（电子科学与技术专业论文）基于ixp425网络处理器的开发平台的构建.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r k , t r a d i t i o n a lg e n e r a lc p ua n da s i c c a l ln o tm e e tn e wd e v e l o p m e n tn e e d sd u et ot h e i fd i s a d v a n t a g e s u n d e rt h i s c i r c u m s t a n c e s ，n e t w o r k s s o fd w a sp r o p o s e d i n t e li x p 4 2 5 ，w i t h a d v a n t a g e so ff l e x i b i l i t ya n dh i g h - p e r f o r m a n c e ，i sah i g h l yi n t e g r a t e d , v e r s a t i l e s i n g l e - c h i pn e t w o r kp r o c e s s o r , t h a ti sf a c i n gs m e s , s o h o sa n df a m i l i e s t l l i sp a p e rp r o p o s e da n dc o n s t r u c t e da ne m b e d d e dd e v e l o p m e n tp l a f f o r mb a s e d o ni x p 4 2 5 1 1 1 ed e g i s ni n c l u d e ss c h e m a t i cd e s i g n , p c bl a y o u ta n dl o w - l e v e l s o f t w a r et r a n s p l a n t a t i o n t b eh a r d w a r ei sd e s i g n e dw i t hs p b1 5 2b o a r d - l e v e le d a s o f t w a r e w h i c hh a sas e r i e st o o l ss u c ha sc a p t u r ec i s 。a l l e g r oo fc a d e n c ec o r p b e s i d e sr e a l i z i n gb a s i cf u n c t i o n s , w ee n s u l 陀t h es t a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n ds c a l a b i l i t y , f o r t h ef o l l o w - u pd e v e l o p m e n t w eu s eu - b o o t , s n a p g e a ra n di n t e la c c e s sl i b r a r y 嬲l o w - l e v e ls o f t w a r et op r o v i d ep l e n t i f u le s s e n t i a lr c s o u r c 船 t h em a i nw o r ko f t h i sp a p e rc o u l dt h e r e f o r eb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： a ne i t s 4 2 5d e v e l o p m e n tp l a t f o r mb a s e do i l p 4 2 5n e t w o r kp r o c e s s o r , i n c l u d i n gc o r cb o a r da n de x p a n s i o nb o a r d t h ec o r eb o a r di sam i n i m a l s y s t e m , i n c l u d i n gi x p 4 2 5 ，s d r a m ，f l a s h ，u a r ts c r i a lp o r ta n do t h e r f op r o t s n 圮e x p a n s i o nb o a r dr e a l i z ef u n c t i o n a le x p a n s i o ni n c l u d i n g 伪n ，ia ni n t e r f a c eb a s e do nn p ea 但，w i r e l e s sl a nm o d u l e ，l o 1 0 0 m e t h e m e ti n t e r f a