（系统工程专业论文）基于KS8695X的宽带路由器系统设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 计算机网络技术的发展给企业带来了新的经营模式，电子商务等新应用 层出不穷，网络安全成为了人们关心的焦点，网络防火培越来越受到重视， 同时，服务质量也受到人们更多的关注。网络防火墙和流量控制功能，作为 企业级边缘路由器的两个必不可少的功能，正起着越来越重要的作用。 本设计以集成了网络交换功能以及a r m 9 2 2 t 处理器内核的s 0 c 芯片 k s 8 6 9 5 x 为核心，通过移植l i n u x 操作系统，完成了宽带路由器的系统设计， 实现了边缘路由器的防火墙和流量控制这两个重要功能。 论文首先从硬件设计和软件设计两个方面介绍了宽带路由器的系统构 架。路由器由于采用s o c 芯片实现，主要的外围芯片就只有f l a s h 和s d r a m ， 因此，路由器的硬件设计相对简单。软件平台则由引导装载程序 ( b o o t l o a d e r ) 、l i n u x 操作系统、文件系统及应用程序三个部分组成，论文 详细的介绍了这三个部分的移植方法。 作为配置手段，本文设计的路由器还扩展了嵌入式w e b 服务器软件。论 文说明了嵌入式w e b 服务器的搭建过程，详细的介绍了c g i 程序的原理及其 数据获取方法，因而通过嵌入式w e b 服务器接口可对路由器的功能进行设 置。 最后，论文阐述了防火墙和流量控制的框架及原理，详细的论述了宽带 路由器上这两个功能的具体实现，给出了程序流程图以及源代码，同时，对 路由器的防火墙和流量控制功能均做了测试，并分析了功能测试的结果。 关键词：路由器，s o c ，l i n u x ，w e b 服务器，防火墙，流量控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t n e r a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g yb r i n g sn e wc o m m e r c i a l p a t t e nt ot h ec o m p a n y f o rt h ee m e r g e n c eo fe l e c t r o n i cb u s i n e s s ，t h es e c u d t yo f n e t w o r ki se v o k i n gp e o p l e sa t t e n t i o n p e o p l eb e c o m em o r ea n dm o r ec o n c e r n e d a b o u tn e t w o r kf i r w a l la n dt h eq u a l i t yo fs e r v i c e n e t w o r kf i r e w a l la n dt r a f f i c c o n t r o lw h i c ha r et h ee s s e n t i a lf u n c t i o no fm a r g i n a lg a t e w a y ，i sb e c o m i n gm o r e a n dm o r ci m p o r t a n t t h i sd e s i g nu s e ds o c c h i pk s 8 6 9 5 xw h i c hi n t e g r a t et h ee t h e r n e ts w i t c h f u n c t i o na n dt h ea r m 9 2 2 t p r o c e s s o rt ob et h ec p u o ft h eg a t e w a y t h i s g a t e w a yi sb a s e do nl i n u xo p e r a t i o ns y s t e ma n dh a st h ef u n c t i o n so ff i r e w a l l a n dt r a f f i cc o n t r 0 1 t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h eb r o a d b a n d g a t e w a y f o ru s i n gt h es o cc h i p t h em a i np e r i p h e r a lc h i p so n l yn e e df l a s h a n ds d r a m s ot h ed e s i g no fh a r d w a r ei sr e l a t i v e l ys i m p l e t h ed e s i g no f s o f t w a r ei sc o n s t i t u t eb yb o o t l o a d e r ，l i n u xa n df i l e s y s t e mw h i c hi n c l u d e a p p l i c a t i o np r o g r a m t h i st h e s i se x p l i c a t e dt h ep o r ta p p r o a c ho ft h e s et h