SDH指针下泄专用集成电路MXTULPx8-5的设计和应用

摘要：发展同步数字序列（SDH）技术必须依赖专用集成电路。介绍了清华大学自主研制和开发的SDH指针下泄专用集成电路MXTULPx8-5的特性。这一芯片能够通过处理低阶支路（TU3、TU12、TU11）的指针，来补偿输入和输出高阶AU4管理单元同步净荷封装帧速率间的伪同步关系，从而对齐这些支路，为SDH支路单元交叉连接芯片的工作提供方便。还介绍了芯片设计时所使用的电路时分复用技术，分析了支路弹性存储器的容量，给出了应用MXTULPx8-5芯片的一个实例。 关键词：同步数字序列 指针下泄 专用集成电路 作为一种全新的网络传输体制，自从20世纪90年代出现以来，SDH网络以其灵活性和方便性等各个方面的优越性，迅速成为通信网络的骨干网络。现在我国虽然在开发研制SDH的通信设备方面取得了很大的成绩，但是国内厂家SDH设备的关键核心芯片大多数是进口的。而从长远的观点来看，SOC片上系统是通信设备发展的趋势。因此提高ASIC设计的水平，开始具有自主知识产权的通信专用集成电路，对降低通信设备的成本、提高国家通信产业的整体竞争能力都具有深远的影响。 为了满足通信产业国产化的迫切要求，清华大学电子工程系开发了一系列具有自主知识产权的大规模通信专用集成电路。其中MXTULPx8-5是最新开发的一种SDH指针下泄专用集成电路，能够广泛地应用在SDH的网络设备中，具有很好的应用前景。 1 MXTULPx8-5芯片特性 当前，PMC-Sierra公司开发的PM5362和PC5363芯片是一种比较常见的SDH支路单元净荷处理器，能够分别处理一路STM-1和一路STM-4的数据流。它们被广泛地应用于国产的SDH交叉连接的设备中。而清华大学电子工程系独立开发的SDH指针下泄处理芯片MXTULPx8-5，能够对齐八路STM-1或两路STM-4的数据流中的支路单元，在功能上可以代替八片PM5362或两片PM5362芯片。很明显，MXTULPx8-5能够大幅度降低交叉连接设备的成本和尺寸。 SDH指针下泄芯片MXTULPx8-5是一个用来对齐支路单元的可配置的多通道的支路净荷处理器单元集成电路。它采用0.25μm低功耗CMOS 工艺，304管脚HQFP封装，支持工业温度范围（-40℃～85℃），规模为150万门。下面是它的一些工作特性： %26;#183;将输入的2个STM-4或8个STM-1的字节串行流中的8个AU4管理单元中的支路净荷，转移到相应输出的支路单元中。 %26;#183;通过处理低阶段支路（TU3、TU12或TU11）的指针，来补偿输入和输出高阶AU4管理单元同步净荷封装帧速率间的准同步关系。 %26;#183;在TUG3基础上可以配置成TU3、TU12、TU11支持的任何合法组合。 %26;#183;在网管软件的控制下可对任一支中插入全0码、全1码或NDF新数据标识。 %26;#183;检测每一支路的LOP指针丢失、AIS通道告警指示、支路指针正负调整和支路弹性存储上溢下溢错误的状态，并可配置在上述事件发生时产生中断。 %26;#183;可以将输入和输出接口独立配置成77.76MHz的STM-4字节接口模式、19.44MHz的STM-1字节接口模式或38.88MHz的STM-1半字节接口模式。 %26;#183;提供一个通用的8比特微处理器总线接口来对芯片进行配置、控制和状态监控。 2 MXTULPx8-5芯片结构 MXTULPx8-5芯片功能模块框图如图1所示，包含有以下几个模块：一个输入和输出接口模块，一个MCU接口模块和JTAG测试控制器，8个VC4处理器。当输入接口为STM-4字节接口模式时，输入的2路STM-4数据流被分成8个STM-1数据流，并被独立地输入到8个VC4处理器中。当输出接口为STM-4接口模式时，处理过的8路STM-1数据流被合并成2路STM-4数据流输出。MCU接口模块提供了一个通用的8比特微处理器总线接口来对芯片进行配置、操作和状态监控。JTAG测试控制器模块提供边界扫描功能。每一个VC4处理器处理一路STM-1数据流，它包括输入解复用器、输出复用器和3个TUG3处理器。输入解复用器将输入的STM-1数据流分发给三个TUG3支路净荷处理器、输出复用器将三个处理过的TUG3数据流合并在一起，形成一个VC4的数据流输出。每一个TUG3支路净荷处理器，可以配置成3种工作模式：TU3模式、TU12模式和TU11模式。它通过指针解释和指针调整操作对齐支路完成指针下泄功能。 3 核心技术 按照ITU-T建议G.707的规定，低阶虚容器在复用到STM-x帧结构之前，都应当选被映射到相应的TU支路单元中。一个TU支路单元承载一个低阶虚容器，也就是说，在SDH帧结构中低阶虚容器和TU是一一对应的。因此在SDH交叉连接中TU支路单元将代替虚容器（VC）作为交换的实体。因为不同大小的TU都可以在SDH数据帧中占据固定的例，因此可以用简单的列交换方法来实现TU的交叉连接。如果想将输入的TU交叉连接在输出的STM-1数据流上，可以通过设置交换矩阵将特定的TU支路单元占据的列转移到输出流中STM-1帧中的具体位置。这种列交换方法的前提就是支路单元TU在输入STM-1帧中占据固定的列。按照ITU-T建议规定，高阶虚容器由于指针的缘故相对于STM-1帧可以有微小的频率和相位差异。这样就要求输入的STM-1数据流在被送到交叉连接矩阵之前，必须经过预处理使它们符合交换。