PowerPC嵌入式系統(tǒng)中的以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

l 引 言
    PowerPC是1993年IBM，Apple和Motorola公司(其半導(dǎo)體部門現(xiàn)在分拆為Freescale公司)聯(lián)盟的共同設(shè)計(jì)的。PowerPC技術(shù)以RISC(精簡指令集計(jì)算機(jī))為基礎(chǔ)，該技術(shù)由IBM的POWER(性能優(yōu)化的增強(qiáng)RISC)體系結(jié)構(gòu)而來。因PowerPC芯片具有高性能和低功耗的特點(diǎn)，主要應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)。MPC7410是新一代G4處理器，通過加入A1tiVec技術(shù)，處理能力達(dá)到4G FLOPS，而1．8V的低電壓操作大大降低了芯片的功耗，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。MPC7410內(nèi)部主頻最高為500 MHz，每個(gè)時(shí)鐘周期最多可以執(zhí)行8條指令，其中包括4條矢量運(yùn)算(A1tiVec)指令和2條整型指令。系統(tǒng)采用MPC7410為核心處理器搭建嵌入式系統(tǒng)硬件平臺。利用Tsi107芯片組的PCI接口連接以太網(wǎng)。網(wǎng)口是系統(tǒng)非常重要的通信接口，通常情況下操作系統(tǒng)映像的下載以及與外界的通信都是通過以太網(wǎng)口進(jìn)行的。文中介紹了以太網(wǎng)接口硬件設(shè)計(jì)和VxWorks BSP的開發(fā)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述
    整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

 在系統(tǒng)中使用了Motorola公司的RISC處理器Pow—erPC7410作為核心處理器，該處理器具有高性能和低功耗的特點(diǎn)，外接一個(gè)2 MB L2作為二級緩存，以提高運(yùn)算速度。以Tundra公司為PowerPC專門設(shè)計(jì)的橋芯片／存儲器控制器Tsil07作為北橋芯片，利用60X總線和MPC7410相接，用以把60X總線信號轉(zhuǎn)化為PCI總線信號，并管理FLASH和SDRAM。此設(shè)計(jì)充分利用60X總線高數(shù)據(jù)傳輸速率和優(yōu)秀的連接性能，發(fā)揮了MPC7410的高可靠性和強(qiáng)大的處理能力，使該硬件平臺具有很高的性能。

3 Tsil07的PCI接口
    Tsil07的PCI接口與PCI 2．1規(guī)范兼容。使用一個(gè)32位地址／數(shù)據(jù)復(fù)用線。在PCI總線和處理器或本地memory之間提供內(nèi)部緩沖。處理器讀和寫操作分別有1個(gè)32 B緩沖，memory操作具有2個(gè)32 B讀緩沖和2個(gè)32 B寫緩沖。PCI總線使用中央仲裁方式，每一個(gè)master都有它自己的請求(REQ)和獲得(GNT)信號?？赏ㄟ^一個(gè)簡單的請求——獲得握手獲得總線的控制權(quán)。仲裁在前一個(gè)訪問時(shí)發(fā)生，故不會占用PCI總線的周期。
    Tsil07為自身和另外最多5個(gè)PCI總線master提供總線仲裁邏輯，可通過設(shè)置PCI仲裁控制寄存器(PACR)的位15決定是否使能(置為1)或禁止(置為O)片內(nèi)PCI仲裁器。在復(fù)位信號(HRESET)為高時(shí)采集SDMA9以確定片內(nèi)PCI仲裁器被使能(低)或禁止(高)。
    片內(nèi)PCI仲裁器使用一個(gè)可編程的、兩級、round—robin仲裁算數(shù)邏輯，5個(gè)外部master的每一個(gè)，加上Tsi107使用PACR中的適當(dāng)位被編成2個(gè)優(yōu)先級，高或低。低優(yōu)先級組在高優(yōu)先級組中共同占用一個(gè)總線請求傳輸通道。系統(tǒng)中如果有N個(gè)高優(yōu)先級設(shè)備和M個(gè)低優(yōu)先級設(shè)備，則每一個(gè)高優(yōu)先級設(shè)備最少會得到總線傳輸，每個(gè)低優(yōu)先級的設(shè)備最少會得到總線傳輸。