r e e p a r t si nd e t a i l t ob et h ec o n f i g u r a t i o nm e t h o do ft h eg a t e w a y t h ee m b e d d e dw e bs e r v e r a l s ob em e n t i o n e d t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h ee s t a b l i s h m e n to ft h ee m b e d d e d w e bs e r v e ra n dt h ep r i n c i p l eo fc g ip r o g r a mw h i c hi su s e dt og e tt h ep o s t e d i n f o r m a t i o n n ef u n c t i o no ft h eg a t e w a yc a nb ec o n f i g u r e db yt h ee m b e d d e d w e bs e r v e ri n t e r f a c e l a s tb u tn o tl e a s t ，t h i st h e s i se x p l a i n e dt h ep r i n c i p l ea n dt h ef r a m eo ft h e f i r e w a l la n dt r a f f i cc o n t r 0 1 i ts h o w e dt h er e a l i z a t i o no ft h e s et w of u n c t i o n so n b r o a d b a n dg a t e w a yb yp r o g r a mf l o wc h a r ta n ds o u r c ec o d e 1 1 l et e s t i n go ft h e f i r e w a l la n dt r a f f i cc o n t r o lo ng a t e w a yh a sb e e nm a d ea l s o a tt h es a m et i m e ， t h i st h e s i sa n a l y s e dt h et e s t i n gr e s u l t k e yw o r d s ：g a t e w a y ，s o c ，l i n u x ，w e bs e r v e r ，f i r w a l l ，t r a f f i cc o n t r o l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 1 1 1 路由器的原理和作用 路由器是用于连接多个逻辑上分开的网络，所谓逻辑网络是代表一个单 独的网络或者一个子网。当数据从一个子网传输到另一个子网时，可通过路 由器来完成。路由器具有判断网络地址和选择路径的功能，它能在多网络互 联环境中，建立灵活的连接，可以用完全不同的数据分组和介质访问方法连 接各种子网，路由器只接受源站或其他路由器的信息，属于网络层的一种互 联设备。它不关心各子网使用的硬件设备，但要求运行与网络层协议相一致 的软件。路由器分本地路由器和远程路由器，本地路由器是用来连接网络传 输介质的，如光纤、同轴电缆、双绞线：远程路由器是用来连接远程传输介 质，并要求相应的设备，如电话线上网要配调制解调器，无线上网要通过无 线接收机、发射机。 路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳传输路 径，并将该数据有效地传送到目的站点。由此可见，选择最佳路径的策略即 路由算法是路由器的关键所在。为了完成这项工作，在路由器中保存着包含 各种传输路径的路由表，供路由选择时使用。路由表中保存着子网的标志信 息、网上路由器的个数和下一个路由器的名字等内容。路由表可以是由管理 员固定设置，可以由系统动态修改，或者由路由器自动调整，也可以由主机 控制。 1 1 2 路由器的发展历史 总的来说，路由器的发展经历了五代： ( 1 ) 第一代路由器的雏形就是用一台计算机插接多块网卡实现的，多个 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 网卡共用一个c p u ，通过内部总线互联，c p u 负责了几乎全部的路由计算、数 据转发，同时还要负责整台机器的设备管理工作。这种集中转发、软件处理 的模式，再加上共享总线的结构，使得路由器的整体性能非常低。 ( 2 ) 第二代路由器将原来数据转发与路由计算分置于两个处理器上，主 处理器完成路由计算，从处理器完成数据转发。同时除了系统内存，在各个 网络接口卡上布置了c a c h e 结构，少数常用的路由信息保留在业务接口卡上， 这样大多数报文就可以直接通过业务板c a c h e 的路由表进行转发，以减少对 总线和c p u 的需求。 ( 3 ) 第三代路由器在第二代的基础上在接口卡上面采用了a s i e 技术， 提高数据的转发速度。但由于仍然沿用的是总线结构，所以依然受到总线速 度的限制。 ( 4 ) 第四代路由器的重大进步是采用了交换网板代替了原来的总线结 构，一改原先总线瓶颈，交换网板采用c r o s s b a r 或共享缓存技术，加上a s i c 芯片的高速转发，可达到吉比特级的交换容量。