基于88E6218的SOHO網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺設(shè)計
關(guān)鍵詞SOH0 88E6218 網(wǎng)絡(luò)處理器 網(wǎng)絡(luò)平臺
隨著互連網(wǎng)的發(fā)展，PC用戶大量增加，辦公SOHO(Small Office，Home Office)化逐漸成為可能?，F(xiàn)在市場上已經(jīng)出現(xiàn)了許多面向SOHO應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)品。許多芯片制造廠商紛紛推出了自己的面向SOH0應(yīng)用的嵌入式網(wǎng)絡(luò)微處理器芯片。美國Marvell公司生產(chǎn)的88E6218芯片是其中的一種?；谶@個芯片，可以搭建一個低成本、高性能的SOH0網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺。通過在上層移植不同軟件，可以用于不同的SOHO網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)品，如SOHO路由器、SOHO安全網(wǎng)關(guān)、SOHO交換機等等。本文介紹88E6218芯片的主要特點，給出基于88E6218的SCHO網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺設(shè)計方法。
1 88E6218芯片結(jié)構(gòu)及主要特點
圖l為芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)框圖。
88E6218是美國Marvell公司(寬帶通信半導(dǎo)體公司)生產(chǎn)的面向SOHO應(yīng)用的一款高性價比的嵌入式網(wǎng)絡(luò)微處理器。該處理器
具有以下一些主要特點：
◆芯片內(nèi)嵌ARM9E的CPU核，采用32位RISC體系，帶有DSP指令擴展，最高工作頻率可達150 MHz，片內(nèi)有8 KB指令Cache、8 KB數(shù)據(jù)Cackc和8 KB數(shù)據(jù)RAM。
◆芯片集成SDRAM和Flash存儲控制器，支持與其他具有存儲器地址映射的外設(shè)相連接，包括DSP。
◆SDRAM接口可以是16位(最大尋址深度32 MB)或32位(最大尋址深度64 MB)寬度。Flash接口可以是8位、16位或32位，最大尋址深度64 MB。
◆芯片有內(nèi)部DMA控制器、看門狗定時器、UART串行接口、JTAG調(diào)試口以及4個外部片選引腳BOOTCS、M_CSO、M_CS1、M_CS2。
◆芯片帶有5個支持IEEE802.3的MAC(Media ACccss Layer，媒體訪問層)+PHY(Physical Layer，物理層)接口(Port0~Port4)；1個多功能網(wǎng)絡(luò)接口(Port6)。該接口可配置為RMII(簡化媒體獨立接口)、MII(媒體獨立接口)或SNI(業(yè)務(wù)接點接口)模式(支持200 Mbps全雙工，可直接與交換機或無線局域網(wǎng)互連)；1個內(nèi)部雙倍速MII接口(Port5，支持200 Mbps全雙工，可直接連接交換端口到CPU內(nèi)部的MAC)。
◆芯片提供基于QoS機制的快速以太網(wǎng)交換功能，內(nèi)部采用擁有專利技術(shù)的UniMAC結(jié)構(gòu)，如圖2所示，在88E6218內(nèi)部的CPU與多個快速以太網(wǎng)交換口之間形成高效的網(wǎng)絡(luò)接口。
◆一款低功耗的CMOS芯片，可提供216條引腳的LQFP封裝。
綜上所述，88E6218內(nèi)部功能強，外設(shè)接口豐富，可以提供一個單芯片的S0HO路由器／安全網(wǎng)關(guān)解決方案。
2 安全平臺硬件設(shè)計
2.1 平臺硬件結(jié)構(gòu)
圖3是基于88E6218的面向SOHO應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺硬件結(jié)構(gòu)框圖。
①電源電路。輸入5 V。經(jīng)過DC—DC變換，分別給擻處理器提供1.5 V、2.5 V和3.3 V的電壓。
②系統(tǒng)時鐘和復(fù)位電路。25 MHz有源晶振經(jīng)過倍頻可為平臺提供多種不同的時鐘頻率；采用專門的微處理器監(jiān)控芯片為系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠的復(fù)位信號。
③微處理器，即88E6218，是整個開發(fā)平臺的工作和控制中心。
④BOOT Flash存儲器，用于存放系統(tǒng)的啟動程序以及其他在系統(tǒng)掉電后需要保存的數(shù)據(jù)。
⑤StrataFlash存儲器，用于存放嵌入式操作系統(tǒng)和各種用戶應(yīng)用程序。
⑥SDRAM存儲器，是平臺為操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序提供的運行空間，也是程序運行中大量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的緩存空間。
