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SDH指針下泄專(zhuān)用集成電路MXTULPx8-5的設(shè)計(jì)和應(yīng)用
摘要：發(fā)展同步數(shù)字序列（SDH）技術(shù)必須依賴(lài)專(zhuān)用集成電路。介紹了清華大學(xué)自主研制和開(kāi)發(fā)的SDH指針下泄專(zhuān)用集成電路MXTULPx8-5的特性。這一芯片能夠通過(guò)處理低階支路（TU3、TU12、TU11）的指針，來(lái)補(bǔ)償輸入和輸出高階AU4管理單元同步凈荷封裝幀速率間的偽同步關(guān)系，從而對(duì)齊這些支路，為SDH支路單元交叉連接芯片的工作提供方便。還介紹了芯片設(shè)計(jì)時(shí)所使用的電路時(shí)分復(fù)用技術(shù)，分析了支路彈性存儲(chǔ)器的容量，給出了應(yīng)用MXTULPx8-5芯片的一個(gè)實(shí)例。關(guān)鍵詞：同步數(shù)字序列指針下泄專(zhuān)用集成電路
作為一種全新的網(wǎng)絡(luò)傳輸體制，自從20世紀(jì)90年代出現(xiàn)以來(lái)，SDH網(wǎng)絡(luò)以其靈活性和方便性等各個(gè)方面的優(yōu)越性，迅速成為通信網(wǎng)絡(luò)的骨干網(wǎng)絡(luò)�，F(xiàn)在我國(guó)雖然在開(kāi)發(fā)研制SDH的通信設(shè)備方面取得了很大的成績(jī)，但是國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家SDH設(shè)備的關(guān)鍵核心芯片大多數(shù)是進(jìn)口的。而從長(zhǎng)遠(yuǎn)的觀點(diǎn)來(lái)看，SOC片上系統(tǒng)是通信設(shè)備發(fā)展的趨勢(shì)。因此提高ASIC設(shè)計(jì)的水平，開(kāi)始具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的通信專(zhuān)用集成電路，對(duì)降低通信設(shè)備的成本、提高國(guó)家通信產(chǎn)業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)能力都具有深遠(yuǎn)的影響。
為了滿(mǎn)足通信產(chǎn)業(yè)國(guó)產(chǎn)化的迫切要求，清華大學(xué)電子工程系開(kāi)發(fā)了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大規(guī)模通信專(zhuān)用集成電路。其中MXTULPx8-5是最新開(kāi)發(fā)的一種SDH指針下泄專(zhuān)用集成電路，能夠廣泛地應(yīng)用在SDH的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，具有很好的應(yīng)用前景。
1MXTULPx8-5芯片特性
當(dāng)前，PMC-Sierra公司開(kāi)發(fā)的PM5362和PC5363芯片是一種比較常見(jiàn)的SDH支路單元凈荷處理器，能夠分別處理一路STM-1和一路STM-4的數(shù)據(jù)流。它們被廣泛地應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)的SDH交叉連接的設(shè)備中。而清華大學(xué)電子工程系獨(dú)立開(kāi)發(fā)的SDH指針下泄處理芯片MXTULPx8-5，能夠?qū)R八路STM-1或兩路STM-4的數(shù)據(jù)流中的支路單元，在功能上可以代替八片PM5362或兩片PM5362芯片。很明顯，MXTULPx8-5能夠大幅度降低交叉連接設(shè)備的成本和尺寸。
SDH指針下泄芯片MXTULPx8-5是一個(gè)用來(lái)對(duì)齊支路單元的可配置的多通道的支路凈荷處理器單元集成電路。它采用0.25μm低功耗CMOS工藝，304管腳HQFP封裝，支持工業(yè)溫度范圍（-40℃～85℃），規(guī)模為150萬(wàn)門(mén)。下面是它的一些工作特性：
·將輸入的2個(gè)STM-4或8個(gè)STM-1的字節(jié)串行流中的8個(gè)AU4管理單元中的支路凈荷，轉(zhuǎn)移到相應(yīng)輸出的支路單元中。