c eb a s e do np c ib u sa n do t h e ri n t e r f a c e sf o rf u r t h e r e x p a n s i o n c o m p l e t i n gp c bd e s i g nf o rb o t hb o a r d s , a c c o r d i n gt op r i n c i p l eo f l l i g h - s p e e dm u l t i - l a y e rd i g i t a lc i r c u i td e s i g n i nt h ed e s i g np r o c e s s , w e 正o c u s e do nt h es i g n a li n t e g r i t y ( s oa n dc r o s s t a l ki s s u e s c u s t o m i z a t i o na n dt r a n s p l a n t a t i o nt h eb a s i cs o f t w a r e i n c l u d i n gu - b o o ta s b o o t l o a d e ra n ds n a p g e a rl i n u xa so p e r a t i o ns y s t e m u s i n gt h i ss o t b w a r e , d e v p l o p e r sh a v eac o m p l e t ep l a t f o r m t h e yc a l ld e v e l o pa p p l i c a t i o n s o f t w a r ed i r e c t l yo nt h ee i t s 4 2 5p l a t f o r ma n da c h i e v er e q u i r e df u n c t i o n s , s u c ha sf i r e w a l l ，v p nr o u t e r , w i r e l e s sa p s y s t e md e b u g g i n gb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e , r t m n i n gs o m es i m p l e e x a m p l e sa n di m p r o v i n gt h ee i t s 4 2 5d e v e l o p m e n tp l a t f o r m w es o l v e d s o m ep r o b l e m sa n dr e c o v e r ds o m es h o r t c o m i n g s al o to fe x p e r i e n c eh a v e b e e ng a i n e dd u r i n gt h i sp r o c e s sf o rf o l l o w i n gd e v e l o p m e n t t h ed e s i g nr e s u l t si nt h i sp a p e rw i l ln o to n l yb ead e v e l o p m e n tp l a t f o r mb a s e d o ni x p 4 2 5f o re m b e d d e dd e v e l o p e r s , b mc a na l s ob eu s e df o rn e t w o r k i n gt e a c h i n g a n dl a b o r a t o r y , w i t hh i g hr e s e a r c hv a l u e k e y w o r d s ：i x p 4 2 5 ，n e t w o r kp r o c e s s o r ( n p ) ，x s e a l e , h i g h - s p e e dd i g i t a ld e s i g n , u - b o o t - s n a p g e a r 浙江大学硕士学位论文 图表目录 表格 表2 1i x p 4 0 0 系列网络处理器对照表8 表4 1d i p 与s m d 封装类型比较3 2 图片 图1 1 网络处理器基本结构2 图1 2 嵌入式系统软件层次图5 图2 1i x p 4 2 5 外部体系结构图9 图2 2i x p 4 2 5 内部体系结构图l o 图2 3i x p 4 2 5a c c e s sl i b r a r y 软件库1 4 图3 1e i t s 4 2 5 硬件结构框图1 6 图3 2 核心板硬件框图1 7 图3 3s d r a m 模块电路原理图1 9 图3 4s d r a m 匹配电路图1 9 图3 5f l a s h 模块电路原理图2 0 图3 