基于88E6218的SOHO網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)

隨著互連網(wǎng)的發(fā)展，pc用戶(hù)大量增加，辦公soho(small office，home office)化逐漸成為可能?，F(xiàn)在市場(chǎng)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(guó)marvell公司生產(chǎn)的88e6218芯片是其中的一種?；谶@個(gè)芯片，可以搭建一個(gè)低成本、高性能的soh0網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。通過(guò)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(jī)等等。本文介紹88e6218芯片的主要特點(diǎn)，給出基于88e6218的scho網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)方法。

1 88e6218芯片結(jié)構(gòu)及主要特點(diǎn)

圖l為芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)框圖。

88e6218是美國(guó)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?xún)r(jià)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(diǎn)：

◆芯片內(nèi)嵌arm9e的cpu核，采用32位risc體系，帶有dsp指令擴(kuò)展，最高工作頻率可達(dá)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(chǔ)控制器，支持與其他具有存儲(chǔ)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(mén)狗定時(shí)器、uart串行接口、jtag調(diào)試口以及4個(gè)外部片選引腳bootcs、m_cso、m_cs1、m_cs2。

◆芯片帶有5個(gè)支持ieee802.3的mac(media acccss layer，媒體訪問(wèn)層)+phy(physical layer，物理層)接口(port0~port4)；1個(gè)多功能網(wǎng)絡(luò)接口(port6)。該接口可配置為rmii(簡(jiǎn)化媒體獨(dú)立接口)、mii(媒體獨(dú)立接口)或sni(業(yè)務(wù)接點(diǎn)接口)模式(支持200 mbps全雙工，可直接與交換機(jī)或無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)互連)；1個(gè)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(jī)制的快速以太網(wǎng)交換功能，內(nèi)部采用擁有專(zhuān)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(gè)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(qiáng)，外設(shè)接口豐富，可以提供一個(gè)單芯片的s0ho路由器／安全網(wǎng)關(guān)解決方案。

2 安全平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)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(kāi)發(fā)平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)框圖。

①電源電路。輸入5 v。經(jīng)過(guò)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(shí)鐘和復(fù)位電路。25 mhz有源晶振經(jīng)過(guò)倍頻可為平臺(tái)提供多種不同的時(shí)鐘頻率；采用專(zhuān)門(mén)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(hào)。

③微處理器，即88e6218，是整個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的工作和控制中心。

④boot flash存儲(chǔ)器，用于存放系統(tǒng)的啟動(dòng)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(chǔ)器，用于存放嵌入式操作系統(tǒng)和各種用戶(hù)應(yīng)用程序。

⑥sdram存儲(chǔ)器，是平臺(tái)為操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序提供的運(yùn)行空間，也是程序運(yùn)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(gè)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(gè)wan接口，可配置為電口或光口，本平臺(tái)為電口；1個(gè)mii接口。

⑧rs232串口，可作為系統(tǒng)的console調(diào)試口或用于平臺(tái)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(guò)該接口可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、編程等。

⑩系統(tǒng)總線(xiàn)擴(kuò)展。引出數(shù)據(jù)總線(xiàn)、地址總線(xiàn)和必需的控制總線(xiàn)，便于用戶(hù)根據(jù)自身的特定需求，擴(kuò)展外圍電路。

2.2 平臺(tái)主要硬件單元電路設(shè)計(jì)

因力88e6218是一個(gè)面向soho應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)微處理器，而且本文設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)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(chǔ)器和網(wǎng)絡(luò)接口電路的工作原理和設(shè)計(jì)方法。

(1)flash存儲(chǔ)器接口電路

flash存儲(chǔ)器具有低功耗、大容量、可整片或分扇區(qū)快速燒寫(xiě)、擦除，掉電后信息不丟失等特點(diǎn)，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(chǔ)器包括兩部分：一部分是用于存放系統(tǒng)啟動(dòng)程序的boot flash，其功能包括對(duì)平臺(tái)硬件的初始化和操作系統(tǒng)的引導(dǎo)等．考慮到啟動(dòng)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(chǔ)空間。88e6218提供4個(gè)片選引腳，其中bootcs專(zhuān)門(mén)用于boot flash存儲(chǔ)器的片選，直接與sst39sf040的ce相連；sst39sf040地址總線(xiàn)a[0:18]與88e6218的地址總線(xiàn)m_a[0:18]相連;8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)d[0:7]與88e6218的低8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)m_d[0:7]相連。另一部分是strataflash存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)空間，將88e6218的m_cs2分配用于strataflash存儲(chǔ)器的片選，直接與28f320j3的ce0相連；88e6218輸出使能端oe接28f320j3的oe;寫(xiě)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(xiàn)a[1:21]與88e6218的地址總線(xiàn)m_a[o:20]相連；16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)d[0:15]與88e6218的低16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)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(fù)載能力，所以把地址、數(shù)據(jù)總線(xiàn)與部分控制信號(hào)線(xiàn)通過(guò)一級(jí)驅(qū)動(dòng)后再與目標(biāo)flash存儲(chǔ)器相連。

