CN103188174B - Atm多业务接入交换机中线速处理信元的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种ATM多业务接入交换机中线速处理信元的方法和装置，装置基于FPGA实现，包括入进转换VPI/VCI状态机与外出转换VPI/VCI状态机；每个物理端口的信元进方向设有入进接收FIFO队列与入进发送FIFO队列，信元出方向设有外出发送FIFO队列与外出接收FIFO队列；入进转换VPI/VCI状态机从不为空的入进接收FIFO队列中读取信元，并将经转换后的信元写入入进发送FIFO队列；外出转换VPI/VCI状态机从不为空的外出接收FIFO队列中读取信元，并将经转换后的信元写入外出发送FIFO队列。使用本发明的ATM交换机能够线速处理信元，提供数据的处理速率和吞吐量。

Description

ATM多业务接入交换机中线速处理信元的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种在ATM多业务接入交换机中线速处理信元的方法和装置，属于ATM交换技术领域。

背景技术

ATM多业务接入交换机主要由交换芯片和成帧芯片组成，以实现各个业务子卡和ATM上联端口之间ATM信元的交换。实际应用中，交换芯片存在以下限制条件：若交换芯片支持的逻辑端口数为PID，其占用位宽为NPID，VPI占用位宽为NVPI，VCI占用位宽为NVCI，则需满足：NPID+NVPI+NVCI＝16bit，比如，交换芯片支持30个逻辑端口，就要有5bit用于端口基地址，而NVPI+NVCI仅剩余11bit。可见，上联口建虚路径连接VPC和虚信道连接VCC可用的虚路径标志VPI与虚信道标志VCI数值较小，无法满足用户任意配置的需要。同时ATM协议中有规定：在用户网络接口(UNI，User Network Interface)模式下VPI占用8bit，VCI占用16bit；在网络节点接口(NNI，Network Node Interface)模式下VPI占用12bit，VCI占用16bit。

通常，用户组建ATM网络时都希望在ATM协议允许的范围内任意配置VPI与VCI，但由于上述交换芯片的限制条件要求VPI与VCI二者的位宽之和等于16-NPID而小于16bit，所以交换芯片只能识别出数值较小的VPI和VCI。这样，当用户配置时输入的VPI和VCI值较大时，就无法建立连接。以一个155M的上联口下挂20个DSLAM为例，需要在上联口建立至少20条VPC与20条VCC，如果用户使用的VCI编号从100开始，VCI的位数需要7位(由于2⁷＝128＞100)，而由于交换芯片支持的VPI与VCI的位数总和为11位，所以留给VPI的位数仅剩4位，即最大只能建16条VPC，更加严重的是，如果此时用户配置的VPI值大于16，那么一条VPC也不能建立，显然这无法满足业务开展的需要。

为解决上述问题，可在外部VPI/VCI(用户从上联口输入的符合ATM协议的VPI/VCI)和内部VPI/VCI(交换芯片能识别的VPI/VCI)之间建立某种映射关系，以进行相互转换。现有的一些VPI/VCI转换方法存在以下不足：

1)仅从外部VPI/VCI转换到内部VPI/VCI，没有进行双向转换。

2)通过某种运算关系获得的映射关系固定。比如外部VPI占用12bit，外部VCI占用16bit，假设逻辑端口数占用5bit，内部VPI占用3bit，内部VCI占用8bit，则利用取余函数mod(*)获得的映射关系为：内部VPI＝mod(外部VPI/2³)，内部VCI＝mod(外部VCI/2⁸)。这种映射关系使得从外部VPI/VCI到内部VPI/VCI的映射为多到1的映射，而从内部VPI/VCI到外部VPI/VCI的映射就是1到多的映射，实际转换时不知如何选择。

3)VPI/VCI割裂开进行映射导致外部VPI/VCI不能真正的实现任意配置。例如，假设内部VPI占用3bit，内部VCI占用8bit，以内部VPI＝外部VPI＝1，内部VCI＝外部VCI＝0～255建立了256条连接，此时若要重新开辟一个VPI通道，如外部VPI＝2，则外部VCI也只能用先前已经映射过的256个外部VCI中的一个，用户还是不能任意配置VCI。

4)只考虑了建VCC的情况，没有考虑建VPC的情况。

5)没有考虑多个端口的内部VPI/VCI和外部VPI/VCI的映射。

6)没有考虑到交换芯片的NPID、NVPI、NVCI是可配置可改变的情况。

另外，用户希望所使用的ATM多业务接入交换机性能足够高，即ATM交换机对接收到的信元能够尽快地得到处理并转发出去，而尽量避免排队现象。

发明内容

有鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种ATM多业务接入交换机中线速处理信元的方法和装置，能够提高数据的处理速率和吞吐量。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种ATM多业务接入交换机中线速处理信元的装置，基于FPGA实现，装置上设有若干物理端口，FPGA的第一数据输入/输出端与交换芯片连接，第二数据输入/输出端与成帧芯片连接，该装置包括：

入进转换VPI/VCI状态机与外出转换VPI/VCI状态机；

每个所述物理端口的信元进方向设有入进接收FIFO队列与入进发送FIFO队列，信元出方向设有外出发送FIFO队列与外出接收FIFO队列；

该入进转换VPI/VCI状态机从不为空的该入进接收FIFO队列中读取信元，并将该信元经处理后写入该入进发送FIFO队列；该外出转换VPI/VCI状态机从不为空的该外出接收FIFO队列中读取信元，并将该信元经转换后写入该外出发送FIFO队列。

FPGA的第一数据输入/输出端通过交换芯片接口模块与交换芯片连接，第二数据输入/输出端通过成帧芯片接口模块与成帧芯片连接；第三数据输入/输出端通过CAM接口模块与CAM连接，该CAM中存储有内部VPI/VCI和外部VPI/VCI一一对应关系的映射表；第四数据输入/输出端通过CPU接口模块与CPU连接。

