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SDH指針下泄專用集成電路MXTULPx8-5的設計和應用
摘要：發展同步數字序列（SDH）技術必須依賴專用集成電路。介紹了清華大學自主研制和開發的SDH指針下泄專用集成電路MXTULPx8-5的特性。這一芯片能夠通過處理低階支路（TU3、TU12、TU11）的指針，來補償輸入和輸出高階AU4管理單元同步凈荷封裝幀速率間的偽同步關系，從而對齊這些支路，為SDH支路單元交叉連接芯片的工作提供方便。還介紹了芯片設計時所使用的電路時分復用技術，分析了支路彈性存儲器的容量，給出了應用MXTULPx8-5芯片的一個實例。關鍵詞：同步數字序列指針下泄專用集成電路
作為一種全新的網絡傳輸體制，自從20世紀90年代出現以來，SDH網絡以其靈活性和方便性等各個方面的優越性，迅速成為通信網絡的骨干網絡。現在我國雖然在開發研制SDH的通信設備方面取得了很大的成績，但是國內廠家SDH設備的關鍵核心芯片大多數是進口的。而從長遠的觀點來看，SOC片上系統是通信設備發展的趨勢。因此提高ASIC設計的水平，開始具有自主知識產權的通信專用集成電路，對降低通信設備的成本、提高國家通信產業的整體競爭能力都具有深遠的影響。
為了滿足通信產業國產化的迫切要求，清華大學電子工程系開發了一系列具有自主知識產權的大規模通信專用集成電路。其中MXTULPx8-5是最新開發的一種SDH指針下泄專用集成電路，能夠廣泛地應用在SDH的網絡設備中，具有很好的應用前景。
1MXTULPx8-5芯片特性
當前，PMC-Sierra公司開發的PM5362和PC5363芯片是一種比較常見的SDH支路單元凈荷處理器，能夠分別處理一路STM-1和一路STM-4的數據流。它們被廣泛地應用于國產的SDH交叉連接的設備中。而清華大學電子工程系獨立開發的SDH指針下泄處理芯片MXTULPx8-5，能夠對齊八路STM-1或兩路STM-4的數據流中的支路單元，在功能上可以代替八片PM5362或兩片PM5362芯片。很明顯，MXTULPx8-5能夠大幅度降低交叉連接設備的成本和尺寸。
SDH指針下泄芯片MXTULPx8-5是一個用來對齊支路單元的可配置的多通道的支路凈荷處理器單元集成電路。它采用0.25μm低功耗CMOS工藝，304管腳HQFP封裝，支持工業溫度范圍（-40℃～85℃），規模為150萬門。下面是它的一些工作特性：
·將輸入的2個STM-4或8個STM-1的字節串行流中的8個AU4管理單元中的支路凈荷，轉移到相應輸出的支路單元中。
·通過處理低階段支路（TU3、TU12或TU11）的指針，來補償輸入和輸出高階AU4管理單元同步凈荷封裝幀速率間的準同步關系。
·在TUG3基礎上可以配置成TU3、TU12、TU11支持的任何合法組合。
·在網管軟件的控制下可對任一支中插入全0碼、全1碼或NDF新數據標識。
·檢測每一支路的LOP指針丟失、AIS通道告警指示、支路指針正負調整和支路彈性存儲上溢下溢錯誤的狀態，并可配置在上述事件發生時產生中斷。
·可以將輸入和輸出接口獨立配置成77.76MHz的STM-4字節接口模式、19.44MHz的STM-1字節接口模式或38.88MHz的STM-1半字節接口模式。
·提供一個通用的8比特微處理器總線接口來對芯片進行配置、控制和狀態監控。
2MXTULPx8-5芯片結構