6u a r t 串口电路原理图2 l 图3 7i x p 4 2 5 复位时序图2 2 图3 8 核心板复位电路原理图2 3 图3 9 扩展板硬件框图2 4 图3 1 0 k s 8 9 9 5 m 内部结构框图一2 5 图3 1 ln p e 扩展的w 舭a n 模块结构图2 6 图3 1 2 p c i 扩展以太网接口电路原理图( 以太网控制器部分) 2 7 图3 1 3p c i 扩展以太网接口电路原理图( 变压器和l u 4 5 接口部分) 2 8 图3 1 4 电源模块电路图2 9 图4 1c a p t u r ec i s 五大模块关系图3 0 图4 2a l l e g r o 设计流程图3 1 图4 3 核心板p c b 叠层设置3 3 图4 4 扩展板p c b 叠层设置3 3 图4 5 核心板p c b 布局示意图3 4 图4 6 串匹电阻拓扑结构图3 6 图4 ，7l a n 模块差分电路示意图3 7 图4 8s d r a m 模块蛇形走线3 8 图5 1 嵌入式系统存储器空间分配图4 l 图6 1 网桥拓扑结构图5 3 图6 2p i n g 抓包验证5 6 图6 3f t p 抓包验证5 7 v l 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 网络处理器概述 随着互联网的高速发展，传统的通用c p u 和a s i c 已经不能满足网络发展 的需要，性能和灵活性之间的矛盾日益激化，在这种情况下，网络处理器( n e t w o r k p r o c e s s o r ) 应运而生了。网络处理器的诞生解决了通用c p u 与a s i c 之间的这一 矛盾，具有良好的发展前景。 1 1 1 什么是网络处理器 顾名思义，网络处理器英文全称为n e t w o r kp r o c e s s o r ( 简称卜m ) ，它是一种 专门为网络路由和包处理优化的可编程处理器，它特定的用于网络通信领域的各 种业务，如包处理、协议分析、路由查找、图像，声音的汇聚、防火墙和q o s 等， 应该具备以下特点： o 高效而强大的网络路由和包处理能力，通常具有专为网络优化的r j s c o 灵活性 。相对低廉的成本 。完全的可编程能力 。较短的开发周期 相比起传统c p u 和a s i c ，网络处理器弥补了他们各自存在的不足。针对通 用c p u 处理速度慢、性能低下的致命缺陷，网络处理器采用的是专门为网络优 化的r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集计算机) ，并且许多网 络处理器都有专门的网络协处理器，如i n t e l l x p 4 2 5 中的网络处理引擎n p e ，i n t e l i x p 2 4 0 0 中的微引擎v i e 等；同时，虽然网络处理器在处理速度上比a s i c 稍逊 一筹，却弥补了a s i c 所存在的诸多不足和弊端，它具有非常强的可编程能力， 支持各种应用和可扩展服务，具有高度的灵活性，适应网络多样化发展的趋势。 更重要的是，网络处理器克服了a s i c 研制周期长( a s i c 的研制周期通常为1 8 个月2 7 1 ) 、成本高、市场存活时间短的弱点，当新的网络业务出现时，网络设 备供应商不再需要等待漫长的开发周期来期待能够实现新业务的处理器的出现。 随着这几年各大公司在网络处理器上的大力研发，其性能已经取得了长足的进 步，最新的i x p 2 8 0 0 能够提供高达1 0 g b p s 的包转发和流量管理功能，用于o c 1 9 2 ( 1 0 g b p s ) 的边缘接入和核心应用【1 】。 所以，我们对网络处理器的定义归纳如下 2 2 1 ： 网络处理器是一种专用的、可编程的硬件设备，它结合r i s c 处理器的低成 本、灵活性以及a i s c 的速度和可扩展性，网络处理器正成为构建网络系统的基 本组件。 1 1 2 网络处理器的基本结构 尽管各大公司分别针对不同的应用范围和应用领域推出了各种不同的网络 浙江大学硕士学位论文 处理器，但是网络处理器的最终目的都是为了完成网络分组处理，因此网络处理 器的基本结构也大致相同网络处理器通常由核心处理器、协处理器、高速l ，o 接口、内部高速总线、存储器、专用指令集等几个部分构成。 图1 1 网络处理器基本结构 核心处理器：网络处理器内部包含一个或多个核心处理器。如i n t e l 的网络 处理器普遍采用x s c a l e 内核 协处理器：协处理器采用硬件的方式用来完成某些特定的功能，如路由查找 和数据加密等。一般来说，协处理器针对其特定的功能完成了一定的硬件优化， 提高了性能，同时也可以减轻核心处理器的负担。一个网络处理器中往往有多个 协处理器，如上文提到的i n t e l 的i x p 2 4 0 0 就有多达八个多线程的微引擎。 高速的i o 接口单元：网络处理器有丰富的网络i o 接口单元，如m i i ， u t o p i a ，h s s ，g p i o 等，为以太网，a t m ，v o l p 等提供相应的接口支持。 