（计算机应用技术专业论文）sdh芯片验证平台的设计.pdf

攘要 在集成电路0 c ) 芯片设计中，验证是芯片设计流程中最复杂、最耗时的环节 之一。强藏，集戏泡鼹功能验疆约占整令开发过程投入的6 0 - 。7 0 ，爨瑷嚣成功 的美键。如何使掰新的工具和技术对设计巾的复杂功能避行验证已经成为缩短总 体的产品时间所需要面对的挑战。因此，在复杂芯片设计中，迫切需臻一个功能 强大的仿真验证平台，提供芯片验证的方法，提高验证的自动化，从渐提高验证 熬效率，熬抉苍冀豹舞发嚣羯。 论文针对特定领域的s d h 设备系列芯片，在对专用鬃成电路( a s i c ) 行业主流 的验证方法学和验证技术进彳亍研究之后，以芯片验证流程为基础，提出了搭建功 能骏涯乎台，完藏芯片功戆骏缎鑫动纯，麸嚣热抉芯片舞发进程戆露恕。论文蓄 先介绍了s d h 原邂，然后分析了i c 设计中各种验证技术的特点以及芯片验证流 程，接下来详细阐述了s d h 芯片验证平台的基本结构及设计方法，设计了一个针 对s d h 系列芯片的验证平台。本文所设计的验证平台炅巍一定的通用性，通过不 同豹熬置莸可满怼该颁蠛不露穑髓要求静s d h 芯冀验诞。 测试结果表明，使用该平台，s d h 芯片的功能验证的效率得到了谶一步的提 高，宵效地加快丁芯片的开发周期，取得了良好的效果。同时，这个验证平台的 建交怼其毽穗关镁域熬设诗验诞其有炎努懿参考臻篷。 本文通过对蜜践中使用到的一些方法和经验加以总结，设计了此验证平台， 但s d h 仿真层、测试层软件设计的还不够究善，通过p l i 接口进行代码转换的设 计也不够成熟，谯螽续的工终巾，将迸一步完善验证平螽豹功能，并铡用耨豹技 术扩碰萁功能，筏之成为各释s d h 芯片验谖的一个更为邋瘸静平台。 关键词：同步数字传输体系( s a n ) 验证t e s t b e n c h a b s t r a c t i ni n t e g r a t e dc i r c u i t ( i c ) c h i p sd e s i g n ，t h ev e r i f i c a t i o ni so n eo ft h em o s tc o m p l e x a n dt i m e - c o n s u m i n gs t e pi nt h ec h i p sd e s i g nf l o w a tp r e s e n t ，t h ei n v e s t m e n to ft h e e n t i r ed e s i g np r o c e s si so c c u p i e db yt h ef u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o no fl ca b o u t6 0 7 0 ， f u n c t i o n a lv e r i f i c a f i o nh a sb e c o m et h ek e yt os u c c e e di nt h ep r o j e c t h o wt o1 1 8 0t h e n e wt o o la n dt e c h n o l o g yt ov e r i f yt h ec o m p l e xf u n c t i o ni nt h ed e s i g nh a sa l r e a d yb e e n t h ec h a l l e n g et or e d u c et h eo v e r a l lp r o d u c tt i m e - t o - m a r k e t t h e r e f o r e i tn e e d sa p o w e r f u lv e r i f i c a t i o np l a t f o r mu r g e n t l yi nt h ed e s i g nf o rc o m p l e xc h i p sw h i c hc a l l p r o v i d et h ec h i p sv e r i f i c a t i o nm e t h o da n de n h a n c e t h ea u t o m a t i o no f v e r i f i c a t i o n , t h u s t o 幽t n c et h ev e r i f i c a t i o ne f f i c i e n c ya n ds p e e du pt h ed e v e l o p m e n tc y c l eo f t h ec h i p s t h ep a p e rw h i c ha i n l sa tt h es p e c i f i cd o m a i no fs d he q u i p m e n tc h i p s ，h a s r e s e a r c h e do nt h ev e r i f i c a t i o nm c t h o d o l o g ya n dv e r i f i c