⑦網(wǎng)絡(luò)端口。4個10／100 Mhps速率的RJ45接口，為系統(tǒng)提供以太網(wǎng)接入的物理通道；1個WAN接口，可配置為電口或光口，本平臺為電口；1個MII接口。
⑧RS232串口，可作為系統(tǒng)的Console調(diào)試口或用于平臺與其他應(yīng)用系統(tǒng)的短距離雙向串行通信接口。
⑨JTAG接口。通過該接口可對系統(tǒng)進行調(diào)試、編程等。
⑩系統(tǒng)總線擴展。引出數(shù)據(jù)總線、地址總線和必需的控制總線，便于用戶根據(jù)自身的特定需求，擴展外圍電路。
2.2 平臺主要硬件單元電路設(shè)計
因力88E6218是一個面向SOHO應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)微處理器，而且本文設(shè)計的開發(fā)平臺主要用于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，所以下面著重分析較重要的存儲器和網(wǎng)絡(luò)接口電路的工作原理和設(shè)計方法。
(1)Flash存儲器接口電路
Flash存儲器具有低功耗、大容量、可整片或分扇區(qū)快速燒寫、擦除，掉電后信息不丟失等特點，在各種嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)的Flash存儲器包括兩部分：一部分是用于存放系統(tǒng)啟動程序的Boot Flash，其功能包括對平臺硬件的初始化和操作系統(tǒng)的引導(dǎo)等．考慮到啟動程序一般容量不大，這里選用了SST39SF040芯片，單片提供8位數(shù)據(jù)寬度、512 KB存儲空間。88E6218提供4個片選引腳，其中BOOTCS專門用于Boot Flash存儲器的片選，直接與SST39SF040的CE相連；SST39SF040地址總線A[0:18]與88E6218的地址總線M_A[0:18]相連;8位數(shù)據(jù)總線D[0:7]與88E6218的低8位數(shù)據(jù)總線M_D[0:7]相連。另一部分是StrataFlash存儲器，用于存放操作系統(tǒng)和各種應(yīng)用程序，在大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)中，選用1片16位的Flash存儲器芯片(單片容量有1 MB、2 MB、4 MB、8 MB等)構(gòu)建16位的Flash存儲系統(tǒng)已經(jīng)足夠，因此這里選用了Intel的28F320J3芯片，單片提供16位數(shù)據(jù)寬度、4 MB的存儲空間，將88E6218的M_CS2分配用于StrataFlash存儲器的片選，直接與28F320J3的CE0相連；88E6218輸出使能端OE接28F320J3的OE;寫使能端WE接28F320J3的WE；將28F320J3模式選擇引腳BYTE上拉，A0懸空，使28F320J3工作在16位數(shù)據(jù)模式；28F320J3地址總線A[1:21]與88E6218的地址總線M_A[O:20]相連；16位數(shù)據(jù)總線D[0:15]與88E6218的低16位數(shù)據(jù)總線M_D[0:15]相連。具體電路連接如圖4所示。由于考慮到88E6218的帶負載能力，所以把地址、數(shù)據(jù)總線與部分控制信號線通過一級驅(qū)動后再與目標Flash存儲器相連。
(2)SDRAM接口電路
與Flash存儲器相比較，SDRAM(Synchronous Dynamic Random ACCeSS Memory，同步動態(tài)隨機存儲器)雖然不具有掉電保持數(shù)據(jù)的特性，但其存取速度大大高于Flash存儲器，在系統(tǒng)中主要用作程序的運行空間。本系統(tǒng)中，考慮到88E6218的內(nèi)部存儲控制器支持單片SDRAM的最大容量為128 MB，所以選用了現(xiàn)代的HY57V281620，它的存儲容量為4組×2M×16位(16MB)，工作電壓為單3.3 V±O.3 V，16位數(shù)據(jù)寬度。根據(jù)系統(tǒng)需求，可構(gòu)建16位或32位的SDRAM存儲器系統(tǒng)，但為充分發(fā)揮32位CPU的數(shù)據(jù)處理能力，大多數(shù)系統(tǒng)采用32位的SDRAM存儲器系統(tǒng)。本系統(tǒng)選用兩片HY57V281620并聯(lián)構(gòu)建32位的SDRAM存儲器系統(tǒng)，共32 MB的SDRAM空間，可滿足嵌入式操作系統(tǒng)及各種相對較復(fù)雜的功能運行要求。圖5為兩片HY57V281620并聯(lián)構(gòu)建32位SDRAM存儲器系統(tǒng)的框圖，其中一片為高16位，另一片為低16位，將88E6218的M_CS0分配用于 SDRAM 存儲器的片選， 直接與 2 片HY57V281620HCT的CS相連；M_CS1保留，可根據(jù)需要利用它將SDRAM存儲器容量擴展到64M存儲空間。2片HY57V281620的芯片時鐘輸入端CLK接88E6218的