后来出现的4 5 代路由器采 用网络处理器代替a s i c 技术来实现数据转发，这样的好处在于网络处理器可 以很好地适应新的业务，但由于其结构限制。不能支持i p v 6 和严格的q o s 。 ( 5 ) 随着网络应用的发展，以及宽带城域网的建设、多样化的多媒体业 务的开展，互联网逐渐暴露出了i p 地址不足、q o s 质量无法保障、对新协议 的适应能力差以及安全可靠性不高等缺点，于是涌现了许多新技术，例如 i p v 6 、i p q o s 、m p l s 、流量工程等，新的业务需求和技术进步，带来了路由器 软硬件体系的又一次飞跃，由此诞生了第五代路由器，它不仅继承了以前路 由器的优点，更为重要的是具有硬件支持i p v 6 、q o s 等特性。 1 2 本课题的研究对象 本课题所研究的对象并不是通常意义的主干网上的路由器，而是边缘路 由器，所以并不涉及到路由器的路由算法。 边缘路由器的定位是将用户由局域网接入到广域网，在局域网和广域网 技术尚有很大差异的今天，边缘路由器肩负着多种重任，简单地说就是要满 足用户的多种业务需求，从简单的联网到复杂的多媒体业务和v p n 业务等。 边缘路由器一般由以下技术参数进行描述： 性能 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 网络处理器是性能的主要决定因素。一般来说，通用的网络处理器只能 完成预设的编程能力，远不能满足瞬息万变的网络技术发展的需求，所以有 实力的厂家基本上都是开发自己的a s i c 芯片，这些a s i c 芯片以线速处理业 务流，并且能够对付多种协议，如p p p 、帧中继、a t m 等，将多种协议的数据 适配到i p 协议上，从这一角度来说，边缘路由器又将担当实现未来全i p 网 的重任。 端口密度和扩展性 运营商喜欢端口密度大的机器，这会给它留下富裕的扩展空间。扩展则 主要通过堆叠来实现，良好的扩展特性将突破单机箱的限制，容量就可以按 需平滑扩展。 可靠性 这包括网络可靠性和设备可靠性。网络可靠性取决于路由器所支持的物 理网络，对s d h s o n e t 等传统技术而言，网络具有电信级的可靠性。对于长 距离以太网而言，出现了一些新的技术，如光以太网和8 0 2 1 7 的r p r ( r e s i l i e n tp a c k e tr i n g ) ，但随着城域网建设的迅速展开，r p r 应该是边缘 路由器的必备特性。设备可靠性则取决于软件和硬件的实现水平，这就需要 实现者确定最优的体系结构，并在开发上灌注心血。 m p l s m p l s 是二层和三层的融合技术，相当于i p 网的信令，能够提供对业务流 的细粒度控制和带宽的高层次管理。 业务分类和质量 业务分类定性，而业务质量定量，这是用户越来越关心的部分。因为底 层的物理网络对业务的分类和带宽管理支持上参差不齐，目前各厂家基本都 有自身的专有技术。随着m p l s 等技术的逐渐成熟，边缘路由器最终将对业务 分类和质量达到电信级支持。 运营支持 边缘路由器是业务提供商的核心设备，它要支持运营商的运营要求，包 括管理、计费、认证和加密等等。通常路由器需要提供运营支撑系统 ( o p e r a t i o ns u p p o r ts y s t e m s ) 接口，并符合相关的标准。 针对用户对业务和带宽需求，边缘路由器将采用更多的技术，拥有越来 越高的技术含量。在保证高速连接的同时，还需进行多萃巾数据处理工作，这 就要求芯片制造商提供先进的网络处理器芯片和收发器芯片，保证线速水平。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 边缘路由器还需要有足够的智能性，例如当控制层软件发生故障而重新启动 时，这一动作对负载流的冲击应尽可能的小，这就要求控制层面保留一些状 态，使得数据层面的功能不受重启的影响，这对将来实现全i p 网的运营有着 重要意义。 1 3 边缘路由器的发展现状 随着通信信息量的不断增长，人们对网络的通信能力提出了较高的要求。 而路由器作为网络的枢纽，作用极其重要，它的性能直接影响到整个网络的 整体性能，因此在整个因特网领域中，路由器技术始终处于核心地位，其发 展历程和方向，成为整个网络研究的缩影，是一个国家信息领域技术水平高 低的重要标志 边缘路由器在稳定性、处理能力及数据安全性等方面有着更高的要求， 所以很多路由器厂家在器件选用以及软件设计上下了不少功夫，以确保边缘 路由器运行的稳定和高效。 随着网络对带宽需求的迅速上升，窄带技术已逐渐失去市场，并且，在 众多的网络标准中，以太网已经成为事实上的标准，所以边缘宽带路由器虽 然只有以太网接口，但已能满足大部分企业用户对网络的需求。而且边缘宽 带路由器还增加了很多有特色的应用功能，例如定时、按需拨号、m a c 克隆、 8 0 2 i x 、d m z 主机、虚拟服务器等功能，而这些功能，是很多传统边缘路由器 都没有的。所以，边缘宽带路由器取代传统边缘路由器是路由器市场发展的 必然。 从2 0 0 5 - 2 0 0 6 年边缘路由器市场的发展情况来看，边缘路由器市场呈现 出迅猛的发展趋势。目前，大中型企业，甚至小型企业用户也要求边缘路由 器能提供足够的安全性和可靠性、支持多媒体，如v o i p 技术、视频技术，并 支持组播和组播路由协议的业务要求等等，所以以企业用户为主的边缘路由 器产品也迅速向性能更强大，功能更完备的方向发展。 