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e p o n 中0 n o 端m a c 控制芯片及o n u 系统的研究与实现 摘要 随着通信技术的发展，骨干网和局域网取得了巨大的进步，而连接骨干网和 用户的接入网却发展缓慢，成为了信息高速公路发展的瓶颈。以太无源光网络 ( e p o n ) 【e 是在这种形势下诞生的。它维护方便、成本低、带宽高、支持综合 业务，被视为下一代宽带接入网的最佳解决方案。 e p o n 系统的m a c 控制芯片是e p o n 系统的核心，本文主要研究光网络单 元( 0 n u ) m a c 控制芯片的f p g a 设计，并在此基础上设计开发了o n u 硬件 系统。首先简要介绍了e p o n 的特点及工作原理，以及国内外e p o nm a c 控制 芯片和系统的研究进展。然后给出了我们的o n u 端m a c 控制芯片总体设计方 案。重点研究了0 n u 端m a c 控制芯片设计的五项关键技术。一、设计了高效 的下行分类、上行复用模块，保证了o n u 芯片对e p o n 中m p c p 帧、0 a m 帧 和数据帧的有效识别和正确处理。二、创新性地将o n u 端的m p c p 功能用f p g a 来实现，从而大大提高了0 n um a c 控制芯片对m p c p 帧的处理效率，保证了 e p o n 中注册、带宽分配等核心功能的高效执行。三、设计了s d r a m 控制器和 系统接口模块，利用该设计能够很好的将0 n u 上行数据以帧为单位写入s d r a m 中缓存，或从s d r a m 中读出。四、针对o n u 下行方向“千兆进，百兆出” 的特点，提出了下行流量控制的f p g a 解决方案，避免了下行数据的丢失。五、 提出利用i g m ps n o o p i n g 协议在e p o n 中实现二层组播的f p g a 解决方案，从 而保证e p o n 对i p t v 等宽带多媒体业务的支持。这五项技术是本文的主要创新 之处。文中着重于对各功能模块的端口和状态机的描述，并给出详细分析及仿真 结果，验证了设计的正确性。最后介绍了o n u 硬件系统设计方案，包括对各单 元电路的功能描述与实现方案，并总结了自己在硬件设计和调试过程中的实践经 验及心得。 关键词： 以太无源光网络，光网络单元，现场可编程门阵列，媒体接入控制，多点控制协 议，组播 上海大学攻读砸十学位论文e p o n 中o n u 端m a c 控制芯片及0 n u 系统的研究与实现 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h e r eh a sb e e ng r e a t a d v a n c ei nt h ea r e ao fh i g h s p e e db a c k b o n ea n dl a n t e c h n o l o g y i nt h em e a n w h i l e ， t h ea c c e s sn e t w o r kw h i c hc o n n e c t st h es u b s c r i b e r st ot h eb a c k b o n eh a sb e c o m et h e b o t t l e n e c ko ft h ei n f o r m a t i o nh i g h w a y , t h ee t h e m e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( e p o n ) c o m e sf o r t hi nt h i ss i t u a t i o n i ti sc o n s i d e r e da so n eo ft h eb e s tt e c h n o l o g yf o rt h en e x t g e n e r a t i o nb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k ，b e c a u s eo ft h ec o n v e i “e n c eo fm a i n t e n a n c e ， l o wc o s t ，h i g hb a n d w i d t ha n di ns u p p o r to f i n t e r g r a t e ds e r v i c e a st h ec o r eo fe p o ns y s t e m ，r e s e a r c ho nm a cc o n t r o l l e rc h i pi so fg r e a t s i g n i f i c a n c e t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ei m p l e m e n t a t i o no fo n u m a cf u n c t i o nw i t h f p g aa n dt h