（电磁场与微波技术专业论文）基于ixp425网络处理器的接入路由器.pdf

浙江人学硕士学位论文 摘要 网络处理器因其性能和灵活性并重的特点在网络的各个领域得到了广泛应 用。i x p 4 2 5 是i m e l 公司针对中小企业和家庭用户的应用需求推出的中低端网 络处理器，尤其适合于网络接入路由器等边缘网络设备的开发。 本文的内容，就是实现基于i n t e l i x p 4 2 5 网络处理器的接入路由器，具体 而言应当具有以下功能： 1 a d s l 或小区l a n ( 或两种方式兼具) 的宽带接入方式： 2 i e e e 8 0 2 3 i e e e 8 0 2 1 l 的有线无线局域网接入方式； 3 内部有线无线局域网的透明桥接； 4 局域网与广域网之间的路由； 5 以网络端口地址转换方式( n a p t ，r f c 3 0 2 2 ) 提供单个合法i p 的共 享接入； 6 分组的软件快速交换； 本设计以i n t e l i x p 4 2 5 网络处理器作为功能核心，采用了核心板+ 扩展板的 硬件方案。由处理器、电源、存储器电路等构成的通用核心板，实现了基于 i x p 4 2 5 的最小功能系统。同时为了满足网络接入路由器的实际应用需求，设计 了扩展板与通用核心板相配合。在系统硬件顺利实现的基础上，定制了u b o o t 作为启动引导程序，s n a p g e a r 作为操作系统平台，为上层的软件实现提供了稳 定可靠的支持。根据网络接入路由器的应用需求，实现了a p 模式的无线网络 接口软件，提供了对i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网接入方式的支持；针对l i n u x i p 转 发机制的弱点和不足，将基于f a s t 汀h 框架的快速软件分组交换路由机制 应用于本设计；充分利用i x p 4 2 5 的以太网n p e 资源，调用i n t e l a c c e s sl i b r a r y 提供的a p i 库，实现了无线有线局域网之间的透明桥接和源m a c 地址防火墙； 针对合法公网i p 共享的问题，提出了基于网络端口地址转换( n a p t ) 的i p 共 享机制，并以l i n u ) 【内核模块的形式予以实现。最后对软硬件的协同调试和功 能验证进行了介绍。 关键词：网络处理器，接入路由器，i x p 4 2 5 ，无线接入点，透明网桥，n a p t 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t f e a t u r i n gg r e a t b a l a n c eb e t 、v e e n p e r f o r n l a n c e a n dn e x i b i l 蚵，n e t w o r k p f o c e s s o r sf i n d 也e i rw i d ea p p l i c a t i o ni ne v e r yf a c e to fn e t w o r k i n t e li x p 4 2 5 ， a i m i n g a tt h ea p p l i c a t i o n so fs m ea n ds o h o ，i se s p e c i a l l ys 试t a b l ef o rm e d e v e l o p m e mo fe d g en e t w o r ke q u i p m e m ，i e g a t e w a ya i l da c c e s sr o u t e r t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ed e v e l o p m e mo fa c c e s sr o u t e ru s 访gi x p 4 2 5n e t v v o r k p r o c e s s o r ，w h i c hh a s t h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ： 1 s u p p o nf o ra d s l e t h e m e tw a na c c e s s ； 2 i e e e 8 0 2 3 i e e e 8 0 2 1lw i r e w i r e l e s sl a na c c e s s ： 3 t r a n s p a