（电磁场与微波技术专业论文）obs光收发板核心模块的fpga实现.pdf

北京邮电大学硕士学位论文 0 b s 光收发板核心模块的f p g a 实现 摘要 光突发交换是近几年来比较热门的研究方向。o b s 技术结合了光路交换 ( o c s ) 与光分组交换( o p s ) 的优点，同时也避免了它们的不足。o b s 通过提 前的、较小的控制分组来预留延迟的、较大的光突发所需的资源，动态地、灵活 地、及时地建立一种面向无连连的、透明的恰量时问段链路，从而有效地利用带 宽资源。o b s 的精髓就在于动态的、灵活的、无连接的、透明的、按需分配的 子波长提供能力。 本o b s 试验网络由三个边缘节点和一个核心节点组成，本论文围绕国家 “8 6 3 ”计划资助课题“光突发交换关键技术和试验系统”，对o b s 网络边边缘节点 光收发板核心功能进行了设计和实现。论文主要分为四部分。 第一章介绍了光突发交换技术的背景； 第二章先整体介绍了o b s 网络试验网络，然后分别对边缘节点的逻辑结构 和物理结构进行了相关叙述； 第三章详细介绍了光收发板数据信道核心功能的f p g a 的具体设计和实现， 从功能上分成发射方向的定时发送和接收方向上的信道申请两个方面来阐述； 第四章介绍了整个试验测试系统和试验过程中的调试情况； 第五章对整个论文技术部分做了总结，并提出了对下一步研究的一些观点。 关键词：o b s ( 光突发交换) ，光收发板，f p g a 北京邮电大学硕士学位论文 f p g a i m p l e m e n to f c o r em o d u l ei no b st r a n s c e i v e rb o a r d a b s t r a c t o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n gi si ng r e a td e m a n df o rr e s e a r c hi nr e c e n ty e a r s o b s t e c h n o l o g yc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fb o t ho p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ( o c s ) a n d o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ( o p s ) ，w h i l ea v o i d st h e i rs h o r t a g e s i no b sn e t w o r k ，t h e s m a l lc o n t r o lp a c k e t ，w h i c hi st r a n s m i t t e di n a d v a n c e ，r e s e r v e st h eb a n d w i d t h r e s o u r c eo fc o r r e s p o n d i n gb u r s t ( f a rl a r g e rt h a nc o n t r o lp a c k e t ) ，a n ds e t u p sal i n k d u r i n gl i m i t e dp e r i o da c c o r d i n gt oc o n t r o li n f o r m a t i o n ，w h i c hi sd y n a m i c ，f l e x i b l e ， o r i e n t e d c o n n e c t i o n l e s s ，t r a n s p a r e n t i no n ew o r d ，t h ee s s e n c e so fo b sa r ed y n a m i c ， f l e x i b l e ，c o n n e c t i o n l e s s o r i e n t e d ，t r a n s p a r e n tw a v e l e n g t hb a n d w i d t hp r o v i s i o n c a p a b i l i t yo nd e m a n d 。 t h i so b st e s tb e di sc o m p o s e do ft h r e ee d g en o d e sa n do n ec o r en o d e t h i s p a p e ri sb a s e do nt h e8 6 3p r o j e c t , o b sk e yt e c h n o l o g i e sa n de x p e r i m e n t a ls y s t e m ”， a n dp r o v i d e st h ed e s i g na n di m p l e m e n to ft h ec o r em o d u l eo ft h et r a n s c e i v e rb o a r d o