（电磁场与微波技术专业论文）光突发交换网络中控制接口模块的设计与实现.pdf

光突发交换网络中控制接口模块的设计与实现 摘要 随着i n t e m e t 业务量爆炸式的增长，对带宽要求的不断增加，全 光网必将成为下一代网络的重要组成部分。在这一背景下，光突发交 换( o b s ) 的提出为建立高性能低成本的全光网提供了一种新的途径。 而目前交换领域中另外一个研究重点是把多协议标签交换( m p l s ) 的 概念扩展到光传送网，形成光标签交换( o p t i c a ll a b e ls w i t c h i n g ， o l s ) 。它的核心思想是使用光标签来建立数据在光网络中的传送路 径，免除沿路径复杂的路由处理，从而提高数据交换速率。鉴于o b s 与o l s 各自的特点，两者可以结合起来形成光标签突发包交换 ( l o b s ) 技术。 本论文研究了l o b s 网络控制模块接口的设计和实现。在现有的 o b s 网络上，添加一个控制接口模块，该模块是一块以嵌入式芯片 为核心的电路板，它为m p l s 协议提供了运行环境和下层接口。本论 文针对芯片的选型和硬件设计问题做了一些调研。 本论文的核心在于软件接口模块的设计。m p l s 协议和网络管理 系统正是通过这一接口实现对o b s 网络的完全控制的。论文对该接 口的设计和实现作了深入具体的研究，最后成功达到了m p l s 协议层 面和o b s 控制、传输层面通过接口互联互通的目的。 论文还就l o b s 的发展前景做出了展望。由先进的o b s 技术与 m p l s 的强大控制能力结合形成的i p d w d m 集成模型l o b s ，充分 发挥了电子处理的高智能和光子交换的大容量优势，是未来数据网络 的理想光交换方案。 关键字：光标签突发交换多协议标签交换嵌入式软件接口 d e s i g na n di m p l e m e n to f t h ec o n t r o l i n t e r f a c em o d u l ei nt h el o b sn e t w o r k a b s t r a c t a st h es e r v i c el o a do fi n t e r n e tg r o w se x p l o s i v e l y , t h ed e m a n do f b a n d w i d t hi n c r e a s e sr a p i d l y b e c a u s eo ft h i st r e n d ，a l l o p t i c a ln e t w o r k b e c o m e sa ni m p o r t a n tp a r to ft h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k a m o n gt h e k e yt e c h n o l o g i e sf o rt h ea l l o p t i c a ln e t w o r k ，o p t i c a lb u r s ts w i t c hi sa n e w l yp r o p o s e dm e t h o df o rb u i l d i n gu pa l la l l - o p t i c a ln e t w o r kw i t hh j l g h p e r f o r m a n c ea n dl o w c o s t s i na d d i t i o n ，a n o t h e rh o t s p o ti ns w i t c h i n ga r e a i sh o wt oe x t e n dt h em p l s ( m u l t i - p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) t ot h e o t n ( o p t i c a lt r a n s m i s s i o nn e t ) t h a tc o m e si n t ot h eo l s ( o p t i c a ll a b e l s w i t c h i n g ) t h ec o r et e c h n o l o g yo fo l si su s i n gt h eo p t i c a ll a b e lt o e s t a b l i s ht h et r a n s m i s s i o np a t hf o rt h ed a t a ，s ow ec a na v o i dt h ec o m p l e x r o u t em a n a g e m e n ta n di m p r o v et h ed a t at r a n s m i s s i o nr a t e b a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i co fe a c ht e c h n o l o g y , w ec a nc o m b