作者：胡元兵，劉海，劉德明

千兆以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）是一種點(diǎn)到多點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光接入網(wǎng)技術(shù)，采用無源光器件連接局端和遠(yuǎn)端設(shè)備，實現(xiàn)以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的透明傳輸，并能在同一架構(gòu)中實現(xiàn)語音、視頻等綜合業(yè)務(wù)的接入。EPON作為新興接入網(wǎng)技術(shù)的突出優(yōu)勢在于低成本、易維護(hù)和擴(kuò)展性好。EPON系統(tǒng)由OLT與ONU構(gòu)成。

ONU硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)硬件由嵌入式控制模塊和網(wǎng)絡(luò)交換模塊兩部分構(gòu)成。嵌入式控制模塊是ONU的控制和管理核心，它為嵌入式Linux操作系統(tǒng)的運(yùn)行提供硬件平臺，通過它來實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)交換模塊的控制與配置，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換模塊的正常運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)交換模塊提供以太幀的交換與轉(zhuǎn)發(fā)功能，嵌入式控制模塊通過PCI總線與網(wǎng)絡(luò)交換模塊進(jìn)行通信，訪問網(wǎng)絡(luò)交換模塊內(nèi)部各芯片的寄存器，對各芯片進(jìn)行配置并獲取各個芯片的狀態(tài)信息。網(wǎng)絡(luò)交換模塊內(nèi)部的交換芯片BCM5615將嵌入式控制模塊對它的訪問，轉(zhuǎn)換為自己對網(wǎng)絡(luò)交換模塊內(nèi)部各芯片的訪問，這樣就實現(xiàn)了嵌入式控制模塊對網(wǎng)絡(luò)交換模塊內(nèi)部各芯片的管理。

嵌入式控制模塊接口設(shè)計

嵌入式處理器MPC8245簡介

MPC8245由一個外設(shè)邏輯塊和一個32位超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)PowerPC處理器內(nèi)核構(gòu)成。在外設(shè)邏輯塊中集成了一個PCI橋、DUART、內(nèi)存控制器、DMA控制器、EPIC中斷控制器、一個消息單元和一個I2C控制器。處理器內(nèi)核支持浮點(diǎn)運(yùn)算和內(nèi)存管理，具有16KB指令高速緩存（cache）， 16KB數(shù)據(jù)cache和電源管理特性。MPC8245內(nèi)含一外設(shè)邏輯總線，用于連接處理器內(nèi)核和外設(shè)邏輯塊。處理器內(nèi)核可在多種不同的頻率下工作。MPC8245既可用作 PCI host，也可用作PCI代理控制器。支持多達(dá)2GB的SDRAM；支持1“8 組的4MB， 16MB， 64MB， 128MB， 或256MB存儲器。

時鐘電路

MPC8245輸入時鐘由33MHz的的晶振通過零延時緩沖器產(chǎn)生四路時鐘信號，一路作為MPC8245的PCI總線時鐘和內(nèi)核的輸入時鐘，系統(tǒng)時鐘信號OSC_IN未用，需要接地。MPC8245的引腳PLL_CFG［0:4］用于配置倍頻因子，經(jīng)過內(nèi)部倍頻器，產(chǎn)生SDRAM時鐘和166MHz的CPU內(nèi)核時鐘。一路作為RTL8139的PCI總線時鐘，一路作為BCM5615的PCI總線時鐘。

PCI總線接口

PCI總線工作在33MHz，設(shè)計中要保證PCI時鐘的時鐘相位偏移小于2ns，否則，系統(tǒng)可能無法正常工作。MPC8245作為PCI 主處理器，RTL8139和BCM5615的REQ#、GNT#分別連到MPC8245的REQ［0：1］#、GNT［0：：1］#，由MPC8245來實現(xiàn)總線的仲裁。利用地址線AD31，AD30來決定RTL8139、BCM5615的IDSEL， 實現(xiàn)PCI總線配置訪問時對RTL8139、BCM5615的片選。這種方法會使AD31，AD30線上增加一個負(fù)載，因此將它們的IDSEL通過1K？電阻耦合到AD31、AD30上來解決負(fù)載加重的問題。PCI總線的控制信號都要求有上拉電阻，保證它們在沒有驅(qū)動設(shè)備驅(qū)動總線的情況下仍然具有穩(wěn)定的值，因而 FRAME#、TRDY#、IRDY#、DEVSEL#、STOP#、SERR#和PERR#這些信號使用10K？電阻上拉。