f t h ee d g en o d e s c h a p t e r1i n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do fo b st e c h n o l o g y ； c h a p t e r2i n d i c a t e st h ea r c h i t e c t u r eo fo b st e s tb e d , t h el o g i ca n dp h y s i c a l s t r u c t u r eo f e d g en o d e ； c h a p t e r3g i v e st h ed e t a i l so fi m p l e m e n t a t i o no fc o r em o d u l ei no b s t r a n s c e i v e rb o a r do f r i m i n gs e n d i n gi nt r a n s m i t t i n gd i r e c t i o n ”a n d c h a n n e lr e q u e s t i nr e c e i v i n gd i r e c t i o n ”； ， c h a p t e r4f o c u so nt h er e s u l to ft h ew h o l et e s ts y s t e ma n dt h es i g n a l sc a p t u r e d b ys i g n a l t a pi ii nf p g a ； c h a p t e r5i sm a i n l ya b o u tt h ec o n c l u s i o no ft h et e c h n o l o g yo fc o r em o d u l eo f t h et r a n s c e i v e rb o a r da n d p r o p o s e ss o m ei m p r o v e m e n t sa b o u tt h en e x tr e s e a r c h k e y w o r d s ：o b s ( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) ，t r a n s c e i v e rb o a r d ，f p g a ， 北京邮电大学硕士学位论文 1 1 0 b s 网络的背景 第一章绪论弟一早珀v 匕 全球i n t e r n e t 和数据业务的爆炸式增长对网络带宽的要求越来越高，成为网络带 宽提升和高速p 路由处理技术的最强势的核心推动力，如何提高网络速度以及进一 步扩展网上运行的业务种类和保证网络的服务质量是日前人们迫切关注的问题。9 0 年代出现的密集波分复用( d w d m ) 技术标志着带宽技术的一次重大的革命，它具 备巨大的传输能力成为解决d 业务日益增长的带宽需求最成熟的手段，它能够实现 在一根光纤上承载上百个波长信道，并且最高的传输带宽记录已经达到了t 比特级。 在光纤传输上取得的技术成就对网络节点处理能力提出了新的要求。传统的光交换将 传输的数据从光域转换到电域完成交换后，再转换到光域进行传输，即要经过o e o 的转换才能完成交换功能，但由于集成电路领域的技术突破远远跟不上光子技术上的 成就，目前网络节点( 包括交换机和路由器) 成为影响网络带宽和充分利用光纤带宽 最大的瓶颈。 为了消除电子瓶颈的影响，许多研究机构致力于研究和开发光交换技术，试图将 网络交换工作在光子层面上完成。总的来说，光交换可分为波长路由的电路交换 ( o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ，0 c s ) 和光分组交换( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ，0 p s ) 两 种方式。 光电路交换( 如w d m 网络中的波长路由) 面向连接，采用双向预约，即先在源 宿之间预留双向固定带宽通道，建立好光通路，然后再进行数据传输，通信完成后再 用信令拆除光路。其优点是中间交换节点不需要对数据进行缓冲和光电( 或电光) 转 换，因此网络中无光缓冲器件，实现的复杂度低；缺点是带宽利用率较低，特别是对 突发业务，建立和拆除光路的时间较长。该技术目前已经研究成熟，并逐步大规模应 用，完成该交换功能主要是通过使用光交叉连接器( o x c ) 和光分插复用器( o a d m ) 来实现，但是这种交换模式只是粗粒度的光交换，不能取代p 层的分组交换。 光分组交换面向非连接，采用存储转发方式：包头和数据同时发送，在光层中一 般采用低速的副载波调制，直接实现小粒度的分组交换。其优点是支持信道统计复用， 适合于突发业务，而且交换粒度小，带宽分配灵活而高效；缺点是要求较高的处理速 度，中间节点在处理包头的同时要对每个分组进行缓冲，所以实现的复杂度高，特别 是目前光缓存器件还不成熟，这个缺点比较突出。