a t i o nt e c h n o l o g yo ft h ei n d u s t r y o fa p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ( a s i c ) i tt a k e st h ec h i pv e r i f i c a t i o nf l o wa s t h ef o u n d a t i o n , p r o p o s e st ob u i l daf u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o np l a t f o r mw h i c hc a n i m p l e m e n tt h ec h i p sf u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o na u t o m a t i o n , t h u ss p e e d su pt h ec h i p s d e v e l o p m e n tp r o c e s s f i r s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h es d hp r i n c i p l e ，t h e na n a l y z e dt h e c h a r a c t e r i s t i co fv e r i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi ni cd e s i g na n dt h ec h i pv e r i f i c a t i o nf l o w , f o l l o w e dw i t ht h ee x p a t i a t i o no ft h eb a s i cs t r u c t u r ea n dt h ed e s i g nm e t h o do ft h e p l a t f o r m ，d e s i g n e dav e r i f i c a t i o np l a t f o r mo fs d hc h i p s t h ev e r i f i c a t i o np l a t f o r m d e s i g n e di nt h ep a p e rh a sc e r t a i nv e r s a t i l i t y , i tc a ns a t i s f ys d hc h i p sv e r i f i c a t i o no f d i f f e r e n tf u n c t i o nr e q u e s ti ni t sd o m a i nt h r o u g hd i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o n t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e d ，a f t e ru s i n gt h i sp l a t f o r m ，t h ee f f i c i e n c yo f t h es d h c h i p s f u n c t i o n a lv e i l f i c a t i o nh a so b t a i n e df u r t h e r e n h a n c e m e n t ，s p c du p t h e c h i p s d e v e l o p m e n tc y c l ee f f e c t i v e l ya n do b t a i n e dt h eg o o de f f e c t a tt h es a m et i m e ，t h e e s t a b l i s h m e n to ft h i sv e r i f i c a t i o np l a t f o r mh a st h eg o o dr e f e r e n c ev a l u et ov e r i f i c a t i o n o f o t h e rc o r r e l a t i o nd o m a i n a l t e rs u m m a r i z i n gt h em e t h o d sa n de x p e r i e n c e ，t h ep a p e rd e s i g n e dt h i s v e r i f i c a t i o np l a t f o r m ，t h es d hs i m u l a t i o nl e v e l ，t h et e s tl e v e ls o f t w a r ed e s i g ni ss t i l l i n s u f f i c i e n t l y ，t h ec o d ec o n v e