針對(duì)通道化0C48 POS線卡提出的基于PM5360和FPGA的設(shè)計(jì)方案

SDH技術(shù)是最重要的寬帶傳輸技術(shù)，該技術(shù)也是一種光纖傳輸體制，它以同步傳送模塊（STM-1,155Mbit/s）為基本概念，其模塊由信息凈負(fù)荷（payload）、段開銷（SOH）、管理單元指針（AU）構(gòu)成，其突出特點(diǎn)是利用虛容器方式兼容各種PDH體系。SDH傳輸網(wǎng)具有智能化的路由配置能力、上下電路方便、維護(hù)監(jiān)控管理能力強(qiáng)、光接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一等優(yōu)點(diǎn)。SDH（Synchronous Digital Hierarchy,同步數(shù)字系列）光端機(jī)容量較大，一般是16E1到4032E1. SDH是一種將復(fù)接、線路傳輸及交換功能融為一體、并由統(tǒng)一網(wǎng)管系統(tǒng)操作的綜合信息傳送網(wǎng)絡(luò)，是美國(guó)貝爾通信技術(shù)研究所提出來的同步光網(wǎng)絡(luò)（SONET）。國(guó)際電話電報(bào)咨詢委員會(huì)（CCITT）（現(xiàn)ITU-T）于1988年接受了SONET 概念并重新命名為SDH,使其成為不僅適用于光纖也適用于微波和衛(wèi)星傳輸?shù)耐ㄓ眉夹g(shù)體制。 它可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)有效管理、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)監(jiān)控、動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、不同廠商設(shè)備間的互通等多項(xiàng)功能，能大大提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率、降低管理及維護(hù)費(fèi)用、實(shí)現(xiàn)靈活可靠和高效的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行與維護(hù)，因此是當(dāng)今世界信息領(lǐng)域在傳輸技術(shù)方面的發(fā)展和應(yīng)用的熱點(diǎn)，受到人們的廣泛重視。

在實(shí)際使用中，SDH信號(hào)有2種：一種是整體信號(hào)（concatenated mode,在其速率等級(jí)標(biāo)識(shí)中以"c"結(jié)尾），這種信號(hào)直接采用高階虛容器進(jìn)行數(shù)據(jù)映射，因此無法將其明確的分為多個(gè)155 M或者622 M信號(hào)；另一種是通道化信號(hào)（channelized mode,在其速率等級(jí)結(jié)尾處沒有"c"），這種信號(hào)是由低階虛容器逐級(jí)映射而得到，因此對(duì)STM-16信號(hào)，它可通過區(qū)分幀結(jié)構(gòu)內(nèi)部的字節(jié)陣列來得到多個(gè)155 M信號(hào)或者622 M信號(hào)。

對(duì)應(yīng)于上述2種SDH信號(hào)，在POS傳輸中有2類線卡，一類用于處理整體SDH信號(hào)，一類用于處理通道化POS信號(hào)，這里重點(diǎn)討論后者。通道化POS線卡在目前主要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商的產(chǎn)品目錄里較少提及，但是其應(yīng)用領(lǐng)域卻越來越廣。隨著寬帶接入需求的不斷發(fā)展，許多企事業(yè)單位都需要租用獨(dú)享的鏈路，通道化的 POS不僅能夠滿足這一要求，而且由于其對(duì)信號(hào)的匯聚能力強(qiáng)。

本文首先對(duì)通道化0C48（2.5 G）的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行分析，據(jù)此提出了基于PM5360和FPGA的整體設(shè)計(jì)方案，鑒于鏈路層處理器件PM5360在設(shè)計(jì)中的獨(dú)到之處以及使用中的難點(diǎn)，論文重點(diǎn)分析了其使用要點(diǎn)和難點(diǎn)，并給出了能夠靈活支持多種模式的芯片配置方法和軟件設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)需求分析