ed e v e l o p m e n to fo n uh a r f w a r es y s t e m f i r s t l y , t h eb a s i cp r i n c i p l eo f e p o na n dt h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fe p o nm a cc o n t r o l l e ra r ep r o p o s e d t h e n ， d e s i g ns c h e m eo ft h eo n um a cc o n t r o l l e ri sp r o p o s e di nd e t m l ，w h i c ha b i d e sb y 8 0 2 3 a hp r o t o c o la n de p o ns y s t e mf u n c t i o n a st h ek e yp a r to ft h et h e s i s ，f i v ek e y t e c h n i q u e sa r ed e s c r i b e di nd e t m l f i r s t ，p a r s e rm o d u l eo f d o w n s t r e a ma n dm u l t i p l e x e r m o d u l eo fu p s t r e a ma r ed e v e l o p e d t h e s eh i g hp e r f o r m a n c em o d u l e sc o u l dp a r s ea n d m u l t i p l e xt h em p c p 、o a ma n dd a t af l a m e sc o r r e c t l y s e c o n d ，i m p l e m e n tt h em p c p f u n c t i o no fo n us y s t e mw i t hf p g ac h i p s t h i sn o v e ls c h e m ec o u l dq u i c k e nt h e t r a n s a c t i o no fm p c pf r a m si no n u ，t h u se n s u r et h ee f f e c t i v ei m p l e m e n to fs o n l l ： e p o nc o r ef u n c t i o n ss u c ha sr e g i s t e ra n db a n d w i d t ha l l o c a t i o no fu p s t r e a m t h i r d ， t h es d r a mc o n t r o l l e ra n di t si n t e r f a c i n gm o d u l e sa r ed e v e l o p e d w i t ht h e s em o d u l e s w ec o u l ds t o r et h eu p s t r e a me t h e m e tf l a m e si ns d r a m c h i p s f o u r t h ，f l o wc o n t r o l i ss t u d i e da n dr e a l i z e di nd o w n s t r e a m f i f t h ，i no r d e rt os u p p o gt h em u l t i c a s tf i m c t i o n i ne p o n ，i g m ps n o o p i n gp r o t o c o li s i m p l e m e n t e dw i t hf p g am e t h o di no n u m a cc h i p t h e no u re p o ns y s t e mc o u l ds u p p o r tt h eb r o a d b a n dm u l t i m e d i as e r v i c e s u c ha si p t va n ds oo n t h e s ef i v et e c h n i q u e sa r et h em a i ni n n o v a t i o np o i n t si nt h i s t h e s i s t h ei n t r o d u c t i o nf o c u s e so nt h ed e s c r i p t i o no ft h ep o r ta n ds t a t em a c h i n eo ft h e f u n c t i o nm o d u l e ，t h es i m u l a t i o nr e s u l ta n di t sd e t a i la n a l y s i sa r ep r e s e n t e dt ov a l i d