（物理电子学专业论文）gponftth系统mac层fpga信号处理子系统的研制.pdf

摘要 随着互联网业务的快速发展，接入网带宽成为制约网络性能的主要瓶颈。在众多的接 入技术中，吉比特无源光网络( g p o n ) 系统的优越性能及其支持多种传输模式，成为构 成光接入系统、实现光纤到户( f t l h ) 的最佳技术支撑。构建g p o n f 1 v r h 系统，必须 根据g p o n 协议标准及分层结构，研制高速数据处理系统，实现光线路终端( o l t ) 、光 网络单元( o n u ) 的媒质接入控制( m a c ) 功能。本文主要研制基于现场可编程门阵列( f p g a ) 硬件模块，为进一步开展g p o n f t t h 系统m a c 层的研究提供工具。 论文在总结g p o n 网络技术发展的基础上，结合i t u tg 0 8 4 系列协议标准，介绍了 g p o n 系统网络结构、协议分层结构以及g p o n 传输汇聚层( g t c ) 协议栈模型，探讨了 g t c 层主要功能和工作原理。接着，选定x i l i n x 公司推出的v i r t e x - 4 系列f p g a 作为构成 高速数据处理系统的内核，深入了解了x c 4 v l x l 0 0 一f f l l 4 8 的结构及其内部资源，研究了 该芯片设计开发的具体流程。然后，分析并设计了以x c 4 v l x l 0 0 f f l l 4 8 为核心的电源、 配置、外设接口，以及存储模块，给出了f p g a 通用开发板原理图，完成了六层p c b 板布 局布线。最后，对该开发板分模块进行了调试与验证，已成功实现了电源、j t a g 链路、 f l a s h 存储器、串口、v g a 接口等功能模块，并通过调试工具将验证结果显示在p c 机 上。通用f p g a 开发板已能够正常运行，供研究g p o n f 1 t h 系统m a c 层使用。由于采 用世界上最先进的高性能f p o a 器件，开发板具有高可靠、低功耗、通用性强等优点。 关键词：光纤到户( f n h ) ，吉比特无源光网络( g p o n ) ，媒质接入控制( m a c ) ，传输 汇聚层( t c ) ，现场可编程门阵列( f p g a ) ，高速信号处理 a b s t r a c t w i i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fi n t e m e ts e r v i c e s t h eb a n d w i d t ho fa c c e s sn e t w o r kh a s b e c o m et h em a i nb o t t l e n e c kt or e s t r i c tt h en e t w o r kc a p a b i l i t y a m o n gal o to fa c c e s st e c h n i q u e s ， g i g a b i tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( g p o n ) h a sb e e nt h em o s ti m p o r t a n ts u p p o r tt oo p t i c a la c c e s s s y s t e m sa n df i b e rt o t h eh o m e ( f t t h ) o w i n gt oi t se x c e l l e n t p e r f o r m a n c e s b u i l d i n ga g p o n - f t t hs y s t e mm u s td e v e l o ph i g hs p e e dd a t ap r o c e s s i n gs y s t e ma n da c h i e v et h em e d i a a c c e s sc o n t r o l ( m a c ) f u n c t i o no ft h eo p t i c a ll i n et e r m i n a t i o n ( o l t ) a n dt h eo p t i c a ln e t w o r k u n i t ( o n t ob a s e do nt h ep r o t o c o ls t a n d a r da n dh i b e r a r c h y i nt h i st h e s i s ，t h eg e n e r a lh a r d w a r e m o d u l eb a s e do i lf i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) i sd e v e l o p e ds oa st op r o c e s sh i i g h s p e e ds i g n a li nt h em e d i aa c c e s sc o n t r o