（计算机科学与技术专业论文）高性能dsp中utopia部件的设计与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 a t m ( a s y n c h r o n o u st i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术是一种快速的数据分组交换技 术，允许通信系统中的发送时钟和接收时钟可以异步方式工作，是一种基于信元的交换； 它传输速度快，可以提供高速的端口速率。如何设计和实现一个正确、高效同时又满足异 步数据传输是一个值得研究的问题。 本文基于高性能d s px ，设计实现了它的接口部件从u t o p i a ( u n i v e r s a lt e s t & o p e r a t i o n sp h yi n t e r f a c ef o ra t m ) 。首先描述了u t o p i a 部件的协议、接口层特性以及接 口多种配置形式。对u t o p i a 部件的体系结构进行了研究，划分功能模块以及分析接口内 部信号约定，并对接口内部模块进行设计。主要研究u t o p i a 部件的物理层与a t m 层如 何通过接口传输数据，并对u t o p i a 部件形式和时序进行了分析研究，设计发送、接收外 部接口。论文给出了物理层设备读写请求模块、a t m 层读写请求模块、内部控制模块、异 常处理模块等接口主要模块的详细没计。为使接口传输速率达到最佳，分析设计了f i f o 空间的大小，并阐述设备如何与f i f o 之间的数据通信。研究当前主要验证方法，针对 u t o p i a 部件数据传输的特点，对u t o p i a 部件数据传输的各种形式做了验证。最后，对 u t o p i a 部件进行了逻辑综合，使其在s m i c0 1 3u m 工艺下满足接口内部工作频率最快为 3 0 0 m h z ，外部工作频率最快达5 0 m h z 的要求。另外，不仅可以用于高性能d s px ，还可 以作为系统设计应用到异步传输网络中，或者作为独立的模块使用，所以本课题的设计成 果具有良好的应用前景。 主题词：a t m 技术，信元，u t o p i a ，f i f o ，d s p ，体系结构 第i 页 罔防科学技术大学研究生院硕十学位论文 a b s t r a c t a s y n c h r o n o u st i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g yi s as o r to fq u i c k l yd a t ag r o u p e x c h a n g et e c h n o l o g yw h i c ha l l o w st r a n s m i t c l o c ka n dr e c e i v ec l o c kw o r ki naw a yo f a s y n c h r o n o u si nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i ti sak i n do fe x c h a n g eb a s e do nc e l l ：i tt r a n s f e r sv e r y q u i c k l ya n dc a np r o v i d eh i g hs p e e dp o r t s oi ti sag o o dr e s e a r c hf i e l dt h a th o w t od e s i g na n d r e a l i z ea na c c u r a t e ，e f f i c i e n ta n df r e q u e n c ys a t i s f i e da s y n c h r o n o u sd a t at r a n s f e r t h et h e s i sd e s i g n sa n di m p l e m e n t st h ei n t e r f a c eu n i t s l a v eu t o p i a ( u n i v e r s a lt e s t & o p e r a t i o n sp h yi n t e r f a c ef o ra t m ) ，b a s i n go nh i g hp e r f o r m a n c ed s px f i r s to fa l l ，d e s c r i b e s t h eu t o p i ai n t e r f a c ep r o t o c 0 1 i n t e r f a c e1 a y e rf e s t u r e sa n dav a r i e t yo