引言

近年來，寬帶接入技術得到了飛速的發展,其中非對稱用戶數字線路技術（ADSL）能利 用現有的電話網絡資源，具有投資少見效快等優點，成為向B - ISDN 的最佳過渡形式之一。 在ADSL系統中，由數字用戶接入復用器（DSLAM）完成ATM的終結和路由，該模型分為4 層，自上而下分為高層、AAL層、ATM層和物理層，這里高層是指RFC1483及其以上各層， AAL層又分為拆分與組裝子層（SAR）和匯聚子層（CS）兩個子層，ATM層主要完成信元 復用/解復用、有關信元頭的操作以及流控等功能，UTOPIA（ATM的通用測試和操作物理接 口）位于ATM層和物理層之間，規范ATM層和物理層之間的信號電平和時序定義，物理層 的主要任務是物理線路編碼和信息傳輸。當前，ATM SAR功能和UTOPIA接口由專用通信處 理芯片MPC866處理器來完成，成本較高功能固定，靈活性較差。針對特定的AAL5業務采 用FPGA芯片來實現AAL層中SAR子層功能和ATM層功能，，即在通用微處理器的環境中實 現ATM接口，增強產品的靈活性，同時降低成本,對替代專用通信芯片具有較強的實際意義。

1 ATM 協議概述

ATM 是一個分組協議，利用異步傳輸模式規程，來自不同信源的數據經由相同的物理 信道發送，所設計的協議滿足不同用戶應用的需要。

ATM 協議棧，為了有效地處理不同的業務，協議被構造為層次體系結構，每層實現特 定的功能，圖1-1 顯示了通用的協議棧。高層協議包括應用層、表示層、傳輸層和網絡層。 應用層的例子有用于傳送文件傳輸協議、簡單郵件傳送協議（SMTP）、提供虛擬終端服務 的Telnet 協議等，傳輸控制協議（TCP）和Internet 協議（IP）則分別是傳輸層協議和網絡 層協議。

ATM 傳送信息的基本載體是ATM 信元，信元長度為53 字節，分為信頭和凈荷兩部分， 信頭為5 字節，凈荷為48 字節。ATM 層主要完成信元復用／解復用，有關信頭的操作，以 及流量控制。信元復用／解復用在ATM 層和物理層的TC 子層接口處完成，發送端ATM 層 將具有不同VPI/VCI 的信元復用在一起交給物理層；接收端ATM 層識別物理層送來的信元 的VPI/VCI，并將各信元送到不同的模塊處理，如識別出信令信元就交控制面處理，若為 OAM 等管理信元則交管理面處理。信頭操作指VPI/VCI 翻譯，翻譯的依據是連接建立時所 分配的VPI、VCI 的值。

一對一模式下，如何實現物理層－ATM 層－AAL 層間簡單的ATM 協議，如何滿足備 用鏈路或多種類型的物理層共享一個ATM層的需求，如何在同一ATM層上同時支持AAL1、 無連接數據服務（AAL3/4）和面向連接數據服務？為此，提出了UTOPIA，即ATM 的通用 測試和操作物理接口（Universal Test and Operations PHY Interface for ATM）。 UTOPIA 是連接ATM 層和物理層的接口，允許物理層以不同的速度在不同的媒質上進 行數據傳輸，它包括收發數據端口、控制信號和地址信號。

UTOPIA LEVEL1 和LEVEL2 主 要在地址信號的定義上有所不同，其中LEVEL1 未定義地址信號，主要針對單個物理通道 （Single-PHY）的情況，最大工作頻率25MHz，支持物理層傳輸速率達到155Mbps，能夠 很好地支持OC-1、OC-3 等同步數字網的典型傳輸速率；LEVEL2 針對多個物理通道 （Multi-PHY）的情況，比LEVEL1 多了兩組地址信號，最多支持31 個PHY 端口（地址0～ 30，地址31 起端口分隔作用），最大工作頻率50MHz，支持物理層傳輸速率達到622Mbps， 能夠很好地支持OC-12、OC-12c 等同步數字網的典型傳輸速率。

2 ATM SAR 及UTOPIA 實現

針對 AAL5 業務類型，方案設計內容包括用FPGA 芯片實現UTOPIA 接口的讀、寫時 序控制、實現ATM SAR 功能及完成FPGA 與ARM 處理器上連通信。該設計實現的全部功 能都包括發送和接收兩個方向，其中UTOPIA 接口需滿足ATM Forum 提出的Level1 和 Level2 標準。根據數據發送與接收的流程來劃分功能模塊，分為CS 子層數據存儲模塊、ATM SAR 模塊和UTOPIA 接口模塊，發送和接收過程均為獨立的模塊。

2.1 總體方案概述

如圖 2-1 系統總體框圖可知，FPGA 完成的工作包括對UTOPIA 總線的讀寫時序控制、 實現ATM SAR 功能和與ARM 處理連接。設計實現的全部功能都包括發送和接收兩個方向， 詳細流程如下。

（1）發送流程：FPGA 存儲器接收CS 子層發送來的CPCS-PDU 包，將數據拆分成48 字節的SAR-PDU，然后加上5 個字節的信元頭，得到53 字節的信元存入發送存儲器中，由 FPGA 控制UTOPIA 接口發送時序發送到物理層去。

（2）接收流程：由FPGA 控制UTOPIA 接口接收時序接收來自物理層的53 字節信元 存入接收存儲器中，剝去信元頭，由信元頭的PT 域指示數據的開始、中間和結束，將接收 到的信元還原成完整的一個CPCS-PDU 包存入FPGA 存儲器后發送給CS 子層。

