可编程线缆调制解调器MAC结构

随着线缆调制解调器标准和市场需求的发展,以及技术的进步,最大的挑战之一将来自宽带媒体存取控制层(MAC)的设计,本文介绍一种新的可编程线缆调制解调器MAC结构。

• 可编程MAC结构的灵活性
  

• 系统结构选择
  

• 可编程MAC结构
  

• 可编程MAC结构的益处
  

Brett Bernath

系统工程经理

Conexant公司数字信息娱乐部

与全硬件MAC方案相比,可编程MAC结构提供了更灵活的解决方案,帮助制造商支持多种全球宽带标准,同时也可经济而有效地采用新标准和新设备,改善系统性能。

可编程MAC结构的灵活性

在宽带标准不断变化的环境中,可编程宽带MAC结构的灵活性显得尤为重要。美国目前的线缆行业标准----数据有线服务接口规格(DOCSIS)1.0版本不久将被新的DOCSIS 1.1版本取代。目前在欧洲有线行业没有建立切实可行的标准；然而,数字视频广播(DVB)和欧洲DOCSIS都是已被市场认可的标准。其它标准都是为特殊环境中传递宽带和窄带数据而专门设计的。包括为机顶盒设计的开放有线和数字音像委员会(DAVIC)标准,以及为固定宽带无线通路制定的规格等在标准进一步修订前,它们都提出一系列专用的MAC结构,并适用于一定范围。

对于调制解调器制造商和服务商而言,标准并不是唯一的变化因素。供应商们要想使自己的产品出类拔萃,只要使用可编程宽带MAC结构并具备高系统集成性就可实现,而不必修改或替换硬件。供应商若想设计自己的MAC,可以使用可编程MAC结构在兼容DOCSIS/DAVIC/DVB的有线调制解调器结构中定制一个MAC层。对于支持传输型结构而非MPEG的服务商而言也是如此。高级数据连接控制(HDLC)或异步传输模式(ATM)都可选择自己的MAC结构。可编程MAC结构还能为此类技术提供转移路径。

此外,可编程MAC结构还有助于新产品问世。随着标准把数据、语音和新媒体纳入自己的体系,有线电缆调制解调器技术可能会集成到机顶盒和其它因特网设备中,也可以实现VoIP或开发主机线缆调制解调器。不过这些应用都将对宽带MAC控制器提出新的要求。

例如,PCI、USB和VoIP应用都要求线缆调制解调器支持先进的2层3层桥接/路由以便连接其它目的端口和设备。游戏和网络浏览器等应用可以在充当网络计算机的有线电缆调制解调器上运行,但需要独立于应用的4-7层滤波。视频、语音及其它对服务质量(QoS)有要求的传输形式要求线缆调制解调器必须能以实时全线速率接收、优化和传输信息。可编程宽带MAC的灵活性和快速性,使它可在不增加嵌入式处理器负担和不影响系统性能的前提下,支持新的性能要求和应用。

最后,服务全球市场的制造商还面临一个更为复杂的问题。越来越多的线缆调制解调器供应商开发了欧洲,亚洲和北美洲市场,这就要求一种平台能同时支持不断修订的美国DOCSIS标准、DVB和DAVIC标准,以及由欧洲有线通信协会(ECCA)制定的欧版调制解调器标准。可编程MAC结构使用单一集成电路(IC)可支持所有标准,并适应未来的变化和发展。

系统结构选择

针对市场上多种线缆和宽带MAC标准,系统设计人员设计了两个基本结构方案。它们分别是全硬件方案和可编程结构。线缆调制解调器目前在市场上紧追拨号调制解调器,并正在从硬件有线方案向软件可编程结构转移。这是由于硬件布线结构在制造商身上强加了许多不利因素,如上市速度慢、系统成本增加,以及缺少灵活性等。

可编程MAC 结构能解决以上问题。例如为了适应某些标准,MAC设计中的一些缺陷很可能逃过内部检验程序,而这些缺陷在认证或在应用中一定会暴露出来。而可编程MAC不需要等到检修,就能发现并修补缺陷,从而节约了成本。而且开发商也可随时修改MAC以修补缺陷。

同样,可编程MAC现有的集成电路可支持新标准,因而可在现场进行开发和检测,加快产品面市的步伐。可编程MAC使用同样的IC来支持多样化的全球市场,而不用浪费开支来添加无用硬件,这种灵活性大大降低了系统成本,而全硬件MAC要么为特定市场设计,要么需要厂商在不必要的硬件上浪费大量开支,为用户带来额外的成本负担。不同供应商可利用可编程MAC 的灵活性使自己的产品脱颖而出。

对于可编程MAC结构业界也有不同看法。有人认为它的性能不如硬件MAC结构。如可编程MAC是利用经优化以运行大型操作系统的嵌入式高速缓存处理器实施的,其性能确实不如硬件MAC。但是,在新型数据驱动处理器中,可编程MAC优势很明显。实际上,嵌入控制器和可编程MAC的结合相当于在快速处理器上加上一个共用协处理器和直接存储器存取,其性能远高于嵌入式处理器和硬件MAC的组合。因为在一个带可编程MAC的系统中,线缆调制解调器功能性可分布于各种资源中,从而优化整个系统。但是,如果一个系统使用硬件MAC,通常只能有一个分布。这样,当系统增加新功能时,不可避免地会在嵌入控制器位置生成系统瓶径。