r e n t8 0 2 xb r i d g eb e t w e e nw i r ea n dw i r e l e s sl a ns e g m e n t s ； 4 s u p p p o r tf o rp a c k e tr o u t eb e t w c e nw a n a i l dl a n ； 5 s i n g l ew a n i ps h a r i l l gu s i n gn a p ts c h e m e ； 6 s o f 【w a r eb a s e df a s tp a c k e tf o r 、张r d i n g u s i n g p 4 2 5a st h ef u n c t i o n a lc o r e ，w ee m p l o y “c o r eb o a r dp l l l se x p a l l s i o n b o a r d ，s t r a t e g yt of a c i l i t a t et 1 1 eh a r d w a r ed e v e l o p m e n tn o w t h cu n i v e r s a l c o r e b o a r d ，w h i c hi sc o m p r i s e do fi x p 4 2 5 ，p o 、v e rs u p p l y ，m e m o r yc i r c u i t sa n de x p a l l s i o n i m e r f a c et of o n nam i n 曲a ls y s t e m ，c o u l db ea p p l i e dt od i f r e r e n ta p p l i c a t i o n s t o g e t l l e r w i t hc o 仃e s p o n d 劬c t i o n a le x p a n s i o nb o 盯d u p o nt h es u c c e s s f u l c o m p l e t i o no fh a r d w a r cs y s t c m ，w ec u s t o m i z e db o a r ds u p p o np a c k a g ef o rt h eb o a r d ， u s i n gu - b o o ta sb o o t l o a d e r ，a n ds n a p g e a rl i n u xa s0 p e r a t i o ns y s t e m t om e e tt h e a p p l i c a t i o nr e q l l i r e m e mo fap r a c t i c a la c c e s sr o u t e r ，w ed e v e l o p e ds e v e m ls o 矗w a r e m o d u l e st or e a l i z et h en e t w o r kf h n c t i o n s ，w h i c hm c l u d ew i r c l e s sa c c e s sp o i n t s o n w a r e ， s o r w a r eb a s e df a s tp a c k e tf o n v a r d i l l gi n 矗a s 扪l c t u r e ，n p e b a s e d w i r c w i r e l e s s 订a 1 1 s p a r e n tm d g i n ga n ds o u r c em a cf i r e 啪l l ，a n dn a p tk e m e l m o d u l et ot a c k l et h es 抽g l e 协ni ps h a r i n gp r d b l e m l a s t b u tn o1 e a s t ，w ei n t r o d u c e t h cp r o c e d u r eo f h a r d w a r e s o r w a r ec o d e b u g g i n ga 1 1 df h c t i o nv e r i f l c a t i o nr e s u l to f t h es y s t e m k e y w o r d s ：n e t w o r kp r o c e s s o r ，a c