r s i o na m o n g t h ed e s i g ni sa l s oi m m a t u r e i nt h ef o l l o w i n g w o r k ，t h ep a p e rw i l lc o n s u m m a t et h ef u n c t i o no ft h ev e r i f i c a t i o n ，a n du s i n gt h en e w t e c h n o l o g yt oe x p a n di t sf u n c t i o n ，m a k ei tt ob eam o r eg e n e r a lp l a t f o r mi nd i f f e r e n t k i n do f s d h c h i p sv e r i f i c a t i o n k e y w o r d ：s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ( s d h ) v e r i f i c a t i o nt e s t b e n c h 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：盟日期：跏幺 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其它复印手段保存论文。( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 日期：竺三丝f 日期：地1 业io 盟囤 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的目的和意义 专鬻集成电路( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ，a s i c ) 是撂将菜些特定 的功能使用集成电路的形式实现，以提高该功能的执行效率。专用集成电路被广 泛的使用在消费电子和通讯电子的各个领域，其中典型的包括核心网络的路由器、 交羧懿、无线逶 嚣蓬蘩、无线警跨设备等等。 众所周知，迄今为止在集成电路发展过程中，摩尔定律( 单芯片上所能集成 的晶体管数目每1 8 个月翻一鬻) 一直在起作用，因此随潜微电子技术不断的快速 发展，a s i c 豹规搂越来越大，加工工艺已逑入深亚微米 1 - 2 1 时钱，芯挎特征尺寸 越来越小，单位蕊片上晶俸管的数匿越来越多。逶常一个芯片的藏模程咒百万门 至几千万门左右，面对如此高的复杂度，黢证成为芯片设计中最困难、最具挑战 性的课题之一。 一 a s i c 设诗懿熬差镶謦来黪羧失是基大鹣，耄子没毒修笈或品a s i c 落片豹技 术，不可能对a s i c 中的错误部分进行修难或直接在上丽焊接，因此a s i c 设计 的缡果只有两种可能：要么成功，要么失败，不存在第三种中间状态。对于设计 愈怒复杂兹王c 产蕊来说，若跫设诗完成豹芬冀出现无法遂痒豹状况，将可毙造成 设计公司与工程孵在时闯、袅钱与信誉上的蹙大损失，逸成芯片设计错误的大部 分原因在于逻辑成功能上的错误。事实上邋辑或功能上的错误大部分魁可以被避 免的，丽避免这个阻题的方法不外乎就是做验证。验证谯字面上看起浓简单，却 燕褒整个设计配瓣滚程串最不被重程，迄後往镀诀隽楚激瘴矮、最无静熬一顼 壬 务，但它却是造成流片失败的童要原因。因此对于设计者来说，要保诞芯片一次 投片成功，充分的验证变得至荚重要。在熬个a s i c 的设计过程中，设计验证【3 】 是最筏费入力、孵鲻移占用鳓a 瓷源最多豹戆方。 芯片验证静工作是既复杂两又富有挑战性的工作。为了验证整个麓片的正确 性必须要做大量的验证工作，丽产品开发周期、面市时间的不断缩短又要求验证 工掾必须在尽可熊短的对闻内完成，验证磁越来越成为熬个设计流稷中的关键部 分。麓麓验证在慧冀斡整个设诗麓襄孛占掰豹簿褥最多，照内久饕遍谈隽，功 能验证是产品到市场的一个瓶颂问题 4 1 。百万门i c 的设计并不困难，而百万门i c 的设计的功能验证是一件非常难的事情【5 1 。验证，尤其是功能验证【6 1 ( f u n c t i o n a l v e r i f i c a t i o n ) 正嚣爨成隽芯片设诗秘开发戆“滚颈”。当门缀疆镬增熬，瑟款譬要 测的情况以及测试向量却是成指数增长，_ i 磁时如果i c 门级到达一两百万，如果要 做好验证工作，嚣还要用以前的验证方法，融经不切实际了。对于大型门级的i c ， 2 s d h 芯片验证平台的设计 门级的增加对仿真速度有很大影响，此时只能验证单个模块的测试，无法执行整 个i c 的验证，往往许多设计工作分开来测都没问题，但整合在一起就发生了问题。 因此大型门级的i c 功能验证的确是一个挑战。 目前芯片一次投片成功率只有3 5 左右，造成芯片重复投片的主要原因就是 验证不够充分，在验证阶段没有发现功能缺陷导致的。芯片规模越来越大，设计 验证越来越复杂，只有使用先进的设计验证方法充分地验证其设计，才能保证一 次投片成功。