i n et h eo b sa n do l st o f o r mt h el o b s i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fc o n t r o li n t e r f a c e m o d u l ei ss t u d i e d ac o n t r o lm o d u l e w h i c hi sb a s e do na ne m b e d d e d p r o c e s s o r , i sa d d e do nt h ec u r r e n to b s n e t w o r kt e s tb e d t h ep r o c e s s o r p r o v i d e sap l a t f o r mt or u nm p l sp r o t o c o lo no b sn e t w o r k t h i sp a p e r d o e sp l e n t yo fr e s e a r c ho nt h ec h i ps e l e c t i o nf o rp r o c e s s o ra n dh a r d w a r e d e s i g n t h em a i np a r to ft h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h ed e s i g no ft h ei n t e r f a c e m o d u l e t h em p l sp r o t o c o lr e a l i z e st h ec o n t r o l l i n go ft h eo b sl a y e rb y t h i si n t e r f a c e b yc a r e f u ls o f t w a r ed e s i g n ，w ef i n a l l ya c h i e v et h i sg o a l ，t h e m p l sm o d u l ec a nc o m m u n i c a t ew i t ht h eo b sl a y e re a s i l yb yt h e i n t e r f a c em o d u l e a tl a s t ，t h ep a p e rd i s c u s s e dt h ep r o s p e c to fl o b s t h ec o m b i n a t i o n o ft h ea d v a n c e do b sa n dm p l sb r i n g si n t e r n e tp r o t o c o lo v e rd e n s e w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gi n t e g r a t e dm o d e l - - l a b e l e do p t i c a l b u r s t s w i t c h i n g ( l o b s ) l o b s e x e r t st h e s u p e r i o r i t y o f h i g h i n t e l l i g e n c e i ne l e c t r o n i c p r o c e s s i n ga n dl a r g ec a p a c i t y i n p h o t o n i c s w i t c h i n g i ti sa ni d e a lo p t i c a ls w i t c h i n gs c h e m ei nf u t u r ed a t an e t w o r k k e yw o r d s ：l o b sm p l s e m b e d d e ds y s t e ms o f t w a r e i n t e r f a c e 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。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，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机棉钓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 本人签名： 囊訇 处，本人承担一切相关责任。 日期z 俎i 歹 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保 田并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围， 本人签名：蕉! 蟹 导师签名：舡霉4 _ 一 适用本授权书。 日期： 日期： 如0 7j 、5 知葫# 一 北京邮电大学硕士论文 1 1 引言 第一章绪论 现今i n t e r a c t 数据业务和网络电子商务等的数据传输量仍在不断的增加，并 且实时视频图像和实时音频数据等q o s 要求较高的数据类型在所有数据传输业 务中所占的比例也越来越多【l 】。