[硕士论文精品]基于mpc_860的无线网桥_ap硬件设计和实现

摘要目前，在个人通信中“于任何时间，为任何地点的用户提供任何类型的数据传输服务”这一目标随着技术的发展，已经越来越接近现实。基于IEEE90211系列的通信协议标准，无线局域网技术正以其越来越高的传输能力和越来越广泛的应用领域，而有望最先实现这一目标，成为近期研究的热点。在这篇论文中，首先对无线局域网的发展历史作了说明，阐述了无线局域网的特点和发展前景；其次对IEEE80211协议作了介绍，构画出IEEE80211定义的拓扑结构和逻辑结构，给出了该协议对AP和无线网桥的定义，以及对MAC层和物理层中关键技术的规定，作者还分析了IEEE8021LA、IEEE80211B和最新的IEEE802119各自不同的特点和前景；接下来结合IEEE80211对无线网桥和AP所定义的服务和所需功能的描述，确定了我们进行嵌入式系统开发的目标，并对嵌入式系统独具特点的操作系统、处理芯片和硬件开发平台作了研究。在前面工作的基础上，我们结合对MOTOLORA公司的POWPC系列高性能通信处理器MPC860的理解，选择使用这款处理器设计开发了符合IEEE802，11标准的无线AP网桥的硬件平台，作者完成了硬件试验电路板的整个研发流程，包括原理图到PCB布线，以及板上器件芯片选择，在本论文中结合自己的体会对如何设计硬件各功能模块，从而有效使用860芯片的强大通信功能作了细致阐述，例如，如何设计860芯片的外围开发及支持电路时钟电路、电源电路、重启电路和调试口BDM；如何设计存储器子系统与860配合；如何设计MPC860的IO接口以太网与无线网接口，形成整个通信系统。最后，对这次设计出现的问题作一个小节，并给出后续工作的一些建议作为文章的结尾。关键词无线局域网，IEEE80211，MPC860，接入点AP，网桥WB，嵌入式系统ABSTRACTWITHTHETECHNOLOGYPROGRESSINTELECOMMUNICATION，THEGOALTHAT“TOPROVIDESERVICESOFANYTYPEDATATRANSMISSIONFORPEOPLEINANYTIMEANDANYWHERE”ISCLOSINGTOREALIZATIONWHILEWITHITSMOREPOWERFULABILITYINDATATRANSMISSIONANDMOREAPPLICATIONFIELDS，THEWIRELESSLANTECHNOLOGYBASEDONIEEE80211STANDARDISMOREHOPEFULTOACHIEVETHISGOALINTHISPAPER，FIRSTLY，DESCRIBEDTHEDEVELOPMENTOFWLAN，ANDANALYZEDTHECHARACTERISTICANDTECHNOLOGYOFTHEWLANANDITSFUTURETHENDISCUSSEDMAINCONTENTSOFIEEE80211ANDTHEARCHITECTUREDEFINEDBYIEEE80211SOMEKEYASPENSABOUTMACANDPHYLAYERINWIRELESSLANWEREALSOINCLUDEDWITHTHEDEFINITIONSANDSERVICESOFWBAPPROVIDEDBYIEEE80211WEAIMEDATAEMBEDDEDSYSTEMTOREALIZEWBAP,INTHATCHAPTERSOMEANALYSEWEREGIVENABOUTEMBEDDEDOPERATIONSYSTEM，EMBEDDEDPROCESSORANDEMBEDDEDDEVELOPMENTTOOLSONTHEBASISOFTHEPRECIOUSWORK，PUTFORWARDAN11MBPSWLANPROJECTTODEVELOPACCESSPOINTAPANDWIRELESSBRIDGEWBBASEDONTHEMAINSERVICESSPECIFIEDINTHE80211BSTANDARD，THEFOCUSOFTHISPAPERAREMAINLYCONCERNEDABOUTTHEHARDWAREDESIGNOFAPANDWB，MAINWORKWASDESIGNAHARDWAREBOARDTOSUPPORFTHESOFTWAREANDPROGRAMSRUNONMPC860WITHTHEUNDERSTANDINGOFMPC860ANDEXPERIENCEINDEVELOPMENT，AUTHORDETAILEDTHEHARDWAREFUNCTIONMODULESPROVIDEDBYMPC860KEYWORDSWLAN，IEEE80211，MPC860，ACCESSPOINTAP，WIRELESSBRIDGEWBEMBEDDEDSYSTEM511无线局域网第一章绪论早在上世纪70年代，ETHEMET以太网的完善使计算机的面目彻底改观。现在，用户可以高速共享和传输资源，这些新设施的投资也低到可接受的地步，硬件成本低，线路成本低，基础的电缆技能也有许多电信技师做保障。但这项精彩的新技术也随着时间的推移显露了其局限性其一，用户被困在网中央，一线牵动全局，涉及到它的灵活性后人们终于发现它不如远看那样美；同时，用户也不得不凿壁取线，而许多实例都证明对于“古老”建筑来说这是不可取的方案，因为那样需要移动石棉等冗杂物，而且这样的做法也非常不经济。无线局域网WIRELESSLANWLAN是这样一个数据传输系统它通过无线电波而不是电缆结构，在计算设备之间提供与设备位置无关的网络接入。在公司或企业中，无线局域网通常是作为一组客户机同已有的有线网络之间的末级链路而得以实现，给这些用户提供通向企业网内所有资源和服务的无线通道。对广大的商业用户来说，WLAN即将成为一种主流的连接解决方案，它解决了上述以太网的局限性，抛开了线缆的牵制。