1 9 9 9 年当v s i a ( v i r t u a ls o c k e ti n t e r f a c e a l i a n c e ) 举行验证专题会时， 许多世界级验证专家得出结论：验证是件困难的事( h a r d ) ，几周后更把结论更正 为 v e r i f i c a t i o ni sn o th a r d ，i ti sv e r yh a r d ”。 虽然经过几年的发展，验证研究领域在验证技术、验证方法学、验证流程及 验证评估等方面取得了一定程度的进步，但总体而言验证技术仍然落后于设计和 制造能力，验证工作成为整个学科发展的制约瓶颈，给提高设计生产率造成了障 碍。针对上述问题，其症结在于没有一个很好的验证平台以及解决方案，来解决 i c 门级太大、验证环境不容易建立，以及仿真的速度太慢的问题，要解决这些难 题，必须采用新的解决方案。因此，开发灵活可配置的集合了多种验证手段的验 证平台日益重要，如何构建性能可靠的验证平台已成为业界所关注的热点问题。 传统的功能验证方法是：验证工程师需要开发大量的直接测试向量，通过人 工方法来观测和检查所设计芯片中的错误。当电路的规模到达一定程度后，这种 方法显然已经满足不了产品到市场的要求，因此，如何快速而有效地完成功能验 证成为当今i c 设计的重要研究方向之一1 7 “。由于复杂芯片的规模一般比较大， 如果用传统方法进行验证，将导致漫长的研发周期使产品错过最佳的市场时机。 因此，在复杂芯片设计中，不能用传统的方法来验证，迫切需要一个功能强大的 仿真验证平台，提供芯片验证的方法，提高仿真与验证的自动化【9 】，从而提高验 证的效率，加快芯片的开发周期。 a s i c 芯片的市场需求正与日俱增，未来市场空间潜力巨大。作为支持芯片 开发的核心技术产品，芯片验证平台国产化比率极其低下，国内芯片业界验证工 具主要依赖国外产品，并且价格昂贵，虽然有大量验证工具，但是往往针对某一 特定领域，因此很难完成全面验证的目的。国外产品占据我国市场，既造成外汇 流失，亦对我国信息产业发展形成制约。同时，验证工具的匮乏，对信息产业的 发展也带来了制约因素。没有性能可靠的芯片验证平台是制约我们在核心技术上 把握主动的一个重要原因。因此，开发能够提高芯片开发效率的验证平台势在必 行。为此，业界一直在努力开发新的工具和方法，比如新出现的硬件仿真加速器 ( h a r d w a r ee m u l a t o r a c c e l e r a t o r ) ，同时不断完善设计验证平台建设。现有的验证平 台费用昂贵，而且针对特定领域的芯片验证还是有不完善的地方，验证工程师也 需要花费一定的时间和精力学习。 第一章绪论 目前已有多家公司开发了各自的验证平台，但都各具特色，且其体系结构和 实现方法通常并不公开，而且价格昂贵。对于某些特定应用领域的产品，可根据 其特点开发可配置的环境，构造特定领域验证平台，以满足该领域不同用户的要 求，这是提高验证效率的一种手段，也是验证领域的一个研究方向。同步数字传 输体系( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ，s d h ) 是一种新生事物，它已经在现代信息 传输中显露出了强大的生命力。s d h 芯片是用于s d h 光网络的重要器件，本文 针对s d h 芯片的特点，旨在建立一个验证平台，该平台应该能够完成以下基本功 能： 能够根据需要产生测试激励 提供自动检查功能，在仿真的过程中自动地比较输出和期望值，为分析、 调试和检测错误提供了有效的手段 具有灵活的配置机构，通过不同的参数配置，就可以对不同功能的s d h 芯片进行功能验证 论文设计的s d h 芯片验证平台的层次结构和构造方法适用于其他面向应用 的仿真平台，具有一定的通用性。通过在芯片验证过程中不断地改进和完善，该 平台将为设计更大规模的s d h 专用芯片奠定一定的基础，将有利于推动芯片设计 及验证技术的发展，对促进我国信息产业的发展具有重要的现实意义。 1 2 研究现状 在a s i c 的设计流程中，功能验证是保证i c 设计成功的关键步骤和重要环节。 功能验证在凸显其重要性的同时，也面临着越来越大的挑战。目前验证环节上所 面临的问题主要体现在以下三个方面： 1 验证的自动化程度。验证是繁琐而复杂的过程，提高验证过程的自动化程 度，可以极大的降低验证过程的人力投入。在验证过程中，长时间的仿真周期中， 人力去干预和检查逻辑错误的可能性是非常低的，必须设计合理的方法和工具提 高验证的自动化程度； 2 高效率的验证方法需要更抽象的语言支持，同时还需要从高级语言向低级 语言转换的工具。以v e r i l o g 和v h d l 为代表的硬件描述语言的出现，是对逻辑 门单元电路描述的一种抽象，提高了i c 设计的效率，但这些语言在验证领域的表 现并不理想。所以，业界已经开始设计在硬件描述语言上更抽象的语言，以胜任 设计和验证两方面的需求，如s u p e r l o g 、s y s t e mv e r i l o g ，甚至c 语言。同时，业 界也出现了一些专门针对验证而设计的抽象语言，如e 和v e r a ： 3 成本的限制，这其中包括昂贵的工具和人工成本。 