Flash

本設(shè)計中選擇512KB的Flash作為Bootloader代碼存儲器，系統(tǒng)工作在8位模式，對應(yīng)的地址為0xFF800000”0xFF87FFFF。選用兩片AM29LV320B分別作為Bootloader/Linux內(nèi)核和文件存儲器，AM29LV320B是32 Mb、單3.3V電源供電的閃存，編程和擦寫電壓由內(nèi)部產(chǎn)生，與JEDEC單電源閃存標(biāo)準(zhǔn)兼容；可組成4M×8Bit或2M×16Bit的存儲器?？捎脴?biāo)準(zhǔn)EPROM編程器進(jìn)行編程；存取時間最短為70ns；獨(dú)立的片選（CE#）、寫使能（WE#） 和輸出使能（OE#）控制，可減小對總線的壓力。片選RCS1、RCS2分別選擇兩片F(xiàn)lash，RCS1選中的Flash對應(yīng)的地址為0xFF000000“0xFF3FFFFF，RCS2選中的Flash地址由編程決定。

跳線J1用來將RCS0接到Flash1，RCS1接到Flash0，這樣在Bootloader代碼運(yùn)行后，將Bootloader代碼、Linux內(nèi)核代碼都燒到Flash1，節(jié)約一片512KB的Flash，同時留下RCS2、RCS3片選信號，留作以后擴(kuò)展Flash用。

SDRAM

32MB的SDRAM由兩片HY57V283220T組成。MPC8245的SDRAM接口 使用一個片選信號CS1，同時作為兩片HY57V 283220T的片選，構(gòu)成64位數(shù)據(jù)的SDRAM。 HY57V283220T是4 Bank×1M×32Bit的CMOS SDRAM，單3.3±0.3V電源供電，所有引腳與LVTTL接口兼容，所有輸入和輸出都以系統(tǒng)時鐘的上升沿為參考。

CONSOLE和EMS接口電路

串行通信通過MAX232芯片實現(xiàn)，工作在3.3V工作電壓，它的體積比較小，工作穩(wěn)定。通過串口可實現(xiàn)對ONU的網(wǎng)絡(luò)管理。使用常用的PHY芯片RTL8139擴(kuò)展一個10Mbps網(wǎng)口，使得在Bootloader代碼引導(dǎo)系統(tǒng)后，通過該網(wǎng)口下載Linux內(nèi)核代碼，系統(tǒng)運(yùn)行后通過該網(wǎng)口對ONU進(jìn)行WEB管理。

交換模塊接口設(shè)計

以太網(wǎng)交換模塊由1個BCM5615交換芯片、3個BCM5228B PHY芯片、1個BCM5221PHY芯片、1個HDMP-1636A千兆SERDES和SDRAM芯片組成。該模塊提供1個千兆光口（1000BASE-LX），25個百兆光口（100BASE-FX），是實現(xiàn)ONU功能的核心部分。一個千兆口作為PON的接收端口，接收OLT廣播發(fā)送的數(shù)據(jù)包；另一個千兆口連接成百兆口，作為PON的發(fā)送端口，向OLT發(fā)送數(shù)據(jù)，該端口發(fā)射的是特殊波長的光。通過特殊的交換機(jī)制來實現(xiàn)ONU與OLT的連接。

BCM5615芯片簡介

BCM5615是集成多層交換芯片，是以太網(wǎng)交換模塊的核心。它具有24個10/100Mbps和2個10/100/1000Mbps以太網(wǎng)口；具有2層和3層交換和2”7層過濾功能；可實現(xiàn)全線速交換，交換速率達(dá)670萬包/秒；支持IEEE 802.1Q.D；具有256KB的內(nèi)部數(shù)據(jù)包存儲器，可以用SDRAM擴(kuò)展64MB外部數(shù)據(jù)包存儲器。

本設(shè)計選用3片BCM5228B來提供24個PHY端口。BCM5228B是物理層器件，單片內(nèi)包含8個獨(dú)立的PHY（端口）。BCM5615通過串行MII管理接口管理3個 BCM5228B芯片的24個PHY端口，系統(tǒng)對BCM5228B的訪問就是通過轉(zhuǎn)化為BCM5615的串行MII管理接口上的操作來實現(xiàn)的。BCM5228B每個PHY端口的管理地址由PHYADD［4：：0］引腳設(shè)置，若BCM5228B的PHYADD［4：：0］為PHYAD，則每片8個端口對應(yīng)的管理地址分別為ADDR=PHYAD+ PORTX，PORTX為每個PHY端口的編號。