所述入进转换VPI/VCI状态机根据端口的数目包括0端口入进转换VPI/VCI子状态机，1端口入进转换VPI/VCI子状态机，……，n端口入进转换VPI/VCI子状态机；所述外出转换VPI/VCI状态机根据端口的数目包括0端口外出转换VPI/VCI子状态机，1端口外出转换VPI/VCI子状态机，……，n端口外出转换VPI/VCI子状态机。

所述CPU中还设有软件更新表项状态机，该状态机用于更新所述CAM中存储的映射表。

该装置还包括仲裁模块，该仲裁模块用于判断所述n端口入进转换VPI/VCI子状态机、所述n端口外出转换VPI/VCI子状态机及所述软件更新表项状态机查找所述CAM的优先级。

所述0端口入进转换VPI/VCI子状态机、所述0端口外出转换VPI/VCI子状态机、所述1端口入进转换VPI/VCI子状态机、所述1端口外出转换VPI/VCI子状态机……所述n端口入进转换VPI/VCI子状态机、所述n端口外出转换VPI/VCI子状态机及所述软件更新表项状态机查找所述CAM的优先级从高到低依次排列。

一种基于权利要求1至6中任意一项所述装置实现的ATM多业务接入交换机中线速处理信元的方法，其特征在于：

信元由所述成帧芯片进入FPGA后，先存于所述入进接收FIFO队列中，所述入进转换VPI/VCI状态机从所述入进接收FIFO队列中读出该信元，并将该信元经过查找所述CAM中的映射表进行转换后，写入所述入进发送FIFO队列中；

信元由所述交换芯片进入FPGA后，先存于所述外出接收FIFO队列中，所述外出转换VPI/VCI状态机从所述外出接收FIFO队列中读出该信元，并将该信元经过查找所述CAM中的映射表进行转换后，写入所述外出发送FIFO队列中。

进一步地：

信元由所述成帧芯片进入FPGA后，先存于所述入进接收FIFO队列中，所述入进转换VPI/VCI状态机从所述入进接收FIFO队列中读出该信元的信元头，并根据该信元头查找所述CAM中的映射表，查找结果作为转换后的信元头由所述入进转换VPI/VCI状态机写入所述入进发送FIFO队列中，最后所述入进转换VPI/VCI状态机从所述入进接收FIFO队列中读取出该信元的原始负载并将该原始负载写入所述入进发送FIFO队列中；

信元由所述交换芯片进入FPGA后，先存于所述外出接收FIFO队列中，所述外出转换VPI/VCI状态机从所述外出接收FIFO队列中读出该信元的信元头，并根据该信元头查找所述CAM中的映射表，查找结果作为转换后的信元头由所述外出转换VPI/VCI状态机写入所述外出发送FIFO队列中，最后所述外出转换VPI/VCI状态机从所述外出接收FIFO队列中读出该信元的原始负载并写入所述外出发送FIFO队列中。

本发明的优点在于：

1)入进/外出转换VPI/VCI状态机与入进/外出接收/发送FIFO队列的配合工作使得装置能够线速处理信元，大大地提高了数据处理速率及数据吞吐量。

2)通过在CAM中建立内部VPI/VCI与外部VPI/VCI一一对应关系的映射表，由FPGA查找该映射表进行内部VPI/VCI和外部VPI/VCI之间的相互转换，以较低的成本有效地解决了用户在使用ATM多业务接入交换机时VPI/VCI受限的问题，使用户可以在ATM协议允许范围内任意的配置VPI和VCI，方便了ATM网络的构建和管理。

3)根据用户建连接的情况，可动态建立和维护内部VPI/VCI和外部VPI/VCI一一对应关系的映射表，避免了预存静态映射关系表带来的CAM资源紧张的问题，降低了对CAM容量的要求，从而降低了成本。

4)内部VPI/VCI和外部VPI/VCI的对应关系是随机生成的，这种映射方法是根据所建连接的种类(VPC或VCC)给外部VPI/VCI分配内部VPI/VCI，保证了映射关系的一一对应，使得内部VPI/VCI和外部VPI/VCI可进行双向转换。

5)适用于多个物理端口的VPI/VCI的转换。

6)适用于交换芯片的NPID、NVPI、NVCI可配置可改变的情况；

附图说明

图1为本发明装置的一具体实施例的结构示意图；

图2为本发明中内部VPI/VCI与外部VPI/VCI建立、删除映射关系及相互转换的流程示意图；

图3为本发明的映射方法流程图；

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

为使说明更加清楚明了，附图中相同的元件使用相同的标号标识。

图1为本发明装置的一具体实施例的结构示意图。如图所示，本发明的ATM多业务接入交换机中线速处理信元的装置1是基于FPGA实现的。其中，FPGA的第一数据输入/输出端通过交换芯片接口模块6与交换芯片2连接，第二数据输入/输出端通过成帧芯片接口模块7与成帧芯片3连接，该交换芯片接口模块6和成帧芯片接口模块7用于完成ATM信元在交换芯片2和成帧芯片3之间的交换。FPGA的第三数据输入/输出端通过内容可寻址寄存器CAM(content addressable memory)接口模块8与CAM 4连接，在该CAM 4中存储有内部VPI/VCI与外部VPI/VCI一一对应关系的映射表，FPGA的第四数据输入/输出端通过CPU接口模块9与CPU5连接，用于建立和维护该存储于CAM中的映射表。本发明的装置上设有若干物理端口。

利用图1所示装置实现VPI/VCI转换的方法为：经由成帧芯片3输入的携带外部VPI/VCI的ATM信元，先经FPGA查询所述的内部VPI/VCI与外部VPI/VCI一一对应关系的映射表，然后FPGA将该ATM信元转换为携带相应的内部VPI/VCI的ATM信元后交由交换芯片2处理；而由交换芯片2输入的携带内部VPI/VCI的ATM信元，先经FPGA查询所述的内部VPI/VCI与外部VPI/VCI一一对应关系的映射表，然后FPGA将该ATM信元转换为携带相应的外部VPI/VCI的ATM信元后交由成帧芯片3处理。

