雙千兆網(wǎng)接口設計方案

　　千兆網(wǎng)絡(luò )接口具有數據傳輸速率快、連接方便、可以即插即用的優(yōu)點(diǎn)，使得其應用較為廣泛。隨著(zhù)電子技術(shù)和處理器的發(fā)展，很多應用場(chǎng)合的數據通信速率超過(guò)千兆網(wǎng)口的實(shí)際傳輸速率。例如，在A(yíng)/D采樣中，需要直接存儲A/D轉換的采樣數據，如果A/D轉換位數為16位，工作在100MHz,則實(shí)際數據量為1.6Gbps。為了實(shí)現高速傳輸，必須采用更高傳輸速率的接口，例如PCIe或者RapidIO接口。但這些接口不具有即插即用功能，與很多工業(yè)既有設備不能直接連接，限制了其應用場(chǎng)合。

　　DSP（數字信號處理器）具有較高的工作頻率，其內部集成硬件網(wǎng)絡(luò )MAC接口，外接一個(gè)物理層芯片就可以方便地實(shí)現千兆網(wǎng)絡(luò )通信。多核DSP芯片可以連接多個(gè)千兆網(wǎng)口，使得其可以應用到高速數據傳輸場(chǎng)合。本文介紹一種基于多核數字信號處理器TMS320C6678的嵌入式雙千兆網(wǎng)絡(luò )接口，實(shí)現單個(gè)芯片連接兩個(gè)千兆網(wǎng)口，這兩個(gè)網(wǎng)口可以各自獨立傳輸數據，也可以聯(lián)合傳輸數據，提高了實(shí)際的數據傳輸速率。

　　1. C6678及其結構

　　TMS320C6678是TI公司多核處理器中的一款8核浮點(diǎn)型DSP,每個(gè)核最高工作頻率可達1.25GHz,每個(gè)核可以提供40GMAC定點(diǎn)計算或者20GFLOP浮點(diǎn)計算能力，單個(gè)芯片可以提供320GMAC或者160GFLOP計算能力。TMS320C6678的片內結構如圖1所示。

　　TMS320C6678的每個(gè)核具有32KB的程序、32KB的數據以及512KB的2級Cache存儲空間，芯片片內具有一個(gè)4MB的共享SRAM。TMS320C6678具有DDR3控制器接口，可以外接DDR3,直接尋址范圍達到8GB。TMS320C6678的片內外設有RapidIO、PCIe、EMIF、SPI、I2 C總線(xiàn)等接口。這些接口通過(guò)片內的高速互聯(lián)總線(xiàn)和各個(gè)處理器交互數據。

　　和網(wǎng)絡(luò )相關(guān)的片內設備如圖1右下角灰色模塊所示，主要包括兩個(gè)對外的SGMII接口、以太交換和網(wǎng)絡(luò )交換模塊，以及用于數據管理的安全加速器和包加速器，可以快速檢測數據的校驗以及協(xié)議是否遵循網(wǎng)絡(luò )標準，對于錯誤的數據直接丟棄，降低CPU 的負擔。為了加快網(wǎng)絡(luò )和CPU的數據交換，片內的隊列管理器用于管理網(wǎng)絡(luò )包或者網(wǎng)絡(luò )幀的緩存、分發(fā)等功能。這些數據都采用數據包DMA讀寫(xiě)，不需要CPU參與。

　　圖1 TMS320C6678內部結構圖

　　TMS320C6678的其他片內設備包括PLL、仿真口、信號量、電源管理和復位管理等模塊。其中PLL配置CPU和外設的工作時(shí)鐘；仿真口用于連接仿真器，實(shí)現對軟件運行的監控；信號量實(shí)現對DSP/BIOS操作系統中信號量的控制；電源管理實(shí)現整個(gè)芯片電流電壓的控制；復位管理配置啟動(dòng)的方式，硬復位進(jìn)行全啟動(dòng)，軟復位進(jìn)行部分啟動(dòng)。

　　2. 88E1111及其結構

　　網(wǎng)絡(luò )物理層芯片很多，一般都兼容MII、RMII以及SGMII等接口標準之一或者多個(gè)。但TMS320C6678只提供了SGMII接口，所以和TMS320C6678連接的物理層芯片必須具有SGMII接口。本文使用兩片Marvell公司的88E1111 物理層芯片進(jìn)行雙千兆網(wǎng)絡(luò )的連接。88E1111的片內結構如圖2所示。

　　圖2 88E1111內部結構圖

　　網(wǎng)絡(luò )RJ45接口發(fā)送過(guò)來(lái)的帶有調制數據的模擬信號經(jīng)過(guò)A/D轉換變成數字信號，然后依次經(jīng)過(guò)均衡、整形濾波和譯碼后由接收單元傳輸到MAC芯片，實(shí)現數據的接收。MAC發(fā)送的數據經(jīng)過(guò)整形濾波后由D/A轉換成模擬信號發(fā)送到RJ45接口。為了降低誤碼率，88E1111內部具有鎖相環(huán)（PLL）、自動(dòng)增益控制（AGC）、時(shí)序/相位控制、回音抵消等模塊，這些模塊都是為了提高數據傳輸的可靠性，在不同環(huán)境或者不同外接設備下，都可以高速可靠地通信。圖2中的LED控制模塊實(shí)現數據傳輸時(shí)的燈光顯示，MDIO模塊實(shí)現鏈接建立和狀態(tài)監測，時(shí)鐘模塊提供工作時(shí)鐘。

　　3. 硬件設計

　　硬件設計主要包括TMS320C6678和兩個(gè)88E1111的接口、88E1111和RJ45的接口、88E1111的硬件配置設計等幾個(gè)部分。

　　TMS320C6678的網(wǎng)絡(luò )模塊結構如圖3所示。片內集成了一個(gè)3口的以太交換機，負責將兩個(gè)千兆網(wǎng)口的數據交換到主機，同時(shí)提供交換中斷到主機，主機通過(guò)中斷可以實(shí)時(shí)接收和發(fā)送數據。主機通過(guò)總線(xiàn)配置或者監控外部的物理層芯片，配置和監控數據通過(guò)MDIO接口連接到物理層芯片。

　　圖3 TMS320C6678網(wǎng)絡(luò )模塊結構

　　圖4 TMS320C6678和88E1111的接口TMS320C6678和兩片88E1111的接口電路如圖4所示。TMS320C6678 采用SGMII（Serial Gigabit Media Independent Interface）接口，兼容10/100/1000M 工作方式。SGMII為串行數據收發(fā)方式，具有較少的引腳連接。從圖4中可以看出，實(shí)際上只有兩對收發(fā)的差分線(xiàn)，分別連接到對應的88E1111引腳上。讀寫(xiě)時(shí)鐘隱含在數據上傳輸，由硬件自動(dòng)識別，無(wú)須軟件參與。

　　圖4 TMS320C6678和88E1111的接口

　　MDIO和MDCLK 為T(mén)MS320C6678內部MDIO 模塊的數據和時(shí)鐘，用于TMS320C6678和88E1111建立連接，TMS320C6678可以通過(guò)該接口配置88E1111,或者讀取88E1111的信息。由于88E1111的MDIO模塊接口電平為2.5V,而TMS320C6678的MDIO模塊接口電平采用1.8V電壓，所以?xún)烧咧g需要增加電壓轉換芯片，本設計采用PCA9306實(shí)現電壓轉換，接口電路如圖5所示。