ll a y e ro fg p o n f t t hs y s t e mb yt h eb o a r d f i r s t l y , o nab a s i so fs u m m a r i z i n gt h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r kw i t hi t u tg 9 8 4s e r i e s p r o t o c o ls t a n d a r d ，w ei n t r o d u c et h en e t w o r ks t r u c t u r e ，l a y e r e dm o d e lo fg p o ns y s t e ma n dt h e t cl a y e r b a s e do na b o v e ，t h ef u n c t i o na n dp r i n c i p l eo ft h eg t cl a y e ra r ed i s c u s s e d s e c o n d l y , t h ex i l i n xv i r t e x - 4s e r i e sf p g ai sc h o s ea st h ec o r eo ft h eh i g hs p e e dd a t ap r o c e s s i n gs y s t e m a n dt h e nt h es t r u c t u r e ，r e s o u r c ea n dd e s i g nf l o wo f x c 4 v l x l 0 0 - f f i1 4 8a r eg i v e n t h i r d l y , t h e s c h e m a t i cc i r c u i td i a g r a mf o rx c 4 v l x1 0 0b a s e dh i g hs p e e ds i g n a lp r o c e s s i n gi nm a co f g p o n ，i n c l u d i n gt h ep o w e r , c o n f i g u r a t i o n ，i n t e r f a c e ，s t o r a g ep a r t sa n ds oo n ，a r eg i v e na n d a n a l y z e d t h ep c bb o a r dw i t hs i xl a y e r si sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d f i n a l l y , t h em a i n f u n c t i o n a lm o d u l e si nt h eb o a r dh a v eb e e nd e b u g g e d i ts h o w st h a tt h ep o w e r , j t a gc h a i n ， f l a s hm e m o r y , s e r i a lp o r ta n dv g ai n t e r f a c ei nt h eb o a r dw o r kw e l l t h eb o a r di sh i g h e r r e l i a b l e ，l o w e rp o w e rd i s s i p a t i o na n du n i v e r s a lw i t ht h ea d v a n c e dh i 曲p e r f o r m a n c ef p g a d e v i c e k e y w o r d ：f i b e rt ot h eh o m e ( f t t h ) ，g i g a b i tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( g p o n ) ，m e d i aa c c e s s c o n t r o l ( m a c ) ，t r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c el a y e r ( t c ) ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) ， h i g hs p e e ds i g n a lp r o c e s s i n g u 专业名词中、英文简写对照 a l l o c 1 d ：a l l o c a t i o ni d e n t i f i e r a n ： a n l ： c 毛b ： a c c e s sn o d e 分配l d 接入节点 a c c e s sn o d ei n t e r f a c e 接入节点接口 c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k c m p l a n e ： c o n t r o la n dm a n a