基于SoC的千兆EPON ONU硬件平臺

　　1 引言

　　PON結構簡(jiǎn)單、鋪設維護成本低的特點(diǎn)和以太網(wǎng)設備成熟、廉價(jià)的特點(diǎn)使EPON這項技術(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。但在目前國內的EPON設備中，特別是OLT和ONU的芯片仍需從國外廠(chǎng)家進(jìn)口，所以研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的EPON的核心技術(shù)產(chǎn)品是當務(wù)之急[1]。

　　本文根據上海大學(xué)SHU EPON ONU MAC控制芯片的設計經(jīng)驗，提出了一種千兆ONU硬件平臺的設計和實(shí)現方案。并結合當前ASIC設計開(kāi)發(fā)的趨勢，基于SoC的概念嵌入8051處理內核。通過(guò)此平臺完善上海大學(xué)SHU EPON ONU MAC控制芯片。該平臺不僅在硬件設計上留有一定的余量為系統升級做準備。而且設計時(shí)也考慮到目前ASIC制造工藝的性?xún)r(jià)比和局限性問(wèn)題。

　　2 ONU系統功能簡(jiǎn)介

　　EPON系統由光用戶(hù)終端ONU、光線(xiàn)路終端OLT、光配線(xiàn)網(wǎng)ODN組成[2]。ONU位于用戶(hù)端，放在住戶(hù)，企業(yè)或MDU/MTU(多用戶(hù)/租戶(hù)單元)處,提供客戶(hù)的語(yǔ)音,數據和視頻與PON的接口,還提供第二層交換功能。簡(jiǎn)言之ONU為用戶(hù)提供EPON的接人功能。

　　根據IEEE802.3ah標準[3].ONU作為EPON系統的用戶(hù)端接入設備,主要完成的功能可描述為：

　　◆選擇接收OLT發(fā)送的廣播數據：

　　◆響應OLT發(fā)出的注冊和測距命令：

　　◆對用戶(hù)的以太網(wǎng)數據進(jìn)行緩存,向OLT報告緩存的隊列情況并在OLT分配的上行發(fā)送窗口中發(fā)送緩存的數據：

　　◆根據OLT發(fā)出的OAM幀，執行相應的OAM功能：

　　◆其它相關(guān)的以太網(wǎng)功能。

　　3 FPGA邏輯結構簡(jiǎn)介

　　由于處于A(yíng)SIC設計的前端，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(xiě)、測試和驗證。

　　EPON ONU MAC控制芯片內部邏輯設計如圖1所示，整個(gè)系統可以分為上行和下行兩部分，下行是數據從OLT傳輸到ONU，上行是數據從ONU傳輸到OLT。接收模塊對下行數據進(jìn)行10位轉8位碼變換,LLID的濾除和幀校驗,然后進(jìn)行幀分類(lèi)。在下行鏈路中,除了有用戶(hù)數據外,還有MPCP和OAM幀，幀分類(lèi)模塊把接收模塊處理后的數據按類(lèi)別交給對應模塊。同樣上行鏈路中除了用戶(hù)數據外，還有Register Ack幀、Register Request幀、Report幀和OAM幀，上行隊列管理模塊將它們和從GMII/MII來(lái)的用戶(hù)數據添加LLID后暫存于SDRAM中,復用控制模塊根據這些幀的優(yōu)先級,等待發(fā)送控制模塊使能發(fā)送[1]。GMII/MII切換模塊根據以太收發(fā)芯片工作速率選擇對應邏輯實(shí)現10/100/1000自適應應用。

　　OAM處理、仲裁和控制模塊響應處理經(jīng)過(guò)分類(lèi)后的OAM幀,協(xié)調和控制相應模塊。如圖2所示，該模塊主要由8051內核、UART核和RAM等構成。核心為源代碼開(kāi)放的8051IP核,使用Verilog語(yǔ)言編寫(xiě)，指令體系完全與標準的8051兼容。數據交互模塊通過(guò)8051 IO端口來(lái)實(shí)現OAM模塊對外數據傳遞功能。系統協(xié)調控制模塊完成整個(gè)ONU系統的初始化，并協(xié)調控制整個(gè)ONU系統工作。另外加入了中斷產(chǎn)生和定時(shí)器模塊來(lái)完善OAM模塊功能，防止異常狀況使系統癱瘓。