a t e t h ec o r r e c t n e s so ft h e s ed e s i g n s f i n a l l y , t h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fo n u h a r d w a r es y s t e ma r ei n t r o d u c e dt h ef u n c t i o no fe a c hm o d u l ea n dt h ea p p l i c a t i o n c i r c u i ta r ee l a b o r a t e di nd e t a i l t h ep r a c t i c a le x p e r i e n c e sg a i n e df r o mt h i sp r o j e c ta r e a 】s oc o n e l l l d e d k e y w o r d s ： e p o n ，o n u ，f p g a ，m a c ，m p c p , m u l t i c a s t 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。 签名： 堡垒日期：塑丛：盆 本论文使用授权说明 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：塑导师签名：辫日期： 口6 弓jf 毛 l 海大学攻读硕：l 学位论文 e p o n 中0 n u 端m a c 控制芯片及0 n i 系统的研究与实现 第一章绪论 1 1 以太无源光网络e p o n 概述 1 1 1e p o n 及其特点 以太无源光网络e p o n 是以太网( e t h e r n e t ) 和无源光网络( p o n ) 两种网 络技术相结合的产物。 以太网技术( e t h e r n e t ) 是迄今为止应用最普遍的局域网技术之一。现在的 英特网采用t c p i p 协议，用户端设备一般都是口设备，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，从而省去了由额外的格式 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。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 ) 、无源光分路器( s p l i t t e r ) 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 网络是一种造价较 低廉且维护方便的光网络，同时适合用作接入网的应用。 图1 1p o n 拓扑图 e p o n 集p o n 技术和以太网技术的优点于一身。p o n 结构简单、铺设维护 成本低的特点和以太网设备成熟、廉价的特点就是e p o n 作为新一代接入网的优 势所在。e p o n 己逐渐成为目前解决“第一英里”瓶颈的最佳方案之一。 1 1 2e p o n 结构- qm 作原理2 1 一个典型的e p o n 系统如图1 2 所示，它由位于中心局端的o l t 、位于用户 端的o n u 和无源光分路器三部分组成。根据o n u 硬件配置和位置的不同可分 别构成f t t c ( 光纤到路边) 、f t t b ( 光纤到大楼) 和f t t h ( 光纤到户) 。 上海大学攻读硕十学位论义 e p o n 中o n u 端l , i a c 控制芯片及o n u 系统的研究与实现 图1 ，2e p o n 的结构 e p o n 是一科r 点到多点的传输系统，采用1 4 9 0 r i m 作为下行传输波长，采用 1 3 1 0 r i m 作为上行传输波长。由于点对多点的结构，e p o n 的上、下行的工作方 式是不同的： e p o n 的下行工作方式为广播方式。各个o n u 通过逻辑链路标识( l l i d l 0 9 i cl i n ki d ) 来判别帧的归属，接收属于本o n u 的帧和丢弃不属于本o n u 的帧。下行工作方式示意图如图1 _ 3 所示。 图1 t 3e p o n 下行工作示意图 e p o n 的上行方向采用时分多址( t d m a ) 的方式来使各个o n u 共享链路， o l t 为各个o n u 分配时隙，而每个o n u 只有在自己分配到的时隙中才能向o l t 发送数据。上行工作方式示意图如图1 4 所示。 图14e p o n 上行工作示意图 e p o n 通过全网时戳( t i m e s t a m p ) 和测距来保持整个网络的同步。全网时 戳由o l t 的计数器值给出，并通过控制帧将该时戳发送给每个o n u 。o n u 接 2 上海大学攻读硕士学位论文e p o n 中0 n i j 端m a c 挎制芯片及0 n u 系统的研究与实现 收到该时戳后调整本地时钟的偏差 3 】。 为了实现对各个o n u 进行上行带宽分配，e p o n 要求每个o n u 都要向o l t 注册。