g ep l a n e d b a ： d c m ： e d l a ： s 爻： f p g a ： f ，m ： f t t c ： f ，删： g 轰莲： g m i h g p 轰矗： g p o n ： g r m ： g i c ： i p c o r e ： 醚a c ： n t ： o a m ： o a n ： 哥配置逻辑块 控制管理面 d y n a m i cb a n d w i d t ha s s i g n m e n t 动态带宽分配 d i g i t a lc l o c km a n a g e r e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n e q u i v a l e n ts e r i e sr e s i s t a n c e 数字时钟管理 电子设计自动化系统 等效串联电阻 f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 现场可编程门阵列 f i b r et ot h eb u i l d i n g f i b r et ot h ec u r b f i b r et ot h eh o m e g - p o ne n c a p s u l a t i o nm e t h o d 光纤割大楼 光纤到路边 光纤到户 g p o n 成帧方法 g i g a b i tm e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e千兆以太网媒质无关接口 g p o np h y s i c a lm e d i a ( d e p e n d e n t ) g p o n 物理媒质裰关 g i g a b i tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k吉比特无源光网络 g e n e r a lr o u t i n gm a t r i x i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yc o r e m e d i aa c c e s sc o n t r o l n e t w o r kt e r m i n a t i o n 通用布线矩阵 g p o n 传输汇聚层 知识产权核 媒体接入控镄 网络终端 o p e r a t i o n s ，a d m i n i s t r a t i o na n dm a i n t e n a n c e操作、管理、维护 o p t i c a la c c e s sn e t w o r k光接入躜 v i l o d n ： o l t ： o n t ： o n u ： p d u ： p m c d ： o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k o p t i c a ll i n et e r m i n a t i o n o p t i c a ln e t w o r kt e r m i n a t i o n 光分布网 光线路终端 光网络终端 o p t i c a ln e t w o r ku n i t光网络单元 p r o t o c o ld a t au n i t p h a s em a t c h e dc l o c kd i v i d e r p l o a m p h y s i c a ll a y e ro a m q o s ： q u a l i t yo fs e r v i c e 协议数据单元 相位匹配时钟分频器 物理层o a m 服务质量 r g m i i ：r e d u c e dg i g a b i tm e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e 简化千兆以太网媒质无关接口 r i s c ： m i ： s d u ： s g m i i ： v i i i r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r 精简指令集计算机 r e d u c e dt e n b i ti n t e r f a c e s e r v i c ed a t au n i t s e r i a lg m i i 简化的十比特接口 服务数据单元 串行千兆以太网媒质无关接口 s e r v i c en o d ei n t e r f a c e 服务节点接口 t e s ta c c e s sp o r t t e n b i ti n t e r f a c e t r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c e 测试接入口 十比特接口 传输汇聚 t e r m i n a le q u i p m e n t终端设备 u s e rn e t w o r ki n t e r f a c e用户网络接口 k p k ： ： m 汛 m m 亿 m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：挞丝导师签名：造：兰日期： 一中 第1 章绪论 第1 章绪论 随着亘联网技术的迅速发展，网络用户越来越多，传输业务量不断增大，迫切需要主 子网实现大容量、藏速率信息的传输，光纤传输系统高带宽、低价格的特点使其成为众多 通信系统主干网的酋选。