1 4 课题研究的意义和目的 边缘路由器市场前景广阔，有比较大的发展空间。 在企业和网吧路由器市场中，有流量控制以及防火墙功能的路由器无疑 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 会成为首选。在企业和网吧的实际网络应用中，一方面需要考虑网络的安全 问题，广域网中的主机不能不加允许的访问局域网中的主机，同样，局域网 的主机也不能够随意的访问广域网中不被信任的资源，只有那些不会对网络 安全构成威胁或者被允许的网络流才能通过；另一方面，局域网中的某台主 机不能够将网络带宽占满而影响其它局域网主机的正常上网，所以流量控制 也是企业和网吧用户必不可少的功能。本课题设计与实现了一个具有防火墙 及流量控制功能的边缘路由器，对其采用的技术进行了详细分析，有一定的 经济价值。 同时，本课题研究有比较高的技术参考价值。 s o c 嵌入式芯片正逐步取代常规的嵌入式芯片而成为嵌入式系统设计的 主流，采用s o c 嵌入式芯片的应用设计方案研发周期短，极大地缩短了产品 的上市时间，本论文提出了一套基于s o c 芯片的路由器解决方案，对使用s o c 芯片进行嵌入式系统设计有一定的借鉴意义。 l i n u x 作为一个高性能、开源、免费的操作系统，其网络部分的功能及性 能相当出色，而且其应用软件资源也相当丰富，用l i n u x 作为路由器的操作 系统更是将其网络部分的优势发挥得淋漓尽致。本路由器设计使用了l i n u x 操作系统网络部分的两个最重要的功能，防火墙和流量控制，展示了这两个 功能的原理及使用方法。 1 5 论文的组织结构 本文给出了路由器硬件与软件构架设计的一套完整方案，详细的介绍了 边缘路由器的防火墙和流量控制这两个重要的功能，论文分为5 章，具体安 排如下： 第1 章：绪论。对路由器的原理、作用以及发展历史进行了介绍，说明 了本课题的研究对象是边缘路由器，并从边缘路由器的发展现状，指出了基 于$ 0 c 芯片的宽带路由器的研究和实现的重要性。 第2 章：路由器的系统构架。分别对路由器的硬件平台设计和软件平台 设计进行了详细的介绍，在对硬件平台设计的介绍中，给出了c p u 与每个外 围芯片的连线图，对软件平台的设计则从b o o t l o a d e r 、l i n u x 操作系统、文 件系统及应用程序三个方面给予讲述。 第3 章：嵌入式w e b 服务器的实现。对c g i 程序的原理及其数据获取方 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 法进行了详细的说明，介绍了l i n u x 平台上的嵌入式w e b 服务器t h t t p d 。 第4 章：路由器的防火墙体系结构。叙述了l i n u x 防火墙的基本框架及 操作方法，并对路由器中的防火墙实现进行了详细的分析，最后对防火墙功 能进行了测试。 第5 章：路由器的网络流量控制。介绍了l i n u x 平台下的流量控制工具 t c ，对队列规定尤其是c b q 队列规定进行了详细的讲述，最后给出了路由器 上流量控制的实现以及流量控制功能测试的结果分析。 结论：对论文工作做结论性概括，归纳了不足的地方以及下一步有待深 入研究的内容。 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第二章路由器的系统构架 2 1 路由器的硬件平台设计 2 1 i 路由器的硬件平台总体设计 本设计所选择的c p u 是m i c r e l 公司生产的k s 8 6 9 5 x 芯片，该芯片的最大 特点就是内部集成了网络控制器以及网络接口，因此整个系统的设计变得比 较简单，外围的芯片就只需要f l a s h 、s d r a m 以及网络隔离变压器就可以构成 一个宽带路由器。 本系统使用的f l a s h 芯片是2 8 f 6 4 0 j 3 c ，它具有8 m 的容量，数据接口可 以工作在8 位或1 6 位模式，芯片上有一个b y t e # 位宽选择引脚，把此引脚接 高电平表示采用1 6 位的工作方式，接低电平表示采用8 位的工作方式，本系 统使用的是1 6 位工作方式。 s d r a m 芯片使用的是h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 ，h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 为1 6 位数据宽度，单 片容量为8 m ，系统选用两片并联构成3 2 位1 6 m 的s d r a m 存储器系统，可以充 分发挥k s 8 6 9 5 x 的3 2 位数据处理能力。 路由器的硬件设计总体框图如图2 - 1 所示： 2 - 1 路由器的硬件设计总体框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2 2 路由器s o c 芯片k s 8 6 9 5 x k s 8 6 9 5 x 是一款用于低成本、高性能路由器系统的s o c 芯片，它集成了一 个功能强大的a r m 9 2 2 t 的处理器，以及五个包含了m a c 地址单元、物理层收 发器、d m a 引擎和硬件协议引擎的交换端口。 