MXTULPx8-5芯片功能模塊框圖如圖1所示，包含有以下幾個模塊：一個輸入和輸出接口模塊，一個MCU接口模塊和JTAG測試控制器，8個VC4處理器。當輸入接口為STM-4字節接口模式時，輸入的2路STM-4數據流被分成8個STM-1數據流，并被獨立地輸入到8個VC4處理器中。當輸出接口為STM-4接口模式時，處理過的8路STM-1數據流被合并成2路STM-4數據流輸出。MCU接口模塊提供了一個通用的8比特微處理器總線接口來對芯片進行配置、操作和狀態監控。JTAG測試控制器模塊提供邊界掃描功能。每一個VC4處理器處理一路STM-1數據流，它包括輸入解復用器、輸出復用器和3個TUG3處理器。輸入解復用器將輸入的STM-1數據流分發給三個TUG3支路凈荷處理器、輸出復用器將三個處理過的TUG3數據流合并在一起，形成一個VC4的數據流輸出。每一個TUG3支路凈荷處理器，可以配置成3種工作模式：TU3模式、TU12模式和TU11模式。它通過指針解釋和指針調整操作對齊支路完成指針下泄功能。
3核心技術
按照ITU-T建議G.707的規定，低階虛容器在復用到STM-x幀結構之前，都應當選被映射到相應的TU支路單元中。一個TU支路單元承載一個低階虛容器，也就是說，在SDH幀結構中低階虛容器和TU是一一對應的。因此在SDH交叉連接中TU支路單元將代替虛容器（VC）作為交換的實體。因為不同大小的TU都可以在SDH數據幀中占據固定的例，因此可以用簡單的列交換方法來實現TU的交叉連接
。如果想將輸入的TU交叉連接在輸出的STM-1數據流上，可以通過設置交換矩陣將特定的TU支路單元占據的列轉移到輸出流中STM-1幀中的具體位置。這種列交換方法的前提就是支路單元TU在輸入STM-1幀中占據固定的列。按照ITU-T建議規定，高階虛容器由于指針的緣故相對于STM-1幀可以有微小的頻率和相位差異。這樣就要求輸入的STM-1數據流在被送到交叉連接矩陣之前，必須經過預處理使它們符合交換。通過處理SDH支路單元TU指針可將高階虛容器同STM-1的幀嚴格對齊，從而保證高階虛容器中封裝的TU支路單元在處理過的STM-1幀中占據固定的列，為對齊后的支路單元TU進行列交換創造條件。從效果上看就好像高階AU4管理單元的指針調整事件被吸收到低價TU支路單元的指針調整事件中，從而消除了高階虛容器同STM-1幀之間的準同步關系，保證了兩者之間嚴格的頻率和相位同步。這種方法通常被稱為“指針下泄”。
4時分處理
TUG3處理器可以支持三種不同的工作模式（TU3、TU12和TU11模式），是電路中用來實現指針下泄功能的核心部分。圖2是TUG3處理器的內部功能框圖，它主要包括輸入定時產生器、輸出定時產生器、指針解釋器、指針生成器和FIFO緩存器。它的基本工作原理是：通過指針解釋將各個支路單元中的有效凈荷低階VC解出來，寫入到相應的FIFO中；根據本地產生的定時信號從FIFO中讀出有效凈荷數據，通過指針生成器處理將其裝入到對應的支路單元TU中；對FIFO設置上下兩個門限，其狀態用來解決是否進行指地調整處理。TUG3處理器輸出的數據流中支路單元TU被對齊，從而為列交換提供條件。
按照G.707建議的規定，指針解釋和指針生成的算法都應該建模成有限狀態機。TUG3數據流中的所有支路信號都要被處理。如果每一個支路都有一套與之相對應的有限狀態機電路的話，要實現對TUG3數據流的處理將需要大量的電路，使得TUG3處理器非常復雜，電路量很大。例如：當配置成TU11模式時，最多可以處理28個獨立的支路，就要有28套獨立的有限狀態機電路。為了減小數字電路的規模，我們使用了時分處理這一新型經濟的電路設計方法。
