基于FPGA 的ATM SAR 及其接口设计与实现

　　引言

　　近年来，宽带接入技术得到了飞速的发展,其中非对称用户数字线路技术（ADSL）能利 用现有的电话网络资源，具有投资少见效快等优点，成为向B - ISDN 的最佳过渡形式之一。 在ADSL系统中，由数字用户接入复用器（DSLAM）完成ATM的终结和路由，该模型分为4 层，自上而下分为高层、AAL层、ATM层和物理层，这里高层是指RFC1483及其以上各层， AAL层又分为拆分与组装子层（SAR）和汇聚子层（CS）两个子层，ATM层主要完成信元 复用/解复用、有关信元头的操作以及流控等功能，UTOPIA（ATM的通用测试和操作物理接 口）位于ATM层和物理层之间，规范ATM层和物理层之间的信号电平和时序定义，物理层 的主要任务是物理线路编码和信息传输。当前，ATM SAR功能和UTOPIA接口由专用通信处 理芯片MPC866处理器来完成，成本较高功能固定，灵活性较差。针对特定的AAL5业务采 用FPGA芯片来实现AAL层中SAR子层功能和ATM层功能，，即在通用微处理器的环境中实 现ATM接口，增强产品的灵活性，同时降低成本,对替代专用通信芯片具有较强的实际意义。

　　1 ATM 协议概述

　　ATM 是一个分组协议，利用异步传输模式规程，来自不同信源的数据经由相同的物理 信道发送，所设计的协议满足不同用户应用的需要。

　　ATM 协议栈，为了有效地处理不同的业务，协议被构造为层次体系结构，每层实现特 定的功能，图1-1 显示了通用的协议栈。高层协议包括应用层、表示层、传输层和网络层。 应用层的例子有用于传送文件传输协议、简单邮件传送协议（SMTP）、提供虚拟终端服务 的Telnet 协议等，传输控制协议（TCP）和Internet 协议（IP）则分别是传输层协议和网络 层协议。

　　ATM 传送信息的基本载体是ATM 信元，信元长度为53 字节，分为信头和净荷两部分， 信头为5 字节，净荷为48 字节。ATM 层主要完成信元复用／解复用，有关信头的操作，以 及流量控制。信元复用／解复用在ATM 层和物理层的TC 子层接口处完成，发送端ATM 层 将具有不同VPI/VCI 的信元复用在一起交给物理层；接收端ATM 层识别物理层送来的信元 的VPI/VCI，并将各信元送到不同的模块处理，如识别出信令信元就交控制面处理，若为 OAM 等管理信元则交管理面处理。信头操作指VPI/VCI 翻译，翻译的依据是连接建立时所 分配的VPI、VCI 的值。

　　一对一模式下，如何实现物理层－ATM 层－AAL 层间简单的ATM 协议，如何满足备 用链路或多种类型的物理层共享一个ATM层的需求，如何在同一ATM层上同时支持AAL1、 无连接数据服务（AAL3/4）和面向连接数据服务？为此，提出了UTOPIA，即ATM 的通用 测试和操作物理接口（Universal Test and Operations PHY Interface for ATM）。 UTOPIA 是连接ATM 层和物理层的接口，允许物理层以不同的速度在不同的媒质上进 行数据传输，它包括收发数据端口、控制信号和地址信号。

　　UTOPIA LEVEL1 和LEVEL2 主 要在地址信号的定义上有所不同，其中LEVEL1 未定义地址信号，主要针对单个物理通道 （Single-PHY）的情况，最大工作频率25MHz，支持物理层传输速率达到155Mbps，能够 很好地支持OC-1、OC-3 等同步数字网的典型传输速率；LEVEL2 针对多个物理通道 （Multi-PHY）的情况，比LEVEL1 多了两组地址信号，最多支持31 个PHY 端口（地址0～ 30，地址31 起端口分隔作用），最大工作频率50MHz，支持物理层传输速率达到622Mbps， 能够很好地支持OC-12、OC-12c 等同步数字网的典型传输速率。

　　2 ATM SAR 及UTOPIA 实现

　　针对 AAL5 业务类型，方案设计内容包括用FPGA 芯片实现UTOPIA 接口的读、写时 序控制、实现ATM SAR 功能及完成FPGA 与ARM 处理器上连通信。该设计实现的全部功 能都包括发送和接收两个方向，其中UTOPIA 接口需满足ATM Forum 提出的Level1 和 Level2 标准。根据数据发送与接收的流程来划分功能模块，分为CS 子层数据存储模块、ATM SAR 模块和UTOPIA 接口模块，发送和接收过程均为独立的模块。

　　2.1 总体方案概述

　　如图 2-1 系统总体框图可知，FPGA 完成的工作包括对UTOPIA 总线的读写时序控制、 实现ATM SAR 功能和与ARM 处理连接。设计实现的全部功能都包括发送和接收两个方向， 详细流程如下。

　　（1）发送流程：FPGA 存储器接收CS 子层发送来的CPCS-PDU 包，将数据拆分成48 字节的SAR-PDU，然后加上5 个字节的信元头，得到53 字节的信元存入发送存储器中，由 FPGA 控制UTOPIA 接口发送时序发送到物理层去。

（2）接收流程：由FPGA 控制UTOPIA 接口接收时序接收来自物理层的53 字节信元 存入接收存储器中，剥去信元头，由信