（通信与信息系统专业论文）epon+onu硬件平台与软件系统的研究与实现.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 e p o n 被视为下一代接入网的最佳候选技术，因为它经济、简单、可扩展， 能向最终用户提供综合的话音、数据和视频服务，并对口数据业务是最优的， 它代表了低成本高带宽以太设备与低成本光纤网的融合。本文是对o n u 软硬 件系统的研究和设计，并对e p o n 实际应用中一些关键问题进行了研究。 本文首先简要介绍了e p o n 的结构和特点、e p o n 网络管理的概念以及 e p o n 的发展现状。然后介绍了o n u 芯片整体设计方案，详细分析了o n u 芯 片内部上下行工作流程。除此之外，叙述了上行复用模块和m p c p 模块的设计 方案。 第三章讨论了e p o n 系统安全性和o a m 模块的设计。介绍了中国电信提 出的三重搅动加密算法，提出了此算法在f p g a 上的设计和实现；方案在工程 上有创新性，性能完全满足e p o n 系统要求。 第四章给出了u b o o t 和u c l i n u x 在e p o n 4 5 1 0 平台上的移植方案。提出了 o n u 驱动程序和o a m 应用程序的设计，详细描述了o a m 发现的关键流程。 驱动程序设计采用了低半部机制和自旋锁等技术，具有创新性。 第五章指出了e p o n 中模拟通道和数据通道存在相互干扰问题。分析了线 性串扰和拉曼散射对e p o n 系统的影响。设计了采用随机帧替代长i d l e 串的 方案，有效克服了拉曼效应。本章在理论和工程上都有一定的创新性。 最后对本文所做的工作作了简要总结，提出了四个重要研究点。 关键词：e p o n ；o n u 芯片；三重搅动；o a m ；驱动程序；拉曼散射 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t e p o n ，c o m b i n i n gh i g h - s p e e de t h e r n e tt e c h n o l o g yw i t hl o w c o s tp o nt o p o l o g y a n do p t i m i z e df o ri pt r a f f i c ，i sn o wb e l i e v e dt ob et h em o s tp r o m i s i n gc a n d i d a t ef o r n e x t g e n e r a t i o na c c e s s n e t w o r kd u et oi t sr e l e v a n ts i m p l i c i t y , e c o n o m ya n d f l e x i b i l i t yt ob e a ra l lk i n d so ft r a f f i c t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i si st h er e s e a r c h a n dd e s i g no fo n us y s t e ma n dr e s e a r c ho ns o m ec r i t i c a lp r o b l e m so fe p o n a p p l i c a t i o n f i r s t l y , t h es t r u c t u r e ，s t r o n gp o i n t sa n dd e v e l o p m e n ts t a t u so fe p o na r e i n t r o d u c e d t h ec o n c e p to fn e t w o r km a n a g e m e n to fe p o ni sb r i e f l yp r e s e n t e d t h e ni n t r o d u c e so u t l i n ed e s i g ns c h e m eo ft h eo n u c h i pa n dt h ew o r kf l o wo f u p s t r e a ma n dd o w n s t r e a mo fi t i sp a r t i c u l a r l ya n a l y s e d b e s i d e s ，t h ed e s i g n so f m u l t i p l e x e rb l o c ka n dm p c pb l o c ka r ed i s c u s s e di nd e t a i l i i l3 坩c h a p t e r , t h es e c u r i t yo fe p o na n dt h ed e s i g no fo a mb l o c ka r ed i s c u s s e d 砀em a i nc o n t e n to ft h e t r i p l ec h u r n i n ga