基于SoC的千兆EPONONU硬件平臺(tái)

1、    基于SoC的千兆EPONONU硬件平臺(tái)1引言PON結(jié)構(gòu)簡單、鋪設(shè)維護(hù)成本低的特點(diǎn)和以太網(wǎng)設(shè)備成熟、廉價(jià)的特點(diǎn)使EPON這項(xiàng)技術(shù)已成為目前解決接入網(wǎng)速率這一瓶頸的最佳方案之一。但在目前國內(nèi)的EPON設(shè)備中，特別是OLT和ONU的芯片仍需從國外廠家進(jìn)口，所以研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的EPON的核心技術(shù)產(chǎn)品是當(dāng)務(wù)之急1。本文根據(jù)上海大學(xué)SHUEPONONUMAC控制芯片的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出了一種千兆ONU硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。并結(jié)合當(dāng)前ASIC設(shè)計(jì)開發(fā)的趨勢，基于SoC的概念嵌入8051處1 引言PON結(jié)構(gòu)簡單、鋪設(shè)維護(hù)成本低的特點(diǎn)和以太網(wǎng)設(shè)備成熟、廉價(jià)

2、的特點(diǎn)使EPON這項(xiàng)技術(shù)已成為目前解決接入網(wǎng)速率這一瓶頸的最佳方案之一。但在目前國內(nèi)的EPON設(shè)備中，特別是OLT和ONU的芯片仍需從國外廠家進(jìn)口，所以研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的EPON的核心技術(shù)產(chǎn)品是當(dāng)務(wù)之急1。本文根據(jù)上海大學(xué)SHU EPON ONU MAC控制芯片的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出了一種千兆ONU硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。并結(jié)合當(dāng)前ASIC設(shè)計(jì)開發(fā)的趨勢，基于SoC的概念嵌入8051處理內(nèi)核。通過此平臺(tái)完善上海大學(xué)SHU     EPON ONU MAC控制芯片。該平臺(tái)不僅在硬件設(shè)計(jì)上留有一定的余量為系統(tǒng)升級(jí)做準(zhǔn)備。而且設(shè)計(jì)時(shí)也考慮到目前ASIC制造工

3、藝的性價(jià)比和局限性問題。2 ONU系統(tǒng)功能簡介EPON系統(tǒng)由光用戶終端ONU、光線路終端OLT、光配線網(wǎng)ODN組成2。ONU位于用戶端，放在住戶，企業(yè)或MDU/MTU(多用戶/租戶單元)處,提供客戶的語音,數(shù)據(jù)和視頻與PON的接口,還提供第二層交換功能。簡言之ONU為用戶提供EPON的接人功能。根據(jù)IEEE802.3ah標(biāo)準(zhǔn)3.ONU作為EPON系統(tǒng)的用戶端接入設(shè)備,主要完成的功能可描述為：選擇接收OLT發(fā)送的廣播數(shù)據(jù)：響應(yīng)OLT發(fā)出的注冊和測距命令：對用戶的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存,向OLT報(bào)告緩存的隊(duì)列情況并在OLT分配的上行發(fā)送窗口中發(fā)送緩存的數(shù)據(jù)：根據(jù)OLT發(fā)出的OAM幀，執(zhí)行相應(yīng)的OAM功

4、能：其它相關(guān)的以太網(wǎng)功能。3 FPGA邏輯結(jié)構(gòu)簡介由于處于ASIC設(shè)計(jì)的前端，采用Altera公司的FPGA EP2C70F672C6作為核心處理單元，并基于這塊FPGA進(jìn)行邏輯代碼的編寫、測試和驗(yàn)證。EPON ONU MAC控制芯片內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)可以分為上行和下行兩部分，下行是數(shù)據(jù)從OLT傳輸?shù)絆NU，上行是數(shù)據(jù)從ONU傳輸?shù)絆LT。接收模塊對下行數(shù)據(jù)進(jìn)行10位轉(zhuǎn)8位碼變換,LLID的濾除和幀校驗(yàn),然后進(jìn)行幀分類。在下行鏈路中,除了有用戶數(shù)據(jù)外,還有MPCP和OAM幀，幀分類模塊把接收模塊處理后的數(shù)據(jù)按類別交給對應(yīng)模塊。同樣上行鏈路中除了用戶數(shù)據(jù)外，還有Register&#

5、160;    Ack幀、Register Request幀、Report幀和OAM幀，上行隊(duì)列管理模塊將它們和從GMII/MII來的用戶數(shù)據(jù)添加LLID后暫存于SDRAM中,復(fù)用控制模塊根據(jù)這些幀的優(yōu)先級(jí),等待發(fā)送控制模塊使能發(fā)送1。GMII/MII切換模塊根據(jù)以太收發(fā)芯片工作速率選擇對應(yīng)邏輯實(shí)現(xiàn)10/100/1000自適應(yīng)應(yīng)用。OAM處理、仲裁和控制模塊響應(yīng)處理經(jīng)過分類后的OAM幀,協(xié)調(diào)和控制相應(yīng)模塊。如圖2所示，該模塊主要由8051內(nèi)核、UART核和RAM等構(gòu)成。核心為源代碼開放的8051IP核,使用Verilog語言編寫，指令體系完全與標(biāo)準(zhǔn)的8051兼容。

6、數(shù)據(jù)交互模塊通過8051     IO端口來實(shí)現(xiàn)OAM模塊對外數(shù)據(jù)傳遞功能。系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制模塊完成整個(gè)ONU系統(tǒng)的初始化，并協(xié)調(diào)控制整個(gè)ONU系統(tǒng)工作。另外加入了中斷產(chǎn)生和定時(shí)器模塊來完善OAM模塊功能，防止異常狀況使系統(tǒng)癱瘓。4 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)根據(jù)上述ONU的功能和FPGA邏輯代碼的編寫需要,ONU的硬件電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。整個(gè)ONU分為三個(gè)部分，一個(gè)面向光網(wǎng)絡(luò)(Plant     Side)，另一個(gè)則面向以太網(wǎng)絡(luò)(Local Side)，還有一個(gè)是處理、協(xié)調(diào)和仲裁的核心單元。對于光網(wǎng)絡(luò)的接入端，ONU是經(jīng)

7、由光模塊接入到ODN網(wǎng)絡(luò)，我們采用Fiberxon公司的ONU突發(fā)激光器FTM-9412P-F10來實(shí)現(xiàn)光模塊,通過Serdes芯片進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，變?yōu)?0位的TBI信號(hào),再利用TBI和EP2C70F672C6進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。以太網(wǎng)絡(luò)的接人是在FPGA之后經(jīng)GMII/MII接口和以太網(wǎng)收發(fā)芯片88E1111相連，實(shí)現(xiàn)千/百/十兆以太網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換。FPGA作為ONU的核心單元。除數(shù)據(jù)傳遞通路外，硬件系統(tǒng)還包括SDRAM、EEPROM、Flash和一個(gè)UART串口。如圖3所示,在Plant Side端，由于從光纖上傳輸?shù)男盘?hào)速率為1.25Gb/s，F(xiàn)PGA直接處理頻率這么高的信號(hào)是不合適的，即使可行對于后期的ASIC芯片工藝設(shè)計(jì)也不容易實(shí)現(xiàn)。所以在FPGA之前加入一個(gè)串并變換模塊，此模塊通過一個(gè)Serdes芯片TLK2201A實(shí)現(xiàn)1.25Gb/s串行數(shù)據(jù)與10位125