内部高速总线：多组处理器和哟接口单元通过内部高速总线( 一般为多总 线结构) 连接在一起，组成优化的数据通路结构，从而提供很强的硬件并行处理 能力。如p c i 总线等。 存储器：包含多种不同性能的存储结构，以适应不同的应用目的。例如f l a s h 用于存放硬件启动引导程序；s r a m 存放路由表、队列结构等各种查询表格； s d r a m 作为缓冲区存放分组数据。 专用指令集：核心处理器和协处理器一般具有专用的r i s c 指令集，这些指 令经过针对网络数据处理的优化，例如数据读写，状态判断，堆栈操作，哈希查 找等。 2 浙江大学硕士学位论文 1 1 3 网络处理器的应用与前景 目前，网络处理器这一技术已经逐步为各大网络通讯厂商和高校，研究所等 研究机构所重视，越来越多的厂商开始加入网络处理器的研发队伍之中，市场上 常见的网络处理器主要面向o c - 4 8 ( 2 5 g b p s ) 和o c 1 9 2 ( 1 0 g b p s ) ，而面向o c 7 6 8 ( 4 0 g b p s ) 的网络处理器也正在逐步走向市场。市场上常见的网络处理器有：i n t e l 公司的i x p 4 0 0 和i x p 2 4 0 0 ，2 8 0 0 系列，a g e r e 公司的a p p 5 x x 系列，e z c h i p 公 司的n p 1 c ，n p - 2 系列，m o t o r o l a 的c - p o n 系列，m m 的p o w e r n p 系列等【2 】。 与此同时，各大网络设备供应商也开始采用网络处理器来进行网络设备的开发， 相应的产品也应运而生，如v p n 网关、防火墙、交换机、路由器等。c i s c o ，华 为，z y x e l ，港湾等网络设备供应商已经有采用网络处理器的相关产品推向市场。 网络处理器的应用非常广泛，其应用可以涵盖从家庭s o h o ( s m a l lo f f i c e h o m eo 艏c e ) s m b ( s m a l l m e d i u mb u s i n e s s ) 用户到电信核心网，从o s i 第二 层到第七层，具有极佳的灵活性和非常优异的性能，主要应用可以大致分为以下 几类： l a n 应用：它可以提供硬件防火墙、入侵检测、网络监控、流量控制等 功能，防御内部和外部网络的恶意侵入行为；完成$ m e 交换、路由功能；对不 同的业务进行分组，完成与q o s 相关的流量整形和流量工程策略；同时还可以 构建虚拟专用网v p n 等。例如i n t e l 的i x p 4 x x 系列网络处理器就是主要面向这 些应用的，比较适合于家庭、s o h o 和中小型公司内部局域网的网络构建。 边缘接入：实现数据包的分组分类、聚合和调度，实现负载均衡，提供 动态带宽管理，具有多种协议转换单元，支持多种媒体接入，实现网络与安全监 控等。 广域核心网：在o c - 4 8 到o c 1 9 2 下完成对聚合流的分类识别和转发， 支持一些新的协议，如m p l s ( m u l t ip r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ，多协议标签交换) 等。 在历经第一代网络处理器的探索期之后，第二代网络处理器已经开始全面占 据市场，第三代产品也已处于紧锣密鼓的研发之中，网络处理器将主要向以下几 个方向发展： 更快的速度，更低的功耗。网络处理器在速度上面相比a s i c 略有不足， 这也是网络处理器的主要发展方向。例如i n t e li x p 4 2 5 的x s c a l e 内核的处理速度 最高可达到5 3 3 m i - i z ，同时随着半导体制造工艺的提高和各种节电技术的应用， i x p 4 2 5 拥有极低的功耗，典型功耗仅为1 0 1 5 瓦【3 】 分类更细，多元化设计。已经有越来越多的网络处理器开始在市场上涌现， 不同的厂家往往采用不同的设计理念和体系结构，如a g e r e 采用多芯片的体系结 构，不同的芯片负责不同的功能并协同工作；h t d 的i x p 4 0 0 系列则采用x s c a l e 核心处理器和多个n p e 的架构，n p e 能够有效减轻x s c a l e 核心的负担，使x s c a l e 能够更多的参与控制工作。同一个公司的不同产品往往也具有针对性，如i n t e l 公司的网络处理器的产品线就非常的丰富，既有用于高性能s o h o ，s m b 应用的 3 浙江大学硕士学位论文 i x p 4 2 5 ，又有用于o c - - 4 8 边缘接入的i x p 2 4 0 0 ，还有用于o c 1 9 2 核心网的 i x p 2 8 0 0 ，丰富的产品线使得网络处理器能够满足不同场合不同应用的需要。 标准化。