c e s sr o u t e r ，i x p 4 2 5 ，w i n k s sa c c e s sp o i n t ， 1 陌a n s p a n n tb r i d g e ，n a p t 浙江大学硕士学位论文 图表目录 图片 图1 1f a s tp a t ha n ds l o wp a m 图1 2 接入路由器功能示意图 图2 1i x p 4 2 5 功能框图， 图2 - 2 核心板功能框图 图2 _ 3晶振接口 图2 4i x p 4 2 5 复位时序图 图2 5 复位电路s c h e m a t i c 图2 6 f l a s hi m e r f a c e 图2 7s d r a m 接口电路 图2 8u a r t 接口电路 图2 9k s 8 9 9 5 与l x p 4 2 5 的接口电路图 图4 1o r i n o c o 网卡结构示意图 图5 1l m u xi pf o n v a r d i n g 一 图5 2n a p t 示意图 图5 3n a t 查照表结构示意图 图5 4n a t 表项共享 图6 1 无线接入功能的测试环境图 图6 2 无线a p 功能验证图 图6 - 3无线有线网桥测试环境图 图6 4 分组转发验证 表格 表3 1u b o o t 编译后产生的主要文件一2 0 表4 1i e e e 8 0 2 ，1 1 管理帧格式2 8 表4 2 普通p c i 配置空间3 2 表5 1i c m pq u e f yf o 彻a t 5 l 表5 2i c m pe o rf o m a t 5 l 表5 3t c ph e a d c rf o r i n a t 5 3 表5 4u d ph e a d e rf o 珊a t 5 3 表5 5t c p ，u d pp s e u d o 头部结构5 6 表6 1n a p t 前后的分组信息比较6 4 一v 一 卫o o j m 他b h”m如招惦卯犍矾观 一 一 一 ：| ：| ：| | ： “ ：| | ： 一 一 | ： 一 | ： 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 | | 一一| 一 一 一 一 一 “ 一 一 一 一 一 一 浙江大学硕士学位论文 1 1 网络处理器概览 第1 章绪论 所谓网络处理器( n e t w o r kp r o c e s s o r ) ，顾名思义，就是专门针对网络分组 处理的处理器。与通用处理器不同，n p 不以通用的处理能力如定点和浮点计 算能力、c p u 主频为主要指标，而是针对网络分组的处理和转发这一中心任务 采取了架构上的优化，提供线速的分组转发能力；与a s i c 不同，n p 作为处理 器，又具备软件可编程的特点。 网络的高速发展，对下代网络设备提出以下要求：具有优异性能，支持 高速分组处理；具有高度灵活性，支持不断变换高层网络服务。传统的基于通 用处理器的网络设备只满足灵活性要求；基于a s l c 的网络设备只满足高性能 要求；由于网络处理器能够通过灵活的软件体系提供硬件级的处理性能，基于 n p 的网络设备可同时具备高性能和灵活性【1 。网络处理器的这一优点使得其 得到了业界的广泛重视，应用h 益广泛。 1 1 1 网络处理器的功能特性 网络处理器具备可编程的特点，可以实现对各层网络协议的处理。网络处 理器的主要任务是数据包的分析、处理及转发，因而其主要的功能包括以下几 部分【2 ： 协议识别和分类：根据数据包的协议类型、端口号、目的地址、以及其它特 定于协议的信息对数据包进行识别。 分组拆装和重组：分组的拆分，处理，以及为转发而重组。 队列处理和接入控制 流量整形：某些协议或应用要求对流量进行整形以使之在进入输出线或输 出光纤时满足时延和时延抖动的要求。 q o s f q u a l 毋o f s e n 7 i c e ) ：除了对数据包进行流量整形外，数据包还可以被打 上标签送往下一网络节点进行更加有效的处理。 修正数据包：编辑数据包并添加额外的信息。 差错检测：正确检测有差错的数据包并能采取有效的处理措施。 1 1 2 网络处理器的结构特点 尽管各大公司推出的网络处理器具有各不相同的特色和应用领域，对于其 技术细节的表述也不尽相同，但由于其针对网络分组处理的任务特殊性，在体 系结构上大多都是相似的。 通常的网络处理器，由一个控制处理器、若干个网络处理引擎( i n t e l 称之 浙江大学硕士学位论文 n p e ，m o t o m l a 则命名为c h 锄e l p r o c e s s o r ) 、存储器接口和高速总线接口组成。 