图1是科胜讯调制解调器结构示意图。数据通过兼容DOCSIS/EuroDOCSIS/DVB/DAVIC的宽带物理层(PHY)、10/100以太网、USB和PCI等众多端口和外围设备进出系统。可编程宽带MAC主要管理宽带媒体的接入和通过系统的数据流。嵌入处理器运行高控制器和其它设备。

可编程MAC结构

可编程MAC结构的关键所在是对系统资源进行适当的任务分配。可编程MAC的可用资源有硬件协同处理器、DMA、MAC处理器和软件等。为分配资源,首先要确定各种支持标准中能执行的功能。接着分析这些功能要求什么样的支持性能并指定支持高带宽处理所要求的专用硬件。支持特定标准的机器一般不要求高带宽,并可用MAC处理器的软件执行指令。在这种情况下,工作被分为计算密集任务(字节处理和数据移动)和低密度计算任务(如从属应用机器和数据移动管理),这种划分最终创造了高效运行的可编程MAC。

如果任务分配得好,一种产品就可以适应多种市场,而且不需要牺牲性能。若标准发生变化,指令的最佳化划分就变得格外重要。当这种情况发生时,全硬件解决方案显然无法适应。当新标准提出新要求时,全硬件解决方案必须增加新的嵌入控制器才能执行新任务。这很快就会限制系统性能。而在新应用,如VoIP中采用可编程MAC方案时,可以很方便地调整可编程MAC的逻辑,在线缆调制解调器装置下重新将语音数据路由到数字信号处理器,而不会对性能有明显影响。与之相反,硬件方案只能被迫用嵌入控制器和现有的应用软件执行新的数据路由要求,这将极大减弱线缆调制解调器的性能。

可编程MAC主要由一个处理器、存储器和用于在系统中处理并移动数据的各种硬件协同处理器构成。为了使硬件能够执行计算密集操作,同时在系统中移动数据,系统将被划分。MAC软件具有控制功能,能够管理数据流并执行将来可能发生的任何功能。

科胜讯的可编程MAC处理器由一个32比特的Harvard结构RISC构成。它的体积较小,能并行获取指令和数据。所有的存储器都是本地的,MAC处理器不需要争抢总线就可以获取数据和指令。本地存储器是为了协同处理器的DMA读写而设计的。这样,MAC处理器上的软件可快速读取全部数据。此外,由于数据通过DMA进行移动,处理器可以在处理数据前将其复制,不用执行不必要的指令。

尽管嵌入处理器的性能得到了改进,包括科胜讯在内的许多公司还是为优化通过有线调制解调器的数据流,对MAC处理器进行了专门的强化。然而传统的集成嵌入控制器不可能实现每秒一百万个指令,无法实现执行MAC功能所需的性能,也不足以简单地提高时钟频率。所以,必须设计一个能优化数据流、并避免浪费处理器带宽的系统。不必要的存储器移动迫使处理器争抢总线,不必要的等待状态以及较差的高速缓存结构等都是浪费带宽的表现。

可编程MAC结构的益处

可编程宽带MAC的主要优点在于它的性能和灵活性。从灵活性的角度来看,这个方案可通过简单的网络下载实现软件升级,非常方便。MAC升级版可从网上下载并传送给客户。就运行速度而言, 这个方案不仅能提供更优异的系统性能,当市场出现不同标准的时候还可以强化运营商的专用系统。

未来的线缆调制解调器和其它宽带设备将能执行越来越多的功能,支持越来越多的应用,如网关、VoIP, 主机设备和网络计算机。现有的其他厂商的有线硬件宽带MAC在很大程度上依赖嵌入控制器来运行并实现新功能。然而,这些结构只能在一个单独的处理器上综合处理滤波、桥接和路由等全部低级数据操作,这就大大降低了性能。

可编程MAC将数据流处理与执行应用和控制处理分开,避免了这个问题的出现。在可编程MAC中,一个处理器总是执行低级功能。这就意味着越来越多的功能集中于可编程结构上,不需要加重控制器负担,这同时使MAC具备可扩展性。例如,可编程MAC管理所有的数据流,如桥接、路由,滤波器和以太网、USB及PCI的所有输入/输出端口管理。这样,控制器就不必去处理宽带设备的数据包,如VoIP的语音数据包,或用在网络电脑中运行浏览器的HTML等。

在未来,软件MAC结构的高性能和灵活性将得到更广泛的应用。随着处理的分散化和处理器成本的下降,软件MAC结构功能将会越来越多。通过不断改善可编程MAC结构中的数据流管理软件,线缆调制解调器有可能成为第一个真正的高性能网络计算机,在下一代宽带连接应用中大显身手。

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