l g o r i t h mp r o p o s e db yc h i n a t e l e c o m m u n i c a t i o ni si n t r o d u c e d t h ef p g ad e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft r i p l e c h u r n i n ga r ep u tf o r w a r d t h ed e s i g np r o v e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ee p o n h a si n n o v a t i o no ne n g i n e e r i n g i i i4 mc h a p t e r , t h em e t h o do fp o r t i n gu - b o o ta n du c l i n u xt oe p o n 4 5 1o p l a t f o r mi sg i v e n b e s i d e s ，t h ed e s i g n so fo n ud r i v e ra n do a ma p p l i c a t i o n p r o g r a mi nu c l i n u xa r ep r e s e n t e d 功ed i s c o v e r yp r o c e s so fo a ms u b l a yi s d e s c r i b l e di nd e t a i l t h eb o t t o m h a l fa n ds p i n l o c ka r eu s e di no n ud r i v e ra n dt h i si s j u s ta n o t h e ri n n o v a t i v ep o i n t i n5 mc h a p t e r , i ti n d i c a t e st h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e n15 5 0 n mc a t vp a t ha n d 14 9 0 n md a t ap a t h t h ei m p a c tc a u s e db yt h el i n e a rc r o s s t a l ka n dr a m a nc r o s s t a l ki s a n a l y s e d t h ea p p r o a c ht h a ti sr e p l a c i n gl o n gp e r i o d so fi d l ew i t hap a c k e to f r a n d o mc o n t e n tt r a n s f e r r e dt oan u l ll l i di sp r o p o s e d ，w h i c hm i t i g a t e st h ee f f e c t c a u s e db yr a m a nc r o s s t a l k i th a sc r e a t i o nb o t ho nt h e o r ya n de n g i n e e r i n g a tl a s t ，t h ew o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni sb r i e f l yc o n c l u d e da n df o u rr e s e a r c h i n g p o i n t sa r ep r o p o s e d k e y w o r d s ：e p o n ，o n uc h i p ，t r i p l ec h u r n i n g ，o a m ，d r i v e r , r a m a nc r o s s t a l k v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 期哟 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 至菇经导师签名：挫日期：垒蚴矽 i i 上海大学硕士学位论文 1 1 e p o n 概述 第一章绪论 以太网技术( e t h e m e t ) 是迄今为止应用最普遍的局域网技术之一。现在的 因特网采用t c p i p 协议，用户端设备一般都是i p 设备，如果接入网采用以太帧格 式，将形成从局域网、接入网到广域网的无缝连接，从而避免了由额外的格式转 换带来的问题，在整体上提高了网络传输效率和网络管理维护的方便性，同时也 降低了网络的总体成本。 p o n 是一种低成本的光纤接入技术，其构造如图1 1 所示【i 】。一个无源光网 络是由一个光线路终端( o l t ) 、光纤( f i b e r ) 、无源光分配器( o d n ) 和多 个光网络单元( o n u ) 所组成的。网络中没有任何有源设备，p o n 因此而得名。 