这样的业务要求使得当前由a ：n 噍s 【) h 佩d m 或由i p ，a 胁d ，s d h m d m 等技术组成的多协议网络交换平台的交换能力趋于饱 和。为了实现i n t e r a c t 的升级，提高处理能力，实现网络q o s 保证，更有效、 灵活地承载未来的i p 包分组业务，提出了光分组交换o p s 【2 ，3 ，4 ，5 】 与光突发交换l o b s 【6 ，7 ，8 ，9 1 这两种适应未来光因特网的交换技术。 光分组交换可以看作是电分组交换在光域的延伸，交换粒度以高速传输的光 分组为单位。虽然光分组可长可短，但由于交换设备必须具备处理最小分组的能 力，光分组交换节点的处理能力要求非常高。目前常采用的是光电混合的办法实 现光分组交换，即数据在光域进行交换，而控制信号在交换节点被转换成电信号 后再进行处理【1 0 l 。光分组交换可基于数据报或虚电路方式，无论采用哪种方 式，交换机都需要以存储转发方式工作，因此必须采用光缓存器件。 实现光分组交换需要的关键技术包括光分组的产生、同步、缓存、再生，光 分组头重写及分组之间的光功率的均衡等。其中分组的实时同步、再生、分组头 重写，由于码率太高，电设备无法完成，而全光的办法也只停留在实验阶段。入 们对于未来光因特网的希望是支持多种业务，保证q o s ，但光分组交换本身不直 接支持q o s 。 由于现在光器件的局限，缺少快速的光开关器件和有效的光缓存器件，实现 完全的光分组交换网络还比较困难，在这种情况下，提出了光突发交换网络。它 的主要思想是将比较小的i p 进行组装成一个大的突发包，通过光开关的时间降 低为毫秒级，现在的光器件可以满足这一要求。而一个i p 分组要求光开关的速 度为纳秒级，甚至更少。可见，光突发交换是目前在光器件领域中没有重大技术 瓶颈的可实现光交换网络。 另外，目前交换领域中一个很热的研究重点是把m p l s ( 多协议标签交换) 的概念扩展到光传送网，形成光标签交换( o p t i c a l l a b e ls w i t c h i n g ，o l s ) 【l l 】。 它的核心思想是使用光标签来建立数据在光网络中的传送路径，免除沿路径复杂 的路由处理，从而提高数据交换速率。l o b s 网络可以采用各种光标签技术，比 较典型的是采用波长作标签的o l s ，也称为m p k s ( 多协议波长交换) 【1 2 】。m p k s 具有与m p l s 相似的优势，如支持流量工程、支持q o s 0 i 务质量1 及转发速度快 北京邮电大学硕士论文 等。 鉴于o b s 与o l s 各自的特点，两者可以很自然地结合起来形成光标签突发 包交换( l o b s ) 技术。由于l o b s 结合了o l s ( 实质上是m p l s ) 与o b s 各自 的优点，因此具有更加良好的应用前景。 1 2 光突发交换网络 1 2 1l o b s 网络概述 l o b s 的基本原理是在o b s 网络中加上m p l s 控制，通过运行m p l s 协议 完成网络拓扑和资源( 光域的波长带宽资源信息分布) 以及路由等信息的传递， 建立、拆除和修改l s p 通路等；通过o b s 的控制信令为数据传输建立光交换通 路o l s p ：控制包在m p l s 预先建立的l s p 通路上传输。m p l s 的信令可以利用 o b s 控制信道来承载。【1 3 】 l o b s 网络分层结构如图l l 所示：它是一种i po v e rd w d m 集成模型。i p 层完成第三层功能，l o b s ( m p l s ) 层提供o b s 服务( 如突发数据汇集、网络 拓扑和资源分配、生存性等) ，光层完成突发交换、波长转换、突发数据延迟缓 冲及光放大等。【1 4 圈删 舻斌 臼智 l 摹坚对1 u g a s 睡 赢同凰- 罔豳麟l 麟l l2 = ：= _ i 堡兰量f l 一墨辜罂一 jl jl 由 i 籍 先 散据 lf = = = = = ： 璧 图1 1l o b s 详细分层机构 2 北京邮电大学硕士论文 l o b s 结合了o b s 和m p l s 各自的优势，它有以下一些特点： 由于基于o b s 技术，l o b s 同样使用分离的波长来传送数据突发包和它们的 控制分组。但是控制分组所携带的信息与通常的o b s 不同，l o b s 的控制分组不 再携带突发包的地址信息，而是加入了标签信息，其它的信息如承载突发包的波 长信道、偏置时问、q o s 要求等则仍然需要携带地址。【1 5 】 由于结合了m p l s 技术的优点，一旦l s p 建立起来，l o b s 网络中对控制分组 的处理不必使用i p 包的最长前缀地址匹配路由算法计算路由，而是根据其所携带 的标签进行简单的交换操作即可，从而大大加快了前向转发速度。 利用m p l s 提供的控制平台，利用扩展的内部网关协议( i g p ) 传送l o b s 资 源和拓扑信息，可以避免不同l o b s 通路突发模式下的波长资源竞争。