网络处理器论坛( n e t w o r kp r o c e s s o r f o r u m ，简称n p f ) 是一家 为推动并加速基于网络处理器技术的下一代网络通讯设备的发展的组织。n f p 由公共交换接口协会c s i x ( c o m m o ns w i t c hi n t e r f a c ec o n s o r t i u m ) 和公共编程 接口联盟c p i x ( c o m m o n p r o g r a m m i n g i n t e r f a c e f o r u m ) 组成，肩负着网络处理 器标准化这一使命，c s i x 主要制定网络处理器与交换机构之间的标准硬件接口， 而c p i x 则制定网络处理器应用开发的标准软件接口( a p i ) 。n p f 所建立的标准， 可以使网络设备制造商在制造满足它们需要的产品时可以尽可能的降低成本，缩 短产品进入市场的时间，延长产品的生命周期。 1 2 嵌入式系统及其发展 1 2 1 嵌入式系统简介 嵌入式系统是用来执行某个特定功能的计算机系统，它以应用为中心，以计 算机技术为基础，软硬件可裁剪。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。嵌入式系统通常由硬件和软件两部分组成，硬 件部分包括处理器、存储器、i o 端口以及其它外设器件等；软件部分一般为一 种固化的软件，术语上称其为固件( f i r m w a r e ) ，用户一般不能修改这些软件， 由操作系统和应用程序组成。嵌入式系统其涵盖范围非常广阔，可以应用于各种 电子电气产品的设计，毫不夸张的说，目前嵌入式系统已经“渗透”到我们生活 的各个角落，大到工业用的仪器仪表、机器人、医疗器械，小到日常用的数字电 视机顶盒、电子表、手机、p d a 等，都是离不开嵌入式系统的。与传统的通用 计算机系统相比，其最显著的优势就是可以嵌入到任何大型巨型设备或是小型微 型仪器中。 嵌入式系统与通用计算机系统相比，具有如下几个特点： 低功耗、体积小、集成度高。越来越多的嵌入式系统被应用于手机、p d a 等手持式电池供电设备当中，这对嵌入式芯片的功耗要求是一个严峻的考验。随 着研发能提的提高以及生产工艺的改进，目前许多嵌入式芯片的功耗只有毫瓦甚 至是微瓦级。 高效率的软硬件设计。嵌入式设备无论在存储空间还是设备体积上都非常 有限，为了在同样面积的硅片上实现更高的性能，必须尽可能的去除冗余，提高 软硬件工作效率，从而使该产品在同类产品中更具有竞争力，这也对研发人员的 设计能力提出了更高的要求。 系统可靠性。由于嵌入式的软件不是象通用的计算机一样写在磁盘中并可 以随意修改，而是固化在存储器芯片中并且不能被修改。如果一旦发生错误，可 能会造成整个系统不可挽回的崩溃，因此需要极高的系统可靠性。 1 2 2 嵌入式系统的基本软硬件架构 嵌入式系统由软件和硬件两个部分组成。关于其硬件架构，在1 1 ，2 节已经 4 浙江大学硕士学位论文 做了简要的介绍，在接下来的章节中还会对其做详尽的介绍，在这里不再赘述。 嵌入式系统的软件部分，主要由以下几个部分组成：b o o t i o a d e r ，操作系统，中 间服务组件和应用程序 图1 2 嵌入式系统软件层次图 b o o f l o a d e r ：类似于计算机中的b i o s ，完成嵌入式系统上电启动的一些 初始化配置，常用的b o o f l o a d e r 有u o b o o t ，r e d b o o t ，a r m b o o t 等 操作系统：嵌入式系统运行的平台，同时也包括了能使硬件系统正常运 行的驱动程序，所有所需完成的功能都需要依赖于该操作系统进行开发。常用的 嵌入式操作系统有u c l i n u x ，u c o s i i ，v x w o r k s , w i nc e 等。 中间服务组件：与操作系统无关并且针对所采用的硬件系统( 特别使 c p u ) 的一些软件，通常由硬件开发厂商所编写。以本课题中采用的i x p 4 2 5 网 络处理器为例，其中间服务组件来自于i n t e l 公司，它与操作系统无关并且面向 i x p 4 2 5 的特性，完成对i x p 4 2 5 的初始化、配置以及管理等工作。 应用程序；可由用户自行开发，用户可以通过这些应用程序完成所需的 特定的功能，以及实现对各种外设、接口等进行监控和管理。 1 2 3 采用嵌入式l i n u x 的意义 源码完全开放的嵌入式操作系统。具有非常清晰的注释，以及丰富的相 关资料，非常有利于系统的移植和个性化的定制，大大降低了开发难度。 高效、可靠，模块化、易于配置的嵌入式操作系统。l i n u x 的核心在于 它的内核，l i n u x 提供韵模块机制使得我们可以根据需要，将所需的模块编译到 内核之中使得整个内核可以精简到非常小；同时l i m e x 所采用的内核机制，使得 内核例程可以高效的运行，具有非常高的运行效率。正是由于l i n u x 的源码开放 性及其相应内核机制，使得l i n u x 成为最可靠、最稳定的操作系统之一。 