Motorola32位嵌入式微處理器MPC860的開發(fā)應用

摘要：分析了Motorola MPC860嵌入式微處理性能和特片，描述了MPC860在ADM系統(tǒng)中的應用，突出了MPC860嵌入式微處理器的通信處理能力。

關鍵詞：STM MPC860嵌入式微處理器 ADM系統(tǒng)

1 MPC860

MPC860 PowerQUICC是當今比較流行、性能相當優(yōu)越的單片集成嵌入式微處理器。它內部集成了微處理器和一些控制領域的常用外圍組件，特別適用于互聯(lián)網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)通信。PowerQUICC可以稱為MC68360在網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)通信領域的新一代產(chǎn)品，各方面性能包括適應性、擴展能力和集成度等獲得了較大提高。 MPC860 PowerQUICC通信處理器可根據(jù)用戶不的要求提高2～4個串行通信控制器、不同規(guī)格的指令和數(shù)據(jù)緩存，各種級別的網(wǎng)絡協(xié)議支持。該產(chǎn)品專為寬帶接入設備如路由器、接入集線器、LAN/WAN交換機、PBX系統(tǒng)和STM網(wǎng)關等設計。

圖1是MPC860結構圖。它包括三個主要模塊：PowerPC核心、系統(tǒng)接口單元(SIU)、通信處理模塊(CPM)。

PowerPC是主要的處理機單元，通常稱為Embedded PowerPC核心(或EPPC)。它包括數(shù)據(jù)和指令的緩存和存儲器管理單元(MMU)，在40MHz時鐘時為50 MIPS指令速度。

第二個主要的模塊為系統(tǒng)接口單元(SIU)。主要包括：總線監(jiān)視器、假中斷監(jiān)視器、軟件看門狗、中斷定時器和實時時鐘(RTC)、復位控制器、不占用內部開銷的片內總線仲裁、JTAG1149.1測試口。它的一個主要功能是提供內部總線和外部總線的接口。

第三個主要模擬為通信處理機模塊(CPM)。主要包括：RISC控制器、所有串行通道口支持連續(xù)接收和發(fā)送模式、5K字節(jié)雙口RAM、16個串行DMA(SDMA)通道、三個平行I/O寄存器、四個波特率獨立的發(fā)生器(可以連接到任意一個SCC和SMC，并允許運行中改變，支持自動波特率)、四個串行通信控制器(SCC)(支持以太網(wǎng)、HDLC/SDLC、HDLC總線)、兩個串行管理控制器(SMC)(UART方式或透明傳輸)、一個串行外圍接口電路(SPI)(MC6830 SCP的擴展，支持主從模式，支持同一總線上多主操作)、一個I2C(Inter-Integrated Circuit)接口(支持主從模式，支持多主環(huán)境)。CPM在幾個不同的通信設備如SCC和SMC上發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，所有的通信設備可以獨立工作。SCC和SMC也可以用于時分復用總線。

在圖1中，CPM模塊中有一個32位RISC微處理機。MPC860有兩個CPU：PowerPC和32位RISC。PowerPC執(zhí)行高層代碼，RISC處理實際通信的低層通信功能。由于CPU分擔了嵌入式PowerPC核的外圍工作任務，這種雙處理器體系結構功耗要低于傳統(tǒng)體系結構的處理器。兩個處理器主要是通過內部存儲空間相互配合工作。在存儲器區(qū)，每個處理器都可以設置控制位、讀狀態(tài)位。在圖1中，有16個串行DMA單元。每個通信設備都有一個發(fā)送DMA和接收DMA，32俠RISC控制這16個串行DMA在通信設備和存儲器之間傳送數(shù)據(jù)。當MPC860接收數(shù)據(jù)時，串行DMA從通信設備接收數(shù)據(jù)并放入存儲器中;發(fā)送數(shù)據(jù)順序相反，串行DMA從存儲器中取數(shù)據(jù)，送到通信設備，串行DMA只服務CPM的RISC，但是兩個虛擬IDMA可以為用戶DMA所用。