時鐘電路

BCM5615的芯核時鐘由133MHz的晶振產(chǎn)生，設(shè)計PCB時，應(yīng)盡量靠近BCM5615的時鐘輸入引腳，BCM5615的GMII時鐘與MII時鐘均為125MHz，由125MHz的晶振通過74LCX245緩沖后產(chǎn)生四路125MHz的時鐘源，輸入到BCM5615的GMII_CLKIN引腳和3片BCM5228的REF_CLK引腳。注意連接到BCM5228B的時鐘線應(yīng)該等長，不管千兆口是否使用，GMII_CLKIN的時鐘都必須提供。

系統(tǒng)復(fù)位電路

系統(tǒng)復(fù)位電路采用IMP811復(fù)位芯片，通過74LCX245緩沖后產(chǎn)生多路復(fù)位信號，分別接到各個芯片的復(fù)位引腳。為了可靠復(fù)位，要求復(fù)位信號的上升沿不能有振蕩現(xiàn)象發(fā)生。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文選擇Linux作為操作系統(tǒng)，使用Broadcom公司提供的軟件開發(fā)包SDK開發(fā)BCM5615的驅(qū)動程序。PPCBOOT是獨(dú)立于其它軟件的，它只負(fù)責(zé)初始化并配置有關(guān)硬件，然后調(diào)用Linux內(nèi)核映像引導(dǎo)操作系統(tǒng)運(yùn)行，其它軟件分為用戶空間程序和內(nèi)核空間程序兩大部分。在內(nèi)核空間運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)、BCM5615驅(qū)動程序、RTL8139網(wǎng)口驅(qū)動程序、實現(xiàn)STP的STP內(nèi)核模塊、為方便整個軟件系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)而采用的虛擬設(shè)備VND和VCD。它們之間的接口關(guān)系是：Linux提供內(nèi)核API給BCM5615驅(qū)動和其它Linux可動態(tài)加載內(nèi)核模塊，如STP、VND、VCD、RTL8139網(wǎng)卡驅(qū)動等。

ASIC驅(qū)動

ASIC 驅(qū)動主要是完成對BCM5615的初始化和配置工作，并為上層服務(wù)提供接口。其中SAL 層的目的就是把操作系統(tǒng)所提供的各種服務(wù)映射為驅(qū)動程序本身的API。第二層即中間層，也可以說是整個驅(qū)動程序的核心層，它建立在SAL 之上，其設(shè)計目標(biāo)主要是提供底層寄存器和存儲器的訪問、PCI 總線操作、DMA 操作以及中斷處理函數(shù)等。驅(qū)動程序的頂層是API層，它建立在DRV層之上，是對DRV 有關(guān)部分的封裝，從而為上層的其他軟件模塊提供各種服務(wù)，其他模塊通過調(diào)用這一層的函數(shù)來訪問和控制ASIC。ASIC 驅(qū)動提供的API 對用戶進(jìn)程來說是無法直接調(diào)用的，因此本文設(shè)計了一個虛擬的字符設(shè)備（TTY），并編寫其驅(qū)動程序，同時在/dev 目錄下用mknod 命令建立相對應(yīng)的字符設(shè)備文件。

對操作系統(tǒng)來說，BCM5615的26 個端口對應(yīng)于一個物理PCI 設(shè)備，即ASIC，它們共享一個PCI通道和地址空間。這給那些與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備緊密相關(guān)的軟件帶來不少麻煩，因此可以把26 個端口設(shè)計成26 個虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（VND）并編寫其驅(qū)動程序。因此，SNMPD 和生成樹協(xié)議軟件所看到的是26 個虛擬網(wǎng)卡，和普通的網(wǎng)卡并無區(qū)別。

結(jié)語

本文采用波分多址（WDMA）實現(xiàn)的EPON系統(tǒng)，與同類產(chǎn)品相比較，有實現(xiàn)簡單、性能好、易于升級、系統(tǒng)造價低的優(yōu)勢，已經(jīng)在寬帶接入網(wǎng)中獲得重要應(yīng)用。

責(zé)任編輯：gt