fc o n f i g u r ef o r m s i n t e r f a c e t h et h e s i sd os o m er e s e a r c ho na r c h i t e c t u r ea b o u th i g hp e r f o r m a n c ed s pp e r i p h e r a l e q u i p m e n ti n t e r f a c e ，l o g i cd e s i g n i ni n t e r n a l i n t e r f a c e ，p a r t i t i o n f u n c t i o nm o d u l ea n d c o m m u n i c a t i o np r o t o c o li ni n t e r i o ri n t e r f a c e i tm a i nr e s e a r c ho nc h a r a c t e ro np h y s i c sl a y e ra n d a t ml a y e ra n da n a l y s ei n t e r f a c ef o r i l l a sw e l la sd e s i g n st r a n s m i tr e c e i v ei n t e r f a c ea n dt o i n t e r f a c et i m es e q u e n c e t h et h e s i sd e t a i l e dd e s i g nr e a da n d 、柑t er e q u e s tm o d u l eo np h y s i c a l l a y e rd e v i c e ，r e a da n dw r i t er e q u e s tm o d u l eo na t ml a y e r ，i n t e r n a lc o n t r o lm o d u l e s ，e x c e p t i o n h a n d l i n gm o d u l e ，e t c i no r d e rt oa c h i e v et h eb e s ti n t e r f a c et r a n s f e rr a t e t h ea n a l y s i sa n dd e s i g n o ft h es i z eo ft h ef i f oa n dh o wt oc o m m u n i c a t ed a t ab e t w e e nt h ee q u i p m e n ta n dt h ef i f o w e d or e s e a r c ho nm a i nv e r i f i c a t i o nw a yn o w s d a y s ，a i ma td a t at r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i ci nu t o p i a i n t e r f a c e w em a k ev a r i o u sv e r i f i c a t i o nt ou t o p i ai n t e r f a c ed a t at r a n s f e r w ea l s oc o m p l e t et h e w o r ko fs y n t h e s i so ft h eu t o p i ai n t e r f a c e ，i nt h es m i c0 13 p m t e c h n o l o g y ，t h ed e s i g nm e e t s t h ef r e q u e n c yr e q u e s tw h i c hi s3 0 0m h zi nt h ei n t e r n a lo fi n t e r f a c ea n dt h ef a s tf r e q u e n c yc a l l r e a c ht o5 0m h zi nt h eo u t s i d eo fi n t e r f a c e m o r e o v e r , e x c e p ti n t e g r a t e di n t od s pc h i p t h e u t o p i ai n t e r f a c ec i r c u i tc a na l s ob ei n t e g r a t e di n t oo t h e rs y s t e m sa sa s y n c h r o n o u st r a n s m i t t i n g n e t w o r kc o n v e n i e n t l ya n