由于p o n 的点对多点的架构，其上行链路采用时分复用的方式进行数据通信，而 下行链路采用广播形式进行数据通信。以上特性决定了p o n 网络是一种造价低廉 且维护方便的光网络，同时适合用作接入网。 图1 1p o n 拓扑图 以太无源光网( e p o n ) 融合了无源光网络( p o n ) 和以太数据产品的优 点，相对于现有接入技术表现出明显的优势 2 】 3 】： ( 1 )高容量：e p o n 系统能够提供达1 2 5 g 的上下行带宽，这一带宽能够适 应现在及将来十年内用户对带宽的需求。每个e p o n 接入网可以比其它接 2 上海大学硕士学位论文 入网支持更多的用户，每个用户可以享受到更大的带宽。这样的带宽也为提 高业务质量( q o s ) 提供了保障。 ( 2 )费用低廉：e p o n 系统不采用昂贵的a t m 设备和s o n e t 设备，大大 简化系统结构。由于无源光器件有很长的寿命，户外线路的维护费用大为减 少。标准的以太网接口可以利用现有的价格低廉的以太网络设备，故e p o n 比a p o n 有显著的价格优势。 ( 3 ) 易于升级：p o n 结构本身就决定了网络的可升级性很强，只要更换终 端设备就可以升级网络到1 0 g 或者更高速率。 ( 4 )实现综合业务：e p o n 不仅能综合现有的有线电视，数据，话音业务， 还能兼容未来的业务如数字电视、v o i p 、电视会议和v o d 等等。 ( 5 ) 兼容性：相对于以往的接入方式，以太网技术是迄今为止最成熟的局域 网技术。e p o n 协议只是对现有i e e e 8 0 2 3 协议作一定的补充，与后者完全 兼容。考虑到以太网的市场优势和价格优势，e p o n 与以太网的兼容性是其 最大的优点。 ( 6 ) 安全性：e p o n 协议为用户提供了多层安全保证。 由于以太网具有协议简单和市场普及率高的优势，在各种f t t h 方式中， e p o n 无疑是最经济的、应用前景最好的方式，将在f t t h 的逐步实施过程中 扮演重要的角色。 以e p o n 为基础，采用粗间隔波分复用技术，人们可以容易地将射频电视 信号叠加在同一根光纤中。把e p o n 和c a t v 网络结合起来的物理基础在于两 种网络都是一点到多点的网络，可以设计成具有同一的拓扑结构。同样，将e 1 数字信号( 3 0 路电话) 封装进以太帧，与数据信号一道传送。可以实现在e p o n 上叠加t d m 电话信号，从而真正实现电话、电视、数据业务在接入网中的融 合。通常将这种融合了电话、电视、数据业务的e p o n 称之为综合业务无源光 网络( i s e p o n ) 【4 】。 1 2e p o n 网络管理 e p o n 系统作为一个全新的接入网，它不光是面向用户的，也需要考虑到 3 上海大学硕士学位论文 服务服务商的运营要求。在一个点对多点的网络结构中，实际铺设的情况又错 综复杂，因此很有必要有一套保证网络正常运行、管理和维护【5 j ( o a m ) 的机 制；i e e e 8 0 2 3e f m 工作小组在制定i e e e 8 0 2 3 a h 协议的过程中，一直把o a m 作为一个单独的任务进行规划。e p o n 系统中o a m 需要实现的功能有： ( 1 ) 远端故障显示：通告远端，本地设备的接收回路有故障； ( 2 ) 远端回环测试：提供数据链路层帧方式的回环测试； ( 3 )链路监测：提供带有诊断信息的事件通告的能力； ( 4 ) 支持对i e e e 8 0 2 3m i b ( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s e ) 的轮询查看； ( 5 ) 允许用户扩展使上层更感方便的管理。 e p o n 系统中o a m 不提供的功能为： ( 1 )o a m 不涉及保护切换、站管理和用户管理，这些功能可以通过用户扩 展机制来实现； ( 2 )o a m 不支持协商、分配功能( 带宽分配、速率匹配和速率协商) ； ( 3 )o a m 不涉及o a m 数据的保密和o a m 实体的鉴别、认证； ( 4 )不支持对远端m i b 库进行s e 洲r i t e 操作。 图1 2 显示了o a m 子层在i e e e 8 0 2 3 a h 协议栈中的位置。 l a n c s l v c d l a y e r s h i g 珏e rl a y e r s l l co l o t h e l m a cc l i e n t o a 氏i 凡i u l i i p o i n t & i a cc o n t r o l i a c r s _ g i o l t l a n c s 凡i a c d l a y e r s im g h e rl a y e r s il l co ro t h e rm a cc l i e n t p o n t a g h i a c g i p c s fi p c s p l a il p a i a p i dilp 图1 2i e e e 8 0 2 3 a h 协议栈 4 o n i t 