在l o b s 中，由于标签信息承载于控制分组，可以不经过光电光转换直接对多个l o b s 通 路突发数据整合，这样不经过全光交换也实现了标签交换。使用突发时标，允许 不同波长或不同l s p 的业务整合的子波带宽分配，提高了带宽利用率和选路的灵 活性。【1 6 】 1 2 2l o b s 网络的关键技术 由于l o b s 基于o b s ，所以本论文首先讨论光突发交换网络的关键技术。 当前，虽然光突发交换技术有了很大的进步，但在很多方面尤其在具体的光突发 交换网络的实现上仍然有很多不足的地方需要继续进行探讨和研究。其中比较关 键的技术有以下两个方面： 一、光突发交换网络中的核心节点：核心节点主要完成光突发交换网络中的 路由选路功能。在实际上如何实现它的功能和如何更有效的加强其选路策略，减 少整个网络的丢包率，增加网络的容量是目前研究的重点之一。 二、光突发交换网络中的边缘节点：边缘节点主要完成光突发帧的组装，拆 卸，发送接收等的功能。在边缘节点中有两个重要的算法需要深入研究。一是 资源预留方式。这是光突发帧的控制分组在核心节点为数据预留一定的带宽资源 时使用的策略。二是资源的调度算法。这是在边缘节点中如何安排多个光突发帧 在有限的光信道资源中发送出去的调度算法。尽管目前已经对这些算法提出了多 种的方案，但各种方案都有自身的优点和缺点，如何取长补短有效提高网络性能 是目前研究的重点之一。 l o b s 所涉及的关键技术除了上面所述的o b s 控制技术外，还有因与m p l s 机制相结合而出现的以下几项关键技术。【1 7 】 首先是标签交换路径的建立。在l o b s 网络中，f e c 与标签的绑定是通过 北京邮电大学硕士论文 m p l s 架构的标签分发协议( l d p ) 实现的。l s p 的建立过程也采纳了m p l s 中 的类似过程。在l o b s 网络的入口边缘节点处，当构造一个控制分组时，一个对 应的标签链接相关性也被确定，并且得到一个l o b s 路径。在核心节点中，输入 输出标签相关性可以通过使用u b 描述。同时，o b s 控制分组通过扩展m p l s 的k e 印a l i v eh e l l o 消息发送。 其次是流量工程。众所周知，m p l s 的一个最重要的优点是支持流量工程。 由于引入了m p l s 机制，l o b s 网络也同样可以实现流量工程。一般来说，l o b s 网络的路由可以使用波长路由网络中的相应技术。但在实施流量工程时，还必须 考虑由于不使用或使用有限的光缓存器而导致的高数据丢失率。另外，m p l s “松 散”( 指定路径上的几个特定节点) 的显示路由( e r ) 和“严格”( 指定路径上 的所有节点) 的e r 是实现流量工程的有力工具。它们都可用于l o b s 的路由机 制。 最后是网络的生存性问题。网络的生存性始终是传送网中所要考虑的一个重 要问题。过去几年，s d h ( 同步数字体系) 保护机制得到了广泛的采用，可以提 供几十毫秒的网络恢复时间。与之相反，迄今为止，o b s 网络的生存性还没有 研究报道。不过，1 2 e t f ( 因特网工程任务组) 为m p k s 网络提出的路由和备份 机制都可被扩展到l o b s 网络。既然l o b s 考虑发包之间的统计复用，则使用相 同的方法时，l o b s 网络应能得到比波长路由网络更好的效率。需要注意的是， 上述保护、恢复机制的前提是故障的检测和定位。而对于l o b s 网络来说，由于 其业务量的发性本质和数据负载的全光透明性，不可能在数据信道直接使用监控 技术，只能在控制信道使用。这对每波长的监控是不够的。幸运的是用于光发送 功率、接收功率、信噪比等的每信道光监控机制已经被提出。一旦技术成熟，l o b s 就可以用它们来检测和定位故障。 1 3 光突发交换实验网络系统的结构 本次设计中论文需要实现一个基于m p l 8 的光突发交换实验网络。通过这个 网络，可以研究分析光突发交换中资源调度，路由，光突发帧的组、拆帧等算法。 还可以通过实验网络来分析光突发交换网络的网络容量，平均时延等的网络性 能。 1 3 11 0 b s 实验系统的系统结构 l o b s 是采用m p l s 机制的o b s 技术或者是采用o b s 控制机制的o l s 技术。由于基于o b s 技术，l o b s 同样使用分离的波长来传送数据突发包和它 北京邮电大学硕士论文 们的控制分组。但是控制分组所携带的信息与通常的o b s 不同，l o b s 的控制 分组不再携带突发包的地址信息，而是加入了标签信息，其他的信息如承载突发 包的波长信道、偏置时间、q o s 要求等则仍然需要携带。一旦l s p 建立起来， l o b s 网络中对控制分组的处理不必再进行路由计算，只要根据其所携带的标签 进行基于标签交换的转发操作即可。在这个过程中，输出数据信道的调度和根据 q o s 的处理与o b s 一样。l o b s 网络是由多个边缘节点和核心节点构成的，边 缘节点与核心节点之间由w d m ( 波分复用) 链路连接。如图l 一2 所示。图中 的l1 l 3 、m1 、m 2 、s l 、s 2 代表标签转发路径l s p 上的各个标签。 