为了解决集成电路功能验证中面临的诸多问题，长期以来，i c 设计业界在不 4 s d h 芯片验证平台的设计 断的摸索各种方法去提高功能验证的效率和工具自动化的程度，从中总结出了一 些基本的方法，其中仿真验证和形式验证是主要的两种方法。 基于仿真的验证是指在软件环境下模拟硬件电路工作的实际情况，从而在实 现成实际电路之前，完成对硬件电路设计的功能测试，从而缩减芯片的开发成本， 提高芯片投片一次性成功的概率。 形式验i t 正( f o r m a lv e r i f i c a t i o n ) 是静态验证，不对设计旌加激励，而是从数学 上检查设计并证明逻辑电路的功能特性。作为功能验证的补充，形式验证提供了 一种可行且实际的解决方案，从而使验证的覆盖率达到1 0 0 。 从目前形式验证在验证过程中的使用情况来看，由于形式验证存在状态空间 爆炸性增长的可能，形式验证只适合模块级或中小系统级的验证。当系统变复杂 时，验证将占用较多的计算机资源，耗时增加。当系统复杂程度过高时，形式方 法已无法完成验证任务。论文将在第三章对仿真验证和形式验证加以详细说明。 目前市场上已经有了适合不同设计领域和设计对象的c a d 工具。但如果用 这些工具来验证芯片设计，需将它们按需要组合，并集成在同一环境中，但不同 的验证工具针对的对象有所不同，根据需要将它们集成在同一环境中还有一定的 难度。最常见的几种工具列举如下： 1 v c s - 是编译型v e r i l o g 模拟器，它完全支持v e f i l o gh d l 语言、p l i 和 s d f 。v c s 具有目前行业中最高的模拟性能，其出色的内存管理能力足以支持千 万门级的a s i c 设计，而其模拟精度也完全满足深亚微米a s i cs i g n - o f f 的要求。 v c s 结合了节拍式算法和事件驱动算法，具有高性能、大规模和高精度的特点， 适用于从行为级、r t l 到s i g n o f f 等各个阶段。v c s 已经将c o v e r m c t e r 中所有 的覆盖率测试功能集成，并提供v o r a l i t e 、c y c l e c 等智能验证方法。 2 v e r a ：满足了验证的需要，允许高效、智能、高层次的功能验证。v e r a 验证系统已被s u n 、n e c 、c i s c o 等公司广泛使用以验证其实际的产品，从单片 a s i c 到多片a s i c 组成的计算机和网络系统，从定制、半定制电路到高复杂度的 微处理器。v e r a 验证系统的基本思想是产生灵活的并能自我检查的测试向量，然 后将其结合到t e s t - b e n c h 中以尽可能充分测试所设计的电路。v e r a 验证系统适用 于功能验证的各个层次。 3 m a g e l l a n ：是s y n o p s y s 公司刚刚推出了新的混合形式验证工具。m a g e l l a n 将新的高性能形式工具引擎和内置v c s 仿真工具引擎的强大能力相结合，以帮助 工程师，发现可能掩藏于设计深层的需要仿真几千个周期才能发现的设计错误。 m a g e l l a n 的混合型结构使得这一工具能够在大规模的数百万门级设计中应用形式 验证技术。这一结构独特地将v c s 达到设计深层的能力和形式验证引擎进行高级 数学分析的能力相结合，来进行寻找设计错误的工作。将m a g e l l a n 内置的v c s 和形式验证引擎相互适应地和明确地彼此利用，使得设计者能够发现可能掩藏于 第一章绪论 深层设计需要几千个仿真周期才能发现的情况复杂的设计错误，从而节省了时间 并减少了反复次数。 4 m o d e l s i m ：h d l 语言仿真器，是工业界最优秀的语言仿真器，它提供最 友好的调试环境，支持p c 和u n i x 平台，是唯一的单一内核支持v h d l 和v e r i l o g 混合仿真的仿真器。是作f v g a t 、a s i c 设计的r t l 级和门级电路仿真的首选， 它采用直接优化的编译技术、t c l t k 技术、和单一内核仿真，编译仿真速度业界 最快，编译的代码与平台无关，便于保护m 核，个性化的图形界面和用户接口， 为用户加快调错提供强有力的手段。全面支持v h d l 和v e r i l o g 语言的i e e e 标 准，以及i e e ev i t a l1 0 7 6 4 9 5 标准，支持c 语言功能调用， 1 3 本文工作 根据目前集成电路验证方法【1 1 1 发展的趋势，本文认为必须构建一个多语言、 模块化和自动化的验证环境，充分发挥各种语言的特长，从而大大缩短开发时间。 目前虽然已有各大e d a 公司开发的验证工具，但其价格昂贵【1 2 】，而且针对特定 领域的芯片验证还是有不完善的地方，验证工程师也需要花费一定的时间和精力 学习。本文低成本的需求要求我们不可能使用昂贵的验证工具，必须在基本的验 证流程和方法上加以创新和改造。 在对业界的一些基本方法进行分析后，结合实际工作中的已有经验，本课题 主要完成了以下工作： 1 放弃了成本较高的形式验证方法，转而对仿真验证的方法进行了改造。 