第一个无线局域网技术运行在900MHZ波段上而且速度较低12MBS，只有少部分人能享用。尽管存在这些缺点，“无线”的自由和使用弹性使这些早期产品在诸如零售和大商场里都找到了一席之地，它们符合需要无线手持设备进行细致管理和数据连接的人们的需求。大约在1992年的时候，无线LAN创始者们开发出工作在未经许可不受限制的24GHZ频率波段上的产品。这拓展了另外两个市场在医疗领域，利用其强大的可移动功能，开始使用便携式电脑传输患者资料同样的，它也随着计算机的普及而逐渐进入教室，教育机构开始安装无线网络，以避免有线网络的高成本。1997年6月，曾定义了占统治地位的IEEE8023以太网标准的IEEE，发布了用于无线本地网络的IEEE80211标准。IEEE80211标准支持用红外线进行传输和以不受限制的ISM频段一一24GHZ频率波段进行两种无线电广播传送FREQUENCYHOPPINGSPREADSPECTRUMFHSS，频率跳动分布光谱和DIRECTSEQUENCESPREADSPECTRUMDSSS，真接序列分布光谱。IEEE8021LB是IEEE8021L标准的扩展，传输速度达到11MBS。近年来以局域网为代表的计算机通信网和以数字蜂窝电话网为代表的移动通信网得到了迅速的发展，人们对通信的需求也不断提高，在相关的技术进步的基础上提出了“个人通信”的概念。无线局域网WLAN以其高性能的传输能力，使得一个高速的移动计算网络有可能成为个人通信中十分重要的组成部分，在将来，移动计算网络和超高速有线局域网必将构成个人通信的网络基础。而新一代移动计算网络的研究和发展将会是实现个人通信的一个必不可少的前提，对移动计算网络的技术和性能性研究分析对于新一代移动计算网络的发展具有重大的意义。12嵌入式系统我们设计开发的无线网桥和接入点AP使用MPC860作为中央处理单元，行使作为网桥和AP的功能并对网络提供服务，是一个典型的嵌入式系统，它使用了嵌入式实时操作系统VXWORKS。嵌入式系统被定义为以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外部设备中就包含了510个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、MODEM、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。美国著名未来学家尼葛洛庞帝1999年1月访华时预言，45年后嵌入式智能电脑工具将是PC和因特网之后最伟大的发明。我国著名嵌入式系统专家、华中科技大学教授沈绪榜院士1998年11月在武汉全国第11次微机学术交流会上发表的计算机的发展与技术一文中，对未来10年以嵌入式芯片为基础的计算机工业给出了十分舍人鼓舞的展望。从2002年以来的技术发展看，嵌入式系统的研发项目已经显示了其独特的魅力和潜力，成为IT界追逐的热点。作为嵌入式处理器中的一个分支，摩托罗拉公司的POWERPC处理器早已广为人知，其在全世界通信处理器市场上处于无可争议的领袖地位。迄今为止它已经向全球350多家客户销出了L亿多只通信处理器，并赢得了5000多项设计合同，萁哮L大帮分归功予它豹POWERQUICCTM鲶璞嚣系列。GARTNERDATAQUEST在2002年5月公布的一份报告说，摩托罗拉公司在通信处理器集成魄路市场上的占有率排名第一，占据747的市场份额。1989年推出了MC68302芯片并从此进入通信处理器市场，这也是该行业第一款多协议微处理芯片，继MC68302之后，摩托罗拉公司于1996年捺滋了多用途POWERQUICC系歹I处瑾嚣，MPC860就是冀中款舆鍪的高注能遴倍处理器。MPC860POWERQUICC内部集成了微处理器和一些控制领域的常用外围组件，特别适用于通信产晶。POWERQUICC可以被称为MC68360的在网络和数据通信领域的新一代产晶，提高了器件运行的备方面性能，包括器件的适应性、扩建畿力蟊集残痉等。类稼予MC68360QUICC，MPC860POWERQUICC集成了琵令处趱块一个处理块楚嵌入的POWERPC核，另一个是通信处理模块CPM，与MC68360的CPM基本炎似。由于CPM分搬了嵌入式POWERPC核的外围工作任务，这种双处理器体系结构功耗要低于传统的体系结构的处理嚣。1。3论文结构第一章是绪论，简介了无线局域网的发展历史，无线局域网技术的优点以及IEEE8021L标准的出现及其意义简单引出了嵌入式系统的特点和定义繁二章分绍了IEEE802LAN标准系列；套缓TIEEE80211标准；还叙述了IEEE802。11的逻辑结构秘所能提供豹驻务。第三章阐述了IEEE80211规定的WB和AP所需具备的功能和所需提供的服务，确定了用嵌入式系统实现WB和AP的目标，并详细讨论了嵌入式系统的组成，嵌入式实时操作系统鲍特点和嵌入式系统的开发工其，繁霾章详蘩滋爨了系统懿硬箨设诗方寨秘结梅挺錾，核心芯片兹往艉和特点；以及部分具体电路的设计思想等；对每个功能模块中MPC860的作用作了详细描述。每章最后对该部分的工作做了个简要的总结。第二章IEEE80211协议概述协议和标准，在通信系统中起着至关重要的作用，标准所带来的设备互操作性、产品的快速发展、未来升级的稳定性和低廉的价格等等优点是显而易见的。本章中将围绕无线局域网的有关内容就IEEE80211的主要内容作一番讨论，并由此引出无线局域网的一些关键技术和定义在IEEE80211中，该标准定义的协议和可兼容的互联方法，使得通过空气、无线电波和红外线的数据通讯设备，能使用CSMACA机制和载波多路复用协议组成一个局域网媒体接入控制MAC在接入点AP的控制下支持的操作就如同两个独立的站点STATION另外该标准还规定了鉴权，联系和重联系服务，一个可选的加密解密过程，以及一个用于降低能耗的移动站点电源管理。