基于ＭＰＣ８２８０的ＩＭＡ　Ｅ１數據采集系統設計

漆　晶　包　杰

摘 要：IMA E1傳輸是E1升級到光纖的過渡技術，能有效地提高傳輸帶寬。這里選用PowerPC MPC8280網絡處理器，設計實現了基于PCI總線的IMA E1數據采集系統。首先論述系統的設計思想和總體結構，并詳細的介紹UTOPIA接口、PCI接口和總線控制功能模塊的詳細設計過程。最后對硬件進行信號完整性分析，以SDRAM的數據線為例，給出了消除反射干擾的解決方法。

關鍵詞：IMA E1；MPC8280；PCI接口；數據采集

中圖分類號：TP274.2 文獻標識碼：B 文章編號：1004－373X(2009)04－178－04

Design of IMA E1 Data Acquisition System Based on MPC8280

QI Jing,BAO Jie

(College of Applied Technology,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing,400065,China)

Abstract：The transmission of IMA E1 is transition technology upgrading from E1 to fiber which could increase the bandwidth effectively.The PowerPC MPC8280 communication microprocessor chip is chosen,and implementation of IMA E1 data acquisition system based on PCI bus is also introduced.Firstly,the general system design and general architecture is introduced,Then,the detailed design process of UTOPIA interface,PCI interface and bus control function are given.Finally,the signal integrity analysis for the data line of SDRAM is analyzed,and the solution of reflection interference is given.

Keywords：IMA E1;MPC8280;PCI interface;data acquisition

IMA是ATM反復用技術，實現寬窄帶網絡一體化，在窄帶網絡接口（如E1/T1鏈路接口）上實現ATM寬帶業務。通過IMA協議接口，實現將ATM信元流反向復用到多條低速E1/T1鏈路上。IMA是支持高速ATM信元流的一種實用方法。為多媒體用戶的接入，利用現有鏈路（尤其是2 Mb/s鏈路）進行ATM傳輸等應用創造了條件。尤其適用于建網初期的TD－SCDMA接入網Node B側的數據傳輸［1］。

基于計算機的數據采集系統可以依據與計算機的接口方式不同而分類。對于低速數據的采集，基于ISA總線的系統面臨被USB取代的趨勢。而對于高速數據采集系統，主要還是基于PCI總線傳輸數據。PCI總線相對于其他總線具有高速率、硬件資源豐富和較好的PCI設備驅動軟件開發包支持等優點。高速數據采集系統主要有基于PCI接口芯片和基于PCI數據采集卡2種開發選擇。前者具有采集數據靈活、更容易控制等優點。但需要設計基于選定芯片的數據采集卡。同時由于PCI總線是一個共享總線，仲裁算法一般是公平競爭，要想穩定可靠地采集數據流，采集卡上必須有大小合適的緩存，這就涉及到一個先進先出的結構，提高整個系統的復雜度。后者可以選用符合系統要求的數據采集卡，大大縮短項目的研制時間，設計也相對簡單。主要是對采集卡進行必要的配置以及如何嵌入系統的軟/硬件設計的問題［2,3］。

網絡處理器MPC8280是PowerPC處理器系列，集成了G2內核和通信處理器CPM，可以輕松地處理100 Mb/s以太網、ATM等應用。同時集成了系統PCI接口單元，滿足基于PCI總線數據傳輸的開發模式。

1 MPC8280芯片介紹

用于通信領域的PowerPC處理器系列的MPC8280，它是一塊多功能通信處理器，采用雙內核的結構，即PowerPC內核G2 和通信處理模塊CPM專用內核CP。兩個內核工作在不同的時鐘頻率。G2內核和通用一般處理器功能相似，主要執行高層代碼，完成對于外設的控制與管理；CP處理器內核處理具體底層通信協議，通信處理模塊CPM部分還包含了各種豐富的通信控制外圍模塊，這些外圍模塊幾乎支持各種常見的底層傳輸協議，通過靈活設置這些外圍通信模塊實現具體應用中的協議。圖1是MPC8280內部構架圖［4］。

2 系統總體設計

2.1 設計思想

參考IMA功能單元的參考模型，可以得出IMA E1的數據處理功能流程圖，如圖2所示，主要完成物理層、TC子層、IMA子層、ATM層和AAL層的協議解碼，圖中PMD鏈路接口負責接收來自E1鏈路上的ATM信息，經過成幀模塊處理后，發送到IMA協議處理模塊，還原為標準的ATM信元流，送到進行ATM SAR－PDU處理，提取鏈路信息，發送到上位機進行分析、處理。