上海大学硕士学位论文 图1 - 3 是o a m 帧的构造，其中2 字节的f l a g s 用来指示状态，1 字节的c o d e 用来区分不同性质的o a m 帧： ( 1 ) c o d e = 0 x 0 0 表示i n f o r m a t i o no a m p d u ，本地和远端o a m 信息的通 信； ( 2 )c o d e = 0 x 0 1 表示e v e n tn o t i f i c a t i o no a m p d u ，给远端设备事件通告； ( 3 )c o d e = o x 0 2 表示v a r i a b l er e q u e s to a m p d u 请求一个或多个特定的 m i b 变量； ( 4 )c o d e = 0 x 0 3 表示v a r i a b l er e s p o n s eo a m p d u ，返回一个或多个特定 的m i b 变量； ( 5 ) c o d e = 0 x 0 4 表示l o o p b a c k c o n t r o lo a m p d u ，o a m 远端回环； ( 6 ) c o d e = o x 0 5 0 x f d 保留； ( 7 ) c o d e = 0 x f e 表示o r g a n i z a t i o ns p e c i f i co a m p d u ，用户根据自己的需 要自定义的帧； ( 8 )c o d e = 0 x f f 保留。 o c t e t s 6 6 2 1 2 l 4 2 1 4 9 6 4 d e s t i n a t i o na d d r e s s = o 8 0 - c 2 - 0 0 - 0 0 - 0 2 s o u r c ea d d r e s s l e n g t l f f l y p e = 8 8 伪l s l o wp r o t o c o t s s u b t y p e = o x 0 3 o a m l f l a g s c o d e d a 埝妒a d f c s c o mm o n ：f i x e dh e a d e r f o ra | lo a m p o u s 图1 3o a m p d u 的帧结构 e p o n 系统中o a m 的事件分为；紧急事件( l i n kf a u l t 、d y i n gg a s p 等) 在 每种o a m p d u 的f l a g s 域中传送；非紧急事件，目前定义了五种，它们通过 e v e n tn o t i f i c a t i o i lp d u 传送，即： ( 1 ) 错误符号周期事件( e r r o r e ds y m b o lp e r i o de v e n t ) ： ( 2 ) 错误帧事件( e r r o r e df r a m ee v e n t ) ： ( 3 ) 错误帧周期事件( e r r o r e df r a m ep e r i o de v e n t ) ； 5 上海大学硕士学位论文 ( 4 ) 错误帧秒总结事件( e r r o r e df r a m es e c o n d ss u m m a r ye v e n t ) ： ( 5 ) 用户自定义事件( o r g a n i z a t i o ns p e c i f i cp d u ) 。 1 3 国内外e p o n 和f t t x 的发展现状 2 0 0 7 年，由中国电信主导的e p o n 互通性研究工作有了很大的突破，实现 了主流e p o n 设备在e p o n 基本功能、业务承载相关功能、运行管理和维护功 能等多方面的互通，为国内下一步的f t t h 及宽带光接入网发展提供了重要的 技术依据，有力地推动了国内e p o n 及f t t h 技术的发展。e p o n 互通性的圆 满解决，标志着e p o n 技术和设备已经成熟，将进入规模商用阶段 6 1 。 目前在全球出现了f t t x 的建设高潮，尤其在欧、美、亚三大地区电信运 营商们在光纤接入网方面部署了大量的投资预算，它们试图通过这一战略选择 改变现状，把自己转型为全业务运营商，创造新的机遇。利用融合的宽带网络 向用户提供话音、高速宽带接入、交互型视频、电视节目以及日后更吸引人的 业务，获得新的收入来源，可以更有效地与无线运营商及有线电视公司进行竞 争。 1 4 本课题研究的主要内容和意义 本课题由上海市科委重点项目“以太无源光网媒质访问控制器芯片设计” ( 0 5 7 0 6 2 0 1 9 ) 和上海市重点学科开放课题“s h u 2 0 0 6o n u 与t k 3 7 2 1o l t 互 通性研究”的资助。经过课题组老师和几届研究生共同的努力，拥有上海大学自 主知识产权的o n u 芯片分别于2 0 0 6 年5 和1 2 月完成了两次流片( 详见附录i 图i 3 ) ，实现了i e e e 8 0 2 3 a h 规定的e p o n 通信标准。