(2)sdram接口電路

與flash存儲(chǔ)器相比較，sdram(synchronous dynamic random access memory，同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器)雖然不具有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的特性，但其存取速度大大高于flash存儲(chǔ)器，在系統(tǒng)中主要用作程序的運(yùn)行空間。本系統(tǒng)中，考慮到88e6218的內(nèi)部存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器系統(tǒng)，共32 mb的sdram空間，可滿(mǎn)足嵌入式操作系統(tǒng)及各種相對(duì)較復(fù)雜的功能運(yùn)行要求。圖5為兩片hy57v281620并聯(lián)構(gòu)建32位sdram存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器容量擴(kuò)展到64m存儲(chǔ)空間。2片hy57v281620的芯片時(shí)鐘輸入端clk接88e6218的m_clk_out端；2片hy57v281620的時(shí)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(xiě)使能端we分別接88e6218的ras端、cas端、we端，2片hy57v281620的地址總線(xiàn)a[0:11]接88e6218的地址總線(xiàn)m_a[0:11]；2片hy57v281620的組地址選擇bao、ba1，接88e6218的地址總線(xiàn)m_al3、m_a14；高16位hy57v281620芯片的數(shù)據(jù)總線(xiàn)d[0:15]接88e6218數(shù)據(jù)總線(xiàn)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(xiàn)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(gè)叫mac的單一模塊實(shí)現(xiàn)的。物理層由兩部分組成，即phy和傳輸器。常見(jiàn)的是把mac和phy集成在一個(gè)設(shè)備中。 目前常見(jiàn)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(gè)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(guò)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(gè)10/100mbps的以太網(wǎng)接入通路。其中porrt0口還支持100base-fx，可通過(guò)選擇合適的光收發(fā)模塊芯片提供光口接入通道。本平臺(tái)選用了ppp的pm4g-100gh器件。它是一個(gè)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口卡)模式。此外平臺(tái)利用88e6218的port6口提供一個(gè)高速的mii接口。該接口可配置為單獨(dú)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(tái)pcb設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中，88e6218的片內(nèi)工作頻率可達(dá)150 mhz，其以太網(wǎng)接口電路的工作速率更高達(dá)100 mhz以上，因此，在pcb設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該遵循高頻電路設(shè)計(jì)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(hào)線(xiàn)的分布。

(1)電源質(zhì)量與分配

在設(shè)計(jì)pcb板時(shí)，給各個(gè)單元電路提供高質(zhì)量的電源，會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性大幅度提高。一般應(yīng)在電源進(jìn)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(lái)濾除元器件工作時(shí)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(xiàn)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(zhuān)門(mén)拿出一層作為電源層而不在其上布信號(hào)線(xiàn)。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(lèi)型信號(hào)線(xiàn)的分布

在設(shè)計(jì)pcb時(shí)，對(duì)于處理器的輸入輸出信號(hào)中的數(shù)據(jù)線(xiàn)、地址線(xiàn)等相同類(lèi)型的線(xiàn)應(yīng)該成組、平行分布，并保持它們之間的長(zhǎng)短差異不要太大。采用這種方式布線(xiàn)，既可以減少干擾，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還可以簡(jiǎn)化布線(xiàn)，使pcb板的外形美觀。對(duì)一些高頻的并且走線(xiàn)距離相對(duì)較長(zhǎng)的信號(hào)線(xiàn)應(yīng)考慮添加適當(dāng)?shù)亩私与娮瑁詼p少反射干擾。

3 平臺(tái)的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

現(xiàn)在平臺(tái)已經(jīng)搭建完畢，硬件調(diào)試獲得成功，并且在平臺(tái)上順利完成了armbo0t軟件的移植工作。該平臺(tái)具有低成本、高性能、通用性好等特點(diǎn)，可以直接用宋進(jìn)行soho路由器和網(wǎng)關(guān)等多種網(wǎng)絡(luò)功能的研究和開(kāi)發(fā)。還可通過(guò)在總線(xiàn)上擴(kuò)展專(zhuān)用asic芯片，將平臺(tái)用于高端網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。目前正在將平臺(tái)用于soho vpn網(wǎng)關(guān)的低端產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。