M_CLK_OUT端；2片HY57V281620的時鐘使能CKE端直接上拉；2片HY57V281620的行地址鎖存RAS、列地址鎖存CAS、寫使能端WE分別接88E6218的RAS端、CAS端、WE端，2片HY57V281620的地址總線A[0:11]接88E6218的地址總線M_A[0:11]；2片HY57V281620的組地址選擇BAO、BA1，接88E6218的地址總線M_Al3、M_A14；高16位HY57V281620芯片的數(shù)據(jù)總線D[0:15]接88E6218數(shù)據(jù)總線的高16位M_D[16:31]，數(shù)據(jù)I／O屏蔽引腳UDQM、LDQM分別接88E6218的DQM3、DQM2;低16位HY57V281620芯片的D[0:15]接88E6218數(shù)據(jù)總線的低16位M_D[O:l5]，數(shù)據(jù)I／O屏蔽引腳UDQM、LDQM分別接88E6218的DQM1、DQM0。具體電路連接如圖5所示。
(3)網(wǎng)絡(luò)接口電路
以太網(wǎng)接口可分為協(xié)議層和物理層．協(xié)議層是由一個叫MAC的單一模塊實現(xiàn)的。物理層由兩部分組成，即PHY和傳輸器。常見的是把MAC和PHY集成在一個設(shè)備中。 目前常見的以太網(wǎng)接口芯片，如RTL8019、CS8900、DM9008等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也主要包含這兩部件，由于88E6218內(nèi)部集成了5個MAC+PHY接口(Port0~t4)，所以不需另選以太網(wǎng)接口芯片而直接通過選擇合 適的網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器加上RJ45連接器就可在半雙工或劍雙工模式下提供5個10/100Mbps的以太網(wǎng)接入通路。其中Porrt0口還支持100BASE-FX，可通過選擇合適的光收發(fā)模塊芯片提供光口接入通道。本平臺選用了PPP的PM4G-100GH器件。它是一個100M四口變壓器芯片，可用于Portl~Port4口的網(wǎng)絡(luò)連接；還選用了一個單口的100M變壓器芯片SF45-1096F，用于PortO口的網(wǎng)絡(luò)連接。其中Portl~Port4網(wǎng)口配置為SWITCH(交換墻口)模式，PortO網(wǎng)口配置為NIC(標準網(wǎng)絡(luò)接口卡)模式。此外平臺利用88E6218的Port6口提供一個高速的MII接口。該接口可配置為單獨的MII MAC模式或MIIPHY模式，能夠直接與外部具有MII接口的PHY模塊或MAC模塊互連，具體電路連接如圖6所示。
2.3 平臺PCB設(shè)計
系統(tǒng)中，88E6218的片內(nèi)工作頻率可達150 MHz，其以太網(wǎng)接口電路的工作速率更高達100 MHz以上，因此，在PCB設(shè)計過程中，應(yīng)該遵循高頻電路設(shè)計的基本原則。首先應(yīng)注意電源的質(zhì)量與分配，其次要注意信號線的分布。
(1)電源質(zhì)量與分配
在設(shè)計PCB板時，給各個單元電路提供高質(zhì)量的電源，會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性大幅度提高。一般應(yīng)在電源進入印制電路板的位置和靠近各器件的電源引腳處加上幾十到幾百μF的電容，以濾除電源噪聲。還要注意在器件的電源和地之間加上0.1μF左右的電容，用來濾除元器件工作時產(chǎn)生的高頻噪聲。由于系統(tǒng)存在多種不同電源，考慮到雙面PCB板電源供給采用電源總線的方式，受到電路板面積的限制，一般存在較大的直流電阻。所以為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通常采用多層板，并且專門拿出一層作為電源層而不在其上布信號線。由于電源層遍及電路板的全面積，因此直流電阻非常小，可以有效地降低噪聲。
(2)同類型信號線的分布
在設(shè)計PCB時，對于處理器的輸入輸出信號中的數(shù)據(jù)線、地址線等相同類型的線應(yīng)該成組、平行分布，并保持它們之間的長短差異不要太大。采用這種方式布線，既可以減少干擾，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還可以簡化布線，使PCB板的外形美觀。對一些高頻的并且走線距離相對較長的信號線應(yīng)考慮添加適當(dāng)?shù)亩私与娮?，以減少反射干擾。
3 平臺的開發(fā)現(xiàn)狀及應(yīng)用前景
現(xiàn)在平臺已經(jīng)搭建完畢，硬件調(diào)試獲得成功，并且在平臺上順利完成了ARMBO0T軟件的移植工作。該平臺具有低成本、高性能、通用性好等特點，可以直接用宋進行SOHO路由器和網(wǎng)關(guān)等多種網(wǎng)絡(luò)功能的研究和開發(fā)。還可通過在總線上擴展專用ASIC芯片，將平臺用于高端網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品開發(fā)。目前正在將平臺用于SOHO VPN網(wǎng)關(guān)的低端產(chǎn)品開發(fā)。
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