2 ADM系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)概述

ADM即分插復用器，它是一個三端口設備，具有兩個SDH光接口(線性接口)，通過另一端可以靈活地上/下路復用在STM信號中的低速率信號。ADM內部還具有時隙交換功能，允許兩個STM信號之間不同VC的互聯(lián)，并能方便地進行帶寬管理。在實際網(wǎng)絡中，根據(jù)ADM的結構特點，可靈活地用在網(wǎng)絡中不同的位置。在本系統(tǒng)中，主要任務是將155.52Mb/s的STM-1高速信號經(jīng)光 /電轉換，從幀結構恢復出低速的2.048Mb/s的E1信號，其逆過程正好相反。從理論上來說，將STM-1信號可以上下63路E1信號，為了系統(tǒng)的可維護性和美觀性，故采用4塊支路，每塊上下16路。

從圖2可以看出，分插復用器ADM是一種新型的網(wǎng)絡單元，是SDH中應用最廣、最富特色的設備。它將同步復用和數(shù)字交叉連接功能綜合于一體，具有靈活的分插任意支路信號的能力，在網(wǎng)絡設計上有很大的靈活性;采用同步復用方式和靈活的復用映射結果，可使高速信號一次直接分插出低速支路信號，即所謂的一步復用特性。ADM利用時隙交換實現(xiàn)寬帶管理，并且無需分接和終結整體信號，即可將各種G.703規(guī)定的接口信號(PDH)或STM-1信號(SDH)接入STM-M(M>1)內作任何支路。

群路：對接收信號進行光/電轉換，再生恢復出接收數(shù)據(jù)，同時將高速的信號轉變?yōu)椴⑿械男盘?，從中分離出接收段開銷SOH，并對指針進行解釋，提取VC-4POH，進入虛容器VC-4處理，恢復下行的VC-4凈負荷，同時提供 FPGA(交叉疊加模塊)接口;反過來將需要上行的VC-4凈負荷插入VC-4通道開銷POH，經(jīng)過AU-4指針調整，并插入段開銷SOH，經(jīng)電/光轉化上線路，成為STM-1信號。

支路：可用專用的芯片從數(shù)據(jù)總線具有VC-4的信號經(jīng)過均衡、碼型恢復，解復用出所需的63路E1信號;反過來，將E1信號異步映射進入TU-12中，并將格式定為VC-4。

交叉疊加矩陣模塊：特定用途集成電路(FPGA)提供了良好的解決方案，降低了產(chǎn)生電信號的復雜性;另外，也有利于降低不同特征的結合。所有通俗都經(jīng)過此模塊，不管是低速向高速復用，還是高速向低速分抽，甚至高速流的通過。此連接將有固定通道或者程序設定，配置為分插復用設備、終端及轉發(fā)器。在該模塊中，信號進行相應的延遲，產(chǎn)生一定的片選和觸發(fā)信號，特別對于復用的信號，有直接的觸發(fā)作用。

時鐘板：在數(shù)字傳輸和素質交換的數(shù)字網(wǎng)絡中，網(wǎng)同步特別重要。網(wǎng)同步的目標就是使各節(jié)點時鐘頻率和相位都控制在預先確定的容差范圍內，以便使網(wǎng)內的數(shù)字流實現(xiàn)正確有效的傳輸和交換，避免數(shù)據(jù)因時鐘不同步而產(chǎn)生滑動損傷。時鐘板的功能就是實現(xiàn)網(wǎng)同步，為SDH單元提供系統(tǒng)時鐘信號。

公務板：利用STM再生段中的E1字節(jié)來實現(xiàn)SDH網(wǎng)中各站之間的語音聯(lián)絡。本系統(tǒng)公務板的特點為：

(1)PCM語音編碼，64Kbit/s編碼速率，音質較好;

(2)能實現(xiàn)點對點、一點對多點、點對組、點對全線的呼叫;

(3)多方會議通過方式：

(4)聯(lián)絡信令插在PCM通話數(shù)據(jù)流中，對通話質量無影響。

2.2 系統(tǒng)控制器——網(wǎng)元控制板

對于每一個單模塊的控制管理，采用最普遍的80C31單片機，管理通信及控制系統(tǒng)性能，對不同的告警及時上報或屏蔽。主控制器采用實時處理很強和通信能力高的Motorola32位單片集成微處理器MPC860，采用中口RS232 與各模塊中的單片機進行多機的(8031)通信，及時處理告警及環(huán)路能力，此外還提供了高級網(wǎng)管的Qx接口。網(wǎng)管系統(tǒng)可通過一個Qx接口或內嵌的通信通道(ECC)對所有網(wǎng)絡內的同步復接口進行中央控制，如圖3所示。時鐘分配為：提供同步時鐘基準信號，用于內部的數(shù)據(jù)總線及外部的接口。此處用三級振蕩器(4.6ppm的誤差)，給不同模塊提供不同的時鐘。

