基于SOPC的EDSL Modem的研制

1 引言

　　目前，xDSL寬帶接入技術(shù)充分利用現(xiàn)有雙絞線資源，為用戶提供非對稱高速通道，尤其是ADSL技術(shù)已被人們廣為接受而成為寬帶接入技術(shù)的主流。然而隨著 IP交換技術(shù)的成熟與發(fā)展，主干網(wǎng)中交換方式將由 ATM逐步向IP交換方式轉(zhuǎn)換，因此基于 ATM的ADSL技術(shù)也日益表現(xiàn)出其本身的局限性。基于此，中國信息產(chǎn)業(yè)部與2003年1月提出了基于IP交換網(wǎng)的EDSL技術(shù)，全稱為基于時分雙工的以太數(shù)字用戶線系統(tǒng)（TDD based Ethernet Digital Subscriber Line System（TDD-EDSL））,它結(jié)合了目前廣為應(yīng)用的兩大通信技術(shù) xDSL和Ethernet 的精華，首次在接入網(wǎng)范疇內(nèi)實現(xiàn)了IP包的直接傳送,中間無ATM信令轉(zhuǎn)換；采用數(shù)據(jù)突發(fā)技術(shù)，應(yīng)用以太網(wǎng)碰撞檢測機(jī)制，帶寬動態(tài)分配,速率高達(dá) 10Mbit/s，第二代EDSL技術(shù)能實現(xiàn)智能頻譜管理，最高速率可達(dá)100Mbit/s；TDD-EDSL實現(xiàn)IP端到端傳送，傳輸距離長，標(biāo)準(zhǔn)距離可到8km，環(huán)路質(zhì)量較好時可到 9km；傳輸效率高，功耗低；完善的網(wǎng)管系統(tǒng)、流量控制和服務(wù)質(zhì)量控制；完全符合 IEEE802.3 Ethernet、YD/T1254-2003 以及ANSI TI 417 頻譜管理標(biāo)準(zhǔn)；安裝簡便，用戶端即插即用，使用10/100/1000Mbit/s以太網(wǎng)接口。

　　獨特的智能頻譜管理技術(shù)和時分雙工模式，大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時也順應(yīng)了主干網(wǎng)IP化的趨勢。與傳統(tǒng) xDSL技術(shù)比較，它不僅克服了 xDSL技術(shù)的許多局限性（如對線路的挑、串?dāng)_等），并且增大了傳輸距離，提高了傳輸效率，EDSL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與ADSL類似，其核心部分是EDSL Modem.

　　在EDSL實現(xiàn)中，本文提出了可剝奪實時內(nèi)核的實時操作系統(tǒng)μC/OS-II[1]和32位精簡指令集軟核處理器 Nios核相結(jié)合的方法,構(gòu)成一種基于可配置的軟核處理器的嵌入式開發(fā)平臺。該平臺軟、硬件均可按照用戶需求進(jìn)行剪裁配置，最大程度地提供了系統(tǒng)設(shè)計的靈活性，具有重要的應(yīng)用價值，本文重點講述基于SOPC的EDSL Modem的實現(xiàn)。

　　2 EDSL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和協(xié)議棧

　　EDSL 的主要技術(shù)特點：(1)IP端到端網(wǎng)絡(luò)；(2)采用時分復(fù)用技術(shù)，雙向帶寬動態(tài)分配；(3)客戶服務(wù)器模式，I P 包無碰撞機(jī)制；(4)數(shù)據(jù)突發(fā)技術(shù)。正是由于以上技術(shù)的采用，使得EDSL技術(shù)不僅克服了xDSL技術(shù)的許多局限性，并且增大了傳輸距離，提高了傳輸效率。EDSL的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與ADSL類似，由位于用戶端的EDSL Modem 和 局端的高密度接入復(fù)用設(shè)備DSLAM(DSL Access Multiplexer)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu) [2]如圖1。