本课题首先完善此o n u 芯片，主要分为两部分，第一部分完善o n u 芯片内部逻辑；主要有三重搅动 的设计、o a m 模块的设计以及改善原有代码不妥之处等工作；第二部为o n u 端网络管理系统的设计，主要是u b o o t 和u c l i n u x 的移植、设备驱动程序的 设计和o a m 应用程序的设计等。开发和测试平台详见附录i 。此外，研究了 e p o n 在实际应用中存在的模拟和数据通道相互干扰的问题并作了详细分析， 6 上海大学硕士学位论文 给出了解决方案。本人所做的主要工作如下： 1 深入研究i e e e 8 0 2 3 a h 标准和其它国内外的最新相关论文和资料，重点研究 符合i e e e 8 0 2 3 a h 标准的s h u 2 0 0 6o n u 控制器的功能及逻辑结构。在前人 工作的基础上，研究探索完善o n u 芯片以及互通的关键性技术。 2 认真阅读中国电信e p o n 设备技术要求v 1 2 ，在f p g a 上设计并实现“三 重搅动”加密算法，实现了o n u 芯片物理层加密，为下一次流片打下了基 础。其中三重搅动加密算法在f p g a 上的实现在工程上创新性。 3 经过钻研和实践，掌握了时序理论以及高速数字逻辑电路的设计方法。分析 了o n u 芯片的设计方案并改善了部分内部逻辑。设计了o a m 模块和o n u 芯片与上层a r m 处理器的接口模块。 4 深入学习嵌入式软件系统平台搭建、系统移植等知识，完成了$ 3 c 4 5 1 0 b a r m 7 上u b o o t 和u c l i n u x 的修改、编译和移植，搭建了嵌入式软件的开 发平台。 5 经过学习和钻研，掌握了u c l i n u x 下设备驱动程序和应用程序的设计和编写 方法。开发了u c l i n u x 下o n u 芯片的驱动程序，实现了o a m 帧在o n u 芯 片与a r m 之间交互；并开发了o a m 应用程序，完成了发现和扩展发现等 o a m 功能。以上成果在工程上有一定的创新性。 6 通过消化国内外文献，分析了e p o n 中模拟通道对数据通道线性串扰的影 响以及数据通道对模拟通道的非线性串扰的影响，并给出了解决方案。设计 了发送随机帧替代长i d l e t 2 】的方案，有效克服了由长i d l e 引起的受激拉 曼散射m 。这些对于e p o n 的应用有很大的现实意义，串扰的定量分析在理 论上有创新性，设计的随机帧生成方案在工程上有创新性。 1 5 论文的结构安排 本文分为以下几个部分： 第一章：介绍了e p o n 的结构、工作原理和发展现状，e p o n 网络管理的概 念等。同时列举了本文的主要工作及技术创新点。 第二章：给出o n u 硬件平台的整体组成框架，并介绍了o n u 芯片的内部模 7 上海大学硕士学位论文 块组成。重点分析了o n u 芯片上行和下行工作流程，并对m p c p 和上行复用这两 个核心模块作了详尽的阐述。 第三章：针对e p o n 的网络管理功能，提出了o a m 模块的设计方案，包括 o a m 接收和发送以及o n u 芯片与a r m 的接口等。按照中国电信提出的“三重搅 动”加密算法，在o n u 芯片内部增加了搅动模块，实现了物理层数据的加密，保 证了e p o n 系统的安全性。本章是o n u 芯片内部逻辑完善的主要部分，在工程上 有创新性。 第四章：主要叙述a r m 上嵌入式软件的设计与开发。其中，详细介绍了基 于s 3 c 4 5 1 0 ba r m 7 的u b o o t 修改和移植及u c l i n u x 系统的移植；提出了o n u 芯片 在u c l i n u x 下的驱动程序设计方案并给出了o a m 软件的整体结构和设计方案。本 章是软件部分的核心，在工程上有所创新。 第五章：主要介绍了e p o n 在传输c a t v 时出现受激拉曼散射的原因和影响， 设计了一种通过检澳, t j i d l e 长度来产生随机帧代替发送长i d l e 的方案，有效地克 服了由长i d l e 引起的拉曼干扰，提高了c a t v 接收信号的载噪比。本章是对e p o n 在实际应用中遇到的比较突出的问题作了详细的分析，给出的方案有创新性和实 用性。 第六章：对论文的工作做了总结，提出了研究的不足和需要加以改进的地 方，并且对下一步的研究作了展望。 上海大学硕士学位论文 第二章0 n u 硬件平台 2 1 平台框架结构 o n u 是e p o n 系统的用户端接入设备，主要完成的功能有： ( 1 )选择接收o l t 发送的广播数据； ( 2 ) 响应o l t 发出的注册和测距命令； ( 3 )对用户的以太网数据进行缓存，向o l t 报告缓存队列的情况并在o l t 分配的上行发送窗口中发送缓存的数据； ( 4 )根据o l t 发出的o a m 帧，执行相应的o a m 功能 8 l ； ( 5 ) 完成其它相关的以太网功能。 图2 1o n u 系统组成框图 因为都使用以太网协议，o n u 不需要协议转换就实现对用户数据的透明传 送。当然，o n u 也支持其他传统的t d m 协议，可以提供多个t 1 e 1 接口【9 】。 根据上述分析确认o n u 的组成框架【1 0 1 如图2 1 所示。