如何采用FPGA来实现UTOPIA LEVEL2主接口的发送和接收模块？

　　1 引言
　　在ADSL系统中，由DSLAM（数字用户接入复用器）完成ATM的终结和路由。该模型分为4层，自上而下分为高层、从AAL层、ATM层和物理层。这里高层是指RFCl483及其以上各层，AAL层（ATM适配层）又分为拆分与组装子层（SAR）和汇聚子层（CS）两个子层，ATM层主要完成信元复用、解复用、有关信元头的操作以及流控等功能，物理层的主要任务是物理线路编码和信息传输。UTOPIA接口（ATM的通用测试和操作物理接口）位于ATM层和物理层之间，规范ATM层和物理层之问的信号电平和时序定义；作为一种标准的高速接口，UTOPIA接口是连接物理层和ATM层的纽带，共分为LEVELl、2、3、4四级，每一级都是在前一级的基础上加强了某些功能，使得这四级分别应用于芯片级、板级、设备级和系统级连接。
　　目前，在国内外的应用系统中，ATM功能和UTOPIA接口都由一些技术成熟的专用通信处理芯片来完成，如Motorola公司MPC866系列处理器等，成本较高，功能固定，灵活性较差；国外一些FPGA芯片设计厂商，如美国的Ahera公司逐渐设计出了一些这方面的megafunctions（兆功能函数库），支持在一些新型号的FPGA芯片应用，但是不像Ahera提供的一些常用函数库，这些专用函数库是要付费的。
　　本课题来源于学校和公司合作课题，采用Altera公司Cyclom系列FPGA来实现ATM层UTOPIA LEVEL2主接口，与物理层UTOPIA从接口连接。FPGA较高的性价比、开发周期短和功能灵活等优势使本课题的实现具有较大的实际意义。
　　2 UTOPIA LEVEL2接口功能和时序分析
　　2．1接口功能描述
　　UTOPIA接口是连接ATM层和物理层的接口，允许物理层以不同的速度在不同的媒质上进行数据传输，它包括收发数据端口、控制信号和地址信号。UTOPIA LEVELI和LEVEL2主要在地址信号的定义上有所不同，其中LEVELl未定义地址信号，主要针对Single-PHY的情况，最大工作频率25MHz，支持物理层传输速率达到155Mbps，能够很好地支持OC-1、OC-3等同步数字网的典型传输速率；LEVEL2针对Multi-PHY的情况，比LEVELI多了两组地址信号，最多支持31个PHY端口（地址0-30，地址3l起端口分隔作用），最大工作频率50MHz，支持物理层传输速率达到622Mbps，能够很好地支持OC-12、OC-12c等同步数字网的典型传输速率。
　　ATM论坛UTOPIA LEVEL2接口规范的ATM层和物理层连接参考结构如图1。本课题采用的是B类连接结构，即1个AIM层连接多个物理层端口。
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　　图1连接参考结构图
　　2．2接口时序分析
　　UTOPIA LEVEL2接口分为发送（TX）和接收（RX）两两组接口，参考点为ATM层，其中TX的方向为ATM层到物理层．RX方向为物理层到ATM层。接口支持两种传输方式。第一种是字节级握手传输方式，它是以字节为基本单位进行传输的，控制信号是以字节和ATM信元为基础的；第二种是信元级握手传输方式，它是以信元为基础的。本设计当中采用了只有1个TxClav信号和1个RxClav信号的接13方式和基于信元级的握手传输方式，8位数据总线宽度。
　　2．2．1发送接口时序
　　UTOPIA LEVEL2发送接口包括如下信号：
　　TxData（7.0）字节宽度的数据信号，由ATM层传送到物理层。
　　Txsoc：信元起始信号，当TxData上出现信元的第一个有效字节时，由ATM层把TxSoc置为高电平。
　　TxEnb*：传输使能信号，TxData上包含有效信元数据时，由ATM层把TxEnb*置为低电平。
　　TxFull*／TxClav：满／信元可用信号，对于字节级流控制，TxFull*是物理层发向ATM层的低电平信号，表明物理层最多还能接纳4个字节。对于信元级流控制，TxCIav由物理层发向ATM层，置高表示物理层可以接收一个完整的信元。
　　TxClk：时钟信号，ATM层发向物理层的数据传输侗步时钟。
　　TxAddr［4..0］：地址信号，是ATM层发向MPHY层的5位信号，用以选择MPHY端口。
　　另外还有两个可选信号：TxPrty用于奇偶校验，TxRef*为同步设置。
　　这些信号必须满足如图2所示的时序关系，才能正确实现发送接口功能。
