（通信与信息系统专业论文）atm高速处理板的研究与开发.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 近年来移动通信网络的发展极为迅速，3 g 技术也日渐成熟，w c d m a , c d m a 2 0 0 0 ，t d s c d m a 技术作为第三代移动通信技术的三大标准，其商用化已 追在眉睫。我国提出的t d s c d m ar t t 建议已经成为i t u 和3 g p p 的国际准，这是 对世界移动通信事业的巨大贡献。t d s c d m a 系统采用时分双工( t d d ) 、 t d m a c d m a 多址方式工作，基于同步c d m a 、智能天线、联合检n o d ) 、正交 可变扩频系数、t u r b o 编码技术、接力切换、软件无线电等一系列高新技术，工 作于2 0 1 0 m h z 到2 0 2 5 m h z 频段，能向下兼容g s m 系统。其主要优势有：上下行对 称，利于使用智能天线、多用户检测、c d m a 等新技术；可高效率地满足不对称 业务需要；简化硬件，可降低产品成本和价格；便于利用不对称的频谱资源，频 谱利用率大大提高。中国作为t d s c d m a 标准的制订者，拥有自主知识产权的通 信设备是必须的。由于w c d m a 和t d s c d m a 在核心网方面都采用了a t m 技术， c d m a 2 0 0 0 则采用了适合互联网传输的i p 数据格式，因此3 g 平台内部要求统一为 i p 数据包以尽快适应市场的需求。本设计对w c d m a 、t d s c d m a 与c d m a 2 0 0 0 在核心网部分的统一处理方法进行了技术研究之后，开发出相应的产品并通过3 g 试验网的各项测试验证了该方案的可行性。 本文主要是硬件设计，在设计方面主要包括基本原理设计和各主要功能单元 模块、接口设计两部分。在功能单元模块中又细分为c p u 处理单元、时钟单元和 接入单元。接口设计也被分为外部接口和内部接口两个方面。硬件设计中的可靠 性设计和电源设计也是十分重要的，在电信业务中最重要的就是可靠性，所以我 们在这方面也做了大量的工作，这其中的每一项都是按照某通信企业的标准严格 进行的，这也为随后的系统测试打下了良好的基础。同时作了系统测试，系统测 试主要包括了功能测试和性能测试两部分。这其中不仅有测试方法和测试报告， 更重要的是我们对测试过程中发现的一些关键问题，在认真研究之后提出了相应 的解决方案，该产品经现场运行验证性能良好，从而肯定了我们的解决方案的合 理性和可行性，这对类似问题的解决有一定的参考价值。 关键词：a t m ，t d s c d m a ，核心网，可靠性 重庆邮电大学硕士论文 a b s t m c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，耐t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ti nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ， t h e3 gt e c h n o l o g yg r a d u a l l yb e c o m e sm a t u r e a st h em a i n s t r e a mt e c h n o l o g yo ft h e t h i r d g e n e r a t i o nm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，w c d m a ，c d m a 2 0 0 0a n d t d s c d m aa r eu r g e n t l ya p p l i e di nb u s i n e s sd o m a i n a st h ef o r m u l a t o ro ft h et d s c d m as t a n d a r d ，i ti sn e c e s s a r yf o rc h i n at op o s s e s st h ei n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h to n c o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t s s i n c ea t mt e c h n o l o g yh a sb e e na d o p t e da tt h ec o r e n e t w o r ko ft d s c d m aa n dw c d m a , a n di pd a t ap a c k e ti sr e q u i r e do nt h e3 g p l a t f o r m ，t h e r e f o r e ，m o s tr e s e a r c hi n s t i t u t e sa n de n t e r p r i s e sd e v o t et h e m s e l v e st ot h i s f i e l di no