光标记交换和多波长标记交换是目 前研究得最多的实现光分组交换的技术，并在近年来取得了一些进展，基于光分组交 换的光p 路由器可望直接完成p 层的分组交换，但由于在一些关键性的光器件如高 北京邮电大学硕士学位论文 速光开关、光缓存器、光逻辑器件等取得重大突破之前，分组交换的控制头部分逻辑 处理和数据缓存仍无法在光域内完成，仍需进行o e 转换后在电域进行处理，但由于 其分组交换的粒度过小，光分组交换仍然要受到电子器件处理速度的限制，尚难以从 实验室走向实用。 光突发交换( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ，o b s ) 概念由c h u n m i n gq i a o 和j s t u r n e r 在二十世纪8 0 年代提出，起源于以前的电子突发交换网。在当时电子突发交换基本 上是一种快速分组交换技术的推广，在这种网络中包长可变且可以为任意长度，并采 用分散式共享缓存的交换结构。直到9 0 年代，由于w d m 技术的飞速发展，网络传 输带宽得到大幅度提升，网络的瓶颈落在了交换节点上，这种交换技术才真正引起了 人们的关注。它作为一种介于光、电交换之间的过渡交换技术，克服了光分组交换的 缺点，对光开关和光缓存的要求降低，并能够很好的支持突发性的分组业务，对于解 决目前节点速率瓶颈不失为一种非常理想的方案，被认为很有可能在未来互联网中扮 演关键角色。 光突发交换避开了波长路由和光分组交换的缺点，并集两者的优点于一身，采用 了单向预约的机制，其优点是交换粒度适中，介于光电路交换和光分组交换之间，带 宽分配灵活高效，高速数据信息不需经过光电( 或电光) 转换，对中间交换节点处理 能力的要求没有光分组交换中的严格，实现复杂度适中，能很好地支持光网络的q o s ， 既能依靠上层协议( i p m p l s ) 区分不同业务的q o s ，也可直接在光层上实现有区分 的服务。这样，光突发交换技术就成为了人们更理想的选择。 光交换方带宽利用 建立延迟 光缓冲开销 适应性 式 率 波长交换低高不要低低 分组交换高低需要高高 突发交换高低不要低高 表卜i3 种交换方案的比较 表1 1 对三种典型光交换模式进行了比较，我们很容易看到光突发交换的优势所 在。与光分组交换相比，o b s 可以不需要目前尚很难实现的光缓存；大粒度的交换 使得对电子器件处理速度的要求降低，而且开销少，中间节点o e 变换少；控制包的 擦写简单；因为不要求各个突发之间同步，而且控制包与突发数据之间的关系相对 松散，所以同步简单。与波长路由相比，o b s 带宽利用率高，网络灵活性与适应性 高；接续时间短( 单向预约) 。o b s 还可以实现w d m 层的q o s 保证。另外，i n t e m e t 业务量的典型特征就是突发性( 自相似性) 。而o b s 还有一个显著优点是可以降低网 北京邮电大学硕士学位论文 络业务的自相似程度，从而有利于网络的规划与设计。 1 2 0 b s 网络特点及拓扑结构 典型o b s 网络的工作原理可以简单地描述如下：在进行数据传输时，o b s 网络 的边缘接入节点将抵达的口包等数据信息组装成突发包，控制信道将通过提前发送 控制分组，沿路为数据信息预约节点资源。通常光突发的传输和交换资源采用单向预 约的方式来实现，即控制包是在一独立的信道控制信道传送，且比相应的数据突 发包提前一个确定的偏置时间( o f f s e tt i m e ) 进行发送。这个偏置时间必须足够大， 以满足中间节点能够及时的进行电子处理和为即将抵达的突发包选择适当的路由。当 一个突发包抵达交换节点时，相应的路由通路已经建立，所以突发包从源节点到目的 节点的传输过程中，可以始终保持在光域内进行，无需进行光电转换，而控制信息则 在每个节点处都要完成o e o 的转换。图1 1 简单描述了o b s 大致的网络拓扑结构： 图卜1o b s 的网络拓扑结构 在目前，o b s 的实现方案主要有以下几种： 基于传统的o b s 信令协议方案，采用l i t 、j e t 等高效的单向资源预留协议。 基于m p l s 的l o b s 方案：把先进的m p l s 框架与o b s 技术结合，产生了 基于标签的光突发交换技术。 基于波长路由的w r - - o b s 方案：采用动态分配波长来进行路由选择，建立 光通路，实现突发数据的传送。 基于时隙交换的o b s 方案( 弛es l i c eo b s ) 。 根据资源预留方式的不同，又可以将其归纳为两种主要类型，如下图所示： 北京邮电大学硕士学位论文 玳。r 、曲： 耀 妇 资源单向预留t a g 方式( j e t 、j i t 、r f d ) 资源双向预留t a w 方式( w r - - - 0 b s ) 图1 - 2 两种典型的0 b s 实现方案 1 3 0 b s 的关键技术 目前围绕o b s 网络展开研究的关键技术有以下方面： 1 、光突发交换( o b s ) 网络模型、业务模型和网络性能的研究：研究o b s 网络 的物理及拓扑结构及分层模型，探讨其对网络性能的影响；由于不同的业务 模型在同一个光突发交换网络中会有不同的q o s 性能，研究适合于突发业务 的理论模型，通过理论仿真和组建光突发交换网络来验证模型，并提出评价 网络性能的标准。 