異步FIFO在HINOC協議中的應用

趙冰茹

摘 要：HINOC是我國為了利用同軸電纜帶外信號提供高速接入服務的而自主發開的協議。HINOC協議棧中的MAC層與PHY層之間需要大量的數據交換，特別是HINOC2.0協議中，峰值傳輸速度將達到1Gbps以上。文中提出了一種將異步FIFO應用在這兩個模塊之間的應用方式，可以解決大規模數據快速傳輸以及MAC層與PHY層硬件頻率不一致的問題。

關鍵詞：HINOC；HMAC；HIPHY；異步FIFO

隨著我國光纖通信技術的日趨成熟，骨干網絡光纖化已經完成，其帶寬已經可以滿足業務需求，而被稱為“最后一英里”的接入網帶寬成為用戶家庭上網速率的瓶頸。HINOC標準從2005年開始準備，在2016年3月終于發布了正式的HINOC2.0標準。目前國家對“三網融合”大力推進，利用同軸電纜解決接入的技術由于多方面的優點逐漸被更多公司和組織所接收，已經有多家公司的HINOC芯片完成了實驗室測試，準備進行規模測試階段。

1 HINOC標準中的協議棧模型

HINOC標準中定義了對應網絡OSI模型的物理層（PHY層）傳輸模式和媒質接入控制層（MAC層）協議。協議棧自下而上依次分為物理層（PHY層）， MAC層和高層。PHY層定義的信號傳輸模式包括幀結構、信道編碼以及調制技術。MAC層實現HINOC網絡中的媒質接入控制和業務適配功能，分為公共部分子層（CPS）和匯聚子層（CS）。為了更好得適應外部應用環境，一般設計中采用MAC層與嵌入式CPU的主頻同步，而PHY層硬件則可以根據當前的數據流量對頻率進行自適應調整。兩者之間數據傳輸速度可高達1Gbps，針對于其數據通路的設計，本文中提出了一種采用異步FIFO解決的方法，可以非常有效地解決MAC與PHY之間大量異步數據傳輸以及兩者之間頻率不一致的問題。

2 異步FIFO的說明

FIFO是英文First In First Out的縮寫，是一種先進先出的數據緩存器。它與普通存儲器的區別是沒有外部讀寫地址線，只能順序地寫入數據，順序地讀出數據。其數據地址由內部讀寫指針自動加1完成，而不是像普通存儲器那樣可以由地址線決定讀取或寫入某個指定的地址。外部需要有空滿標識來指示當前是否可以對FIFO進行讀出或寫入。因為它的控制線比較少，所以可以方便地將其運用在異步傳輸模塊，進行兩個不同時鐘域間模塊的數據傳輸。圖1中是異步FIFO的結構圖。

從圖中可以看到，異步FIFO主要由以下幾個部分組成：

雙端口存儲器，用于存儲數據，讀寫支持不同時鐘。

寫地址產生器/滿控制標志位產生器，這部分處于寫時鐘域。

讀地址產生器/空控制標志位產生器，這部分處于讀時鐘域。

異步FIFO需要用到的端口信號包括：

讀時鐘：讀操作所遵循的時鐘，在每個時鐘上升沿到來時讀數據。

寫時鐘：寫操作所遵循的時鐘，在每個時鐘上升沿到來時寫數據。

讀指針：指向下一個讀出地址。讀完后自動加1。

寫指針：指向下一個要寫入的地址的，寫完自動加1。

滿標志：FIFO已滿或將要滿時由FIFO的狀態電路送出的一個信號，以阻止FIFO的寫操作，繼續向FIFO中寫數據將造成溢出（overflow）。

空標志：FIFO已空或將要空時由FIFO的狀態電路送出的一個信號，以阻止FIFO的讀操作，繼續從FIFO中讀出數據將造成無效數據的讀出（underflow）。

3 異步FIFO在HINOC中的應用

由于HINOC協議中MAC協處理器和PHY層信號處理器之間需要大量的數據傳輸，MAC層數據發送端根據接收到的MAP幀，解析出重傳標志以及分配的信道長度；數據發送端需要設計一個深度足夠的FIFO來緩存數據，以保證MAC層與PHY層的數據交互不出現斷幀。

在FIFO的設計中，最重要的兩個參數就是FIFO的數據位寬和存儲深度。按照HINOC2.0協議中的要求，MAC數據幀的最大程度小于4600B，但是在實際傳輸中，由于受到信道干擾，多結點資源平衡調度等方面因素的影響，一般會將過大的數據幀進行切片，以防止過大的幀傳輸失敗導致大量數據重傳的問題。為了進一步提高異步FIFO的傳輸效率，本結構中將異步FIFO的數據寬度設計為32bit，FIFO深度設計為512個字。采用四個這樣獨立的異步FIFO進行MAC層與PHY層的數據交換，可以滿足設計的需求。

參考文獻

[1]馮振威.基于嵌入式平臺的HINOC MAC驅動程序的設計[D]西安電子科技大學.

[2]國家新聞出版廣電總局.NGB寬帶接入系統 HINOC2.0物理層和媒體接入控制層技術規范，2016-3.

[3]歐陽峰，崔競飛，趙玉萍.HINOC同軸電纜接入系統技術方案[J].廣播與電視技術，2011，（10）：34-38.