它主要由o n u 芯片 ( s h u 2 0 0 6 ) 、微处理器、e p o n 千兆位突发光收发器、百兆位以太交换芯片 ( k s 8 9 9 5 m ) 和存储器组成。在e p o n 端，o n u 通过一根单模光缚1 1 】与o l t 相 连；在u n i 端，o n u 通过5 类线连接以太交换机或用户终端设备。其中s h u 2 0 0 6 9 上海大学硕士学位论文 o n u 就是待完善的m a c 控制器芯片【1 2 1 ，它是整个o n u 系统的核心部件。 2 2o n u 芯片内部总体结构 o n u 芯片内部功能框图如图2 2 所示，其主要实现i e e e 8 0 2 3 a h 的上层协 议，包括多点m a c 控制( m u l t i p o i n tm a c c o n t r 0 1 ) 子层、m a c 子层、点对 点仿真子层( p t pe m u l a t i o n ) 等。 m p c p 协议部分 图2 2s h u 2 0 0 6o n u 芯片内部功能框图 芯片内大体分为上行和下行两部分组成 1 3 】，所谓下行就是数据从o l t 传输 到o n u ；而上行就是数据从o n u 传输到o l t ；其中m p c p 协议部分上下行共 用。下行由p c s 接收、l l i d 过滤、帧校验、分类器、控制帧发送队列、数据 发送队列、8 转4 和帧头添加等模块组成；其中分类器输出的o a m 帧通过a r m 接口传送至a r m 处理器进行处理。 上行由4 转3 4 、上行队列管理、s d r a m 模块、注册突发处理、控制帧接 收队列、数据接收队列、仲裁复用器、时标添加、l l i d 添加和p c s 发送等模 块组成。其中来自a r m 的o a m 帧也需要经过仲裁复用器进行仲裁后再发送 l o 上海大学硕士学位论文 出去；如果发送的不是m p c p 帧，无需时标添加。 2 3 下行设计 图2 3 为o n u 芯片下行工作流程图【1 4 】，串行收发器从来自光模块的串行差 分信号里恢复出时钟和并行数据，并采用t b i ( t e nb i ti n t e r f a c e ) 总线连接到 o n u 芯片上。p c s 模块的为恢复出来的 时钟，receive e l k1 2 51 x1 2 5 m h z g r x 9 ：0 】为t b i 的1 0 b i t 数据总线。p c sr e c e i v e 模块完成1 0 b 到8 b 数据转换， 若1 0 b 总线上传输的是数据而非i d l e 字符的话，则p c s模块产生数据receive 有效信号d o u td v 并进行1 0 b 8 b 转化，输出数据d o u t 7 ：0 】。d o u td v 的上升沿 为数据的第一个字节有效，下降沿为数据的最后一个字节有效。 1 8d o w nb l o c k 模块对上述恢复出来的数据作l l i d ( 逻辑链路标识) 过滤和 帧头c r c 8 校验。若接收数据的l l i d 与o l t 分配给o n u 的l l i d 不一致且 接收到的l l i d 不是广播l l i d ，则丢弃接收到的数据；否则对接收数据的前导 码作c r c 8 校验，若校验正确则把接收数据的前导码去除并传递到下一个模块， 否则丢弃接收到的数据。1 8d o w nb l o c k 模块输出的信号d o u td v 为数据帧有效 信号，c r c 8 算法采用的多项式为x 8 + x 7 + x 6 + x o 。 c t r lp a r s e 模块【”】对1 8d o w nb l o c k 模块传输过来的数据包进行分类。在 e p o n 系统中，传输的以太帧有三种类型：m p c p 帧、o a m 帧以及m a c 帧； 这三种类型的帧根据长度类型域进行区分。m p c p 帧的长度类型域为0 x 8 8 0 8 ， o a m 帧的长度类型域为0 x 8 8 0 9 ，其它值视为m a c 帧 2 1 。 o a md o w nb l o c k 模块对来自c t r lp a r s e 模块的o a m 帧进行处理，把o a m 帧暂存到o a md o w nd a t a 丘f o 中去。在存储o a m 帧时，统计该帧的长度，一 帧完成后把o a m 帧的长度信息写入到o a md o w n1 e n 跏f i f o 中去，并向a r m 发送中断请求。如果c r c 3 2 校验错误，则丢弃当前o a m 帧。 a m lr e a di n t e r f a c e 实现配合a r m 读取和发送o a m 帧的功能，把a r m 总 线的异步操作转换为o a md o w nb l o c k 中的f i f o 读取和写入操作。 c r c 3 2d o w nc h e c k 主要是对m p c p 帧进行c r c 3 2 校验【1 6 】。对于e p o n 系统而言，m p c p 帧是整个系统能够正常工作的核心，因此对于o n u 芯片而 上海大学硕士学位论文 言，必须确保接收到的m p c p 帧是正确的。