2 、o b s 系统结构和单元技术的研究：采用不同的系统结构，引入的单元技术、： 信令控制和路由算法就有所不同，因此需要对o b s 的节点( 边缘节点、核心 节点) 结构及其中的关键单元技术和功能机制进行深入研究。 3 、路由及带宽分配技术的研究：研究适合于突发业务的动态路由及带宽分配技 术以减少业务的阻塞率，提高网络的性能，节省网络资源和交换设备的投资。 4 、高速光突发交换模块的研究：研究光突发交换的实现技术，包括快速交换矩 阵、快速波长变换技术等。突破现有光开关在交换时间( 如：微光机械式光 开关、液晶光开关、热光效应聚合物波导型光开关等，交换速度在毫秒量级) 和矩阵规模( 如铌酸锂光开关、半导体光放大器光开关等) 等方面的瓶颈， 研究利用聚合物材料的电光特性实现快速波长调谐( 选择) ，构成将分波合波 器和交换模块集成在一起、适合于光突发交换的快速光交换矩阵。 5 、突发交换信令协议的研究：研究可以快速处理信令的协议、实现的方法以及 各节点信令时钟同步实现方法。 6 、o b s 的性能分析与评价：分析在各种情况下( 负载、信道数、是否支持波长 变换、是否带光纤延迟线( f d l ) ) ，o b s 网络的时延、丢包率等性能，仿真 演示o b s 基本功能。 7 、边缘节点突发分组的适配和突发同步技术研究，包括高速突发光发射接收技 术的研究。针对图像、话音、数据等不同业务类型( 即不同q o s 要求) ，研究 在有限网络资源( 如波长数量等) 下的调度算法，研究改善业务流量自相似 北京邮电大学硕士学位论文 性的组装机制。 北京邮电大学硕士学位论文 2 1 0 b s 试验网络结构 第二章o b s 试验网络 在基于以上讨论过的o b s 网络模型的基础上，我们提出一套完整的o b s 网络架 构和分层模型。从节点功能考虑，可以将o b s 节点分为两类：进行e i o 转换，业务 汇聚的边缘节点和全光交换的核心节点。接入层是o b s 层的用户层，可以是目前存 在的各种网络如i p 、a t m 、s d h 等，也可以是终端用户；o b s 层向上层提供各种 o b s 服务：物理层实现光比特的透明传输、放大和交换。 图2 1 为o b s 网络边缘节点分层模型。 图10 b s 网络边缘节点分层模型 边缘节点的m 业务汇聚完成后，将突发分组进行排队，调度器按照数据信道和 控制信道的使用情况，采用一定的协议控制算法选择突发包的发送。同时提取突发包 的控制信息，当突发包位于队首时，控制信令设置其偏置时间，并发送控制分组，它 包括了突发包的路由信息、偏置时间、长度、信道编号、q o s 等信息。偏置时间后， 突发包由调度器调度成帧送入w d m 光层。在接收节点处，也由边缘节点完成包的拆 卸工作。 核心节点则负责在电域处理提前发送的控制信息包，并通过解析控制包携带的消 息信令完成对光交叉矩阵的配置，使随后到达的突发数据包在全光域内能进行快速的 交换，既避免了控制头的光域处理，同时数据分组也无需进行光电转换处理，始终在 全光域内传输，大大提高了交换的灵活性。图2 2 为核心节点的详细功能模块： 北京邮电大学硕士学位论文 与网管模块交互信息 图2 - 2 核心节点控制结构 从上述的体系架构和分层模型中可以看出，与全光分组交换相比，光突发交换的 实现相对简单，同目前以波长路由为基础的电路交换相比，又具有带宽利用率高，网 络灵活性强，接续时间低的优点，同时突发交换的业务汇聚还可以减少网络业务的自 相似性，有利于均衡网络流量。 研究中预计建立一个如图2 3 所示的光突发交换试验系统。试验系统包括一个突 发交换核心节点和三个边缘节点。边缘节点提供多个千兆和百兆以太网接口，具有图 像、话音、数据等业务的接入能力。各种业务在边缘节点内进行适配重组，形成在网 络中传输的突发分组，并采用d w d m 技术将分组发送至网络中，从而实现高速、大 容量的数据传输。同时，在数据分组发送至网络中前，边缘节点通过一个单独的信令 信道向核心节点发送突发分组的控制信令，控制信令的内容包括突发分组和控制信令 之间的延时信息、突发分组的长度信息、目的节点信息等，同时还包括业务等级信息 以据此为不同的业务提供不同的q o s 保证。核心节点根据这些控制信息配置节点内 部的快速光交换模块，直接在光域内实现快速的分组突发交换，并将控制信令处理后 转发至下一节点。对于边缘节点来说，由于光突发交换网络的突发特性，边缘节点接 收的突发分组可能来自不同的节点，它们的时钟相位不同，因此对每二个接收到的分 组必须进行高速时钟同步，即分组的突发同步，才能完成分组的突发接收。接收到的 分组数据在边缘节点内进行反向拆卸和分类，发往相应的端口。 北京邮电大学硕士学位论文 2 2 边缘节点结构 图2 - 3 光突发交换试验系统 在光突发交换网络中边缘节点处于一个十分重要的位置，存在多项关键技术需要 解决。边缘节点主要是将各种接入数据适配到光突发分组网，接收来自网络的突发分 组并完成反向适配。因此，首先边缘节点需要实现发射方向业务的适配，协议的转换， 数据包的分类汇集及交换，q o s 支持，突发数据分组成帧，光的突发发射等，同时还 要实现信令控制算法，生成控制分组，发起控制信令等。在接收方向需要完成光的突 发接收，分组的拆卸，数据包的分类汇集及交换等。