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1 引言 目前，xDSL寬帶接入技術(shù)充分利用現有雙絞線(xiàn)資源，為用戶(hù)提供非對稱(chēng)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(zhù) IP交換技術(shù)的成熟與發(fā)展，主干網(wǎng)中交換方式將由 ATM逐步向IP交換方式轉換，因此基于 ATM的ADSL技術(shù)也日益表現出其本身的局限性�；诖�，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(chēng)為基于時(shí)分雙工的以太數字用戶(hù)線(xiàn)系統（TDD based Ethernet Digital Subscriber Line System（TDD-EDSL））,它結合了目前廣為應用的兩大通信技術(shù) xDSL和Ethernet 的精華，首次在接入網(wǎng)范疇內實(shí)現了IP包的直接傳送,中間無(wú)ATM信令轉換；采用數據突發(fā)技術(shù)，應用以太網(wǎng)碰撞檢測機制，帶寬動(dòng)態(tài)分配,速率高達 10Mbit/s，第二代EDSL技術(shù)能實(shí)現智能頻譜管理，最高速率可達100Mbit/s；TDD-EDSL實(shí)現IP端到端傳送，傳輸距離長(cháng)，標準距離可到8km，環(huán)路質(zhì)量較好時(shí)可到 9km；傳輸效率高，功耗低；完善的網(wǎng)管系統、流量控制和服務(wù)質(zhì)量控制；完全符合 IEEE802.3 Ethernet、YD/T1254-2003 以及ANSI TI 417 頻譜管理標準；安裝簡(jiǎn)便，用戶(hù)端即插即用，使用10/100/1000Mbit/s以太網(wǎng)接口。 獨特的智能頻譜管理技術(shù)和時(shí)分雙工模式，大大簡(jiǎn)化了系統結構，同時(shí)也順應了主干網(wǎng)IP化的趨勢。與傳統 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(xiàn)路的挑、串擾等），并且增大了傳輸距離，提高了傳輸效率，EDSL系統結構與ADSL類(lèi)似，其核心部分是EDSL Modem. 在EDSL實(shí)現中，本文提出了可剝奪實(shí)時(shí)內核的實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-II和32位精簡(jiǎn)指令集軟核處理器 Nios核相結合的方法,構成一種基于可配置的軟核處理器的嵌入式開(kāi)發(fā)平臺。該平臺軟、硬件均可按照用戶(hù)需求進(jìn)行剪裁配置，最大程度地提供了系統設計的靈活性，具有重要的應用價(jià)值，本文重點(diǎn)講述基于SOPC的EDSL Modem的實(shí)現。 2 EDSL系統結構和協(xié)議棧 EDSL 的主要技術(shù)特點(diǎn)：(1)IP端到端網(wǎng)絡(luò )；(2)采用時(shí)分復用技術(shù)，雙向帶寬動(dòng)態(tài)分配；(3)客戶(hù)服務(wù)器模式，I P 包無(wú)碰撞機制；(4)數據突發(fā)技術(shù)。正是由于以上技術(shù)的采用，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的系統結構與ADSL類(lèi)似，由位于用戶(hù)端的EDSL Modem 和 局端的高密度接入復用設備DSLAM(DSL Access Multiplexer)構成，其結構 如圖1。 EDSL 技術(shù)是基于 IP交換的新型寬帶接入技術(shù)，它結合了以太網(wǎng)技術(shù)和 xDSL技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，為了充分降低用戶(hù)端設備的復雜性，使系統易于統一管理，該系統采用了客戶(hù)服務(wù)器模式，即用戶(hù)端工作在客戶(hù)端模式，局端設備處于服務(wù)器模式，由局端設備進(jìn)行線(xiàn)路的頻譜管理以及速率自適應調試，得到雙絞線(xiàn)中當前所能承受的最大速率以及最佳調制頻率等參數，當用戶(hù)端得 EDSL設備接收到包含此類(lèi)信息的信息幀時(shí)，根據接收到的參數更改自身的參數，從而達到最佳工作狀態(tài)。這種模式下無(wú)需用戶(hù)進(jìn)行設置即可方便使用，從而大大增強了用戶(hù)的易用性。 與基于A(yíng)TM的ADSL技術(shù)相比，EDSL技術(shù)擁有更為簡(jiǎn)單的協(xié)議結構 。如圖2。 3 硬件平臺的設計 EDSL Modem硬件平臺的搭建主要使用了 Altera公司的 FPGA Cyclone EP1C6Q240C8芯片，它擁有充足的可編程邏輯資源內嵌32位Nios-II軟核處理器來(lái)實(shí)現整個(gè)可編程嵌入式系統。系統的主要功能由FPGA實(shí)現，硬件電路除 FPGA外只需加上存儲器件、以太網(wǎng)控制芯片和前端AD/DA轉換芯片即可。本系統主要使用了一片 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，硬件結構簡(jiǎn)單明了，極大提高了系統的可靠性。FPGA系統運行時(shí)鐘為50MHz，充分保證了系統的運行速度。 在硬件平臺的搭建中主要用到了Altera公司的Quartus-II與SOPC Builder軟件，其中 Quartus-II能進(jìn)行系統及各邏輯部件的設計輸入、編譯、仿真、綜合、布局布線(xiàn)，并進(jìn)行位流文件的下載和配置文件的燒錄，以及使用片內邏輯分析儀進(jìn)行分析和驗證。 