通过处理SDH支路单元TU指针可将高阶虚容器同STM-1的帧严格对齐，从而保证高阶虚容器中封装的TU支路单元在处理过的STM-1帧中占据固定的列，为对齐后的支路单元TU进行列交换创造条件。从效果上看就好像高阶AU4管理单元的指针调整事件被吸收到低价TU支路单元的指针调整事件中，从而消除了高阶虚容器同STM-1帧之间的准同步关系，保证了两者之间严格的频率和相位同步。这种方法通常被称为“指针下泄”。 4 时分处理 TUG3处理器可以支持三种不同的工作模式（TU3、TU12和TU11模式），是电路中用来实现指针下泄功能的核心部分。图2是TUG3处理器的内部功能框图，它主要包括输入定时产生器、输出定时产生器、指针解释器、指针生成器和FIFO缓存器。它的基本工作原理是：通过指针解释将各个支路单元中的有效净荷低阶VC解出来，写入到相应的FIFO中；根据本地产生的定时信号从FIFO中读出有效净荷数据，通过指针生成器处理将其装入到对应的支路单元TU中；对FIFO设置上下两个门限，其状态用来解决是否进行指地调整处理。TUG3处理器输出的数据流中支路单元TU被对齐，从而为列交换提供条件。 按照G.707建议的规定，指针解释和指针生成的算法都应该建模成有限状态机。TUG3数据流中的所有支路信号都要被处理。如果每一个支路都有一套与之相对应的有限状态机电路的话，要实现对TUG3数据流的处理将需要大量的电路，使得TUG3处理器非常复杂，电路量很大。例如：当配置成TU11模式时，最多可以处理28个独立的支路，就要有28套独立的有限状态机电路。为了减小数字电路的规模，我们使用了时分处理这一新型经济的电路设计方法。 指针解释器和指针生成器都被设计成时分的有限状态机，28个独立的支路可以利用不同的隙复用相同的功能电路。同时在设计中一个最为明显的变化就是状态RAM的应用，在指针处理过程中产生的支路状态量不被保存在通常情况下的寄存器中，而是在输入和输出定时产生器的指导下保存在状态RAM相应的地址中。上述两种情况都对电路的时序安排提出了更高的要求。在实际的电路中，VC4处理器的工作频率为19.44MHz。在VC4处理器内部将输入的数据流分解成3路TUG3数据流分别送到三个TUG3处理器。TUG3中封装的每一支路单元在处理中都占据三个19.44MHz时钟的周期。在第一个时钟周期内，完成状态RAM的读操作，将支路的各种状态向量读出；在第二个时钟周期时，根据完成有关指针解释和指针生成状态机的操作，生成支路的中间状态；在第三个时钟周期内，完成状态RAM的写操作，将有限状态机生成的支路状态向量存储到状态RAM中。上述三个周期正好对一个支路完成全部操作，在接下来的三个时钟周期内则对另一个支路完成操作。上面的时序安排需要相关的RAM操作控制电路来实现，它虽然在一定程度上增加了电路的复杂度，但是这种时分复用的方法明显地减小了电路的规模，大约为原来的4%。 5 弹性存储器容量 在SDH的指针调整中，由于FIFO的读写时钟都是带有缺口的时钟，所以FIFO弹性存储器容量的计算不同于PDH中码速调整的缓存容量的计算。为了得到更好的性能，通过相位检测的方法来决定缓存器的大小，同时在计算过程中特殊的情况要加以考虑。在ITU-T建议G.783中，对不同级别VC的指针调整的正调整和负调整门限的最小差值作了规定，以满足在接收端的性能要求，它们分别为：对于VC-12和VC-11，值为2字节；对VC-3，值为4字节。下面以VC-12为例计算缓存容量的大小。 相位检测的方法是比较缓存器的读写时钟。当相位差φ（t）小于在调整门限Tp时，指针对调整事件发生；当相位差φ（t）大于负调整门限Tn时，指针负调整事件发生；当相位差φ（t）在正调整门限Tp和Tn负调整门限时，没有指针调整事件发生。按照G.783建议的规定，有Tn-Tp≥2byte。 当φ(t)刚刚大于正调整门限Tp时，输入的VC又有一个正调整时钟的缺口，此时有φmin(t)=Tp-1byte，对于缓存要保证无误码，需有φ(t)>0，从而计算出Tp应大于1个字节。 当φ（t）刚刚小于负调整门限Tn时，输入的VC又有一个负调整时钟的缺口，此时读写时差为φmax（t）=Tn+1byte。 如果要保证无误码传输，设缓存读写时差的最小差值为1个字节，由此可以得出VC-12指针调整时所需缓存的最小容量为： C=1byte+φman（t）=1byte+Tn+1byte =1byte+(Tn-Tp)+Tp+1byte =1byte+2byte+2byte+1byte=6byte。 运用同样的方法，可以计算出VC-11指针调整所需的最小容量为6byte，而VC-3指针调整所需的最小容量为12byte。 6 应用实例 SDH数字交叉连接设备（SDXC）是一种重要的SDH网络设备。它完成不同高速信号支路信号间的时隙交换同，从而进行有效的网络管理，实现可靠的网络保护与恢复，常用的SDH环路或网络的交汇点，以及骨干网与本地网之间的互连节点上。由于MXTULPx8-5将支路单元对齐从而方便地对支路进行交叉连接，使得MXTULPx8-5被广泛应用在SDH数字交叉连接设备中。图3给出了MXTULPx8-5工作在输入STM-4接口模式下，与两片PM5313芯片和一片MAXDCx8-4相互配合，来实现一个简单的SDH数字交叉连接系统。在这个系统中，PM5313芯片完成SDH段、线和通道终结的功能；MXDCx8-4完成支路的交叉连接。