隨著網絡技術的發(fā)展，網絡通信控制器的應用已經越來越廣泛。集成PowerPC微處理器的MPC8560 PowerQUICC Ⅲ作為一個多用途、高性能的通信微處理器，具有非常靈活的一體化單元系統(tǒng)和外圍通信控制器，能被廣泛運用于通信和網絡系統(tǒng)，是目前為電信和網絡市場而設計的最先進的集成通信微處理器之一。它集成了豐富的網絡和通信外圍設備，提供了更大的靈活性、擴展能力和更高的集成度。
MPC8560簡介
MPC8560內部集成了兩個處理模塊：一個高性能嵌入式PowerPC e500內核和一個通信處理模塊（CPM）。此外，該芯片還提供了片內緩存、DDR控制器、可編程中斷控制器、通用I/O口、DMA和I2C等多種接口控制器。
與使用較多的MPC8260最大的不同是，MPC8560增加了兩個三速以太網控制器（Three-Speed Ethernet Controller，TSEC），實現了10Mb/s、100Mb/s和1Gb/s三種不同速度的以太網協(xié)議接口控制。本文將主要討論如何使用這兩個TSEC實現吉比特以太網接口。
吉比特以太網物理層協(xié)議及接口
參考文獻上對于網絡協(xié)議的介紹往往局限于對協(xié)議分層的理論分析，對網絡協(xié)議尤其是吉比特以太網協(xié)議在實際應用中的接口討論較少，本文將對吉比特以太網協(xié)議在應用中的接口作總結性的介紹。
吉比特以太網協(xié)議的數據鏈路層與傳統(tǒng)的10/100Mb/s以太網協(xié)議相同，但物理層有所不同。三種協(xié)議與OSI七層模型的對應關系如圖1所示。
圖1 三種以太網協(xié)議與OSI模型的對應關系
從圖1可以看出，吉比特以太網協(xié)議與10/100Mb/s以太網協(xié)議的差別僅僅在于物理層。圖中的PHY表示實現物理層協(xié)議的芯片；協(xié)調子層（Reconciliation sublayer）用于實現指令轉換；MII（介質無關接口）／GMII（吉比特介質無關接口）是物理層芯片與實現上層協(xié)議的芯片的接口；MDI（介質相關接口）是物理層芯片與物理介質的接口；PCS、PMA和PMD則分別表示實現物理層協(xié)議的各子層。在實際應用系統(tǒng)中，這些子層的操作細節(jié)將全部由PHY芯片實現，只需對MII和MDI接口進行設計與操作即可。
吉比特以太網的物理層接口標準主要有四種：GMII、RGMII（Reduced GMII）、TBI（Ten-Bit Interface）和RTBI（Reduced TBI）。GMII是標準的吉比特以太網接口，它位于MAC層與物理層之間。對于TBI接口，圖1中PCS子層的功能將由MAC層芯片實現，在降低PHY芯片復雜度的同時，控制線也比GMII接口少。RGMII和RTBI兩種接口使每根數據線上的傳輸速率加倍，數據線數目減半。
由此可見，使用TBI接口來實現吉比特以太網接口所用的控制線和數據線比GMII接口少，因此設計與使用相對容易。雖然TBI接口比RTBI接口的數據線多，但是每根數據線上的傳輸速率可以低一倍，大大降低了PCB布板的難度。因此，相對其他方式，使用TBI接口實現起來最簡單，難度最低。此外，TBI接口的PHY芯片比GMII接口的PHY芯片成本低很多。對于同時提供GMII和TBI兩種接口的芯片，推薦使用TBI接口設計方案。
MPC8560與PHY芯片的接口設計
MPC8560對四種不同的接口標準都提供了支持，本文僅討論TBI接口。
TLK2201芯片是支持TBI和RTBI兩種接口的單信道吉比特以太網絡收發(fā)器。它是業(yè)界第一批符合802.3規(guī)格的2.5V器件，無須任何外接電容，這可以節(jié)省電路板面積，減少零件的數目，從而降低產品的成本。此外，該芯片的功耗也相當低。
圖2 MPC8560與TLK2201的接口設計
MPC8560與TLK2201的連接如圖2所示。需要注意的是，TD0～TD9和RD0～RD9并不全是數據線。TD8對應Tx_ER，作為發(fā)送出錯標志位；TD9對應Tx_EN，作為發(fā)送使能位；RD8對應Rx_DV，作為接收數據有效位；RD9對應Rx_ER，作為接收差錯檢測位。
此外還應注意到，圖中使用的是SFP（可插拔）光模塊，這是因為TLK2201只提供了光模塊吉比特以太網接口。
對TSEC控制器的初始化
MPC8560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TSEC的吉比特網絡接口。
- 設置MACCFG1寄存器，對MAC進行軟復位；
- 清除MACCFG1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）；
- 初始化寄存器ECNTRL，設置接口為TBI標準；
- 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IEVENT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(qū)大??；
- 設置收發(fā)緩沖描述符（Buffer Descriptor，BD）；
- 設置MACCFG1中的收發(fā)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(wěn)定狀態(tài)，不能馬上執(zhí)行下一步的操作，需要作一定的延遲等待。通常，可以讀取相應的狀態(tài)寄存器以判斷是否可以繼續(xù)下一步，也可以使用某些操作系統(tǒng)提供的定時延遲來完成，如VxWorks中的taskDelay()。
測試及其結果
為了測試設計好的吉比特以太網接口的性能，將吉比特以太網接口與專門測試網絡接口性能的儀器SmartBits相連。一個最為簡單的測試方法是使用SmartBits發(fā)送數據包到MPC8560的吉比特以太網接口，MPC8560接到數據包后，將數據直接返還給SmartBits。SmartBits將會統(tǒng)計并顯示測試結果。
圖3 吉比特以太網接口測試結果
測試結果如圖3所示，傳輸速率（Rates）可以達到1Gb/s左右，而且還略有裕量。
為了測試吉比特以太網接口更為全面的性能，需要對不同大小的數據包、突發(fā)大量數據流等進行測試，限于篇幅，不再討論具體的測試細節(jié)。
設計中的注意事項
由于數據線上的傳輸速率相對較高，硬件部分的設計需要注意以下幾點。
- TBI接口每根數據線的傳輸速率是125Mb/s，為了保證采樣與信號的同步，接收信號線RD0～RD9的長度和接收時鐘線RxCLK必須等長。同理，發(fā)送信號線TD0～TD9的長度和發(fā)送時鐘線TxCLK也必須等長。
- 為了保證阻抗匹配，TBI接口所有信號線的阻抗必須控制在50Ω±5%。
- 光模塊的輸入信號是高速差分信號，設計時應該注意接收與發(fā)送的兩對差分信號線必須等長。同時，差分阻抗需要控制在100Ω±5%，以保證阻抗匹配。
- 為了保證電源干凈，TLK2201的PLL電源輸入端必須加濾波器。
驅動軟件部分的設計需要注意以下幾點。 - GE端口收發(fā)對于軟件處理能力要求較高，需要仔細設計收發(fā)緩沖區(qū)的深度，合理調度收發(fā)處理程序，保證數據收發(fā)性能。
- 對于BD表的維護，需要正確維護BD讀寫指針和BD的狀態(tài)標志位，以避免緩沖區(qū)重疊和溢出。尤其應注意BD讀寫指針需要根據收發(fā)緩沖區(qū)的大小，在合適位置進行循環(huán)。
- 如果設置了PHY使用自協(xié)商（auto-negotiation）方式，一定要在自協(xié)商方式正常工作后，才能設置TSEC是否使用全雙工或半雙工模式。
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