对接收到的m p c p 帧进行c r c 3 2 校验过滤保证接收到的m p c p 帧是正确的，从而对正确的m p c p 帧进行处理， 保证e p o n 系统正常工作。 m p c pd r a g 模块对c r c 3 2d o w nc h e c k 模块提供的m p c p 帧迸行信息抽 取，把m p c p 帧的d a 、o p c o d e 域提取出来，并把t i m e s t a m p 后的数据形成新 的m p c p 帧，最后把提取的信息传递到m p c p 处理模块。另外m p c pd r a g 从 m p c p 帧里面获取o l t 的时间信息，并把o n u 的时钟l o c a le l k 同步成o l t 的时钟。 m a cd o w nf i f o 对来自c t r lp a r s e 模块的m a c 帧进行处理，把m a c 帧暂 存到m a cd o w ndf i f o 中去。在存储m a c 帧时，统计该帧的长度，并在一帧 结束后把m a c 帧的长度信息写入到m a cd o w nlf i f o 中去。 m a cd o w ndf i f o 数据宽度为8 位，深度为4 0 9 6 。由于以太帧的最大长度小 于2 0 4 8 ，因此m a cd o w n16 f o 的宽度为1 2 位，深度为1 2 8 。 m a cd o w nc t l 模块从m a cd o w nf i f o 里读取数据，并根据i e e e 8 0 2 3 协议增加帧间间隙和以太帧前导码。实现方案为：当检测到m a cd o w nlf i f o 非空时，从该f i f o 里读取帧长信息；根据帧长信息从m a cd o w ndf i f o 读取 要发送的数据，按照先发低4 b i t 后发高4 b i t 的顺序进行数据发送。 1 2 上海大学硕士学位论文 图2 3s h u 2 0 0 6o n u 下行设计流程图 在下行流程中，e l k6 2 5 ( a r m 接口的时钟) 与e l k1 2 5r x 没有相位关系， 三个时钟e l k2 5 、e l k6 2 5 和c l k1 2 5r x 可以完全异步。其中c l k6 2 5 时钟的频 率为6 2 5 m h z ，e l k1 2 5r x 为从光模块恢复出来的1 2 5 m h z 时钟，e l k2 5 为 m i i 接口的2 5 m h z 发送时钟。下行设计一共用到三个时钟，由于这三个时钟之 间没有相位关系，因此下行逻辑比较可靠【1 7 】。 1 3 上海大学硕士学位论文 2 4 上行设计 2 4 1 上行流程 图2 4 为o n u 芯片上行工作流程图，w i d t ht r a n 模块把从m i i 总线接收到 的4 位数据转换为3 4 位。由于s d r a m 的总线操作为3 2 b i t 总线，为了充分利 用s d r a m 的传输带宽，需要把m i i 的4 位总线转换为3 2 b i t 总线。转换后的 数据总线为d o u r 31 ：o 】，d o u td v 的为帧有效信号。由于以太帧数据帧长不一定 是4 的倍数，因此w i d t ht r a n 模块提供了以太帧数量的信号f l a m el e n g t h ，该信 号在d o u td v 下降沿有效。d o u t 3 3 ：3 2 为帧头信息：2 0 0 0 表示d o u t 3 1 ：0 为帧数 据，2 0 0 1 表示d o u t 3 1 ：o 为帧开始，2 0 1 0 表示d o u t 3 l ：o 为帧结束。 f r a m e h e a dt r a n f 模块修改w i d t ht r 孤传输过来的以太帧，在原来的以太帧 信息上添加o l t 分配给o n u 芯片的l l i d 和c r c 8 校验域，c r c 8 算法采用 的多项式与下行流程中的多项式相同。 m a cu pf i f 0 模块暂存 发送过来的以太帧。数据存储到 f r a m e h e a dt r a n f m a c u p 中，帧长度存储到中去。由于仅dfifom a cu pl f i f om a cu pd f i f o 需要存储两帧以太数据帧即可，该f i f o 的深度选择为4 0 9 6 ，宽度为3 4 位。 为了加强o n u 芯片的可测试性，增加了透传使能信号。f i f or e a ds e i 把该 信号作为f i f o 读操作的多路器选择控制信号。d i r e c tt r a nc t r l 模块把 m a c u p 的数据直接读取出来，并把该数据传输到模块上去，fifo f i f ow r i t es e l 无需经过s d r a m 外部存储。 s d rw r i t ec t l 模块检测到m a cu p 非空时，从该jfifo里读取数据，并dfifo 发起w bw r i t e 块操作，块操作大小为8 。w bw r i t e 总线为w i s h b o n em a s t e r 总线【豫】，数据总线为3 2 位，地址总线为3 2 位。若传输的数据小于一个块，则 用0 填充。