注册完成后o n u 根据本地队列情况向o l t 申请带宽，o l t 收到带宽申请 后根据某种带宽分配算法为o n u 分配带宽。注册过程和动态带宽分配过程是通 过e p o n 标准8 0 2 3 a h 中增加的多点控制协议( m p c p ：m u l t i p o i n tc o n t r o l p r o t o c 0 1 ) 来实现的。 e p o n 中o l t 和o n u 应完成的功能可分别概括如下： 1 、o l t 是整个e p o n 系统的核心部件。主要完成的功能有： ( 1 ) 以广播方式向o n u 发送以太数据包： ( 2 ) 发起并控制o n u 注册和测距过程，记录测距信息； ( 3 ) 针对用户的q o s 要求为o n u 分配带宽，即控制o n u 发送数据的起始 时刻和发送时间窗口的大小； ( 4 ) 其它相关的以太网功能。 根据以太网向城域网和广域网发展的趋势，o l t 可以提供多个 g b i t s 的以太网接口。o l t 还可以支持其他流行的协议如a t m 、f r 及 e 3 、s t m 一1 等速率的t d m 连接。除了提供网络集中和接入的功能外， o l t 还要进行网络管理。 2 、o n u 是用户接口单元，主要完成的功能有： ( 1 ) 选择接收o l t 发送的广播数据包； ( 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 报告缓存的队列情况并在o l t 分配的上行发送窗口中发送。 ( 4 ) 其它相关的以太网功能。 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。o n u 也可以支持传统的t d m 协议，提供t 1 e 1 接口。 1 2e p o n 芯片、系统的研究进展 由于e p o n 集维护方便、成本低、传输效率高和支持综合业务等众多特点于 一身，因此引发了各国研究机构和公司的极大兴趣和广泛关注。2 0 0 1 年初，i e e e 成立了8 0 2 3 e f m 工作组，6 9 个国际知名公司加入了这个工作组，提出了自己的 要求和建议，并于2 0 0 4 年6 月2 4 日正式发布了e p o n 国际标准i e e e8 0 2 3 a h ”。 除了标准的研究外，为了占领技术和市场上的优势，国际国内的电信设备供 应商也纷纷投入财力人力研究e p o n 的技术和相关产品，纷纷推出e p o n 芯片 及系统。 巴海大学攻读顶j 学位论文b p o n 中o n u 端m c 控制芯片及0 9 u 系统的硼f 究与实现 1 2 1 1 国外情况 以色列的p a s s a v e 公司在成功推出第一代针对f t t h 应用的e p o n 芯片 p a s 6 0 0 1 ( o n u 芯片) 、p a s 5 0 0 1 ( o l t 芯片) 后，目前已推出第三代o n u 芯片 p a s 6 2 0 1 嘲。p a s 6 2 0 1 将c p u 、m a c 、s e r d e s 、l a y e r - 2s w i t c h 和包缓冲功能集 成在一个单独的芯片上。p a s 6 2 0 1 遵循i e e e8 0 23 a h 标准，并于2 0 0 5 年第季 度开始大批量生产。目前p a s s a v e 公司的e p o n 芯片已获得日本主要运营商的 大规模应用。 美国的t e k n o v u s 公司也推出e p o n 控制芯片t k 3 7 0 1 ( 低成本o n u 芯片) 、 t k 3 7 1 l ( 高性能o n u 芯片) 、t k 3 7 2 1 ( o l t 芯片) 【6 】。这些产品符合现有的 i e e e 8 0 2 3 a h e p o n 标准。芯片内集e p o n 引擎、s e r d e s 、以太网p h y 、包缓 冲、处理器、线速率的2 3 4 层包过滤和分类功能于一体。目前，t e k n o v u s 的芯 片组已成功通过i e e e8 0 2 3 a h 标准的第三方测试，并获得了f i b e r x o n 、o p t i c o m 及k d d i 等厂商的商用推广。 而设备商s a l i r a 、a l l o p t i c a l 、n o k i a 、b r o a d b a n d 、q u a r t u mb r i d g e 等也纷纷 推出了各自的e p o n 系统。 1 2 2 国内情况 格林威尔公司和北京邮电大学共同承担了国家8 6 3 课题“基于千兆以太网的 宽带无源光纤网络系统”。作为面向产业化应用的多业务千兆e p o n 产品样机， 格林威尔e p o n 产品提出并实现了具有电信级q o s 保证的e 1o v e r e p o n 技术； 提出并实现了支持优先级业务保证的弹性保护倒换技术，保护倒换时间小于 5 0 m s ；解决了兼顾系统资源利用率和带宽管理控制的公平性，并支持多业务的 动态带宽分配控制算法，吞吐量可达9 7 ；提出并实现了基于连接的下行带宽 控制技术；在课题攻关期间完成四项技术兼容1 e e e s 0 2 3 a h 建议的国家发明专利 申请，参与国际国内e p o n 网管标准起草。