根据IEEE8021L的规定，物理层使用红外线方式可以实现1MB2MB的速率，无线电模式下使用跳频扩频FHSS或直插序列扩频DSSS方法也可实现1MB2MB的速率。更进一步的8021LB中，还添加了通过DSSS方法达到5MB11MB输率的说明。21IEEE802LAN标准系列在深入讨论展开之前，有必要将IEEE80211的背景作一个简单介绍IEEE80211类似的个协议名称是ISOIEC880211，它是ISOFLECJTC1采纳了ANSIIEEESTD802111997的标准后作为ISOIEC的一个草案的名称，在本文中仅就IEEESTD80211作一番讨论。电气和电子工程师协会IEEE是一个于1884年由几个工程师创立的非赢利性业内组织，目的是加强人们对电子技术的重视，在过去的100多年里，IEEE始终保持着稳定的发展态势，IEEE由35个独立协会组成，包括通信协会、计算机协会以及天线和传播协会等。IEEE在出版技术著作、主办会议和研讨会、合格鉴定和标准发展方面发挥着十分重要的作用。ISOTLEINTERNATIONALORGANIZATIONFORSTANDARDIZATION，IECTHEINTERNATIONALELECTROTECHINEALCOMINISSIONIEEE80211标准属于IEEE802标准系列，而IEEE802是一系列关于局域、广域网络的标准，它们之间的关系和结构如图21所示圉圜圜圜圜圜嗽LINKLY聃PHVSI。LL娥R图21IEEE802标准系列这个系列的标准用于处理开放系统互联7层结构中的物理层和数据链路层，IEEE802的系列标准主要包括如下内容夺IEEE8021GLOSSARY术语标、NETWORKMANAGEMENT网络管理、INTEMETWORKING网络互联这些文件加上IEEE802概括和结构，构成了IEEE802标准工作范围。夺IEEE8022LLC逻辑链路控制该标准定义了层2同步和所有IEEE8022LAN类型的差错控制，包括IEEE80211的差错控制。夺IEEE8023CSMACDACCESSMETHODANDPHYSICALLAYERSPECIFICATIONSCSMACD存取方法和物理层规范定义了广为接受的10、100和1000MBIFFS的以太网异步协议，用于双绞线、同轴电缆和光纤。夺IEEE80210SECURITYANDPRIVACYACCESSMETHODANDPHYSICALLAYERSPECIFICATIONS安全保密访问方法和物理层规范既为有线LAN又为无线LAN提供了安全保障。夺IEEE80211WIRELESSACCESSMETHODANDPHSICALLAYERSPECIFICATION无线访问方法和物理层规范包括各种物理介质，有跳频扩频、直接序列扩频，以及数据速率达2MBITS的红外光。几日门引剧引刮22IEEE80211所描述的系统架构221拓扑结构在IEEE80211中，无线网络的最基本的组成单元被称为基本业务区BSABASICSERVICEAREA，我们通常称之为小区CELL，而在一个BSA内彼此之间相互联系，相互通信的一组主机组成了一个基本业务组BSSBASICSERVICESET，通常我们把介质访问控制层和物理层的接口规范符合无线介质特性的设备，如计算机等，称为主机STASTATION。因为在无线环境下，传播延时和信号衰落是动态和不可准确预测的，所以所谓的基本服务区实际上只是个概念上的区域，某一时刻属于同一BSS的所有主机的功率覆盖范围才是真正的与该BSS对应的基本服务区。所以，我们用BSS即代表一组互相连接和通信的主机，也指与它们相对应的基本服务区，这样便于理解。1IEEE8021LGYT独立BSS，PLNDEPENDENTBASICSERVICESETIBSS，为ADHOCNETWORK，如图22所示。STALS1_A2鞋图22ADHOCIBBS模式在ADHOE模式中，每个CLIENT也即STATION直接与网络中的其他CLIENT通信，这种情况下每一个STATION的功能都是样的，因此也常称作对等模式。2另一种，相对于称ADHOC的独立BSSIBSS，称之为BSS。这种模式下，每个STATION与其他STATION通信时的数据流需要经过一个特殊的设备ACCESSPOINT，即接入点AP，来进行管理和转递，在此过程中AP的作用就相当于蜂窝通信中的基站，而在IEEE80211描述中，AP也可以自己是一个STATION。如图23所示S1A1STA2图23BSS模式当AP作为有线和无线网络直接的桥接器时，就称为无线网桥WIRELESSBRIDGE，比较常见到的是以太网与无线网间的网桥，如何构建无线网桥、AP也即是我们将要在后文中要详细提到的内容。3在以上两种基本的结构基础上，为满足跨越IBSS、BSS范围限制的需求，80211还详细介绍了一个ESSLAN，如图24所示。该配置满足了大小任意、复杂度高的大范围网络需要。图24ESS网络图24中，ESS的定义是因为一个BSA所能覆盖的区域受到环境和主机收发机特性的限制，为了覆盖更大的区域，我们就需要把多个BSA通过分布式系统DSDISTRIBUTIONSYSTEM联接起来，形成一个扩展业务区ESAEXTENDEDSERVICEAREA，而通过DS互相连接起来的、属于同一个ESA的所有主机组成一个扩展业务组ESSEXTENDEDSERVICESET。每个BSS都被分配了个标识号BSSIDBSSL、BSS2等，每个ESS也被分配一个标识号ESSID，所有的ESSID组成一个网络标识NIDNETWORKID，用以标识这几个ESS组成的网络。