定的意义。

引言

近年来，宽带接入技术得到了飞速的发展,其中非对称用户数字线路技术（ADSL）能利用现有的电话网络资源，具有投资少见效快等优点，成为向B-ISDN的过渡形式之一。在ADSL系统中，由数字用户接入复用器（DSLAM）完成ATM的终结和路由，该模型分为4层，自上而下分为高层、AAL层、ATM层和物理层，这里高层是指RFC1483及其以上各层，AAL层又分为拆分与组装子层（SAR）和汇聚子层（CS）两个子层，ATM层主要完成信元复用/解复用、有关信元头的操作以及流控等功能，UTOPIA（ATM的通用测试和操作物理接口）位于ATM层和物理层之间，规范ATM层和物理层之间的信号电平和时序定义，物理层的主要任务是物理线路编码和信息传输。当前，ATMSAR功能和UTOPIA接口由专用通信处理芯片MPC866处理器来完成，成本较高功能固定，灵活性较差。针对特定的AAL5业务采用FPGA芯片来实现AAL层中SAR子层功能和ATM层功能，，即在通用微处理器的环境中实现ATM接口，增强产品的灵活性，同时降低成本,对替代专用通信芯片具有较强的实际意义。

1ATM协议概述

ATM是一个分组协议，利用异步传输模式规程，来自不同信源的数据经由相同的物理信道发送，所设计的协议满足不同用户应用的需要。

ATM协议栈，为了有效地处理不同的业务，协议被构造为层次体系结构，每层实现特定的功能，图1-1显示了通用的协议栈。高层协议包括应用层、表示层、传输层和网络层。应用层的例子有用于传送文件传输协议、简单邮件传送协议（SMTP）、提供虚拟终端服务的Telnet协议等，传输控制协议（TCP）和Internet协议（IP）则分别是传输层协议和网络层协议。

ATM传送信息的基本载体是ATM信元，信元长度为53字节，分为信头和净荷两部分，信头为5字节，净荷为48字节。ATM层主要完成信元复用／解复用，有关信头的操作，以及流量控制。信元复用／解复用在ATM层和物理层的TC子层接口处完成，发送端ATM层将具有不同VPI/VCI的信元复用在一起交给物理层；接收端ATM层识别物理层送来的信元的VPI/VCI，并将各信元送到不同的模块处理，如识别出信令信元就交控制面处理，若为OAM等管理信元则交管理面处理。信头操作指VPI/VCI翻译，翻译的依据是连接建立时所分配的VPI、VCI的值。

一对一模式下，如何实现物理层－ATM层－AAL层间简单的ATM协议，如何满足备用链路或多种类型的物理层共享一个ATM层的需求，如何在同一ATM层上同时支持AAL1、无连接数据服务（AAL3/4）和面向连接数据服务？为此，提出了UTOPIA，即ATM的通用测试和操作物理接口（UniversalTestandOperationsPHYInterfaceforATM）。UTOPIA是连接ATM层和物理层的接口，允许物理层以不同的速度在不同的媒质上进行数据传输，它包括收发数据端口、控制信号和地址信号。

UTOPIALEVEL1和LEVEL2主要在地址信号的定义上有所不同，其中LEVEL1未定义地址信号，主要针对单个物理通道（Single-PHY）的情况，工作频率25MHz，支持物理层传输速率达到155Mbps，能够很好地支持OC-1、OC-3等同步数字网的典型传输速率；LEVEL2针对多个物理通道（Multi-PHY）的情况，比LEVEL1多了两组地址信号，多支持31个PHY端口（地址0～30，地址31起端口分隔作用），工作频率50MHz，支持物理层传输速率达到622Mbps，能够很好地支持OC-12、OC-12c等同步数字网的典型传输速率。

2ATMSAR及UTOPIA实现针对AAL5业务类型，方案设计内容包括用FPGA芯片实现UTOPIA接口的读、写时序控制、实现ATMSAR功能及完成FPGA与ARM处理器上连通信。该设计实现的全部功能都包括发送和接收两个方向，其中UTOPIA接口需满足ATMForum提出的Level1和Level2标准。根据数据发送与接收的流程来划分功能模块，分为CS子层数据存储模块、ATMSAR模块和UTOPIA接口模块，发送和接收过程均为独立的模块。

2.1总体方案概述

如图2-1系统总体框图可知，FPGA完成的工作包括对UTOPIA总线的读写时序控制、实现ATMSAR功能和与ARM处理连接。设计实现的全部功能都包括发送和接收两个方向，详细流程如下。

（1）发送流程：FPGA存储器接收CS子层发送来的CPCS-PDU包，将数据拆分成48字节的SAR-PDU，然后加上5个字节的信元头，得到53字节的信元存入发送存储器中，由FPGA控制UTOPIA接口发送时序发送到物理层去。