r d e rt om e e tt h en e e do f m a r k e ta ss o o na sp o s s i b l e f r o mv i e wo fd e s i g n i n g a n dt e s t i n g ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h et r a n s f o r m a t i o nm e t h o da tt h ec o r en e t w o r ko ft h e t h r e et e c h n i q u e s ，a n de v e n t u a l l yr e c o m m e n d sr e l a t e ds o l u t i o n sb a s e do nt h ea n a l y s i s t h ef i r s tp a r to f t h i sp a p e ri st h ed e s i g n i n gi n s t r u c t i o nw h i c hi n c l u d e st h ed e s i g no f t h ef u n d a m e n t a la sw e l la st h ed e s i g no fm a i nf u n c t i o nu n i t sa n dt h ei n t e r f a c e f u n c t i o n u n i t si n c l u d e sc p u ，t h ec l o c ku n i ta n dt h ea c c e s su n i t t h ed e s i g no fi n t e r f a c ec a nb e d i v i d e di n t ot w op a r t s ：e x t e r n a li n t e r f a c ea n di n t e r n a li n t e r f a c e t h ed e s i g n i n g i n s t r u c t i o na l s oc o n t a i n st h ed e s i g no fr e l i a b i l i t ya n dp o w e rs u p p l y t h et e s t i n g so ft h e t w op a r t sa r ea l s oo fg r e a ti m p o r t a n c e ，b e c a u s ei nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss e r v i c e st h em o s t c r u c i a lp o i n ti st h er e l i a b i l i t y w em a d eg r e a te f f o r to ni ta l s o e a c ht e s t i n gw a sc a r r i e d o u ts t r i c t l ya c c o r d i n gt ot h es t a n d a r d ，s oi ta l s os e ts o l i df o u n d a t i o nf o rt h ef o l l o w i n g s i m u l a t i o nt e s t i n g t h el a s tp a r ti st h et e s t i n gi n s t r u c t i o n ，w h i c hi sc o m p o s e do ff u n c t i o n t e s t i n ga n df e a s i b i l i t yt e s t i n g n o to n l ya r et h em e t h o da n dt h er e p o r to ft h et e s t i n g d e s c r i b e d ，b u ta l s ot h e s o l u t i o n st os o m ek e yp r o b l e m sa r ef o u n d t h ef a v o r a b l e p e r f o r m a n c er e p r e s e n t e di nt h ef o l l o w i n gs i m u l a t i o nt e s t i n gc o n f i r m e dt h er a t i o n a l i t y a n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h e s es o l u t i o n s ，w h i c hw o u l dd e f i n i t e l yb e n e f i tu si ns o l v i n gt h e s i m i l a rp r o b l e m s k e yw o r d s ：a t m ，t d s c d m a ，c n ( c o r en e t w o r k ) ，r e l i a b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，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 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废邮电盍堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的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谢意。 