k s 8 6 9 5 x 的内部结构如图2 - 2 所示： 存储控制器 m y ( c e l c r o u t e r a p b 桥 1 个t x r xm a c 以及 1 个1 0 ，i o o mp h y ( 作为w a n 口) 交换功能块控制 及状态寄存器 高性能的非阻塞 5 端口交换功能块 4 4 t x r xm a c 以及 4 个i o i o o mp h y ( 作为l a n d ) a r m 9 2 2 t c o f c 中断控制器 g p l 0 u a r t 看门狗定时器 图2 2k s 8 6 9 5 x 的内部结构 k s 8 6 9 5 x 芯片的特性如下： 高性能的a r m 9 2 2 tc p u 内核 a r m 9 2 2 t 核的最高工作频率为1 6 6 m h z ，最高外部总线频率为1 2 5 m h z ： 具有8 k 的指令缓存和8 k 的数据缓存； 具备内存管理单元( m m u ) ； 支持3 2 位的a r m 指令和1 6 位的t h u m b 指令： 独有的x c e l e r o u t e r 技术 自动t c p u d p i p 包头部校验，减轻c p u 的负担； 支持i p v 4 错误包过滤； 自动丢弃错误包； 集成的交换引擎和网络收发器 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 五个1 0 1 0 0 m 收发器，五个m a c 控制器( 一个用于w a n 口，四个用于l a n 口) ： 支持i o b a s e t ，i o o b a s e t x 和i o o b a s e _ f x 模式( f x 使用在w a n 口上) ； 片内为帧缓存集成了s r a m ； 支持线速度交换； 支持v l a ni d 和8 0 2 i pt a g u n t a g 选项； 支持基于端口的v l a n 划分； 支持i g m p 监听多波包过滤； 支持8 0 2 i d 生成树协议； 支持在所有端口自动m d i m d i 线序识别； 存储和外部i o 接口 s d r a m r o m s r a m f l a s h 和扩展i o 共享8 位1 6 位3 2 位数据通道； 6 4 m 的最大内存空间； 支持i n t e l a m d 类f l a s h ； w a n 以及l a n 的d m a 引擎和f i f o 为w a n 接口和l a n 接口数据传输提供支持突发模式的d m a 引擎； 集成的外设 八个g p i o 口； 两个3 2 位的定时器( 其中一个可用于看门狗) ； 中断控制器； a r m 9 2 2 t 的j t a g 调试接口； 2 2 3f l a s h 接口电路 2 8 f 6 4 0 j 3 c 是i n t e l 公司生产的1 6 位8 m 的s t r a t a f l a s h 存储器，由6 4 个1 2 8 k 字节的块组成，芯片的擦除是以块为单位进行的，只有擦除操作可以 把芯片的b i t 储存位从0 变成1 ，因此，在写操作之前，必须对块进行擦除操 作。 2 8 f 6 4 0 j 3 c 是n o r 型的f l a s h ，对它的读写都比较简单，该芯片在上电复 位后，默认就是读状态，可以直接读取数据，而写操作必须发送一个指令序 列方可写入。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 8 f 6 4 0 j 3 c 有以下功能引脚： r p # ：复位引脚，接外围电路的f l a s h 复位信号； v p e n ：写保护引脚，本系统不需要此功能，所以直接上拉到3 3 v ； b y t e # ：f l a s h 位宽选择引脚，接高电平表示采用1 6 位的工作方式，此时， 地址引脚a o 应该悬空； c e o c e 2 ：芯片使能引脚，表2 - 1 为其使能真值表： 表2 - 12 8 f 6 4 0 j 3 c 的使能真值表 c e 2c e lc e o使能状态 00o使能 oo 1 禁止 o1o禁止 0 l1禁止 1oo使能 1ol 使能 l1o使能 1 1l 禁止 从表2 - 1 中可以看出，当e e l 和c e 2 都接低电平时，c e o 接k s 8 6 9 5 x 的 r c s n o 引脚即可实现对f l a s h 芯片的片选，此时，f l a s h 被作为k s 8 6 9 5 x 的 f l a s h 的b a n k o 。 k s 8 6 9 5 x 的f l a s h 的位宽选择是由b o s i z e l ( 引脚1 1 8 ) 和b o s i z e o ( 引 脚1 1 9 ) 决定的： 当b o s i z e 1 ：o = o l 时，系统工作在8 位f l a s h 模式； 当b o s i z e 1 ：0 = 1 0 时，系统工作在1 6 位f l a s h 模式； 当b o s i z e 1 ：o = 1 1 时，系统工作在3 2 位f l a s h 模式； 本系统采用的是1 6 位f l a s h 模式，所以把b o s i z e 1 ：0 的值设置为l o 。 