　　4 硬件系統設計和實(shí)現

　　根據上述ONU的功能和FPGA邏輯代碼的編寫(xiě)需要,ONU的硬件電路結構設計如圖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)調和仲裁的核心單元。對于光網(wǎng)絡(luò )的接入端，ONU是經(jīng)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(lái)實(shí)現光模塊,通過(guò)Serdes芯片進(jìn)行串并轉換，變?yōu)?0位的TBI信號,再利用TBI和EP2C70F672C6進(jìn)行數據交互。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)現千/百/十兆以太網(wǎng)絡(luò )數據交換。FPGA作為ONU的核心單元。除數據傳遞通路外，硬件系統還包括SDRAM、EEPROM、Flash和一個(gè)UART串口。

　　如圖3所示,在Plant Side端，由于從光纖上傳輸的信號速率為1.25Gb/s，FPGA直接處理頻率這么高的信號是不合適的，即使可行對于后期的ASIC芯片工藝設計也不容易實(shí)現。所以在FPGA之前加入一個(gè)串并變換模塊，此模塊通過(guò)一個(gè)Serdes芯片TLK2201A實(shí)現1.25Gb/s串行數據與10位125Mb/s并行數據信號的轉換。再將這10位TBI信號和FPGA相連,這樣FPGA的IO口速率就可降至125MHz，由此FPGA的邏輯時(shí)鐘頻率也設置為125MHz。FPGA通過(guò)增設使能信號TBI_Burst_en控制光模塊的突發(fā)功能。

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　　在Local Side端.采用Marvell的88E1111千兆以太收發(fā)芯片,支持1000Base-T、100Base-TX和10Base-T自適應應用[4],并通過(guò)GMII/MII接口和FPGA進(jìn)行數據傳遞。當一個(gè)OLT連接ONU較少時(shí)或者OLT分配給特定ONU帶寬較大時(shí)，那么這些ONU的速率可超過(guò)百兆,為使最終芯片勝任高帶寬應用場(chǎng)合采用10/100/1000兆收發(fā)芯片。88E1111的物理接口具有Auto Negotiation功能，并反映在特定寄存器中。FPGA通過(guò)88E1111的MDIO (Management Data Input/Output)接口讀取相應寄存器后,選擇GMII或MII邏輯模塊以適應10/100/1000工作速率。

　　除去Plant Side和Local Side兩端的設計,ONU核心部分包含以下幾個(gè)主要器件：FPGA、SDRAM、EEPROM、flash和UART串口。

　　(1)FPGA型號選擇是整個(gè)系統的關(guān)鍵，根據邏輯代碼的需求，選用Altera CvcloneTM II EP2C7OF672C6。Alteira CvcloneTM II采用全銅層、低K值、1.2伏SRAM工藝設計,裸片尺寸被盡可能最小的優(yōu)化。采用300mm晶圓，以TSMC成功的90nm 工藝技術(shù)為基礎，Cvclone II器件提供了4.608～68,416個(gè)邏輯單元(LE)，并具有一整套最佳的功能，包括嵌入式18比特x18比特乘法器、專(zhuān)用外部存儲器接口電路、4kbit嵌入式存儲器塊、鎖相環(huán)(PLL)和高速差分I/O能力。EP2C70F672具有68.416個(gè)邏輯單元,RAM總比特數為l,152,000,內嵌18比特x18比特乘法器150個(gè)，4個(gè)PLL,多達422個(gè)IO引腳[5]。這些資源可以滿(mǎn)足ONU整個(gè)邏輯需求,又留有升級擴充的余量。選用EP2C70主要出于對RAM的考慮,其內部RAM較大,總比特數有1.152,000，適合大FIFO容量設計。當Local Side工作在10/100兆速率時(shí).需要對Plant Side下行千兆數據增設FIFO.將傳輸速率匹配到百兆或十兆。