具体的说：上联端口经由成帧芯片3输入的携带外部VPI/VCI的ATM信元，先由FPGA从该ATM信元的信元头中提取出外部VPI/VCI，然后根据该外部VPI/VCI查询存储于CAM中的内部VPI/VCI与外部VPI/VCI一一对应关系的映射表，以获取对应的内部VPI/VCI，找到后FPGA将原有的外部VPI/VCI转换为该获取到的对应的内部VPI/VCI后生成新的信元头，FPGA将该新的信元头与原有ATM信元的负载部分组合生成新的ATM信元后交由交换芯片2处理；

而由交换芯片2处理后输入的携带内部VPI/VCI的ATM信元同样先由FPGA从该信元的信元头中提取出内部VPI/VCI，然后根据该内部VPI/VCI查询存储于CAM中的内部VPI/VCI与外部VPI/VCI一一对应关系的映射表，以获取对应的外部VPI/VCI，找到后FPGA将原有的内部VPI/VCI转换为该对应的外部VPI/VCI后生成新的信元头，FPGA将该新的信元头与原有ATM信元的负载部分组合生成新的ATM信元后经由成帧芯片3发送至上联端口。

图2为本发明内部VPI/VCI与外部VPI/VCI映射关系建立、删除及相互转换的流程示意图，图中的CAM 4中存储有内部VPI/VCI和外部VPI/VCI一一对应关系的映射表。

如图所示，内部VPI/VCI和外部VPI/VCI相互转换的过程为：

20：FPGA收到成帧芯片3发来的信元后，提取出信元头中的外部VPI/VCI；

21：FPGA查询CAM中存储的映射表，将外部VPI或VPI/VCI转换为对应的内部VPI或VPI/VCI；

若连接是VPC，则内部VPI和外部VPI单独映射，只需进行内部VPI和外部VPI的相互转换，此处只需将外部VPI转换为对应的内部VPI，VCI保持不变；

若连接是VCC，则内部VPI与VCI和外部VPI与VCI捆绑起来映射，需要同时进行内部VPI与VCI和外部VPI与VCI的相互转换，此处需同时将外部VPI与VCI转换为对应的内部VPI与VCI。

22：FPGA将转换后的信元发送给交换芯片2。

步骤21中信元头中的外部VPI或VPI/VCI转换为对应的内部VPI或VPI/VCI后，FPGA将经转换后的携带内部VPI或VPI/VCI的信元头部与原有信元的负载部分组合生成新的信元，并将该新的信元发送至交换芯片2。

23：FPGA收到由交换芯片2发来的信元，提取出信元头中的内部VPI/VCI；

24：FPGA查询CAM中存储的映射表，将内部VPI或VPI/VCI转换为对应的外部VPI或VPI/VCI；

若连接是VPC，只需将内部VPI转换为对应的外部VPI，VCI保持原样；若连接是VCC，需同时将内部VPI与VCI转换为对应的外部VPI与VCI。

25：将转换后的信元发送给成帧芯片3。

步骤24中信元头中的内部VPI或VPI/VCI转换为对应的外部VPI或VPI/VCI后，FPGA将经转换后的携带外部VPI或VPI/VCI的信元头部与原有信元的负载部分组合生成新的信元，并将该新的信元发送至成帧芯片3。

如图所示，内部VPI/VCI与外部VPI/VCI映射关系建立的过程为：

200：未建连接；

210：用户欲建立连接；

此时，用户需要输入：欲建连接VPC或是VCC以及不同端口对应的VPI、VCI。

220：首先判断当前已建连接数是否已达最大连接数，若是则此时无法再建立新的连接返回步骤200，若否则执行步骤230；

需要注意的是，虽然通过本发明可以实现ATM协议允许范围内用户任意的配置VPI和VCI，但是总的连接数是保持不变的。

230：判断连接是VPC还是VCC，若是VPC则执行步骤240，若是VCC则执行步骤241；

240：判断该端口该VPI是否已被占用，若已被占用则返回步骤200，若未被占用则执行步骤250；

即，要判断用户所配置的端口和输入的VPI是否已被占用。

250：软件在内存中建连接，分配内部VPI，并在CAM 4中存储的映射表中添加相应的VPI表项。

CAM中存储的映射表的数据格式如下(以端口0和端口1为例)：

本实施例中的CAM为通用CAM芯片，8K的深度可以满足两个上联端口，每个端口最多4K条连接，支持级联扩展深度。数据总线宽度32bit，除数据线外还设有专门的地址/控制输入总线(AC Bus，13bit)和匹配结果输出总线(AABus，13bit)，处理速度更快，数据吞吐量更高。

如上表所示，所述映射表包括CAM地址(12～0bit)和CAM内容(63～0bit)，64bit的CAM内容作为利用外部VPI/VCI查找所述映射表以获取内部VPI/VCI的索引，通过屏蔽寄存器可对该64bit逐位进行屏蔽：屏蔽寄存器的某位为1表示需要屏蔽该位；若为0则不屏蔽该位。13bit的CAM地址作为利用内部VPI/VCI查找所述映射表以获取外部VPI/VCI的索引。

64bit索引中使用低30bit其它位保留，低30bit中15～0bit存放外部VCI，27～16bit存放外部VPI，第28bit存放端口号，第29bit存放VPC标志位，如果连接是VPC，该VPC标志位为1，如果连接是VCC，该VPC标志位为0。当已知外部VPI/VCI，欲查询内部VPI/VCI时，使用该64bit索引查找CAM中存储的所述映射表。具体地说：若连接是VPC，索引由1&端口号&外部VPI&0x0构成，即第29bitVPC标志位为1，第28bit端口号和27～16bit外部VPI就是用户输入的值，对于连接VPC，15～0bit外部VCI忽略用户输入的外部VCI值，恒为0x0；若连接是VCC，索引由0&端口号&外部VPI&外部VCI构成，即第29bitVPC标志位为0，第28bit端口号、27～16bit外部VPI及15～0bit外部VCI就是用户输入的值。这里要强调一点，如果连接是VPC，仅需关注VPI而无需关心VCI，此时，外部VCI和内部VCI在所述映射表中都设置成0x0。