k s 8 6 9 5 x 与2 8 f 6 4 0 j 3 c 的连线如图2 - 3 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 k s 鼯9 5 ) () g f 6 4 0 j 3 c a d d r 0 ：2 1 ha 【l 矧 r d a t a 【o ：1 5 】 k d q o ：1 5 】 y e r w e n 0 i w e r e r w o n o er r c 洲 c b 0r 图2 - 3k s 8 6 9 5 x 与2 8 f 6 4 0 j 3 c 的连线图 2 2 4s d r a m 接口电路 h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 是现代公司生产的1 6 位8 m 的s d r a m 芯片，系统选用的两片 h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 并联构建3 2 位的s d r a m 存储器系统，共1 6 m b 的s d r 删空间， 可满足嵌入式操作系统及各种相对较复杂算法的运行要求。 h 1 5 7 v 6 4 1 6 2 0 有以下功能引脚： c l k ：芯片时钟输入，接k s 8 6 9 5 x 的s d r a m 时钟输出引脚； c k e ：时钟使能，本系统不使用此功能，直接上拉到3 3 v ； c s ：低电平使能的片选信号，两片s d r a m 的该引脚都接k s 8 6 9 5 x 的s d c s n 0 引脚，使两片1 6 位s d r a m 构成的3 2 位s d r a m 存储器被作为k s 8 6 9 5 x 的 s o r a m 的b a n k o ： b a o ，b a i ：组地址选择，用于片内4 个组的选择，分别接k s 8 6 9 5 x 相应的 功能引脚a 2 l 和a 2 0 ； a l l - - a o 地址总线行列地址选择，依次接k s 8 6 9 5 x 的a 1 l a o 引脚； r a s ：行地址锁存，接k s 8 6 9 5 x 的s d r a s n 引脚； c a s ：列地址锁存，接k s 8 6 9 5 x 的s d c a s n 引脚； w e ：芯片的写使能，接k s 8 6 9 5 x 的s d w e n 引脚； l d q m ，u d q m ：数据i o 屏蔽引脚，在读模式下控制输出缓冲；在写模式下 屏蔽输入数据，其中低1 6 位的s d r a m 这两个引脚分别接k s 8 6 9 5 x 的s d o m o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 和s d q m i ，高1 6 位的s d r a m 的这两个引脚分别接k s 8 6 9 5 x 的s d q m 2 和 s d q m 3 。 d q l 5 d q 0 ：数据总线，其中低1 6 位的s d r a m 接k s 8 6 9 5 x 的低1 6 位数据 引脚，高1 6 位的s d r a m 接k s 8 6 9 5 x 的高1 6 位数据引脚。 k s 8 6 9 5 x 与作为低1 6 位的w 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的连线如图2 - 4 所示： h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 k s s 6 9 5 x ( 低1 6 位) a d d r 【o ：1 1 】a 呻：l l l d q 【o ：1 5 】d a t a o ：1 5 】 s d o c l kc l k s d q m i u d q m s d q m 0l d q m d d r 2 0b a 0 d d r 2 lb a l s d c a s nn c a s s d r a s n蝴瑚 s d c s n 0n c s s d w e nn w e 图2 4k s 8 6 9 5 x 与低1 6 位的h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的连线图 k s 8 6 9 5 x 与作为高1 6 位的h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的连线如图2 - 5 所示： h y 5 7 v 6 4 1 6 2 d k s s 6 9 5 x ( 低1 6 位) a d d r 0 ：儿1 h a i o ：1 l 】 r d q 1 6 ：3 i l d a t a o ：1 5 s d o c “ c l k s d q m 3u d q m s d q m 2l d q m d d r 2 0b a o d d r 2 lb a l s d c a s nn c a s s d r a s nn i t a s s d c s n o“c s s d w i ；n 图2 - 5k s 8 6 9 5 x 与高1 6 位的h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的连线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 2 5 网络接口电路 k s 8 6 9 5 x 集成了五个网络接口，其中一个为w a n 接口，四个为l a n 接口， 每个接口有四条信号线，两条用于发送数据，两条用于接收数据。