在網(wǎng)元控制板中，配置了FLASH BOOTROM嵌入式VxWorks實時多任務操作系統(tǒng)的引導程序，用于程存重要的數(shù)據(jù);FLASH DATABASE存儲應用程序;DRAM作為程序運行和保存臨時文件的空間。

在這個網(wǎng)元控制板中，MPC860是核心單元，它實現(xiàn)對各通信口的處理和調度，滿足實時處理的要求。

Qx接口：Qx接口用于與上層網(wǎng)管通信，采用以太網(wǎng)(Ethernet)接口，使用CPU(MPC860)的SCC1。為得到以太網(wǎng)的標準電平，需要用以太網(wǎng)接口芯片擴展出以太網(wǎng)的標準TP接口，用專門的變壓器芯片轉換電平。一般的網(wǎng)管用PC機，加上相應的網(wǎng)管軟件就可以對各單板進行管理和性能監(jiān)測，比較形象直觀地反映系統(tǒng)情況。

F接口：F接口采用RS232接口，用MPC860的SCC2加上MAX202E提供RS232的NULL MODEM三線(收、發(fā)、地)連接方式接口，用于下載VxWorks BOOTROM程序。

S接口：S接口采用RS232串口的多機通信方式。除收發(fā)總線外，對每一個外轉帳CPU分配一中斷。其中包括時鐘板、公務板、四塊支路板、兩塊群路板，利用中斷請求來對各單板進行警告，性能監(jiān)測等管理。對于四塊支路板，可以設定地址碼，每塊支路板共有三個地址碼，分別為發(fā)送、單接收、群接收。只要解釋出命令碼中對應的地址碼，就可以確定該板的接收和發(fā)送狀況。

ECC接口：MPC860的SCC3提供東向群路的ECC接口，SCC4提供西向群路的ECC接口。利用HDLC協(xié)議，實現(xiàn)各網(wǎng)之間的通信。

SPI：由于網(wǎng)元監(jiān)需要確切的實時時間，采用DS1305集成芯片完成與主 CPU的外圍接口(SPI)連接，構成SPI標準串行總線。主CPU作為主控制器(Master)，而DS1305作為從屬(Slave)，主CPU通過讀烈軍屬DS1305中的RAM實現(xiàn)對后者的模塊設置和時間的讀取。為保證斷電時仍能準確計時，需要一個后備的可充電電池。正常時有電源供電，且對電池充電，一旦掉電，電路自動轉化為后備電池供電。

2.3 軟件部分

圖4為網(wǎng)元控制板軟件的功能模塊結構，它包括以下幾個模塊：

(1)初始化模塊

初始化模塊在VxWorks程序的入口處執(zhí)行，是整個網(wǎng)元控制板軟件的基礎。在該模塊中，執(zhí)行一些全局變量的初始化，基本任務的創(chuàng)建，基本消息隊列的創(chuàng)建等。

(2)命令分析模塊

命令分析模塊是整個網(wǎng)元控制板控制VxWorks程序的核心模塊之一。在模塊中對來自各個通訊口(包括Q口、S口、ECC口)的通訊消息進行分析，解析出命令代碼;然后根據(jù)命令代碼來決定把消息發(fā)送到具體的單處理任務中。

命令分析模塊本身也是任務。它接收調度任務模塊發(fā)送來的消息，然后根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)分別調用內部函數(shù)來處理消息，主要功能是對發(fā)到本站的命令進行處理。

(3)任務調度模塊

任務調度模塊也是網(wǎng)元控制板軟件的一個核心模塊。該任務由ROOT任務創(chuàng)建。它常駐內存，是SMC的調度樞紐，從某些模塊的命令消息都經(jīng)過它分發(fā)后交由另外一些模塊處理，此任務的優(yōu)先級較高。主要功能接收各通信口(Qx、ECC、 S)及本地產(chǎn)生的命令消息，根據(jù)不同的消息來源標志作相應的處理：