CAM地址(12～0bit)用于存放端口号、内部VPI及内部VCI。当已知内部VPI/VCI，欲查询外部VPI/VCI时，需读该CAM地址，具体地说：若连接是VPC，用端口号&内部VPI&0x0组成CAM地址，若连接是VCC，用端口号&内部VPI&内部VCI组成CAM地址，同时读出CAM芯片专用的VB信号(该信号用于指示表项是否有效)，如果该VB信号为1，说明该地址对应存储的表项有效，如果该VB信号为0，说明该地址对应存储的表项无效。本实施例中只有两个端口：端口0和端口1，该两个端口各自的内部VPI位宽分别为nvpi和NVPI，各自的内部VCI位宽分别为nvci和NVCI，即各端口的VPI/VCI的位宽可设成不同的值。

用户欲建立连接VPC时，需输入端口号和VPI/VCI，及所建连接为VPC，软件接收到上述数据后，先用索引(端口号&外部VPI)配合屏蔽寄存器查询CAM中存储的映射表以确定该输入的VPI是否被某VPC或VCC占用。若有匹配项，说明该VPI已被占用，此VPC不允许建立；若无匹配项，说明没有连接用过此VPI，软件给该外部VPI分配内部VPI，并向CAM地址(端口号&内部VPI&0x0)写入添加的表项，表项内容为：VPC置1，端口和外部VPI分别对应用户输入的值，外部VCI写入0x0，并将VB信号置1以表示该表项有效，到此完成了添加VPC的工作。

例如，若用户设置的npid为5，nvpi为3，nvci为8。用户输入端口号为0，外部VPI为3，外部VCI为1，所建连接为VPC。软件接收到上述数据后，先用索引0b0000000000011配合屏蔽寄存器0xFFFFFFFFD000FFFF查询CAM中存储的映射表以确定该输入的VPI是否被某VPC或VCC占用。若有匹配项，说明该VPI已被占用，此VPC不允许建立；若无匹配项，软件给该外部VPI分配内部VPI假设为7，并向CAM地址0b011100000000写入添加的表项：0x0000000020030000，并将该表项对应的VB信号置1，即完成了添加该条VPC的工作。

241：判断该端口该VPI是否已被某条VPC占用，若已被占用则返回步骤200，若未被占用则执行步骤251；

即，要判断用户所配置的端口和输入的VPI是否已被VPC占用。

251：判断该端口该VPI/VCI是否已被某VCC占用，若已被占用则返回步骤200，若未被占用则执行步骤261；

即，要判断所配置的端口和输入的VPI/VCI是否已被某VCC占用。

261：软件在内存中建连接，分配内部VPI/VCI，并在CAM 4中存储的映射表中添加相应的VPI/VCI表项。

用户欲建立连接VCC时，需输入VPI/VCI，及所建连接为VCC，软件接收到上述数据后，先用索引(1&端口号&外部VPI&0x0)查CAM中存储的映射表以确定该输入的VPI是否被某VPC占用。若有匹配项，说明VPI已被某VPC占用，此VCC不允许建立；若无匹配项，说明没有VPC用过此VPI，软件再用索引(0&端口号&外部VPI&外部VCI)查该映射表，若有匹配项，说明VPI/VCI已被用过，此连接不允许建立；若没匹配项，软件给该外部VPI/VCI分配内部VPI/VCI，并向CAM地址(端口号&内部VPI&内部VCI)写入添加的表项，表项内容为：VPC置0，端口和外部VPI/VCI分别对应用户输入的值，并将该表项对应的VB信号置1，即完成了添加该条VCC的工作。

例如，若用户设置的npid为5，nvpi为3，nvci为8，即用户输入端口号为0，外部VPI为3，外部VCI为1，所建连接为VCC。软件接收到上述数据后，先用索引0x20030000查询CAM中存储的映射表以确定该输入的VPI是否被某VPC占用。若有匹配项，说明VPI已被某VPC占用，此VCC不允许建立；若无匹配项，说明没有VPC用过此VPI，软件再用索引0x00030001查该映射表，若有匹配项，说明VPI/VCI已被用过，此连接不允许建立；若没匹配项，软件给该外部VPI/VCI分配内部VPI/VCI假设为7/2，并向CAM地址0b011100000010写入添加的表项：0x0000000000030001，并将该表项对应的VB信号置1，即完成了添加该条VCC的工作。

如图所示，内部VPI/VCI与外部VPI/VCI映射关系删除的过程为：

270：用户删除某连接；

280：判断删除的是VPC还是VCC，若是VPC则执行步骤290，若是VCC则执行步骤291；

290：软件在内存中删除该连接，并查询CAM 4中存储的映射表，并删除相应的VPI表项。

即，查询CAM中存储的映射表，根据用户欲删除的VPC对应的外部VPI删除相应的VPI表项。

291：软件在内存中删除该连接，并查询CAM 5中存储的映射表，并删除相应的VPI/VCI表项。

即，查询CAM中存储的映射表，根据用户欲删除的VCC对应的外部VPI/VCI删除相应的VPI/VCI表项。

用户删除连接时，若是VPC，先用索引(1&端口号&外部VPI&0x0)查CAM中存储的映射表以找到匹配的VPI表项，再通过将VB信号置0将匹配项的有效位复位；若是VCC，则先用索引(0&端口号&外部VPI&外部VCI)查CAM中存储的映射表以找到匹配的VPI/VCI项，再通过将VB信号置0将匹配项的有效位复位。

例如，用户删除一个VPC，该VPC的端口为0，外部VPI为3，先用索引0x20030000查CAM中存储的映射表以找到匹配的VPI表项，再将该匹配项对应的VB信号置0即删掉该表项。用户删除一个VCC，该VCC的端口为0，外部VPI/VCI为3/1，则先用索引0x00030001查找CAM中存储的映射表以找到匹配的VPI/VCI项，再将该匹配项对应的VB信号置0即删掉该表项。