2 提出了构建自动化验证平台的思想。 3 对验证平台基本架构进行了分析和阐述，设计了s d h 芯片验证平台。 下面是本文的结构安排： 本文第二章对于在设计验证平台中需要了解的s d h 原理进行了介绍，分析了 s d h 的帧结构以及各种复用单元。第三章对芯片验证技术和主要的验证方法加以 分析，为选择符合本文要求的验证流程及方法提供了参考。在第四章根据现有的 验证技术，以及s d h 芯片的特点，设计了有效的验证流程，提出了所设计的s d h 验证平台的结构，并根据各种复用单元之间的关系，给出了合理的实现方法，之 后介绍了验证平台的具体工作流程。 6s d h 芯片验证平台的设计 第二章s d h 原理介绍 本文旨在建立一个针对s d h 系列芯片的验证平台，所以必须对s d h 的基本 原理有清晰的认识，通过对s d h 帧结构进行详细的分析，做出合理的设计。为此， 论文对s d h 原理进行了全面的分析，本章将对此进行介绍。 2 1s d h 技术简介 2 l 世纪人类进入高度发达的信息社会，这就要求高质量的信息服务与之相适 应，也就是要求现代通信网向着数字化、综合化、宽带化、智能化和个人化方向 发展【1 3 】。传输系统是现代通信网的主要组成部分，在数字传输系统中，有两种数 字传输体系，一种叫“准同步数字体系”( p l c s i o c h r o n o t md i g i t a lh i e r a r c h y ) ，简称 p d h ；另一种叫“同步数字体系”( s y n c h r o n o u s d i g i t a l h i e r a r c h y ) ，简称s d h 。 在数字通信系统中，传送的信号都是数字化的脉冲序列。这些数字信号流在 数字交换设备之间传输时，其速率必须完全保持一致，才能保证信息传送的准确 无误，这就叫做“同步”。采用p d h 的系统，是在数字通信网的每个节点上都分 别设置高精度的时钟，这些时钟的信号都具有统一的标准速率。尽管每个时钟的 精度都很高，但总还是有一些微小的差别。为了保证通信的质量，要求这些时钟 的差别不能超过规定的范围f 1 4 1 。因此，这种同步方式严格来说不是真正的同步， 所以叫做“准同步”。在以往的电信网中，多使用p d h 设备。这种系列对传统的 点到点通信有较好的适应性。而随着数字通信的迅速发展，点到点的直接传输越 来越少，而大部分数字传输都要经过转接，因而p d h 系列便不能适合现代电信业 务开发的需要，以及现代化电信网管理的需要，为了适应通信网的发展，需要一 个新的传输体制，s d h 应运而生【”j 。 s d h ”】全称为同步数字体系，核心是从统一的国家电信网和国际互通的高度 来组建数字通信网。其复用方式能满足大容量传输的要求，并且具有很强的网络 监控功能和良好的兼容性，特别适合于高速大容量的光纤通信系统【1 州。s d h 既是 一个组网原则，又是一套复用的方法。在s d h 基础上，可以建成一个灵活，可靠， 能够进行遥控管理的全国电信传输网以至全世界的电信传输网。这个传输网可 以很方便地扩展新业务，还可以使不同厂家生产的设备进行互通使用。 最早提出s d h 概念的是美国贝尔通信研究所，称为光同步网络( s o n e t ) 。它 是高速、大容量光纤传输技术和高度灵活、又便于管理控制的智能网技术的有机 结合【1 7 】。最初的目的是在光路上实现标准化，便于不同厂家的产品能在光路上互 通，从而提高网络的灵活性。1 9 8 8 年，国际电报电话咨询委员会( c c i t t ) 接受了 s o n e t 的概念，重新命名为“同步数字系列( s d h ) ”，使它不仅适用于光纤，也 第二章s d h 原理介绍 7 适用于微波和卫星传输的技术体制，并且使其网络管理功能大大增强。由于s d h 系统具有统一的标准接口、同步复用、自动交叉连接、可直接上下支格信号、及 具有强大的网管功能而得到了世界各国的普遍使用。目前在世界上使用的光纤通 信系统基本上以s d h 系统为主。 s d h 有全世界统一的网络节点接n ( n n i ) ，从而简化了信号的互通以及信号 的传输、复用、交叉连接等过程【1 3 1 。网络节点接n ( n n i ) 是实现s d h 网的关键。 从概念上讲，网络节点接口是网络节点之间的接口，从实现上看它是传输设备与 其他网络单元之间的接口。n n i 在网络中的位置如图2 1 所示。 驾nn1 n n i n n i n n i 翌j 妻复用谩鲁警蠕舂舌盖繁设备 图2 1n n i 在网络中的位置 s d h 有一套标准化的信息结构等级1 1 8 l ，称为同步传递模块s t m - n ( s y n c h r o n o u $ t r a n s p o r t ，n = i 、4 、1 6 、6 4 ) ，目前s d h 只能支持一定的n 值，o p n 为1 、4 、 1 6 、6 4 。最基本的模块是s t m l ，其速率为1 5 5 5 2 0 m b i t s ，更高等级的s t m - n 信号 可以是将基本模块信号s t m i 同步复用、字节问插的结果。