随着光纤传输系统的不断发展，传输距离和容颦都得到大幅度的 提高，网络带宽的瓶颈已经转移到接入网这一侧。在众多的接入技术中，g p o n 系统既可 以传输a t m 信元，也可以传输基于分缀盼信元流( g e m 模式) ，著且出于g p o n 可以提 供更高数据传输效率和更好的服务质量( q o s ) 支持等性能而获得了运营商和设备制造商 酶青骧，成为一种缀有前景的接入技术瑟, 2 , 3 a 弱。 g p o n ( 吉比特无源光网络) 是由f s a n ( 全业务接入网络) 联盟最先提出并由i t u t 修订透过的无源光隧络接入睡标准。l r j t 予2 0 0 3 年3 秀颁布播述g p o n 总体特性的 q 9 8 4 1 规范6 1 和描述g p o n 物理媒质相关( p m d ) 子层的g 9 8 4 2 规范【7 l 于2 0 0 4 年2 月和6 月发布描述传输汇聚( k ) 层的q 9 8 4 。3 规范l s l 班及攒述管理控截接口的g 9 8 4 a 规 范f 9 l 。 1 。 g p o n 系统简介 1 1 1g p o n 的网络模型 g p o n 系统彩层次化结构，按从用户端到中心局的顺序，依次为家庭网络，光网络终 端光网络单元( o n l 阳豫，) ，光分配网络( o 饼) ，光线路终端( o 】j ) 。其中o n u 处 于用户端，向用户提供服务。o l t 位于电信机房，接入主干网。信号在传输过程中分为上、 下行鼹个方向，霹以通过双纾或单纤( 黎j 滔w d m 技术) 来实现双离橹输。 g p o n 可以向用户提供的业务有：数据业务( e t h e m e t ) 、p s i n 业务( p o t s 、i s 瑚、i ) 、 专线接入鼗务( 弧、e l 、d s 3 、e 3 、烟瞳瞻) 窝视频流韭务( v o d ) 等。 o n u 和用户之间的接口称为u n i ( 用户网络接口) 。o p o n 根据不周的业务，可以提 供不阕的u n i 。例如提供e t h c m e t 翌务孵，可以采用1 0 1 0 0 b a s e - t 的u n i ；提供数字专 线业务时，可以采用e l 或者t l 的u n i 。 o l t 和骨干瓣之闯的接露称为s n i ( 服务绪点接口) 。g p o n 根据不目的监务，可以有 不同的s n i 接入到不同的骨干网络。例如，提供e t h e m e t 业务时采用l o o b a s e x 的s n i 接入到于甍以太网；提供数字专线业务嚣l 时，可以采蔫s t m 。l 夔s n i 接入到s d h 网络。 o d n 则用于连接o n u 和o l t ，主臻由光分路器等无源光器件组成。以现有的技术， l ：雒的分路率是瑗实霹行夔，毽考瘩了光模数的提升，t c 层要将其提高到l ：1 2 8 静分 东南大学硕卜学位论文 路率。 g p o n 的网络模型如图1 1 所示。 t e ，一、 爹mala耵gementsystemj( 斛卜| 【 、 岛，嗣 t e | 。 o i 玎 、弋 o 0 娃 t e | - l 卜 扩 一j圈八 联卜i 孵 豫 。 鼢 j 、 j it e w j 邑 咐 u n ix is l m n t e r l ! ! f a cint登e,ljj - f a c e 抽棚 ：g 奠 一o n t 管理和控制接口 图1 1g p o n 的网络模型 o l t 到o n u 的方向为下行方向，反之为上行方向。o l t 包括p o n 核心块、交叉连接 块和服务块，为o d n 提供光网络接口并连接一个或多个o d n ，实现o d n 接口、p o n 传 输汇聚( t c ) 、交叉连接、服务适配功能；o d n 为o l t 和o n u 提供传输，完成光信号功 率的分配工作；o n u 为o a n 提供用户侧接口并与o d n 相连，包括p o n 核心块及服务块， 实现o d n 接口、p o n 传输汇聚及服务适配功制1 们。 1 ) o l t 功能模块 o l t 通过标准接口与交换网相连，在分布网一侧，它按照g p o n 的标准来提供光纤接 入，如比特率、功率预算、抖动延时等。o l t 由3 个主要部分组成：业务端接口功能、交叉 连接功能和o d n 接口功能。如图1 2 。 a ) p o n 核心层 包括o d n 接口功能和p o n 的t c 功能。p o n 的t c 功能包括成帧、媒介接入控制 m a c 、o a m 、动态数据分配d b a 、交叉连接功能的协议数据单元( p d u ) 、o n u 管理。 每一个p o nt c 选择任一种模式( a t m 、g e m 、或两者兼有) 。 