图1 2l o b s 网络结构 l o b s 网络的边缘节点提供与其他网络的接口、控制分组生成、突发包组装 分解以及f e c 封装和标签操作等功能。核心节点负责对到达的突发包进行基于 标签的交换。数据分组在l s p 入口边缘节点处组装成突发包，配备带有标签的 控制分组，然后在l o b s 网络中传送，再由出口边缘节点拆分数据分组。可见， 边缘节点和核心节点除了应具有o b s 节点的功能外，还应具有m p l s 的标签交 换路由器( l s r ) 的功能。 1 3 2 核心节点的功能与结构 o b s 核心节点主要完成路由转发的功能。它主要由两部分来组成：一是光 交换矩阵，实现全光范围内的无阻塞交换，是光突发帧数据交换的通道：二是光 交换矩阵的控制系统，当核心节点的控制信道收到控制分组后，核心节点进行光 电转换。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 北京邮电大学硕士论文 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。这样，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1 3 表示了o b s 核心 节点的详细功能模块： 图l 一3核心节点的详细功能模块 l o b s 网络的核心节点要相对复杂一些。它由输入接口、控制单元、交换矩 阵和输出接口四部分组成。其中输入接口对输入光信号进行适当的处理，以便读 取控制分组信息。控制模块根据控制分组所携带的标签进行操作，并利用控制分 组的其他控制信息预留核心节点的带宽资源，据此发出控制指令，控制交换矩阵 做出相应的调整，然后再生控制分组。交换矩阵负责接受来自控制模块的控制指 令，建立交叉连接路径以将随后到达的突发包交换到相应的输出端口。输出接口 的作用是减小或消除信号的相位抖动和功率波动，并将再生的控制分组发送到相 应的控制信道上。 在核心节点中，控制单元是一个关键部件。它负责控制标签交换和资源预留。 为了执行标签交换，控制单元中应该维护一个标签信息基( l m 或n h u e t ) 。 这样，当一个突发包的控制分组到达核心节点时，首先被转化为电信号，从标签 栈中弹出标签，并送入到负责标签交换的模块中查找标签转发表，执行标签交换 操作。然后，压入新的标签，并把控制分组经交换模块交换到对应输出端口的输 出队列中。当控制分组位于队首时，被读取并送入到调度器。调度器执行资源预 留控制，每个调度器管理一个对应输出端口的所有输出波长信道，包括控制信道 和数据信道。它建立并维护各个信道的使用状态表，根据控制分组的信息来选择 输出波长信道分配给突发包和控制分组，并向交换矩阵发出交换所需信息( 如输 北京邮电大学硕士论文 入输出端口信道及突发包的到达时间与长度等) 。经调整( 如偏置时问等) 后， 控制分组被发送到调度器分配的控制信道。【1 7 1 3 3 边缘节点的功能与结构 o b s 边缘节点主要完成数据接入，光突发帧的组装与拆卸，突发帧的定时 发送与接收等。它主要包括交换接入模块，中心控制模块和光模块等几大部分。 图l 一4 是o b s 边缘节点的结构框图。 背板 nnn了t北 交交中 换 换 心 光光光 接接控 收收收 入入制 发发发 模模模 模模 模 块 块块 块块 块 彳f彳f曼量上 本地网络 核心节点 图1 4 边缘节点结构框图 从图中可以看出，边缘节点中的各个模块都是相对独立的，它们之问是通过 背板来相互通信和配合的。当本地网络有数据传送到边缘节点时，交换接入模块 初步判断这些数据需要前往的目的地址。如果数据是发送到外部网络的，交换接 入模块把数据汇聚到中心控制模块中。边缘节点的数据业务汇聚完成后，将突发 分组根据目的地址进一步细分，并对数据进行排队，当队列到达一定的门限时， 产生一个突发数据帧。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数据帧的发送。同时，调度器提取突发数据帧的控制信息， 当突发帧位于队首时，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。如果边缘节点接收到从核心节点发送过来 的光突发帧，也由边缘节点完成包的拆卸工作并发送到本地网络。 在l o b s 网络中，突发包和控制分组的生成是在入口边缘节点完成的。而突 北京邮电大学硬士论文 发包的分解和控制分组的终结则是在出口边缘节点进行的。一个实际的物理边缘 节点应该具有入口边缘节点和出口边缘节点两种功能结构。在入口边缘节点处， 来自于其他网络的数据分组按照目的地址和q o s 要求分别组装成一个个的突发 包。从标签交换的观点来看，这个过程实际上也是数据分组被划分到每个既妃 的过程。组装后的突发包长度是可变的。节点为每个突发包配备了一个控制分组。 该控制分组携带标签和其他o b s 和m p l s 控制信息。如突发包长度、承载突发 包的波长、控制分组与突发包之间的偏置时间、突发包生存时间以及q o s 要求 等。为了完成上述的边缘节点功能，在边缘节点的层次结构中需要加入一l o b s 层。对于采用i po v e rd 、粕m 传送技术的网络，l ( 坦s 层位于i p 层和w d m 层 之间。