df l e x i b l y o rb eu s e da st h ei n d e p e n d e n tm o d u l e s ot h er e s u l to ft h i s t h e s i sh a saf a v o r a b l ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d k e y w o r d s ：a t mt e c h o n o g l y , c e l l ，u t o p i a ，f i f o ，d s p , a r c h i t e c t u r e 第i i 页 国防科学技术大学研究牛院学何论文 表目录 表3 1u t o p i a 部件数据端口地址1 6 表5 1u t o p i a 部件发向c p u 的同步事件3 3 表5 2 中断使能寄存器各字段的意义3 4 表5 3 中断使能寄存器各字段的意义3 4 表5 4 标准信元数据小头对齐方式3 8 表5 5 标准信元数据大头对齐方式3 8 表5 6 字节选择填入方式4 0 表5 7 字节选择填入方式4 2 表5 8u t o p i a 配置寄存器及映射地址5 3 表5 9e i p r 寄存器各个位的意义：5 5 表5 1 0e i e r 寄存器各个位的意义5 6 第1 i i 页 国防科学技术大学研究乍院学位论文 图目录 图1 1 标准和非标准的u t o p i a8 位传输模式【lj 2 图2 1a t m 信元体长度决定1 5 j 5 图2 2 信元头及其各段功能l l0 1 6 图2 3 信元的错误检验7 图2 4 信元定界7 图2 5u t o p i a 部件各层功能8 图2 6q o s 类型【j 11 图2 7u t o p i a 基本参考模式和扩展模式1 1 2 j 1 2 图2 8a t m 和p h y 层之问的配置关系1 3 图3 1d s px 总体结构1 5 图3 2u t o p i a 部件框图1 6 图3 3u t o p i a 部件作为a t m 从设备的一种配置1 7 图3 4u t o p i a 部件内部框图18 图3 5u c r 寄存器各个位的组成2 0 图4 2 接收端口的轮询与选择2 4 图4 3e d m a 读u t o p i a 部件标准信元时序图2 5 图4 4e d m a 写u t o p i a 部件时序图2 6 图4 5c p u 读f i f o 数据时序图2 6 图4 6c p u 向u t o p i a 部件写数据时序图2 7 图5 1u t o p i a 部件详细设计图2 8 图5 2e d m a 读操作逻辑框图3 0 图5 3e d m a 控制信号读数据流程3 1 图5 4e d m a 写请求过程逻辑框图3 2 图5 5e d m a 控制信号写数据流程3 3 图5 6 中断使能寄存器3 4 图5 7u t o p i a 中断源寄存器3 4 图5 8c p u 读数据信号控制流程图3 5 图5 9c p u 写数据控制信号流程图3 6 图5 10a t m 主控设备控制信号读数据流程3 7 图5 1 1a t m 层设备读请求响应3 9 图5 1 2a t m 层设备发送数据逻辑图3 9 图5 1 4a t m 层设备写请求响应4 l 篼i v 页 国防科学技术大学研究生院硕 ：学位论文 图5 15a t m 层数据写入f i f o 过程4 2 图5 1 61 6 个字大小的f i f o 4 3 图5 1 73 2 个字大小的f i f o 4 4 图5 1 8 两个串联的反相器和它的v t c 4 8 图5 1 9 简单异步电路4 8 图5 2 0 异步、同步接口4 9 图5 2 1 一个简单的同步器5 0 图5 2 2 两级采样同步器5l 图5 2 4 低频到高频的标志位采样电路5 1 图5 2 5f i f o 控制器的总体设计5 2 图5 2 8 差错中断源寄存器5 5 图5 2 9 差错中断使能寄存器5 6 图5 3 0 时钟检测寄存器( c d r ) 5 6 图6 1 设计的抽象层次5 9 图6 2 模拟系统的组成6 0 图6 3 测试平台结构图6 2 图6 4u t o p i a 部件的接收和发送模式6 5 图6 5 逻辑综合图6 6 图6 6u t o p i a 部件无延时最长路径6 8 图6 7u t o p i a 部件加入延时最长路径6 9 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本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 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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谢意。 