学位论文作者签名：起是 签字日期2 哆年j 服日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆邮电盍堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权重废韭电盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：是是 导师签名 签字日期：多妒7年，月2 f 日 别旋 强司年j 玛。 b 重庆邮电大学硕士论文第章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 1 1 1课题的选题 到目前为止，移动通信经历了从第一代模拟移动通信系统，第二代数字移动 通信系统，现在正在向第三代移动通信系统发展 1j 。第一代移动通信系统的主要 问题是：各系统自j 没有公共接口，频谱利用率太低，无法与固网向数字化推进相 适应，不能漫游。第二代数字移动通信系统较第一代模拟移动通信系统有很大的 改进，但也存在一些问题：没有统一的国际标淮，频谱利用率较低，不能满足移 动通信容量日益增加的要求，不能经济地提供高速数据和多媒体业务，不能有效 地支持i n t e r n e t 业务1 3 1 。 第三代移动通信系统( 简称3 g ) 在1 9 8 5 年由i t u 国际电信联盟提出，当时 称为未来公众移动通信系统( f p l m t s ) 。1 9 9 i 年i t r r 成立t g 8 1 任务组，负 责f p l m t s 标准制定工作，1 9 9 2 年i t u 召开世界无线电行政大会( w a r c ) 。 对f p l m t s 的频谱进行划分，分配了1 8 8 5 2 0 2 5 m h z 和2 1 1 0 2 2 0 0 m h z 共 2 3 0 m h z 的频段给f p l m t s “。1 9 9 4 年l t u t 和i t u r 正式携手研究f p l m t s ， i t u t 负责网络方面的工作，i t u r 负责无线接口方面的标准化工作。1 9 9 6 年更 名为i m t 2 0 0 0 ，意思是该系统使用2 0 0 0 m h z 左右频段，提供业务速率高达 2 0 0 0 k b s ”。与第二代系统相比具有下面的特点： i ) 系统的国际性：提供全球无缝覆盖和漫游，世界范围设计的高度一致性i6 】； 2 1 业务的多样性：提供话音、数据和多媒体业务，车载通信速率1 4 4 k b s ，步行 通信速率为3 8 4 k b s ，室内通信速率为2 m b s ； 3 ) 高质量的业务：满足通信质量能达到与固网相比的高质量业务要求； 4 1 高度的灵活性：按需分配带宽，支持大范围、可变速率的信息传送； 5 ) 频谱利用率搞、通信容量大； 6 ) 袖珍、多频、多模、通用移动终端； 7 ) 满足通信个人化的要求； 8 ) 系统初始配置能充分利用第二代系统设各和设施，随后实现平1 缯升级【7 】； 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 9 ) 较低的费用，包括设备和服务两个方面。 目前公认的在世界各国商用中采用的主流标准为：w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、和 t d s c d m a 等三种。三种主流标准都采用了c d m a 技术【8 】，但w c d m a 和 c d m a 2 0 0 0 并没有本质上的差别，基本上是i s 一9 5 的改进，而t d s c d m a 则是新 的，采用了t d d 双工方式、基于智能天线的同步c d m a 技术【9 l l o lo 相对于其他 第三代移动通信标准，t d s c d m a 具有更高的频谱利用率和更低的成本。 本课题直接来源于某单位重大攻关项目“a t m 处理板增强型板本a p b e 单 板”。随着3 g 技术的日益成熟，以及针对我国正大力开发的t d s c d m a 第三 代移动通信( 3 g ) 系统，国家即将大规模组建3 g 网络。该单位作为中国行业 的领军人物，有义务和责任为我们国家研发具有自主知识产权的第三代移动通信 产品，完成3 g 核心网产品产业链，形成系列产品并推向市场。根据项目需求说 明中的具体要求，对于a t m 接入子系统而言，主要应用于：b s c 的a 3 a 7 接 口，r n c 的l u b 、i u r 、i u 接口( r 4 版本) ，c n 的i u c s 、i u p s 接口( r 4 版 本) ；由于3 g 统一平台的内部通信采用以太网机制( 全口结构) ，因此， a p b e 单板需实现以下功能指标：提供4 * s t m 1 的a t m 接入接口，实现四路 s t m 。