k s 8 6 9 5 x 与网络相关的信号线如表2 - 2 所示： 表2 - 2k s 8 6 9 5 x 的网络信号线定义 引脚名称功能 w a n r x pw a n 物理接收接口的差分信号正极 w a n r x m w a n 物理接收接口的差分信号负极 w a n t x pw a n 物理发送接口的差分信号正极 w a n t x mw a n 物理发送接口的差分信号负极 l a n r x p 1 ：4 3l a n 1 ：4 物理接收接口的差分信号正极 l a n r x m 1 ：4 l a n 1 ：4 物理接收接口的差分信号负极 l a n t x pe i ：4 l a n 1 ：4 物理发送接口的差分信号正极 l a n t x m 1 ：4 l a n 1 ：4 物理发送接口的差分信号负极 网络信号线通过网络隔离变压器与r j - 4 5 接口连接。网络变压器的内部 原理如图2 - 6 所示，其作用是防止高电压跳变损毁c p u 网络接口： 图2 - 6 网络变压器内部原理图 网络交压器的一侧连接k s 8 6 9 5 x 的网络信号线，另外一侧连接r j - 4 5 接 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 2 6 串行接口电路 k s 8 6 9 5 x 芯片提供一个全功能的串行接口，本系统只连接了r x d 和t x d 引脚，采用的电平转换芯片为m a x 3 2 3 2 ，可以使用3 3 v 的电源供电，在本设 计中，9 芯串口的第2 脚接的是t x d ，第3 脚接的是r x d ，与9 芯串口定义刚 好相反，目的是使目标板可以通过直联串口线与p c 通信。串口部分的连接如 图2 7 所示： 2 2 7j 7 i a g 接口 图2 - 7 串行接口的连线图 j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ，联合测试行动小组) 是一种国际标准测 试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试，j t a g 技术是一种 嵌入式调试技术，它在芯片内部封装了专门的测试电路t a p ( t e s ta c c e s s p o r t ，测试访问口) ，通过专用的j t a g 测试工具对内部节点进行测试。目前 大多数比较复杂的器件都支持j t a g 协议，如a r m 、d s p 、f p g a 器件等。标准 的j t a g 接口是4 线：t m s 、t c k 、t d i 、t d o ，分别为测试模式选择、测试时钟、 测试数据输入和测试数据输出。 j t a g 测试允许多个器件通过j t a g 接口串联在一起，形成一个j t a g 链， 可以实现对各个器件分别进行测试。j t a g 接口还常用于实现i s p ( i n s y s t e m p r o g r a m m a b l e 在系统编程) 功能，如对f l a s h 器件进行编程等。 通过j t a g 接口，可对芯片内部的所有部件进行访问，因而是开发调试嵌 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 入式系统的一种简洁高效的手段。本系统采用的是2 0 针的j t a g 口，表2 3 是2 0 针的j t a g 口的引脚定义： 表2 - 3j t a g 口引脚定义 引脚名称描述 lv t r e f目标板参考电压，接电源 2 v c c接电源 3n t r s t 测试系统复位信号 4 、6 、8 、1 0 、1 2 、 g n d接地 1 4 、1 6 、1 8 、2 0 5t d i 测试数据串行输入 7t m s测试模式选择 9t c k测试时钟 l lr t c k 测试时钟返回信号 1 3t d o测试数据串行输出 1 5n r e s e t目标系统复位信号 1 7 、1 9n c未连接 2 2 路由器的软件平台设计 路由器的软件平台采用如图2 - 8 所示的软件构架： 图2 - 8 路由器的软件构架 其中b o o t l o a d e r 采用u b o o t ，操作系统采用l i n u x ，文件系统及应用程 序主要基于b u s y b o x 构建，本章的以下几节内容将对构建及移植方法进行详 细的讲解。 2 2 1 引导装载程序b o o t l o a d e r 引导装载程序( b o o t l o a d e r ) 是嵌入式系统软件开发的第一个环节，它将 操作系统和硬件平台衔接在一起，对于嵌入式系统的后续软件开发十分重要， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 在整个开发中也占有相当大的比例。 u - b o o t ，全称为u n i v e r s a lb o o tl o a d e r ，是遵循g p l 条款的开放源码项 目，其源码目录、编译形式与l i n u x 内核很相似，事实上，不少u - b o o t 源码 就是相应的l i n u x 内核源程序的简化，尤其是一些设备的驱动程序。u - b o o t 不仅支持嵌入式l i n u x 系统的引导，还支持n e t b s d ，v x w o r k s ，q n x ，r t e m s ， a r t o s ，l y n x o s 等嵌入式操作系统。