（2）接收流程：由FPGA控制UTOPIA接口接收时序接收来自物理层的53字节信元存入接收存储器中，剥去信元头，由信元头的PT域指示数据的开始、中间和结束，将接收到的信元还原成完整的一个CPCS-PDU包存入FPGA存储器后发送给CS子层。

2.2发送流程模块设计

根据数据发送的流程来划分功能模块，分为CS子层数据的存储模块、ATMSAR模块和UTOPIA接口发送模块三个主要功能模块。

CPCS-PDU存储模块:实现：CPCS-PDU存储模块输入数据宽度为16位，输出数据宽度为8位，有可读/写、片选信号和地址总线。上层先查询RAM的可写（WR）信号有效时，将CPCS-PDU包发送到16位数据总线上，一个包发完后置RAM的片选（CS）信号为无效；RAM将数据线上的数据顺序存入，并对PDU包的字节数计数，用RAM的头两个字节存放包的长度，3～6字节存入VPI/VCI值。一个PDU包存入后置可写（WR）信号无效，置可读（RD）信号有效。

SAR拆分和ATM模块实现：首先在ATM层创建一发送FIFO，用来存放ATM层生成的信元。在发送双口RAM可读的状态下，从CPCS-PDU存储器读出头2个字节（即数据包的长度）与48比较，大于48，生成中间信元；等于48生成末尾信元，存入FIFO，准备发送。

UTOPIA发送模块实现：UTOPIA接口实现采用信元级握手传输方式，它是以信元为单位进行传输，传输中的控制信号是以信元为基础的。设计一个发送控制模块，通过地址信号轮询PHY层状态，接收来自ATM层的UTOPIA控制信号、物理层的控制信号以及发送FIFO的状态信号，控制信元一个一个地从ATM层发送到物理层，时序要求满足ATM论坛关于UTOPIA接口Level1和Level2标准。

2.3接收模块流程设计

根据数据接收的流程来划分功能模块，分为UTOPIA接口接收模块、ATMSAR组装模块和接收SAR-PDU存储模块三个主要功能模块。

UTOPIA接收模块模块实现：首先在ATM层创建一个接收FIFO，再设计一个接收控制模块，通过地址信号轮询PHY层状态，接收来自ATM层的UTOPIA控制信号、物理层的控制信号以及接收FIFO的状态信号，控制信元一个一个地从物理层传送到ATM的FIFO中。

ATM和SAR组装模块实现：在SAR-PDU存储器可写的状态下，不断读入信元接收FIFO的53字节数据，剥去信元头还原为SAR-PDU，由信元标识PT来判断SAR-PDU是中间还是末尾数据包，并计算CPCS-PDU包长度，在SAR-PDU存储器中存入一个完整的CPCS-PDU包，包的长度存入存储器的头两个字节中。

接收SAR-PDU存储模块实现：接收SAR-PDU存储模块输入数据宽度为8位，输出数据宽度为16位，有可读/写、片选信号和地址总线，如图4-8。可写(WR)信号有效时，RAM从第六个字节开始顺序存入SAR-PDU（头2个字节放包长，后4个字节存放VPI/VCI值），直到存入一个SAR-PDU，RAM头两个字节存入CPCS-PDU包的长度，置可写（WR）信号无效，置可读（RD）信号有效，此时一个完整的CPCS-PDU包已经存好，供CS子层读取。

3软、硬件调试

编写基于ARM7处理器μcLinux系统下的CPCS-PDU数据包的收发程序，在RedHat9.0系统中（ARM工具链已建立好）编译通过后，到在ECPB板上运行。程序主要完成ARM处理器对外设FPGA的复位、读、写等操作，流程图如图3-1所示。

QuartusⅡ软件的SignalTapⅡ逻辑分析仪可以用来采集FPGA内部节点和I/O引脚信号，通过JTAG端口送往逻辑分析仪显示。调试过程中主要利用SignalTapⅡ逻辑分析仪和示波器，通过收、发数据包来验证FPGA中数据处理的正确性。

调试步骤如下：

（1）ARM测试程序和FPGA程序；

（2）ECPB板ARM初始化配置、CMTC板UTOPIA接口初始化等；

（3）程序运行；按照上述步骤验证FPGA芯片设计是否满足任务需求。经过发送和接受数据包测试后得出，经反复数据测试比对，FPGA工作正常，满足任务要求。

4结束语

本文的创新点在于对ATM技术和UTOPIA接口时序进行了深入、系统的分析与研究，以替代现有专用通信处理器为目标，提出了一种采用FPGA来实现ATMSAR和UTOPIA接口的解决方法。设计好的FPGA芯片与上层ARM处理器和物理层CMTC板对接后应用于ADSL测试系统中，在数据接收和发送两个方向，FPGA均正确完成上述功能，且工作稳定，具备了专用通信处理器MPC866同样的功效。作者相信，本文的