EPON系统中ONU的设计

2006-07-26 14:54:27来源: 电子设计应用

引言
  千兆以太网无源光网络(EPON)是一种点到多点拓扑结构的光接入网技术,采用无源光器件连接局端和远端设备,实现以太网业务的透明传输,并能在同一架构中实现语音、视频等综合业务的接入。EPON作为新兴接入网技术的突出优势在于低成本、易维护和扩展性好。EPON系统由OLT与ONU构成。
  
ONU硬件系统设计
  系统硬件由嵌入式控制模块和网络交换模块两部分构成。嵌入式控制模块是ONU的控制和管理核心,它为嵌入式Linux操作系统的运行提供硬件平台,通过它来实现对网络交换模块的控制与配置,实现网络交换模块的正常运行。网络交换模块提供以太帧的交换与转发功能,嵌入式控制模块通过PCI总线与网络交换模块进行通信,访问网络交换模块内部各芯片的寄存器,对各芯片进行配置并获取各个芯片的状态信息。网络交换模块内部的交换芯片BCM5615将嵌入式控制模块对它的访问,转换为自己对网络交换模块内部各芯片的访问,这样就实现了嵌入式控制模块对网络交换模块内部各芯片的管理。

嵌入式控制模块接口设计
嵌入式处理器MPC8245简介
  MPC8245由一个外设逻辑块和一个32位超标量体系结构PowerPC处理器内核构成。在外设逻辑块中集成了一个PCI桥、DUART、内存控制器、DMA控制器、EPIC中断控制器、一个消息单元和一个I2C控制器。处理器内核支持浮点运算和内存管理,具有16KB指令高速缓存(cache),16KB数据cache和电源管理特性。MPC8245内含一外设逻辑总线,用于连接处理器内核和外设逻辑块。处理器内核可在多种不同的频率下工作。MPC8245既可用作PCI host,也可用作PCI代理控制器。支持多达2GB的SDRAM;支持1~8组的4MB,16MB,64MB,128MB,或256MB存储器。

时钟电路
  MPC8245输入时钟由33MHz的的晶振通过零延时缓冲器产生四路时钟信号,一路作为MPC8245的PCI总线时钟和内核的输入时钟,系统时钟信号OSC_IN未用,需要接地。MPC8245的引脚PLL_CFG[0:4]用于配置倍频因子,经过内部倍频器,产生SDRAM时钟和166MHz的CPU内核时钟。一路作为RTL8139的PCI总线时钟,一路作为BCM5615的PCI总线时钟。

PCI总线接口

  PCI总线工作在33MHz,设计中要保证PCI时钟的时钟相位偏移小于2ns,否则,系统可能无法正常工作。MPC8245作为PCI主处理器,RTL8139和BCM5615的REQ#、GNT#分别连到MPC8245的REQ[0:1]#、GNT[0::1]#,由MPC8245来实现总线的仲裁。利用地址线AD31,AD30来决定RTL8139、BCM5615的IDSEL,实现PCI总线配置访问时对RTL8139、BCM5615的片选。这种方法会使AD31,AD30线上增加一个负载,因此将它们的IDSEL通过1K电阻耦合到AD31、AD30上来解决负载加重的问题。PCI总线的控制信号都要求有上拉电阻,保证它们在没有驱动设备驱动总线的情况下仍然具有稳定的值,因而?FRAME#、TRDY#、IRDY#、DEVSEL#、STOP#、SERR#和PERR#这些信号使用10K?电阻上拉。

Flash

  在MPC8245?中,ROM/Flash被分为2个BANK,BANK0的地址为0xFF800000~0xFFFFFFFF,片选为/RCS0,RCS0接存储代码的存储器片选;BANK1的地址为0xFF000000~0xFF7FFFFF,片选为/RCS1。ROM/Flash/SRAM工作在不同的数据宽度(8位,16位,32位,64位)地址总线下,复位时,MPC8245的引脚MDL0、/FOE决定启动数据位宽度;复位后,硬件复位配置字决定数据的宽度。

  本设计中选择512KB的Flash作为Bootloader代码存储器,系统工作在8位模式,对应的地址为0xFF800000~0xFF87FFFF。选用两片AM29LV320B分别作为Bootloader/Linux内核和文件存储器,AM29LV320B是32Mb、单3.3V电源供电的闪存,编程和擦写电压由内部产生,与JEDEC单电源闪存标准兼容;可组成4M×8Bit或2M×16Bit的存储器。可用标准EPROM编程器进行编程;存取时间最短为70ns;独立的片选(CE#)、写使能(WE#)和输出使能(OE#)控制,可减小对总线的压力。片选RCS1、RCS2分别选择两片Flash,RCS1选中的Flash对应的地址为0xFF000000~0xFF3FFFFF,RCS2选中的Flash地址由编程决定。

  跳线J1用来将RCS0接到Flash1,RCS1接到Flash0,这样在Bootloader代码运行后,将Bootloader代码、Linux内核代码都烧到Flash1,节约一片512KB的Flash,同时留下RCS2、RCS3片选信号,留作以后扩展Flash用。

