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基于FPGA的數據無阻塞交換設計

來源:零零電子  作者:零零電子  時間:2008-08-11 17:57:55  閱讀:366
引言

隨著FPGA和大規模集成電路的發展,數據交換的實現有了新的方法。在該設計中,FPGA完成串口數據信號(TXD、RXD)的交換,專用的時隙交換芯片完成串口握手線(RTS、CTS、DTR、DSR、DCD、RI)的交換。內部有硬件沖突監測功能,能夠自動檢測到2個終端同時連接到同一個信道或2個信道連接到同一個終端,并自動將舊的連接狀態拆除,建立新的鏈路。這樣就使原來的連接終端進入空閑狀態,保證終端和信道時間軸上的無縫隙切換。通過判斷RI的狀態,它還可以監視信道DCE的狀態,判斷出信道是否有請求,并上報給監控。

技術指標如下:①交換規模:40×40×8;②最大切換建立時間:200μs;③握手線最大傳輸延時:125μs;④數據線最大傳輸延時:小于1μs;⑤串行數據速率:8.192 Mbps。

1 硬件實現

數據交換矩陣在主控單元的控制下,將終端數據端口和信道數據端口進行物理交換。交換矩陣包括DTE端口40個(包含24個DTE接口,16個DTE/DCE可配置接口),DCE端口40個(包含24個DCE接口,16個DTE/DCE可配置接口)。數據交換矩陣是由數據線交換矩陣(TXD、RXD)、握手線交換矩陣(RTS、CTS、DTR、DSR、DCD、RI)和交換控制模塊(單片機實現)組成。交換控制模塊管理數據線和握手線2個交換模塊,連續對2個模塊進行操作。數據線交換由可編程邏輯器件完成,握手線交換由時隙交換器件完成。

數據線交換模塊由FPGA實現,選用30萬門的可編程邏輯器件實現,其資源已經滿足了數據線路交換的需求,并可以再擴展。握手線交換模塊選用TSI(TIME SLOT INTERCHANGE)芯片MT90820,具有16對收發數據流,最大可實現2 048×2 048通道無阻塞交換。交換矩陣的控制單元選用通用的8051系列單片機。CPLD_1、CPLD_2和CPLD_3選用MAX7064,可以接4組串口握手線(CPLD_1、CPLD_2和CPLD_3的功能也可以用一個較大資源的FPGA來實現,這里選用小的CPLD來完成)。

FPGA和CPLD內部的功能都是通過硬件描述語言VHDL實現的。FPGA完成數據信號的交換、傳輸切換命令、讀取DCE信道狀態等功能。它模擬了一個Intel的8位總線接口(連接控制單元);一個Motorola的16位總線接口(連接時隙交換芯片),從而進行接口時序的變換。FPGA中的數據交換狀態寄存器與相對應握手線交換芯片中的所有寄存器一致,來確保數據線和握手線交換同步。CPLD完成4組串口握手線的串并轉換、組幀、DTE/DCE選擇等功能。

CPLD_1只能接DTE,每個DTE的6條握手線(2發4收)對應2個8位寄存器、1個發送寄存器、1個接收寄存器。RST/DTR對應發送寄存器的前2位,CTS\DSR\DCD\JI對應接收寄存器的前4位。當有同步信號Syn時(8 kHz),每個發送寄存器串行移位輸出數據,4個發送寄存器每隔一幀循環地發送數據,則組成1個每幀為128時隙、128×8位、8.192 Mb/s數據流(STi),送入握手線交換矩陣。DTE0到DTE3依次占用了數據幀中的第0到第3時隙,剩余都空閑。接收數據流過程相反。由握手線交換矩陣送過來固定幀格式的數據流(STo)進入CPLD,通過同步信號Syn提取第0到第3時隙的前4位,放入相應接收寄存器中,再依次對應到各DTE的握手線信號(CTS\DSR\DCD\RI)。這也就是信道(DCE)端口送來的握手信號,從而實現了交換。每個DTE占用的時隙是固定的,每幀中1個DTE占用1個時隙。如DTE0占用第0時隙,以此類推。

CPLD_2只能接DCE,每個DCE的6條握手線(4發2收)也對應2個8位寄存器。CTS\DSR\DCD\RI對應發送寄存器的前4位,RST/DTR對應接收寄存器的前2位。當有同步信號Syn時(8 kHz),每個發送寄存器串行移位輸出數據,4個發送寄存器每隔一幀循環地發送數據,則組成1個數據流(STi),送入握手線交換矩陣。DCE0到DCE3依次占用了數據幀中的第0到第3時隙,剩余都空閑。接收數據流過程相反。由握手線交換矩陣送過來固定幀格式的數據流(STo)進入CPLD,通過同步信號Syn提取第0到第3時隙的前4位,放入相應接收寄存器中,再依次對應到各DCE的握手線信號(RTS\DTR)。這也就是終端(DTE)端口送來的握手信號,從而實現了交換。每個DCE占用的時隙是固定的,每幀中1個DCE占用1個時隙。如DCE0占用第0時隙,以此類推。

CPLD_3是CPLD_1和CPLD_2功能的合并?筛鶕脩舻男枰,在FPGA的控制下,在CPLD內部通過數據線和握手線的交叉變換可以把DTE變換成DCE,交叉方法類似于通用的RS232數據交叉線的做法。這樣做主要為了把DTE當作DCE用。當該DTE端口與其他DTE端口進行交換時,要把它變成DCE端口用;當該DTE端口與DCE端口進行交換時,不進行改變仍然作為DTE端口用。在確定是DTE或是DCE后,可依據CPLD_1和CPLD_2的方法,送人握手線交換矩陣。

2 軟件實現

軟件實現采用C語言進行模塊化設計,主要包括主程序單元、切換單元、查詢單元、中斷單元、主動上報單元和看門狗。主程序包括數據交換矩陣的初始化配置和各個功能模塊的判斷選擇。切換單元控制FPGA和時隙芯片進行各個端口的切換連接、拆除連接、沖突檢測以及強拆連接。中斷單元是與監控通信的接口,負責接收監控傳來的命令;發送要主動上報的信息。查詢單元可以查詢各個信道的狀態,信道是否有請求(查詢信道振鈴信號RI是否有效)。主動上報單元是指殲機上報、定時上報,來指示數據交換矩陣是否工作正常。

3 結束語

通過上面設計,可以做成一個單獨的模塊。DTE接口可以接數字電話、數字傳真等數據終端;DCE接口可以接GSM等數據信道;DTE/DCE接口可以根據用戶的需求來配置,比如用于計算機擴展的多串口與DTE或DCE的通信。該技術具有硬件平臺通用性好、應用范圍廣以及功能擴展容易等優點。

      
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