1 的a t m 组网需求，实现线速1 5 5 m b p s 的a t ma a l 2 和a a l 5 的s a r ； 实现a t m 的o a m 功能，完成s s c o p 和s s c f 的处理：将a t m 信元转换成内部 交换的i p 数据包进行转换。该单板设计主要包括三个部分：电源部分，主处理器 ( 网络处理器) 部分和外围芯片部分( 主要包括a t m 接口芯片和以太网的p h y 芯片) 。本课题就是围绕这几部分展开设计的。 1 1 2 论文研究内容 本设计就是利用网络处理器及外围接口芯片开发a t m 处理板的硬件电路。 本单板在接收到a t m 信元后，将这些信元转发给网络处理器a p p 5 3 0 ，在 a p p 5 3 0 的分类器中完成a a l 2 和a l l 5 信元的分类，a p p 5 3 0 自身完成a a l 5 的 s a r ，而将a a l 2 信元转发给协处理器a p p l 0 0 ，a p p l 0 0 在对a a l 2 信元完成 s a r 处理后，再把处理完的数据发回a p p 5 3 0 做下一步处理。在设计过程中，对 于该单板的核心芯片( 网络处理器a p p 5 3 0 ) 要尤其注意，这是一款处理能力极 强的网络处理器，a g e r e 公司的a p p 5 3 0 网络处理器不需要进行微码编程，而直接 使用高级语言进行操作，这大大缩短了系统的开发和应用的时间。论文主要内容 包括关键芯片选型、硬件设计以及产品测试三部分： 1 ) 关键：落片选型部分主要介绍该单板的芯片选用原理和相关的各种关键技术。 2 ) 硬件设计部分主要介绍原理图设计和p c b 设计，在原理图设计中为了考虑产 品的兼容性和可扩展性，我们对图纸做了多次修改，最终达到公司相关标 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 准：在p c b 的设计中，由于我们在设计布线之后对产品的e m c 和e m i 做了 详细严格的仿真，所以该单板在设计成型后，在抗电磁干扰方面的性能十分 突出。 3 1 产品测试部分主要介绍单板成型后的调试及测试过程。在调试过程中，我们 遇到了很多问题，尤其在信号完整性方面，为了保证单板在外场的质量，我 们对测试巾发现的问题都一一做了解决，在外场测试中取得了很好的效果。 1 1 3论文结构 本文结构安排如下： 第一章绪论，介绍了我们课题研究的背景以及论文研究的内容； 第二章方案研究及关键技术，介绍了单板的模块化设计技术和关键器件的 选型根据及单板的实现方案； 第三章硬件设计，主要介绍了基本原理和各功能单元的设计说明，这其中 包括c p u 处理单元、时钟单元、s t m 1 接入单元，在关键器件说 明中，详细阐述了该产品所选用的各关键元器件在同类产品的优势 和选用原因，这对将来的工作也具有参考作用，最后介绍了和产品 质量密切相关的电源设计和可靠性设计； 第四章系统测试，主要介绍了功能测试和性能测试的测试方法，以及在测 试过程中发现的一些问题和解决方案； 第五章结论及未来工作，对本工作进行了简短的总结和展望。 重庆邮电大学硕士论文 第二章方案研究及关键技术 第二章方案研究及关键技术 2 1方案的考虑 2 1 1单板应用环境 该单板主要完成a t m 信元到i pp a c k e t 之间的数据转换功能。a t m 信元经过 光模块和p h y 接入之后，通过a p c 进行交换和o a l v l 处理，将所需要从本单板 接入的p v c 送给网络处理器单元实现a a l 2 和a a l 5 的混合s a r 。媒体流相关 的数据由网络处理器直接打包，通过媒体流以太网送到相关的业务处理板；信令 相关的部分则通过p c i 总线送到p r p m c 子卡进行封装，经过控制流以太网送到 信令处理板。 另外，我们使用廉价的i m a 实现小流量的i u r 接口，r n c 与r n c 之间能够 互连互通。它可以支持存两个r n c 之间的信令信息交换，同时也能够支持一个 或多个i u r 数据流。 组网所需要的1 9 4 4 m 时钟通过系统引入的8 k 时钟在本单板上产生。同时， 从线路上提取的时钟经过选择之后送给时钟单元。 对于a t m 接入子系统而言，主要应用于： 1 ) b s c 的a 3 a 7 接口； 2 ) r n c 的t u b 、i u r 、i u 接口( r 4 版本) ； 3 ) c n 的i u c s 、i u p s 接n ( r 4 版本) ； 由于3 g 统一平台的内部通信采用以太网机制( 全t p 结构) ，因此，a p b e 单 板需实现以_ f 功能指标： 1 ) 提供4 * s t m 一1 的a t m 接入接口，实现四路s t m 一1 的a t m 组网需求； 2 ) 实现线速1 5 5 m b p s 的a t ma a l 2 和a a l 5 的s a r ； 3 ) 负责a t mc e l l 与i pp a c k e t 之间的数据转换。 