其功能模块和体系结构的主要特征为： 并行处理器结构：控制处理器核和各个网络处理引擎并行工作，控制处理器 核主要负责协议控制平面和上层应用程序的处理，而网络处理引擎有各自独 立的控制存储器和局部寄存器，访问外部资源( s r a m 、s d r a m 和b u s 等) 的机会均等，提供大于数倍外部带宽的内部总线带宽，为网络分组提供快速 的数据通道。 专用硬件加速处理单元：采用专用硬件对特定协议操作进行协处理：如字符 匹配、加解密、大数运算等； 典型的外围总线接口：如8 0 2 - 3 m i i 接口， u t o p i a 接口，g p i o 接口等， 为以太网，a t m 等提供相应的接口支持。 可扩展性：多个n p 之间还可以互连，构成网络处理器簇，以支持更为大型 高速的网络处理。 1 1 3 网络处理器的应用 基于其强大功能，网络处理器可以被用于实现从边缘网络至核心网络的一 系列应用，如【2 】： w a n ，m a n 边缘接入路由器； 多业务接入平台：支持i p 、a t m 和m p l s ； 企业网骨干交换机； d s l a m 和其他宽带应用设备，如3 g 无线基站、c m t s ； v p n 网管路由器； 防火墙和安全路由器； i p v 6 路由器。 r 一。一。一一。一。一1 1 1 一一j 亡i j 毒 理， 图1 1 f a s t p a t l l 蹰d s l o w p a t h 浙江大学硕士学位论文 1 2 基于n p 的接入路由器研究背景和意义 1 2 1 研究背景简述 通信技术的不断创新推动了电信刚络的迅猛发展。由于光通信技术的迅速 进步，核心网的带宽和性能获得了前所未有的提升。接入网作为连接核心网与 用户的桥梁，得到了高度的重视和快速的发展，从而也为网络接入设备提供了 广阔的应用前景和市场空问。 接入网分为有线接入、无线接入和综合接入。有线接入包括铜线接入嗍、 光纤接入网、混合光纤同轴电缆接入网( h f c ) 等；无线接入包括固定无线接 入和移动无线接入；综合接入是有线和无线相结合的接入方式 3 】。从实际应用 角度来看，应用较为普遍的有不对称数字用户线( a d s l ) ，小区局域网( l a n ) 以及线缆( c a b l em o d e m ) 等几种方式。 以往的网络设备开发，一般可分为基于通用处理器的软件实现和基于专用 集成电路的硬件实现两种方式。基于软件实现的方案，具有高度灵活的特点， 但是性能较差。随着网络应用带宽需求的急剧上升，以及分组处理运算的日益 复杂，靠软件程序在一般x 8 6 微处理器上完成分组处理已显得力不从心：将数 据输入处理单元，完成后再将结果送往输出单元，慢速处理造成的时间延迟会 严重影响到数据吞吐量，无法满足线速处理的需求。同时，虽然a s i c 可提供 较高的处理性能，但由于网络协议的不断更新和新应用的不断涌现，基于a s i c 技术的网络设备已难以满足各种服务和应用的不同需求。因此随着网络的不断 发展，不仅需要网络设备具有高速处理的性能，同时又要有其实现的灵活性。 在高性能和灵活性的双重要求下，网络处理器技术便应运而生。网络处理 器是一种硬件可编程器件，通常是一种j 片，它是专门为处理嘲络数据包而设 计的。通过对硬件架构和指令集的优化，网络处理器不但可提供线速处理数据 包的高性能硬件功能，同时还具备极大的系统灵活性【4 】。另外，如果需要新的 功能或新的标准，网络处理器可通过编程来实现，以满足各种各样的网络应用。 比如：包处理、路由查找、防火墙、家庭网关等。 1 2 2 课题研究的意义 正如上文所述，网络的迅速发展和广泛普及为网络接入设备提供了巨大的 市场需求和广泛的应用前景，同时也对掰一代的网络接入设备提出了要求和挑 战。按照我们对应用需求的具体分析，网络接入设备需要具有以下的特点： 1 成本与性能的平衡。不同于核心网络设备，网络接入设备的主要购买和 使用对象是广大中小企业和家庭用户，要求较高性能的同时也需要将成本控制 存可以接受的范围之内。 2 广域网的共享接入。一般情况下，出于通信费用方面的考虑，广大中小 企业和家庭用户仅向i s p 租用一条或少数几条的广域网接入线路，但同时有多 一3 一 浙江人学硕士学位论文 台主桃或整个局域网需要接入i n t e m e t 。由于某些i s p 的策略限制，每条接入线 路仅分配一个有效i p ，这就必然要求恻络接入设备端采用相应的技术实现多台 主机或整个局域网的共享接入。 