基于88E6218的SOHO網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺設(shè)計

摘 要  介紹美國Marvell公司生產(chǎn)的SOHO級網(wǎng)絡(luò)通信微處理器芯片88E6218的主要性能特點，并采用88E6218芯片設(shè)計SOHO網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺。該平臺具有高性能、低成本等優(yōu)點，可方便用于SOHO網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)品的快速開發(fā)，具有較好的應(yīng)用前景。著重分析平臺的建立過程以及平臺存儲器和網(wǎng)絡(luò)端口的電路設(shè)計方法。
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(jī)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(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(jī)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(jī)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(qiáng)，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(jìn)行調(diào)試、編程等。
    ⑩系統(tǒng)總線擴(kuò)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(kuò)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(fù)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(biāo)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(jī)存儲器)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(kuò)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(biāo)準(zhǔn)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(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(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)亩私与娮瑁詼p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(jìn)行SOHO路由器和網(wǎng)關(guān)等多種網(wǎng)絡(luò)功能的研究和開發(fā)。還可通過在總線上擴(kuò)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)。