SDRAM

  32MB的SDRAM由两片HY57V283220T组成。MPC8245的SDRAM接口使用一个片选信号CS1,同时作为两片HY57V283220T的片选,构成64位数据的SDRAM。HY57V283220T是4?Bank×1M×32Bit的CMOS?SDRAM,单3.3±0.3V电源供电,所有引脚与LVTTL接口兼容,所有输入和输出都以系统时钟的上升沿为参考。
CONSOLE和EMS接口电路

  串行通信通过MAX232芯片实现,工作在3.3V工作电压,它的体积比较小,工作稳定。通过串口可实现对ONU的网络管理。使用常用的PHY芯片RTL8139扩展一个10Mbps网口,使得在Bootloader代码引导系统后,通过该网口下载Linux内核代码,系统运行后通过该网口对ONU进行WEB管理。

交换模块接口设计
  以太网交换模块由1个BCM5615交换芯片、3个BCM5228BPHY芯片、1个BCM5221PHY芯片、1个HDMP-1636A千兆SERDES和SDRAM芯片组成。该模块提供1个千兆光口(1000BASE-LX),25个百兆光口(100BASE-FX),是实现ONU功能的核心部分。一个千兆口作为PON的接收端口,接收OLT广播发送的数据包;另一个千兆口连接成百兆口,作为PON的发送端口,向OLT发送数据,该端口发射的是特殊波长的光。通过特殊的交换机制来实现ONU与OLT的连接。

BCM5615芯片简介
  BCM5615是集成多层交换芯片,是以太网交换模块的核心。它具有24个10/100Mbps和2个10/100/1000Mbps以太网口;具有2层和3层交换和2~7层过滤功能;可实现全线速交换,交换速率达670万包/秒;支持IEEE?802.1Q.D;具有256KB的内部数据包存储器,可以用SDRAM扩展64MB外部数据包存储器。

  本设计选用3片BCM5228B来提供24个PHY端口。BCM5228B是物理层器件,单片内包含8个独立的PHY(端口)。BCM5615通过串行MII管理接口管理3个BCM5228B芯片的24个PHY端口,系统对BCM5228B的访问就是通过转化为BCM5615的串行MII管理接口上的操作来实现的。BCM5228B每个PHY端口的管理地址由PHYADD[4::0]引脚设置,若BCM5228B的PHYADD[4::0]为PHYAD,则每片8个端口对应的管理地址分别为ADDR=PHYAD+PORTX,PORTX为每个PHY端口的编号。

时钟电路

  BCM5615的芯核时钟由133MHz的晶振产生,设计PCB时,应尽量靠近BCM5615的时钟输入引脚,BCM5615的GMII时钟与MII时钟均为125MHz,由125MHz的晶振通过74LCX245缓冲后产生四路125MHz的时钟源,输入到BCM5615的GMII_CLKIN引脚和3片BCM5228的REF_CLK引脚。注意连接到BCM5228B的时钟线应该等长,不管千兆口是否使用,GMII_CLKIN的时钟都必须提供。

系统复位电路

  系统复位电路采用IMP811复位芯片,通过74LCX245缓冲后产生多路复位信号,分别接到各个芯片的复位引脚。为了可靠复位,要求复位信号的上升沿不能有振荡现象发生。

系统软件设计
  本文选择Linux作为操作系统,使用Broadcom公司提供的软件开发包SDK开发BCM5615的驱动程序。PPCBOOT是独立于其它软件的,它只负责初始化并配置有关硬件,然后调用Linux内核映像引导操作系统运行,其它软件分为用户空间程序和内核空间程序两大部分。在内核空间运行嵌入式Linux操作系统、BCM5615驱动程序、RTL8139网口驱动程序、实现STP的STP内核模块、为方便整个软件系统设计和实现而采用的虚拟设备VND和VCD。它们之间的接口关系是:Linux提供内核API给BCM5615驱动和其它Linux可动态加载内核模块,如STP、VND、VCD、RTL8139网卡驱动等。

ASIC驱动

  ASIC驱动主要是完成对BCM5615的初始化和配置工作,并为上层服务提供接口。其中SAL层的目的就是把操作系统所提供的各种服务映射为驱动程序本身的API。第二层即中间层,也可以说是整个驱动程序的核心层,它建立在SAL之上,其设计目标主要是提供底层寄存器和存储器的访问、PCI总线操作、DMA操作以及中断处理函数等。驱动程序的顶层是API层,它建立在DRV层之上,是对DRV有关部分的封装,从而为上层的其他软件模块提供各种服务,其他模块通过调用这一层的函数来访问和控制ASIC。ASIC驱动提供的API对用户进程来说是无法直接调用的,因此本文设计了一个虚拟的字符设备(TTY),并编写其驱动程序,同时在/dev目录下用mknod命令建立相对应的字符设备文件。

  对操作系统来说,BCM5615的26个端口对应于一个物理PCI设备,即ASIC,它们共享一个PCI通道和地址空间。这给那些与网络设备紧密相关的软件带来不少麻烦,因此可以把26个端口设计成26个虚拟网络设备(VND)并编写其驱动程序。因此,SNMPD和生成树协议软件所看到的是26个虚拟网卡,和普通的网卡并无区别。
结语
  本文采用波分多址(WDMA)实现的EPON系统,与同类产品相比较,有实现简单、性能好、易于升级、系统造价低的优势,已经在宽带接入网中获得重要应用。

关键字:总线  模块  时钟  内核

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/network/200607/5175.html
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