EPON系統(tǒng)中ONU的設(shè)計(jì)

千兆以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）是一種點(diǎn)到多點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光接入網(wǎng)技術(shù)、采用無(wú)源光器件連接局端和遠(yuǎn)端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的透明傳輸，并能在同一架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、視頻等綜合業(yè)務(wù)的接入。EPON作為新興接入網(wǎng)技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)在于低成本、易維護(hù)和擴(kuò)展性好。EPON系統(tǒng)由OLT與ONU構(gòu)成。

ONU硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由嵌入式控制模塊和網(wǎng)絡(luò)交換模塊兩部分構(gòu)成。嵌入式控制模塊是ONU的控制和管理核心，它為嵌入式Linux操作系統(tǒng)的運(yùn)行提供硬件平臺(tái)，通過(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)交換模塊的控制與配置，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換模塊的正常運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)交換模塊提供以太幀的交換與轉(zhuǎn)發(fā)功能，嵌入式控制模塊通過(guò)PCI總線與網(wǎng)絡(luò)交換模塊進(jìn)行通信，訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)交換模塊內(nèi)部各芯片的寄存器，對(duì)各芯片進(jìn)行配置并獲取各個(gè)芯片的狀態(tài)信息。網(wǎng)絡(luò)交換模塊內(nèi)部的交換芯片BCM5615將嵌入式控制模塊對(duì)它的訪問(wèn)，轉(zhuǎn)換為自己對(duì)網(wǎng)絡(luò)交換模塊內(nèi)部各芯片的訪問(wèn)，這樣就實(shí)現(xiàn)了嵌入式控制模塊對(duì)網(wǎng)絡(luò)交換模塊內(nèi)部各芯片的管理。

嵌入式控制模塊接口設(shè)計(jì)

嵌入式處理器MPC8245簡(jiǎn)介

MPC8245由一個(gè)外設(shè)邏輯塊和一個(gè)32位超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)PowerPC處理器內(nèi)核構(gòu)成。在外設(shè)邏輯塊中集成了一個(gè)PCI橋、DUART、內(nèi)存控制器、DMA控制器、EPIC中斷控制器、一個(gè)消息單元和一個(gè)I2C控制器。處理器內(nèi)核支持浮點(diǎn)運(yùn)算和內(nèi)存管理，具有16KB指令高速緩存（cache），16KB數(shù)據(jù)cache和電源管理特性，MPC8245內(nèi)含一個(gè)外設(shè)邏輯總線，用于連接處理器內(nèi)核和外設(shè)邏輯塊。處理器內(nèi)核可在多種不同的頻率下工作。MPC8245既可以用作PCI host，也可用作PCI代理控制器。支持多達(dá)2GB的SDRAM；支持1－8組的4MB、16MB、64MB，128MB，或256MB存儲(chǔ)器。

時(shí)鐘電路

MTC8245輸入時(shí)鐘由33MHz的晶振通過(guò)零延時(shí)緩沖器產(chǎn)生四路時(shí)鐘信號(hào)，一路作為MPC8245的PCI總線時(shí)鐘和內(nèi)核的輸入時(shí)鐘，系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)OSC_IN未用，需要接地。MPC8245的引腳PLL_CFG[0：4]用于配置倍頻因子，經(jīng)過(guò)內(nèi)部倍頻器，產(chǎn)生SDRAM時(shí)鐘和166MHz的CPU內(nèi)核時(shí)鐘。一路作為BTL8139的PCI總線時(shí)鐘，一路作為BCM5615的PCI總線時(shí)鐘。

PCI總線接口

PCI總線工作在33MHz，設(shè)計(jì)中保證PCI時(shí)鐘的時(shí)鐘相位偏移小于2ns，否則，系統(tǒng)可能無(wú)法正常工作。MPC8245作為PCI主處理器，RTL8139和BCM5615的REQ＃、GNT＃分別連到MPC8245的REQ[0：1]＃、GNT[0：1]＃，由MPC8245來(lái)實(shí)現(xiàn)總線的仲裁。利用地址線AD31、AD30來(lái)決定RTL8139、BCM5615的IDSEL，實(shí)現(xiàn)PCI總線配置訪問(wèn)時(shí)對(duì)RTL8139、BCM5615的片選。這種方法會(huì)使AD31，AD30線上增加一個(gè)負(fù)載，因此將它們的IDSEL通過(guò)1KΩ電阻耦合到AD31、AD30上來(lái)解決負(fù)載加重的問(wèn)題。PCI總線的控制信號(hào)都要求有上拉電阻，保證它們?cè)跊](méi)有驅(qū)動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)總線的情況下仍然具有穩(wěn)定的值。因而FRAME＃、TRDY＃、IRDY＃、DEVSEL＃、STOP＃、SERR＃和PERR＃這些信號(hào)使用10KΩ電阻上拉。