2 0 0 4 年7 月格林威尔e p o n 系统在 江苏徐州进行了试验，标志着这一系统正式进入商用阶段。目前，格林威尔已与 t e k n o v u s 建立技术合作关系，致力于实现e p o n 芯片的互通。 而武汉烽火通信承担的国家8 6 3 计划“基于千兆以太网的宽带无源光网络 ( e p o n ) 系统”项目也成功通过了科技部专家组的测试和总体验收。烽火通信 己掌握了e p o n 多项核心技术，并且成功开发了e p o n 系统中的b p 5 0 1 2 局端设 备和b p 5 0 0 1 用户端设备。烽火通信拥有3 项e p o n 核心专利技术，涉及动态带 宽分配、以太无源光网络动态过滤数据库的实现方法、以太网在p o n 上的成帧 技术等。同时依靠自身力量研制出e p o n f p g a 核心芯片组，使烽火通信成为国 上海火学攻读碳= l 学位论文e p o n 中0 n u 端m a c 控制：卷片及0 n u 系统的研究与实现 际上极少拥有全部自主知识产权且同时研发e p o n 芯片与系统的设备供应商之 一。烽火已相继开展了武汉紫菘、湖北都市桃源、北京通信宽h o u s e 小区等十 多个国内颇具影响的f t t h 试点工程。 此外，国内的华为、中兴通讯等公司也相继开始了e p o n 相关产品的研发。 1 。3e p o n 芯片及系统研究的目的和意义 e p o n 系统中m a c 控制芯片的研制是整个e p o n 系统的核心，也是整个产 业链的最高端。一旦研制出拥有全部自主知识产权的e p o n 芯片，将结束国内通 信业核心技术受制于人的被动局面，大大推动e p o n 系统的研究、开发和商用化。 e p o nm a c 控制芯片的研制将大大增强民族通信产业在新兴宽带接入领域的核 心竞争力，推动光纤到户( f t t h ) 在我国的发展。 1 4 本文的主要研究工作和论文结构安排 1 4 1 课题研究中的主要工作 本课题组承担的主要课题是上海市科委“综合业务宽带接入系统在临港新城 的应用研究”( 0 4 d z l 2 0 4 5 ) 和“以太无源光网络中光网络堆元媒质访问控制器芯 片设计”( 0 5 7 0 6 2 0 1 9 ) ，本人负责的工作是e p o n 系统中光网络单元( o n u ) 核 心m a c 控制芯片的设计以及o n u 硬件系统的设计。本人所作的主要研究工作 如下： 1 、对i e e e8 0 23 a h 标准和其它国内外的最新相关论文和资料进行了深入的研 究，重点研究e p o n 中m a c 控制芯片的功能及实现方式，在前人工作的基础上 提出了切实可行的o n u 端m a c 控制芯片的设计方案。 2 、在对f p g a 设计方法和优化技巧进行刻苦钻研后，对前人传承下来的部分 设计成果进行了分析和总结，经过严密的功能仿真、时序仿真及板极验证，修正 了前人设计中存在的b u g ，并在次基础上对这些设计进行了功能、时序上的优化， 为进一步开展设计工作打下坚实的基础。 3 、e p o n 中存在着m p c p 、o a m 和以太数据帧三种帧，要实现e p o n 的m a c 控制功能，首先要完成对下行帧的分类处理以及对上行帧的解析复用。因此，设 计了高效的下行分类和上行复用模块来完成上述功能。这两个模块是o n um a c 控制芯片的基本功能，是本文的创新点一。 4 、e p o n 中注册、测距及带宽分配等核心功能是通过m p c p 帧的交互来实现 的。为了提高o n u 对m p c p 帧的处理效率，在对多点控制协议( m p c p ) 进行 f 。海大学攻读砸十学位论文e p o n 中0 n ui 嵩l , i a c 控 h , l 5 片及0 n u 系统的研究与实现 了深入的分析后，提出了o n u 端m p e p 功能的f p g a 设计方案，使o n u 对 m p c p 帧的处理达到了“线速”，大大提高了注册、带宽分配等核心功能的完成 效率。孩方案是o n u 端m a c 控制芯片的关键，是本文的创新点二。 5 、e p o n 中各个o n u 以时分复用的方式共享上行信道，为防止上行数据丢 失，采用s d r a m 作为上行数据缓冲队列。为了能控制s d r a m 芯片工作，设计 了s d r a m 刷新及控制逻辑，同时设计了系统接口模块，从而达到对s d r a m 中 的数据按“帧”处理的目的。该设计很好的完成了对上行数据的缓冲，是本文的 创新点三 6 、o n u 下行方向为“干兆进，百兆出”的结构，限于o n u 的成本，下行队 列不可能无限制的放大，因此有必要引入流量控制机制。本文根据e p o n 的特性， 采用一种拓展的p a u s e 流量控制机制，利用这种机制能够较好的解决o n u 中 由于缓冲器拥塞导致的丢包问题。该方案是本文的创新点四 7 、为了在e p o n 上支持对用户非常重要的宽带多媒体业务，有必要研究e p o n 中的组播问题。