学位论文题目：直性能旦旦生堕! q 旦! 垒垫鲑鲍遮盐生塞理 学位论文作者签名：她超至日期：趱年f 月陟日 学= 论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；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。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：直性能望墨里生! ! ! q ! 部往鲍遮进曼塞理 学位论文作者签名：她壑至 作者指导教师签名：b 令节弋 日期：如8 年ff 月j6 日 日期：h 3 年、1 月l 幺日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀t 匕 本章主要介绍一下课题背景，课题的研究现状，以及本文研究的主要内容，最后，给 出了整个论文的组织结构。 1 1 课题的背景 在现代社会中，就网络本身而言通信网络己成为信息交换中举足轻重的基础设施。它 也正在经历巨大的变化，以不断满足现代社会的通信网络，特别是传统的网络，都具有业 务特定性的需求。总的说来，通信网络，特别是传统的网络都具有业务特定性的特点，例 如公用电话交换网( p s t n ) 用于话音通信，公用数据交换网( p s d n ) 用于计算机通信，有线电 视网( c a t v ) 用于电视节目的传播等，它们只能支持其专门业务，而无法适应其它业务，其 主要原因是各种业务的网络参数有差别，如带宽、保持时间、端到端延迟和差错率等，这 些对网络建设、网络运营和维护以及适应新业务等都有影响，都会带来许多实际问题，实 现网络的综合，即实现数据、话音、图像的三位一体便成为网络发展的需要和方向， b i s d n ( 宽带综合业务数字网) 便应运而生。 在b i s d n 这种新的网络体系结构的研究中，出现了一个重要的概念，即快速分组交 换( f a s tp a c k e ts w i t c i n g ) ，而1 9 8 3 年由o r e i l l y 提出的异步时分复用【q ( a s y n c h r o n o u st i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 义最具代表性，其要点是，允许通信系统中的发送时钟和接收时钟可 以异步方式工作。这方面的研究工作，分别由法国科学院( c n e t ) 年1 1 美国a t & t 贝尔实验 室进行实验及改进，并从传输和交换两方面提出了最初的协议结构模型。后来最终由 i t u ( 国际电信联盟) 在1 9 9 1 年正式将这种技术命名为a t m ( 异步传输方式) ，并且把它作为 b i s d n 的信息传递方式。异步传输模式是国际电联电信标准部( i t u t ) 确定的未来宽带 综合业务数字网的传输模式。u t o p i a 外设符合a t m 论坛标准a f - p h y 0 0 3 9 。0 0 0 ，它支持 u t o p i al e v e l 2 的接口，允许8b i t 收发从操作，速率可达5 0 m h z 。u t o p i a 从接口需要 由外部a t m 主控制器提供必要的控制信号，如时钟，使能信号和地址值，它只支持信元 级的握手。 1 2 课题的研究现状 当前网络所面临的一个共同问题就是对那些己经出现或行将出现的新应用提供支持。 新一代的网络将采用分布式处理方式，而且面对的将是集话音、图像、数据为一体的多媒 体信息的传输。这些都对网络在带宽、灵活性、网络资源利用率以及为多种协议提供通用 的子网基础设施的能力上提出了更高的要求。而目前传统的共享式网络存在带宽瓶颈、时 延等问题，使其在新的应用面前显得越来越不相适应。所以采用交换技术，无疑是一种良 第l 页 国防科学技术大学研究乍院硕十学位论文 好的解决方法，交换技术町以提供高速的端口速率、 i l 缩性大以及提高网络管理的效率等 优点。 a t m 技术是一种快速的数据分组交换技术，它既有电路交换的特点，又有分组交换 的特点，是一种基于信元的交换。它能在一个单一的主体网络上携带多种信息媒体，进行 多种通信业务。它的特点：协议简单，并可通过硬件实现，从而具有协议处理速度快和时 延小的特点：采用固定的5 3 字节长的信元，传输速度快；采用统计复用的方法，具有动 态分配带宽的能力；它是一种有效的跨接l a n 和w a n 的高速网络技术。 经过十几年的发展，a t m 技术已由i t u 建立了一套定义各种协议和接口的标准，这 套标准向网络设计者提供了一个构造a t m 网络的坚实基础。为了使该标准更适合运用于 l a n 和w a n 中，作为国际非营利性机构之一的a t m 论坛继续对i t u t 的工作进行完善。 