以太網(wǎng)到多路E1適配電路設(shè)計(jì)及FPGA實(shí)現(xiàn)

適配電路的一側(cè)為MII標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)MAC接口，采用100MHz/全雙工模式，另一側(cè)是8路E1（HDB3）差分接口。發(fā)送方向?qū)⒁蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)封裝為HDLC幀，反向復(fù)用到1～8路可配E1信道傳輸，接收方向同步多路E1，還原出以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。帶寬從2MHz到16MHz（1～8路E1）可配，接收側(cè)多路E1之間可以容納16毫秒的延時(shí)。

鑒于目前國內(nèi)類似產(chǎn)品較少，而ASIC開發(fā)成本較高，本電路采用VHDL編程→FPGA實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)流程。

1反向復(fù)用定義

反向復(fù)用的基本概念就是把一路高速數(shù)據(jù)適配到多路低速信道中傳輸，提供相當(dāng)于多路低速之和的傳輸帶寬。對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，主要關(guān)心以下幾點(diǎn)性能。

1.1 帶寬利用率

低速信道在傳輸高速數(shù)據(jù)的同時(shí)，必然有附加的開銷，會(huì)影響帶寬利用率。在本設(shè)計(jì)中，以太網(wǎng)包進(jìn)入適配電路后封裝成HDLC幀需要四字節(jié)的附加信息。E1幀在傳輸HDLC數(shù)據(jù)的同時(shí)要攜帶的同步信息，占用6.25%帶寬。綜合上述兩點(diǎn)，有效數(shù)據(jù)平均帶寬利用率大約在90%。

1.2 容納延時(shí)

由于各路低速信道在傳輸過程中經(jīng)歷的路徑不同，到達(dá)對(duì)端后各路間會(huì)有延時(shí)，設(shè)計(jì)中要考慮如何消除這部分延時(shí)。

1.3 線路故障處理

算法設(shè)計(jì)中必需有同步保護(hù)狀態(tài)機(jī)，保證傳輸信道出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，算法不會(huì)產(chǎn)生過高的附加誤碼率，并且在信道錯(cuò)誤恢復(fù)時(shí)，保證數(shù)據(jù)傳輸同步恢復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)包突發(fā)性

以太網(wǎng)的滿發(fā)送速率為100MHz，而低速信道的最大可配帶寬為16MHz，這將導(dǎo)致即使平均流量小于配置帶寬，一個(gè)短時(shí)間內(nèi)，接收的數(shù)據(jù)量還有可能遠(yuǎn)大于傳輸帶寬。所以在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的輸入側(cè)必須設(shè)計(jì)高容量的緩存隊(duì)列以容納一定的突發(fā)數(shù)據(jù)包。

2 算法設(shè)計(jì)

以下就設(shè)計(jì)中一些核心電路的算法做具體說明。

2.1 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)→多路E1反向復(fù)用

數(shù)據(jù)反向適配一般可以采用三種方式：包間插、比特間插和字節(jié)間插。所謂包間插就是指數(shù)據(jù)包到達(dá)后，連續(xù)檢測(cè)各個(gè)E1信道，在第一個(gè)查到的空閑信道上順序傳輸整個(gè)數(shù)據(jù)包，下一包到達(dá)后再重復(fù)這一過程。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單，在對(duì)端也不需要對(duì)多路E1進(jìn)行同步，各路數(shù)據(jù)可單獨(dú)處理。缺點(diǎn)是由于各路E1傳輸過程中經(jīng)歷延時(shí)不同，導(dǎo)致對(duì)端接收數(shù)據(jù)包的順序與發(fā)端順序有較大差別?？紤]到發(fā)包比較稀疏的情況，一個(gè)長包完全可以在一路E1中傳遞，而其它E1通道沒有數(shù)據(jù)包傳送。這樣，一方面造成帶寬浪費(fèi)，另一方面也引入較大的轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)。

比特間插在傳輸過程中沒有包的概念，只是順序從以太網(wǎng)數(shù)據(jù)輸入緩存區(qū)內(nèi)讀出比特流并按1→n(n路E1)循環(huán)編號(hào)，編號(hào)為i的比特在第i路E1中傳輸。這種設(shè)計(jì)電路十分復(fù)雜，對(duì)端要對(duì)多路E1同步到比特單位才能還原出有效數(shù)據(jù)。其優(yōu)點(diǎn)就是沒有帶寬的浪費(fèi)和輸入輸出包順序的變化，轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)也是固定的。

本設(shè)計(jì)采用的字節(jié)間插是比較折中的解決方案。它的基本原理與比特間插類似，但從緩存區(qū)讀出的數(shù)據(jù)和編號(hào)都是以字節(jié)為單位，每個(gè)字節(jié)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)后在對(duì)應(yīng)編號(hào)的E1信道中傳輸。它繼承了比特間插的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于對(duì)端只需同步到字節(jié)單位上，處理時(shí)鐘較為寬裕，同步電路設(shè)計(jì)也就相對(duì)簡單。其具體的算法實(shí)現(xiàn)如下：

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包進(jìn)入適配電路后封裝成HDLC幀存入緩存區(qū)Buff，Buff的出口側(cè)速率與多路E1信道傳輸速率匹配，一個(gè)2MHz時(shí)鐘周期內(nèi)完成的操作如圖1所示。

圖中，F(xiàn)cnt：8比特幀計(jì)數(shù)（E1幀有256個(gè)bit）；

MFcnt：8比特復(fù)幀計(jì)數(shù)；

L3：Fcnt的低三位比特；

E1out：輸出8路E1數(shù)據(jù)（8bit）；

Framecode：E1幀同步碼“10011011”；

N：配置E1路數(shù)（1～8）；

Rdaddr：Buff讀地址；

P2S：2