4 地址映射關(guān)系
    根據(jù)Tsi107在電路中所起的作用它的工作方式可以分為2種，host mode和agent mode。在host mode，Pow—erPC是整個(gè)板子的主CPU，Tsi107管理整個(gè)系統(tǒng)的Memory和PCI總線。在agent mode，PowerPC系統(tǒng)是一個(gè)PCI設(shè)備，Tsi107負(fù)責(zé)和PCI主橋通信，管理這個(gè)PCI設(shè)備局部的memory。整個(gè)PowerPC系統(tǒng)受PCI主橋管理。在本系統(tǒng)中Tsi107工作在host mode。Tsil07在host mode時(shí)可采用2種地址映射方式，map A和map B。在復(fù)位時(shí)通過地址映射配置引腳SDBA0選擇地址映射方式。如果Tsi107工作在host mode并且SDBA0上拉，則Tsil07使用map B。建議不使用map A，使用map B時(shí)，PowerPC和PCI的地址映射關(guān)系如表1所示。

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5 網(wǎng)口部分設(shè)計(jì)
    網(wǎng)口部分的設(shè)計(jì)基于芯片組Tsil07控制的PCI總線，基本框圖如圖2。

網(wǎng)口部分主要由Intel 82559，網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器和RJ45接口3部分組成。82559是一個(gè)高集成度、高性能、低功耗的10／100 Mb／s快速以太網(wǎng)控制器，符合LON設(shè)計(jì)規(guī)范。物理尺寸只有15 mm×15 mm，是一款高性價(jià)比芯片。82559有完整的PCI接口，既可作主設(shè)備又可作從設(shè)備，在系統(tǒng)上電對其進(jìn)行配置時(shí)只能作為從設(shè)備，正常工作后可作為主設(shè)備。32位的PCI控制器使82559在PCI總線上執(zhí)行高速的數(shù)據(jù)傳輸。并且PCI控制器可處理通信任務(wù)，因而減輕CPU的負(fù)擔(dān)。82559包含一個(gè)傳輸FIFO和一個(gè)接收FIFO，大小各為3 kB，在等待總線傳輸時(shí)可防止數(shù)據(jù)的流失。這將使82559利用最小的幀間距傳送數(shù)據(jù)。82559可工作在全雙工和半雙工模式。82559連接一個(gè)E2PROM，E2PROM為硬件和軟件提供上電初始化。在82559芯片上集成了MAC(介質(zhì)訪問子層)和PHY(物理層)的功能，通過片上的命令和狀態(tài)寄存器經(jīng)由PCI總線和PowerPC通信。H1102是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器，82559通過網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器驅(qū)動剛45網(wǎng)線接口，用來支持10／100BASE—T，實(shí)現(xiàn)與外界通信。

6 以太網(wǎng)的VxWorks BSP的開發(fā)
    BSP即Board Support Package，板級支持包，是對目標(biāo)系統(tǒng)的底層支持軟件。對于具體的硬件平臺，與硬件相關(guān)的代碼都被封裝在BSP中，由BSP向上提供虛擬的硬件平臺，BSP與操作系統(tǒng)通過定義好的接口進(jìn)行交互。BSP是所有與硬件相關(guān)的代碼體的集合，是介于底層硬件和上層操作系統(tǒng)之間的一層，主要目的是為了支持操作系統(tǒng)，使之能夠更好地運(yùn)行于硬件系統(tǒng)。以下介紹了網(wǎng)口的VxWorks BSP的開發(fā)方法。
6．1 Tsil07的PCI接口的寄存器初始化
    對Tsil07的PCI接口的寄存器初始化主要是對PCI命令寄存器，PCI狀態(tài)寄存器，PCI仲裁控制寄存器等和PCI相關(guān)的寄存器設(shè)置。因用戶手冊上對各寄存器的參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的說明，在此將不再贅述。
    Tsil07中的32位配置寄存器地址是0x8000_00nn，nn是寄存器的相對偏移地址。對配置寄存器的訪問采用間接方式，將配置寄存器的地址寫到CONFIG_ADDR端口，則配置寄存器的內(nèi)容將在CONFIG_DATA端口獲得。CONFIG_ADDR端口的地址為：OxFEC0_0000～OXFEDF_FFFC，CONFIG_DATA端口的地址為0xFEE0_0000～0xFEEF_FFFF。
6．2 82559的PCI接口的寄存器初始化
    對Tsil07的PCI接口的寄存器初始化包括對PCI命令寄存器，PCI狀態(tài)寄存器，Cache行大小(CLS)寄存器等寄存器的設(shè)置，以便能夠找到PCI設(shè)備82559，使Power—PC能夠?qū)υ撛O(shè)備進(jìn)行訪問。
    PCI定義了3個(gè)地址空間：PCI memory空間，PCII／O空間和PCI配置空間。PCI memory空間，PCI I／O空間采用直接訪問。PCI支持2種類型的配置訪問，typeO和type 1。AD[31：O]信號表示地址時(shí)根據(jù)配置訪問的類型使用不同的形式，地址的低兩位表明配置訪問的類型——type O(AD[1：O]=ObOO)或type 1(AD[1：O]=Ob01)。2種地址形式都表明了一個(gè)具體的設(shè)備和該設(shè)備的一個(gè)具體的配置寄存器。typel 0用于在本地PCI總線上選擇一個(gè)設(shè)備，type 1通過一個(gè)PCI—to—PCI橋傳遞配置請求到另一個(gè)PCI總線。系統(tǒng)采用type O配置，如圖3所示。