2.2 硬件總體設計

選用基于PCI接口芯片的數據采集的設計方案，采用板級處理機的方式，由板級處理機完成數據的重組和分組，再將組裝好的數據上傳，這樣數據組裝和數據上傳并行工作，能夠有效地減輕PC機的負擔，同時還能實現硬件層數據過濾功能。硬件設計如圖3所示。系統由保護線路接入IMA E1傳輸線路，經過E1成幀器轉化為PCM E1幀，再將多路IMA E1送入IMA處理器，形成ATM信元流，通過MPC8280進行ATM適配，組裝成PDU數據，再將PDU數據通過PCI接口上傳到上位機進行協議解碼和分析［5］。

3 各個功能模塊的設計

3.1 多PHY的UTOPIA接口設計實現

該系統實現了IMA E1數據的采集和仿真功能，所以需要2個通道的數據傳輸，同時由于需要MPC8280進行處理，所以整個物理層模塊和MPC8280之間的數據交互，和單個通道時完全有所不同。UTOPIA接口是ATM網絡層和物理層之間的標準傳輸接口。它的運行模式有單PHY模式以及多PHY模式。單PHY模式即物理層接口只有一個，而多PHY情況下有多個物理層接口交互，這種情況下面就必須考慮怎么來進行接口交互的輪詢選擇問題，下面為MPC8280的 UTOPIA接口的詳細信號描述。

由圖4可以看到，UTOPIA接口傳輸信號主要由接口時鐘信號、數據傳輸信號、信元級的握手控制信號以及輪詢地址信號組成。UTOPIA接口接收和發送通道的控制信號是獨立的，它的工作模式分為主模式和從模式。在該設計中需要由MPC8280主動來輪詢控制多個物理層器件的ATM信元的傳輸，所以MPC8280側UTOPIA接口工作為主模式。對于物理層器件來說，在進行信元傳輸時，要接收來自MPC8280發起的各種控制與輪詢，所以物理層側UTOPIA接口工作為從模式。當UTOPIA接口工作在多PHY的情況下，MPC8280 UTOPIA接口支持2種多PHY的操作模式：

直接輪詢方法 利用CLAV［3~0］，以及地址ADD［0，1］，總共支持4片物理層器件。每個物理層器件1個收發CLAV,同時公共使用地址ADD［0,1］。每個CLAV的操作與單個時操作是一樣的。

單CLAV輪詢 利用1個CLAV以及ADD［4~0］，ATM 控制器輪詢所有激活的物理層器件，從0X0~FPSMR［LAST_PHY］中寫入地址。所有物理層器件共用1個收發CLAV,同時使用公共地址ADD［0~4］。

3.2 PCI接口設計

PCI 局部總線在 CPU 和外部設備之間插入復雜的管理層，用此協調數據傳輸，并提供一致的總線接口，形成了開放的局部總線標準，而不依賴于 CPU 芯片。PCI 總線是與 CPU 異步工作的，總線上的工作頻率固定為 66 MHz。有32位和 64 位2種數據寬度的標準，數據傳輸率最高分別為132 MB/s和 264 MB/s。它能支持多種外設，在高頻率下保持最佳性能。PCI 還支持總線控制技術，允許智能設備在適當時取得總線控制權，以加快數據傳輸。在一定意義上可以認為 PCI 局部總線解決了高性能的 CPU 處理能力和低效的系統結構之間的瓶頸問題。

在該設計中，采用專用PCI 接口芯片實現PCI 接口，采用的MPC8280處理器中就集成了PCI 接口邏輯功能，所以只需要具體配置處理器內部相應模塊寄存器實現其功能。圖5為PCI橋在整個網絡處理器內部的功能框圖。

在MPC8280內部，PCI橋對外的PCI接口信號和局部總線的信號引腳是復用的，所以在系統啟動時，必須通過正確設置相應硬件跳線和硬件復位配置字，實現PCI引腳及內部功能寄存器配置。PCI橋和通信處理模塊之間有DMA通道，可以在DPRAM與PCI接口之間直接進行DMA通道的數據傳輸，但是這種情況一般采用極少。通常通信處理模塊CPM的數據通過60X總線傳送到外部的存儲器，PCI控制橋直接通過60X總線接口總線和系統內存之間進行數據的交互工作。

