1、引言

在ADSL系統(tǒng)中，由DSLAM（數(shù)字用戶接入復(fù)用器）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、從AAL層、ATM層和物理層。這里高層是指RFCl483及其以上各層，AAL層（ATM適配層）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，物理層的主要任務(wù)是物理線路編碼和信息傳輸。UTOPIA接口（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層和物理層之問的信號(hào)電平和時(shí)序定義；作為一種標(biāo)準(zhǔn)的高速接口，UTOPIA接口是連接物理層和ATM層的紐帶，共分為L(zhǎng)EVELl、2、3、4四級(jí)，每一級(jí)都是在前一級(jí)的基礎(chǔ)上加強(qiáng)了某些功能，使得這四級(jí)分別應(yīng)用于芯片級(jí)、板級(jí)、設(shè)備級(jí)和系統(tǒng)級(jí)連接。

目前，在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用系統(tǒng)中，ATM功能和UTOPIA接口都由一些技術(shù)成熟的專用通信處理芯片來(lái)完成，如Motorola公司MPC866系列處理器等，成本較高，功能固定，靈活性較差；國(guó)外一些FPGA芯片設(shè)計(jì)廠商，如美國(guó)的Ahera公司逐漸設(shè)計(jì)出了一些這方面的megafunctions（兆功能函數(shù)庫(kù)），支持在一些新型號(hào)的FPGA芯片應(yīng)用，但是不像Ahera提供的一些常用函數(shù)庫(kù)，這些專用函數(shù)庫(kù)是要付費(fèi)的。

本課題來(lái)源于學(xué)校和公司合作課題，采用Altera公司Cyclom系列FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)ATM層UTOPIA LEVEL2主接口，與物理層UTOPIA從接口連接。FPGA較高的性價(jià)比、開發(fā)周期短和功能靈活等優(yōu)勢(shì)使本課題的實(shí)現(xiàn)具有較大的實(shí)際意義。

2、UTOPIA LEVEL2接口功能和時(shí)序分析

2．1接口功能描述

UTOPIA接口是連接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 LEVELI和LEVEL2主要在地址信號(hào)的定義上有所不同，其中LEVELl未定義地址信號(hào)，主要針對(duì)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)Multi-PHY的情況，比LEVELI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3l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。

ATM論壇UTOPIA LEVEL2接口規(guī)范的ATM層和物理層連接參考結(jié)構(gòu)如圖1。本課題采用的是B類連接結(jié)構(gòu)，即1個(gè)AIM層連接多個(gè)物理層端口。

圖1連接參考結(jié)構(gòu)圖

2．2接口時(shí)序分析

UTOPIA LEVEL2接口分為發(fā)送（TX）和接收（RX）兩兩組接口，參考點(diǎn)為ATM層，其中TX的方向?yàn)锳TM層到物理層．RX方向?yàn)槲锢韺拥紸TM層。接口支持兩種傳輸方式。第一種是字節(jié)級(jí)握手傳輸方式，它是以字節(jié)為基本單位進(jìn)行傳輸?shù)?，控制信?hào)是以字節(jié)和ATM信元為基礎(chǔ)的；第二種是信元級(jí)握手傳輸方式，它是以信元為基礎(chǔ)的。本設(shè)計(jì)當(dāng)中采用了只有1個(gè)TxClav信號(hào)和1個(gè)RxClav信號(hào)的接13方式和基于信元級(jí)的握手傳輸方式，8位數(shù)據(jù)總線寬度。

2．2．1發(fā)送接口時(shí)序

UTOPIA LEVEL2發(fā)送接口包括如下信號(hào)：

TxData（7.0）字節(jié)寬度的數(shù)據(jù)信號(hào)，由ATM層傳送到物理層。

Txsoc：信元起始信號(hào)，當(dāng)TxData上出現(xiàn)信元的第一個(gè)有效字節(jié)時(shí)，由ATM層把TxSoc置為高電平。

TxEnb*：傳輸使能信號(hào)，TxData上包含有效信元數(shù)據(jù)時(shí)，由ATM層把TxEnb*置為低電平。

TxFull*／TxClav：滿／信元可用信號(hào)，對(duì)于字節(jié)級(jí)流控制，TxFull*是物理層發(fā)向ATM層的低電平信號(hào)，表明物理層最多還能接納4個(gè)字節(jié)。對(duì)于信元級(jí)流控制，TxCIav由物理層發(fā)向ATM層，置高表示物理層可以接收一個(gè)完整的信元。

TxClk：時(shí)鐘信號(hào)，ATM層發(fā)向物理層的數(shù)據(jù)傳輸侗步時(shí)鐘。

TxAddr［4..0］：地址信號(hào)，是ATM層發(fā)向MPHY層的5位信號(hào)，用以選擇MPHY端口。

另外還有兩個(gè)可選信號(hào)：TxPrty用于奇偶校驗(yàn)，TxRef*為同步設(shè)置。

這些信號(hào)必須滿足如圖2所示的時(shí)序關(guān)系，才能正確實(shí)現(xiàn)發(fā)送接口功能。

圖2信元級(jí)發(fā)送接口時(shí)序圖

如圖2，N-3、N-2、N-1、N、N+1、N+2、N+3為已配置的物理層端口地址，ATM層通過TxAddr［4..0］發(fā)出地址輪詢信號(hào)：N-3，1F，N-2．1F，N-1，1F，N，1F，?，如果某一個(gè)端口的物理地址在被輪詢到時(shí)，恰好有空閑的接收緩存，則向ATM層發(fā)出一個(gè)有效的TxClav信號(hào)；如果此時(shí)ATM層有信元要發(fā)送，將有效的端13地址送上地址線TxAddr［4..0］，在下一個(gè)周期置TxEnb信號(hào)有效，同時(shí)發(fā)出TxSoc信號(hào)，表示信元開始發(fā)送，在TxData［7..0］上發(fā)送信元數(shù)據(jù)。在發(fā)送信元過程中，繼續(xù)輪詢物理層端口，但對(duì)當(dāng)前正在發(fā)送的端口在數(shù)據(jù)P44之前檢測(cè)到的Txclav信號(hào)無(wú)效。