  為訪問配置空間，必須向CONFIG_ADDR寄存器寫入一個(gè)32位的值，用于定義目標(biāo)PCI總線、該總線上的目標(biāo)設(shè)備和設(shè)備中要訪問的配置寄存器。對CONFIG_DATA寄存器的一個(gè)讀或?qū)懖僮鲗⑹怪鳂驅(qū)⒃撛L問轉(zhuǎn)化為一個(gè)PCI配置周期(CONFIG_ADDR中的使能位被設(shè)置并且設(shè)備編號不是0b1_1111)。
    對于map B，處理器可在地址空間0xFEC0_0000～0xFEDF_FFFF中使用任何地址訪問CONFIG_ADDR寄存器。盡管系統(tǒng)可以使用0xFEC0_0000～OxFEDF_FFFF中的任何地址，但一般使用地址0xFEC0_0CF8。為簡化CONFIG_ADDR的地址通常被稱為CF8。處理器可在地址空間0xFEE0_0000～0xFEEF_FFFF中的任何地址訪問CONFIG_DATA寄存器。最常用的地址為0xFEE0_OCFC～0xFEE0_0CFF。為簡化起見，一般指為CFC。
    對于type O配置，Tsi107把CONFIG_ADDR寄存器的設(shè)備編號轉(zhuǎn)化為惟一的IDSEL信號，它們之間有一一對應(yīng)的關(guān)系。功能編號和寄存器編號將不加改變的復(fù)制到AD[10：2]，AD[1：O]在type O配置時(shí)為0b00。
6．3 中斷的實(shí)現(xiàn)
    Tsil07的EPIC(可編程中斷控制單元)支持5個(gè)外部中斷。IRQ[O：4]信號代表了外部中斷，它們被5個(gè)IRQ向量／優(yōu)先級寄存器(IVPRO—IVPR4)控制和初始化。外部中斷可被設(shè)置為電平或邊沿觸發(fā)。軟件通過對向量／優(yōu)先級寄存器的寫操作為每一個(gè)中斷源設(shè)置優(yōu)先級，優(yōu)先級的值在O～15之間，15最高。EPIC單元通過麗向處理器核申請中斷。當(dāng)處理器通過對EPIC單元中的中斷響應(yīng)寄存器(IACK)進(jìn)行讀操作以響應(yīng)中斷請求時(shí)，EPIC返回一個(gè)8位的中斷向量到處理器，然后處理器處理該中斷。處理器對EPIC單元的結(jié)束中斷(EOI)寄存器進(jìn)行寫操作時(shí)，中斷處理完成。
    對EPIC的初始化主要是設(shè)置各中斷源的優(yōu)先級和中斷向量的設(shè)置。包括對特征報(bào)告寄存器(FRR)、全局配置寄存器(GCR)、偽向量寄存器(SVR)、外部和內(nèi)部中斷寄存器等的設(shè)置。

7 結(jié) 語
    搭建以MPC7410為核心處理器的嵌入式系統(tǒng)硬件平臺，闡述以太網(wǎng)接口硬件設(shè)計(jì)和VxWorks BSP的設(shè)計(jì)方法，使以太網(wǎng)接口在系統(tǒng)中能正常通信。