0C48通道化線卡的設(shè)計(jì)除需要滿足通道化POS信號(hào)的處理需求外，還需要根據(jù)其可能的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步確定，主要包括：1）能夠?qū)νǖ阑疧C48信號(hào)進(jìn)行最小粒度為0C3的處理，需要支持單一OC3、單一OCl2以及混合方式，通道化0C48模式下的每個(gè)0C12能夠進(jìn)一步通道化為更細(xì)粒度的4個(gè) 0C3;2）兼容非通道化的0C3c、OCl2c、OC48c信號(hào)處理；3）支持上述工作模式的動(dòng)態(tài)配置；4）支持IP包的線速處理。

2 整體方案

由于需要滿足支持OC-3、OC-12和OC-48 3種不同速率的POS接口，因此選用Sumitomo Eleetric公司的SCP6802-GL和SCP6808-GL 2種型號(hào)的光器件，完成光電轉(zhuǎn)換功能。其中SCP6802-GL支持155 M/622M 2種POS接入速率，SCP6808-GL支持2.5 G POS接入速率，2種器件的封裝兼容，且支持熱插拔，可以根據(jù)接口需求方便的轉(zhuǎn)換。

鏈路層處理是線卡要完成的關(guān)鍵功能，根據(jù)需求分析，這里選用PMC公司的PM5360為主處理器，該器件采用"成幀器與物理接口一體化"設(shè)計(jì)思路，將鏈路層處理和物理層處理功能集成在單一芯片內(nèi)部。

該器件支持l路OC48,或支持總速率不超過OC48的4路OC3與0C12的任意組合，并支持接口工作模式的動(dòng)態(tài)改變；根據(jù)Internet工程任務(wù)組 （IETF）PPP工作組的RFC 2615（1619）/1662,執(zhí)行基于SONET/SDH規(guī)范的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議（PPP）：為POS或ATM應(yīng)用提供SATURN POS-PHY第3層32位系統(tǒng)接口（時(shí)鐘頻率高達(dá)104 MHz），即標(biāo)準(zhǔn)的SPl3接口；支持每個(gè)傳輸串行流的獨(dú)立環(huán)路時(shí)鐘工作方式；支持從每條線路端接收流至相應(yīng)傳輸流的獨(dú)立線路環(huán)回，以及支持從線路端傳輸流至相應(yīng)線路端接收流接口的獨(dú)立診斷環(huán)回。

報(bào)文處理模塊采用FPGA完成，根據(jù)對(duì)資源需求的估算，選擇Xilinx公司的Virtex-II XC2VP70實(shí)現(xiàn)。在FPGA內(nèi)部完成對(duì)于PPP幀的處理，此外，板級(jí)處理機(jī)還利用FPGA完成對(duì)各關(guān)鍵器件的初始化及相關(guān)配置。

PM5360通過一組SPI-3接口經(jīng)接口適配模塊進(jìn)入FPGA內(nèi)部。根據(jù)系統(tǒng)管理需求，線卡通過MPC860完成控制管理功能，基于VxWorks操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)板級(jí)軟件，完成初始化、各模塊配置、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)信息上報(bào)等功能。

3 PM5360應(yīng)用要點(diǎn)與難點(diǎn)

由于PM5360集成的功能豐富，其內(nèi)部電路復(fù)雜，可配置寄存器數(shù)量超過2 000個(gè)，因此其應(yīng)用難度較大。根據(jù)筆者的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，下面對(duì)該器件在通道化應(yīng)用下的難點(diǎn)進(jìn)行解釋，主要包括間接寄存器讀寫方法及調(diào)度機(jī)的設(shè)計(jì)等。

在PM5350的寄存器里，除了能夠直接按照訪存方式讀寫的寄存器外，還有大量間接寄存器，此類寄存器對(duì)POS模式下的器件工作方式尤為重要，但其配置方式特殊，因此本文對(duì)其使用要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，如圖2所示。