4 ) 实现a t m 的0 a m 功能： 5 ) 完成s s c o p 和s s c f 的处理； 6 ) 提供廉价的a t m 接口i m a ( i t a l i ，向后兼容i i a l 0 ) ，可实现i u r 接口等； 4 重庆由| j 电大学硕士论文第二二章方案研究及关键技术 2 1 2 单板方案考虑 1 ) 老版的单板上面使用f r e e s c a l e 的c 5 e ，f r e e s c a l e 在c 5 e 之后不再发展网络 处理器。c 5 e 是独家供货，价格较高，并且有停产风险，所以c 5 e 的板级替 代是必须的。 2 】老版本的单板只提供s d h 接口，在小容量局中，r n c 无法通过一块单板同 时完成i u b 和i u j 的处理，降低了系统配置灵活性，提高了系统配置成本。 3 1 老版本的单板处理能力不足，只能够提供1 个线速1 5 5 m b p s 的a a l 2 和 a a l 5 处理能力，该单板可以提供2 x s t m 一1a a l 2 、a a l 5 混合接入能力， 3 2 k c i d 的处理能力。 4 ) 该单板需要提供了媒体面和控制面的互连功能。 2 1 3 关键器件选型 2 1 3 1网络处理器选型 首先介绍一下老版本的单板采用c 5 e 作为网络处理器，完成a a l 2 和a a l 5 的s a r ，a p c 实现a t m 层交换和流控。网络处理器c 5 e 为m o t o r o l a 公司 的网络处理器，能提供2 层到7 层的完全可编程处理能力【l “，具有良好的协议适 应性，支持q o s 、m p l s 、i p v 6 等。c 一5 e 处理器中集成j - 1 6 个通道处理器，专 用于a t m 包的接收与转发处理；该处理器还集成了t l u 查表协处理器和q m u 队列管理协处理器，其中t l u 查表协处理器，每秒可执行高达1 3 3m i l l i o n 次表 查找，q m u 队列管理协处理器，执行与q o s 相关的队列管理，工作在内部模式 时，最大可以支持5 1 2 个队列，另外q m u 还可外接m o t o 的流量分类及管理处 理器q 一5 t m c ，以满足一些高性能的q o s 要求。各处理器间还贯穿有三条共计 6 0 g b 带宽的内部总线，给各处理器间的包传递和信息交互提供一个高速传输通道 1 5 1 。 a p c ，( a t mp o r tc o n t r o l l e r _ m t a p c 6 4 0 13 e b l l 3 e )芯片是 a t l a n t a t m 套片的组成部分，为实现a t m 层功能和a t m 交换系统核心功能 提供了高度集成、创新和完全v l s i 的解决方案。采用芯片组可以构建高性能、 低成本的a t m 交换系统，而且交换容量有较大的平滑升级范围。但是由于 m o t o r o l a 不再发展网络处理器，有停产的风险，所以必须选择网络处理器来替代 重庆邮电大学硕上论文第二章方案研究及关键技术 目前在使用的c 一5 e + a p c 的方案，另外一个方面，老版本单板的a a l 2 处理能力 不足，媒体面和控制面处理能力不匹配，所以c 一5 e 的替代方案需求非常迫切。 a p b e 首要考虑是c 5 e + a p c 的提供替代方案，首先针对4 款网络处理器进 行的性能分析，见表2 1 ： 1 ) m i n d s p e e d 的t s p 3 处理器m 2 7 4 8 3 来实现a t m 层以及a a l 2 a a l 5 的处 理： 2 1a g e r e 的a p p 5 3 0 + a p p l o o 来实现a t m 层以及a a l 2 a a i ，5 的处理； 3 1i n t e l 的i x p 2 4 0 0 来实现a t m 层以及a a l 2 a a l 5 的处理； 4 1a m c c 的n p 3 7 0 0 来实现a t m 层以及a a l 2 a a l 5 的处理。 表2 1 网络处理器替代方案比较 m 叮d s p e e da g e r e叮t e la m c c 编程o c t a v e 处理器专f p l 语言和c 语微引擎编程使用应用层面使用 软件用语言，其s d k言微码汇编语言，c + + ；接口编程 ( 软件开发套开发环境也提供a p i ，使用c 语 件) 包括一整套c 语言编译器将言：核编程使用 汇编语言编辑c 程序转化为微类c 语言，使用 器，连接器以及码程序n p c f ：【具翻译成 仿真调试环境等核代码。 总线2 个可配置接1 个3 2 位接口可1 个m s f 接口：可1 个g m i i 接口 接口口，可配置为 配置为s p i 3 ，配置为p o s p h y2 个可配置的接 u t o p i au t o p i a3 ， l 2 3 ；u t o p i a口，可配置为 l 2 3 ：p o s - p h yu t o p i a2 ( 不支 l 1 2 3 ：c s i x s p i 一3 u t o p i a l 2 3 ；f l e x b u s 持m p h y ) ， l l l 3 ： l 2 3 s p i 一4 2 接口； s p i 4 2 接口； g m i i ，s m 1 个p c i 接口 1 个p c i 接口 1 个3 2 b i ts p i 一3 h o s t c p u 接口。 