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基于MPC8560的吉比特以太網(wǎng)接口設計(圖)

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作者:廈門(mén)大學(xué) 時(shí)斌 時(shí)間:2007-02-06 來(lái)源: 收藏

隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展,網(wǎng)絡(luò )通信控制器的應用已經(jīng)越來(lái)越廣泛。集成powerpc微處理器的mpc8560 powerquicc ⅲ作為一個(gè)多用途、高性能的通信微處理器,具有非常靈活的一體化單元系統和外圍通信控制器,能被廣泛運用于通信和網(wǎng)絡(luò )系統,是目前為電信和網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)而設計的最先進(jìn)的集成通信微處理器之一。它集成了豐富的網(wǎng)絡(luò )和通信外圍設備,提供了更大的靈活性、擴展能力和更高的集成度。

mpc8560簡(jiǎn)介

mpc8560內部集成了兩個(gè)處理模塊:一個(gè)高性能嵌入式powerpc e500內核和一個(gè)通信處理模塊(cpm)。此外,該芯片還提供了片內緩存、ddr控制器、可編程中斷控制器、通用i/o口、dma和i2c等多種接口控制器。

與使用較多的mpc8260最大的不同是,mpc8560增加了兩個(gè)三速以太網(wǎng)控制器(three-speed ethernet controller,tsec),實(shí)現了10mb/s、100mb/s和1gb/s三種不同速度的以太網(wǎng)協(xié)議接口控制。本文將主要討論如何使用這兩個(gè)tsec實(shí)現吉比特以太網(wǎng)接口。

吉比特以太網(wǎng)物理層協(xié)議及接口

參考文獻上對于網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的介紹往往局限于對協(xié)議分層的理論分析,對網(wǎng)絡(luò )協(xié)議尤其是吉比特以太網(wǎng)協(xié)議在實(shí)際應用中的接口討論較少,本文將對吉比特以太網(wǎng)協(xié)議在應用中的接口作總結性的介紹。

吉比特以太網(wǎng)協(xié)議的數據鏈路層與傳統的10/100mb/s以太網(wǎng)協(xié)議相同,但物理層有所不同。三種協(xié)議與osi七層模型的對應關(guān)系如圖1所示。

圖1 三種以太網(wǎng)協(xié)議與osi模型的對應關(guān)系

從圖1可以看出,吉比特以太網(wǎng)協(xié)議與10/100mb/s以太網(wǎng)協(xié)議的差別僅僅在于物理層。圖中的phy表示實(shí)現物理層協(xié)議的芯片;協(xié)調子層(reconciliation sublayer)用于實(shí)現指令轉換;mii(介質(zhì)無(wú)關(guān)接口)/gmii(吉比特介質(zhì)無(wú)關(guān)接口)是物理層芯片與實(shí)現上層協(xié)議的芯片的接口;mdi(介質(zhì)相關(guān)接口)是物理層芯片與物理介質(zhì)的接口;pcs、pma和pmd則分別表示實(shí)現物理層協(xié)議的各子層。在實(shí)際應用系統中,這些子層的操作細節將全部由phy芯片實(shí)現,只需對mii和mdi接口進(jìn)行設計與操作即可。

吉比特以太網(wǎng)的物理層接口標準主要有四種:gmii、rgmii(reduced gmii)、tbi(ten-bit interface)和rtbi(reduced tbi)。gmii是標準的吉比特以太網(wǎng)接口,它位于mac層與物理層之間。對于tbi接口,圖1中pcs子層的功能將由mac層芯片實(shí)現,在降低phy芯片復雜度的同時(shí),控制線(xiàn)也比gmii接口少。rgmii和rtbi兩種接口使每根數據線(xiàn)上的傳輸速率加倍,數據線(xiàn)數目減半。