i t u - tg 7 0 7 ( 同步数 字体系网络节点接口) 标准建议规范的s d h 标准速率如表2 1 所示。 表2 is d h 标准速率 等级 s t m 1s t m 4 s t m 1 6s t m - 6 4 速率( m b i 似) 1 5 5 5 2 06 2 2 0 8 02 4 8 8 3 2 09 9 5 3 2 8 0 i s d h 采用块状的帧结构【l9 】来承载信息，允许安排丰富的开销比特( 即比特流 中除去信息净负荷后的剩余部分) 用于网络的运行、管理和维护( o a m ) 。 s d h 有一套特殊的复用结构，允许现存准同步数字体系、同步数字体系和 b i s d n 的信号都能纳入其帧结构中传输，即具有兼容性和广泛的适应性。s d h 传输业务信号时，各种业务信号要进入s d h 的帧都要经过映射、定位和复用三个 步骤：映射是将各种速率的信号先经过码速调整装入相应的标准容器( c ) ，再加入 通道开销( p o h ) 形成虚容器( v c ) 的过程，帧相位发生偏差称为帧偏移；定位即是 将偏移信息收进支路单元( t u ) 或管理单元( a u ) 的过程，它通过支路单元指针 ( t u p t r ) 或管理单元指针( a u p t r ) 的功能来实现；复用则是将多个低价通道层信 号通过码速调整使之进入高价通道或将多个高价通道层信号通过码速调整使之进 入复用层的过程。 8 s d h 芯片验证平台的设计 2 2 1s d h 帧结构 2 2s d h 帧结构和段开销 s d h 的帧结构必须适应同步数字复用、交叉连接和交换的功能，同时也希望 支路信号在一帧中均匀分布、有规律，以便接入和取出【”j 。1 1 1 j t 最终采纳了一 种以字节为单位的矩形块状( 或称页状) 帧结构，如图2 2 所示。 s t m - n 由纵向9 行和横向2 7 0 x n 列字节组成，每个字节含8 b i t ，整个帧结构 分成段开销( s e c t i o no v e r l i e a d ，s o i l ) 区、s t m - n 净负荷区和管理单元指针( a u p a x ) 区三个区域，其中段开销区主要用于网络的运行、管理、维护及指配以保证信息 能够正常灵活地传送，它又分为再生段开销( r e g e n e r a t o rs e c t i o no v e r h e a d ，r s o h ) 和复用段开销( m u l t i p l e xs e c t i o no v e r h e a d ，m s o h ) , 净负荷区用于存放真正用于 信息业务的比特和少量的用于通道维护管理的通道开销字节；管理单元指针用来 指示净负荷区内的信息首字节在s t m - n 帧内的准确位置以便接收时能正确分离净 负荷。 一i 9 x2 1 m x n 字节i ，7、传辅j 3 行s o h ti 行a u p t r ! 5 t m n 净负荷 ；5 行 ( 舍p o h ) ； s o h l o n 一_ 一2 6 1 n - 一 图2 2s d h 帧结构 s d h 的帧传输时按由左到右、由上到下的顺序排成串型码流依次传输 2 0 1 ，每 帧传输时间为1 2 5 1 t s ，每秒传输1 ( 1 2 5 x 1 0 6 ) = 8 0 0 0 帧，对s t m 1 而言，帧长度为 2 7 0 x 9 = 2 4 3 0 个字节，相当于1 9 4 4 0 b i t ，帧周期为1 2 5 p s ，由此可算出其比特速 率为2 7 0 x 9 8 ( 1 2 5 1 0 6 ) = 1 5 5 5 2 0 m b i f f s 。 由图2 2 可见，整个帧结构可分为三个主要区域。 1 段开销【2 1 l ( s o h ) 区域：所谓段开销是指s t m 帧结构中为了保证信息净负 荷正常灵活传送所必须的附加字节，主要是供网络运行、管理和维护i l5 】使用的字 节。图2 2 中横向为第l 至第9 x n 列，纵向为第l 至第3 行和第5 至第9 行的7 2 x n 个字节已分配给段开销。对于s t m 1 而言，相当每帧有7 2 个字节( 5 7 6 比特) 可用于段开销。由于每秒传8 0 0 0 帧，因而，s t m 1 有4 6 0 8 m b i f f s 可用于网络运 行、管理和维护目的。可见段开销是相当丰富的，这是光同步传输网的重要特点 之一。 第二章s d h 原理介绍 9 2 净负荷( p a y l o a d ) 区域：所谓信息净负荷区域就是帧结构中存放各种信息容 量的地方。图2 2 中横向第1 0 x n 至第2 7 0 x n 列，纵向第l 至第9 行的2 3 4 9 x n 个字节都属于净负荷区域。当然，其中还含有少量用于通道性能监视、管理和控 制的通道开销字节( p o h ) 。通常，p o h 作为净负荷的一部分并与其一齐在网络中 传送。 3 管理单元指针( a u p t r ) 区域：所谓a u - p t r 就是一种指示符，主要用来 指示信息净负荷的第1 个字节在s t m - n 帧内的准确位置，以便在接收端正确地 分解。