基于AMCC460GT和VxWorks的千兆網絡通信系統設計

為了適應高速總線通信的快速發展，滿足千兆網絡的通信技術要求，介紹了在原百兆網絡終端通信板的基礎上，開發基于VxWorks操作系統和AMCC460GT處理器的千兆網絡通信終端板，使其數據處理能力和性能滿足規范需求，并為基于VxWorks與AMMCC460GT通信系統架構的設計應用開辟了成功先例。

以AMCC公司的460GT通信處理器為核心，設計了一款網絡通信系統平臺。這個通信系統主要由增強型Power PC440處理內核（32-KB的指令和數據緩存）、256-KB的L2cache、64-KB的片上內存，DDR存儲控制器（支持DDR1/DDR2）、PLB總線控制器、可編程中斷控制器、PCI控制器、PCIE控制器、DMA控制器、10/100/1000以太網控制單元、安全引擎等眾多模塊整合而成。可以提供一路PCI總線、兩路PCIE總線、一路USB、2個簡單串口和4個10/100/1000自適應以太網接口等，工作頻率最高可達1GHz，支持最大4G的DDR SDRAM內存，內部集成加密的模塊。此外還提供一套擴展接口，包括通用的CPU控制總線（EBC總線時序可編程），可以靈活地掛接各種CPU方式讀寫的設備，實現控制功能;同時，在基于通信處理器的嵌入式微處理器的應用開發中，嵌入式實時操作系統是構成整個嵌入式通信系統不可或缺的核心軟件。設計采用美國WindRiver公司的VxWorks6.7版本嵌入式實時操作系統，研究以太網絡設備TCP/IP協議和各種硬件通信接口驅動在VxWorks下如何移植與實現。

AMCC460GT通信處理器

AMCC460GT硬件特性

AMCC460GT是基于440Core片上系統的PowerPC內核，擁有32 KB的指令和數據緩存，片上系統還包括DDR SDRAM存儲控制器，4個三速率的以太網控制器。AMCC460GT的高度集成極大的簡化了板級設計，圖1顯示的就是AMCC460GT單板功能框架圖，在單板上集成了千兆以太網、和PCI、PCIe通用插槽，可以作為千兆網絡系統使用。以下是系統板功能框圖：

AMCC460GT復位設計

AMCC460GT提供四類復位信號SysReset、HISRRst、PCIORest、ExtReset，其中HISRRst為輸入信號，PCIORest、ExtReset為輸出信號。這4種信號全部為低電平有效。上電復位過程如圖2所示。

AMCC460GT時鐘配置

采用66.6667MHz時鐘作為CPU的主時鐘，用一個Cypress CY22381FX可編程的始終發生器產生如下3種時鐘：11.0592 MHz時鐘供給Uart串口、48 MHz時鐘供給USB2.0，33或66 MHz時鐘供給PCI，特別注意的是時鐘發生器需要用一個22.1184MHz晶體作為時鐘輸入，才能輸出較穩定的時鐘信號。125 MHz時鐘供給網口，460GT需要一個125M的參考時鐘用于GMAC的發送端，這個時鐘采用兼容設計，可以應用1121的125M鎖相輸出或者用獨立晶振。25 MHz時鐘供給Phy千兆以太網PHY88E1121R芯片。

芯片的Boot啟動過程

CPU在boot啟動時，通過外部引腳的配置，來獲得初始化參數，并在SysReset引腳信號由低電平恢復到高電平的時鐘上升沿，讀取參數配置，具體配置如下：

啟動模式為Bootstrap Option B，CPU工作狀態為CPU：800 MHz，DDR：400 MHz，PLB：200 MHz，OPB：100 MHz，EBC：100 MHz。所以，在系統板在上電之前一定要將UART0的（CTS：DCD：DSR）設計成0：0：1。否則系統工作不正常。

千兆以太網接口電路設計

AMCC460GT內部集成了2個處理模塊：一個高性能嵌入式PowerPC 440內核和一個通信處理模塊（MAL）。芯片內部擁有4個三速以太網控制器（Three.Speed Ethemet Con-troller，TSEC），實現了10 Mb/s、100 Mb/s和1 Gb/s三種不同速度的以太網協議接口控制。以下為千兆網硬件設計說明

AMCC460GT與PHY芯片的接口設計

AMCC460GT擁有4個TSEC以太網控制器，對4種不同的接口標準都提供了支持，它是完全符合8023協議規格的2.5V器件。在460GT與88E1121的連接中，GMII接口的發送接收參考時鐘GTX CLK、RX CLK都是125 MHz，收發數據位寬度TXD[0：7]、RXD[0：7]為8bitS，還有收發使能信號TX EN、RX RV和收發錯誤指示TX ER、RX ER等。此外還有2個串行管理信號GMCMDC、GMCMDIO與PHY芯片連接。管理配置接口控制PHY的特性。該接口有32個寄存器地址，每個地址16位。

