前言
VoIP為用戶提供了一個(gè)平臺(tái)，使用局域網(wǎng)IP協(xié)議在源和目的地之間傳送MPEG-2數(shù)據(jù)流，本設(shè)計(jì)使用UDP協(xié)議，這是一種無(wú)連接的協(xié)議，其優(yōu)點(diǎn)是它傳送的數(shù)據(jù)包與所使用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無(wú)關(guān)。VoIP的用戶可以是學(xué)校、廣播站、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行商、或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商。
VoIP數(shù)據(jù)流由188字節(jié)或204字節(jié)數(shù)據(jù)包組成。數(shù)據(jù)的傳送是連續(xù)的，無(wú)方向性的，無(wú)需反饋或控制的反向通道。當(dāng)數(shù)據(jù)流在物理鏈路時(shí)使用異步串行接口(ASI)方式。ASI數(shù)據(jù)流有不同的數(shù)據(jù)速率，但傳送的速率是恒定的，為270Mbps。它首先將同步的MPEG2傳送包的8位碼字轉(zhuǎn)換為10位數(shù)字，接著進(jìn)行并—串轉(zhuǎn)換。當(dāng)要求輸入一個(gè)數(shù)字而數(shù)據(jù)源還沒有準(zhǔn)備時(shí)，應(yīng)插入一個(gè)K28.5同步字，以達(dá)到ASI固定270Mbps速率的要求。所形成的串行比特流通過緩沖/驅(qū)動(dòng)電路和耦合網(wǎng)絡(luò)，送到同軸電纜連接器上。比特流通過同軸電纜到達(dá)接收端口時(shí)，首先要經(jīng)過連接器和耦合網(wǎng)絡(luò)，送到時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路，再到串—并轉(zhuǎn)換電路。為了恢復(fù)字節(jié)同步，ASI解碼器必須先搜尋到K28.5同步字，確定接收數(shù)據(jù)邊界，從而建立解碼器輸出字節(jié)的正確排序，最后進(jìn)行10b/8b轉(zhuǎn)換，恢復(fù)出包同步的MPEG2碼流數(shù)據(jù)。但K28.5同步字不是有效數(shù)據(jù)，解碼時(shí)必須刪除。當(dāng)傳送進(jìn)入IP時(shí)，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成用戶數(shù)據(jù)包(UDP)格式，即將同步的188字節(jié)或204字節(jié)數(shù)據(jù)放置在有效負(fù)荷中，數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)在188字節(jié)包場(chǎng)合為7個(gè);而在204字節(jié)包場(chǎng)合為6個(gè)。數(shù)據(jù)負(fù)荷分別為1316字節(jié)或1224字節(jié)。
Xilinx解決方案
Xilinx VoIP解決方案是采用現(xiàn)成的高性能Xilinx硬件IP構(gòu)建的，包括PPC405處理器、支持TCP的硬件局域網(wǎng)MAC(含Treck公司高性能IP棧)、可選擇I/O的ASI I/O、以及集成在多端口存儲(chǔ)器控制器中的多數(shù)據(jù)流I/O管理器。其基本性能為：
支持多個(gè)ASI輸入與輸出;
支持多個(gè)VoIP I/O數(shù)據(jù)流;
支持ASI與IP之間的橋接與過濾;
支持符合Pro MPEG COP4(第2階段)數(shù)據(jù)流的FEC。
該設(shè)計(jì)可分為三個(gè)部分：ASI接收器接口、ASI發(fā)送器接口、和千兆位系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)。
ASI接收器接口
該單元主要完成多流數(shù)據(jù)的恢復(fù)、捕獲和存儲(chǔ)(圖1)