这些技术难点覆盖了光域、电域 和软件等领域，相对来说难度更大。 ， 边缘节点的结构如图2 - 4 所示。其中在节点的业务接入侧采用多个千兆以太网 ( g e ) 或快速以太网( f e ) 接口，这是考虑到面向光因特网的光突发交换主要承载 口业务，在接入侧使用统一的以太网帧格式可以做到无缝连接，无需协议转换，方 便地接入广域网、城域网和局域网，从而大大简化了设各，降低了成本。 北京邮电大学硕士学位论文 壤 - ( 至焦 一 、 i lf i b e r萝 ! i 密换一篚 婪 = 丁= 工= 匕) 卜 i = 丁= 工= ) 卜_ i - = 丁= 工= 亡 + 一，一蚕_ 7 齐、 一 缓冲队列 气i 信令同步 一= ! = 一一 卜 控制 一 。 t ， 一-迥生1。 = 丁= r = 亡 卜 x ； 匿 吨p 一 f i b e r _ ， = 丁= 工= r = 卜+ 一 !i 蓬 + _ 出皇) - 一 = 3 e 3 = 工= ) 卜 缓冲队列 图2 4 边缘节点结构 l ，一 当口数据包进入边缘节点，首先根据它们的服务类别( t o s ) 和目的地址分类并 交换存放到不同的队列中，会聚成突发分组，然后利用高速的d w d m 光突发发射机， 在动态分配的波长上传输。在数据分组发送前，边缘节点的控制系统生成相应的控制 分组并将其发送出去。控制分组一般包含有数据分组的源地址信息、目的地址信息、 长度信息、业务类别信息及带宽分配信息等。 在接收端，光突发接收机接收来自网络的突发分组( 控制分组及数据分组) ，完 成o e 变换、时钟及数据恢复，然后经过反向拆卸发往接入侧不同的端口。 边缘节点具备1 个双向传送光端口，每个端口支持8 个波长，单波长速率为 1 2 5 g b p s 。同时，它提供的业务接入端口包括8 个f e ( 1 0 0 b a s e - t ) 口和4 个g e 口( 1 0 0 0 b a s e x ) ，并且每个业务端口都能支持多级q o s ，具有图像、语音和数据 的接入能力。 边缘节点逻辑结构图如下： e t h e r n e t + - 一”o b s , - ! 图2 - 5 边缘节点逻辑结构图 业务接入板实现与以太网的接口，交换网络实现g e 数据单元的2 层交换，二者 配合实现边缘节点的以太网业务接入。控制板则完成o b s 的主要功能，如对业务按 北京邮电大学硕士学位论文 照目的地址进行分类，分类后根据资源预留策略生成数据突发帧以及相应的控制突发 帧( 实现业务到o b s 的适配) ，再根据网络流量信息( 即核心节点处的拥塞信息) 和 信道信息( 即可用的光波长信道) 将其送到相应的光波长信道。当然，控制板本身还 要根据本地信息的刷新发送一些包含路由信息的控制突发帧，实现网络的控制通信。 光数据板接收突发帧，并与控制板配合实现数据帧和控制帧的定时( 控制帧与数据帧 之间的定时) 发送。反方向上，光数据板接收数据突发帧送到控制板，拆分后经过 m a c 交换和业务接口模块接入普通以太网。光控制板接收控制突发帧送到控制板， 由控制板分析处理后更新本地的路由信息和网络流量信息，从而完成网络节点间的控 制信息通信。 系统采用高速背板技术实现各个单板问的高速数据链路( 1 g b p s ) 。所有高速数据 链路都在各单板上经过总线驱动器驱动后在背板上进行单点连接，实现全双工通信。 外围的监测设备可以通过r j 4 5 以太网接口连接到系统的控制板，实现简单的网络管 理和系统维护。 边缘节点物理结构图如下： 圈2 - 6 边缘节点物理结构框图 其中光收发板一、二、三为数据信道光收发板，光收发板四为控制信道光收发板。 数据信道光收发板应为两条数据帧收发信道，包括相应的数据处理部分，如图 2 7 所示。 北京邮电大学硕士学位论文 图2 7 数据信道 控制信道光板为一条数据帧收发信道及一条控制帧收发信道，包括相应的数据处 理部分，如图2 8 所示。 图2 - 8 控制信道 北京邮电大学硕士学位论文 第三章光收发板数据信道的f p g a 设计 3 1 光收发板总体设计 图3 - 1 光收发板总体构架+ 光收发板主要完成( 数据控制) 突发帧的线速发射和接收。由上图可以清楚的 看到处理器单元的的核心地位。 处理器单元在光收发板中主要实现的功能是： a 发射方向上，数据信道的处理器单元首先要将来自控制板的突发帧缓 存，然后按照它们的定时信息( 时间戳) 进行选择要发送的突发帧，然 后将其送到光模块按时发射； b 接收方向上，数据信道的处理器单元先对来自光模块的突发帧进行缓 存，同时向控制板发出信道申请信号，等申请被批准后，将缓存突发帧 送至控制板。 北京邮电大学硕士学位论文 3 2 数据信道发射方向的f p g a 设计 3 2 1 总体概况 图3 - 2 发射方向的硬件结构 发射方向的硬件结构如上图所示。 在试验系统中，我们选用a l t e r a 公司的c y l o n ee p l c l 2 f 3 2 4 c 8 f p g a 作为处理 器单元。这款f p g a 的r a m 可达2 3 9 6 1 6 b i t s ，速率等级为7 ，支持的最高速率可达 6 4 0 m b p s 的i o 口。