PCI接口作為數據采集卡系統和上層PC機軟件之間的交互的接口，其接口驅動程序是由上層PC機操作系統提供的，所以MPC8280的PCI橋接口實際上工作在從模式下，PC機系統軟件對其進行控制。整個數據采集系統的時鐘，復位信號以及電源，都是由PC機上的PCI接口提供的。

3.3 網絡處理器總線控制功能設計

將任何存儲設備或I/O設備接到處理器上，一般都會通過處理器的系統總線。處理器存儲空間以bank為單位控制。MPC8280是32位處理器，一共有32條地址線，理論上可以尋址的空間范圍是4 GB，也就是尋址的范圍為0x00000000~0xFFFFFFFF。每一個外部設備，如FLASH，SDRAM等都可以通過控制網絡處理器的內存控制器中的OR和BR寄存器惟一地確定外設存儲空間對應于4 GB空間的位置，每一組OR和BR寄存器對應1個外設存儲（I/O）空間，稱之為1個bank。為了靈活實現對于外部存儲控制體的管理和設置，存儲控制器包含12個基地址寄存器(BRx)和12個選項配置寄存器(ORx)，分別對于12個外部存儲體進行相應具體設置。

配置選項寄存器OR的內容根據不同存儲體選擇的控制狀態機而不同，主要提供一些補充的設置選項，如高位地址掩碼，SDRAM狀態機的行列地址選擇，以及GPCM狀態機的插入等待周期等。由上可見，通過配置內存控制器中每個存儲體片選對應的基地址寄存器BR和選項寄存器OR，可以設置外部存儲體的具體狀態控制機以及相應的工作模式。需要注意的是，存儲控制器的狀態機制和存儲體之間沒有確定對應的關系，每一個狀態機控制機都可以對應于12個存儲體的任何一個，多個存儲體也可以設置為同一的狀態控制機。

當系統訪問相應的存儲體時，首先比較訪問地址和各個BR寄存器中BA位設置的高17位地址，當所訪問的地址和某一寄存器中地址相匹配時，表明該訪問的空間位于該存儲體地址空間范圍，此時系統通過片選信號片選該存儲體，該存儲體對應的狀態機獲得總線訪問外部信號控制權，系統就可以對該存儲體進行訪問。

4 硬件系統信號完整性分析

信號完整性是指信號線上信號的質量。高速電路的傳輸線效應會導致信號完整性下降，會出現數據丟失以及判斷出錯等問題，因此信號完整性分析便成為了高速電路設計和仿真的關鍵。在高速電路設計中，信號完整性并不是由單一原因引起的，而是板級設計中多種因素共同作用的結果。常見的信號完整性問題包括反射、振鈴、地彈、串擾等。振鈴和地彈實際上都屬于信號完整性問題中的單信號線現象，而串擾則是由于電路上兩條信號線與地平面引起地［6，7］。

下面通過SDRAM內存模塊部分信號完整性分析為例，描述整個硬件電路的信號完整性仿真分析過程。

圖6為內存模塊電路中的數據線信號DATA0未做任何優化措施時的反射信號仿真圖。

DATA0是MPC8280 U1直接和內存芯片U2相連的數據線，由圖6可知， 不論是該信號的驅動端U1_19，還是負載端U2_12，在該傳輸信號線上都有嚴重的反射現象。采用終端匹配措施后信號分析見圖7。

仿真器提供8種終端適配電阻的仿真效果波形，通過比較分析波形可以得出，當適配電阻R=172.2 Ω時，此時信號的反射達到最小，信號完整性最好。采用此電阻對DATA0信號連線進行終端適配端接以后，信號的反射明顯減小，尤其是在消除抖動，低電平方面得到很大改善， 從而DATA0信號完整性得到保證。其他的內存訪問各個信號的反射分析與優化也與這類似。

5 結 語

ATM反向復用通過把多個物理通信接口（通常為E1接口）綁定為一個邏輯接口，從而突破單個物理接口的速率限制，根據實際需要配置接口速率，以獲得業務所需要的接口帶寬。在此設計了針對IMA E1傳輸的數據采集系統，重點介紹基于MPC8280的數據采集系統硬件設計過程。該系統最后通過與軟件聯調，能夠實現多幀AAL2和AAL5數據的發送和接收，達到了IMA E1數據采集的目的。

參 考 文 獻

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作者簡介 漆 晶 男，1983年出生，重慶郵電大學應用技術學院。主要從事嵌入式系統開發、通信網測試。