基于SOPC的EDSL Modem的研制

1 引言
目前，xDSL宽带接入技术充分利用现有双绞线资源，为用户提供非对称高速通道，尤其是ADSL技术已被人们广为接受而成为宽带接入技术的主流。然而随着IP交换技术的成熟与发展，主干网中交换方式将由 ATM逐步向IP交换方式转换，因此基于 ATM的ADSL技术也日益表现出其本身的局限性。基于此，中国信息产业部与2003年1月提出了基于IP交换网的EDSL技术，全称为基于时分双工的以太数字用户线系统（TDD based Ethernet Digital Subscriber Line System（TDD-EDSL））,它结合了目前广为应用的两大通信技术 xDSL和Ethernet 的精华，首次在接入网范畴内实现了IP包的直接传送,中间无ATM信令转换；采用数据突发技术，应用以太网碰撞检测机制，带宽动态分配,速率高达 10Mbit/s，第二代EDSL技术能实现智能频谱管理，最高速率可达100Mbit/s；TDD-EDSL实现IP端到端传送，传输距离长，标准距离可到8km，环路质量较好时可到 9km；传输效率高，功耗低；完善的网管系统、流量控制和服务质量控制；完全符合 IEEE802.3 Ethernet、YD/T1254-2003 以及ANSI TI 417 频谱管理标准；安装简便，用户端即插即用，使用10/100/1000Mbit/s以太网接口。
独特的智能频谱管理技术和时分双工模式，大大简化了系统结构，同时也顺应了主干网IP化的趋势。与传统 xDSL技术比较，它不仅克服了 xDSL技术的许多局限性（如对线路的挑、串扰等），并且增大了传输距离，提高了传输效率，EDSL系统结构与ADSL类似，其核心部分是EDSL Modem.
在EDSL实现中，本文提出了可剥夺实时内核的实时操作系统µC/OS-II[1]和32位精简指令集软核处理器 Nios核相结合的方法,构成一种基于可配置的软核处理器的嵌入式开发平台。该平台软、硬件均可按照用户需求进行剪裁配置，最大程度地提供了系统设计的灵活性，具有重要的应用价值，本文重点讲述基于SOPC的EDSL Modem的实现。
2 EDSL系统结构和协议栈
EDSL的主要技术特点：(1)IP端到端网络；(2)采用时分复用技术，双向带宽动态分配；
(3)客户服务器模式，I P 包无碰撞机制；(4)数据突发技术。正是由于以上技术的采用，使得EDSL技术不仅克服了xDSL技术的许多局限性，并且增大了传输距离，提高了传输效率。EDSL的系统结构与ADSL类似，由位于用户端的EDSL Modem 和 局端的高密度接入复用设备DSLAM(DSL Access Multiplexer)构成，其结构 [2]如图1。
   
   EDSL技术是基于 IP交换的新型宽带接入技术，它结合了以太网技术和 xDSL技术的优点， 为了充分降低用户端设备的复杂性，使系统易于统一管理，该系统采用了客户服务器模式，即用户端工作在客户端模式，局端设备处于服务器模式，由局端设备进行线路的频谱管理以及速率自适应调试，得到双绞线中当前所能承受的最大速率以及最佳调制频率等参数，当用户端得 EDSL设备接收到包含此类信息的信息帧时，根据接收到的参数更改自身的参数，从而达到最佳工作状态。这种模式下无需用户进行设置即可方便使用，从而大大增强了用户的易用性。
与基于ATM的ADSL技术相比，EDSL技术拥有更为简单的协议结构 [3]。如图2。
3硬件平台的设计
EDSL Modem硬件平台的搭建主要使用了 Altera公司的 FPGA Cyclone EP1C6Q240C8芯片，它拥有充足的可编程逻辑资源内嵌32位Nios-II软核处理器来实现整个可编程嵌入式系统。系统的主要功能由FPGA实现，硬件电路除 FPGA外只需加上存储器件、以太网控制芯片和前端AD/DA转换芯片即可。本系统主要使用了一片 8M Byte Flash,一片16M Byte SDRAM，以及以太网接口控制芯片等作为FPGA的外围设备，硬件结构简单明了，极大提高了系统的可靠性。FPGA系统运行时钟为50MHz，充分保证了系统的运行速度。
在硬件平台的搭建中主要用到了Altera公司的Quartus-II与SOPC Builder软件，其中 Quartus-II能进行系统及各逻辑部件的设计输入、编译、仿真、综合、布局布线，并进行位流文件的下载和配置文件的烧录，以及使用片内逻辑分析仪进行分析和验证。 SOPC Builder嵌入在Quartus-II开发系统内,是一个自动系统开发工具,能够自动进行系统定义,完成 SOPC开发的集成过程。在SOPC Builder 中选取系统所需部件,并自动生成每个部件的系统级HDL 文件以及支持部件所需的软件,如驱动程序、库文件和一些实用的应用程序等,以供软件开发 原型用[4]。
通过SOPC Builder软件包可以定制32位 Nios-II软核处理器和基本的Nios-II外设模块，如 UART控制器，定时器，FLASH控制器， SDRAM制器等。本文设计的硬件平台结构如图3所示。 
  