3 灵活多样的接入方式。就局域网而言，i e e e 8 0 2 3 有线以太网和 i e e e 8 0 2 1 1 无线以太网均被广泛采用，其中无线网络具有8 0 2 1 l a ，8 0 2 1 l b 8 0 2 1 1 9 等多种模式【5 。而广域网接入，存在者a d s l v d s l ，l a n ，晰m a x 等多种接入方式。作为一个实用的网络接入设备，必然需要具备灵活多样的局 域j “域嘲接入方式，以满足用户的多种接入需求和适应多个i s p 的接入方式。 网络接入设备的特点，尤其适合用中低端的网络处理器芯片作为功能核心。 虽然出于性能方面的考虑，在核心网上仍以a s i c 实现为主，在边缘和接入网 的网络设备中，网络处理器已经得到了广泛的应用。网络处理器的灵活性，使 得可以在不改变硬件设计的情况下，通过修改软件代码增加某些功能，最大限 度保护用户的投资。而网络处理器针对网络分组处理上的优化，则使在高带宽 大负荷的情况下远胜于普通的通用处理器，网关防火墙、无线接入点、中小企 业路由器交换机、宽带接入等得到了广泛的应用。 i m e li x p 4 2 5 网络处理器是其为满足中小企业( s m b ) 、小型家庭办公室 ( s o h 0 ) 、以及家庭用户对有线及无线应用的需求而推出的中低端网络处理 器，采用i n t e lx s c a l e 内核，包含三个专用网络处理引擎m p e ) ，提供数据、语 音和安全等功能，可以实现基于硬件的以太网地址学习过滤，v l a n ，0 0 s ， a e s 仍e s 加密等功能，并且提供了一个a t 啪s l 接口( u t o p i a 2 ) ，两个快 速以太网接口( m i i ) 和多个p c i 扩展接口，可以广泛用于运行各种广域网和局域 嘲应用。针对接入路由器的应用而言，基于i x p 4 2 5 的系统可以充分利用芯片 的处理性能和接口资源，提供a d s l ，e 虹1 e m e t 的广域网接入方式和e m e m 刚w m 的局域网接入方式，利用硬件实现网桥等底层处理功能，并通过编写应用软件 实现路由、n 衄1 等分组处理功能，实现a l l i n 0 n e 的高性能接入设备。 本研究课题的目的就是实现针对中小企业和家庭应用，满足上述特性需求 的网络接入设备，因而具有很好的研究价值和实用意义。 1 2 3 国内外研究现状分析 国外许多著名的网络设备厂商，如c i s c o 、b r o a d c o m 、d l i n k 等，均对基 于网络处理器的网络设备开发表现出了极大的热情，从核心网路由器到边缘接 入路由器、防火墙等均进行了广泛的研究，并推出了一定数量的产品。就本课 题采用的i n t e l i x p 4 2 5 处理器而言，a d i ，n e t g e a r 等厂商已经推出了开发原型平 台，并有防火墙、家用小型网关等产品原型推出。 国内些嵌入式开发厂商，也己在i x p 4 2 5 的应用方面进行了一些探索， 如华恒、恒为等推出了基于i x p 4 2 5 的开发平台。但是总的来说，当前的应用 缺乏针对性，没有充分的发挥i x p 4 2 5 的强大性能和丰富资源，在其上所进行 的开发，大多也以通用的应用程序为主，采用通用的操作系统，移植通用服务 软件，缺乏对硬件处理能力的充分利用。 一d 一 浙江大学硕士学位论文 1 3 主要工作及章节安排 本课题的内容，就是实现基于i n t e l i x p 4 2 5 嘲络处理器的接入路由器，具 体而言应当具有以下功能： 1 a d s l 或小区l a n ( 或两种方式兼具) 的宽带接入方式； 2 i e e e 8 0 2 _ 3 i e e e 8 0 2 1 1 的有线无线局域网接八方式； 3 内部有线无线局域网的透明桥接； 4 局域网与广域网之间的路由； 5 以i 捌络端口地址转换方式( n a p t ，r f c 3 0 2 2 ) 提供单个合法i p 的共 享接入： 6 分组的软件快速交换； 下图为本接入路由器的功能示意。 图1 2 接入路由器功能不意图 具体的来说，本文所论述的工作，包括基于i x p 4 2 5 网络处理器的接入路 由器的整个开发流程，即系统设计、p c b 设计与调试、b o o t l o a d e r 和操作系统 定制、驱动程序开发、网络功能软件开发、联合调试等一系列步骤，实现了一 个完整的功能系统原型。