基于MPC8560的吉比特以太網(wǎng)接口設(shè)計
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MPC8560簡介
MPC8560內(nèi)部集成了兩個處理模塊:一個高性能嵌入式PowerPC e500內(nèi)核和一個通信處理模塊(CPM)。此外,該芯片還提供了片內(nèi)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增加了兩個三速以太網(wǎng)控制器(Three-Speed Ethernet Controller,TSEC),實現(xiàn)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TSEC實現(xiàn)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)議在實際應(yīng)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(yīng)用中的接口作總結(jié)性的介紹。
吉比特以太網(wǎng)協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層與傳統(tǒng)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(yīng)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(yīng)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表示實現(xiàn)物理層協(xié)議的芯片;協(xié)調(diào)子層(Reconciliation sublayer)用于實現(xiàn)指令轉(zhuǎn)換;MII(介質(zhì)無關(guān)接口)/GMII(吉比特介質(zhì)無關(guān)接口)是物理層芯片與實現(xiàn)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則分別表示實現(xiàn)物理層協(xié)議的各子層。在實際應(yīng)用系統(tǒng)中,這些子層的操作細節(jié)將全部由PHY芯片實現(xiàn),只需對MII和MDI接口進行設(shè)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層芯片實現(xiàn),在降低PHY芯片復(fù)雜度的同時,控制線也比GMII接口少。RGMII和RTBI兩種接口使每根數(shù)據(jù)線上的傳輸速率加倍,數(shù)據(jù)線數(shù)目減半。
由此可見,使用TBI接口來實現(xiàn)吉比特以太網(wǎng)接口所用的控制線和數(shù)據(jù)線比GMII接口少,因此設(shè)計與使用相對容易。雖然TBI接口比RTBI接口的數(shù)據(jù)線多,但是每根數(shù)據(jù)線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接口實現(xiàn)起來最簡單,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。對于同時提供GMII和TBI兩種接口的芯片,推薦使用TBI接口設(shè)計方案。
MPC8560與PHY芯片的接口設(shè)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(guī)格的2.5V器件,無須任何外接電容,這可以節(jié)省電路板面積,減少零件的數(shù)目,從而降低產(chǎn)品的成本。此外,該芯片的功耗也相當?shù)汀?
圖2 MPC8560與TLK2201的接口設(shè)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(shù)據(jù)線。TD8對應(yīng)Tx_ER,作為發(fā)送出錯標志位;TD9對應(yīng)Tx_EN,作為發(fā)送使能位;RD8對應(yīng)Rx_DV,作為接收數(shù)據(jù)有效位;RD9對應(yīng)Rx_ER,作為接收差錯檢測位。
此外還應(yīng)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控制器的初始化過程如下。只要按照順序逐一完成相應(yīng)的步驟,即可正確配置TSEC的吉比特網(wǎng)絡(luò)接口。
設(shè)置MACCFG1寄存器,對MAC進行軟復(fù)位;
清除MACCFG1寄存器的軟復(fù)位;
設(shè)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);
初始化寄存器ECNTRL,設(shè)置接口為TBI標準;
設(shè)置MAC地址、物理地址;
設(shè)置MII口的速率,使用MDIO對PHY進行初始化;
清除并設(shè)置中斷相關(guān)的寄存器IEVENT和IMASK;
設(shè)置Hash表和Hash寄存器;
初始化接收控制寄存器RCTRL;
設(shè)置DMA控制寄存器DMATRL;
設(shè)置接收緩沖區(qū)大??;
設(shè)置收發(fā)緩沖描述符(Buffer Descriptor,BD);
設(shè)置MACCFG1中的收發(fā)使能位,完成TSEC初始化。
在初始化TSEC的過程中尤其要注意在設(shè)置寄存器后,控制器處于不穩(wěn)定狀態(tài),不能馬上執(zhí)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(yīng)的狀態(tài)寄存器以判斷是否可以繼續(xù)下一步,也可以使用某些操作系統(tǒng)提供的定時延遲來完成,如VxWorks中的taskDelay()。
測試及其結(jié)果
為了測試設(shè)計好的吉比特以太網(wǎng)接口的性能,將吉比特以太網(wǎng)接口與專門測試網(wǎng)絡(luò)接口性能的儀器SmartBits相連。一個最為簡單的測試方法是使用SmartBits發(fā)送數(shù)據(jù)包到MPC8560的吉比特以太網(wǎng)接口,MPC8560接到數(shù)據(jù)包后,將數(shù)據(jù)直接返還給SmartBits。SmartBits將會統(tǒng)計并顯示測試結(jié)果。
圖3 吉比特以太網(wǎng)接口測試結(jié)果
測試結(jié)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(shù)據(jù)包、突發(fā)大量數(shù)據(jù)流等進行測試,限于篇幅,不再討論具體的測試細節(jié)。
設(shè)計中的注意事項
由于數(shù)據(jù)線上的傳輸速率相對較高,硬件部分的設(shè)計需要注意以下幾點。
TBI接口每根數(shù)據(jù)線的傳輸速率是125Mb/s,為了保證采樣與信號的同步,接收信號線RD0~RD9的長度和接收時鐘線RxCLK必須等長。同理,發(fā)送信號線TD0~TD9的長度和發(fā)送時鐘線TxCLK也必須等長。
為了保證阻抗匹配,TBI接口所有信號線的阻抗必須控制在50Ω
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