對TSEC控制器的初始化

460GT對TSEC控制器的初始化過程如下。只要按照順序逐一完成相應的步驟，即可正確配置網絡接口。選擇TSECx控制器為GMII模式;設置MACCFG1寄存器，對MAC進行軟復位;清除MACCFGl寄存器的軟復位;設置MACCFG2寄存器，選擇TSEC工作模式（如全雙工或半雙工、CRC校驗是否使能等）;設置MAC地址、物理地址;設置MII口的速率，使用MDIO對PHY進行初始化;清除并設置中斷相關的寄存器I.EVENT和IMASK;設置Hash表和Hash寄存器：初始化接收控制寄存器RCTRL;設置DMA控制寄存器DMATRL：設置接收緩沖區大小;設置收發緩沖描述符（Buffer Descriptor，BD）：設置MACCFG1中的收發使能位，完成TSEC初始化。在初始化TSEC的過程中尤其要注意在設置寄存器后，控制器處于不穩定狀態，不能馬上執行下一步的操作，需要作一定的延遲等待。因此，需要對嵌入式小系統板上的BCSR寄存器進行配置，使得網絡通信處于正常狀態。也可以使用某些操作系統提供的定時延遲來完成，如VxWorks中的taskDelay（）。

對PHY芯片的設計與配置

為了使芯片工作在相應的物理地址、操作模式下，需要對88E1121芯片設備配置寄存器做出相應的配置，配置寄存器的各個位與芯片的配置管腳信號的對應關系如圖4所示：

PHY芯片中的部分配置管腳必須與LED輸出管腳相連，對應于各個LED輸出管腳都有相對應的編碼值，根據配置管腳對應配置寄存器的配置值要求，可以通過將相應的輸出管腳與芯片配置管腳相連，實現對PHY芯片配置寄存器的合理配置，具體配置如圖5所示。

Vxworks操作系統BSP的實現

在一般系統下使用Linux操作系統即可完成相關的任務功能，但針對任務實時性要求比較高的應用場景，采用了Vxworks操作系統來完成，本設計完成了Vxwork6.7版本在硬件平臺的移植，其中關鍵的是操作系統底層BSP設計，所謂BSP通常是指針對具體的硬件平臺，用戶所編寫的啟動代碼和部分設備驅動程序的集合，也就是依賴于硬件的那部分代碼的總和。他所實現的功能包括初始化、驅動部分設備。本系統研究的BSP包含了處理器復位、初始化、串口驅動程序、網口驅動程序、Flash芯片驅動程序和PCI接口驅動程序以及必要的時鐘處理。

在VxWorks系統中，對BSP的簡單描述為介于底層硬件環境和VxWorks之間的一個軟件接口，圖6所示的BSP在系統中的層次清楚地展示了BSP與上層操作系統、應用程序以及底層硬件之間的具體關系。它的主要功能是系統加電后初始化目標機硬件、初始化操作系統以及提供部分硬件的驅動程序，具體功能包括：

Vxworks初始化流程：

所謂初始化是指從系統上電復位開始直到VxWorks開始初始化用戶應用時的一段時間內系統所執行的過程。這個過程主要包括3個部分的工作。

CPU初始化：初始化CPU的內部寄存器，如狀態寄存器、控制寄存器、高速緩存等。

目標機初始化：初始化控制芯片的寄存器、I/O設備寄存器，為整個軟件系統提供底層硬件環境的支持。

系統資源初始化：位操作系統及系統的正常運行做準備，進行資源初始化，如操作系統初始化，存儲空間分配等。

VxWorks能夠訪問的硬件驅動程序：BSP包括部分必要的設備驅動程序和相關設備的初始化操作。

BSP啟動流程

經過修改后的BSP來編譯啟動引導程序bootrom和操作系統VxWorks，在獲得bootrom映像后用編程器將映像燒入電路板的ROM，上電后將引導系統啟動，過程如下：

①目標板加點之后，程序指針指向reset中斷程序入口處，跳到rom入口地址，執行初始化程序romInit.s，設置機器狀態字及其他硬件相關寄存器、然后禁止中斷，初始化內存，并設置堆棧指針。

②跳到C程序bootInit.C的函數romStart0入口地址，根據堆棧中的參數決定是否清零內存RAM。根據不同的bootrom文件，把ROM中數據段和文本段拷貝到RAM（如果是壓縮的，還要解壓）。

③程序跳到RAM入口地址（文件bootConfig.c中函數usrlnitO），使cache無效，并清零bss段，初始化異常處理程序，進行板級硬件初始化sysHwlnit0。

④啟動多任務內核kemellnitO。

⑤初始化串口，創建console終端設備，最后根據單板設計選擇不同方式加載操作系統映像文件，如網口、Flash、PCI等。

實驗結果

由于設備對功耗的要求，本系統針對不同狀態下的情景進行了詳細的功耗測試，以及針對千兆網絡傳輸速度進行了極限測試，各項功能均達到要求。具體測試結果如下2所示：

本課題主要實現了基于Vxworks6.7在AMCC460GT硬件平臺上的移植，并完成了千兆網絡的通信功能，相比以往百兆網絡通信，傳輸速度得到很大提升，相比之前Linux系統下的功能實現，任務實時效率得到了很大提高，保證了項目運行的安全性及穩定性。本文詳細介紹了AMCC460處理器的相關設計方法，以及Vxworks系統底層BSP驅動設計相關方法，并在某通信控制終端上得以應用，該系統具有完善的底層監控與系統管理功能，并通過千兆網絡實現數據的傳輸功能，可以滿足多種應用領域與應用場景的需求。