b ) 交叉连接层 在p o n 的t c 层和服务层间提供通信路线，o l t 通过所选择的模式提供交叉连接功能。 c ) 服务层 2 第1 章绪论 该层提供服务接口和t c 接口的转化。 2 ) o n u 功能模块 图1 - 2o l t 功能模块图 o n u 和o l t 功能块相似，因为o n u 仅有一个p o n 工作( 最多再用一个以保护用途) ， 所以交叉连接功能可以省去。但为了代替这个功能，规定了业务复用( m u x ) 和解复用 ( d x ) 功能来处理数据传输。如图1 3 。每一个p o nt c 选择任一种模式( a 1 m 、g e m 、 或两者兼有) 。 3 ) o d n 功能模块 图1 - 3o n u 功能模块图 o d n 用无源光器件提供一个或多个o n u 与o l t 物理连接。图1 4 给出了一个o d n 的通用物理配置。 3 东南大学硕十学位论文 o n u h 一 o r d ，o h ： o d n o l t r s o n u , 卜 图1 - 4o d n 通用物理配置 o d n 利用各种无源元件( 光纤、光分路器、波分复用器和光连接器等) 在一个o l t 和一个或多个o n u 之间提供一条或多条光通道。每个光通道在特定波长窗口内被定义在 参考点s 和r 之间。o d n 重组时需要额外的连接器或其它无源光器件，它们应位于s 和r 之间，关于光损耗的计算应考虑这些器件的损耗。 o d n 的光特性应能提供现在可预见的任何业务，而不需对o d n 进行任何改动。这一 要求对组成o d n 的无源光器件的特性有影响。以下是一些对o d n 的特性有直接影响的基 本要求： 1 ) 光波长透明性：光分路器等器件应没有任何波长选择的功能，能够支持在1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 h m 区域内任何波长信号的传输； 2 ) 可逆性：输出口和输入口的倒置不应引起器件光损耗的大幅度变化； 3 ) 光纤的兼容性：光器件应与单模光纤g 6 5 2 兼容。 1 1 2g p o n 系统的主要特性 1 ) 具有通用的映射格式，包括话音( t d m 、p d h 和s o n e t s d h ) 、e t h e r n e t ( 1 0 1 0 0 b a s e t ) 、a t m 、专线等，对各种业务均有很高的传输效率。 2 )物理覆盖范围至少1 0 k m ，协议内逻辑支持范围6 0 k m 。 3 ) g p o n 技术支持的速率配置有1 2 g b i t s 下行，1 5 5 m b i t s 、6 2 2 m b i t s 、1 2 g b i t s 上行；2 4 g b i t s 下行，1 5 5 m b i t s 、6 2 2 m b i t s 、1 2 g b i t s 、2 4 g b i t s 上行共七种方 式。 4 )物理层最大分支为6 4 ，t c 层( t r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c e ) 最大分支为1 2 8 。 5 ) 下行波长范围：1 4 8 0 1 5 0 0 n m ；上行波长范围：1 2 6 0 - - 一1 3 6 0 n m 。 4 第1 章绪论 6 )针对p o n 下行流量是以广播传送之特点，提供协定层的安全保护机制，采用通用 成帧程序( g f p ) 将各种业务流( 包括t d m 和分组) 封装在长度为1 2 5 t s 的帧 中，高效无开销地传输原始t d m 业务流。 1 1 3g p o n 网络结构 按照o n u 在光接入网中所处的具体位置不同，可以将o a n 划分为不同的接入方式， 其中最典型的方式是三种：f ”r c 、f 1 盯b 、f 1 r r h ，如图1 5 。 对于条件成熟的地方，可以直接采用f t l h 的方式实现光纤直接到桌面；对于企业用 户，可以通过f t t b c 方式实现光纤到大楼，然后采用以太网及程控交换机等方式实现多 业务的接入；对于条件不太成熟的小区，还可以通过f t t c 实现光纤到小区。 f t t b c 和f t t c a b 的区别主要在于其实现方式不样，其本质是相同的，即o n u 都 不处于用户家中。当o n u 不处于用户家中时，我们可以用金属线完成最终用户的连接， 这就是数字用户线技术( d s l ) 。但g 9 8 4 3 主要是针对f t t h 的，并没有进行有关x d s l 的规范。 f t t h 0 n u 【 光纤 f t t b c 眦k铜缆 0 l t 用户驻地 u n i 接入网 图1 5 光接入网应用类型 1 i 4g p o n 网络的分层结构 s n i 与其他现代网络一样，g p o n 网络也是分层的，1 2 9 8 4 2 建议指出其分层结构参考 c t 9 8 3 1 和c t 9 8 3 3 建议。通过分析，可将g p o n 分为物理媒介相关层、t c 层、o m c i 通 道层和高层。