面向下一代網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)關(guān)接口芯片設計與實(shí)現

摘 要：本文重點(diǎn)介紹了NGN網(wǎng)關(guān)設備上核心接口芯片的基本原理和設計方法，該芯片能夠提供業(yè)務(wù)數據格式的轉換、信令處理、CPU接口映射等功能，采用Spartan3系列FPGA實(shí)現，經(jīng)過(guò)系統測試，完全符合要求。
關(guān)鍵詞：下一代網(wǎng)絡(luò )；網(wǎng)關(guān)；CPU總線(xiàn)

前言
下一代網(wǎng)絡(luò )(NGN- Next Generation Network)是以IP為核心，可以同時(shí)支持語(yǔ)音、數據和多媒體業(yè)務(wù)的融合網(wǎng)絡(luò )，是通信網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展方向。傳統的以電路交換為核心的設備正逐漸被以IP為核心的網(wǎng)絡(luò )設備所替代。在這種演變過(guò)程中，設計一種能夠提供PSTN與NGN無(wú)縫連接的網(wǎng)關(guān)設備，從而實(shí)現以較低的成本向NGN網(wǎng)絡(luò )平滑過(guò)渡是目前各通訊設備制造商的重要研究課題。本文重點(diǎn)介紹了網(wǎng)關(guān)接口設備中核心器件，即NGN網(wǎng)關(guān)接口芯片的設計方法以及在Xilinx的Spartan3 XCS1000中的實(shí)現。

方案介紹
在本方案中，網(wǎng)關(guān)接口設備的主要功能是由網(wǎng)關(guān)接口板IP_GATEWAY所實(shí)現，包括母板與子板兩部分，其中母板部分主要完成傳統的語(yǔ)音和數據部分的格式轉換以及信令處理，子板主要完成與媒體網(wǎng)關(guān)控制器MGC(Media Gateway Controller)的通信與控制功能，如H.248/Megaco 協(xié)議的處理、連接的建立與釋放等。其基本結構如圖1所示，母板部分主要包括CPU-AMD Elan520，專(zhuān)用處理芯片OBCI3、以太網(wǎng)接口芯片、FPGA控制芯片、PCI橋、交換芯片TDM、板上RAM/ROM，以及時(shí)鐘、電源等模塊；子板部分(Gateway Blade)主要包括CPU-BCM1122，以太網(wǎng)交換芯片以及兩個(gè)DSP。限于篇幅，不做過(guò)多介紹。

如圖1所示，FPGA控制芯片(CLTA)處于整個(gè)母板的核心地位，其主要功能包括：語(yǔ)音和數據格式轉換，即將來(lái)自終端控制板的PCM格式語(yǔ)音和數據轉化為適用于TDM芯片的ST_BUS總線(xiàn)格式； AMD-Elan520的CPU讀寫(xiě)邏輯映射以及SRAM存取，DMA模式控制；OBCI3接口控制；線(xiàn)路端編解碼功能。

圖1 網(wǎng)關(guān)接口板功能結構圖

設計描述
FPGA的主要功能模塊如圖2所示。處于框圖上端的部分主要是數據流處理部分，主要完成數據格式轉換以及信令提取和傳遞功能，同時(shí)還包括線(xiàn)路端的編解碼功能；右邊主要是控制部分，完成CPU對FPGA、OBCI3芯片以及片外SRAM的存取和控制功能；左下部分主要是FPGA寄存器模塊以及如Flash保護，系統報警處理等輔助模塊。

圖2 FPGA內部功能結構圖

數據流
從數據流角度看，FPGA包括與專(zhuān)用處理芯片OBCI3 相連的MasterLink[A,B]，與終端控制板相連的Serial Link[0-5]，與TDM芯片相連的ST_Link[0-11]。為提高網(wǎng)關(guān)接口設備的可靠性，所有的數據流都包括A、B兩路，分別來(lái)自主/備用設備，當其中一路發(fā)生故障時(shí)，系統自動(dòng)切換到另外一路。以上行數據為例，從終端控制板來(lái)的Serial Link共分6路，其中每一路數據格式都是由A、B兩路經(jīng)過(guò)Manchester編碼過(guò)的復用數據，A/B路復用數據在Coder/Decoder模塊中經(jīng)過(guò)線(xiàn)路端解碼，恢復出A 、B兩路Cluster Link數據，該數據采用PCM格式，其速率為4MHz，共分為32 個(gè)PCM 信道，每個(gè)信道16位，其中CH0 用于同步信道，CH16 用于信令信道，其它信道可以承載語(yǔ)音和數據，又叫SPATA 信道。16位的SPATA 信道包含了8位的語(yǔ)音編碼和協(xié)議位，CH0包含同步編碼，如表1所示：其中PP 是協(xié)議比特，當有告警時(shí)PP=11，否則為00，A=1時(shí)表明存在軟件或硬件告警，M=1 時(shí)表明存在摘掛機事件。其中，13 、12以及7 ~4為同步位，當上下游接口芯片以每125ms的間隔固定檢測到同步碼的時(shí)候，整個(gè)系統處于完全同步狀態(tài)，否則，對端芯片會(huì )在CH16發(fā)出遠端告警，用于通知網(wǎng)關(guān)設備進(jìn)行故障處理。