值得指出的是，由于扩展板硬件设计的问题，软件部 分的调试主要基于i n t e l 的公板i x d p 4 2 5 进行，待下一版本扩展版硬件完善时， 即可移植到自有开发平台上。 本文的主要章节安排如下： 第一章，介绍网络处理器的基本概念和利用网络处理器开发网络设备的优 点和意义，明确本文的研究方向和相关工作。 第二章，介绍基于i n t e li x p 4 2 5 处理器的硬件开发平台设计。 第三章，分别介绍了针对开发平台的b o o t l o a d e r 和操作系统的移植。 第四章，简要介绍针对无线接入点应用的无线网络驱动开发。 一s 一 浙江大学硕士学位论文 第五章，针对网络设备应用的特点，分析原有l i n u x 内核对网络分组处理 的不足，提出了快速分组交换路由方案，并在此基础上实现网桥功能和源m a c 地址防火墙功能；由于接入路由器的应用特点，需要局域网共享一个合法公网 i p 。介绍_ rn a p t 方案，并对n a p t 的实现细节进行了介绍。 第六章，简要介绍系统测试的环境、内容和结果。 一6 一 浙江大学硕士学位论文 第2 章i x p 4 2 5 硬件开发平台的设计 2 1 i n t e li x p 4 2 5 网络处理器概览 正如绪论中所提到的，我们的研究定位是面向家庭用户中小企业的边缘网 络接入路由器。这一类网络设备要求高效、廉价、低使用成本和灵活性；同时 需要考虑安全加密功能、功耗等因素。 在确定以网络处理器作为功能核心的前提下，仍然需要对种类繁多的网络 处理器产品进行横向的比较和纵向的选择，以确定满足实际应用需要的芯片。 基于功能、成本、以及产品渠道、软件支持等各方面考虑，我们最终选取了i n t e l 的l x p4 2 5 网络处理器j 吝片作为主j 占片。 以下对i n t e li x p 4 2 5 处理器的主要特性和功能模块作一介绍： 2 1 1l x p 4 2 s 的主要特性 作为定位于s o h o s m e 应用的低端嘲络处理器，i x p 4 2 5 提供了较为强大 的基本网络功能，具有完备的外围接口、具有低功耗、成本适中的优点。限于 篇幅，i x p 4 2 5 的主要特性本文不作罗列，详细可参见i x p 4 2 5d a t a s h e e t 。 下图为i x p 的基本功能框图【6 ： 图2 1 1 x p 4 2 5 功能框图 1 一 浙江大学硕上学位论文 2 1 2i x p 4 2 5 的功能模块【6 】 1 、核心控制处理器：i t e lx s c a l ec o r e 核心控制处理器i n t e lx s c a l ec o r e 采用与a r mv 5 t e 指令集兼容的技术， 采用0 1 8 u m 半导体工艺。这使得i n t e lx s c a l ec o r e 能在一个较大的速度和供电 变化范围内正常工作，并实现业界领先的m 洲i p s 的功耗。 i i l t e lx s c a l ec o r e 的特色主要包括： 七级八级的超流水线大幅提升了高速有效的核心性能； 1 2 8 一e n t r y 目标缓存； 3 2 一e n 竹指令存储管理单元提供了逻辑，物理地址转换、存取权限、i c a c h e 的功能； 3 2k b 的指令缓存能够容纳整个程序，避免因存储器存取造成的处理器内 核停顿； 3 2k b 的数据缓存，大大减少因存储器存取造成的处理器内核停顿： 2k b 的m i n i 数据缓存用以保存频繁使用的数据流； 2 、网络处理引擎n e 押o r k p r o c e s s o r e n g i n e s( n p e s ) n p e 是用于网络分组处理的专用处理器模块，负责为普通的数据分组提供 快速通道( f a s t p a t h ) 。这些n p e 单元具有硬件多线程的特点，并且能对m i i 、 c r c 校验、a a l 2 ，a e s 、d e s 、s h a 一1 、m d 5 等处理器密集的操作提供硬件 加速功能。所有指令代码均存储器n p e 内部的专用指令存储器及数据存储器 内。 i x p 4 2 5 所包含的三个n p e 单元具有集成的专用外围接口支持： u t o p i a 2 接口( u m v e r s a l l l e s t a n d o p e r a t i o n p h y i n t e r f 如e f o r a t m ) ； u t o p i a2 是与删物理层设备相连接的业界标准总线接口，i x p 4 2 5 最 多可支持4 个外部的u t o p i a 2 设备以及8 个逻辑通道。