当一个完整的数据帧传输完毕，则把该帧的长度写入到u p1 e n g t h f i f o 中去。u p _ l e n g t h _ _ f i f o 的缓冲区宽度和深度与m a c u p j f i f o 一致。 s d rr e a dc t l 模块实现从s d r a m 里面读取上行传输缓冲数据并存放到 u p _ _ d a t a _ f i f o 中的功能。s d r r e a d c t l 模块检测到u p _ l e n g t h _ f i f o 非空时，则从 u p1 读取帧长信息，然后发起操作，从里面_engthfifo w br e a dm a s t e rs d r a m 1 4 上海大学硕士学位论文 读取一个块的数据。接着检测u p是否已经写满，若没有写满，则把读取d f i f o 的信息传输到u p中去。一旦整个数据帧传输完毕，则把帧长信息写入到d f i f o u p j - f i f o 中去。 b u sa r b i t e r 模块完成w br e a d 和w bw r i t e 主总线的仲裁作用，仲裁采用固 定优先级的方式：w bw r i t e 的优先级比w br e a d 的优先级高。 s d r a mc o n t r o l e r 模块是s d r a m 控制器模块。s d r a mc o n t r o l e r 模块把 w i s h b o b e 总线块操作转换为s d r a m 的块操作。s d r a mc o n t r o l e r 控制器模块 仅适用于m t 4 8 l c 4 m 1 6 a 2s d r a m 芯片【1 9 1 ，它支持s d r a m 的自动刷新。 f i f ow r i t es e l 模块根据透传使能信号选通d i r e c tt r a nc t r l 的f i f o 写操作和 s d rr e a dc t l 的写操作。透传使能信号有效，则u p1f i f o 与u p的 写_d f i f o f i f o 操作来自d i r e c tt r a nc t r l ，否则来自s d rr e a dc t l 。u pl与信息由 f i f o u p df i f o o n um u t i p l e x e r 上行复用模块读取。 锄w r i t ei n t e r f a c e 模块把a r m 接口发送过来的o a m 数据信息转换写入 到o a mu p中，把接口发送过来的帧长信息写入到 d f i 中f o 。a r m 与由oamoam u p _ l _ f i f oo a m _ u p _ d _ f i f oo a m _ u p _ l _ f i f oo n u m u t i p l e x e r 上 行复用模块读取并在分配的上行传输时隙内把读取的数据发送出去。 1 5 上海大学硕士学位论文 图2 4s h u 2 0 0 6o n u 上行设计流程图 上行流程中，s d rc l k 与c l k6 2 5 频率为6 2 5 m h z ；e l k1 2 5t x 与o n uc l k 时 钟频率为1 2 5 m h z 。s d rc l k 、c l k6 2 5 、o n ue l k 时钟相位一致；e l k1 2 5t x 与 1 6 上海大学硕士学位论文 o n uc l k 之间的相位有要求，相差一个兀。 2 4 2 上行复用模块设计 图2 5 是o n u 芯片上行复用模块结构框图。s e n df r a m es e l 模块选择要 发送的帧。在o n u 芯片中，一共有三种类型的数据要向o l t 发送：m p c p 帧、 m a c 帧和o a m 帧。s e n df r a m es e l 模块按照固定优先级的方式选择要发送 的数据：m p c p 帧优先级最高，o a m 数据帧次之，m a c 帧优先级最低，优先 级如表2 1 所示【1 0 1 。需要特别指出的是，帧并不完全代表各种帧就是按照表2 1 所示的优先级进行发送，还需考虑当前的时隙是否足够发送被选中的帧，如果 所剩时隙不够则选择其他的帧进行发送或进入发送帧间间隔( p g ) 状态。 表2 1 上行链路帧传输优先级 r e g i s t e r _ a c k 帧 r e g i s t e r _ r e q u e s t 帧 r e p o r t 帧 o a m 帧 m a c 帧 s e n df r a m e1 e n g t hc h e c k 模块读取要发送数据帧的帧长，并对该数据帧进 行检测。若数据帧的帧长大于o l t 分配给o n u 的发送时隙，则把要发送的数 据帧保留至下一个发送时隙，否则发送该数据帧。 s e n df r a m ed a t ar e a d 模块从发送数据的缓冲区里面读取要发送的数据。 s e n df r a m es e l 模块根据发送时隙信号t r a n s mv a l i d0 完成数据帧的上行 传输。t b ib u r s te n 信号为o n u 光模块的突发发送信号。p c st r a