协处理器接口 1 个p c i 接口 外部 d d rs d r a mf c r a m q d rs r a m r l d ra m i io r 存储 q d r i is r a m d d r c i od d rs d r a md d r i is r a m t c a ms r a m 重庆邮电大学硕士论文 第二章方案研究及关键技术 器 d d i u is i o s r a m a a l 有有有无 2 参 考代 码 需要 1 2 v , 1 5 v , 2 5 v , 3 a p p 5 3 0 ：1 2 v 1 5 1 3 v , 1 5 v , ，2 5 v , 3 1 2 v , 1 5 v , 1 8 v , 2 电源 3 vv 18 2 5 v , 3 3 v3 v5 v a p p l 0 0 ：1 5 v , 3 3 v 功耗m 2 7 4 8 3 ( 3 3 3 m h za p p 5 3 0 ：4 0 0 m h z ：1 3 w7 0 0 m h z ：1 5 w 1 ：7 8 w2 6 6 m h z ：1 4 w 6 0 0 m h z ：1 7 w4 0 0 m h z ：9 w m 2 7 4 8 2 ( 2 6 6 m h z1 3 3 m h z ：9 7 w 、：5 2 w a p p l 0 0 ：2 5 w 技术上海、美国上海、美国上海、美国美国 支持 器件3 5 m m x 3 5 m m ， a p p 5 3 0 ：4 0 m m x 43 7 5 5 m m x 3 7 5 m 4 5 m m 4 5 m m ， 封装 1 1 5 6 - p i n f c b g a0 m m ，1 4 1 3 - p i ni n ，13 5 6 - p i nb g a1 9 3 5 - p i n h f c f c b g ab g a a p p l 0 0 ：3 5 m m 3 5 m m ，3 8 8 一p i n p b g a 成本 $ 3 0 0 3 5 0$ 3 0 0 3 5 0$ 2 0 0 性能开发环境存在问开发环境简单，成本低，但功能虽然功耗低，但 比较题，需在l i n u x软件设计难度全部由软件实没有a a l 2 参考 下开发固件，对低，仅软件灵活现，开发风险较设计，技术支持 我们生成版本存性存在问题，整大，整个2 4 0 0国内没有，硬件 在问题个架构在a t m 的架构在a t m设计存在问题。 处理上优势很处理上没有任何 大。优势 重庆邮电大学硕士论文第一二章方案研究及关键技术 上表对每个方案进行了比较由于a m c c 的n p 3 7 0 0 没有a a l 2 的参考设 计，所以本设计不予采用，i n t e l 的i x p 2 4 0 0 要使用复杂的a t m 层和适配层的协 议处理，软件开发的工作量很大，后期维护也比较困难，开发周期长，所有也没 有采用。最终考虑到a g e r e 的a p p 5 3 0 + a p p l 0 0 具有一定的优势，最终选择 a p p 5 3 0 + a p p l o o 作为c 5 e + a p c 的板级替代方案，该方案优势在于： 1 ) 简单的软件模型，a g e r e 公司的a p p 5 3 0 网络处理器不需要进行微码编 程，而直接使用高级语言进行操作，这大大缩短了系统的开发和应用的时间【1 6 1 。 2 ) 接近线速的处理能力，a p p 5 3 0 系列的网络处理器在没有外部协处理器的 支持下，可以稳健完成流量管理和a a l 5s a r ，因为这些功能芯片内部是以线速 完成的。 ， 3 ) 优越的流量管理性能，流量管理定义为控制通过网络处理器的数据流的 能力，用于优化网络处理器的资源，对于选择网络处理器来说，不光要考虑处理 速率，同时对于流量控制的能力也是非常重要的，a p p 5 3 0 提供了有竞争力的流 量管理能力j 。 2 1 3 2a t mp h y 芯片的选型 a p b e 要求a t m p o sp h y 可以支持4 个1 5 5 m b p s 的接入，支持板内的 a p s 傈换。在公司库中满足需求的有m i n d s p e e d 的c x 2 9 7 0 4 和p m c 的p m 5 3 5 1 两款芯片。过去的单板上面使用的是c x 2 9 7 0 4 ，目前已经转产，芯片较为稳定； p m 5 3 5 1 在原理图库中是通用电路，所以a p b e 上面选择p m 5 3 5 1 作为a t mp h y 芯片。 2 1 3 3 媒体面f ep h y 的选型 媒体面f ea p p 5 3 0 内部集成f e 的m a c ，m a c 到p h y 的接口是s m i i 接 口，在原理图库中查询，使用s m l l 接口，能够提供4 个或者8 个f e 的有 b c m 5 2 2 8 、b c m 5 2 3 8 和8 8 e 3 0 8 3 ，其中b c m 5 2 2 8 是不推荐使用物料，b c m 5 2 3 8 物料属性为在用，目前平台的u i m 单板上使用的是b c m 5 2 3 8 。