本文提出了一种利用1 g m ps n o o p i n g 协议实现e p o n 中二层组 播的方案，并给出了该方案的f p g a 设计。该设计是本文的创新点五。 8 、为了验证o n um a c 控制芯片设计的正确性，在前人工作的基础上设计 了o n u 的硬件系统。该硬件系统已调试通过，并与我们自行研制的o l t 成功构 成了基本的e p o n 网络。 1 4 2 论文结构安排 奉文分为以下几个部分； 第一章：介绍了e p o n 的结构及工作原理、e p o n 芯片及系统的研究进展以 及o n um a c 控制芯片研发的意义。同时列举了本文的主要工作及技术创新点。 第二章：简单分析了e p o nm a c 控制的原理，并给出了o n um a c 控制芯 片的总体没计方案。 第三章：详细介绍了o n um a c 控制芯片中五项关键技术的设计方案，是 本文的重点章节。内容包括：下行分类及上行复用模块的设计，o n u 端m p c p 功能的f p g a 设计，s d r a m 控制逻辑及系统接口的设计，流量控制方案以及采 用i g m ps n o o p i n g 实现e p o n 中二层组播的设计方案。详细描述了每一设计方 案，包括设计原理图以及状态转移图等，并给出各模块的仿真结果。 第四章：介绍了o n u 硬件系统的设计及调试，并对设计及调试过程中积累 的经验加以总结。 第五章：对论文的工作做了总结，并且对下一步的研究进行了展望。 上海大学攻读硕士学位论文e p o n 中o n u 端m a c 控制芯片及o n u 系统的研究与实现 第二章o n u 端m a c 控制芯片总体设计 2 1 基于v e r i l o gh d l 的f p g a 设计方法 2 1 1f p g a 简介 在数字系统设计中，f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y , 现场可编程门阵 列) 发挥着越来越重要的作用。从简单的接口电路设计到复杂的状态机，甚至系 统级芯片( s o c s y s t e mo nc h i p ) ，f p g a 所扮演的角色已经不容忽视。它的可 编程特性带来了电路设计的灵活性，缩短了产品上市的时间。f p g a 设计技术已 经成为电子工程师必须掌握的一项技能。 f p g a 是在p a l ( p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c ，可编程阵列逻辑) 、g a l ( g e n e r i c a r r a yl o g i c ，通用阵列逻辑) 、p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，可编程逻辑器件) 等可编程器件的基础上发展起来的。它是一种半定制专用集成电路( a s i c ) ，它的 出现既解决了全定制a s i c 的不足，又克服了原有p l d 电路数有限的缺点。f p g a 采用了逻辑单元阵列( l c a l o g i cc e l l a r r a y ) 这样一个新概念，内部包括逻辑阵列 块( l a b l o g i ca r r a yb l o c k ) 、输入输出模块( i o b - i n p u to u t p u tb l o c k ) ，存储块 r a l v l 和内部连线四个部分。图2 1 给出了a l t e r a 公司f p g a 芯片的内部结构。 图2 1f p g a 内部结构图 f p g a 的主要优点有： ( 1 ) 采用f p g a 设计a s i c 电路，用户不需要投片生产，就能得到适用的芯片。 ( 2 ) f p g a 可做其它全定制或半定制a s i c 电路的中试样片。 ( 3 1f p g a 有丰富的触发器和f o 引脚。 ( 4 ) f p g a 是a s i c 电路设计中周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一口】。 上海大学攻读砸士学位论文 e p o n 中o n u 端m a c 控制芯片发o n u 系统的研究与实现 2 1 2 设计工具和流程 随着e d a 技术的发展，使用硬件语言设计p l d f p g a 成为一种趋势。目前 最主要的硬件描述语言是v h d l 和v e r i l o gh d l 。v e r i l o gh d l 是在c 语言的基 础上发展起来的一种硬件描述语言，它是由g d a ( g a t e w a y d e s i g n a u t o m a t i o n ) 公 司的p h i l m o o r b y 在1 9 8 3 年末首创的，最初只设计了一个仿真与验证工具，之后 又陆续开发了相关的故障模拟与时序分析工具。1 9 8 5 年m o o r b y 推出它的第三个 商用仿真器v e r i l o g x l ，获得了巨大的成功，从而使v e r i l o gh d l 迅速得到推广 应用。1 9 8 9 年c a d e n c e 公司收购了g d a 公司，使得v e r i l o g h d l 成为了该公 司的独家专利。