Flash

在MPC8245中，ROM/Flash被分為2個(gè)BANK，BANK0的地址為0xFF800000－0xFFFFFFFF，片選為/RCS0，RCS0接存儲(chǔ)代碼的存儲(chǔ)器片選；BANK1的地址為0xFF000000－0xFF7FFFFF，片選為/RCS1。ROM/Flash/SRAM工作在不同的數(shù)據(jù)寬度（8位，16位，32位，64位）地址總線下，復(fù)位時(shí)，MPC8245的引腳MDL0、FOE決定啟動(dòng)數(shù)據(jù)位寬度；復(fù)位后，硬件復(fù)位配置字決定數(shù)據(jù)的寬度。

本設(shè)計(jì)中選擇512KB的Flash作為Bootloader代碼存儲(chǔ)器，系統(tǒng)工作在8位模式。對(duì)應(yīng)的地址為0xFF800000－0xFF87FFFF。選用兩片AM29LV320B分別作為Bootloader/Linux內(nèi)核和文件存儲(chǔ)器，AM29LV320B是32Mb、單3.3V電源供電的閃存，編程和擦寫電壓由內(nèi)部產(chǎn)生，與JEDEC單電源閃存標(biāo)準(zhǔn)兼容；可組成4M×8Bit或2M×16Bit的存儲(chǔ)器?？捎脴?biāo)準(zhǔn)EPROM編程器進(jìn)行編程；存取時(shí)間最短為70ns；獨(dú)立的片選（CE＃）、寫使能（WE＃）和輸出使能（OE＃）控制，可減小對(duì)總線的壓力。片選RCS1、RCS2分別選擇兩片F(xiàn)lash，RCS1選中的Flash對(duì)應(yīng)的地址為0xFF000000－0xFF3FFFFF，RCS2選中的Flash地址由編程決定。

跳線J1用來(lái)將RCS0接到Flash1，RCS1接到Flash0，這樣在Bootloader代碼運(yùn)行后，將Bootloader代碼、Linux內(nèi)核代碼都燒到Flash1，節(jié)約一片512KB的Flash，同時(shí)留下RCS2、RCS3片選信號(hào)，留作以后擴(kuò)展Flash用。

SDRAM

32MB的SDRAM由兩片HY57V283220T組成。MPC8245的SDRAM接口使用一個(gè)片選信號(hào)CS1，同時(shí)作為兩片HY57V283220T的片選，構(gòu)成64位數(shù)據(jù)的SDRAM。HY57V283220T是4 Bank×1M×32Bit的CMOS SDRAM，單3.3±0.3V電源供電，所有引腳與LVTTL接口兼容，所有輸入和輸出都以系統(tǒng)時(shí)鐘的上升沿為參考。

CONSOLE和EMS接口電路

串行通信通過(guò)MAX232芯片實(shí)現(xiàn)，工作在3.3V工作電壓，它的體積比較小，工作穩(wěn)定。通過(guò)串口可實(shí)現(xiàn)對(duì)ONU的網(wǎng)絡(luò)管理。使用常用的PHY芯片RTL8139擴(kuò)展一個(gè)10Mbps網(wǎng)口，使得在Bootloader代碼引導(dǎo)系統(tǒng)后，通過(guò)該網(wǎng)口下載Linux內(nèi)核代碼，系統(tǒng)運(yùn)行后通過(guò)該網(wǎng)口對(duì)ONU進(jìn)行WEB管理。

交換模塊接口設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)交換模塊由1個(gè)BCM5615交換芯片，3個(gè)BCM5228B PHY芯片，1個(gè)BCM5221PHY芯片、1個(gè)HDMP－1636A千兆SERDES和SDRAM芯片組成。該模塊提供1個(gè)千兆光口（1000BASE－ LX），25個(gè)百兆光口（100BASE－FX），是實(shí)現(xiàn)ONU功能的核心部分。一個(gè)千兆口作為PON的接受端口，接收OLT廣播發(fā)送的數(shù)據(jù)包；另一個(gè)千兆口連接成百兆口，作為PON的發(fā)送端口，向OLT發(fā)送數(shù)據(jù)，該端口發(fā)射的是特殊波長(zhǎng)的光，通過(guò)特殊的交換機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)ONU與OLT的連接。

BCM5615芯片簡(jiǎn)介

BCM5615是集成多層交換芯片，是以太網(wǎng)交換模塊的核心。它具有24個(gè)10/100Mbps和2個(gè)10/100/1000Mps以太網(wǎng)口，具有2層和3層交換和2－7層過(guò)濾功能；可實(shí)現(xiàn)全線速交換，交換速率達(dá)670萬(wàn)包/秒；支持IEEE 802.1Q.D；具有256KB的內(nèi)部數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)器，可以用SDRAM擴(kuò)展64MB外部數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)器。

