电子信息专业导论大作业模板 (2)

IPTV网络测试仪中以太网控制器的设计与实现

张三

(齐齐哈尔大学通信与电子工程学院电子14x 学号2014xxxx)

摘要：针对IPTV网络的监测与维护，结合目前网络的快速演进，在综合考虑业务发展和运营商实际需求的基础上，设计了IPTV网络测试仪中的以太网控制器，对仪表的系统架构、以太网控制器的算法与链路层提取指标等进行了阐述，并通过FPGA对其进行仿真及验证，结果证明，此方案设计具有高度的可靠性和稳定性，在IPTV网络测试仪中得到了良好的应用。

关键词：IPTV；以太网控制器；FPGA

【中图分类号】TN949.6 【文献标识码】B

1引言

目前，在世界经济发展相对减缓的情况下，交互式网络电视（IPTV）[1]作为三网合一的典型应用技术，其发展仍处于不断深入的趋势，其应用更是帮助通信产业在全球范围内逆流而上，不断发展。同时，IPTV作为一种利用宽带或有线电视网，集互联网、多媒体、通讯等多种技术于一体，向家庭用户提供包括数字电视在内的多种交互式服务的综合技术备受业界的广泛关注，对信息化和工业化的融合，对推动各国现代化的发展，特别是信息产业的发展起着至关重要的作用。

IPTV业务是利用IP网络，把来源于电视传媒、影视制片公司、新闻媒体机构、远程教育机构等各类内容提供商的内容，通过IPTV宽带业务应用平台（该平台往往不仅支持TV，也支持其他业务）整合，传送到用户个人电脑、机顶盒+电视机、多媒体手机（用于移动IPTV）等终端，使得用户享受IPTV所带来的丰富多彩的宽带多媒体业务内容。伴随着IPTV业务的不断深入开展，对于IPTV业务最后一公里维护与测试已成为亟待解决的问题，由此，IPTV网络测试仪应运而生。

2总体架构

IPTV网络测试仪主要应用于IPTV业务最后一公里的线路开通和故障排查。目前，运营商集中发展的IPTV用户主要分两类：普通用户和大客户（如宾馆等）。对于普通用户，IPTV业务的接入主要以ADSL为主，有少量的FTTx方式；对于大客户，IPTV业务的接入主要以光纤接入到CPE，然后通过以太网交换机分发到各个楼层。因此，IPTV网络测试仪必须同时支持这两种IPTV业务的维护。当前的IPTV承载线路[2-4]主要分两大类：第一类是xDSL线路，包括ADSL，ADSL+，ADSL2和ADSL2+，用于传输速率相对较低的场合；第二类是以太网线路，其速率从10~1 000 Mbit/s，主要用于传输高速数据。IPTV网络测试仪主要针对xDSL线路和以太网线路（10/100/1 000 （Mbit/s））的维护与测试，可以对线路指标及其承载的信息如视频质量等方面进行测试。

仪表主要由ADSL接入、以太网接入、FPGA处理、STB处理、V oIP处理、SD/SDHC卡、SDRAM、CPU控制、3.5 in触摸屏以及电源管理部分组成（见如图1）。在系统总体设计时，

考虑到FPGA 可以提供以硬件为中心的可编程特性，在深度分组处理、软件可升级性、硬件可升级性及复杂分类查表等方面具有实时、高效、灵活的特点，且开发周期短，能够形成具有自主知识产权的内核，还可以最终形成自己的ASIC(Application Specific Integrated Circuit)，因此在设计中选择FPGA 实现方案。如图1所示，FPGA 处理部分包括：Utopia 接口、ATM 信元处理（ATM/IP 协议转换）、MII 接口、以太网MAC 处理（MAC/IP 协议转换）、IP 处理及指标提取、CPU 控制接口。

ADSL

接口

FPGA

ATM 转换

CPU 控制

3.5寸TFT QVGA 显示屏(触摸屏)

电源＆ 电源管理

STB 处理

VOIP 处理

SD/SDHC 卡(用来保存重要数据和视频、音频等业务)

可选 硬盘

STB 接口

UTOPIA 接口

可充电 锂电池

控制接口

数据接口

以太网 10M 100M 1000M PHY

MII 接口

USB 接口

IP 包检测 提取 IP 包处理

以太网MAC 控制器

MAC/IP 转换、MAC 处理

以太网MAC 处理

SDRAM (用来临时保存数据)

MIC PHONE

GMII 接口

CPU 控制 接口

图1 IPTV 网络测试仪系统架构图

本文的工作重心为IPTV 网络测试仪中以太网控制器的设计与实现，具体包含：MII/GMII 接口时序仿真；10/100/1 000（Mbit/s ）以太网控制器算法设计与实现。

3 以太网控制器设计

3.1 算法设计

在设计IPTV 网络测试仪的以太网控制器[5-6]时，提出了两个关键性的算法思想：半字节定位法与调度控制算法。1） 通过半字节定位法对10/100（Mbit/s ）以太网数据帧接收进行准确定位，计算并提取相应的链路层指标，而且能对帧长度进行有效的判断，提交上层处理或显示，并高效实现以太网协议与IP 协议的转换。2） 通过调度控制算法对ARP 包、RARP 包和IP 包进行有效的调度和处理，并将主机分为只收、只发、收发和转发4种模式进行调度控制，识别不同模式，对其进行相应的处理和控制，实现IPTV 网络测试仪在以太网接入时的灵活运用。

3.1.1 半字节定位法

10/100（Mbit/s ）以太网设计中，首先定义32位计数器Counter_32（32 bit 计数一次），半字节寄存器offset （4 bit 计数一次），目的MAC 地址、源MAC 地址、类型、数据和IP 长度分别用dest_mac ，sour_mac ，type ，data 和IP_Len 表示。对于超长帧和超短帧用Counter_32指示与offset 偏移共同进行定位和计算。

1） 定位/计算公式

设Kcnt 为32位计数，Icnt 为8位计数，Jcnt 为4位计数，帧长为Frame_Len 。则基本式定义