圖3 控制狀態(tài)機

CH16 是16位寬的控制信道，用于發(fā)送控制命令包或接收反饋包，用于控制終端控制板的操作。MasterLink 只承載同步和信令信道，不包括SPATA 信道，MasterLink 也包含A B兩條鏈路。ST_Link是與TDM芯片相連的TDM 鏈路，滿(mǎn)足標準ST-BUS 的接口要求，只承載8位的語(yǔ)音信道。FPGA將前述Serial Link經(jīng)過(guò)Manchester解碼后分離的A/B路數據分別進(jìn)行8位數據提取，然后按照ST_BUS總線(xiàn)的格式分別放到各自對應的通道中，共12路ST_link數據。具體實(shí)現上，采用2個(gè)雙口RAM，進(jìn)行數據緩存后，按照ST_BUS格式按序讀出。反之，FPGA進(jìn)行ST_BUS到Serial Link的擴展。

圖4 GPBUS與386總線(xiàn)映射關(guān)系

由于CH0中包含報警以及摘掛機信息，因此，6路Serial Link中的CH0被按位或運算后發(fā)送給OBCI3，由OBCI3進(jìn)行相應的檢測和處理。反方向則將MasterLink 中來(lái)自OBCI3的CH0 廣播到同組各個(gè)Serial link中的CH0，以提供同步功能。另一方面，MasterLink 上的兩個(gè)CH16 用于控制遠端終端控制板，CPU產(chǎn)生的控制信令通過(guò)OBCI3芯片，傳送到MasterLink的CH16 信道上，并由FPGA廣播到相應Serial Link 的CH16 中，相反方向，Serial Link的CH16信道中來(lái)自遠端終端控制板的反饋?lái)憫?，通過(guò)FPGA轉發(fā)到MasterLink 的CH16 中，由OBCI3 接收，交給CPU處理。因此，最終ST_BUS上只包含SPATA的負荷，MasterLink只包含信令消息。通過(guò)TDM芯片，ST_BUS上的SPATA 信道進(jìn)行一級交換后進(jìn)入子板進(jìn)行語(yǔ)音壓縮、IP成包等后續處理。

控制流
如圖1所示，母板上采用了AMD公司的Elan520，由于該CPU采用的是專(zhuān)用的GP_BUS總線(xiàn)協(xié)議，與片外SRAM通訊需做一定處理。另外，OBCI3是我們自行設計的專(zhuān)用處理芯片，其CPU總線(xiàn)接口采用Intel-386總線(xiàn)協(xié)議格式，因此，FPGA必須提供兩組總線(xiàn)讀寫(xiě)操作之間的邏輯映射。同時(shí)，OBCI3本身支持DMA模式存取SRAM，因此，FPGA還必須提供DMA接口的控制功能。

圖3是在FPGA具體實(shí)現中所采用的狀態(tài)機，系統共有4個(gè)狀態(tài)，狀態(tài)翻轉的信號見(jiàn)圖3右下側，低為有效。當CPU沒(méi)有總線(xiàn)操作時(shí)，系統為空閑狀態(tài)；當CPU需要進(jìn)行SRAM操作時(shí)，SRAM片選信號有效，系統進(jìn)入OBC SRAM 存取狀態(tài)，在此狀態(tài)下，FPGA將CPU的操作映射為標準的SRAM時(shí)序，從而完成SRAM的讀寫(xiě)操作。FPGA同時(shí)監測OBCI3的DMA請求信號，當狀態(tài)為OBCI3 SRAM 存取時(shí)，如果CPU授權DMA請求，FPGA則激活OBCI3的HOLD_OUT信號，使OBCI3獲得系統總線(xiàn)控制權，并啟動(dòng)DMA模式直接存取片外SRAM，從而大大加快了系統處理的速度。當CPU需要與OBCI3進(jìn)行通訊的時(shí)候，系統進(jìn)入OBCI3 存取狀態(tài)，在該狀態(tài)下，FPGA將異步的GPBUS總線(xiàn)邏輯的讀寫(xiě)操作映射為同步的Intel-386接口時(shí)序，見(jiàn)圖4。圖中上半部分是GPBUS的讀寫(xiě)時(shí)序，而下半部分則是經(jīng)過(guò)FPGA映射后輸出的標準386 CPU接口時(shí)序。圖中箭頭標明了兩組總線(xiàn)控制信號之間的時(shí)序關(guān)系。

設計實(shí)現
本設計采用Xilinx的Spartan3-XCS1000實(shí)現。Spartan3系列器件采用90nm工藝，具有豐富的內部資源，包括17280個(gè)邏輯單元，120Kbit的分布式RAM和432Kbit的Block RAM，并提供了豐富的引腳接口類(lèi)型。設計利用Synplify Pro 7.7進(jìn)行綜合，在ISE8.1中完成布局布線(xiàn)。經(jīng)過(guò)系統驗證，完全符合系統要求，現在已經(jīng)進(jìn)行批量生產(chǎn)。
　　
結語(yǔ)
為順利向下一代網(wǎng)絡(luò )結構過(guò)渡，本文設計了NGN網(wǎng)關(guān)設備中的接口芯片，該芯片能夠提供設備所需要的多種邏輯功能，極大地簡(jiǎn)化了電路板的設計。同時(shí)，設計本身采用可擴展的設計結構，可以滿(mǎn)足系統擴展的要求。采用Spartan3系列FPGA實(shí)現，經(jīng)過(guò)系統測試，完全符合設計需求。

參考文獻
1. 蔡康. 下一代網(wǎng)絡(luò )(NGN)業(yè)務(wù)及運營(yíng). 人民郵電出版社. 2004-8
2. ST-Bus Generic Device Specification (Application Note: MSAN126, Zarlink)