表1 1 给出了g p o n 分层结构功能的示例f 1 1 l 。 5 东南大学硕士学位论文 表1 1g p o n 网络的分层结构 高层实现各种用户服务 o m c i 通道层管理高层 o m c l 适配子层：识别v p i v c i 和 适 p o m l d ，提供该通道数据和高层实体的交换 配 a t m 适配子层：g f p 适配子层： 子 a t ms d u 与p d u 的g f ps d u 与p d u 的 层 传输汇聚 转换转换 传输媒介层( 注：传输 层( t c 层)测距 媒介层应提供相关的 成 上行时隙分配 o a m 功能) 帧 带宽分配 子 保密和安全 层 保护倒换 e o 适配 物理媒介相关层 波分复用 ( p m d 层) 光纤连接 表中g p o n 传输汇聚( g 1 ) 层包括成帧子层和适配子层，由a t m 部分、g e m 部分， 嵌入式o a m 和p l o a m 组成。只有嵌入式o a m 在这层终止，因为嵌入式o a m 的信息 直接嵌入到g t c 帧帧头中。p l o a m 模块作为这个子层的客户端，p l o a m 信息在这个模 块中处理。在a t m 和g e m 各自的适配子层中，s d u ( s e r v i c ed a mu n i t ，服务数据单元) 从各自p d u ( p m t o c o ld a mu n i t ，协议数据单元) 中提取或加入。如果这些p d u 中含有 o m c i 通道的信息，这些数据在这个子层中组织，然后与o m c i 实体进行交互。 1 2g p o n 系统的传输汇聚层 g 9 8 4 3 为g p o n 定义了一个全新的传输汇聚层g t c ( g p o n 传输汇聚层) ，该子层可 以作为通用的传输平台来承载各种客户信号。g p o n 的技术特征主要体现在传输汇聚层， 很多g p o n 的关键技术都是在传输汇聚层实现的，例如上行信道复用、测距和时延补偿、 突发同步和信息加密等。这些方面属于p o n 的基本技术范畴，是各种p o n 技术都需要解 决的问题。尽管g p o n 在这些p o n 的基本问题上也有其特点，但其传输汇聚层最大的特 色是采用了全新的传输汇聚层协议g e m l l 引。 6 第l 章绪论 影黟臻黟搿彬锄雅缈黝獭嬲黟孵嬲嬲缈释孵鬻? 嬲黝黟嬲彬嬲黝缨黝缪缨物嬲缪嬲嘲 謦鼋p l 删匿翻删客户端圈。恻目删客户端| | |：雾 秽掰甥移搿矽蟹警磋瑚群镯 g p o n 传输汇聚属 l 7 一 搿犯一鼍一 抽象簇$ 蕊徽谲氟g 幺g 。鑫醯氆熬叁驻荔自满箍益龇蠡筑渤目致盛巍舀巍蒜芸辘毖钕施盛苏城越蒯数如盛僦叠越罐& 巍。期 缓。磊瘟躺玩彩施箍磊蠡磊巍赫蠡妊磊 0 m c i 适配层 t c 适配子层 a t mt c 适配 g e mt c 适配 动态带宽分 层层i配控制 g t c 成帧子层 獬? 冽黝燃瓣黝燃嬲懒燃黝嫩+ 篱 蕤刎勉茏女l 施五施施施j 磁燃二蠡五磊自箍缀蠡貔施；磁磊酝；瀚燃磊纽l 蹴出缢i 蕊箍鼢蹴自溆蕊施施女；蕊瀚赫巍霭 g p o n 物理媒质相关层( g p m d ) 斓 图1 与t c 层协议堆栈 显示了g p o n 的t c 层协议堆栈，它由g t c 成帧子层和t c 适配子层构成。从另一角 度看，它由用来管理用户通信数据流、安全及o a m 特性的c m 面和用来承载用户通信量 的u 面构成。在g t c 成帧子层，a t m 、g e m 、嵌入的o a m 和p l o a m 部分可通过g t c 帧中的位置而识别。因为嵌入的o a m 的信息是直接在g t c 的帧头，所以嵌入的o a m 只 是在此子层控制本层而结束。p l o a m 信息是作为本子层的一个客户在p l o a m 块中处理 的。在a t m 和g e m 部分的业务数据元( s d u ) 是分别在每一个适配子层转换到a t m 和 g e m 部分的常规的协议数据元( p d u ) 里，而且，这些p d u 元包含有可在此子层被识别 并与o m c i 实体相交换的o m c i 通道数据。嵌入的o a m 、p l o a m 和o m c i 被分类进了 c m 平面。除了在a t m 和g e m 部分的o m c i 的业务数据元，其它的都被归类进了u 平 面。g t c 成帧子层对所有传输的数据都是透明的。d b a 控制块被定义为公共功能块，这 个功能块对所有o n u 的d b a 报告负责1 3 , 1 4 , 1 5 1 。 g t c 成帧子层主要完成g t c 成帧和解帧处理。下行方向，g t c 帧由a t m 净荷、g e m 净荷、p l o a m 信息、一些管理控制信息以及动态带宽分配信息构成。成帧时按照一定格 式将它们组合在一起构成完整的g t c 帧，解帧时把它们从g t c 帧中提取出来分别送到各 自的处理单元或适配器。 物理媒质相关子层( p m d ) 是物理层中与m a c 层相连的子层，g p o n 系统的t c 层 起着m a c 层的作用。光信号的传输，经过光电转换为电信号，相应的m a c 层功能的实 7 东南人学硕仁学位论文 现，采用基于f p g a 的解决方案实现。 