为了保证内部VPI/VCI与外部VPI/VCI之间是一一对应的关系，所述映射表中内部VPI/VCI和外部VPI/VCI的对应关系是随机生成的，准确的说，内部VPI/VCI是根据连接类型和外部VPI/VCI随机分配的。具体的说，首先需要设置一个存放有待分配的内部VPI的VPI-FIFO队列，及若干存放有待分配的内部VCI的VCI-FIFO队列，且满足每个该VCI-FIFO队列对应一个该内部VPI；用户建连接时，若连接是VPC，则根据外部VPI从VPI-FIFO队列中读取数值以分配到对应的内部VPI；若连接是VCC，则根据外部VPI从VPI-FIFO队列中读取数值以分配到对应的内部VPI，再从该对应的内部VPI所对应的VCI-FIFO队列中读取数值以分配到对应的内部VCI。图3为本发明的映射方法流程图。如图所示，

建立连接时：

300：用户设置NPID、NVPI及NVCI；

用户建连接时，需要输入如下信息：所建连接是VPC还是VCC；某个端口的VPI/VCI，比如A端口(假设为上联端口0)的VPI/VCI，B端口(假设为上联端口1)的VPI/VCI。

310：初始化；

具体为：软件设计1个VPI-FIFO队列和2^NVPI个VCI-FIFO队列。其中，VPI-FIFO队列中写入2^NVPI个数，大小从0到2^NVPI-1，作为可分配的内部VPI；VCI-FIFO队列中写入2^NVCI个数，大小从0到2^NVCI-1，作为可分配的内部VCI，且需满足每个VCI-FIFO队列对应一个VPI；同时，设置变量NUM用于统计VPI-FIFO队列中VPI的个数，设置变量NUM_VPI用于统计VPI对应的VCI-FIFO队列中VCI的个数，以及设置寄存器VCCuseVPI。

320：未建连接；

330：判断所建连接为VPC还是VCC，若是VPC则执行步骤340，若是VCC则执行步骤341；

340：判断NUM值是否为0，若NUM等于0则返回步骤320，若NUM不等于0则执行步骤350；

350：读VPI-FIFO队列，用读取到的数值作为此次分配的内部VPI，同时NUM值减1。

341：判断寄存器VCCuseVPI是否有效，若无效则执行步骤351，若有效则执行步骤352；

即，读取寄存器VCCuseVPI的有效位，若有效位置位表示有效，若有效位为0表示无效。

351：判断NUM值是否为0，若NUM等于0则返回步骤320，若NUM不等于0，则执行步骤361；

361：读VPI-FIFO队列，用读取到的数值作为此次分配的内部VPI，并将该数值写入寄存器VCCuseVPI，该寄存器有效位置位，同时NUM值减1；

371：读步骤361中取得的内部VPI对应的VCI-FIFO队列，用读到的数值作为此次分配的内部VCI，同时将NUM_VPI值减1。

352：读取寄存器VCCuseVPI中保存的VPI值作为此次分配的内部VPI；

362：读步骤352中取得的内部VPI对应的VCI-FIFO队列，用读取到的数值作为此次分配的内部VCI，同时NUM_VPI值减1；

372：判断NUM_VPI值是否为0，若为0则执行步骤382；

382：复位寄存器VCCuseVPI的有效位，即将该位置0。

删除连接时：

390：用户删除连接；

400：判断删除的连接是VPC还是VCC，若是VPC则执行步骤410，若是VCC则执行步骤411；

410：将该删除的VPC对应的内部VPI值写入VPI-FIFO队列，同时NUM值加1。

411：将该删除的VCC对应的内部VCI值写入对应的内部VPI所对应的VCI-FIFO队列，同时NUM_VPI值加1；

421：判断NUM_VPI值是否等于2^NVCI，若等于则执行步骤431；

431：将该删除的VCC对应的内部VPI值写入VPI-FIFO队列，同时变量NUM值加1，并复位寄存器VCCuseVPI的有效位，即将该位置0。

如此一来，当连接是VPC时，通过读VPI-FIFO队列可获取内部VPI，即对于VPC，内部VPI和外部VPI单独作映射；当连接是VCC时，通过先读VPI-FIFO获取内部VPI，再读该内部VPI对应的VCI-FIFO队列以获取对应的内部VCI，并将该内部VPI用寄存器VCCuseVPI记录下来以供下个连接VCC分配VCI使用，即对于VCC，则内部VPI与VCI和外部VPI与VCI捆绑起来作映射。上述过程实现了根据连接类型VPI和VCI的随机分配，以及内部VPI/VCI和外部VPI/VCI的一一对应。

需要注意的是，上述VPI-FIFO队列和VCI-FIFO队列的大小不是无限的，而是受到NVPI和NVCI的制约，即用户虽然可任意配置NVPI和NVCI，但前提条件是在ATM协议允许的范围内，而且，无论内部VPI/VCI和外部VPI/VCI是否建立映射关系，交换机设备所支持的总的连接数保持不变。

以背景技术中提到的连接受限实际示例来说，若上联端口需要建20条VPC与20条VCC，此时该端口支持的VPI与VCI的bit数总和为11，用户使用的VCI从100开始。首先要保证能建20条VPC，这样VPI的bit数分配为5(2⁵＝32＞20)，VCI的bit数就为6。20条VPC建立后还剩2⁵-20＝12个VPI可用于建VCC，理论上用户共可建12×2⁶＝768条VCC。假如对内部VPI/VCI和外部VPI/VCI不进行映射和转换，则用户建连接时输入的VPI数值必须小于32，输入的VCI数值必须小于64，并且在建了20条VPC后再建VCC，只能用12个VPI，每个VPI最多64个VCI来组合VPI/VCI，用户使用的VCI想要从100开始根本是不可能的。而通过本发明的方法和装置，由FPGA将外部VPI/VCI转换为内部VPI/VCI，且二者一一对应，用户建连接时不再受VPI数值小于32，VCI数值小于64的限制，可以在ATM协议允许范围内任意设定，同时，用户建VCC时也不受12个VPI，每个VPI最多64个VCI的限制，因为用户任意配置的768个相异的外部VPI/VCI组合会被映射成交换芯片可以识别的12个内部VPI，每个VPI最多64个内部VCI的组合，如以下表格所示。

外部VPI(8bit)	外部VCI(16bit)	内部VPI(5bit)	内部VCI(6bit)
				200(VPC)		0
201(VPC)		1
				...		...
219(VPC)		19
				0～63	100	20	0～63

64～127	100	21	0～63
				128	200～263	22	0～63
128	264～327	23	0～63
				128	100	24	0
...	...	...	...