我们选用现代公司的h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0s d r a m 作为外部缓存，其 单颗粒容量达1 6 mb y t e s ，最高速率达1 3 3 m h z 。 这里，f p g a 主要完成的是对收到突发帧的定时发送功能，其程序功能结构图如 下所示： 北京邮电大学硕士学位论文 来至控 3 2 2 具体实现 3 2 2 1 功能流程 射 图3 - 3 定时发送功能结构 t 面我i t 来看看数据信道发射方向的：f p g a 设计是如何实现。首先我们了解一下 整个发射模块的功能流程，如图3 4 所示。 北京邮电大学硕士学位论文 n o 来至 控制 板的 突发 帧 提取突发帧的帧头 信息，同时提取其 时间戳 将突发帧存入f p g a 内部缓存，进行串 并转换 将突发帧从f p g a 内 部缓存送至外部 s d r a m 存储 3 2 2 2 突发帧结构 将时间戳所对应的 突发帧进行排队算 法处理 是否有突发 被发送 、 y al 将突发帧从 外部s d r a m 提取出来， 送至f p g a 内 部缓存，并 进行并串转 换 图3 - 4 发射模块的功能流程 n o 从图3 - 4 可以看到，整个f p g a 的流程有两条主线，一条是如何将突发帧存入 s d r a m ，另一条线是如何根据偏置时间从s d r a m 里读出突发帧，将其送到光信道 进行发射。下面我们先看看写入s d r a m 的这个过程。 从光收发板f p g a 功能的角度来讲，突发帧的结构相对其他板来说，更为简洁， 其结构如下图3 ，5 所示，其中标注的参数都是我们所关注的。 帧 一 7 c 一 一 德丌v 一 北京邮电大学硕士学位论文 黼腓黼吣量鬻销 n 十脚 l i b y “抽尊2 呐3 b “) c ) 帅铀岬薯 矗据堰 1 2 b y hi 卜一控制m a c 一， 蜀 图3 - 5 突发帧结构= c 二一l 组一一一一一一卜l 由上图我们可以看到，控制m a c 是突发帧里的第一个m a c 。其中同步带( s y n c ) 用于为节点提取时钟，它的形式为前7 字节是二进制码1 0 1 0 1 0 1 0 ，而在第8 字节是 l o l o l o l l 作为突发帧开始的标志在o b s 网络数据帧中借鉴采用以太网的8 1 0 的编 码方案。这时候需要同步带。紧接着的3 b y t e s 表示数据m a c 组的长度，以b y t e s 为 一计量单位，偏置时间表示此突发帧对应的时间戳，单位是l o n s ，m a c 数量表示此突 发帧中心组中有多少个m a c 。其中控制m a c 和第一个数据m a c 之间的k 2 8 5 ( x b c ”) 的数量不定，最小为1 2 ，而数据m a c 域里m a c 与m a c 之间的间隙是 固定长的，即1 2 个k 2 8 5 。 所谓的帧头信息和时间戳都是在控制m a c 中提取出来并计算得到的，包括此突 发帧的偏置时间、在s d r a m 中存储的页数、在s d r a m 中存储的起始地址、突发帧 在内部缓存结束的位置。其中偏置时间不难理解，这对于定时发送功能有着至关重要 的影响，而其他三项参数都是和突发帧在外部s d 涨存储相关的。下面我们有必要 再了解一下s d r a m 相关的一些特点。 3 2 2 3 s d r a m 和s d r a m 控制器 3 2 2 3 1s d r a m 介绍 s d r j m v ( s y n c h r o n o u sd r a m ) 是一种在外部同步时钟控制下完成数据读入和写 出的d r a m 。它像一般的d r a m 一样需要周期性的刷新操作，访问前必须先给出行 地址再给出列地址。然而s d r a m 的输入信号都用系统时钟的上升沿锁存，使器件可 以与系统时钟完全同步操作。它内嵌了一个同步控制逻辑电路以支持突发方式进行的 连续读写，能够达到比传统异步d r _ a m 快数倍的存取速度。而且只要给出首地址就 可以对一个存储块访问，不需要系统产生和维持个别地址。另外，它具有的可编程同 步时序模式和突发长度使具体使用十分灵活。但是其工作时有着严格的状态机管理和 刷新操作。 这次我们选用的s d ra m 是现代公司的h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 h c t - h ，其特点如下： 1 容量为1 6 m ( 一共2 片工作，完全满足突发帧的缓存需要) ： 北京邮电大学硕士学位论文 2 工作频率最高可达1 3 3 m h z ( 设计中外部提供工作时钟为1 2 5 m h z ) ； 3 其数据位宽度为1 6 ，复用地址位宽度为1 2 ，行锁定周期时1 2 位都是行地址， 列锁定周期时低9 位是列地址，其中第1 0 位还有自动预充电的功能； 4 每一行，即是一页，容量为5 1 2 个单位，一个单位是1 字节； 5 支持随即读写和突发读写( 设计中采用突发读写方式) ； 6 突发长度( b l ) - s d r a m 每次读写操作的数据量可以设定( 也即支持突发式 读写) ，可以是1 、2 、4 、8 个字节，或整页读写( 一次读写一行数据) ，这样每次可以处理 一批数据，从而提高了读写速度( 设计中采用整页的读写操作) ； 7 不能进行同时读写，数据进出采用同一组数据线，每次读写之前都要进行预 充电和激活所在行列； 8 具有自动刷新和手动刷新功能( 设计采用自动刷新，6 4 m s 内刷新4 0 9 6 次) ， 以防止数据丢失； 3 2 2 3 2 工作原理 + 。