其结果是提供一个让用户将其电信和数据网络综合为一体的组网方案。 现在许多运营公司正在将a t m 技术由实验转向商用。在美国，a t & t 等长途电话公 司和太平洋贝尔、g t e 等本地电话公司都已开始商用a t m 业务；1 5 个欧洲国家的1 8 家 电信机构j f 在进行一项泛欧的a t m 现场实验，芬兰、德国、法国等己丌始提供商用a t m 业务；日本计划到2 0 1 5 年建成覆盖全国的b i s d n ，n t t 己于1 9 9 6 年提供商用a t m 业务； 我国的广东省现在也在进行b i s d n 的现场实验，演示a t m 网络以支持多媒体和v o d 。 高性能d s px 片内集成了一个a t m 从没备接口一u t o p i a 。a t m 论坛在关于 u t o p i a l e v e l2 的标准中，规定了a t m 物理层上传送数据包顺序：先发送头标信息，后面 跟随信息域。一个标准的a t m 信元( c e l l ) 有5 3 个字节( 5 字节头标+ 4 8 字节信息域) 。 u t o p i a 外设还支持非标准的5 4 6 4 字节的a t m 信元【l 】。下图分别是标准和非标准的信 元传输格式。 h e a d c r1 h e a d e r2 h c a d e t3 l e a d e r4 u d f p a y l o a di p a y l o a d2 p a y l o a d4 8 b i t 7 _ + b i to u d bl u d b2 u d bi l h e a d e r l h e a d e r 2 h c a d e t 3 h e a d e r 4 u d f p a y l o a dl p a y l o a d2 p a y l o a d4 8 图1 1 标准和非标准的u t o p i a8 位传输模式1 1 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 对于d s px ，每个a t m 主控制按字节形式发送过来的信元在芯片内部的u t o p i a 部 件负责装配成以3 2 位字为边界，由于每个信元( 5 3 字节) 在d s p 的( 内部和外部) 存储 器中，以及在u t o p i a 的收发队列中都是组成3 2 位的字的形式，故都需要在不是3 2 位子 整数倍的a t m 信元头之前填充必要的空字节以组成整数字长。在d s p 中存储标准的a t m 信元包将包括5 3 字节的a t m 信元以及a t m 头标之前3 字节的空数据，组成为1 4 个字的 信元。 1 3 本文研究的主要内容、目的及意义 目前高性能d s px 中的任务c p u 核的设计已经展丌，本课题的主要任务是设计实现 这款芯片的特有的外设接口_ i7 t o p i a ( u n i v e r s a lt e s t & o p e r a t i o n sp h yi n t e r f a c ef o r a t m ) ，它是该芯片外设接口中的一个子接口部件。 课题研究的主要工作为：详细介绍u t o p i a 部件协议、接口层特性以及接口多种配置 形式。研究u t o p i a 部件的体系结构，划分功能模块以及分析接口内部信号约定，并对接 口内部模块进行设计。主要研究u t o p i a 部件的物理层与a t m 层如何通过接口传输数据， 并对u t o p i a 部件形和时序进行了分析研究，设计外部接口。本文给出了物理层设备读写 请求模块、a t m 层读写请求模块、内部控制模块模块、异常处理模块等接口主要模块的详 细设计。为使接口传输速率达到最佳，对f i f o 空间的大小进行分析，并阐述设备如何与 f i f o 之间数据通信。研究当前主要验证方法，针对u t o p i a 部件数据传输的特点，对 u t o p i a 部件数据传输的各种形式做了较充分验证。最后，对u t o p i a 部件进行了逻辑综 合，使其满足接口内部工作频率最快为3 0 0 m h z ，外部工作频率最快达5 0 m h z 的要求。 d s p 的外部设备接口u t o p i a 对于提高d s p 与外部a t m 主控设备的数据传输有着至 关重要的作用，为了实现接口对更高性能的异步传输的支持，本课题设计实现的接口采用 存储多个信元的f i f o ，从而能有效的提高d m a 、c p u 与外部主控制之间的数据传输的效 率，更好地满足d s p 外部设备数据的处理。 1 4 论文的组织结构 第一章绪论。主要论述了课题的背景，研究现状，介绍了u t o p i a 部件的协议。并 概述了课题的主要内容、目的与意义。 第二章主要对u t o p i a 部件协议做了详细介绍，并对接口的物理层及a t m 层特性做 研究。 