在PM5360內(nèi)部有一個(gè)內(nèi)置調(diào)度機(jī)，負(fù)責(zé)按照配置好的調(diào)度順序讀取各個(gè)通道的數(shù)據(jù)并放人接口緩存中，由于該芯片采用物理標(biāo)識(shí)（PHID）和內(nèi)部通道號(hào)同時(shí)存在的設(shè)計(jì)思路，而且通道化應(yīng)用下單個(gè)物理通道內(nèi)具有多個(gè)數(shù)據(jù)流，因此調(diào)度機(jī)的設(shè)計(jì)更復(fù)雜。

表1總結(jié)了調(diào)度機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，具體應(yīng)用中，根據(jù)需要的模式將該表中的相應(yīng)數(shù)值和對(duì)應(yīng)的物理標(biāo)識(shí)通過間接寄存器接口寫入地址為0x0335的寄存器。

另外，在應(yīng)用中需要注意的是，PM5360在每個(gè)通道內(nèi)都置有2組并行的模塊：xCFP和xTDP.其中xCFP包括RCFP（接收方向信元和幀處理器） 和TCFP（發(fā)送方向信元和幀處理器），xCFP用于0C12和OC48模式下的數(shù)據(jù)處理。xTDP包括RTDP（接收方向時(shí)間片數(shù)據(jù)通信處理器）和TTDP（發(fā)送方向時(shí)間片數(shù)據(jù)通信處理器），用于OC3模式下的數(shù)據(jù)處理。

值得指出的是，由于PM5360內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模塊眾多，同時(shí)數(shù)據(jù)處理路徑上的許多單元具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，因此廠家建議了一個(gè)較為嚴(yán)格的復(fù)位與配置順序，基本原則可以總結(jié)為"按照數(shù)據(jù)流向，先完成邏輯單元配置，再完成物理單元配置，最后使能功能模塊",在實(shí)際中應(yīng)照此原則執(zhí)行。

4 支持動(dòng)態(tài)模式的PM5360配置軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的線卡支持多種工作模式，因此要求PM5360能夠根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)改變其內(nèi)部寄存器配置，本部分給出其配置函數(shù)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。圖3是支持動(dòng)態(tài)模式的 PM5360配置函數(shù)。

該函數(shù)的基本形式為：PM5350_Config（unsigned charmode,unsigned char pathO_mode,unsigned char pathl_mode,unsigned char path2_mode,unsigned ehar path3_mode）。該函數(shù)的5個(gè)參數(shù)均為unsigned char類型，其中第1個(gè)參數(shù)mode用于指示器件處于通道化工作狀態(tài)還是非通道化狀態(tài)，其余4個(gè)函數(shù)分別代表其4個(gè)通道的工作狀態(tài)。

根據(jù)路由器的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，線卡等功能部件通過內(nèi)部通信系統(tǒng)與主控聯(lián)系，獲取配置信息，并實(shí)時(shí)上報(bào)自身的運(yùn)行狀態(tài)信息和相關(guān)統(tǒng)計(jì)信息。

5 性能測(cè)試

為了測(cè)試通道化單板的功能和性能，設(shè)計(jì)如圖4所示的測(cè)試方案。其基本原理是：按照該線卡在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用特征，由測(cè)試控制臺(tái)發(fā)出命令控制網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái) AX4000按照所需模式發(fā)送數(shù)據(jù)至待測(cè)線卡，線卡接收數(shù)據(jù)后按照其內(nèi)部處理機(jī)制完成報(bào)文處理。

測(cè)試的主要內(nèi)容是通道化混合信道類型支持能力，具體指標(biāo)包括丟包率、時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)等。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的線卡能夠支持需求分析所提出的全部功能指標(biāo)，并且在100%鏈路利用率下，能夠線速處理全部報(bào)文，丟包率為0,且各種性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。表2給出了時(shí)延測(cè)試結(jié)果。

6 結(jié)束語

本文基于PM5360和FPGA設(shè)計(jì)通道化OC48線卡，討論設(shè)計(jì)需求，給出總體設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)分析PM5360的使用要點(diǎn)和難點(diǎn)，并給出能夠動(dòng)態(tài)變換工作模式的芯片配置方法。