8 8 e 3 0 8 3 是通用 件，可以提供8 个端口的f e 。因此，a p b e 单板选择8 8 e 3 0 8 3 作为s s s m i 接口 的p h y 。 2 1 3 4控制面f ep h y 选型 控制面以太网8 5 x x 子卡提供了一个r m 接口，a p b e 需要选择一个支持 蹦i i 接口的p h y 来实现控制面以太网，由于a c l 0 4 的停产，公司库中可以支持 重庆邮电大学硕士论文 第二章方案研究及关键技术 r m i i 接口四端口以下的百兆以太网p h y 已经没有很好的选择。a p b e 选择 n a t i o n a l 公司的d p 8 3 8 4 8 作为控制面的p h y ，d p 8 3 8 4 8 是一款支持 r m i i m i i s n i 接口的1 0 0 m 1 0 m 的单p h y ，可以弥补公司库中这个部分的空白。 2 1 3 5交换芯片的选型 a p b e 需求中要求媒体面和控制面以太网可以在单板内进行互连，需要一 个小的交换芯片；a p b e 单板选用了8 8 e 6 0 9 5 。8 8 e 6 0 9 5 可以提供3 g e + 8 f e 的交 换，连接8 8 e 6 0 9 5 的端口包括d p 8 3 8 4 8 的f e ，8 8 e 3 0 8 3 的一个f e ，连接到背板 控制面f e ，主备槽位互连的g e 和网络处理器a p p 5 3 0 连接的g m i i 接口。 d p 8 3 8 4 8 的f e 和8 8 e 3 0 8 3 的f e 在交换芯片中实现控制面和媒体面的交换，主备 槽位互连的g e 将主备槽位的网络处理器连接起来，可以实现跨单板的a p s 保换 功能。 2 1 4关键技术研究 1 ) 使用a p p 5 3 0 竹廿p l o o 完成a a l 2 + a a l 5 到i p 的协议转换。 a p p 5 3 0 主要由c l a s s i f i e r ，t r a f f i cm a n a g e r 和s t a t ee n g i n e 三个部分组成。如 图2 1 。 图2 1a p p 5 3 0 的数据处理流程 2 ) f c r a m 和d d r i is r a m 高速接口的设计 重庆邮电大学硕士论文第二章方案研究及关键技术 a p b e 单板的网络处理器优先使用a p p 5 3 0 ，f c r a m 和d d r i is r a m 的工作 频率为1 3 3 m h z ，数据的频率为2 6 6 m h z ；a p b e 首先对接口拓扑和匹配进行了 仿真，在此基础上，给出了时序约束关系；a p b e 单板没有完全采用源同步中完 全等长的概念，根据负载和芯片的特性适当进行了调整；并且考虑到p c b 设计的 难度，对于地址和部分控制总线降低约束要求，优先保证时钟线和数据线的布线 需要州。 3 、p c b 叠层设计 a p b e 上面的a p p 5 3 0 使用的电源种类较多，分布比较凌乱；需要扇出的i o 也很多，怎样使用最少的p c b 层数设计处理相对的单板是关键。a p b e 采用了1 8 层的p c b 进行设计，这个层数远小于参考设计中的2 8 层。在2 4 m m 板厚的限制 下，通过使用信号层相邻，电源层和地层相邻的方法进行设计。 4 ) 板内和板级的光口的a p s 倒换 跨单板的a p s 功能对于接入的可靠性是非常重要的，当处于工作的单扳的光 纤或者是光模块因为某种原因不能正常接入的时候，可以通过相邻单板的光口接 入，通过背板将数据送到正在工作的单板进行处理。在a p b e 中，主备槽位的网 络处理器之间增加了一个主各互连的g e 通道，单板处于工作单板的某个光纤或 者是光模块不能工作的时候，通过相邻单板设置为备用的光几接入后，将a t m 信元转换为p 包再通过背板的互连通道转发到正在工作的单板，实现a p s 的功 能。同时：考虑到一些a t m 的p h y 直接支持跨单板的a p s 保换功能，背板设计 的时候，5 8 槽位留有8 对差分线互连通道；可以直接在p h y 侧实现a p s 功能。 5 ) a p p 5 3 0 的接口配置 a p p 5 3 0 提供了一套主数据接口和一个协处理器接口；其中协处理器接口只 能够设置为3 2 b i t ss p l 3 接口；主数据输入输出接口是一个3 2 b i t 可配置的接口 1 7 1 ，这个接口支持下面四种硬件配置： a 1 一个3 2 b i t 接n b 1 两个1 6 b i t 接口 曲一个1 6 b i t 接口和两个8 b i t 接1 2 1 d ) 四个8 b i t 接口 这些接口可以配置为s p i 3 ，u t o p i a3 ，u t o p i a2 ( 单p h y ) ，p l a t o 。 8 b i t 的接口还可以配置为g m i i ，8 x s m i i ，p m a ，接口最高可以工作在1 3 3 m h z 。 