如图1所示，为了实现FPGA能够线速处理信元，即在下一个信元到来前完成当前信元VPI/VCI的查映射表及转换工作，本发明的装置，于每个物理端口的信元进方向设置了入进接收FIFO队列10和入进发送FIFO队列11，信元出方向设置了外出接收FIFO队列13和外出发送FIFO队列12，用于实现状态机控制的信元的线速存储转发；FPGA中还设置了入进转换VPI/VCI状态机14和外出转换VPI/VCI状态机15以配合上述各FIFO队列对信元的线速存储转发。

以图1所示具体实施例中两个物理端口为例，信元由成帧芯片3进入FPGA后，先分别存于端口0和端口1的入进接收FIFO队列10中，然后FPGA从入进接收FIFO队列10中读出该信元的信元头，得到该信元的外部VPI和VCI；之后，利用索引(1&端口号&外部VPI&0x0)查询CAM 4中存储的映射表，若有匹配的表项，说明是VPC，根据该匹配的表项在CAM 4中的地址(CAM的AA Bus输出的数据)提取出对应的内部VPI，用该内部VPI更换信元头中的外部VPI；若无匹配的表项，再用索引(0&端口号&外部VPI&外部VCI)重新查询CAM 4中存储的映射表，若有匹配的表项，说明是VCC，根据该匹配的表项在CAM 4中的地址(CAM的AA Bus输出的数据)提取出对应的内部VPI/VCI，用该内部VPI/VCI更换信元头中的外部VPI/VCI，若无匹配的表项，则丢弃该信元。

FPGA将更换过VPI/VCI(外部VPI/VCI转换为内部VPI/VCI)的信元头和从入进接收FIFO队列10中读出的原有信元的负载部分组合生成新的信元写入入进发送FIFO队列11中，待交换芯片2轮询端口0和端口1时，就把该经过转换的新的信元发送到交换芯片2进行交换。

同样，在信元由交换芯片2交换到成帧芯片3的端口0和端口1前，先进入FPGA，将内部VPI/VCI转换为外部VPI/VCI后再送到成帧芯片3。但要注意的是，此时，FPGA转换VPI/VCI的过程与前述查映射表及转换的过程有所不同。具体为：

信元经交换芯片2进入FPGA，分别存于端口0和端口1的外出接收FIFO队列13中，然后FPGA从外出接收FIFO队列13中读取出该信元的信元头，以得到该信元的内部VPI/VCI；

之后，FPGA访问CAM地址(端口号&内部VPI/0x0)，同时读CAM芯片的VB信号，若VB为1，且映射表对应表项中的VPC为1，说明是VPC，用该对应表项中的外部VPI更换信元头中的内部VPI；若VB为1，且对应表项中的VPC为0(如果内部VCI为0x0，可能会出现这种情况)，说明是VCC，用对应表项中的外部VPI/VCI更换信元头中的内部VPI/VCI；若VB为0，说明表项无效，再重新访问CAM的地址(端口号&内部VPI/内部VCI)，同时读VB信号，若VB为1，且对应表项中的VPC为0，说明是VCC，用该对应表项中的外部VPI/VCI更换信元头中的内部VPI/VCI。其他情况下将该信元丢弃。

FPGA将更换过VPI/VCI(内部VPI/VCI转换为外部VPI/VCI)的信元头和从外出接收FIFO队列13中读出的原有信元的负载部分组合生成新的信元写入外出发送FIFO队列12中，待成帧芯片3轮询到端口0和端口1时，在合适的时候就把该经过转换的新的信元发送到成帧芯片3相应的端口。

下面详细描述本实施例中入进/外出转换VPI/VCI状态机控制的信元的存储转发的过程，并分析了信元能否线速通过FPGA。

所述入进转换VPI/VCI状态机14包括0端口入进转换VPI/VCI子状态机、1端口入进转换VPI/VCI子状态机，……n端口入进转换VPI/VCI子状态机，该些子状态机工作过程完全一样，只是对应的端口不同；所述外出转换VPI/VCI状态机15包括0端口外出转换VPI/VCI子状态机、1端口外出转换VPI/VCI子状态机，……n端口外出转换VPI/VCI子状态机，该些子状态机的工作过程也完全一样，仅仅是对应的端口不同，上述子状态机工作时都会查CAM中存储的映射表，且n的数目取决于端口的数目。如图1，CPU 5中还设有软件更新表项状态机，该状态机也需要频繁地访问CAM以即时更新映射表。本实施例中，由于仅以两个端口为例，所以入进转换VPI/VCI状态机14包括0端口入进转换VPI/VCI子状态机和1端口入进转换VPI/VCI子状态机，外出转换VPI/VCI状态机15包括0端口外出转换VPI/VCI子状态机和1端口外出转换VPI/VCI子状态机。

ATM信元是固定长度的分组，共有53个字节，分为2个部分：前面5个字节为信头，主要完成寻址的功能(包含端口号、VPI、VCI等信息)，后面48个字节为信息段，用于装载来自不同用户，不同业务的信息。