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　　图2信元级发送接口时序图
　　如图2，N-3、N-2、N-1、N、N+1、N+2、N+3为已配置的物理层端口地址，ATM层通过TxAddr［4..0］发出地址轮询信号：N-3，1F，N-2．1F，N-1，1F，N，1F，⋯，如果某一个端口的物理地址在被轮询到时，恰好有空闲的接收缓存，则向ATM层发出一个有效的TxClav信号；如果此时ATM层有信元要发送，将有效的端13地址送上地址线TxAddr［4..0］，在下一个周期置TxEnb信号有效，同时发出TxSoc信号，表示信元开始发送，在TxData［7..0］上发送信元数据。在发送信元过程中，继续轮询物理层端口，但对当前正在发送的端口在数据P44之前检测到的Txclav信号无效。
　　2．2．2接收接口时序
　　UTOPIA LEVEL2接收接口包括如下信号：
　　RxData［7..0］：字节宽度的数据信号，由物理层传到ATM层。
　　RxSoc：信元起始信号，表示信元的第一个数据已经出现。
　　RxEnb*：传输使能信号，RxData上包含有效数据时，由AIM层把TxErib*置为低电平。
　　RxEmpry*／RxClav：空／信元可用信号，对于字节级流控制，RxEmpty*是物理层发向ATM层的低电平信号，表明物理层已经没有有效数据发送。对于信元级流控制，RxClav由物理层发向ATM层．置高表示物理层有—个完整吲高元传输给A1’M层。
　　RxClk：时钟信号，ATM层发向物理层的数据传输侗步时钟。
　　RxAddr［4..0］：地址信号，是ATM层发向MPHY层的5位信号，用以选择MPHY端口。
　　另外还有两个可选信号：RxPrty用于奇偶校验，RxRef*为同步设置。
　　这些信号必须满足如图3所示的时序关系，才能正确实现接收接口功能。
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　　图3信元级接收接口时序图
　　如图3，ATM层通过RxAddr［4..0］发出地址轮询信号：N-3，1F，N-2，1F，N-1，lF，N，lF，⋯，当被轮询的物理层端口有信元要发时，向ATM层发出一个有效的RxClav信号；如果此时ATM层有空闲的缓存时，将有效的端口地址送上地址线RxAddr［4..0］，并置RxEnb信号为有效，在此有效期间，物理层有效端口发出RxSoc信号表示信元开始发送，信元数据开始在RxData［7..0］数据线上传输。在接收信元过程中，继续轮询其他物理层端口，RxClav在本端口接收过程中不被轮询，因为RxClav一直有效至当前信元接收结束。
　　3 UTOPIA LEVEL2接口的FPGA实现
　　在以上对UTOPIA LEVEL2接口信号的功能描述和时序分析的基础上，本设计采用FPGA通过VHDL编程来实现，开发平台为Altera公司的Quartus II 5.1。
　　3．1发送模块设计
　　首先利用Altera公司megafunctions生成一个发送FIFO，缓存ATM层需要发送的信元；然后用VHDL编程设计发送控制模块，通过地址信号轮询PHY层状态，根据ATM层的UTOPIA控制信号、物理层的控制信号以及发送FTF0的状态信号，控制信元一个一个地从ATM层发送到物理层，该模块仿真时序如图4，符合图2的时序要求。最后将仿真通过的控制逻辑模块工程生成符号文件和发送FIFO对接起来，完成发送模块的设计。
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　　图4发送模块仿真时序
　　3．2接收模块设计
　　首先利用Altera公司megafunctiotts生成一个接收FIFO，缓存从PHY层接收来的信元；然后用VHDL编程设计接收控制模块，通过地址信号轮询PHY层状态，根据ATM层的UTOPIA控制信号、物理层的控制信号以及接收FIFO的状态信号，控制信元一个一个地从物理层传送到ATM的FIFO中，该模块仿真时序如图6，符合图3的时序要求。最后将仿真通过的控制逻辑模块工程生成符号文件和接收FIFO对接起来，完成接收模块的设计
　　4 结论
　　本文作者创新点在于通过详细分析ATM层和物理层之间UTOPIA LEVEL2接口时序后，采用FPGA实现了该接口的发送和接收模块，具有开发周期短、灵活性好、性价比高等优点。设计好的FPGA芯片在实际的硬件平台与物理层设备对接测试中，数据收发正确，工作稳定，证明FPGA实现的UTOPIA LEVEL2接口是正确的，为替代专用的通信处理芯片迈出了成功的一步。