1 9 9 0 年c a d e n c e 公司公开发表了v e f i l o gh d l ，并成立l v i 组织以促进v e f i l o gh d l 成为i e e e 标准，即i e e es t a n d a r d1 3 6 4 1 9 9 5 8 1 1 9 1 。 本文使用a l t e r aq u a r t u si i 开发工具来进行f p g a 的开发。q u a a u si i 软件为 f p g a 、c p l d 和结构化a s i c 设计提供了最完整的开发环境。设计人员可利用 q u a r t u si i 完成f p g a 、c p l d 的全部设计，包括系统的生成、编译、仿真，布局 布线并下载到开发器件中，进行实时评估和验证。该软件还集成s o p cb u i l d e r 开 发工具，令s o p c 的开发更为便捷【1 “。 用v e f i l o gh d l 语言和q u a r t u si i 软件开发f p g a 的完整流程如图2 2 所示： 1 、编写v e r i l o gh d l 模型：在q u a r t u si i 中建立一个工程，新建“v e f i l o gh d l 文件”，在编辑器中输入v e f i l o g 源代码。 图2 2f p g a 开发流程示意图 2 、综合：运行“a n a l y s i s & s y n t h e s i s ”，将源文件调入逻辑综合软件进行综 上海大学攻读硕l 学位论文e p o n 中0 n u 端m a c 控制芯片及0 n u 系统的研究与实现 合。由采用v e r i l o gh d l 语言描述的寄存器传输级电路模型构造出门级网表。 3 、功能仿真：将文件调入h d l 仿真软件进行功能仿真，检查逻辑功能是否 j e 确( 也叫前仿真，对简单的设计可以跳过这一步，只在布线完成以后，进行时 序仿真) 。 4 、布局布线：使用“f i t t e r ”对设计执行布局布线。在对源代码进行少量更 改之后，还可以使用增量布局布线。 5 、时序仿真：需要利用在布局布线中获得的精确参数，用仿真软件验证电 路的时序( 也叫后仿真) 。 6 、编程下载：确认仿真无误后，使用“a s s e m b l e r ”为设计建立编程文件。 使用编程文件、“p r o g r a m m e r ”和a l t e r a 硬件编程器对器件进行编程；或将编程 文件转换为其它文件格式以供嵌入式处理器等其它系统使用。 2 2 o n u 端m a c 控制芯片的总体特性 2 - 2 1 功能介绍 我们所设计的o n u 系统可以分为四部分：e p o n 收发器( 由光模块：o p t i c a l m o d u l e 及s e r d e s 电路组成) 、f p g a 及其配置电路、m p u 及其附属电路、以 太交换电路( s w i t c h ) ，如图2 3 所示。其中，f p g a 主要实现o n u 的m a c 层 及部分物理层功能( p c s 子层功能) ；m p u 主要通过软件实现o a m 网管等功能； 以太交换机主要用来连接多个终端用户；光模块主要实现光电一电光转换功能 ( p m d 子层功能) ，s e r d e s 主要实现数据的串并、并串变换功能( p m a 子层功能) 。 图23o n u 设备系统图 o n u 端的m a c 控制芯片兼容标准8 0 2 3 a h 协议，它是o n u 设备的核心 可实现e p o n 系统的全部功能。它的功能如下： e 海大学攻读项= l 学位论文e p o n 中0 n i j 端m a c 控制芯片及0 n l i 系统的研究2 j 实现 集成了干兆位e p o n 功能： 支持p c s 功能，提供8 b 1 0 b 码型变换及帧同步功能； _ t b i ( t e n b i t i n t e r f a c e ) 千兆位e p o n 端接口； 激光器突发控制功能； 支持8 0 2 3 a h 功能： _ l l i d 的过滤，添加，完成点对点仿真功能； _ ，帧分类功能：根据类型字段，将m p c p 控制帧送往m p c p e n g i n e 模块、o a m 帧送往微控制器、数据帧送往用户网络接1 5 1 ； 一帧复用功能：按照一定的优先级将m p c p 、o a m 和以太数据帧三 种帧复用到上行信道，并按照优先级高低组成上行的数据流； m p c p 功能：o n um a c 芯片中集成了m p c pe n g i n e ，将o n u 端 的m p c p 功能集成到芯片中，提高了对m p c p 帧的处理效率，保证 了e p o n 中注册、带宽分配等核心功能的高效完成； c r c 3 2 校验功能：对下行数据进行c r c 3 2 校验，并丢弃校验错误 的帧，对上行数据添加c r c 3 2 校验码； _ 由于e p o n 中l l i d 位于帧头中，因此o n u m a c 芯片还提供c r c 8 校验功能：对下行数据帧帧头进行c r c 8 校验，丢弃校验错误的帧， 对上行数据帧帧头添加c r c 8 校验码； 微处理器接口： 通过o n u m a c 芯片中集成的外围处理器接口，处理器能够向o n u m a c 芯片内部的寄存器配置参数或读取芯片工作的状态信息； 通过外围处理器接口，处理器还能够接收来自p o n 端的o a m 帧完 成相应的网管功能，同时通过该接口将o a m 发往o n u m a c 芯片， 并最终送往o l t 。