·如果命令消息來自Qx通信口，則該命令由網(wǎng)管發(fā)出，調用相應的函數(shù)來處理該消息;

·如果命令消息來自ECC通信口，則該命令是經(jīng)過本站并也需要本站處理的命令，調用函數(shù)來處理該消息;

·如果命令消息來自S通信口，則該命令是單板上報的命令，直接將命令發(fā)往消息隊列由命令分析模塊來處理該消息;

·如果命令消息來自本站并且是上報網(wǎng)管的命令，則調用函數(shù)來處理該消息;

·如果命令消息來自本站并且是下發(fā)各單板的命令，則直接將命令發(fā)往消息隊列由S通信模塊來處理該消息。

(4)獨立的功能模塊

在網(wǎng)元控制板模塊中還包括一些獨立的模塊。獨立的功能模塊是SDH網(wǎng)元控制板的主要功能模塊，包括：配置管理模塊、告警管理模塊、性能管理模塊、安全管理模塊、維護管理模塊等。各功能模塊均由一個基本任務完成。

(5)Qx通訊模塊

Qx通訊模塊完成網(wǎng)元控制板和上層網(wǎng)管的通訊，通訊采用10M以太網(wǎng)方式，協(xié)議采用標準UDP/IP。由于各SDH網(wǎng)元本身不可能在一個局域網(wǎng)內，為簡單起見，各網(wǎng)元的IP地址規(guī)定個統(tǒng)一的IP地址，而網(wǎng)管計算機的IP地址也固定。這樣可以不經(jīng)過下載數(shù)據(jù)庫建立以太網(wǎng)通訊，從而大大方便了初始化工作的順利進行。

(6)S口通訊模塊

S口通訊模塊完成網(wǎng)元控制板與各功能單板的CPU(8031)通訊。通訊方式采用標準串口RS232的UART協(xié)議。一機對多機模式通訊，各單板采用一個獨立的中斷來激發(fā)主控板的通訊任務。在S口通訊模塊中引入A類地址和B類地址來完成網(wǎng)元控制板主動與單板通訊和單板主動與網(wǎng)元控制板通訊。為了保證通訊的可靠性，在每次通訊過程中均加以校驗，雛鴿驗采用異或和方式。

(7)ECC通訊模塊

ECC通訊模塊負責完成各獨立的網(wǎng)元之間網(wǎng)管信息的通訊。ECC采用SDH幀結構中的D1～D3字節(jié)作為物理層，在數(shù)據(jù)鏈路層采用HDLC協(xié)議。ECC端口采用MPC860的SCC3和SCC4兩個端口發(fā)送和接收。由于ECC通訊有非常清晰的網(wǎng)絡拓撲結構，為了達到更高效的通訊目的，引入了ECC路由表的概念。ECC路由表存放每個SDH網(wǎng)元的相鄰網(wǎng)元的地址信息。ECC路由必須根據(jù)開局的網(wǎng)絡拓撲結構來具體設置。ECC通訊用應答來決定是否發(fā)送成功，如果成功，發(fā)送一個應答正確的消息;否則發(fā)送一個應答失敗的消息。如果在第一優(yōu)先路由的端口發(fā)送失敗，采用第二優(yōu)先路由的發(fā)送端口。ECC通訊任務在初始化創(chuàng)建后，一直常駐內存。ECC 通訊任務主要包括三個任務，即ECC收任務、ECC發(fā)任務、應答檢測任務。

(8)數(shù)據(jù)庫模塊

數(shù)據(jù)庫模塊是一個獨立的外掛模塊，主要完成對嵌入式數(shù)據(jù)庫的操作，包括數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建、刪除、查詢、插入、修改等。數(shù)據(jù)庫模塊提供了標準的接口供應用程序調用，而數(shù)據(jù)庫模塊本身可看做一個黑盒子，不必去考慮。

ADM系統(tǒng)可以直接從155.52Mb/s上下2.048MB/s E1信號，滿足當今寬帶化的需求。用MPC860作為網(wǎng)元控制的核心部件，效果十分理想，實時性很好，很好地滿足了ADM系統(tǒng)的所需。