通常在BSS中有一台APACCESSPOINT能提供这样的服务本BSS中所有主机能通过它对DS进行访问、与其它BSS中的主机通信、获取和维护管理信息，AP既可以作为一个普通主机应用，也可以提供这种管理服务。用来形成一个无线局域网的传输介质称为无线媒体WMWIRELESSMEDIUM，而DS所用的在AP之间通信的传输介质称为分布式系统媒体DSMDISTRIBUTIONSYSTEMMEDIM，WM和DSM可以相同也可以不同，即DSM可以是有线媒体，也可以是频段多变的无线媒体，这样在组织无线局域网时就有了足够的灵活性。通过AP把BSS和DS互联起来组成的网为多区网INFRASTRUCTURENETWORK，多区网是相对于单区网也即ADHOC而称的，一个单独的BSS组成的网络称为单区网。IEEE80211标准认可以下的移动类型夺不迁移型NOTRANSITION这种移动类型指那些非移动的站点和在局部BSS内移动的站点。夺BSS迁移型BSSTRASITION这种移动类型指站点从ESS中的一个BSS移动到相同ESS中的另一个BSS。夺ESS迁移型ESSTRASITION这种移动类型是指站点从一个ESS中的一个BSS移动到另一个ESS中的一个BSS。80211标准支持不迁移型和BSS迁移型两种移动类型。当进行ESS迁移时，该标准不能继续保证连接。222逻辑结构拓扑结构决定了网络的物理组件，而逻辑结构着重定义了网络操作。如图26所示，每个站点所应用的IEEE80211标准的逻辑结构包括一个单一MAC和多个PHY中的一个。图25一个单一80211MAC层支持三个分离的PHY调频扩频、直接序列扩频和红外线13在IEEE80211中要求从数据链路层LLC褥来，ESS和个独立的BSS是没有什么区别的，属于阐一个BSS的移动主机从个BSS移动到另一个BSS是透鹱静。23IEEE80211所描述的逻辑服务接口IEEE80211并没有规定DS是如何构成的，也没有限定如何实现DS，然而它规定了服务SERVICES，服务分为站点服务STATIONSERVICE，SS和分布式系统服务DISTRIBUTIONSYSTEMSERVICE，DSS，这溪秘鼹务帮被瘸子IEEE802，11MAC子层。所有的IEEE80211构裂规定的服务如下所列A。认渡AUTHENTICATIONB联系ASSOCIATIONC不认证DEAUTHENTICATIOND。分囊DEASSOCIATIONE分布DISTRIBUTIONF集成INTEGRATIONG绦密PRIVACYH重联系REASSOCIATIONIMSDU发送MSDUDELIVERY其中站点服努。认证AUTHENTICATION不谈证DEAUTHENTICATION保密PRIVACYMSDU发送MSDUDELIVERY分雍式系统骧务联系ASSOCIATION分离DEASSOCIATIONF分布DISTRIBUTION集成重联系231站点服务INTEGRATIONREASSOCIATIONIEEE80211标准定义“服务”为在各站点间提供的功能。站点可以位于网络任一无线组件内，如手持式PC或手持式扫描仪，并且，所有AP都执行站点服务。为了发挥必要的功能，这些站点需要发送和接受MSDU以及保持较高的安全标准。1认证AUTHENTICATION因为无线LAN对于避免未经许可的访问来讲，物理安全性较低，所以80211规定了认证服务以控制LAN对无线连接相同层的访问。所有80211站点，不管他们是独立的BSS网络还是ESS网络的部分，在与另一个想要进行通信的站点建立连接之前，都必须利用认证服务。执行认证的站点发送一个管理帧到一个相应的站点。IEEE80211标准详细说明了下面两种认证服务夺开放系统认证80211默认的认证方式非常简单，过程有两步首先，想认证另一站点的站点发送一个含有发送站点身份的认证管理帧然后，接收站点发回一个提醒它是否是别人认证站点身份的帧。夺共享密钥认证这类认证先假定每个站点通过一个独立于80211网络的安全信道，已经接收到一个秘密共享密钥，然后这些站点通过秘密密钥的共享知识认证，要求执行无线等效保密WEP算法。2不认证DEAUTHENTICATION当一个站点不愿与另一个站点连接时，它就调用不认证服务。不认证是发出通知，而且不准对方拒绝。站点通过发送一个认证管理帧R或一组到多个站点的帧去“建议”认证终止来执行不认证服务。3保密PRIVACY在一个无线网络中，所有站点和其他设备都能够“听到数据通信在网络范围内通过，这严重影响了无线链路的安全性。IEEE80211提供了一个保密服务解决了这个问题，将80211网络的安全级提瀚到有线网络的程殿。该保密功能应用于所有数据帧和一些认证管理帧，它是建立在80211WEP簿滋基础上的，可以有效的降低网上被窃听蠹危险。232分布式服务8021L所定义的分布式系统服务，是为熬个分布式系统提供服务功能。AP提供分布式系统服务。下鬣介绍了分布式系统需要为MSDU正确健输提供的服务。1。联系ASSOCIATION每个站点在通过分布式系统发送信息之前必须首先借助AP调用结合服务。该结合通过AP将一个盎占点映射到分布式系统。每个站点只能与单一AP来连接，而个AP却可以与多个站点连接。结合也是为一个站点在BSS间提供可移动性鸯毫繁一步。2。分离DEASSOCIATION每一个站点或AP可以调用分离服务终止一个现存的结台，它是一种标志信息，因此，任何一方都不能拒绝终止。离开网络是站点就应该分离，比方说，一个AP如被移动用于维护，它将于所有的站点进行分离。3。分枣DISTRIBUTION一个站点每次发送MAC帧经过分布式系统时都要利用分布式服务。80211标准没商指明分布式系统如何发送数据。分布式服务仅向分布式系统提供足够的信息去判明正确的目的地BSS4。集蔽INTEGRATION集成服务使得MAC顿能够经过分布式系统和一个非802。