下面分析信元能否线速通过FPGA。一个上联口是155Mbps，因此最快2.6us(53*8/(155*1024*1024))来一个信元。FPGA的UTOPIA接口工作时钟是50MHz，FPGA用这个时钟查表，一拍为20ns。因此需要在130拍(2.6us/20ns＝130clk)内完成对一个信元的处理才行。

以CAM芯片的比较周期和其他访问周期都是40ns为例分析，由于0端口入进查表、0端口外出查表、1端口入进查表、1端口外出查表及软件更新表项都要操作CAM，当一个对象操作CAM时，其他对象如果要查表或更新表项只能等他操作完后才能操作。入进查表是1～2个查找CAM操作，要占用CAM 4～8拍(查找一次CAM用4拍，第1拍FPGA给出比较数和控制信号，第2拍等待，第3拍CAM输出结果，第4拍FPGA取结果)；外出查表是1～2个读CAM操作，要占用CAM 4～8拍(读一次CAM用4拍，第1拍FPGA给出地址和控制信号，第2拍等待，第3拍CAM输出数据，第4拍FPGA读取数据)；软件更新表项的操作包括查找和写CAM两步(1～2个查找+1个写CAM)，要占用CAM 8～12拍(写一次CAM用4拍，第1拍FPGA给出地址、数据和控制信号，第2拍等待，第3拍CAM输出满标志，第4拍FPGA读取满标志)。

入进转换VPI/VCI状态机14工作过程：

以0端口入进查表为例分析：只要0端口入进接收FIFO队列有存放一个信元的空间，从成帧芯片的0端口来的信元就可以进入0端口入进接收FIFO队列，只要该FIFO不空，FPGA的0端口入进转换VPI/VCI子状态机就开始读信元。假设该子状态机从入进接收FIFO队列读出信元头h1算第一拍...第四拍读出h4，得到查表索引要素(端口号&外部VPI&外部VCI)，之后该子状态机利用该查表索引要素查找CAM中的映射表，第5拍可得到查映射表索引(1&端口号&外部VPI&0x0)和控制信号，第6拍等待，第7拍得到查表结果，第8拍根据查表结果判定是否进行第二次查找：若有匹配项，说明是VPC，根据查表结果重组信元头；若无匹配项，还需第二次查找，第9拍读出第二次查映射表索引(0&端口号&外部VPI&外部VCI)和控制信号，第10拍等待，第11拍得到第二次查表结果，第12拍根据查表结果判定是否丢弃该信元：若有匹配项，说明是VCC，根据查表结果重组信元头H1、H2、H3、H4，若无匹配项，丢弃该信元。第13拍该子状态机往0端口入进发送FIFO队列写H1...第16拍该子状态机往0端口入进发送FIFO队列写H4，同时从0端口入进接收FIFO队列读出信元头h5，第17拍该子状态机往0端口入进发送FIFO队列写h5，同时从0端口入进接收FIFO队列读出信元负载d1...第64拍该子状态机往0端口入进发送FIFO队列写d47，同时从0端口入进接收FIFO队列读出信元负载d48，第65拍该状态机往0端口入进发送FIFO队列写d48。入进发送FIFO队列保存多于一个信元时就会在交换芯片轮询到它时有效UTOPIA接口的clav信号，声明自己有信元要发，从而将信元发出。

外出转换VPI/VCI状态机15工作过程：

以0端口外出查表为例分析：只要0端口外出接收FIFO队列有存放一个信元的空间，从交换芯片来的信元就可以进入0端口外出接收FIFO队列，只要该FIFO不空，FPGA的0端口外出转换VPI/VCI子状态机就开始读信元。假设0端口外出转换VPI/VCI子状态机从外出接收FIFO队列读出信元头h1算第一拍...第四拍读出h4，得到查表索引要素(端口号&内部VPI&内部VCI)，之后该子状态机利用该查表索引要素查找CAM中的映射表，第5拍得到CAM地址(端口号&内部VPI&0x0)和控制信号，第6拍等待，第7拍读出CAM输出数据和VB信号，第8拍根据VB信号值决定是否需要再次读CAM：若VB为1，用读到的数据重组信元头；若VB为0，还需再次读CAM，第9拍给出第二次读CAM地址(端口号&内部VPI&内部VCI)和控制信号，第10拍等待，第11拍读出CAM输出数据和VB，第12拍根据VB信号值决定是否丢弃信元：若VB为1，用读到的数据重组信元头；若VB为0，丢弃该信元。第13拍该子状态机往0端口外出发送FIFO队列写H1...第16拍该子状态机往0端口外出发送FIFO队列写H4，同时从0端口外出接收FIFO队列读出信元头h5，第17拍该状态机往0端口外出发送FIFO写h5，同时从0端口外出接收FIFO队列读出信元负载d1...第64拍该状态机往0端口外出发送FIFO队列写d47，同时从0端口外出接收FIFO队列读出信元负载d48，第65拍该子状态机往0端口外出发送FIFO队列写d48。外出发送FIFO队列保存多于一个信元时就会轮询成帧芯片，从而将信元发出。

设定0端口入进查表、0端口外出查表、1端口入进查表、1端口外出查表及软件更新表项占用CAM的优先级由高到低，即0端口入进查表优先级最高(优先级1)，软件更新表项优先级最低(优先级5)。0端口入进转换VPI/VCI子状态机、1端口入进转换VPI/VCI子状态机、0端口外出转换VPI/VCI子状态机、1端口外出转换VPI/VCI子状态机及软件更新表项状态机分别维护各自的2bit标志位：即等待位和占用位。当某个子状态机或状态机需要用CAM时就置位自己的等待位；当CAM空闲时，用于判断优先级高低的仲裁模块按优先级从高到低轮询等待位，如果高优先级的子状态机处于等待状态，就将该子状态机的占用位置位，同时复位其等待位，等该子状态机用完CAM自动复位其占用位。