   图 3所示虚线框内硬件部分均是在 FPGA内实现
该系统的嵌入式处理器 Nios-II是 Altera 公司推出的一个用户可配置的16 位或32 位精简指令集软核处理器。Nios-II处理器可以配置成最多支持 64个中断，包括外部硬件中断、内部中断以及 TRAP(调试中断)。Nios-II 处理器可以配置使用 32位内部定时器，通过软件控制写入控制寄存器的内容来获得定时工作，与一般的定时器工作原理相同，可以产生定时中断。
Nio-II嵌入式系统中采用 Avalon交换式总线在处理器、外围设备和接口电路之间实现网络连接，并提供高带宽数据路径、多路和实时处理能力。 Avalon交换式总线可以通过调用 SOPC Builder设计软件自动生成 [5]。
EDSL Modem的核心部分即主收发器利用 FPGA中的逻辑单元编写自定义用户模块，并生成自定义 IP核，通过 Avalon总线接口与嵌入式处理器相连。该主收发器共包括了两个部分：EDSL成帧模块和 QAM调制模块。
在 SOPC系统中，除了以上部件，还有片上 ROM、内部定时器、 UART串行口、 SRAM、 Flash、以及以太网控制器 LAN91c111接口等系统部件皆由 SOPC builer自动生成。
4软件系统的设计
软件平台的开发是在 Altera公司为 Nios-II 系统定制的 Nios-II IDE系统上展开的， Nios-II IDE是基于 Eclipse IDE的集成开发环境，用户可以在 Nios-II IDE中为 Nios II 系统开发模块驱动程序、板级支持包（ BSP），以及用户应用程序。考虑到 EDSL Modem 的系统控制和高速数据传输，在该嵌入式平台中嵌入了实时嵌入式系统 uC/OS-II，整个系统的软件体 系结构如图4：
  
   
   其中位于 Nios-II硬件平台之上的是 EDSL Modem各部件的驱动程序。其上是硬件抽象层（HAL），它是位于应用程序和系统硬件之间的一个系统库（ System Library），在软件开发时可以非常方便地使用这些系统库来与底层硬件通信，而无须关心的底层硬件实现细节。这样在上层应用程序和底层硬件之间就构成了明显的界限，底层驱动的修改不会对应用程序造成任何影响。HAL API（Application Program Interface，应用程序接口）集成了 ANSIC 的标准库，它允许应用程序使用类似 C库函数的方式访问硬件和文件。
实时嵌入式操作系统 uC/OS-II 内核工作在 HAL的顶部[6]，有了 HAL这一层，基于 uC/OS-II的程序具有更好的可移植性，而且不受底层硬件改变的影响。
此外，EDSL Modem的以太网接口通信中，主要在 uC/OS-II中嵌入了 LwIP协议，LwIP不仅支持一般的网络协议，比如 UDP协议、DHCP协议、PPP协议等，而且还支持多网络接口、IPv6和标准 API[7]。
5结束语
本文介绍了我国拥有自主知识产权的宽带接入技术-- TDD-EDSL，并着重介绍了基于 SOPC的 EDSL Modem的软硬件实现。在商用 ASIC并不完善的情况下，本文使用了软硬件均可编程的 Nios-II嵌入式系统，缩短了研发周期，降低了研发成本。同时 SOPC也代表了以后产品设计的发展方向，具有积极的借鉴意义。本文所设计的 EDSL Modem各部分已通过了软件仿真和实验箱开发平台验证。
6创新点
将软硬件均可编程的 Nios-II嵌入式系统应用到宽带领域相关产品的研发，大大缩短了产品的研发成本与研发周期，避免了研发过程中对成熟 ASIC的过分依赖。