·通過(guò)處理低階段支路（TU3、TU12或TU11）的指針，來(lái)補(bǔ)償輸入和輸出高階AU4管理單元同步凈荷封裝幀速率間的準(zhǔn)同步關(guān)系。
·在TUG3基礎(chǔ)上可以配置成TU3、TU12、TU11支持的任何合法組合。
·在網(wǎng)管軟件的控制下可對(duì)任一支中插入全0碼、全1碼或NDF新數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)。
·檢測(cè)每一支路的LOP指針丟失、AIS通道告警指示、支路指針正負(fù)調(diào)整和支路彈性存儲(chǔ)上溢下溢錯(cuò)誤的狀態(tài)，并可配置在上述事件發(fā)生時(shí)產(chǎn)生中斷。
·可以將輸入和輸出接口獨(dú)立配置成77.76MHz的STM-4字節(jié)接口模式、19.44MHz的STM-1字節(jié)接口模式或38.88MHz的STM-1半字節(jié)接口模式。
·提供一個(gè)通用的8比特微處理器總線(xiàn)接口來(lái)對(duì)芯片進(jìn)行配置、控制和狀態(tài)監(jiān)控。
2MXTULPx8-5芯片結(jié)構(gòu)
MXTULPx8-5芯片功能模塊框圖如圖1所示，包含有以下幾個(gè)模塊：一個(gè)輸入和輸出接口模塊，一個(gè)MCU接口模塊和JTAG測(cè)試控制器，8個(gè)VC4處理器。當(dāng)輸入接口為STM-4字節(jié)接口模式時(shí)，輸入的2路STM-4數(shù)據(jù)流被分成8個(gè)STM-1數(shù)據(jù)流，并被獨(dú)立地輸入到8個(gè)VC4處理器中。當(dāng)輸出接口為STM-4接口模式時(shí)，處理過(guò)的8路STM-1數(shù)據(jù)流被合并成2路STM-4數(shù)據(jù)流輸出。MCU接口模塊提供了一個(gè)通用的8比特微處理器總線(xiàn)接口來(lái)對(duì)芯片進(jìn)行配置、操作和狀態(tài)監(jiān)控。JTAG測(cè)試控制器模塊提供邊界掃描功能。每一個(gè)VC4處理器處理一路STM-1數(shù)據(jù)流，它包括輸入解復(fù)用器、輸出復(fù)用器和3個(gè)TUG3處理器。輸入解復(fù)用器將輸入的STM-1數(shù)據(jù)流分發(fā)給三個(gè)TUG3支路凈荷處理器、輸出復(fù)用器將三個(gè)處理過(guò)的TUG3數(shù)據(jù)流合并在一起，形成一個(gè)VC4的數(shù)據(jù)流輸出。每一個(gè)TUG3支路凈荷處理器，可以配置成3種工作模式：TU3模式、TU12模式和TU11模式。它通過(guò)指針解釋和指針調(diào)整操作對(duì)齊支路完成指針下泄功能。
3核心技術(shù)
按照ITU-T建議G.707的規(guī)定，低階虛容器在復(fù)用到STM-x幀結(jié)構(gòu)之前，都應(yīng)當(dāng)選被映射到相應(yīng)的TU支路單元中。一個(gè)TU支路單元承載一個(gè)低階虛容器，也就是說(shuō)，在SDH幀結(jié)構(gòu)中低階虛容器和TU是一一對(duì)應(yīng)的。因此在SDH交叉連接中TU支路單元將代替虛容器（VC）作為交換的實(shí)體。因?yàn)椴煌笮〉腡U都可以在SDH數(shù)據(jù)幀中占據(jù)固定的例，因此可以用簡(jiǎn)單的列交換方法來(lái)實(shí)現(xiàn)TU的交叉連接
。如果想將輸入的TU交叉連接在輸出的STM-1數(shù)據(jù)流上，可以通過(guò)設(shè)置交換矩陣將特定的TU支路單元占據(jù)的列轉(zhuǎn)移到輸出流中STM-1幀中的具體位置。這種列交換方法的前提就是支路單元TU在輸入STM-1幀中占據(jù)固定的列。按照ITU-T建議規(guī)定，高階虛容器由于指針的緣故相對(duì)于STM-1幀可以有微小的頻率和相位差異。這樣就要求輸入的STM-1數(shù)據(jù)流在被送到交叉連接矩陣之前，必須經(jīng)過(guò)預(yù)處理使它們符合交換。通過(guò)處理SDH支路單元TU指針可將高階虛容器同STM-1的幀嚴(yán)格對(duì)齊，從而保證高階虛容器中封裝的TU支路單元在處理過(guò)的STM-1幀中占據(jù)固定的列，為對(duì)齊后的支路單元TU進(jìn)行列交換創(chuàng)造條件。從效果上看就好像高階AU4管理單元的指針調(diào)整事件被吸收到低價(jià)TU支路單元的指針調(diào)整事件中，從而消除了高階虛容器同STM-1幀之間的準(zhǔn)同步關(guān)系，保證了兩者之間嚴(yán)格的頻率和相位同步。這種方法通常被稱(chēng)為“指針下泄”。