　　EDSL 技術(shù)是基于 IP交換的新型寬帶接入技術(shù)，它結(jié)合了以太網(wǎng)技術(shù)和 xDSL技術(shù)的優(yōu)點，為了充分降低用戶端設(shè)備的復(fù)雜性，使系統(tǒng)易于統(tǒng)一管理，該系統(tǒng)采用了客戶服務(wù)器模式，即用戶端工作在客戶端模式，局端設(shè)備處于服務(wù)器模式，由局端設(shè)備進(jìn)行線路的頻譜管理以及速率自適應(yīng)調(diào)試，得到雙絞線中當(dāng)前所能承受的最大速率以及最佳調(diào)制頻率等參數(shù)，當(dāng)用戶端得 EDSL設(shè)備接收到包含此類信息的信息幀時，根據(jù)接收到的參數(shù)更改自身的參數(shù)，從而達(dá)到最佳工作狀態(tài)。這種模式下無需用戶進(jìn)行設(shè)置即可方便使用，從而大大增強(qiáng)了用戶的易用性。

　　與基于ATM的ADSL技術(shù)相比，EDSL技術(shù)擁有更為簡單的協(xié)議結(jié)構(gòu) [3]。如圖2。

　　3硬件平臺的設(shè)計

　　EDSL Modem硬件平臺的搭建主要使用了 Altera公司的 FPGA Cyclone EP1C6Q240C8芯片，它擁有充足的可編程邏輯資源內(nèi)嵌32位Nios-II軟核處理器來實現(xiàn)整個可編程嵌入式系統(tǒng)。系統(tǒng)的主要功能由FPGA實現(xiàn)，硬件電路除 FPGA外只需加上存儲器件、以太網(wǎng)控制芯片和前端AD/DA轉(zhuǎn)換芯片即可。本系統(tǒng)主要使用了一片 8M Byte Flash,一片16M Byte SDRAM，以及以太網(wǎng)接口控制芯片等作為FPGA的外圍設(shè)備，硬件結(jié)構(gòu)簡單明了，極大提高了系統(tǒng)的可靠性。FPGA系統(tǒng)運(yùn)行時鐘為50MHz，充分保證了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

　　在硬件平臺的搭建中主要用到了Altera公司的Quartus-II與SOPC Builder軟件，其中 Quartus-II能進(jìn)行系統(tǒng)及各邏輯部件的設(shè)計輸入、編譯、仿真、綜合、布局布線，并進(jìn)行位流文件的下載和配置文件的燒錄，以及使用片內(nèi)邏輯分析儀進(jìn)行分析和驗證。 SOPC Builder嵌入在Quartus-II開發(fā)系統(tǒng)內(nèi),是一個自動系統(tǒng)開發(fā)工具,能夠自動進(jìn)行系統(tǒng)定義,完成 SOPC開發(fā)的集成過程。在SOPC Builder 中選取系統(tǒng)所需部件,并自動生成每個部件的系統(tǒng)級HDL文件以及支持部件所需的軟件,如驅(qū)動程序、庫文件和一些實用的應(yīng)用程序等,以供軟件開發(fā) 原型用[4]。

通過SOPC Builder軟件包可以定制32位 Nios-II軟核處理器和基本的Nios-II外設(shè)模塊，如 UART控制器，定時器，F(xiàn)LASH控制器， SDRAM制器等。本文設(shè)計的硬件平臺結(jié)構(gòu)如圖3所示。?

圖 3所示虛線框內(nèi)硬件部分均是在 FPGA內(nèi)實現(xiàn)

　　該系統(tǒng)的嵌入式處理器 Nios-II是 Altera 公司推出的一個用戶可配置的16 位或32 位精簡指令集軟核處理器。Nios-II處理器可以配置成最多支持 64個中斷，包括外部硬件中斷、內(nèi)部中斷以及 TRAP(調(diào)試中斷)。Nios-II 處理器可以配置使用 32位內(nèi)部定時器，通過軟件控制寫入控制寄存器的內(nèi)容來獲得定時工作，與一般的定時器工作原理相同，可以產(chǎn)生定時中斷。