2.2 發送流程模塊設計

根據數據發送的流程來劃分功能模塊，分為 CS 子層數據的存儲模塊、ATM SAR 模塊 和UTOPIA 接口發送模塊三個主要功能模塊。

CPCS-PDU 存儲模塊:實現：CPCS-PDU 存儲模塊輸入數據寬度為16 位，輸出數據寬度 為8 位，有可讀/寫、片選信號和地址總線。上層先查詢RAM 的可寫（WR）信號有效時， 將CPCS-PDU 包發送到16 位數據總線上，一個包發完后置RAM 的片選（CS）信號為無效； RAM 將數據線上的數據順序存入，并對PDU 包的字節數計數，用RAM 的頭兩個字節存放 包的長度，3～6 字節存入VPI/VCI 值。一個PDU 包存入后置可寫（WR）信號無效，置可 讀（RD）信號有效。

SAR 拆分和ATM 模塊實現：首先在ATM 層創建一發送FIFO，用來存放ATM 層生成的 信元。在發送雙口RAM 可讀的狀態下，從CPCS-PDU 存儲器讀出頭2 個字節（即數據包的 長度）與48 比較，大于48，生成中間信元；等于48 生成末尾信元，存入FIFO，準備發送。

UTOPIA 發送模塊實現：UTOPIA 接口實現采用信元級握手傳輸方式，它是以信元為單 位進行傳輸，傳輸中的控制信號是以信元為基礎的。設計一個發送控制模塊，通過地址信號 輪詢PHY 層狀態，接收來自ATM 層的UTOPIA 控制信號、物理層的控制信號以及發送FIFO 的狀態信號，控制信元一個一個地從ATM 層發送到物理層，時序要求滿足ATM 論壇關于 UTOPIA 接口Level1 和Level2 標準。

2.3 接收模塊流程設計

根據數據接收的流程來劃分功能模塊，分為UTOPIA 接口接收模塊、ATM SAR 組裝模 塊和接收SAR-PDU 存儲模塊三個主要功能模塊。

UTOPIA 接收模塊模塊實現：首先在ATM 層創建一個接收FIFO，再設計一個接收控制 模塊，通過地址信號輪詢PHY 層狀態，接收來自ATM 層的UTOPIA 控制信號、物理層的 控制信號以及接收FIFO 的狀態信號，控制信元一個一個地從物理層傳送到ATM的FIFO 中。

ATM和SAR 組裝模塊實現：在SAR-PDU存儲器可寫的狀態下，不斷讀入信元接收FIFO 的53 字節數據，剝去信元頭還原為SAR-PDU，由信元標識PT 來判斷SAR-PDU 是中間還 是末尾數據包，并計算CPCS-PDU 包長度，最后在SAR-PDU 存儲器中存入一個完整的 CPCS-PDU 包，包的長度存入存儲器的頭兩個字節中。

接收 SAR-PDU 存儲模塊實現：接收SAR-PDU 存儲模塊輸入數據寬度為8 位，輸出數據 寬度為16 位，有可讀/寫、片選信號和地址總線，如圖4-8。可寫(WR)信號有效時，RAM從第六個字節開始順序存入SAR-PDU（頭2 個字節放包長，后4 個字節存放VPI/VCI 值）， 直到存入最后一個SAR-PDU，RAM 頭兩個字節存入CPCS-PDU 包的長度，置可寫（WR） 信號無效，置可讀（RD）信號有效，此時一個完整的CPCS-PDU 包已經存好，供CS 子層 讀取。

3 軟、硬件調試

編寫基于ARM7處理器μcLinux 系統下的CPCS-PDU 數據包的收發程序，在Red Hat9.0 系統中（ARM 工具鏈已建立好）編譯通過后，下載到在ECPB 板上運行。程序主要完成ARM 處理器對外設FPGA 的復位、讀、寫等操作，流程圖如圖3-1 所示。

QuartusⅡ軟件的SignalTapⅡ邏輯分析儀可以用來采集FPGA 內部節點和I/O 引腳信號， 通過JTAG 端口送往邏輯分析儀顯示。調試過程中主要利用SignalTapⅡ邏輯分析儀和示波 器，通過收、發數據包來驗證FPGA 中數據處理的正確性。

調試步驟如下：

（1）ARM 測試程序和FPGA 程序下載；

（2）ECPB 板ARM 初始化配置、CMTC 板UTOPIA 接口初始化等；

（3）程序運行； 按照上述步驟驗證 FPGA 芯片設計是否滿足任務需求。經過發送和接受數據包測試后得 出，經反復數據測試比對，FPGA 工作正常，滿足任務要求。

4 結束語

本文的創新點在于對 ATM 技術和UTOPIA 接口時序進行了深入、系統的分析與研究， 以替代現有專用通信處理器為目標，提出了一種采用FPGA 來實現ATM SAR 和UTOPIA 接 口的解決方法。設計好的FPGA 芯片與上層ARM 處理器和物理層CMTC 板對接后應用于 ADSL 測試系統中，在數據接收和發送兩個方向，FPGA 均正確完成上述功能，且工作穩定， 具備了專用通信處理器MPC866 同樣的功效。作者相信，本文的研究成果，即采用FPGA 在基于ARM 處理器的環境中實現了ATM 接口，對于ATM 應用領域的成本降低和靈活性有 著較大的實際意義，也為替代專用通信芯片邁出了成功的一步。