s d r a m 控制器的作用是屏蔽掉s d r a m 严格的状态机管理和刷新操作，以提供 一个快速、简单且使用灵活的连续存储区接口。因此，它必须能完成s d r a m 的初始 化、自动定时刷新，存储单元地址管理等。根据不同的应用场合，对其性能有不同的 要求，一般都需要支持固定或随机长度的整片突发读写操作( 这也是s d r a m 的优势 所在) 。评价s d r a m 控制器的主要指标是工作时钟上限频率和读写响应时间。我们 这次设计实现的s d r a m 控制器，其工作时能达到1 2 5 m h z 以上的工作频率，能够充 分利用s d r a m 芯片的带宽。而读写响应时间主要受地址、数据锁存和激活s d r a m 的b a n k 所需等待时间决定，优化的设计可以使读写响应时间控制在几个时钟周期 内。 3 2 2 3 3 控制器结构 下图是f p g a 内部s d r a m 控制器和外部s d r a m 的连接图。 北京邮电大学硕士学位论文 图3 _ 6s d r 狮接口 由于在实际应用中，我们将两片s d r a m 并联成一片使用，由于对二者的操作一 样，所以可将其看着一片数据位宽为3 2 的s d r a m 。在接1 2 1 信号中除了d 3 1 o 】是 s d r a m1 和s d r a m2 各分配一半外，其余各个接口信号都是同时分配给两个 s d r a m 。 其相关接口定义如下 信号名称意义方向备注 d 3 1 ：o 】 连接s d r a m 数据线i n o t i t a t 1 ：o 】 连接s d r a m 地址线 o u t p u t 行锁定周期时1 2 位都是行地 址，列锁定周期时低9 何是列 地址，其中第1 0 位还有自动预 充电的功能： 对应f p g a 内部与s d r a m 接 口处限i t ea r e a da 的低 十二位 d q m 1 ：o 】 输出数据屏蔽信号 o u t p u t 控制器内部固定为2 b o o b a i l 。0 】o u t p u tb a n 姚i a l ：，对应f p g a f q 部与 s d r a m 接口处 北京邮电大学硕士学位论文 w r i t e ：a ，r e a d a 的高两位 r a sn 行激活 o u t p u t 低有效 c a sn列激活 o u t p u t 低有效 w en 写使能 o u t p u t 低有效 c k e s d r a m i j 寸钟使能 o u t p u t 控制器内部固定为1 b l c sns d r a m 片选信号 o u t p u t 控制器内部固定为1 b 0 d a t a _ i n 31 0 】 来之输入方向内部缓存的数 i n p u t 据 d a t a _ o u t 31 0 】 从s d r a m 里读出，送往输出 o u t p u t 方向内部缓存的数据 w r i t e _ a 1 3 0 】 突发帧写入s d r a m 时对应的 i n p u t s d r a m 起始地址 1 9 表3 一ls d r a m 接口定义 北京邮电大学硕士学位论文 3 2 2 3 4 控制命令 s d r a m 状态机的运行，真值表如下： 的组合构成s d r a m 的控制命令，用以控制 a 1 0 ， c o m m a n dc k e n 1c k e nc sr a sc a sw ed q m d d r8 an o r e a p m o d er e g i s t e rs e thxllllx0 pc o d e hxx n oo p e r a t i o nhxxx lhhh b a n ka c t i v ehxllhhxr av r e a dl h x lhlhx c a v r e a d 硼l hk u t o p r e c h a r g eh w m el hxl hl l xc av w r i t ew i t ha u t o p r e c h a r g e h p r e c h a r g ea l lb a n k s hx hxl i hl x x p r e c h a r g es e l e c * , e db a n k l v b u r s ts t o phxl h hlxx d q mh x 。