第三章从整体上描述了d s p 的结构和u t o p i a 部件结构。并详细论述了u t o p i a 部 件内部逻辑模块以及接口内部模块之间的通信方式等。 第四章分析u t o p i a 部件各种形式和u t o p i a 部件时序特性，设计外部发送、接收 第3 页 同防科学技术大学研究生院硕十学位论文 接u 并详细阐述信号线的意义。 第五章具体设计和实现u t o p i a 部件各个模块。主要模块为：物理层设备读写请求 模块、a t m 层读写请求模块、数据f i f o ，内部控制模块以及异常处理模块。 第六章对所做的设计进行了验证和综合。 第七章结束语和进一步研究设想。对本课题的工作做了小结，并谈了进一步研究和 提高性能的几点设想。 最后对给予我无私帮助的所有老师、同学和朋友表示感谢，并且给出本文的参考文献。 第4 页 同防科学技术大学研究牛院硕十学位论文 第二章u t o p i a 部件协议、接口层特性及接口分析 本章主要介绍了u t o p i a 部件协议、u t o p i a 部件的物理层、a t m 层。详细介绍了物 理层、a t m 层的功能。最后，对u t o p i a 部件的各种配置形式做了分析。 2 1 1 a t m 协议简介 2 1u t o p i a 部件协议 a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 是一种以信元为单位的异步传输模式。它是基于 b i s d n 宽带综合服务数字网标准而设计的用来提高用户综合访问速度的一项技术。在交 换形式上而言，a t m 是面向连接的链路，任何一个a t m 终端与另一个用户通信的时候 都需要建立连接，从这方面来看，a t m 拥有电路交换的特点；另一方面a t m 采用信 元( c e l l ) 交换的方式，信元长度固定为5 3 字节。 选择净荷长度需要考虑的几个因素：网络总时延：1 0 0 0 k m 传输，8 个a t m 交换机， 2 次a t m 和非a t m 之间的转换，端到端时延：3 2 字节信元1 4 m s ，6 4 字节信元2 2 m s ， 总时延过大对话音承载有困难。欧洲意见：3 2 字节，时延小。美国、同本意见：6 4 字节， 传输效率高。 5 1 最终i t u 折衷：4 8 字节如图2 1 所示： 2 1 2 a t m 信元头简介 图2 1a t m 信元体长度决定5 i 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 信元头部( h e c ) 格式如图2 2 所示： 876 5432l 璺嘶吾 g f c v p i l v p i v c i 2 v c i 3 v c ip tc l p4 h e c 5 上图为信元头格式及其各字段占有的比特位，各字段解释如下： g f c ：通j j 流量控制 v p i ：虚通道标识符 v c i ：虚通路标识符 p t ：载衍类型 c l p ：信元丢失优先级h e c ：信头错误检查 图2 2 信元头及其各段功能【l 叫 上图为信元头，它占有五个字节，及其字节中各个字段名的意思。下面将对信元头中 一些主要字段名给出解释。 h e c ：信头错误控制： 信头错误控带s j ( h e c ) 机制提供了两项重要的功能： 1 、a t m 信头差错的检测和校正 2 、信元定界 a t m 信头差错检测和校正信头差错控制在整个的信元头( 在发送端) 上完成一 c r c8 的计算。【5 j 每个信元都有一个5 字节的头部，头部中包括4 字节的虚拟电路及控 制信息和l 字节的校验和。校验和只包括了前4 个头部字节，而不占用有效载荷字节。它 是由3 2 个头部位除以多项式x 8 + x 2 + x + 1 后，所得到的余数构成的。校验和加上常数 0 1 0 1 0 1 0 1 。做出只校验头部的决定，是为了减少由于头部错误，而造成不正确传递信元的 可能。如果确需校验有效载荷字段，就要上到较高的层上完成这一功能。由于校验和字段 只位于头部，因此这8 位校验【5 】和字段被称为头部错误控制h e c ( h e a d e re r r o rc o n t r 0 1 ) 。 接收h e c 算法能够完成： 1 、单比特的错误校正。 2 、多比特的错误检测。 确定的h e c 在捕获状态，定界过程是通过比特接比特地检验假设信头域中的正确的 h e c 来完成。一旦找到，运行机制即进入预同步状态。在捕获状态，自同步加扰器是被禁 能的。( 加扰器只被用于信息域，而不被用于信头) 。在预同步状态，定界是由检查信元接 信元的h e c 相关性来完成的。在同步状态，信元定界会丢失掉，如果出现7 次连续的不 正确的h e c 时，重新进入捕获状态。 第6 页 国防科学技术人学研究牛院硕士学何论文 图2 3 信元的错误检验 信元定界：利用h e c 域完成信元定界的功能以识别信元的边界，信元定界的算法是 通过利用头中的3 2 个防止错误的信头比特和8 个控制比特间的相关性来完成。