一種基于VPN網(wǎng)關(guān)的電原理設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1．引言
PowerPC MPC8xx（Power QUICC[1]，Quad Integrated Communications Controller）是一款集成了微處理器和外圍器件控制器的通信處理器，可以用于多種通信設(shè)備中。PowerPC有優(yōu)異的通信和網(wǎng)絡(luò)性能，同基于x86 CPU的工控機(jī)平臺(tái)相比，PowerPC更適合用于專門的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以提高產(chǎn)品的性價(jià)比和可靠性，使產(chǎn)品具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。
在PowerPC MPC8xx系列中，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇性價(jià)比較高的MPC855T作為VPN安全網(wǎng)關(guān)的控制器。MPC855T由三個(gè)模塊組成，每一個(gè)模塊使用32-bit的內(nèi)部總線：PowerPC核、系統(tǒng)接口單元（SIU）和通信處理模塊（CPM）。
2．VPN網(wǎng)關(guān)電原理設(shè)計(jì)
2.1 總體結(jié)構(gòu)

硬件由主板、加密算法板、LCD顯示板、燈板、電源、風(fēng)扇、機(jī)殼組成。其中主板和加密算法板的設(shè)計(jì)，占整個(gè)硬件設(shè)計(jì)任務(wù)量的90％以上，本論文只針對(duì)這兩個(gè)板的設(shè)計(jì)。
主板由CPU部分、存儲(chǔ)器部分、通信接口部分、加密算法及隨機(jī)序列產(chǎn)生模塊部分、調(diào)試及配置接口部分、電源等部分組成。主板的電原理框圖由圖1所示。
2.2 復(fù)位電路
復(fù)位控制器對(duì)出現(xiàn)的復(fù)位源作出響應(yīng)。所采取的動(dòng)作決定于復(fù)位源，但通常它執(zhí)行異常處理向量表中0x100位置的程序并初始化基于MODCK[1-2]和總線管腳0到14的特殊參數(shù)。
MPC855T有幾個(gè)復(fù)位源連接到復(fù)位邏輯，其中3個(gè)復(fù)位源為管腳。即上電復(fù)位（Power-On Reset），硬復(fù)位（Hard Reset），軟復(fù)位（Soft Reset）。上電時(shí)產(chǎn)生硬和軟復(fù)位管腳設(shè)置，這時(shí)硬和軟復(fù)位管腳為輸出。但是，當(dāng)系統(tǒng)已上電并運(yùn)行時(shí)，可以配置按鈕或相似設(shè)備以產(chǎn)生外部軟或硬復(fù)位，在這種模式，管腳為輸入。圖2為上電復(fù)位和硬復(fù)位順序圖。

由圖2可知，當(dāng)上電（Power-On）設(shè)置時(shí)，MPC855T進(jìn)入上電復(fù)位狀態(tài)。在該狀態(tài)下設(shè)置硬復(fù)位和軟復(fù)位。隨后，855T采樣MODCK管腳，并初始化系統(tǒng)時(shí)鐘。設(shè)備保持在上電復(fù)位狀態(tài)直到上電復(fù)位翻轉(zhuǎn)，鎖相環(huán)（PLL）鎖定。最后，芯片進(jìn)入內(nèi)部初始化的硬復(fù)位狀態(tài)。
2.3 時(shí)鐘電路
MPC855T時(shí)鐘模塊包含主晶體振蕩器（OCSM）、系統(tǒng)鎖相環(huán)（SPLL）、低功耗除法器和時(shí)鐘產(chǎn)生/驅(qū)動(dòng)模塊，在復(fù)位時(shí)，MPC855T讀MODCK[1-2]管腳。

在XTAL和EXTAL端，外接32.768kHz的晶體時(shí)鐘電路作為CPU的實(shí)時(shí)時(shí)鐘源。在斷電的瞬間，要求PORESET保持高電平，否則會(huì)引起CPU進(jìn)入不定狀態(tài)，其內(nèi)部的實(shí)時(shí)時(shí)鐘不能正常工作。通過實(shí)驗(yàn)，在復(fù)位芯片MAX811_EUS-T的電源端接一47µF的電解電容，以使在斷電瞬間，保持PORESET為高電平。經(jīng)反復(fù)測(cè)試，工作可靠。在XFC管腳上，應(yīng)連接一片外電容器，用于片內(nèi)系統(tǒng)鎖相環(huán)（SPLL）濾波器。電容器的一端連到XFC。電容器的值與PLPRCR[MF]有關(guān)，其取值由表1決定。在本設(shè)計(jì)中，MF＋1＝8。由表1可知，XFC的電容值為6640－11760pF，故使用0.01µF的電容器。
2.4 串行管理控制器（SMC）接口電路
SMC有2個(gè)全雙工通道，可以編程配置它們獨(dú)立支持UART,透明方式和GCI。SMC使用緩存描述字符，緩存在存儲(chǔ)器中，SMC向CPM RISC提供請(qǐng)求，使SDMA傳送數(shù)據(jù)。每個(gè)SMC有3個(gè)管腳，一個(gè)發(fā)送管腳，一個(gè)接收管腳步和一個(gè)同步管腳，同步管腳在發(fā)送和接收開始后，只用于透明方式。圖3說明了端口B中這些管腳的位置。有的管腳可以共用，必須根據(jù)需要配置這個(gè)端口，它可以通過端口配置寄存器實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將SMC1和SMC2配置成UART，外接232電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232，其中SMC1用于控制臺(tái)（Console）接口，由DB9座（針或孔可選）引出；SMC2分時(shí)用于前面板LCD顯示控制和與IC卡讀寫器（可選）的通信，通過模擬開關(guān)74HCT4053進(jìn)行切換,其控制由口線PB[30]完成。

2.5 串行通信控制器（SCC）接口電路
串行通信控制是MPC855T中最強(qiáng)大的通信設(shè)備，它可以以多種不同的協(xié)議傳送數(shù)據(jù)，比如UART HDLC，以太網(wǎng)等等。圖4說明在不考慮使用什么協(xié)議下的數(shù)據(jù)通信工作流程。
在接收數(shù)據(jù)的FIFO中，當(dāng)接收FIFO開始充滿時(shí)，CPM向SCC發(fā)請(qǐng)求。然后請(qǐng)求CPM RISC寫SDMA，以將接收的FIFO數(shù)據(jù)移到當(dāng)前接收緩存，接收緩存通常在外部存儲(chǔ)器。有一個(gè)為發(fā)送數(shù)據(jù)的發(fā)送FIFO，當(dāng)發(fā)送FIFO空時(shí)，SCC向請(qǐng)求優(yōu)先器發(fā)一個(gè)請(qǐng)求，CPM RISC響應(yīng)這個(gè)請(qǐng)求后，寫SDMA，將從當(dāng)前激活的發(fā)送緩存來的操作碼移入發(fā)送FIFO。發(fā)送緩存描述符與接收緩存描述符功能相同，在雙端口RAM中有一組發(fā)送緩存描述符，開始的描述符逐個(gè)激活，指針從一個(gè)描述符移向另一個(gè)描述符。緩存描述符總是在雙端口RAM中，由用戶初始化。圖5為SCC管腳，SCC連接5個(gè)管腳：發(fā)送、接收、載波檢測(cè)、清發(fā)送和請(qǐng)求發(fā)送。