11LAN闽的入口发送。集成功能执行所有必须的介质和抵制窳间的变换。集成功熊的具体情况依据分布式系统的事实，而不在802“标准的范围内。S霪联系REASSOCIATION滋耨结合强务麓傻个菇点改变它当前豹结合状态。再结念为结合站点提供附加的功能以支持BSS裂活的转移。再结合能使一个站点从一个AP到另一个AP变换结合。但站点在ESS内从一个BSS移动到另个BSS时，能让分布式系统一盔了解AP和站问的巍藏交换。当多个站点与同个AP保持连接时，重掰结合还能改变已确定结合的结合属性。移动站点总是启动重新结合服务。24IEEE80211MAC层IEEE80211在MAC控制方面则采用了与10BASEX相同的载波检测多址接入CSMA，CARRIERSENSEMULTIPLEACCESS方式。CSMA的基本思路是终端通过检测信道中是否存在载波信号来判断信道空闲状况是否有其它终端正在发送数据，发送数据则要等待信道空闲时才可进行。241CSMACA协议与隐藏节点的概念粗粗看来，好像无线协议恰好遵循与以太网相同的算法等到链路成为空闲后再传输，并且如果发生冲突则退避。粗略地说，这正好是80211所做的。然而，这个问题在无线网络中更加复杂，因为并不是所有的结点都彼此可达。由于物理层不同的原因，IEEE8021L没有采用IEEE8023标准的CSMACD机制，而使用了适合无线信道的CSMACA机制。两者之间最根本区别是CSMACA不进行碰撞侦听，而是采用了碰撞避免的措施。这样做的直接原因是无线终端无法侦听碰撞的发生，而只有通过确认信号ACKA1断数据被正确接收，无论任何原因造成的数据包发送端没有接收到ACK信号都将导致数据包的重发。正是ACK的存在使得CSMACA的帧效率低于CSMACD。考虑图26所示的情况，其中4个结点中的每个结点都能发送和接收信号，这些信号只能到达紧靠它左右的结点。例如，B能够与A和C交换帧，但不能到达D，而C能够到达B和D但不能到达A。图中没有给出A和D可达性。假设A1C都想与B进行通信，因此都向B发送一帧。A和C都察觉不到对方，因为它们的信号不能传送那么远。这两个帧在B互相冲突，但与以太网不同，A和C都不知道这一冲突。称A和C是关于对方的隐藏结点HIDDENNODES一个相关问题，称为暴露结点问题EXPESEDNODEPROBLEM，在下列情况下发生。假设图26中，B正向A发送数据。结点C察觉到这一通信，因为它听到了B的传输。如果C只是因为听到B的传输就断定它不能向任何结点传输，这将是错误的。例如，假设C希望向结点D传输数据。这不成问题，因为C向D传输不会干扰A瓿B接收翁链力。数据线0312总线控制J中断信号内存控制C复位C22晶振信号PCMCIA端口AC2冷PCMCIA端口B开发支持，程序跟踪4个通信口A，B和C，D，每个管脚都可以做为通用IO或支持至少一个与通信设备有关的选择功能如接收和发送，这是一组通用目的加端口，它们有着多用途管脚，管脚功能主要由每个端口相关的寄存器内容决定，它们与通信能力有关，它们可以用于通用目的I0或支持如SCC、SMC等通信设备，设计者的任务之一是决定如何选择共用的管脚。以上简要地分析完MPC860内部组成，通过介绍可以看到它是一款丰富通信处理功能的处理器，相应地，就增加了相当的复杂度。以下阐述本次为无线网桥的设计提供的硬件平台，围绕MPC860作的板级设计如何对MPC860提供基本的电源支持，时钟电路设计，复位电路设计，以及结合MPC860对存储器的支持所做的存储器部分的设计，与PCMCIA无线网卡的接口电路，串口、BDM调试口和以太网口的设计。42时钟电路设计按照MPC860的要求，由一个系统时钟发生器接收一个输入时钟，该时钟可以从一个晶体或一个时钟振荡器那里得到，然后产生一个系统时钟CLOCKOUT以用于整个系统，如板上SDRAM的时钟就由CLOCKOUT提供。CRYSTALANDOFCLOCKOSCILLATORSYSTEMCLOCKGENERATORGCLKLCGCLK2CGCLKLGCLK2BRGCLKSYNCCLKCLKOUTTMBCLKPITRTCLK图45MPC860的时钟图45所示，前两个时钟GCLKLC和GCLK2C为基本时钟提供给POWPC核心，数据和指令缓存和MMU；下2个时钟GCLKL和GCLK2为基本时钟，是提供给SIU，时钟模块RISC控制器和多数其它CPM中的功能；波特率发生器时钟定时4个波特率发生器和存储器控制器刷新定时器，它允许串行端13在一个固定的频率上工作，即使MPC860其它部分需要减小的频率；SYNCCLK用于CPM中串行端口串行同步电路，包括SI、SCC和SMC，SYNCCLK在外部应用时产生时钟同步的作用。这个时钟允许SL、SCC和SMC在固定频率上继续工作，即使其它MPC860工作在减小频率下；时钟输出管脚CLOCKOUT为一个外部时钟信号，为一个通用系统时钟，它可以驱动其它设备，这样，这些设备可以同步工作。MPC860时钟模块包含主要晶体振荡器OCSM，系统锁相环SPLL，低功耗除法器和时钟产生驱动模块，电路设计如图46所示，MPC860的主要定时参考可以为晶体或外部时钟振荡器，晶体和振荡器的选择是基于复位的MODCK管脚所出现的值，在复位时，MPC860将读MODCK管脚，为了降低复杂度并提高系统的稳定性，我设计采用一个50MHZ的振荡器提供系统外部时钟信号，接EXTCLK管脚，选择将MODCK12】的配置为10就是指明MC860外部时钟的配置，MODCK的配置的一些参数在初始化之后可以配置SCCR寄存器而改47变。5043电源及开关强46时锌电爨设计我们设计的电源模块，采属步部5V2A或5V5A外部整滚开关电源输入，以遴篼阂矫秀电源交纯波动霜导致熬安全豫惑，通过一个电源开关控裁居，经LINEAR的LTL585CM3'3模块转换为33V电压，这33V和5V两个电服，给整个板子供电，在电源与地之间安鼹了数十个10U和O1U滤波电容。