如图2 4 ： 不 信兀流 图2 4 信元定界 c l p 信元丢失优先级：信元丢失优先级域( c l p ) 被用来严格地指示出在一个给定的连 接中的信元的优先级； c l p = 0 指示一连接中的“高优先级”信元。 c l p = 1 指示一连接中的“低优先级”信元。 在遇到拥塞的情况下，一个a t m 网络元素可以有选择地在删除高优先级( c l p = 0 ) 的信 元之前删除低优先级( c l p = i ) 的信元。这一c l p 应用很类似于帧中继承载业务中的d i s c a r d e l i g i b i l i t y ( d e ) 功能。c l p 与a t m 的流量控制策略和业务质量( q o s ) 参数密切相关。 p t 载倚类趔：载荷类型字段有3 位，分别表示：净荷类型，帧结尾和拥塞情况。 第一位用于区分o a m 信元和用户数据信元，p t 的第二位为拥塞状况，任何拥塞的a t m 网络元素可以按下面方式改变p t i 值：以p t i = 0 0 0 或0 1 0 接收的信元可以按p t i - - 0 1 0 发送出去；而以p t i = 0 0 1 或0 1 1 接收的信元可以按p t i = 0 11 发送出去。没有拥塞 的网络元素不应该改变p t i 。 详细的p t 值分类如下【5 】： 0 0 0 ：用户数据信元，没有经历拥塞，a t m 用户到a t m 用户指示= o 。 第7 页 囝防科学技术大学研究生院硕- b 学何论文 0 0 1 ：川户数据信己，没有经力拥缝，a t m 用户到a t m 用户指示= 1 。 0 1 0 ：用户数据信元，经历拥塞，a t m 用户到a t m 用户指示= o 。 o l1 ：用户数据信元，经历拥塞，a t m 用户到a t m 用户指示= 1 。 1 0 0 ：o a mf 5 分段相关信元。 1 0 1 ：o a mf 5 端到端相关信元。 1 1 0 ：资源管理信元。 1 1 1 ：保留给将来的v c 功能。 2 2u t o p i a 部件物理层特性 根据u n i ( 用户到网络的接口) 规范的规定，u t o p i a 部件p h y 层分为p m d 子层和 t c 子层。p m d 子层决定物理介质性质、比特定时及线路编码。t c 子层实现物理层会聚协 议( p l c p ) ，p l c p 负责整体物理链路上信息的适当传输和接收。如图2 5 所示为u t o p i a 部 件物理层与a t m 层功能【5 1 。 一般流量控制 a t m 信元v p i v c l 翻译 信元头产生狭取 信元服用和分路 信元数率解耦 h e c 信头序列的产生检验 t c 信元定界 传输帧适配 p h y 传输帧产生恢复 比特定时 p m d 物理介质 2 2 1p m d 层的功能 图2 5u t o p i a 部件各层功能 p m d 子层负责在合适的物理介质上正确的发送和接收数字比特，并将数字比特流送到 t c 子层。它具有线路编码和物理介质接口等功能。其具体功能如下： 1 ) 提供比特传输能力 提供比特传输能力，对比特定时和线路编码作出规定。为了确保以正确的可识别格式 收发a t m 信元，在发送前需要进行编码，经过编码的信息码流中含有比特定时信息，可 保证接收端正确的恢复时钟，具有帧结构的传输系统，还可通过传送编码将额外的帧定位 信息加入信息码流中。另外，可将纠错信道维护和管理信息加入信息码流，形成完善的物 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕十学何论文 理传输系统。 a t m 可采用多种不同的传输系统，所以编码方式和要求不尽相同。例如在p d h ( 准同 步数字系列) 系统的e l 线路中，信息码流具有1 2 5us 的帧结构，采用h d b 3 ( 3 阶高密度 双极性) 传送编码实现比特定时，而在1 0 0 m b p s 多模光纤传输系统中，则采用模块化的编 码4 b 5 b 和n r z i 编码保证比特定时及帧结构的恢复。 2 ) 物理传送接口 不同传输系统要求不同的物理接口，可以是光纤或铜线。a t m 论坛为u n i ( 用户到网 络的接口) 定义的物理层接口有s d h ，s o n e t , e 3 ，d s 一3 ，4 b 5 b 等。 2 2 2t c 层的功能 t c 层的功能是实现比特流和信元流的转换， 流，在接收端将比特流中的信元正确地识别出来， h e c 的产生与校验 在发送端将信元流按系统要求组成比特 其功能如下： h e c 是由物理层完成的一个功能。首先，信元发送器要对信元头的前4 个字节的值 进行求和运算，并将结果乘以x 8 ，然后再与生成多项式x 8 + x 2 + x + l 进行模2 运算，余数即 为h e c 值，置于a t m 信元头的h e c 域中。