2．2．2接收接口時(shí)序

UTOPIA LEVEL2接收接口包括如下信號(hào)：

RxData［7..0］：字節(jié)寬度的數(shù)據(jù)信號(hào)，由物理層傳到ATM層。

RxSoc：信元起始信號(hào)，表示信元的第一個(gè)數(shù)據(jù)已經(jīng)出現(xiàn)。

RxEnb*：傳輸使能信號(hào)，RxData上包含有效數(shù)據(jù)時(shí)，由AIM層把TxErib*置為低電平。

RxEmpry*／RxClav：空／信元可用信號(hào)，對(duì)于字節(jié)級(jí)流控制，RxEmpty*是物理層發(fā)向ATM層的低電平信號(hào)，表明物理層已經(jīng)沒有有效數(shù)據(jù)發(fā)送。對(duì)于信元級(jí)流控制，RxClav由物理層發(fā)向ATM層．置高表示物理層有—個(gè)完整吲高元傳輸給A1’M層。

RxClk：時(shí)鐘信號(hào)，ATM層發(fā)向物理層的數(shù)據(jù)傳輸侗步時(shí)鐘。

RxAddr［4..0］：地址信號(hào)，是ATM層發(fā)向MPHY層的5位信號(hào)，用以選擇MPHY端口。

另外還有兩個(gè)可選信號(hào)：RxPrty用于奇偶校驗(yàn)，RxRef*為同步設(shè)置。

這些信號(hào)必須滿足如圖3所示的時(shí)序關(guān)系，才能正確實(shí)現(xiàn)接收接口功能。

圖3信元級(jí)接收接口時(shí)序圖

如圖3，ATM層通過RxAddr［4..0］發(fā)出地址輪詢信號(hào)：N-3，1F，N-2，1F，N-1，lF，N，lF，?，當(dāng)被輪詢的物理層端口有信元要發(fā)時(shí)，向ATM層發(fā)出一個(gè)有效的RxClav信號(hào)；如果此時(shí)ATM層有空閑的緩存時(shí)，將有效的端口地址送上地址線RxAddr［4..0］，并置RxEnb信號(hào)為有效，在此有效期間，物理層有效端口發(fā)出RxSoc信號(hào)表示信元開始發(fā)送，信元數(shù)據(jù)開始在RxData［7..0］數(shù)據(jù)線上傳輸。在接收信元過程中，繼續(xù)輪詢其他物理層端口，RxClav在本端口接收過程中不被輪詢，因?yàn)镽xClav一直有效至當(dāng)前信元接收結(jié)束。

3、UTOPIA LEVEL2接口的FPGA實(shí)現(xiàn)

在以上對(duì)UTOPIA LEVEL2接口信號(hào)的功能描述和時(shí)序分析的基礎(chǔ)上，本設(shè)計(jì)采用FPGA通過VHDL編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，開發(fā)平臺(tái)為Altera公司的Quartus II 5.1。

3．1發(fā)送模塊設(shè)計(jì)

首先利用Altera公司megafunctions生成一個(gè)發(fā)送FIFO，緩存ATM層需要發(fā)送的信元；然后用VHDL編程設(shè)計(jì)發(fā)送控制模塊，通過地址信號(hào)輪詢PHY層狀態(tài)，根據(jù)ATM層的UTOPIA控制信號(hào)、物理層的控制信號(hào)以及發(fā)送FTF0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，該模塊仿真時(shí)序如圖4，符合圖2的時(shí)序要求。最后將仿真通過的控制邏輯模塊工程生成符號(hào)文件和發(fā)送FIFO對(duì)接起來(lái)，完成發(fā)送模塊的設(shè)計(jì)。

圖4發(fā)送模塊仿真時(shí)序

3．2接收模塊設(shè)計(jì)

首先利用Altera公司megafunctiotts生成一個(gè)接收FIFO，緩存從PHY層接收來(lái)的信元；然后用VHDL編程設(shè)計(jì)接收控制模塊，通過地址信號(hào)輪詢PHY層狀態(tài)，根據(jù)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，該模塊仿真時(shí)序如圖6，符合圖3的時(shí)序要求。最后將仿真通過的控制邏輯模塊工程生成符號(hào)文件和接收FIFO對(duì)接起來(lái)，完成接收模塊的設(shè)計(jì)

4、結(jié)論

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于通過詳細(xì)分析ATM層和物理層之間UTOPIA LEVEL2接口時(shí)序后，采用FPGA實(shí)現(xiàn)了該接口的發(fā)送和接收模塊，具有開發(fā)周期短、靈活性好、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)好的FPGA芯片在實(shí)際的硬件平臺(tái)與物理層設(shè)備對(duì)接測(cè)試中，數(shù)據(jù)收發(fā)正確，工作穩(wěn)定，證明FPGA實(shí)現(xiàn)的UTOPIA LEVEL2接口是正確的，為替代專用的通信處理芯片邁出了成功的一步。

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