基于FPGA的大容量ATM交换模块的设计与实现

摘要

ATM交换技术融合了电路交换与分组交换的优点，在带宽统计复用、高速分组交换和保证不同业务的QOS等方面具有突出优势，因而许多军用网络、卫星网络等专用网均采用了ATM技术，逐渐成为上述专用网交换体系的核心，并在实时业务和多媒体业务的接入方面扮演着重要的角色。随着微电子技术和超大规模集成电路的迅速发展，FPGA设计以其直接面向用户、具有极大的灵活性和通用性、开发效率高、周期短以及工作可靠性好等特点，正在为越来越多的专业人士所使用，基于FPGA的ATM交换模块的研制，对于我国掌握通信网设备的核心技术和保护知识产权具有重要的应用价值。 本文结合项目“星上10 Gbps大容量交换原型样机”，研究了ATM交换结构及其控制策略，在课题组研究论证成果的基础上，提出一种综合性能较优的、可以在单片FPGA内实现10 Gbps交换容量的ATM交换体制及其FPGA实现方案。该方案采用结合输入输出排队CIOQ的共享缓存交换结构，主要包括交换各子模块的功能指定和参数选择、流控和地址队列可靠性等关键技术，且支持四种业务优先级和组播。基于上述方案，完成了VHDL语言编程，并完成仿真调试及验证。最后，总结全文，提出下一步研究工作的方向。

目录

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第一章绪论

1.1 ATM交换及其应用

1.1.1 ATM交换技术的发展

1.1.2 ATM交换技术的特点

1.1.3 ATM的应用

1.2项目来源及其研究意义

1.3本文工作及内容安排

第二章ATM交换结构及其控制策略

2.1 ATM交换结构的功能与分类

2.1.1 ATM交换结构功能

2.1.2 ATM交换结构分类

2.2几种常见的ATM交换结构

2.2.1基于共享存储器的交换结构

2.2.2基于Crossbar的交换结构

2.2.3基于CLOS的交换结构

2.3交换结构控制策略

2.3.1缓冲策略

2.3.2流量控制

2.3.3选路方法

2.3.4多播实现

2.3.5基于共享缓存的队列管理

2.4 ATM交换的FPGA实现现状

第三章基于共享存储结构的原型样机设计

3.1交换机系统概述

3.2交换模块的功能模块组成

3.3各子模块的功能与原理

3.3.1信元接收

3.3.2信元写入控制

3.3.3信元读出控制

3.3.4微处理器控制接口

3.3.5 UTOPIA-Ⅱ接口

3.4模块参数设定

3.4.1模块间数据位宽和工作频率

3.4.2存储器容量估算与分配

3.5内部信元格式

3.6流量控制

3.7地址队列可靠性管理

第四章交换模块的FPGA实现

4.1 XILINX FPGA及其开发平台

4.1.1 Virtex-Ⅱ系列FPGA简介

4.1.2 Xilinx集成开发的工具ISE 9.1

4.1.3仿真工具ModelSim 6.2

4.1.4综合工具Synplify Pro 8.1

4.2交换模块输入输出接口的实现

4.3交换模块信元写入部分的实现

4.3.1信元写入控制逻辑模块

4.3.2串并变换模块

4.3.3信元写入过程

4.4交换模块信元读出部分的实现

4.4.1信元读出调度模块

4.4.2并串变换模块

4.5微处理器接口及内部寄存器的设计与实现

4.5.1交换芯片内部寄存器安排

4.5.2逻辑设计

4.6程序设计及难点分析

4.7仿真验证

结束语

致谢

参考文献

作者在读期间研究成果