　　Nio-II嵌入式系統(tǒng)中采用 Avalon交換式總線在處理器、外圍設(shè)備和接口電路之間實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，并提供高帶寬數(shù)據(jù)路徑、多路和實時處理能力。 Avalon交換式總線可以通過調(diào)用 SOPC Builder設(shè)計軟件自動生成 [5]。

　　EDSL Modem的核心部分即主收發(fā)器利用 FPGA中的邏輯單元編寫自定義用戶模塊，并生成自定義 IP核，通過 Avalon總線接口與嵌入式處理器相連。該主收發(fā)器共包括了兩個部分：EDSL成幀模塊和 QAM調(diào)制模塊。

　　在 SOPC系統(tǒng)中，除了以上部件，還有片上 ROM、內(nèi)部定時器、 UART串行口、 SRAM、 Flash、以及以太網(wǎng)控制器 LAN91c111接口等系統(tǒng)部件皆由 SOPC builer自動生成。

　　4軟件系統(tǒng)的設(shè)計

　　軟件平臺的開發(fā)是在 Altera公司為 Nios-II 系統(tǒng)定制的 Nios-II IDE系統(tǒng)上展開的， Nios-II IDE是基于 Eclipse IDE的集成開發(fā)環(huán)境，用戶可以在 Nios-II IDE中為 Nios II 系統(tǒng)開發(fā)模塊驅(qū)動程序、板級支持包（ BSP），以及用戶應(yīng)用程序。考慮到 EDSL Modem 的系統(tǒng)控制和高速數(shù)據(jù)傳輸，在該嵌入式平臺中嵌入了實時嵌入式系統(tǒng) uC/OS-II，整個系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖4：

?

　　其中位于 Nios-II硬件平臺之上的是 EDSL Modem各部件的驅(qū)動程序。其上是硬件抽象層（HAL），它是位于應(yīng)用程序和系統(tǒng)硬件之間的一個系統(tǒng)庫（ System Library），在軟件開發(fā)時可以非常方便地使用這些系統(tǒng)庫來與底層硬件通信，而無須關(guān)心的底層硬件實現(xiàn)細(xì)節(jié)。這樣在上層應(yīng)用程序和底層硬件之間就構(gòu)成了明顯的界限，底層驅(qū)動的修改不會對應(yīng)用程序造成任何影響。HAL API（Application Program InteRFace，應(yīng)用程序接口）集成了 ANSIC 的標(biāo)準(zhǔn)庫，它允許應(yīng)用程序使用類似 C庫函數(shù)的方式訪問硬件和文件。

　　實時嵌入式操作系統(tǒng) uC/OS-II 內(nèi)核工作在 HAL的頂部[6]，有了 HAL這一層，基于 uC/OS-II的程序具有更好的可移植性，而且不受底層硬件改變的影響。

　　此外，EDSL Modem的以太網(wǎng)接口通信中，主要在 uC/OS-II中嵌入了 LwIP協(xié)議，LwIP不僅支持一般的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，比如 UDP協(xié)議、DHCP協(xié)議、PPP協(xié)議等，而且還支持多網(wǎng)絡(luò)接口、IPv6和標(biāo)準(zhǔn) API[7]。

　　5結(jié)束語

　　本文介紹了我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的寬帶接入技術(shù)—— TDD-EDSL，并著重介紹了基于 SOPC的 EDSL Modem的軟硬件實現(xiàn)。在商用 ASIC并不完善的情況下，本文使用了軟硬件均可編程的 Nios-II嵌入式系統(tǒng)，縮短了研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本。同時 SOPC也代表了以后產(chǎn)品設(shè)計的發(fā)展方向，具有積極的借鑒意義。本文所設(shè)計的 EDSL Modem各部分已通過了軟件仿真和實驗箱開發(fā)平臺驗證。

　　6創(chuàng)新點

　　將軟硬件均可編程的 Nios-II嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到寬帶領(lǐng)域相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)，大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)成本與研發(fā)周期，避免了研發(fā)過程中對成熟 ASIC的過分依賴。