基于Spartan3 XCS1000实现NGN网关接口芯片的设计

基于Spartan3 XCS1000实现NGN网关接口芯片的设计

方案介绍

图1 网关接口板功能结构图

设计描述

图2 FPGA内部功能结构图

数据流

从数据流角度看，FPGA包括与专用处理芯片OBCI3 相连的MasterLink［A，B］，与终端控制板相连的Serial Link，与TDM芯片相连的ST_Link。为提高网关接口设备的可靠性，所有的数据流都包括A、B两路，分别来自主/备用设备，当其中一路发生故障时，系统自动切换到另外一路。以上行数据为例，从终端控制板来的Serial Link共分6路，其中每一路数据格式都是由A、B两路经过Manchester编码过的复用数据，A/B路复用数据在Coder/Decoder模块中经过线路端解码，恢复出A 、B两路Cluster Link数据，该数据采用PCM格式，其速率为4MHz，共分为32 个PCM 信道，每个信道16位，其中CH0 用于同步信道，CH16 用于信令信道，其它信道可以承载语音和数据，又叫SPATA 信道。16位的SPATA 信道包含了8位的语音编码和协议位，CH0包含同步编码，如表1所示：其中PP 是协议比特，当有告警时PP=11，否则为00，A=1时表明存在软件或硬件告警，M=1 时表明存在摘挂机事件。其中，13 、12以及7 “4为同步位，当上下游接口芯片以每125ms的间隔固定检测到同步码的时候，整个系统处于完全同步状态，否则，对端芯片会在CH16发出远端告警，用于通知网关设备进行故障处理。

图3 控制状态机

CH16 是16位宽的控制信道，用于发送控制命令包或接收反馈包，用于控制终端控制板的操作。MasterLink 只承载同步和信令信道，不包括SPATA 信道，MasterLink 也包含A B两条链路。ST_Link是与TDM芯片相连的TDM 链路，满足标准ST-BUS 的接口要求，只承载8位的语音信道。FPGA将前述Serial Link经过Manchester解码后分离的A/B路数据分别进行8位数据提取，然后按照ST_BUS总线的格式分别放到各自对应的通道中，共12路ST_link数据。具体实现上，采用2个双口RAM，进行数据缓存后，按照ST_BUS格式按序读出。反之，FPGA进行ST_BUS到Serial Link的扩展。

图4 GPBUS与386总线映射关系

控制流

图3是在FPGA具体实现中所采用的状态机，系统共有4个状态，状态翻转的信号见图3右下侧，低为有效。当CPU没有总线操作时，系统为空闲状态；当CPU需要进行SRAM操作时，SRAM片选信号有效，系统进入OBC SRAM 存取状态，在此状态下，FPGA将CPU的操作映射为标准的SRAM时序，从而完成SRAM的读写操作。FPGA同时监测OBCI3的DMA请求信号，当状态为OBCI3 SRAM 存取时，如果CPU授权DMA请求，FPGA则激活OBCI3的HOLD_OUT信号，使OBCI3获得系统总线控制权，并启动DMA模式直接存取片外SRAM，从而大大加快了系统处理的速度。当CPU需要与OBCI3进行通讯的时候，系统进入OBCI3 存取状态，在该状态下，FPGA将异步的GPBUS总线逻辑的读写操作映射为同步的Intel-386接口时序，见图4。图中上半部分是GPBUS的读写时序，而下半部分则是经过FPGA映射后输出的标准386 CPU接口时序。图中箭头标明了两组总线控制信号之间的时序关系。

设计实现

本设计采用Xilinx的Spartan3-XCS1000实现。Spartan3系列器件采用90nm工艺，具有丰富的内部资源，包括17280个逻辑单元，120Kbit的分布式RAM和432Kbit的Block RAM，并提供了丰富的引脚接口类型。设计利用Synplify Pro 7.7进行综合，在ISE8.1中完成布局布线。经过系统验证，完全符合系统要求，现在已经进行批量生产。

结语

为顺利向下一代网络结构过渡，本文设计了NGN网关设备中的接口芯片，该芯片能够提供设备所需要的多种逻辑功能，极大地简化了电路板的设计。同时，设计本身采用可扩展的设计结构，可以满足系统扩展的要求。采用Spartan3系列FPGA实现，经过系统测试，完全符合设计需求。

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