支持大量的硬件设备。嵌入式l i n u x 发展到今天，已经能够支持绝对多 5 浙江大学硕士学位论文 数市面上存在的硬件设备，针对本次课题所采用的i x p 4 2 5 等各种硬件设备，嵌 入式l i n u x 已经能够提供完全的支持。 强大的网络功能。嵌入式l i n u x 具有完善的t c p i p 协议栈以及非常丰富 的客户端服务器端网络软件，不仅能够支持t i p ，t e l n c t 等常用网络协议，还能提 供n f s 功能以及s u p 、p l i p 等协议，对于我们基于网络处理器的网络开发平台 的开发，在一定程度上减少了开发成本，具有非常大的帮助。 完善的开发工具。l i n u x 提供了g c c 、g o b 、k g d b 、x g d b 等一整套开发和 调试工具，使得嵌入式l i n u x 的开发更是得心应手。 综上所述，嵌入式l i n u x 操作系统在各个方面具有非常高的优越性，因此也 成为了本次课题中的不二选择。 1 3 本课题的研究意义 本次课题所采用的是i n t e l 公司推出的i x p 4 2 5 网络处理器。i x p 4 2 5 网络处 理器采用i n t e lx s c a l e 微架构核心，并且配以三个能够同时工作且分工不同的 n p e ，能够广泛的应用于各种需要的高性能网络连接，主要用于中小型企业 ( s m e ) 、家庭办公室( s o h o ) 以及家庭用户，用来满足高端网关、v o i p 应用、无 线接入点、s m e 路由器、交换机、安全设备、微型d s l a m ( d i # t a ls u b s c r i b e r l i n e a c c e s sm u l t i p l e x e r s ) 、工业控制和基于网络的成像应用的需要。【3 】3 i n t e li x p 4 2 5 具有独特的分布式处理体系结构，每个处理器都结合了高性能 的x s c a l e 内核和附加的n p e 单元，用以满足处理并以线速转发数据包的需要， 在工作时，x s c a l e 内核和n p e 并行运行指令流。x s c a l e 内核完全兼容a r mv s t 指令集与v 5 e d s p 扩展指令，采用0 1 8 微米工艺使得x s e a l e 内核完成单位数量 的指令只需极低的功耗。三个n p e 作为x s c a l e 的补充，主要用来完成许多数据 计算量非常大的操作，如口报头检查和修改、包过滤、包错误校验、校验和计 算等。 在本次课题中我们研究的内容主要面向家庭，s o h o ，中小企业用户，因此采 用i x p 4 2 5 进行开发，具有如下的几个优势： 高度的灵活性。i x p 4 2 5 丰富的接口能够满足有线和无线网络接入的需 求。在有线网络上，i x p 4 2 5 所提供的m i i 接口能够满足w a n i ，a n 接入的需要， 同时还能通过u t o p m 接口实现x d s l 接入。在无线网络方面，可以用其提供的 p c i 总线进行扩展，实现i e e e8 0 2 1 l a b g 接入的需要。 优异的性能。i x p 4 2 5 除了x s c a l e 核心之外，还提供了3 个n p e 网络处 理引擎，采用微码的方式来实现部分网络处理的运算，大大降低了x s c a l e 核心 的负荷。例如我们可以采用i x p 4 2 5 实现v p n 网关，在这个v p n 网关中用n p e 来实现加密解密运算，从而将x s e a l e 解放出来，去完成更多别的工作，大大提升了 整个系统的性能。 较低的研发成本和较短的研发周期。当新的网络应用与网络协议出现时， 只要在原来的基础上，在软件上稍做一些改动即可，而不用象a s i c 一样需要重新 6 浙江大学硕士学位论文 设计整个芯片，大大降低了研发成本和缩短了研发周期 1 4 本课题的主要研究内容与章节安排 基于上述观点，我们将研究设计一个基于i n t e li x p 4 2 5 网络处理器的嵌入式 开发平台，完成该平台的硬件系统设计、b o o t l o a d e r 的移植以及u c l i n u x 操作系 统的移植。在本文的设计思路中，采用“核心板+ 扩展板”的策略，在核心板上集 成能够运行的最小系统，尽可能的缩小核心板的面积，并通过接口扩展出各类通 用接口和总线；在扩展板上，通过这些通用接口与总线，实现有线、无线网络的 各类功能。采用这种策略，具有以下几点优势： 增加系统可靠性可以在保证核心板能够可靠运行的前提下进行扩展板 的设计，增加了系统的可靠性，减小了系统调试的难度。 更高的灵活性。采用这样的设计策略，使得扩展板可以根据实际需要量 身定做，当需求发生变化时，只需要重新设计扩展板即可，具有非常高 度的灵活性。 