在接收端则利用同样的算法，进行相同的运 算，将所得的结果与发送端所计算的h e c 值进行比较，从而判定传输中是否有错。若为 单个比特错误，要进行纠错操作；若为多比特错误，则将该信元丢弃。在接收端由于h e c 值不仅仅作为差错校验，同时也可用于信元定界，因此建议在发送端发送前将最终的h e c 校验值再加上0 1 0 1 0 1 0 1 序列码，以提高出现花码时的信元定界能。当然，在接收端进行 h e c 校验前需要先去除该序列码。 2 ) 信元定界 从p m d 到t c 传来得是比特流，这样需要在t c 中将其恢复成信元流，以便传递到 a t m 层，为此需要进行信元的定界处理，即判断出信元的边界。i t u t 为此做了相应的规 范，基本思想是利用信元头中前4 个字节与后一个字节问的相关性来完成信元的定界，但 要求相应的算法与所采用的传输系统不相关，以保证信元定界算法在各种网络接口上均是 有效的。 3 ) 信元净荷扰码 为了防止信息段中正确的h e c 造成伪定界，提高信元定界的安全性和坚固性，需要 对信息段比特进行扰码。基于s d h 的系统，按多项式x 4 3 + 1 进行自同步扰码；基于信元的 系统则采用分散抽样的扰码方式。对信元头不进行扰码，系统处于搜索状态时也不进行扰 码和解扰的操作。 4 ) 信元速率解耦 为保证a t m 层传送信元的速率不受传输速率的影响，需要在发送端物理层插入空闲 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 信元，i 仃在接收端空闲信元只川来进i j ：信己定界，然后就将其丢弃，并彳、= 传送至07 i m 层。 5 ) 传输帧的适配 这主要是完成信元流和基于物理传输介质的比特数据流间的相互转化。物理层功能实 际上就是经物理介质接口送来的信号在接收端的p m d 子层通过同步比特恢复成连续比特 流，送入t c 子层。比特流利用传输帧恢复功能确定传输帧的结构，然后将传输帧的负载 提取出来。 2 3u t o p i a 部件a t m 层特性 a t m 层的主要功能是提供一种与具体物理传输介质无关的、对a t m 信元进行处理和 转移的层面。它分别涉及用户平面和管理平而的一些功能，用于实现对a t m 连接、q o s 参数设定、a t m 信元的复用和分用、a t m 信元的交换和控制等。a t m 层的全部功能由信 元头来实现，在传送信息时网络只对信元头进行操作而不处理净荷的内容。a t m 层的具 体功能如下： 1 ) 提供a t m 连接与交换的控制 a t m 技术是面向连接的技术。当发送端想和接收端通信时，发送端通过u n i 送一个 连接建立请求信号，接收端通过网络收到该信号并同意建立连接时，再向发送端回送一个 同意建立连接的信号，一个虚拟线路就建立起来了，同时虚拟线路上所有的中继点都会建 立线路映像表。 2 ) 提供a t m 的q o s 服务 在a t m 网络中，要管理许多不同类型的业务，如话音、数据、图像等业务，对于这 些不同的业务，在带宽、信元丢失率、时延和抖动等方面的具体要求都不相同，为了在一 种综合业务的环境中保证业务的服务质量并高效的利用网络带宽资源，在a t m 层中提供 了利用q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 参数来协调用户的需要与网络资源的管理。在i t u 的o 2 9 3 1 中，规定了有关q o s 的7 个传输性能参数：信元错误率、严重的信元块错误率、信元误插 率、平均信元传输时延、信元丢失率、信元时延和信元时延偏差。 当通过信令过程建立起连接后，对于用户来说，其所关心的只是端到端问的q o s ，用 户可就此根据所要求的q o s 类型来与网络侧进行协商，而一旦网络侧接收了用户所要求的 q o s 类型，则会在整个连接中按其要求予以保证。但目前，真正可以用来描述q o s 的只有 信元丢失率、信元时延和信元时延偏差这几个参数，其它的尚在研究之中。 目前，针对由i t u t i 3 6 2 所定义的4 种业务类型( a ，b ，c 和d ) ，a t m 论坛在其u n l 3 0 ， u n l 3 1 中也定义了相应的q o s 类型，此可见图2 6 所示。 第1 0 页 国防科学技术大学研究，七院硕+ 学何论文 q o s 类型对应的业务类掣应用 la 租用线业务，c b r 视频数据 2b v b r 视频、音频数据 3c 面向连接数据传输 4 d 无链接数据传输 3 ) 确定信元丢失优先级 对于一些重要的数据或是那些对信元丢失敏感的业务，需要对信元的丢失率有较严格 的要求，而有些数据或业务则并不如此，这样为了更好的利用通信带宽和满足用户的需要， 按照业务对信元丢失率不同程度的要求，定义了两种丢失信元优先等