多流數(shù)據(jù)恢復(fù)：ASI接收單元最多能接收8路傳送流。ASI串行數(shù)據(jù)流首先進(jìn)入數(shù)據(jù)恢復(fù)模塊，被恢復(fù)的數(shù)據(jù)字則在串—并轉(zhuǎn)換中轉(zhuǎn)中轉(zhuǎn)換為10位并行字。它會(huì)根據(jù)來(lái)自數(shù)據(jù)恢復(fù)模塊的跳轉(zhuǎn)指令會(huì)來(lái)調(diào)整位的個(gè)數(shù)，若未檢測(cè)到跳轉(zhuǎn)指令則每個(gè)時(shí)鐘讀取1位;若檢測(cè)到左跳條件不讀取;檢測(cè)到右跳條件則讀取2位。當(dāng)10位并行字準(zhǔn)備就緒時(shí)，它產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘啟用信號(hào)供下流處理使用。
并行成幀器接收10位未成幀數(shù)據(jù)字，輸出10位成幀數(shù)據(jù)。按照ASI規(guī)范，成幀器在5字節(jié)窗口中尋找2個(gè)逗號(hào)特征字符，若能檢測(cè)到第2個(gè)逗號(hào)特征字符，數(shù)據(jù)成幀并設(shè)定已成幀標(biāo)志。成幀數(shù)據(jù)送入10b/8b譯碼器。10b/8b碼是直流平衡的，有較好的電纜均衡性，并提供0或1的最短運(yùn)行長(zhǎng)度。譯碼器具有8路10位編碼輸入通道，因而最多可恢復(fù)8個(gè)ASI數(shù)據(jù)流。
多流數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/捕獲：譯碼器輸出送入stream-in(1：8)模塊。較低級(jí)stream-in模塊從單一數(shù)據(jù)流串行地接納4個(gè)順序的有效8位并行數(shù)據(jù)，并將它轉(zhuǎn)換為32位并行輸出數(shù)據(jù)，只有有效的(非零)字節(jié)加以存儲(chǔ)。每個(gè)輸入數(shù)據(jù)是以27MHz(37ns)裝載的，因而每個(gè)stream-in模塊輸出32位字的準(zhǔn)備就緒時(shí)間為148ns。輸出的讀出速率為100MHz，stream-in模塊總共有8塊，分別從模塊1掃描至模塊8，這樣8個(gè)數(shù)據(jù)流可在80ns內(nèi)處理完畢，小于上述的148ns。當(dāng)掃描器發(fā)現(xiàn)32位字已可使用，就將它送入512×32位塊RAM。倘若模塊輸出未有32位準(zhǔn)備就緒，則掃描下一個(gè)模塊，如此往復(fù)循環(huán)�？刂七壿嫗槊總�(gè)數(shù)據(jù)流生成讀指針和寫指針。當(dāng)每個(gè)stream-in模塊在輸出寄存器準(zhǔn)備好32位字，寫指針就加1。某個(gè)數(shù)據(jù)流讀指針是否加1則取決于512×32位塊RAM的后端要讀取該數(shù)據(jù)，事實(shí)上，每個(gè)數(shù)據(jù)流的讀指針是較大地址的一個(gè)子集，也就是指示較大DDR存儲(chǔ)器的當(dāng)前數(shù)據(jù)流，下一個(gè)單元將會(huì)用到這個(gè)地址。
多流數(shù)據(jù)裝入DDR存儲(chǔ)器：塊RAM分成8節(jié)，每節(jié)256個(gè)字節(jié)。每節(jié)保留來(lái)自上面每個(gè)模塊的數(shù)據(jù)�？刂七壿嫆呙鑹KRAM，看8節(jié)存儲(chǔ)器中任何一個(gè)是否是半滿的，換句話說(shuō)，至少有128字節(jié)。如果是半滿的，表示數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備就緒可以從該節(jié)讀出，并寫入DDR存儲(chǔ)器。在此之前，32位數(shù)據(jù)是以管線字和非管線字讀出的，共同組成64位字。64位字先寫入CORE Generator FIFO�？刂七壿嬒鄳�(yīng)地監(jiān)視所有8節(jié)塊RAM以及送入FIFO的輸出數(shù)據(jù)。