较低的研发成本在后期的研发中，可以根据不同的需要定制不同的扩 展板，只在扩展板上集成所需的功能，大大降低了研发成本 本论文的结构安排如下： 第一章绪论部分，简要介绍了网络处理器和嵌入式系统，同时针对性的 介绍了本次课题所采用的i x p 4 2 5 网络处理器，并阐述了本课题 的研究意义、研究内容以及工作安排。 第二章介绍了d 口4 0 0 系列网络处理器，同时分别从硬件和软件的角度 比较详细的阐述了本次课题所采用的i x p 4 2 5 网络处理器。 第三章主要介绍了e i t s 4 2 5 开发平台的硬件设计和调试，包括核心板和 ，扩展板两个方面。 第四章主要介绍了e i t s 4 2 5 开发平台的p c b 版图设计，包括封装的绘 制，p c b 的叠层设置，整体布局、布线技巧、后处理等，并说 明了一些设计中需要注意的问题和技巧 第五章介绍了整个底层软件的层次结构并完成了其定制和移植，包括 b o o t l o a d e l ( u - b o o t ) 、嵌入式l i n u x ( s n a p g e a r ) 和a c c e s sl i b r a r y 三个方面。 第六章对整个开发平台进行了软硬件的联合调试，并举例作了简单功能 的验证 7 浙江大学硕士学位论文 第2 章i n t e l i x p 4 2 5 网络处理器 2 1i x l 。4 0 0 系列网络处理器 i l l t e li x p 4 0 0 系列网络处理器是高度集成的、通用的单芯片处理器，共有 i x p 4 2 0 4 2 1 4 2 2 4 2 3 4 2 5 共五款产品。它采用共同的体系结构来支持多路w a n 和l a n ，能够广泛的应用于各种需要网络连接和高性能的运行特殊软件应用的 产品。i n t e li x p 4 0 0 系列具有独特的分布式处理体系结构，每个处理器都结合了 高性能的x s c a l e 内核和附加的n p e 单元，用以满足处理并以线速转发数据包的 需要，在工作时，x s c a l e 内核和n p e 并行运行指令流。x s c a l e 内核完全兼容 a r m v 5 t 指令集与v s e d s p 扩展指令，采用0 1 8 微米工艺使得x s c a l e 内核完 成单位数量的指令只需极低的功耗，并为增值软件提供充足的处理能力。n p e 作为x s c a l e 的补充，主要用来完成许多数据计算量非常大的操作，如口报头检 查和修改、包过滤、包错误校验、c h e c k s u m 计算和f l a g 的插入与移动，各个n p e 所完成的任务也不尽相同。 i x p 4 0 0 系列网络处理器的区别主要表现在x s c a l e 核心频率、n p e 的数量和 频率上，其相互之间的差别可详见表2 1 。 表2 1i x p 4 0 0 系列网络处理器对照表 型号 i x p 4 2 5i x p 4 2 3 i ) 4 2 2 i x p 4 2 l i x p 4 2 0 频率( 1 廿l z )2 6 6 4 0 0 5 3 3 2 6 62 6 62 2 6 6 4 0 0 5 3 3 u t o p i a ， h s s ， ， a l io ， ， ， m i i1 ， i j s b1 1 ， p c i ， a e s o e s o e s 3 ， 多路h d l c 888 s h a l m d 一5 最近i n t e l 公司又推出其最新款的i x p 4 0 0 系列网络处理器i x p 4 5 5 4 6 0 4 6 5 ， 作为i x p 4 2 x 系列的继承者和新一代产品，它们具有更快的x s c a l e 内核、带宽 更大的总线、更丰富的连接接口以及更可靠的安全性和稳定性。i x p 4 5 5 4 6 0 4 6 5 采用了一些新技术，首先，更高的频率和更大的带宽，x s c a l e 最高可达到 8 浙江大学硕士学位论文 6 6 7 m h z ，支持d d r ( d o u b l ed a t er a t e ) s d r a m 并可提供e c c ( e r r o rc h e c k i n g a n dc o r r e c t i n g ，错误检查和纠正) ；其次，加入了u s b 2 0 标准主控制器，支持 低速和全速两种模式，提供更高速度与外界进行通讯；再次，对更多的加密算法 提供硬件支持，如r s a 、d s a 、d i f f i e - h e l l m a n 算法等；另外，硬件支持i e e e l 5 8 8 协议，能够在包含多个时钟的分布式控制系统中对实时同步提供硬件支持。 2 1 2i p 4 2 5 硬件概述 2 2 1i x p 4 2 5 硬件体系结构 为了满足现今网络设备设计的需求，i x p 4 2 5 网络处理器采用了全新的体系 结构，具有极其丰富的功能和较高的集成度，除核心处理单元i n t e lx s c a l e 外， 在一个处理器上集成了3 2 位p c i 控制器、2 个功能不同的u a r t 、s d i i l a m 控制 器、扩展总线控制器、中断控制器、3 个n p e 网络处理引擎、g p i o 接口、内部 总线，8k b y t e 队列管理器、p m u 等模块。 