完成与o l t 间o a m 信息的交互； _onum a c 芯片与外围处理器之间采用3 2 位数据总线，1 6 位地址 总线及若干控制信号线，采用中断方式与外围处理器交互寄存器或 o a m 信息，o a m 帧操作和寄存器操作映射到不同的地址上。 与外部s d r a m 的接口： - s d r a m 芯片用于上行数据的缓存，存储容量为1 6 mb y t e s ； o n um a c 芯片提供了s d r a m 的读写控制及刷新控制逻辑，同时 提供了系统接口模块，可对s d r a m 中的数据实行按“帧”操作。 支持流量控制： _ 当o n u 中的下行队列即将溢出时，执行上行方向流量控制。 支持二层组播功能 支持i g m ps n o o p i n g 协议，可以很好的实现e p o n 中二层组播功能。 上海夫学攻读硕士学位论文e p o n 中o n u 端m a c 控制芯片及o n u 系统的研究与实现 2 2 2 系统接口 1 、p o n 接1 2 1 ( g m i i t b i ) p o n 接口可以基于t b i 接口形式( 包含p c s 模块) ，也可以基于g m i i 接口 形式( 不包含p c s 模块) ，并同时给出附加控制信号作为突发激光器的控制信号。 p 砌睫s 胁 年磐 o n u m a c 图2 4p o n 接口图 2 、用户网络接口( u n i ) 用户网络接口提供全双工百兆以太介质无关接口( m i i m e d i ai n d e p e n d e n t i n t e r f a c e ) 与以太交换j 卷片相接。 m i it x f 3 ，0 ll o n u m l u l k 一 m a c 图2 ，5 用户网络接口图 3 、外围处理器接口( h o s tc p ui n t e r f a c e ) o n um a c 芯片作为c p u 的外围设备与其他c p u 外围设备一同寻址。该接 口的通信方式为中断方式，当o n u 状态发生变化或者有o a m 帧接收完毕后就 会产生中断信号( c p um o 变为高电平) ，处理器捕获该中断信号后对相应的 寄存器进行读取来_onu 判别中断的类型，读取时c p ur d n 为低电平，随后进行 相应的操作。 ”叫“圳”一馨 j 、9 ”一a d d r l 5 - 6 1 o n u c p i j _ r d n p e r i p h e r a l jc p u ，r n m a c c p u c p ui r ol 一c p uc s n 二c p u _ e l k 图2 6a r m 接口图 上海大学攻凄颂：卜学位论文e p o n 中0 n i j 端m a c 控制芯片及0 n u 系统的讲究与实现 4 、s d r a m 接口( s d r a mi n t e r f a c e ) o n um a c 芯片提供s d r a m 接口与s d r a m 芯片相连，而s d r a m 芯片 用作o n u 上行数据的缓冲。 图2 7s d r a m 接口图 2 3o n u 端m a c 控制芯片内部模块 我们设计的o n u m a c 控制芯片的内部功能模块如图2 8 所示。这些功能模 块大体上可分为下行和上行两条支路： 下行方向o n um a c 芯片从p o n 端t b i 接口处获得o l t 发来的1 0 b i t s 并 行数据，经过p c s 接收模块( p c sr e c e i v e 模块) 完成1 0 b 8 b 的解码后送至 r sd o w nb l o c k 模块完成对e p o n 帧头的c r c 8 校验以及l l i d 的过滤功能。 过滤出的下行帧送至解密模块进行解密。解密后再送交f c s 模块进行c r c 3 2 校 验。校验成功后，由下行分类模块对下行帧进行分类并将m p c p 帧、o a m 帧、 数据帧分别送交m p c pe n g i n e 模块、处理器接1 2 1 模块、下行m i i 接口模块进行 相应的处理。其中o a m 帧通过o a m 接口及m p u 接口模块送往外围处理器处 理。通过m p u 接口外围处理器还可以对寄存器模块进行读写，以监控m a c 芯 片的工作。 上行方向o n um a c 芯片从m i i 接口接收到以太数据帧，经过上行m i i 接 口模块去除以太帧头后送往s d r a m 接口模块，通过该模块将数据帧写入 s d r a m 芯片中暂存，当上行发送时隙到来时再通过该接口模块将数据从 s d r a m 中读出并重新组装成以太