基于SOPC的EDSL Modem的研制

1、基于sopc的edsl modem的研制目前，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)的成熟與進展，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)合了目前廣為應用的兩大通信技術(shù) xdsl

2、和ethernet 的精華，首次在接入網(wǎng)范疇內(nèi)實現(xiàn)了ip包的挺直傳送,中間無atm信令轉(zhuǎn)換；采納數(shù)據(jù)突發(fā)技術(shù)，應用以太網(wǎng)碰撞檢測機制，帶寬動態(tài)分配,速率高達 10mbit/s，其次代edsl技術(shù)能實現(xiàn)智能頻譜管理，最高速率可達100mbit/s；tdd-edsl實現(xiàn)ip端到端傳送，傳輸距離長，標準距離可到8km，環(huán)路質(zhì)量較好時可到 9km；傳輸效率高，功耗低；完美的網(wǎng)管系統(tǒng)、流量控制和服務質(zhì)量控制；徹低符合 ieee802.3 ethernet、yd/t1254-2003 以及ansi ti 417 頻譜管理標準；安裝簡便，用戶端即插即用，用法10/100/1000mbit/s以太網(wǎng)接口。獨特

3、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、串擾等），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)c/os-ii和32位精簡命令集軟核處理器 nios核相結(jié)合的辦法,構(gòu)成一種基于可配置的軟核處理器的開發(fā)平臺。該平臺軟、硬件均可根據(jù)用戶需求舉行剪裁配置，最大程度地提供了系統(tǒng)設計的靈便性，具有重要的應用價值，本文重點敘述基于sopc的edsl modem的實現(xiàn)。2

4、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；(2)采納時分復用技術(shù)，雙向帶寬動態(tài)分配；(3)客戶服務器模式，i p 包無碰撞機制；(4)數(shù)據(jù)突發(fā)技術(shù)。正是因為以上技術(shù)的采納，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用設備dslam(dsl access multiplexer)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu) 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備的復雜性，使系統(tǒng)易于統(tǒng)

5、一管理，該系統(tǒng)采納了客戶服務器模式，即用戶端工作在客戶端模式，局端設備處于服務器模式，由局端設備舉行線路的頻譜管理以及速率自適應調(diào)試，得到雙絞線中當前所能承受的最大速率以及最佳調(diào)制頻率等參數(shù)，當用戶端得 edsl設備接收到包含此類信息的信息幀時，按照接收到的參數(shù)更改自身的參數(shù)，從而達到最佳工作狀態(tài)。這種模式下無需用戶舉行設置即可便利用法，從而大大增加了用戶的易用性。與基于atm的adsl技術(shù)相比，edsl技術(shù)擁有更為容易的協(xié)議結(jié)構(gòu) 。2。3 硬件平臺的設計edsl modem硬件平臺的搭建主要用法了 公司的 cyclone ep1c6q240c8芯片，它擁有充沛的可編程規(guī)律資源內(nèi)嵌32位nio

6、s-ii軟核處理器來實現(xiàn)囫圇可編程嵌入式系統(tǒng)。系統(tǒng)的主要功能由fpga實現(xiàn)，硬件除 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)主要用法了一片 8m byte flash,一片16m byte sdram，以及以太網(wǎng)接口控制芯片等作為fpga的外圍設備，硬件結(jié)構(gòu)容易明白，極大提高了系統(tǒng)的牢靠性。fpga系統(tǒng)運行時鐘為50mhz，充分保證了系統(tǒng)的運行速度。在硬件平臺的搭建中主要用到了altera公司的-ii與sopc builder軟件，其中 quartus-ii能舉行系統(tǒng)及各規(guī)律部件的設計輸入、編譯、綜合、布局布線，并舉行位流文件的下載和配置文件的燒錄，以及用

7、法片內(nèi)規(guī)律分析儀舉行分析和驗證。 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,能夠自動舉行系統(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、庫文件和一些有用的應用程序等,以供軟件開發(fā)原型用。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外設模塊，如 uart控制器，定時器，flash控制器， sdram制器等。本文設計的硬件平臺結(jié)構(gòu)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

8、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 位精簡命令集軟核處理器。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 處理器可以配置用法 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，與普通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)中采納 avalon交換式在處理器、外圍設備和接口電路之間實現(xiàn)網(wǎng)絡銜接，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設計軟件自動生成 。edsl mod

9、em的核心部分即主利用 fpga中的規(guī)律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)上綻開的， nios-ii ide是基于 eclipse ide的集成開發(fā)環(huán)境，用戶可以在 ni

10、os-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，囫圇系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)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)時可以十分便利地用法這些系統(tǒng)庫來與底層硬件通信，而無須關(guān)懷的底層硬件實現(xiàn)詳情。這樣在上層應用程序和底層硬件之間就構(gòu)成了顯然的界限，底層驅(qū)動的修改不會對應用程序造成

11、任何影響。hal api（application program interface，應用程序接口）集成了 ansic 的標準庫，它允許應用程序用法類似 c庫函數(shù)的方式拜訪硬件和文件。實時嵌入式操作系統(tǒng) uc/os-ii 內(nèi)核工作在 hal的頂部，有了 hal這一層，基于 uc/os-ii的程序具有更好的可移植性，而且不受底層硬件轉(zhuǎn)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不僅支持普通的網(wǎng)絡協(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)絡接口、ipv6和標準 api。5 結(jié)束語本文介紹了我國擁有自主學問產(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并不完美的狀況下，本文用法了軟硬件均可編程的 nios-ii嵌入式系統(tǒng)，縮短了