分析最糟糕情况下，信元能否线速通过FPGA：1端口外出转换VPI/VCI子状态机(优先级4)要用CAM，就向仲裁模块提出申请时，另外三个高优先级子状态机已经在排队等候或刚开始用CAM，1端口外出转换VPI/VCI子状态机得等候最多8+8+8＝24拍才能操作CAM。这时，1端口外出转换VPI/VCI子状态机最多需65+24＝89拍能处理完一个信元，因下一个信元在130拍之后才到达，因此可以保证信元线速通过FPGA。

软件更新表项状态机使用CAM的优先级最低，只有这样才能避免更新大量表项时长期占用CAM，而其他子状态机只能长时间等待的情况，从而保证信元线速通过FPGA。这样一来，在0端口入进转换VPI/VCI子状态机、1端口入进转换VPI/VCI子状态机、0端口外出转换VPI/VCI子状态机和1端口外出转换VPI/VCI子状态机都全速进行时，软件更新表项状态机的工作可能会被迫分多次进行，每次只更新几个表项。查表全速进行时，130拍中四个子状态机最多使用CAM 8+8+8+8＝32拍，软件更新表项状态机最少可用130-32＝98拍，可更新最少98/12＝8条表项。

本发明通过在CAM中建立和维护内部VPI/VCI和外部VPI/VCI一一对应关系的映射表，可实现在ATM协议允许的范围内，用户任意配置VPI、VCI，解决了用户在使用ATM多业务接入交换机时VPI/VCI受限的问题，同时动态的建立和维护该映射表也节约了开发成本，入进及外出转换状态机与入进及外出FIFO的配合工作使得信元能够线速通过装置，大大地提高了数据处理速率。

以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种ATM多业务接入交换机中线速处理信元的装置，基于FPGA实现，装置上设有若干物理端口，FPGA的第一数据输入/输出端与交换芯片连接，第二数据输入/输出端与成帧芯片连接，其特征在于，该装置包括：

入进转换VPI/VCI状态机与外出转换VPI/VCI状态机；

每个所述物理端口的信元进方向设有入进接收FIFO队列与入进发送FIFO队列，信元出方向设有外出发送FIFO队列与外出接收FIFO队列；

该入进转换VPI/VCI状态机从不为空的该入进接收FIFO队列中读取信元，并将该信元经处理后写入该入进发送FIFO队列；该外出转换VPI/VCI状态机从不为空的该外出接收FIFO队列中读取信元，并将该信元经转换后写入该外出发送FIFO队列；

该入进转换VPI/VCI状态机根据端口的数目包括0端口入进转换VPI/VCI子状态机，1端口入进转换VPI/VCI子状态机，……，n端口入进转换VPI/VCI子状态机；该外出转换VPI/VCI状态机根据端口的数目包括0端口外出转换VPI/VCI子状态机，1端口外出转换VPI/VCI子状态机，……，n端口外出转换VPI/VCI子状态机；

该FPGA的第三数据输入/输出端与CAM连接，该CAM中存储有内部VPI/VCI和外部VPI/VCI一一对应关系的映射表，该FPGA的第四数据输入/输出端与CPU连接，该CPU中设有软件更新表项状态机，该状态机用于更新该CAM中存储的映射表；

仲裁模块，用于判断该n端口入进转换VPI/VCI子状态机、n端口外出转换VPI/VCI子状态机及该软件更新表项状态机查找该CAM的优先级。

2.如权利要求1所述的ATM多业务接入交换机中线速处理信元的装置，其特征在于：FPGA的第一数据输入/输出端通过交换芯片接口模块与交换芯片连接，第二数据输入/输出端通过成帧芯片接口模块与成帧芯片连接；第三数据输入/输出端通过CAM接口模块与CAM连接，第四数据输入/输出端通过CPU接口模块与CPU连接。

3.如权利要求2所述的ATM多业务接入交换机中线速处理信元的装置，其特征在于，所述0端口入进转换VPI/VCI子状态机、所述0端口外出转换VPI/VCI子状态机、所述1端口入进转换VPI/VCI子状态机、所述1端口外出转换VPI/VCI子状态机……所述n端口入进转换VPI/VCI子状态机、所述n端口外出转换VPI/VCI子状态机及所述软件更新表项状态机查找所述CAM的优先级从高到低依次排列。

4.一种基于权利要求1至3中任意一项所述装置实现的ATM多业务接入交换机中线速处理信元的方法，其特征在于：

信元由所述成帧芯片进入FPGA后，先存于所述入进接收FIFO队列中，所述入进转换VPI/VCI状态机从所述入进接收FIFO队列中读出该信元，并将该信元经过查找所述CAM中的映射表进行转换后，写入所述入进发送FIFO队列中；

信元由所述交换芯片进入FPGA后，先存于所述外出接收FIFO队列中，所述外出转换VPI/VCI状态机从所述外出接收FIFO队列中读出该信元，并将该信元经过查找所述CAM中的映射表进行转换后，写入所述外出发送FIFO队列中。

5.如权利要求4所述的ATM多业务接入交换机中线速处理信元的方法，其特征在于：

信元由所述成帧芯片进入FPGA后，先存于所述入进接收FIFO队列中，所述入进转换VPI/VCI状态机从所述入进接收FIFO队列中读出该信元的信元头，并根据该信元头查找所述CAM中的映射表，查找结果作为转换后的信元头由所述入进转换VPI/VCI状态机写入所述入进发送FIFO队列中，最后所述入进转换VPI/VCI状态机从所述入进接收FIFO队列中读取出该信元的原始负载并将该原始负载写入所述入进发送FIFO队列中；

信元由所述交换芯片进入FPGA后，先存于所述外出接收FIFO队列中，所述外出转换VPI/VCI状态机从所述外出接收FIFO队列中读出该信元的信元头，并根据该信元头查找所述CAM中的映射表，查找结果作为转换后的信元头由所述外出转换VPI/VCI状态机写入所述外出发送FIFO队列中，最后所述外出转换VPI/VCI状态机从所述外出接收FIFO队列中读出该信元的原始负载并写入所述外出发送FIFO队列中。