重庆邮电大学硕士论文第二章方案研究及关键技术 卜一d p r d a t 3 1 ：0 1 一 p o r t o 3 z n t s p ：硼 p o r t2 p o i t 0 1 6 b i t s 【3 1 ：1 6 l 1 6b i t s 【1 5 ：0 j p o r t2p o r t ，p o n o 1 6b i t s 【3 1 ：1 6 l 8 b i t s 5 ：羽 8b i t s 【7 ：0 l p o n 3p o t l ：2p o r t0 8b i t s1 3 1 ：z 4 |8b i t s1 2 3 ：1 6 1 6b i t s1 1 , 5 ：0 l p o r t3 p o n2 p o r t l p o r t0 8b i t s 【3 1 ：2 l l8b i t s 2 3 ：1 6 j8b i t s 【1 5 ：8 j8b i t s p ：o j 图2 2a p p 5 3 0 的基本数据接口的配置方法 a p b e 需要提供4 个f e 作为媒体面数据通道，单板a p b e 使用在b u s n 环境中的时候，使用f e 作为媒体面通道，同时a p b e 有主备槽位单板互连的需 求，所以上面三个需求就占用了a p p 5 3 0 主数据接口中的3 个8 b i t s 接口。a p b e 同时需要和$ t m - 1 的p h y 进行互连，使用的总线是1 6 b i t su t o p i al 2 接口， a p p 5 3 0 和a p p l 0 0 之间使用协处理器接口( 3 2 位s p l 3 接口) 进行互连。剩下的 1 6 位主处理器接口，设置成8 位g m i i 接口和8 位s s s m i i 接口，分别和8 8 e 6 0 9 5 于8 8 e 3 0 8 3 相连。 2 1 5a t m 信元格式 在3 g 核心网中，a t m 作为一个重要的数据格式被w c d m a 和t d s c d m a 所采用，所以在此，我先介绍一下a t m 的信元格式。 1 ) 信元结构： 一个a t m 信元包括5 b 的信头和4 8 b 的信息，也就是净荷段，有两种信元 头，根据信头的第一个字节的5 8 位的内容不同，分别是用户网络接l j ( u n i ) 信元和网络节点接口( n n d 信元【l ：i 】。信元结构如图2 3 所示。 萋 烊 i 图2 3 信元结构 b # 祷 l s 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章方案研究及若键技术 2 ) u n i 的信头结构： 图2 4 是u n i 接口的信元头结构 比孛辱嚣76s 32i 6 f cv 张 v hv a v c i 螂| 叶l i c l p h e c 图2 4 u n i 接口的信元头结构 g f c ( g e n e r i cf l o wc o n t r 0 1 ) ：一般流量控制字段( 4 个比特) 及相应的 g f c 功能用于接入的流量控制。由于u n i 接入的终端数量可以很多，需要控制流 向网络的流量，以避免网络的短期过载。 v p i v c i ：a t m 采用面向连接的方式，在传送信息之前，要先建立a t m 连 接。a t m 连接是由a t m 层链路串接而成，以提供端到端的传送能力。为便于应 用和管理，a t m 连接可分为两个等级：虚通道( v p 级) 和虚信道( v c 级) 。 图2 , 5 是v p i 和v c i 的示意图。 ) 旰。 图2 5v p i 和v c i 的示意图 p t ( p a y l o a dt y p e ) ：有3 个比特，表示净荷类型。净荷类型编码见下表所 表2 2 净荷类型编码表 0 0 0翔产数据羲斑束终褥狲寨a u u = 0 o o i鞠户熬掘藤豫津i 缝掇翔蕊 u u = l 0 1 0爝产数翻雄毪瓣瞒搁鐾a u u 一0 0 1 1 嗣产靛溅尊沌托腰翔壤a u u = l i o o墩躺o a t 4f 彗像觉 1 0 1鳙刘避的0 i a hf 5 僖既 1 1 0 臻潞警理擦祀 1 1 1 稼镩 重庆邮电大学硕士论文 第二章方案研究及关键技术 c l p ( c e l ll o s sp r i o r i t y ) ：表示信元丢失优先级，只有一个比特，c l p = 0 ， 表示高优先级；c l p = i ，表示低优先级，若遇到拥塞要丢弃信元时，c l p = i 的信元 将首先丢弃。 h e c ( h e a de r r o rc o n t r 0 1 ) ；为1 个字节，用于信头差错控制。 3 ) v p 交换和v c 交换： v p 交换时，v p i 的值要改变，而其中所包含的v c i 值不变。v c 交换时， v p i 和v c i 的值都要改变。图2 6 是v c 交换和v p 交换的示意图。 图2 6v c 交换和v p 交换的示意 完成v p 交换的a t m 节点设备就是a t m 交叉连接谴各。完成v c 交换的 a t m 节点设备就是a t m 交换机。 2 1 6模块化设计 1 ) h o s t c p u 使用8 5 x x 子卡实现 a p b e 上的h o s t c p u 不但要完成单板的管理和配置，而且要进行宽带信令 s s c o p 、s s c f 子层的处理，要求c p u 的处理能力