SOPC Builder嵌入在Quartus-II開(kāi)發(fā)系統內,是一個(gè)自動(dòng)系統開(kāi)發(fā)工具,能夠自動(dòng)進(jìn)行系統定義,完成 SOPC開(kāi)發(fā)的集成過(guò)程。在SOPC Builder 中選取系統所需部件,并自動(dòng)生成每個(gè)部件的系統級HDL文件以及支持部件所需的軟件,如驅動(dòng)程序、庫文件和一些實(shí)用的應用程序等,以供軟件開(kāi)發(fā)原型用。 通過(guò)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(shí)器，FLASH控制器， SDRAM制器等。本文設計的硬件平臺結構如圖3所示。 圖 3所示虛線(xiàn)框內硬件部分均是在 FPGA內實(shí)現 該系統的嵌入式處理器 Nios-II是 Altera 公司推出的一個(gè)用戶(hù)可配置的16 位或32 位精簡(jiǎn)指令集軟核處理器。Nios-II處理器可以配置成最多支持 64個(gè)中斷，包括外部硬件中斷、內部中斷以及 TRAP(調試中斷)。Nios-II 處理器可以配置使用 32位內部定時(shí)器，通過(guò)軟件控制寫(xiě)入控制寄存器的內容來(lái)獲得定時(shí)工作，與一般的定時(shí)器工作原理相同，可以產(chǎn)生定時(shí)中斷。 Nio-II嵌入式系統中采用 Avalon交換式總線(xiàn)在處理器、外圍設備和接口電路之間實(shí)現網(wǎng)絡(luò )連接，并提供高帶寬數據路徑、多路和實(shí)時(shí)處理能力。 Avalon交換式總線(xiàn)可以通過(guò)調用 SOPC Builder設計軟件自動(dòng)生成 。 EDSL Modem的核心部分即主收發(fā)器利用 FPGA中的邏輯單元編寫(xiě)自定義用戶(hù)模塊，并生成自定義 IP核，通過(guò) Avalon總線(xiàn)接口與嵌入式處理器相連。該主收發(fā)器共包括了兩個(gè)部分：EDSL成幀模塊和 QAM調制模塊。 在 SOPC系統中，除了以上部件，還有片上 ROM、內部定時(shí)器、 UART串行口、 SRAM、 Flash、以及以太網(wǎng)控制器 LAN91c111接口等系統部件皆由 SOPC builer自動(dòng)生成。 4 軟件系統的設計 軟件平臺的開(kāi)發(fā)是在 Altera公司為 Nios-II 系統定制的 Nios-II IDE系統上展開(kāi)的， Nios-II IDE是基于 Eclipse IDE的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，用戶(hù)可以在 Nios-II IDE中為 Nios II 系統開(kāi)發(fā)模塊驅動(dòng)程序、板級支持包（ BSP），以及用戶(hù)應用程序�？紤]到 EDSL Modem 的系統控制和高速數據傳輸，在該嵌入式平臺中嵌入了實(shí)時(shí)嵌入式系統 uC/OS-II，整個(gè)系統的軟件體系結構如圖4： 其中位于 Nios-II硬件平臺之上的是 EDSL Modem各部件的驅動(dòng)程序。其上是硬件抽象層（HAL），它是位于應用程序和系統硬件之間的一個(gè)系統庫（ System Library），在軟件開(kāi)發(fā)時(shí)可以非常方便地使用這些系統庫來(lái)與底層硬件通信，而無(wú)須關(guān)心的底層硬件實(shí)現細節。這樣在上層應用程序和底層硬件之間就構成了明顯的界限，底層驅動(dòng)的修改不會(huì )對應用程序造成任何影響。HAL API（Application Program Interface，應用程序接口）集成了 ANSIC 的標準庫，它允許應用程序使用類(lèi)似 C庫函數的方式訪(fǎng)問(wèn)硬件和文件。 實(shí)時(shí)嵌入式操作系統 uC/OS-II 內核工作在 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，而且不受底層硬件改變的影響。 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不僅支持一般的網(wǎng)絡(luò )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(luò )接口、IPv6和標準 API。 5 結束語(yǔ) 本文介紹了我國擁有自主知識產(chǎn)權的寬帶接入技術(shù)—— TDD-EDSL，并著(zhù)重介紹了基于 SOPC的 EDSL Modem的軟硬件實(shí)現。在商用 ASIC并不完善的情況下，本文使用了軟硬件均可編程的 Nios-II嵌入式系統，縮短了研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本。同時(shí) SOPC也代表了以后產(chǎn)品設計的發(fā)展方向，具有積極的借鑒意義。本文所設計的 EDSL Modem各部分已通過(guò)了軟件仿真和實(shí)驗箱開(kāi)發(fā)平臺驗證。 6 創(chuàng )新點(diǎn) 將軟硬件均可編程的 Nios-II嵌入式系統應用到寬帶領(lǐng)域相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)，大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)成本與研發(fā)周期，避免了研發(fā)過(guò)程中對成熟 ASIC的過(guò)分依賴(lài)。 |