指針解釋器和指針生成器都被設計成時分的有限狀態機，28個獨立的支路可以利用不同的隙復用相同的功能電路。同時在設計中一個最為明顯的變化就是狀態RAM的應用，在指針處理過程中產生的支路狀態量不被保存在通常情況下的寄存器中，而是在輸入和輸出定時產生器的指導下保存在狀態RAM相應的地址中。上述兩種情況都對電路的時序安排提出了更高的要求。在實際的電路中，VC4處理器的工作頻率為19.44MHz。在VC4處理器內部將輸入的數據流分解成3路TUG3數據流分別送到三個TUG3處理器。TUG3中封裝的每一支路單元在處理中都占據三個19.44MHz時鐘的周期。在第一個時鐘周期內，完成狀態RAM的讀操作，將支路的各種狀態向量讀出；在第二個時鐘周期時，根據完成有關指針解釋和指針生成狀態機的操作，生成支路的中間狀態；在第三個時鐘周期內，完成狀態RAM的寫操作，將有限狀態機生成的支路狀態向量存儲到狀態RAM中。上述三個周期正好對一個支路完成全部操作，在接下來的三個時鐘周期內則對另一個支路完成操作。上面的時序安排需要相關的RAM操作控制電路來實現，它雖然在一定程度上增加了電路的復雜度，但是這種時分復用的方法明顯地減小了電路的規模，大約為原來的4%。
5彈性存儲器容量
在SDH的指針調整中，由于FIFO的讀寫時鐘都是帶有缺口的時鐘，所以FIFO彈性存儲器容量的計算不同于PDH中碼速調整的緩存容量的計算。為了得到更好的性能，通過相位檢測的方法來決定緩存器的大小，同時在計算過程中特殊的情況要加以考慮。在ITU-T建議G.783中，對不同級別VC的指針調整的正調整和負調整門限的最小差值作了規定，以滿足在接收端的性能要求，它們分別為：對于VC-12和VC-11，值為2字節；對VC-3，值為4字節。下面以VC-12為例計算緩存容量的大小。
相位檢測的方法是比較緩存器的讀寫時鐘。當相位差φ（t）小于在調整門限Tp時，指針對調整事件發生；當相位差φ（t）大于負調整門限Tn時，指針負調整事件發生；當相位差φ（t）在正調整門限Tp和Tn負調整門限時，沒有指針調整事件發生。按照G.783建議的規定，有Tn-Tp≥2byte。
當φ(t)剛剛大于正調整門限Tp時，輸入的VC又有一個正調整時鐘的缺口，此時有φmin(t)=Tp-1byte，對于緩存要保證無誤碼，需有φ(t)>0，從而計算出Tp應大于1個字節。
當φ（t）剛剛小于負調整門限Tn時，輸入的VC又有一個負調整時鐘的缺口，此時讀寫時差為φmax（t）=Tn+1byte。
如果要保證無誤碼傳輸，設緩存讀寫時差的最小差值為1個字節，由此可以得出VC-12指針調整時所需緩存的最小容量為：
C=1byte+φman（t）=1
byte+Tn+1byte
=1byte+(Tn-Tp)+Tp+1byte
=1byte+2byte+2byte+1byte=6byte。
運用同樣的方法，可以計算出VC-11指針調整所需的最小容量為6byte，而VC-3指針調整所需的最小容量為12byte。
6應用實例
SDH數字交叉連接設備（SDXC）是一種重要的SDH網絡設備。它完成不同高速信號支路信號間的時隙交換同，從而進行有效的網絡管理，實現可靠的網絡保護與恢復，常用的SDH環路或網絡的交匯點，以及骨干網與本地網之間的互連節點上。由于MXTULPx8-5將支路單元對齊從而方便地對支路進行交叉連接，使得MXTULPx8-5被廣泛應用在SDH數字交叉連接設備中。圖3給出了MXTULPx8-5工作在輸入STM-4接口模式下，與兩片PM5313芯片和一片MAXDCx8-4相互配合，來實現一個簡單的SDH數字交叉連接系統。在這個系統中，PM5313芯片完成SDH段、線和通道終結的功能；MXDCx8-4完成支路的交叉連接。
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