对于IVLPC860来说，它所提供的功糕模式通过A860子模块的工作频率；B，菜子模块署蕺关，襞箨允诲MPC860工佟农各耱功耗承平，焚露五秘功耗等级窝下、1在正常模式，撼个MPC860都工作。2在磕睡模式，除POWERPC核心的整个MPC860工作，POWERPC核心被禁丘实对薅镑熬孛凝，定翡中甄定融爨，定辩基本霆重镑，谶法嚣或IRQ遣霹以使磕睡状态苏褪。3在睡眠模式，大部分系统时钟关闭，只有实时时钟，定时中断定时器，基于计数时钟的定时和减法器开，从实时时钟，定时中断定时器，基于时钟定时器，减法嚣竣IRQ可以将睡眠状态唉醒。4，在低莛模式，SPLL不工睾，实辩鞠、锋，定雾寸孛断定拜雩器，基于计数器时钟定时和减法器仍然工作，同样，从遮4个设备中所产嫩的任何个低中断可以将睡模式唆醒。5最后，在关机模式，SPLL不工作，在之前两种睡眠模式中4个活动的聪钟仍然保持工作，但是，这4个时钟使用保持活动功率，即小于正常功率在22V，可用魄池作为保持活动功率源。功耗模式与时锌惫鼹熬设诗是紧整裰关豹，在我弱酌设诗中，只蔹矮了正鬻模式，因而没有考虑备功耗模式之间的转换问题，这种转换怒需要配置几个寄存器的相关域来改变的，它们是PLPRCR寄存器，SCCR寄存器以及系统时钟寄存器。4，4重启动复僚毫路复位，从原理上来说就是使处理器重新回到最初始的状态，对MPC860中各个辩要配置的寄存器赋予初值，使得它处在一个确定的、澎常的状态，准备进行正式瓣逶售箍理工终。上电复位，硬复位，软复位，三耪复彼方式是最基本的笈位，复位电路是懿个板子工作的起点，圈47说明的是MPC860的上电重启的时间及事件顺序，图中也清楚地显示了这三种不同复位方式的馘别和各自位置，其中提到的复位时的一黧视始配置包括1MODCKL、MODCK2的配置用以确定初始时钟请参考时钟电路说明，复位软件程序可以在复位以藤改变这些值，以达到自己的要求，睡前配置为10，怒掇最初初始化时的黼鼹。2硬终配爱字，愚耀来酝萋SIUMCR，IMMR,MSR毒容器涎，当MPC860进入等待状态时它采样数据线，我们通过使用上拉电阻与拨位开关连接缓冲器将此配置字设定为01000101叭100000。3DSC科DSDI的配置用于鉴定DEBUG的时钟模式在我们板上有一个上电重瘟PORESET键和一个硬重君HRESET键，后者室为用户重启动复位键，丽上电复位使用MOTOLORA的芯片MC341643实现，用户重扁劝通过一个RESET按钮接地后引起低电平，两者都经过MC74ACT4和MC74AC05处理电平整形露分别接到MPC860戆PORESET和HRESET辫上，较萤扁SRESET放在BDM电路中讲述，在这几处均放置了上拉电阻。歼始正常静操捧从系统复位中断向量内部或外部SRESET寿效DSDI被采样用来决定璃试秘戆簿镑模式外蕊辩锌还是鑫绘时钟内部初始化、1,SRESET有效软复拉2，8尊蛭计数器设置到512仡时镑效墓萎1，从DSDI和DSCK采样得到调试端口的配置信息状态止，置SRESET无效”63，等待16个时钟周期16图47上电复位鼢、，豢一蹴了竺45BDM调试口毫无疑问，我们需要使用MPC860的调试能力，根据在MPC860上的开发端口管脚，必须提供一个10管脚插头，这个10管脚插头必须与图48所示的MPC8602个配置中的一组管脚连接，我们采用的是图中上方所示的插头VFLSOGNDGNDHRESETVODFRZGNDGNDHRESETVODSRESETOSCVFLSLOSOLDSD0SRESETDSCKFRZDSDLDSDO图48BDM插头BDMBACKGROUNDDEBUGMODE在我们选定的图48上方案中，使用一个10针弯管插头，管脚1与VFLSO连接，管脚6与VFLSL连接，当POWERPC核心进入调试模式时，它设置管脚1和6，向开发工具指出POWERPC核心己进入调试模式，在这个电路中按使用说明的要求作了一些上下拉电阻的处理。为允许调试模式，用户必须在软复位时为DSCK管脚提供正确的值，当软复位出现，第一步是POWERPC决定在SRESET翻转之前DSCK是否为3个周期高位，如果在SRESET翻转之前DSCK没有3个周期高位，MPC860进入正常模式和禁止调试，如果在SRESET翻转之前DSCK为3个周期高位，并且DSCK在SRESET翻转之后7个周期内为低，POWERPC核心进入正常模式并允许调试模式，这时，如果一个异常条件发生，POWERPC核心进入调试模式。另外，如果DSCK在SRESET翻转后7个周期内不为低，POWERPC核心直接进入调试模式，开发工具在内部动作之前可以与POWERPC核心通信。在软复位后，MPC860可以进入正常模式或调试模式，为从正常模式到调试模式，必须产生个中断或异常产生条件，这些中一个条件发生，状态从正常模式转到调试模式，但不是所有中断和异常会产生从正常模式到调试模式的转换，用户配置调试允许寄存器来选择希望的中断或异常，当个选择的中断或异常产生时，异常发生条件在中断原因寄存器中表示，然后，设备进入调试模式，在RFI指令发生之前保持在调试模式。开发工具通过DSDI、DSDO和DSCK管脚与POWERPC核心通信，在调试模式时，CPU核心扶开发瀵西控铡逻辑取攒令，蠢不是在夕部枣德器取撞令，秀发工具为开发端口，或存储器和控制逻辑提供相应指令，允许开发工具到开发端口去读鼹修羧寄存爨残存德器。4。6串翻都分我爨馒髑MPC860懿SMCI口镑菇串行墨控麓，霹穆瓣率疆多麓作援缀调试辩的一个接阴与PC机的串刚相连，并与BDM一起支持调试工作，一般是为显示终端翅显示箍转送信号，阖样酌，程用户便瘸串，也成为一个超缀终端静接日，支持用户对凭线网桥的配置。