【1 7 】 1 4 论文主要内容 本章主要介绍了l o b s 技术的概况和发展，论文接下来将会详细讨论m p l s 如何与o b s 结合的问题。 在第二章，论文将会讨论m p l s 与o b s 接口的闯题。论文酋先给出一套具 体方案，然后针对方案确定过程中一些问题，比如芯片选型、硬件设计思路、软 件方案讨论等做一下回顾和分析。 第三章是本论文的核心内容，论文将在这一章中详细叙述所有和接口软件实 现的相关问题，从最初的方案设计、到中期的程序实现、以及最后的程序调试和 联合调试，都做了具体而详尽的描述，尤其是接口实现过程中出现的一些难点， 论文都详细分析了其产生原因并给出了相应的解决方案，具有一定参考意义。 论文最后在第蹰章对l o b s 的接口设计进行了强颓和总结，两时对该技术的 发展前景做出了展望。 综上所述，论文主要研究的问题是：如何依托嵌入式系统设计实现软硬件接 口，保证m p l s 协议层和o b s 控制层可以相互传送数据，达到m p l s 和o b s 结合为l o b s 的目的。具体又包含以下三大问题： 一、芯片选择问题。 二、硬件接口设计问题。 三、软件程序设计问题。这一部分是论文主要内容。其中又有一些具体问题： 1 如何使操作系统识别f p g a 芯片。 2 接口程序与应用程序( 路由) 通信机制的讨论。 3 ，接口程序与应用程序( 网管) 通信机制的讨论。 4 f p g a 程序与应用程序通信机制的讨论。 5 如何保证以上三者通信的实时性和可靠性。 北京邮电大学硕士论文 第二章控制接口模块的设计 2 1 基于n p c 8 6 0 微处理器的控制模块 本次l o b s 实验系统使用摩托罗拉公司的m p c 8 6 0 芯片作为微处理器，本 章的讨论将围绕这个核心模块展开，主要介绍芯片选型、硬件外围电路设计和软 件设计思路三个问题。 2 1 i 控制模块处理器芯片的选择 论文使用m p c 8 6 0 芯片作为微处理器，主要是基于以下几条理由： 一、m p c 8 6 0 芯片是m o t o r o l a 公司生产的一款功能强大的p o w e r p c 通信控 制芯片，广泛应用于大型通信与实时控制系统。p o w e r p c 体系的一些独特的结构 使它非常适用于通信网络，比较典型的就是其字节顺位采用大端格式( b i g e n d i a n ) ，而数据在网络中传输采用的正是这种模式，相较于a r t n 体系来说，减 少了字节顺位转换过程，提高了效率。 二、m p c 8 6 0 集成了丰富的通信资源，特别适用于通信产品。m p c 8 6 0 处理 器包括两个模块，即p o w e r p c 内核和通信处理模块( c p m ) 。通信处理模块包括： 四个串行通信控制器( s c c ，s c t i a lc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e r ) ，两个管理控制器 ( s m c ，s e r i a lm a n a g e m c mc h a n n e l s ) ，一个串行外围接口( s p i ，s e r i a lp e r i p h e r a l i m e r f a c e ) ，一个1 2 c ( i n t e r - i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 接口。以上控制器和接口支持多种 通信协议，可用于多种通信系统。c p m 模块不仅大大加强了m p c 8 6 0 的通信功 能，还分担了主c p u 的工作量，提高了处理效率，降低了芯片功耗。 三、m p c 8 6 0 具有较高的总线速度。由于本次设计方案决定：微处理器通过 地址和数据总线直接与f p g a 芯片连接，使得上层m p l s 协议可以直接对数据 链路层进行控制。所以总线速度直接影响到c p u 与f p g a 交互数据的能力。在 保证c p u 处理速度的情况下，应当尽量选择总线速度快的芯片。 四、独特的存储控制器支持两种模式，一种是通过g p c m 支持通用类的存 储器，比如f l a s h 、s d r a m ；另一种是通过可编程的u p m 模式支持高性能、 高速度存储器。在第三条中提到过，本次设计采用c p u 与f p g a 通过总线直连 的方式，c p u 将f p g a 的高速s r a m 作为自己的存储器。而采用u p m 模式对 c p u 的读写时序进行硬件编程能使s r a m 读写速度快的优势发挥到极至。 五、m p c 8 6 0 的其他功能也基本符合设计要求。m p c 8 6 0 的主处理器是3 2 位的p o w e r p c 内核，能够实现内存管理( m m u ) 以及指令与数据的暂存。m p c 8 6 0 的系统接口单元中，存储器控制单元可支持多种高性能的存储器，包括s d r a m 和f l a s h ，还增加了p c m c i a 控制器及时钟电路。m p c 8 6 0 有足够的外部中断 北京邮电大学硕士论文 信号线( i r q 0 i r q 7 ) ，不仅满足了本次设计，还为系统预留出很大的升级空间。 