基于μC-OS-II和Nios核结合实现EDSL Modem的软硬件设计.doc

基于C/OS-II和Nios核结合实现EDSL Modem的软硬件设计1 引言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，首次在接入网内实现IP端到端的传输，中间无协议转换，大大降低了信令处理的复杂性。EDSL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C/OS-II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。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，其结构如图1所示。与基于ATM的ADSL技术相比，EDSL技术拥有更为简单的协议结构，如图所示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。 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。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 。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。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。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，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。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。