1 3f p g a 简介 自从现场可编程门阵列( f p g a ) 出现以来，特别是近十年来，f p g a 已成为可编程 逻辑器件的主导力量。它的密度高，通用性强，灵活易用并且可反复编程上百万次。对s o c 设计来说，f p g a 可用于高集成度，高可靠性的解决方案；对产品的开发来说选用f p g a 将 大大减少风险并降低成本和缩短开发周期。 蕊 翻了逛鳓毯团圆 础基弱兰葱工圆繇圃巍竺震 曼霾勰涎豳回 图1 7f p g a 简化结构图 f p g a 内部最主要的、设计过程中最需要关注的是c l b ( 可配置逻辑块) 、i o b 和b l o c k r a m 。f p g a 的各系列资源类型非常相似，其差别在于门数的多少和各部分资源比例的不 同，对于一般f p g a ，主要包括：基本逻辑资源、i o 资源、存储资源、时钟资源等，还有 些f p g a 集成了一些特殊资源，如：硬c p u 内核，d s p ，s o c k e ti o 掣1 6 1 。f p g a 的逻辑 阵列模块是基于查找表( l o o ku pt a b l e ) 结构的，如x i l i n x 的s p a r t a n ，v i r t e x 系列a l t e r a 的c y c l o n ，s t r a t i x 系列等。 f p g a 继承了a s i c 的大规模、高集成度、高可靠性的优点，又克服了普通a s i x 设计 周期长、投资大、灵活性差的缺点，逐步成为复杂数字电路设计的首选。现在的f p g a 具 有以下特点： 1 ) 随着v l s i ( 超大规模集成电路) 工艺的不断提高，单一芯片内部可以容纳上百万 个晶体管，f p g a 芯片的规模也越来越大，单片逻辑门数已达到百万，如x i l i n x v i r t e x i ip r ox c 2 v p l 2 5 已经达到1 2 5 0 万门以上的规模。 2 1f p g a 芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，而且f p g a 设计灵活，发现错误 时可直接更改设计，减少投片风险，节省许多潜在的花费，因此许多复杂系统使 用f p g a 完成。 3 )f p g a 可以反复地编程、配置，在不改变外围电路的情况下，设计不同片内逻辑 8 第1 章绪论 就能实现不同的电路功能。 4 )f p g a 开发工具智能化高，功能强大。应用各自工具可以完成从输入、综合、实 现到配鬣芯片等一系列功能。还有很多工具可以完成对设计的仿真、优化、约束、 在线调试等功能。这些工具易学易用，促使f p g a 快速推囱市场。 1 4v h d l 语言简介 v h d l 语言f 1 7 】是一种用于设计硬件电子系统的计算机语言，它用软件编程的方式来描 述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式。与传统的门级描述方式相比，它更适合大 规模的、特别复杂( 几吾万门级以上) 静系统级设计。v h d l 语言还具有虿读性强、易予 修改和发现错误等特点。可以说v h d l 是一种全方位的硬件描述语畜，包括系统行为级、 寄存嚣转移级纛逻辑级多个设计层次，露对支持结构、数据流、行为三种描述形式鳇混合 描述，因此v h d l 几乎覆盖了以往各种硬件描述语言的功能，整个自顶向下或自底向上的 电路设计过程都可以用v h d l 来完成。v h d l 还具有以下的特点： 与其它的硬件描述语言相比，v h d l 具有更强的行为描述能力。 v h d l 事富的仿真语句和疼添数，使得在设计的晕赣裁能查验设计系统的功麓可 行性，借助于相关仿真器随时可对设计进行仿真模拟。 对于用v h d l 完成的一个确定的设计，一般都可进行逻辑综合和优化，并自动地 把v h d l 描述设计转交成门级网表。 v h d l 语言支持电路描述由黼层向低层的综合转换，便于文档管理，且易于理解 耪设计的髯利矮。 v h d l 对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，来实现最终 的目标器件设计 1 5 本文的主要工作 本文主要对g p o n - f t t h 系统的m a c 层的实现进行了研究，通过对国际标准的研究， 分析了g p o n 系统的网络结构和协议分层结构、g t c 层协议栈模型，结合x i l i n x 公司的 v i r t e x - 4 系列f p g a ，设诗通用开发板以实现g p o n f 嗣琳系统酶m a c 层功畿。 本文的主要内容安排如下： 第一章，研究了g p o n 网络技术的发展现状，分析了c p o n 的优势所在；然后结合 l n j - t 的g t 9 8 4 系列协议标准，分析了g p o n 系统的网络结构和协议分层结构、g t c 层协 议栈模型。 第二章，介绍rg p o n 系统m a c 层的架构。 9 东南人学硕l ：学位论文 第三章，介绍了x i l i n x 公司推出的v i r t e x 一4 系列f p g a 的各部分资源的功能和特点， 及f p g a 设计流程。 