4時(shí)分處理
TUG3處理器可以支持三種不同的工作模式（TU3、TU12和TU11模式），是電路中用來(lái)實(shí)現(xiàn)指針下泄功能的核心部分。圖2是TUG3處理器的內(nèi)部功能框圖，它主要包括輸入定時(shí)產(chǎn)生器、輸出定時(shí)產(chǎn)生器、指針解釋器、指針生成器和FIFO緩存器。它的基本工作原理是：通過(guò)指針解釋將各個(gè)支路單元中的有效凈荷低階VC解出來(lái)，寫(xiě)入到相應(yīng)的FIFO中；根據(jù)本地產(chǎn)生的定時(shí)信號(hào)從FIFO中讀出有效凈荷數(shù)據(jù)，通過(guò)指針生成器處理將其裝入到對(duì)應(yīng)的支路單元TU中；對(duì)FIFO設(shè)置上下兩個(gè)門(mén)限，其狀態(tài)用來(lái)解決是否進(jìn)行指地調(diào)整處理。TUG3處理器輸出的數(shù)據(jù)流中支路單元TU被對(duì)齊，從而為列交換提供條件。
按照G.707建議的規(guī)定，指針解釋和指針生成的算法都應(yīng)該建模成有限狀態(tài)機(jī)。TUG3數(shù)據(jù)流中的所有支路信號(hào)都要被處理。如果每一個(gè)支路都有一套與之相對(duì)應(yīng)的有限狀態(tài)機(jī)電路的話(huà)，要實(shí)現(xiàn)對(duì)TUG3數(shù)據(jù)流的處理將需要大量的電路，使得TUG3處理器非常復(fù)雜，電路量很大。例如：當(dāng)配置成TU11模式時(shí)，最多可以處理28個(gè)獨(dú)立的支路，就要有28套獨(dú)立的有限狀態(tài)機(jī)電路。為了減小數(shù)字電路的規(guī)模，我們使用了時(shí)分處理這一新型經(jīng)濟(jì)的電路設(shè)計(jì)方法。
指針解釋器和指針生成器都被設(shè)計(jì)成時(shí)分的有限狀態(tài)機(jī)，28個(gè)獨(dú)立的支路可以利用不同的隙復(fù)用相同的功能電路。同時(shí)在設(shè)計(jì)中一個(gè)最為明顯的變化就是狀態(tài)RAM的應(yīng)用，在指針處理過(guò)程中產(chǎn)生的支路狀態(tài)量不被保存在通常情況下的寄存器中，而是在輸入和輸出定時(shí)產(chǎn)生器的指導(dǎo)下保存在狀態(tài)RAM相應(yīng)的地址中。上述兩種情況都對(duì)電路的時(shí)序安排提出了更高的要求。在實(shí)際的電路中，VC4處理器的工作頻率為19.44MHz。在VC4處理器內(nèi)部將輸入的數(shù)據(jù)流分解成3路TUG3數(shù)據(jù)流分別送到三個(gè)TUG3處理器。TUG3中封裝的每一支路單元在處理中都占據(jù)三個(gè)19.44MHz時(shí)鐘的周期。在第一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，完成狀態(tài)RAM的讀操作，將支路的各種狀態(tài)向量讀出；在第二個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，根據(jù)完成有關(guān)指針解釋和指針生成狀態(tài)機(jī)的操作，生成支路的中間狀態(tài)；在第三個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，完成狀態(tài)RAM的寫(xiě)操作，將有限狀態(tài)機(jī)生成的支路狀態(tài)向量存儲(chǔ)到狀態(tài)RAM中。上述三個(gè)周期正好對(duì)一個(gè)支路完成全部操作，在接下來(lái)的三個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)則對(duì)另一個(gè)支路完成操作。上面的時(shí)序安排需要相關(guān)的RAM操作控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，它雖然在一定程度上增加了電路的復(fù)雜度，但是這種時(shí)分復(fù)用的方法明顯地減小了電路的規(guī)模，大約為原來(lái)的4%。