當(dāng)FIFO含有128字節(jié)數(shù)據(jù)，就向仲裁器發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求，要求輸入數(shù)據(jù)流進(jìn)入DDR內(nèi)存。一旦從DDR多端口內(nèi)存控制器接收到確認(rèn)信號(hào)，F(xiàn)IFO以16個(gè)連續(xù)周期成組地輸出64位數(shù)據(jù)，進(jìn)入多端口存儲(chǔ)器控制器，最后移入較大的DDR存儲(chǔ)器。寫入地址就是上節(jié)已描述的擴(kuò)展指針?biāo)甘镜牡刂贰?/P>
ASI發(fā)送器接口
發(fā)送器實(shí)現(xiàn)視頻的回放，圖2簡(jiǎn)要地列出了從存儲(chǔ)器回放ASI流所需的物理層方框，包括回放速率控制、回放地址生成器、以及多數(shù)據(jù)流并—串化。
回放速率控制：存儲(chǔ)在DDR存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)是通過多端口存儲(chǔ)器控制器(MPMC2)的讀接口讀出的。速度控制邏輯掃描8個(gè)數(shù)據(jù)流，以確定哪個(gè)輸出已準(zhǔn)備就緒來(lái)送出數(shù)據(jù)，回放速率控制內(nèi)置8個(gè)48位累加器(更精細(xì)的速率控制)，速率是從處理器程序裝載的。每個(gè)累加器的溢出速率是由累加的值確定的。當(dāng)數(shù)據(jù)流溢出時(shí)，溢出標(biāo)志記錄在一個(gè)寄存器中。掃描器監(jiān)視8個(gè)寄存器的輸出，以確定計(jì)數(shù)器是否已達(dá)到最大計(jì)數(shù)值。一旦發(fā)現(xiàn)某個(gè)數(shù)據(jù)流已變成“1”，就激活輸出流數(shù)據(jù)請(qǐng)求。
回放地址生成器和回放緩沖器：請(qǐng)求寄存器的非零值將流地址與存儲(chǔ)器請(qǐng)求控制塊中的回放流地址指針加1。該地址和讀請(qǐng)求一起送到DDR存儲(chǔ)器。仲裁器最終確定是否從DDR存儲(chǔ)器讀取數(shù)據(jù)。經(jīng)仲裁器允許后，一個(gè)讀請(qǐng)求標(biāo)志發(fā)送至MPMC2。當(dāng)接收到來(lái)自MPMC2的確認(rèn)信號(hào)后，則從DDR存儲(chǔ)器的地址處取出數(shù)據(jù)，送至輸出FIFO，數(shù)據(jù)是以連續(xù)的16個(gè)64位字發(fā)送的。當(dāng)流地址與存儲(chǔ)器請(qǐng)求控制塊接收到DDR存儲(chǔ)器的確認(rèn)信號(hào)，該數(shù)據(jù)流的請(qǐng)求計(jì)數(shù)器減1。然后，請(qǐng)求掃描器繼續(xù)掃描下一個(gè)數(shù)據(jù)流，如此往復(fù)循環(huán)。每個(gè)輸出流具有一個(gè)單獨(dú)的16×16 FIFO，當(dāng)數(shù)據(jù)流請(qǐng)求時(shí)，由DDR存儲(chǔ)器填充。
仲裁邏輯
仲裁邏輯是一個(gè)獨(dú)立的、少位數(shù)邏輯單元。它跟蹤stream-ill邏輯與DDR存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)以及DDR存儲(chǔ)器與stream-out邏輯之間的數(shù)據(jù)。該控制塊接收來(lái)自strean-in的寫請(qǐng)求、寫數(shù)據(jù)和寫地址;也接收stream-out送來(lái)的讀請(qǐng)求、讀數(shù)據(jù)和讀地址。在未發(fā)現(xiàn)讀或?qū)懻?qǐng)求時(shí)，仲裁邏輯通知MPMC2中的DDR存儲(chǔ)器，從存儲(chǔ)器讀出數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器。寫和讀請(qǐng)求同時(shí)發(fā)生時(shí)，寫請(qǐng)求有更的優(yōu)先權(quán)。由于MPMC2是每個(gè)端口單地址結(jié)構(gòu)，該控制邏輯還起到DDR存儲(chǔ)器地址的多路開關(guān)作用，共享讀出與寫入。