图2 2 中横向第1 至第9 x n 列，纵向第4 行的9 x n 个字节是保留给a u - p t r 用的。采用指针方式是s d h 的重要创新，可以使之在准同步环境中完成复用同步 和s t m - n 信号的帧定位。这一方法消除了常规准同步系统中滑动缓存器引起的 延时和性能损伤。 2 2 2 段开销字节 s d h 帧结构中安排有两大类开销：段开销( s o h ) 和通道开销( p o l l ) ，它们分别 用于段层和通道层的维护。 s o h 中包含定帧信息，用于维护与性能监视的信息以及其他操作功能。s o h 可以进一步划分为再生段开销( r s o h ，占第1 至第3 行) 和复用段开销( m s o h ， 占第5 至第9 行) 。 1 s t m 1 段开销字节的安排和功能 s t m 1 段开销字节的安排 各种不同s o h 字节在s t m 1 帧内的安排分别如图2 3 所示。 垃5 ：耋蔷筹嫠嫠嚣言拳著，噩字节- 甩h 抗码 ，o 所 标记年* # 将束际标准确定c 与庸 凳应月耐目 * 用其他月遗) 。 图2 3s t m - 1s o h 字节安排 s o h 字节的功能 帧定位字节a 1 和a 2 s o h 中的a l 和a 2 字节可用来识别帧的起始位置。a i 为1 1 1 1 0 1 1 0 ，a 2 为 0 0 1 0 1 0 0 0 。 再生段踪迹字节j 0 1 0 s d h 芯片验证平台的设计 该字节被用来重复地发送“段接入点标识符”，以便使段接收机能据此确认 其是否与指定的发射机处于持续连接状态。 数据通信通路( d c c ) d l d 1 2 s o h 中的d c c 用来构成s d h 管理n ( s m n ) 的传送链路。其中d i d 3 字 节称为再生段d c c ，用于再生段终端之间交流o a m 信息。 公务字节e l 和e 2 e 1 和e 2 两个字节用来提供公务联络语声通路。 使用者通路f l 比特间插奇偶检验8 位码( a l p 8 ) b 1 b 1 字节用作再生段误码监测。 比特间插奇偶检验2 4 位码( b i p - n 2 4 ) 字节b 2 8 2 8 2 自动保护倒换( a p s ) 通路字节k i ，k 2 ( b 1 b 5 ) 两个字节用作自动保护倒换( a p s ) 信令。 复用段远端失效指示( m s - r d i ) 字节k 2 ( b 6 b 8 ) m s r d i 用于向发信端回送一个指示信号，表示收信端检测到来话故障或正 接收复用段告警指示信号( m s - a i s ) 。 同步状态字节s 1 ( b 5 b 8 ) s 1 字节的第5 8 比特用于传送四种同步状态信息，可表示1 6 种不同的同 步质量等级。其中一种表示同步的质量是未知的，另一种表示信号在段内 不用同步，余下的码留作各独立管理机构定义质量等级用。 复用段远端差错指示( m s r e i ) m 1 与传输媒质有关的字节 备用字节z 0 需要说明的是： 再生器中不使用这些备用字节。 为便于从线路码流中提取定时，s t m - n 信号要经扰码、减少连续同码概 率后方可在线路上传送，但是为不破坏a l 和a 2 组成的定帧图案，s t m - n 信号中r s o h 第一行的9 n 个开销字节不应扰码，因此其中带号的备 用字节之内容应予精心安排，通常可在这些字节上送“0 ”、“1 ”交替码。 收信机对备用开销字节的内容不予解读。 2 s t m - n 州= 4 ，1 6 ，6 4 ) 段开销字节的安排 s t m - n 帧中s o h 所占空间与n 成正比，n 不同，s o h 字节在空间中的位置 也不同，但s o h 字节的种类和功能是相同或相近的。 各种不同s o h 字节在s t m - 4 、s t m 1 6 和s t m 6 4 帧内的安排分别如图2 4 、 图2 5 和图2 6 所示。 第二章s d h 原理介绍 一4 a 扯4 4 1 | a 4 4 4 a 舡】i a ，b 4 a 2 l a 4 a 4 4 4 牛4 a 柑制。j o 。j 。z 。 o 。 ：i iiii ： f l l xxx xxx r 5 h 1 叫。 譬理单元指针 圃日2b 2 目kb 2 磁瞳b = 雎b 甑：囊嚣嚣? 字节1 嘉笳鬻蒸辚景馨譬嚣尝筹鐾墨豢器亮& 要器裂麓怒罄群 图2 4 s t m - 4 s o h 字节安排 图2 5s t m 一1 6s o h 字节安排 图2 6s t m - 6 4s o h 字节安排 将这些图对照比较即可明白字节交错间插的方法。以字节交错间插方式构成 高阶s t m - n ( n 1 ) 段开销时，第一个s t m - 1 的段开销被完整保留，其余n 1 个s t m - 1 的段开销仅保留定帧字节a 1 ，a 2 和比特问插奇偶校验2 4 位码字节b 2 ， 其他已安排的字节( 即b l ，e l ，e 2 ，f 1 ，k 1 ，k 2 和d 1 d 1 2 ) 均应略去。 段开销字节在s t m - n 帧内的位置可用一个