由此可見(jiàn),使用tbi接口來(lái)實(shí)現吉比特以太網(wǎng)接口所用的控制線(xiàn)和數據線(xiàn)比gmii接口少,因此設計與使用相對容易。雖然tbi接口比rtbi接口的數據線(xiàn)多,但是每根數據線(xiàn)上的傳輸速率可以低一倍,大大降低了pcb布板的難度。因此,相對其他方式,使用tbi接口實(shí)現起來(lái)最簡(jiǎn)單,難度最低。此外,tbi接口的phy芯片比gmii接口的phy芯片成本低很多。對于同時(shí)提供gmii和tbi兩種接口的芯片,推薦使用tbi接口設計方案。

mpc8560與phy芯片的接口設計

mpc8560對四種不同的接口標準都提供了支持,本文僅討論tbi接口。

tlk2201芯片是支持tbi和rtbi兩種接口的單信道吉比特以太網(wǎng)絡(luò )收發(fā)器。它是業(yè)界第一批符合802.3規格的2.5v器件,無(wú)須任何外接電容,這可以節省電路板面積,減少零件的數目,從而降低產(chǎn)品的成本。此外,該芯片的功耗也相當低。

圖2 mpc8560與tlk2201的接口設計

mpc8560與tlk2201的連接如圖2所示。需要注意的是,td0~td9和rd0~rd9并不全是數據線(xiàn)。td8對應tx_er,作為發(fā)送出錯標志位;td9對應tx_en,作為發(fā)送使能位;rd8對應rx_dv,作為接收數據有效位;rd9對應rx_er,作為接收差錯檢測位。

此外還應注意到,圖中使用的是sfp(可插拔)光模塊,這是因為tlk2201只提供了光模塊吉比特以太網(wǎng)接口。

對tsec控制器的初始化

mpc8560對tsec控制器的初始化過(guò)程如下。只要按照順序逐一完成相應的步驟,即可正確配置tsec的吉比特網(wǎng)絡(luò )接口。

  1. 設置maccfg1寄存器,對mac進(jìn)行軟復位;
  2. 清除maccfg1寄存器的軟復位;
  3. 設置maccfg2寄存器,選擇tsec工作模式(如全雙工或半雙工、crc校驗是否使能等);
  4. 初始化寄存器ecntrl,設置接口為tbi標準;
  5. 設置mac地址、物理地址;
  6. 設置mii口的速率,使用mdio對phy進(jìn)行初始化;
  7. 清除并設置中斷相關(guān)的寄存器ievent和imask;
  8. 設置hash表和hash寄存器;
  9. 初始化接收控制寄存器rctrl;
  10. 設置dma控制寄存器dmatrl;
  11. 設置接收緩沖區大??;
  12. 設置收發(fā)緩沖描述符(buffer descriptor,bd);
  13. 設置maccfg1中的收發(fā)使能位,完成tsec初始化。

在初始化tsec的過(guò)程中尤其要注意在設置寄存器后,控制器處于不穩定狀態(tài),不能馬上執行下一步的操作,需要作一定的延遲等待。通常,可以讀取相應的狀態(tài)寄存器以判斷是否可以繼續下一步,也可以使用某些操作系統提供的定時(shí)延遲來(lái)完成,如vxworks中的taskdelay()。

測試及其結果

為了測試設計好的吉比特以太網(wǎng)接口的性能,將吉比特以太網(wǎng)接口與專(zhuān)門(mén)測試網(wǎng)絡(luò )接口性能的儀器smartbits相連。一個(gè)最為簡(jiǎn)單的測試方法是使用smartbits發(fā)送數據包到mpc8560的吉比特以太網(wǎng)接口,mpc8560接到數據包后,將數據直接返還給smartbits。smartbits將會(huì )統計并顯示測試結果。

圖3 吉比特以太網(wǎng)接口測試結果

測試結果如圖3所示,傳輸速率(rates)可以達到1gb/s左右,而且還略有裕量。

為了測試吉比特以太網(wǎng)接口更為全面的性能,需要對不同大小的數據包、突發(fā)大量數據流等進(jìn)行測試,限于篇幅,不再討論具體的測試細節。

設計中的注意事項

由于數據線(xiàn)上的傳輸速率相對較高,硬件部分的設計需要注意以下幾點(diǎn)。

  • tbi接口每根數據線(xiàn)的傳輸速率是125mb/s,為了保證采樣與信號的同步,接收信號線(xiàn)rd0~rd9的長(cháng)度和接收時(shí)鐘線(xiàn)rxclk必須等長(cháng)。同理,發(fā)送信號線(xiàn)td0~td9的長(cháng)度和發(fā)送時(shí)鐘線(xiàn)txclk也必須等長(cháng)。
  •  為了保證阻抗匹配,tbi接口所有信號線(xiàn)的阻抗必須控制在50ω

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