千兆位系統(tǒng)參改設(shè)計(jì)(GSRD)
GSRD是實(shí)現(xiàn)IP基傳輸協(xié)議(如ICP或UDP)的一個(gè)高性能設(shè)計(jì)。它的內(nèi)部設(shè)置了高性能的嵌入式三態(tài)以太網(wǎng)MAC和嵌入式處理器。該設(shè)計(jì)充分利用MPMCP功能，在PPC 405處理器指令和PLB數(shù)據(jù)接口與兩個(gè)端口之間分配存儲(chǔ)器帶寬。每個(gè)端口都內(nèi)置了雙通道動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器存取(DMA)引擎來(lái)重新調(diào)整數(shù)據(jù)，GSRD的一個(gè)端口連接千兆位MAC或三態(tài)以太網(wǎng)MAC外設(shè)，以太網(wǎng)外設(shè)和DMA引擎兩者都是由PPC 405處理器的設(shè)備控制寄存器(DCR)控制的。其余的DMA端口供參改系統(tǒng)的附加外設(shè)使用。
事實(shí)表明，GSRD可進(jìn)行高性能的UDP處理。設(shè)計(jì)特性讓處理器僅執(zhí)行協(xié)議和控制功能，但不參與有效負(fù)載數(shù)據(jù)路徑，而讓DMA引擎完成數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)調(diào)整和校驗(yàn)及有效負(fù)載為軟件實(shí)現(xiàn)零拷貝功能提供了必要的支持，讓設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)在IP基協(xié)議與用戶數(shù)據(jù)接口之間的高性能橋接。
MPMC2
MPMC2內(nèi)核是GSRD的一個(gè)重要部件(圖3)。MPMC2通過實(shí)現(xiàn)跨端口并行處理，減少了總線仲裁，提高了系統(tǒng)級(jí)業(yè)務(wù)流量。此外，與之緊密相關(guān)的DMA引擎實(shí)現(xiàn)了對(duì)存儲(chǔ)器高帶寬訪問，并降低了資源利用率。
本設(shè)計(jì)中，MPMC2允許32位DDR存儲(chǔ)器資源共亨5個(gè)以上的獨(dú)立接口(最多可達(dá)8個(gè))。3個(gè)MPMC2端口通過PLB至MPMC2接口模塊連接至PP405處理器的PLB口，完成MPMC2與高速緩存之間的數(shù)據(jù)交易，MMC處理兩者之間的交換信號(hào)和時(shí)鐘同步;一個(gè)端口連接出端口接口模塊(PIM)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)/出視頻流之間的數(shù)據(jù)傳送;另一個(gè)接口連接至通信直接存儲(chǔ)器訪問控制器(CDMAC)，訪問以太網(wǎng)MAC和本地?cái)?shù)據(jù)。這樣，通過訪問同一個(gè)共享的存儲(chǔ)器資源來(lái)實(shí)現(xiàn)：
數(shù)據(jù)的快速寫入與讀出;
多個(gè)ADI輸入流送至多個(gè)輸出流;
在TCP連接時(shí)，多個(gè)ASI輸入送至IP目的地;
IP上多個(gè)數(shù)據(jù)流鏈接至ASI輸出;
多個(gè)IP鏈接輸入流在重新映射后送至IP輸出流;
基于Pro-MPEG COP 7的FEC支持。
結(jié)語(yǔ)
在IP上傳送音視頻信號(hào)是一個(gè)復(fù)雜的過程，它涉及多種數(shù)據(jù)流的捕獲、變換、存儲(chǔ)與恢復(fù)。本文扼要地介紹了系統(tǒng)的構(gòu)成，闡述了數(shù)據(jù)流在內(nèi)部的流動(dòng)。特別是該系統(tǒng)利用MPMC2，有效地加快了處理器、ADI部件、局域網(wǎng)MAC之間的數(shù)據(jù)鏈接，減少了系統(tǒng)資源并提高了系統(tǒng)的性能。