v a u t or e f r e s hhh l llhxx b u r s t r e a d - s i n g b hxlt llx a 9 p i n 哟h m r s w r l t e ( o t h e rp i n so pc o d e ) 材o d e e n t r y h ll llhx s e l fr e f r e s h i hxxxx e x i tlhx l hhh h x xx n 埘 hl p r e c h a r g e l hhh p o w e rd o w n hxxx e x i tlh lhhh c i o c k e n 竹 hxxx h量x s u s p e n d lvvvx e x i tlhxx n o t e ： 表3 - 2 控制命令真值表 1 e x i t i n gs e l fr e f r e s h o c c i r sb ya s y n c h r o n o u s l yb r i n g i n gc k ef r o m l o wt oh i g h ： 2 x = d o n tc a r e ，h = l o g i ch i g h ，l = l o g i cl o w b a = b a n ka d d r e s s ，r a = r o w a d d r e s s ，c a = c o l u m na d d r e s s ，o p c o d e = o p e r a n dc o d e ，n o p = n oo p e r a t i o n ； 3 t h eb u r s tr e a ds i n g ew r i t em o d ei se n t e r e db yp r o g r a m m i n gt h ew r i t eb u r s tm o d eb i t ( a 9 ) i nt h em o d er e g i s t e rt ol o g i c1 2 0 北京邮电大学硕士学位论文 3 2 2 3 5 上电时序 s d r a m 在上电后，控制器必须对其完成一定的初始化工作，s d r a m 才能进入 i d l e 状态并正确工作，需按如下操作： 1 、d q m 和c k e 设为有效( 防止误操作) ； 2 、等待2 0 0 u s 的时间以稳定内部电路： 3 、用p r e c h a r g e 命令对所有的b a n k 充电，并等待参数t i p 指定的时间( p r e t o a c t c o m m a n d p e r i d ，应用中为3 个时钟周期) ； 4 、执行两次a u t or e f r e s h 自动刷新操作( 每次a u t or e f r e r s h 命令后需 等待参数t r c 指定的时间( r e f t or e fc o m m a n d p e r i o d ， 9 个时钟周期) ；， 5 、设置工作模式寄存器并等待t r s c ( 3 个时钟周期) o 3 2 2 3 6 刷新操作 在参数刷新周期定义的时间内，s d r a m 必须对内部所有的地址单元完成一次刷 新操作。上电后，s d r a m 内部自动产生刷新地址和b a n k 选择计数器。在收到 a u t o r e f r e s h 命令后，s d r a m 完成一行( 包括各个b a n k ) 的刷新操作并将计数器 加1 。因此，在刷新周期内，必须执行s d r a m 的行数次刷新命令。在我们的应用中 刷新周期为6 4 m s ，刷新次数为4 0 9 6 。 3 2 2 3 7r e a d 、w r i t e 与r e a d a 、w r i t e a 在对s d r a m 的某一个b a n k 进行存取之前，必须先用将其激活并选通行地址。 r e a d 、w r i t e 与r e a d a 、w r i t e a 命令都是用于列地址选通并开始一次读写操作， 但它们之间的区别在于用r e a d 或w r i t e 完成一次读写操作后( 中间未被其他命令 打断) ，s d r a m 仍将回到i d l e 状态，而r e a d a 或w r i t e a 操作后s d r a m 将自 动转入p r e c h a r g e 状态并对该次存取的b a n k 进行充电。因为s d r a m 从 p r e c h a r g e 状态完成充电后自动回到i d l e 状态，所以在r e a d a 、w r i t e a 或用 p r e 命令对指定b a n k 充电后，下一次读写之前必须先再次激活该b a n k 。而在执 行p a i ，i 。a u t o - r e f r e s h 命令后，对任一b a n k 存取都需要先将其激活。 北京邮电大学硕士学位论文 3 2 2 3 8 控制器工作流程 控制命令在c l k 的上升沿锁存。根据s d r a m 当前状态的不同，c k e 信号与控 制命令的组合将使其发生相应的状态转移。简化的s d r a m 状态机如下图所示： 图3 - 7s d r a m 状态转移图 n o t e ： w r i t e a0 1 r - c a c 峪- _ = w d t eo rr e a d 、i 也a u t o p r e c h a r g e 2 2 北京邮电大学硕士学位论文 上图是简化过的s d 砒m v i 工作时的状态转移图，在我们的设计