第四章，分析并设计了以f p g a 为核心的电源模块、配置模块、外设接口模块，以及 存储模块。 第五章，对主要的功能模块进行调试验证工作，经验证通用f p g a 开发板能够正确运 行，部分外设接口与f l a s h 存储器也能止确运行，并通过串1 3 调试工具将验证结果显示 在p c 机上。 1 0 第2 章g p o n 的m a c 层架构 第2 章g p o n 的m a c 层架构 g 9 8 4 3 协议标准，规定了g p o n 系统t c 层的功能，包括同步、测距、动态带宽分配 【1 8 1 和安全等，这些功能将选择使用f p g a 设计实现。 1 2 节描述过c m 面与u 面在g t c 层的主要操作。在g t c 系统中，o l t 和o n u 不 一定需要两种模式，系统初始的时候就调用了一种模式，o n u 通过序列号信息报告它的基 本的支持模式是a t m 或g e m 模式。如果o l t 能够支持两种模式，它就建立o m c i 通道。 2 1c ，m 面与u 面 1 ) c m 面，控制管理面 g t c 系统的控制管理面( c m ) 由三部分构成：嵌入的o a m ，物理层o a m ( p l o a m ) ， o n u 管理控制接口( o m c i ) 。嵌入的o a m 和p l o a m 通道管理p m d 层和g t c 层的功 能，o m c i 提供更高的层的管理。 在g t c 帧头的区域格式( f i e l d f o r m a t t e d ) 信息里提供嵌入的o a m 通道。因为每个信 息块是直接嵌入g t c 帧头的特定区域里，所以这个通道提供一个底层路径以供紧急控制信 息所用。这个通道的使用功能包括：提供带宽、主要开关控制、以及动态带宽分配。 p l o a m 通道是由g t c 帧承载的一个消息格式( m e s s a g e f o r m a t t e d ) 系统。这个通道为 所有其它不通过嵌入的o a m 通道传送的p m d 和g t c 的管理信息而用的。此o a m 通道 的信息和i t u tr c c ( 2 9 8 3 1 相类似。 o m c i 通道是用来管理处于g t c 层之上的服务定义层，g t c 必须为通信量提供传输 接口，而这有两种：a t m 和g e m 。g t c 功能提供配置这些任意通道去适应仪器性能的方 法，包括规定传输协议流的标志符( v p i 厂v c lo rp o r t - i d ) 。 2 ) u 面 在u 面的通信流量靠它们的通信类型( 删或g e m 模式) ，端口标识符( p o r t i d ) ， 虚通道标识符( v p i ) 来识别。承载数据的上、下行部分的a l l o c i d 包含有通信量的类型。 1 2 位p o r t i d 可以用来识别g e m 通信流，v p i 用来识别a t m 通信流。并且，t 4 ：o n t 的 概念在i t utr e c ( 2 9 8 3 4 中有介绍。t - c o n t 是通信流的一整单元，可由a l l o c i d 识别。 通过时隙控制的可变数量，每一个t - c o n t 执行带宽分配和q o s 控制。需要注意的是a t m 和g e m 封装的通信量不能被映射进一个t - c o n t ，也不能用一样的a l l o t i d 。每个操作 类型如下： g t c 中的a t m ： 1 1 东南大学硕 学位论文 下行，a t m 分割承载的信元剑达所有的o n u ，o n u 成帧子层提取信元，并且基于信 元的v p i ，a t mt c 适配层过滤这些信元，只有适当的v p i 的信元可以获准通向a t m 客户 功能。 上行，a t m 通信量承载在一个或多个t - c o n t 里。每个t - c o n t 只与a t m 或只与 g e m 通信量有关，所以多路复用时是清楚的。o l t 根据a l l o t i d 识别接收与t - c o n t 相 关的传输数据，并把信元转送入a t mt c 适配层，然后再送与a t m 客户。 g t c 中的g e m ： 。 下行，g e m 分割承载的g e m 帧到达所有的o n u ，o n u 成帧子层提取g e m 帧，并 且基于1 2 位的p o r t - l d ，g e mt c 适配层过滤这些信元，只有适当的p o r t i d 的帧可以获准 通向g e m 客户功能。 上行，g e m 通信量承载在一个或多个t - c o n t 里。每个t - c o n t 只与a t m 或只与 g e m 通信量有关，所以多路复用时是清楚的。o l t 根据a l l o t i d 识别接收与t - c o n t 相 关的传输数据，并把帧转送入g e mt c 适配层，然后再送与g e m 客户。 2 2g t c 两个子层的功能 1 ) g t c 成帧子层 多路技术及反应用：通过帧头的提示信息，p l o a m 、a t m 以及g e m 各部分复用进 下行t