最后，m p c 8 6 0 支持j t a g 和b d m 两种调试方式，选择余地很大。m p c 8 6 0 的 主要功能模块如图2 一l 所示。 图2 1m p c 8 6 0 结构框图 基于以上五条理由，本次设计选择m p c 8 6 0 作为核心的嵌入式c p u 。在实 际开发过程中发现，m p c 8 6 0 从各方面来说都非常适用予l o b s 网络。可以说控 制接口模块的成功实现与本章芯片选型的正确性是分不开的。 2 1 2 控制模块的外围电路设计 北京邺电大学硕士论文 图2 2 硬件模块系统框图 本次设计的控制模块即论文中的嵌入式系统由九个硬件模块组成。它们分别 是： 一、嵌入式处理器部分。微处理器m p c 8 6 0 有较高的核心工作频率，可以 处理大量的数据，并且它集成了多种常用的外部设备接口，这样可以大大简化构 建嵌入式系统的过程。 二、系统总线部分。本系统外部总线上有多种存储设备，这部分电路负责管 理这些存储设备，使得这些存储设备可以稳定和独立工作。系统总线同时还负责 f p g a 与c p u 之间的数据传输。 三、系统s d r a m 部分。本系统的大部分软件都是运行在这部分存储器中， 论文采用两片一共为3 2 m b y t e s 的s d r a m 实现这部分的功能。 四、f l a s h 部分。f l a s h 器件是存储操作系统和所有的应用程序的存储器， 论文设计了多种不同的f l a s h ，以适合不同应用阶段系统的需要。 五、以太网接口。以太网接口是微处理器和外部通信的一个快速的通信通道， 微处理器通过以太网接口和外部h o s t 主机进行通信。 六、通用串行串口。通用串行串口也是微处理器向外部传送信息的通道，它 主要是用于微处理器报告目前程序运行状态。 七、调试b d m 接口。b d m 接口是论文进行嵌入式系统调试的时候使用的 通信通道，通过b d m 接口可以完全控制微处理器，了解处理器的状态。 八、支撑电路部分。支撑电路主要是指可以便系统正常稳定运行所需要的辅 助电路。它包括电源电路，r e s e t 电路，时钟电路等。 北京邮电大学硕士论文 九、排线接1 3 部分。本次设计将c p u 的数据总线、地址总线、中断信号线、 i o 信号线、复位信号线和其他一些控制信号线规范为一个标准的接口插槽，通 过这个插槽，控制板可以扣放在节点上，并通过这些信号线对节点进行控制。 2 2 3 控制模块的接口软件设计 在l o b s 系统中，核心节点和边缘节点都需要上层网管和路由的控制。协议 程序和网管软件都运行在l o b s 控制板上，如何实现控制板和节点之间的通信， 也就是设计一个功能比较完善的接口，是论文要解决的主要问题。 本次设计中，控制板采用m p c 8 6 0 微处理器，操作系统采用l i n u x ，因此论 文的任务就是在l i n u x 下编写一个完整的驱动程序，使之能够驱动l o b s 节点上 的f p g a 芯片。 为了使接口的设计最为简单化，将节点上的f p g a 芯片的管脚与8 6 0 芯片的 管脚直接相连。即m p c 8 6 0 的地址总线和数据总线分别与f p g a 的相应管脚相 连，这样f p g a 芯片实际上就成为c p u 的外设，f p g a 的s r a m 存储器就成为 设备内存。接口设计也就相应的转化为对于外围设备存储器的控制，这是相对简 单的实现方案。 软件的设计要基于硬件，根据硬件设计的思路，软件接口即驱动程序要实现 的功能如下： 一、在m p c 8 6 0 内部进行内存映射，使f p g a 芯片的片上s r a m 成为m p c 8 6 0 可操作的物理内存。 二、与f p g a 芯片通信，即可以读取f p g a 存储在其s r a m 中的数据并将 来自上层的数据写入f p g a 的s r a m 。 三、与上层应用程序通信，即可以将f p g a 的数据及时传送给协议层，并能 够存储转发上层需要发送给f p g a 的数据。 四、使用中断功能保证读取数据的实时性。 2 2 控制模块接口的功能与结构 北京邮电大学硕士论文 图2 3 控制模块的结构框图 通过上图，可以很直观地看到f p g a 非常类似于m p c 8 6 0 的外围设备。所 以接口的方案就是将f p g a 作为c p u 一个外围设备，而外设与c p u 通信采用的 最为常规的方式就是驱动程序。驱动程序的作用在于：运行在c p u 内存中的应 用程序可以随时调用驱动对外设即f p g a 进行操作。而通信也就是数据的读取和 写入，正是最简单的外设操作方式。 北京邮电大学硕士论文 图2 4 控制模块的功能框图 上图描述了整个o b s 网络的软件架构。其中的应用程序接口及协调管理模 块对应的就是本次设计中控制模块的软件接口。从图中可以看到，它是一个重要 的中间层，它通过地址映射的方式，管理路由、网管、扩展、底层控制( f p g a ) 等四个数据存储区，协调上层模块和底层模块的交互和通信，对底层控制模块来 说，它可以直接从指定的存储区读取由高层维护的路由信息、网管信息来进行处 理，接口模块还可以通过与底层控制模块的共享存储区读取获得系统信息，上层 模块也可通过该模块更改这个共享存储区来实现对整个l o b s 系统信息的高层 配置。 