本設(shè)計(jì)選用3片BCM228B來(lái)提供24個(gè)PHY端口。BCM5228B是物理層器件，單片內(nèi)包含8個(gè)獨(dú)立的PHY（端口）。BCM5615通過(guò)串行MII管理接口管理3個(gè)BCM5228B芯片的24個(gè)PHY端口，系統(tǒng)對(duì)BCM5228B的訪問(wèn)就是通過(guò)轉(zhuǎn)化為BCM5615的串行MII管理接口上的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。BCM5228B每個(gè)PHY端口的管理地址由PHYADD[4：：0]引腳設(shè)置，若BCM5228B的PHYADD[4：：0]為PHYAD，則每片8個(gè)端口對(duì)應(yīng)的管理地址分別為ADDR＝PHYAD＋PORTX，PORTX為每個(gè)PHY端口的編號(hào)。

時(shí)鐘電路

BCM5615的芯核時(shí)鐘由133MHz的晶振產(chǎn)生，設(shè)計(jì)PCB時(shí)，應(yīng)盡量靠近BCM5615的時(shí)鐘輸入引腳，BCM5615的GMII時(shí)鐘與MII時(shí)鐘均為125MHz，由125MHz的晶振通過(guò)74LCX245緩沖后產(chǎn)生四路125MHz的時(shí)鐘源，輸入到BCM5615的GMII_CLKIN引腳和3片BCM5228的REF_CLK引腳。注意連接到BCM5228B的時(shí)鐘線應(yīng)該等長(zhǎng)，不管千兆口是否使用，GMII_CLKIN的時(shí)鐘都必須提供。

系統(tǒng)復(fù)位電路

系統(tǒng)復(fù)位電路采用IMP811復(fù)位芯片，通過(guò)74LCX245緩沖后產(chǎn)生多路復(fù)位信號(hào)，分別接到各個(gè)芯片的復(fù)位引腳。為了可靠復(fù)位，要求復(fù)位信號(hào)的上升沿不能有振蕩現(xiàn)象發(fā)生。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文選擇Linux作為操作系統(tǒng)，使用Broadcom公司提供的軟件開發(fā)包SDK開發(fā)BCM5615的驅(qū)動(dòng)程序。PPCBOOT是獨(dú)立于其他軟件的，它只負(fù)責(zé)初始化并配置有關(guān)硬件，然后調(diào)用Linux內(nèi)核映像引導(dǎo)操作系統(tǒng)運(yùn)行，其他軟件分為用戶空間程序和內(nèi)核空間程序兩大部分。在內(nèi)核空間運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)、BCM5615驅(qū)動(dòng)程序、RTL8139網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)STP的STP內(nèi)核模塊、為方便整個(gè)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)而采用的虛擬設(shè)備VND和VCD。它們之間的接口關(guān)系是：Linux提供內(nèi)核API給BCM5615驅(qū)動(dòng)和其他Linux可動(dòng)態(tài)加載內(nèi)核模塊，如STP、VND、VCD、RTL8139網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)等。

ASIC驅(qū)動(dòng)

ASIC驅(qū)動(dòng)主要是完成對(duì)BCM5615的初始化和配置工作，并為上層服務(wù)提供接口。其中SAL層的目的就是把操作系統(tǒng)所提供的各種服務(wù)映射為驅(qū)動(dòng)程序本身的API。第二層即中間層，也可說(shuō)是整個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的核心層，它建立在SAL之上，其設(shè)計(jì)目標(biāo)主要是提供底層寄存器和存儲(chǔ)器的訪問(wèn)，PCI總線操作，DMA操作以及中斷處理函數(shù)等，驅(qū)動(dòng)程序的頂層是API層，它建立在DRV層之上，是對(duì)DRV有關(guān)部分的封裝，從而為上層的其他軟件模塊提供各種服務(wù)，其他模塊通過(guò)調(diào)用這一層的函數(shù)來(lái)訪問(wèn)和控制ASIC。ASIC驅(qū)動(dòng)提供的API對(duì)用戶進(jìn)程來(lái)說(shuō)是無(wú)法直接調(diào)用的，因此本文設(shè)計(jì)了一個(gè)虛擬的字符設(shè)備（TTY），并編寫其驅(qū)動(dòng)程序、同時(shí)在/dev目錄下用mknod命令建立相對(duì)應(yīng)的字符設(shè)備文件。

對(duì)操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，BCM5615的26個(gè)端口對(duì)應(yīng)于一個(gè)物理PCI設(shè)備，即ASIC，它們共享一個(gè)PCI通道和地址空間，這給那些與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備緊密相關(guān)的軟件帶來(lái)不少麻煩，因而可以把26個(gè)端口設(shè)計(jì)成26個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（VND）并編寫其驅(qū)動(dòng)程序。因此，SNMPD和生成樹協(xié)議軟件所看到的是26個(gè)虛擬網(wǎng)卡，和普通的網(wǎng)卡并無(wú)區(qū)別。

結(jié)語(yǔ)

本文采用波分多址（WDMA）實(shí)現(xiàn)的EPON系統(tǒng)，與同類產(chǎn)品相比較，有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、性能好、易于升級(jí)、系統(tǒng)造價(jià)低的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在寬帶接入網(wǎng)中獲得重要應(yīng)用。