5彈性存儲(chǔ)器容量
在SDH的指針調(diào)整中，由于FIFO的讀寫(xiě)時(shí)鐘都是帶有缺口的時(shí)鐘，所以FIFO彈性存儲(chǔ)器容量的計(jì)算不同于PDH中碼速調(diào)整的緩存容量的計(jì)算。為了得到更好的性能，通過(guò)相位檢測(cè)的方法來(lái)決定緩存器的大小，同時(shí)在計(jì)算過(guò)程中特殊的情況要加以考慮。在ITU-T建議G.783中，對(duì)不同級(jí)別VC的指針調(diào)整的正調(diào)整和負(fù)調(diào)整門(mén)限的最小差值作了規(guī)定，以滿(mǎn)足在接收端的性能要求，它們分別為：對(duì)于VC-12和VC-11，值為2字節(jié)；對(duì)VC-3，值為4字節(jié)。下面以VC-12為例計(jì)算緩存容量的大小。
相位檢測(cè)的方法是比較緩存器的讀寫(xiě)時(shí)鐘。當(dāng)相位差φ（t）小于在調(diào)整門(mén)限Tp時(shí)，指針對(duì)調(diào)整事件發(fā)生；當(dāng)相位差φ（t）大于負(fù)調(diào)整門(mén)限Tn時(shí)，指針負(fù)調(diào)整事件發(fā)生；當(dāng)相位差φ（t）在正調(diào)整門(mén)限Tp和Tn負(fù)調(diào)整門(mén)限時(shí)，沒(méi)有指針調(diào)整事件發(fā)生。按照G.783建議的規(guī)定，有Tn-Tp≥2byte。
當(dāng)φ(t)剛剛大于正調(diào)整門(mén)限Tp時(shí)，輸入的VC又有一個(gè)正調(diào)整時(shí)鐘的缺口，此時(shí)有φmin(t)=Tp-1byte，對(duì)于緩存要保證無(wú)誤碼，需有φ(t)>0，從而計(jì)算出Tp應(yīng)大于1個(gè)字節(jié)。
當(dāng)φ（t）剛剛小于負(fù)調(diào)整門(mén)限Tn時(shí)，輸入的VC又有一個(gè)負(fù)調(diào)整時(shí)鐘的缺口，此時(shí)讀寫(xiě)時(shí)差為φmax（t）=Tn+1byte。
如果要保證無(wú)誤碼傳輸，設(shè)緩存讀寫(xiě)時(shí)差的最小差值為1個(gè)字節(jié)，由此可以得出VC-12指針調(diào)整時(shí)所需緩存的最小容量為：
C=1byte+φman（t）=1
byte+Tn+1byte
=1byte+(Tn-Tp)+Tp+1byte
=1byte+2byte+2byte+1byte=6byte。
運(yùn)用同樣的方法，可以計(jì)算出VC-11指針調(diào)整所需的最小容量為6byte，而VC-3指針調(diào)整所需的最小容量為12byte。
6應(yīng)用實(shí)例
SDH數(shù)字交叉連接設(shè)備（SDXC）是一種重要的SDH網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。它完成不同高速信號(hào)支路信號(hào)間的時(shí)隙交換同，從而進(jìn)行有效的網(wǎng)絡(luò)管理，實(shí)現(xiàn)可靠的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)與恢復(fù)，常用的SDH環(huán)路或網(wǎng)絡(luò)的交匯點(diǎn)，以及骨干網(wǎng)與本地網(wǎng)之間的互連節(jié)點(diǎn)上。由于MXTULPx8-5將支路單元對(duì)齊從而方便地對(duì)支路進(jìn)行交叉連接，使得MXTULPx8-5被廣泛應(yīng)用在SDH數(shù)字交叉連接設(shè)備中。圖3給出了MXTULPx8-5工作在輸入STM-4接口模式下，與兩片PM5313芯片和一片MAXDCx8-4相互配合，來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的SDH數(shù)字交叉連接系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，PM5313芯片完成SDH段、線(xiàn)和通道終結(jié)的功能；MXDCx8-4完成支路的交叉連接。
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