在MPC860中，SMC即串行管理控制器，它没有SCC功能强大，为2个全双工通道，编程可以配置它们独立支持UART,透明方式襄GCI。SMC比SCC熬能力少一臻，它支持少一些协议，而且CPMPDSC提供的服务也少一些。SMC最麓逮熬应焉是乍为终端燕裁嚣，它有3令譬嬲，一令发送管辫，令羧牧管瓣步和一个同步管脚，同步镎脚在发送和接收开始詹，只用于透明方式。些管脚可以共瘸，我们必须穰据鬻要配登这个鞴翻，可以通过端翔配置寄存器实现。像使用SCC样，在使用SMC作为通信端髓前，也要对一些寄存器按照要求和自己的需要徽配置，如SIMODE、SMCMRX，与SCC比较，SMC使用双缓存，面不是FIFO，同样，没有编玛器，翳鹳器，分爨簿等。SYNC警嬲支潦透爨传输，控制发送和接收的工作。SMC时钟可以从4个内部波特率发生器之驱动，或扶一个辨郄露镑繁辫驱动，SMC麓发送耱接毅後惩摇蘑豹辩耱。关于SCC的工作，将柱47节中结合以太网作详细说明，SMC的工作要比SCC篱攀，MPC860豹特色诧较多韵飘SCC中体现蕊来，加上串口的工作相对简单而不典型，因此不做太多描述。关于SMCI的描述PB23同步信母，输入，数据终蠛准器妊。PB24数据接收，输入PB25数据发送，输出在板上我们选择MCL45583L乍为接口芯片，使用它提供的数个接收和发送巅日中的各一个作为串口通信的接口，它提供了电气上的变换，将RS232接口的电气橡准转换到33伏电压的叛上信号标准，在MCL45583电源和避管瓣润藏嚣T0；TUF的电容耦合。最爱，使蕉一个RS232耘难熬DB9黧懿丸钤率日律为丽轿与叛步播头懿渡合口。47以太网部分以太网协议IEEE8023是使用非常广泛的局域网协议，它使用载波监听多鼯访闻，冲突裣灏CSMACD的方法提供辩电缆静谤阔。在802T3标准中，对物理层进行了进一步的细化，分为物理层信令PLST层和物理媒体连接件PMA子层。PLS子层向MAC予层提供服务，并负责比特流的熙彻斯特编码发送时与译码接收时和载波艇听功麓。PMA予层向PLS孑层提供服务，它完成孛突检测、超长控制以及发送和接收串行比特流功能。8023标准规定，物理层的这嚣令予滋霹滋套不曩懿藏者羁令设备中实璃。先分析一下常见到的网卡的功能，网卡是局域网中的一个关键性的部件，网卡主要实虢的是MAC子瑟瑟功麓，僵蔻晓有一黧物理麓鹃功能。下面的图描述了网卡所宪成的物理层功能禺域霹§§体系结鞫然一露蛩屯墓卜匦蛩蔓卜爵囊一_OO一图49802。3以太网功熊示意数据的封装与解封装发送时将LLC予层交下来的帧加上MAC子层的首部稳尾秘，残走MAC羧。接收潜将MAC季奏鬟去蓄帮鞍尾部，然后送交LLC子层。链路管理主要是CSMACD|办议静实现。编码与译码即曼彻颊特编码与译码。面这魃功能程无线网糖上大多盎MPC860来宠成，下嚣就叙述下MPC860如何来完成这一系列工作的471MPC860对以太两通储的支持首先说明，MPC860的以太网控制器支持2个定义DIX以太网和IEEE8023，尽管这薅耱协议非豢稳似，但它LFL在类型、长度域定义霹不一榉。串行通信控制SCC是MPC860中最强大的通信设备，它们可以以多种不同的协议传送数据，院磐UARTHDLC，以太阚等等，MPC860共有有4个SCC设备，每一个有自己的一组管脚，每个SCC连接5个管脚发送，接收，载波检测，请发送茅蚤请求发送，我们农设计过程中就使用了SCCL谗为以太嘲控制鞠见闰410PAL4发送管脚，TXDLPAL5接收管脚，RXDLPCI0载波检测管脚，CDLPCIL请发送罄必，CTSLPBL9请求发送管脚，RTSL大多数以太礴布局为多点配置。在多点配萱辩，2个支持功能变得非常重要第种为支持数掇冲突的能力，这对多于一个站点同时发送，第二种为支持站点选蛐能力，这样就可以发送信息到一个单独的站点。董左逵盏墅过逾造塞塞挂。以太网控制器通过写32个“1”在线上来解决冲突，这就通知所有站点，发生净突，焱检壤L鬓渖突嚣，每令辩蘩运爨，挠葶亍遂遗算法等待蘧枫嚣孪澜，第一个结束随机产生的时间的等待站点先发送。MPC860以太黼控稍器支持2种非激烈背靠模式，允许在背蒜算法种配置长的等待时间，另外，MPC860支持自动帧黧发送羹到达到最大限度。以太网控制器自动丢掉进来的冲突帧，它还能用定义的内部帧96微秒间隔延迟新帧的发送。墓迭鲨戴缝垂至墼盔邈篷型婺照丝垫毫蓬。控制器为每个站点支持一个独立的物理地址或支持多个地址，控制器还为每令凌理造垃提供一令丈竣豹表穆，霜户哥戳配誊遗蛙滤波，这撵选择缓独立迭址。860以太网控制器还有一缎地址大致的表格支持组地址，它也同样支持在控割器上广播选嬷，它可以选择搂|芟广掇信惑。另外，控制器可以随意接收地址，郎，它可以选择接收避入的帧，增加一个内容地址存储嚣CAM可以提供更多精确的地城支持，这时，进入豹地址与CAM中相比产生一个确切地址，当地址相配时，CAM可以通过增加的8个并行线提供额羚数据，控铡爨可以取样额努熬数攒，把它俄放入接毅缓存。最后，控制器支持心跳指示，这是个送向860的个信号指示控制器已经发送一令串爽，收发器表貌为工佟正常状态。4。72裙始纯SCC1俸鸯浚太隧方式蘸疹漾这篷接述MPC860籍霜中凝方式榜始纯SCC懿步骤，下瑟淹一鳌鬣设条件，“PIN聃”指示为内部存储器映象的指针。1用户初始亿SDCR，这个寄存器可以为SDMAS指供一个仲裁ID以为它们在U总线上提供一个优先级。2用户配黄所需的端口，所有SCC端口管脚有多种功能，所以用户必须配置，这些警黪为瑟震弱途。3，如果使用波特率发生器作为时钟，必须初始化波特率发生器配置寄存器。逶常，只在测试孛奁郅露下宠袋耪始像，浚发嚣据供箨藩蹿镑。4使用串行接口时钟路由寄存器SICR将时钟连接到SCC。5初始化SCC参数RAM，包耩RBASE和TBASE，翘始亿最大接收缓存长度。