北京邮电大学硕士论文 第三章控制模块接口的软件实现 本章主要是根据上一章的设计方案，进行控制板软件层面上的实现和调试。 内容分三部分：功能模块的设计、具体程序实现相应功能、后期调试工作。下面， 论文分另对这三部分进行论述。 3 1 接口功能模块的设计 根据第二章的设计思路，控制模块要实现四大基本功能，即：内存映射、与 f p g a 通信、与应用程序( 路由和网管) 通信、中断。本节将具体介绍如何将这 四大功能模块融合在驱动程序中。 3 1 1 驱动程序类型的选择 l i n u x 设备驱动程序是内核与硬件间的一层软件接口，实现了高级应用程序 与硬件互动。它可以通过两种方式集成入内核中：一是将其直接编译和静态链接 到内核，二是通过称为l i n u x - 1 2 n 载模块( l k m ) 机制，将其编写成一种目标格式， 实现成为可动态加载和卸载的驱动模块。前者用户可随时调用它而无需安装，但 增加了内核占用空间，并且更新需重编内核、重起系统：后者虽然使用前须先加 载，但是更节省资源且灵活，本论文采用的就是这种常用的设备驱动加载方式。 l i n u x 设备驱动程序有三种类型：字符设备、块设备和网络设备。字符设备 一次i o 操作存取数据量不固定，只能顺序存取，如鼠标、磁带驱动器等设备。 块设备一次v o 操作以固定大小的数据块为单位，如硬盘、软驱等。其中字符设 备不经过系统的快速缓冲，而块设备经过系统的快速缓冲。网络设备是特殊处理 的，它没有对应的设备文件，l i n u x 使用套接e l ( s o c k e t ) ，以文件i d o 方式提供了 对网络数据的访问。其中与文件系统相关的两种类型是字符设备和块设备。【1 8 】 本次设计将f p g a 芯片作为一个字符型的设备对待，即每次操作的对象都是 f p g a 缓存中的某一个或几个字节。之所以不选用块设备驱动，主要是由于它相 对比较复杂，而且它读取大量数据时速度快的优点在本次设计中作用并不突出， 因为上层程序没有一次读取数k 字节的块操作要求。 3 1 2f p g a 芯片与驱动程序的通信 根据第二章的设计思路，运行在f p g a 芯片上的v h d l 程序要想与运行在 c p u 上的应用程序进行通信，必须通过驱动程序这个中介。本节首先介绍f p g a 芯片与驱动程序如何交互数据。 首先，应当将f p g a 芯片的s r a m 缓存映射到m p c 8 6 0 的内存地址中，这 北京邮电大学硕j 二论文 样c p u 才能操作驱动程序对f p g a 的缓存进行读写操作。m p c 8 6 0 共有3 2 根地 址线，也就是说它可控制的内存地址为0 x 0 到0 x f f f i f f f f 在l i n u x 系统中，规定 只有0 x 0 到0 x 4 0 0 0 0 0 0 0 为内存位置，其余的位置实际是由外围设备享有。如果 把f p g a 映射到系统内存的位置上，会产生一个问题：由于系统内存会随机分配 给应用程序使用，所以l i n u x 系统很可能会将f p g a 芯片的s r a m 缓存分配给 某个正在运行的程序，这将会导致读取数据时出现严重错误。所以论文将f p g a 映射到0 x 5 0 0 0 0 0 0 0 位置上，这个位置上的存储器，l i n u x 系统会认为是某个外 围设备自带的内存，不会去主动操作它。 其次，要解决如何绕过l i n u x 系统的内存保护机制读写内存的问题。本论文 使用的p p c l i n u x 是高级的非实时操作系统，对内存的保护非常到位，应用程序 不能对内存进行任何操作，只有隶属于内核空间的l i n u x 驱动程序才可以操作内 存。而且论文要操作的并不是真正意义上的内存，而是外围设备内存，所以需要 使用一些特定的函数，将它转化为可操作的内存。主要有两种办法，一是使用 i o r e m a p 函数，它的作用是将外设的内存映射到c p u 的内存空间中，就是将 0 x 4 0 0 0 0 0 0 0 之后的内存搬移到( 0 x 0 ，0 x 4 0 0 0 0 0 0 0 ) 区问之内，这样c p u 就可以像 对待自己的内存一样对待这些存储器了。对于驱动程序来说，c p u 的内存是可 以任意访问的。二是使用m m a p 函数，它的作用是将一块大小固定的地址空间分 配给某个应用程序，只要这个应用程序不结束，别的程序就不能对这块地址进行 操作。两种方法各有优势，i o m m a p 的优点是方便，在驱动程序中将它和其他函 数封装为一个大型的读写函数，应用程序( 主要是路由) 只需要调用一次即可得 到数据。m m a p 函数主要优点是读取大块数据时速度比较快，但是操作相对复杂， 驱动程序只是提供了这个函数的实现，应用程序( 主要是网管) 调用函数后要自 己控制读取和写入的具体操作。 最后就是具体的读写操作实现了，经过与f p g a 方面的讨论，确定了使用中 断的具体读写方式。即f p g a 将数据写入自己的缓存之后，向c p u 发出中断信 号，c p u 晚应中断信号后，通知驱动程序到约定的地址读取数据，随后双方将 各自计