图2 11 x p 4 2 5 外部体系结构图 9 浙江大学硕士学位论文 图2 2i x p 4 2 5 内部体系结构图 2 2 2i x p 4 2 5 硬件特点 在硬件上，i x p 4 2 5 具有以下特点【4 】： 最高可达5 3 3 m h z 的i n t e lx s c a l e 核心，并可提供2 6 6 ，4 0 0 ，5 3 3 m h z 供开 发人员选择 采用加速的集成硬件加密算法，可用于安全应用，如：s h a - i ，m d 5 ，d e s ， 3 d e s ，a e s 等 基于x s c a l e 核心的d s p 软件库，支持2 _ 4 路的话音通道并可降低系统消耗 两个高速串行接口( h i g h - s p e e d s e r i a l ，h s s ) ，可用于v o i p s l i c c o d e c 或 t l e 1 集成两个具有媒体独立接m ( m n ) 的1 0 1 0 0b a s e - t 以太网 支持a d s l g s h d s l 或v d s l 的u t o p i a 2 接口 3 3 6 6 m i i zp c iv 2 2 标准总线及最多可提供四个设备的无缝连接接口 支持从8 到2 5 6 m bs d r a i v i 的s d r a m 控制器 低功耗( 典型：1 o 1 5 瓦) 两个高速u a r t s ，每个最高可支持9 2 1 k 的波特率 1 6 个g p i o 接口 1 6 位可配置扩展总线 4 9 2p i np b g a 封装，分为商用版本( o 到7 0 c ) 和扩展版本( - 4 0 到8 5 x 2 ) 1 0 浙江大学硕士学位论文 2 2 3i x p 4 2 5 各模块简介 1 ) i n t e lx s c a l e f q 核 i n t e lx s c a l e 内核完全兼容删+ v 5 t e 的指令集，是i n t e l 公司的s t r o n g a r m 的升级换代产品【5 】。它基于0 1 8 微米的生产工艺，采用了超流水线技术为该核心 带来了优异的性能，高效的指令级管理通道架构使得反应时间减少到最小，而且 使时钟速度到了一种超低的能量消耗，具有高性能、低功耗和高集成等特点，可 以工作于2 6 6 m h z 、4 0 0 m h z 和5 3 3 m h z 等各种频率，具有业内领先的m w 瓜p s 性能表现。基于i n t e lx s c a l e 核的处理器主要用于操纵应用程序的处理，底层的通 信，诸如路由表等与微引擎共享的数据结构的管理和更新，建立和控制通讯媒介 和交换装置等，被广泛的应用于手机、p d a 、网络存储设备、路由器等嵌入式系 统中。 2 l网络处理器引擎( n e e ) n p e 英文全称为n e t w o r kp r o c e s s o re n g i n e ，是用来完成某些特定功能的协处 理器，从而有效减轻了x s c a l e 的负担，具有高性能、硬件多线程等特点，全部 的指令代码都存储在专门的指令存储器和数据存储器之中。n p e 支持多种专门 的外围接口，如m i i 、u t o p i a 2 、h s s w ，h s s v 等。 i x p 4 2 5 具有三个功能不同的n p e 。n p e a 和n p e b 主要通过m i i ( m e d i a i n d e p e n d i n t e r f a c e ) 接口与外界联系，完成以太网m a c 层的功能，但n p e b 同 时还要承担s h a - 1 m d 5 、d e s 、3 d e s 、a e s 等数据加密和认证的任务；剩下的 一个是广域网音频n p e ，它通过u t o p i a 、高速串行接口h s s 与外界联系，具 有a a l ( a t m a d a p t a t i o nl a y e r s ，异步传输模式适应层) 和h d l c ( h i g l l 1 e v e ld a t a l i n kc o n t r o l ，高层数据链路控制) 单元。 3 )内部总线 i x p 4 2 5 共有北越毋，南a h b 和a p e 三种内部总线。j t a h b 是可由广域网音 频n p e 和n p e a b 控制的1 3 3 3 2 m h z 、3 2 位的总线，其对象可以是s d r a m 或 a p b ，a l m 桥，灿 b ，a 皿桥允许n p e 访问南a h b 上的外围设备和内部目标；南 a h b 是可由x s c a l e 核心、p c i 控制器和a l 皿脚b 桥控制的1 3 3 3 2 m h z 、3 2 位的总 线，其对象可以是s d r a m 、p c i 接口、队列管理器、扩展总线或a p b a