6初始化接收和发送参数，方法为向指令寄存器CPCR中写入相应命令。7。秘始能以太网参数RAM，包拯错误计数器，PADS，最大农簸夺季雯长发和地址域891011121314初始化接收缓存描述字。初始化发送缓存描述字。初始化事件寄存器，因为假设为多位条件，所以这一步实际不需要，在这里，事件寄存器已经被清除，但在更通常情况下，可以写入OXFFFF入事件寄存器来清除事件寄存器。初始化屏蔽寄存器以允许对希望的事件产生中断。为CPM设备初始化CIMR以允许产生中断。初始化通用SCC模式寄存器高位，这张表列出了你在初始化时需要指出的一些参数。初始化通用SCCX模式寄存器低位，同样，这张表列出了些符合所需要初始化的参数。15初始化数据同步寄存器，UART不用这个寄存器，但是与相关的协议需要这个值。16初始化协议定义模式寄存器。它包括本章前面讨论的一些域，如CRC选择，延迟冲突窗口，环回操作。17最后，在通用SCCX模式寄存器低位GSMR_LX允许发送器和或接收器。MPC860必须通过串行接口适配器SIASERIALINTERFACEADAPTER才能实现与以太网的物理连接，如图410所示，我们的设计中的ETHEMETTRANSCEIVER采用LEVELONE公司的LXT905作为以太网的收发器。LXT905符合IEEE8023物理层要求的10BASET收发器。它实现IEEE8023中定义的物理层信令PLS和媒体连接单元MAU的功能。20兆赫兹晶振驱动这个收发器产生一个10兆赫兹发送时钟和10兆赫兹接收时钟提供以太网工作，这些时钟驱动MPC860的外部管脚。当860发送数据时，设置街道IUS的发送允许管脚，同样地，当收发器接收数据时，设置接收允许RENA线然后置位860的CDA最后，收发器上有一个冲突管脚，驱动控制器上的CTS这样就可以响应冲突，同样，收发器可以工作在环路模式，为测试目的，控制器可以通过收发器发送和接收形成一个环路。图410MPC860以太网部分的外围连接LXT905与MPC860连接起来非常方便，但是只支持10BASET双绞线方式的物理连接，考虑到现在一般都用双绞线作为以太网的连接方式，所以这已经足够了。由于LXT905的输出相当于低阻抗电压源，所以需要额外的电阻以与双绞线的阻抗匹配。设计中在LXT905与IU一45中间采用变压器PE68023与分离电阻以达到上述目的。48无线网部分我们实现无线网桥一个关键的思路是使用一个兼容IEEE80211协议的无线局域网卡，它可以完成完整的无线收发以及MAC控制功能，如果在此基础上加入帧转换以及帧管理功能，就完全可以在无线网卡的基础上实现AP与网桥的功能。最初无线局域网卡面对的最主要的用户为笔记本电脑用户，所以我们在设计时，使用的无线网卡采用了笔记本电脑上通用的PCMCIA接口，由于PCMICIA接口支持即插即用和热插拔，所以采用PCMICIA接口的无线网卡在安装、使用时都十分方便；并且接口的通用性使得所有带有PCMCIA接口的计算机都可以使用该网卡，也给我们设计无线网桥的接口处理带来了方便。481无线网卡系统结构介绍图411所示为无线网卡的系统结构图4N无线网卡系统结构各部分的功能说明1主机MPC860通过PCMCIA接口电路向网卡发送数据或从网卡接收数据；2MAC控制器将数据变为IEEE80211的帧格式并进行MAC控制3基带处理器负责对串行数据进行扩频和解扩，并进行信道状态的检测；4中频调制解调器的工作是对数据的QPSK或BPSK调制和解调；5上下变频器将在发射时将中频信号上边频到ISM频段，在接收时作相反的变换，信道的选择也是在这部分完成的6射频放大器是一片大功率集成电路，它负责射频信号发射前的放大。7天线为收发共用半双工方式，由一个单刀双置射频开关选择收发。HFA3841是IMERSIL公司推出的一款微处理器，它主要用于各类无线网络设备的MAC控制。工作频率为44MHZ，内部集成了WEP加密器，最高的数据处理速度可达11M。并且提供休眠模式以节约能量，休眠时的电流小于LMA。最重要的是HFA3841片内集成的主机接口兼容PCCARD95STANDARDRPCMCIAV21，接口管脚可以直接同PCMCIA接口相应的管脚直接相连而不需任何附加转换电路，这样就方便了与MPC860硬件上相连，功能上的相通，因此我们在网卡方面就选择了这款芯片组。58482PCMCIA无线网卡与MPC860硬件接口PCMACIA标准自从1986年出现以来，至今已经发展了V10规格、V20规格以及V21规格，最新的规格是1995年制定的PCCARD95规格。支持的应用从内存卡发展到现在的网卡、声卡、硬盘卡等多种类型。在我们的设计中，对应于网卡应用的PCMCIATYPEII，按照该尺寸设计在电路板上的焊脚，使用了一个配件PCMC认插拔口，只将此插拔口焊接在电路板上，而使得无线网卡相对独立于电路板。为了与无线网卡的PCMCIA接口，使用了MPC860的SIU中的PCMCIA接口适配器模块，MPC860支持2个PCMCIA，附加的外部缓冲器使得PCMCIA主适配器模块可以支持多达两块的PCMCIA插槽，PCMCIAA管脚是独立的，也即是PCMCIAA的管脚是专用的，而PCMCIAB的管脚是与开发支持和程序跟踪功能共用的。我们的设计中使用了PCMCIAA口并由它提供了所有的控制逻辑，PCMCIA外部总线和收发器必须通过74LVX系列的缓冲器在系统总线和插座上进行电气隔离，之所以选择LVX系列是为了保证速度和电压方面的匹配，虽然MPC860为33V器件但外部时钟输入可以为5V，这样不用为时钟提供电压转接。49存储器部分在无线网桥电路板上的存储器子系统部分，是通过MPC860的存储器控制器MEMORYCONTROLLER来支持实现操作的，MPC860存储器控制器功能强大，可用来控制8个块