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　　(2)增設SDRAM是由于ONU作為用戶(hù)端設備,EPON上下行的數據流通過(guò)粗波分復用(DWDM)技術(shù),在同一根光纖中傳輸[6]。在下行鏈路中通過(guò)識別LLID選擇性接收來(lái)自OLT的廣播數據,上行采用時(shí)分復用的傳輸機制,而以太數據流發(fā)送本身就呈隨機性和突發(fā)性,所以必需加入存儲設備暫存待發(fā)送的數據,我們加入兩片SDRAM MT48LC8M16A2,總容量為32MB。GMII數據速率是125Mb/s,如果按Bvte處理數據,那么就需要內部邏輯運行在125MHz,要讓ASIC內部邏輯工作在這個(gè)速率,不僅相對的工藝成本較高，而且邏輯代碼編寫(xiě)也是一個(gè)難題，很容易出現不穩定因素，所以采用每接收4個(gè)Bvtes后再處理，那么邏輯只需要31.25MHz的處理速率。這個(gè)速率不僅使得邏輯代碼編寫(xiě)簡(jiǎn)易,而且也可為后期A(yíng)SIC的設計減少障礙。為了滿(mǎn)足32位數據總線(xiàn),采用了兩片SDRAM并行工作。

　　(3)EEPROM用來(lái)存儲一些ONU運行必需且不可在邏輯里固化的參數,通過(guò)更新EEPROM來(lái)改變這些參數,供系統運行使用。比如以下參數：

　?、貽NU突發(fā)激光器的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間。不同廠(chǎng)商制造的激光器此參數有所差別,可根據廠(chǎng)商提供的參數存儲于EEPROM中。

　?、贠NU MAC地址。EPON 0NU是一個(gè)以太網(wǎng)絡(luò )設備,分配一個(gè)MAC地址以完成MPCP功能。

　?、巯嚓P(guān)固件版本和設備硬件信息?，F在一般硬件系統都有自己的版本信息,加入后也有利于日后的維護和管理。

　　(4)Flash是用來(lái)存放8051處理內核的代碼。在802.3ah標準中定義了EPON的OAM功能,完整的OAM功能是系統運行穩定和維護便捷的保障,加入一個(gè)處理內核可以完善OAM功能。植入8051內核一則出于知識產(chǎn)權和價(jià)格考慮,二則僅從性能上而言51內核雖不及ARM之類(lèi)高端內核,但EPON的網(wǎng)管系統主要在OLT端實(shí)現,ONU一般是響應OLT發(fā)出的OAM幀,所以不需要高端內核。8051內核除了進(jìn)行OAM的操作,還起到協(xié)調整個(gè)系統工作的作用。

　　(5)在系統中加入UART,主要為了使所設計的系統更靈活,系統升級和維護更便利。通過(guò)這個(gè)串口修改。EEPROM中存放的參數和更新Flash中的代碼,不必為了修改進(jìn)行反復焊接。該串口也可以讓用戶(hù)能夠快捷的進(jìn)行管理、控制和修改,并且可以通過(guò)它反饋ONU運行的信息,隨時(shí)監測ONU狀況,在設備工作異常時(shí)進(jìn)行維護。

　　5 結束語(yǔ)

　　本文根據802.3ah標準定義,基于SOC提出一個(gè)千兆EPON 0NU硬件的設計方案。該設計實(shí)現了802.3ah規定的ONU功能,并盡可能的考慮了各種細節,使系統運行穩定。對于系統的操作和維護也作了相應的考慮,不僅使系統更穩定,而且系統的升級更便利。此外系統設計還兼顧了ASIC設計的工藝和成本,使開(kāi)發(fā)的邏輯代碼可以直接進(jìn)入ASIC的后端設計,從而進(jìn)一步完善SHU EPON ONU MAC控制芯片。