u - b o o t 除了支持p o w e r p c 系列的处理器 外，还能支持m i p s 、x 8 6 、a r m 、n i o s 、x s c a l e 等诸多常用系列的处理器。 u - b o o t 的启动分为s t a g e1 和s t a g e2 两大部分，依赖于c p u 体系结构的 代码( 如设备初始化代码等) 通常都放在s t a g e1 中，一般用汇编语言来实现， 而s t a g e 2 则通常用c 语言来实现，这样可以实现复杂的功能，而且有更好的 可读性和移植性。 s t a g e l 开始是在f l a s h 中运行，在进行了存储器重映射，使能s d r a m ，设 置控制寄存器后，在s t a g e l 的最后把自己拷贝到r a m 中开始地址o x f 0 0 0 0 0 处，然后就跳到r a m 中的c 语言的位置执行s t a g e 2 了。 本宽带路由器系统使用的u b o o t 版本是1 i 3 版，这个版本的u b o a r r 已经能够支持k s 8 6 9 5 x 芯片了，其中与本设计比较相近的板子是c m 4 1 x x ，本 设计的移植就直接在c m 4 1 x x 的原文件和目录中进行，而不另外新建文件了。 需要修改的文件是u - b o o t 1 1 3 i n c l u d e c o n f i g s c m 4 1 x x h ，这是系 统的基本配置文件，里面进行了全局宏的定义，本系统使用的是1 6 m 的s d r a m ， 8 m 的f l a s h ，因此，分别需要做如下修改： 将# d e f i n ep h y ss d r a m1 s i z e o x 0 2 0 0 0 0 0 0 * 3 2 h i b 改为# d e f i n e p h y s _ s d r a m _ i s i z e o x o l 0 0 0 0 0 0 * 1 6 m b * ； 将# d e f i n ec f g - 姒x f l a s h s e c t ( 1 2 8 ) 改为 # d e f i n ec f g m a x p l a s h _ s e c t ( 6 4 ) 通过以下三个步骤即可编译出u b o o t m a k ec m 4 1 x xc o n f i g m a k ed e p m a k e k s 8 6 9 5 x 处理器的系统控制寄存器默认的起始位置为o x 0 3 f f 0 0 0 0 开始到 o x 0 4 0 0 0 0 0 0 的6 4 k b 的区间之内，其中偏移量为o x 0 0 0 4 的寄存器为系统的时 钟控制寄存器c l k c 0 n ，此寄存器的最低三位决定着系统的外部时钟和c p u 的 主时钟，表2 - 4 为最低三位的值和系统时钟的对应表： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 表2 - 4k s 8 6 9 5 x 系统时钟表 c l k c o n 2 ：o 系统外部时钟c p u 主时钟 0 0 01 2 5 m h z1 6 6 m h z 0 0 11 0 0 m h z1 6 6 m i l z 0 1 0 6 2 5 m h z 8 3 m h z 0 1 l 5 0 m h z8 3 m h z 1 0 04 1 7 m h z5 5 3 m h z i 0 13 3 3 m h z 5 5 3 m h z 1 1 03 1 3 旧z 4 1 5 m h z 1 1 l2 5 m i z4 1 5 m h z 1 撇中的c p u 低级初始化文件：l 懒一i 1 。3 c p u a r 献k s 8 6 9 5 i o , l e v e l _ i n i t s 中可以通过设置时钟控制寄存器c l k c o n 的值改变c p u 运行的频 率，因为本设计采用成本较为低廉的两层板设计，抗电磁干扰能力较差，只 能在系统外部时钟为4 1 7 m h z ，c p u 主时钟为5 5 3 m h z 的状态下正常工作； k s 8 6 9 5 x 上电时的存储映射如图2 - 9 所示，图中标出的地址都是表示后一 个b a n k 的起始地址，下同： 图2 - 9k s 8 6 9 5 x 默认的存储映射 经过u - b o o t 初始化后，路由器的存储映射如图2 - 1 0 所示： s y s t e mc o n f 】g l l r a f i o a 黜百s ”s p a c e n o c o l i n g m d f l a s hb 田i 如 n o t c o n f i g u r e d s d r a i db i l k o o x 0 4 0 0 0 0 0 0 0 x 0 3 f f 0 0 0 0 o x 0 2 s o o x 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 l 伽o o 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 图2 - 1 0k s 8 6 9 5 x 最终的存储映射 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 2 2 2l i n u x 操作系统 l i n u x 是个与u n i x 相似、