n p e 完成a t m 信元 的分割、重组，c r c 校验，内存数据传输等任务。 两个高速串行接口( h s s ) ； h s s 能够直接与s l i c ，c o d e c 设备接口提供语音应用，同时也可与串行 d s l 帧设备、串行通讯协议t 1 、e l 以及m v i p 等 两个m i i 以太网p h y 接口； i x p 4 2 5 集成有两个符合行业标准的m i i 接口，包含一个m d i o 及m d c ， 用来对以太网p h y 设备进行通信、控制、以及配置。 n p e 能够使得原本r j s c 处理器难以高效完成的功能可以通过硬件多线程 来得以实现，从而实现了高速处理网络分组的目的。 i x p 4 2 5 作为一个优秀的网络处理器产品，提供了丰富的功能模块和外围接 口。而我们的实际应用中，由于考虑到应用背景和成本因素，不可能将所有的 一8 一 浙江人学硕士学位论文 功能都利用起来，而应当有所取舍。同时，i x p 4 2 5 只是作为我们的功能核心， 要使其能发挥有效的功能，必须要添加一系列的外围单元电路。基于实现难度 和扩展性的考虑，我们采取了核心板+ 扩展板的实现策略，首先实现具备基本 功能的核心板，并将所有的功能引脚引出以备后用，这样既可以减小风险，积 累经验，同时也提供了足够的扩展空间；在此基础上，可以再进一步根据功能 上的需要设计扩展板，实现完整的i x p 4 2 5 应用系统，具备一定的灵活性。 2 2i x p 4 2 5 的核心板设计 2 2 。l 核心板设计概述 核心板的基本设计思想有两点： 提供基本的功能实现，如f l a s h 、s d r a m 、以太网、u a r t 等，提供可运 行的硬件基础； 确保灵活性和可扩展性，为以后的功能扩展提供足够空间。 基于这样的考虑，我们确定了核心板的基本结构，见下图： 重 图22 核心板动能框图 其中： 复位电路：完成系统的上电复位和于动复位，确保芯片的正确复位逻辑； 晶振电路：为系统提供3 3 m h z 的参考时钟，通过内部锁相倍频得到相 应的工作频率。 电源电路：由外界提供3 3 v 电压供给i x p 4 2 5 外围及其他外部芯片，由 一。一 浙江大学硕士学位论文 电源转换模块为i x p 4 2 5 内核提供1 3 v 核心电压。 f l a s hm e m o r y ：存放操作系统启动内核，用户应用程序或其他系统掉电 后需要保存的用户数据，并作嵌入式文件系统。 s d r a m ：系统运行时的主存储器，存储系统及用户数据、以及程序堆 栈。 e t h e m e tp h y ：为系统提供以太网的物理层接口，可以通过p h y 以 1 0 m 1 0 0 m b 口s 接入以太网。 扩展接口：引出除了s d r a m 接口以外的所有信号线，提供足够的扩展 空问。 2 2 2 核心板单元电路设计【7 l ，【8 l 1 、i x p 4 2 5 芯片及引脚分析： i x p 4 2 5 共有4 9 2 个引脚，采用p b g a1 2 7 m mp i t c h 封装。其中包括： 2 0 0 个电源，地引脚：4 5 个1 3v 电源，5 5 个3 3 v 电源引脚、1 0 0 个接地 引脚。 2 9 2 个信号、控制线：包括m i i 、u t o p i a 、h s s 、s d r a m 、e x p bb u s 等 一系列功能引脚， 由于我们在实际应用中并没有利用所有的功能模块，按照i n t e l 的建议，应 当将某些的未使用引脚通过1 0 k 电阻上拉或下拉，以保证正确的逻辑。 限于篇幅，具体的引脚功能不在此赘述。 2 、晶振电路： 晶振电路用来向n p 及其他的电路提供工作时钟，关系到整个系统能否正 常工作。 i x p 4 2 5 需要外界提供3 3 m h z 的参考时钟，内部锁相倍频后获取相应的工 作频率。可使用无源晶振或有源振荡器。 我们在实际电路中选用了普通的3 3 m h z 无源晶振。 卜t e l i x p 4 2 s 图2 3 晶振接口 一l o 浙江大学硕士学位论文 3 、复位电路： 复位电路用于确保i x p 4 2 5 的可靠复位逻辑。下图为i x p 的复位时序图。 p l l “挖k 眯甜l r e $ h h r b 目o e ，o r 转置 e 蔓 o o r 骆3 ：自l 中一i l | | 啪嗍 ， ， 攘糕戮 c f o # 措t 0 8 e c l 烈t 黼1r 0 蝌c 捧轴m r 0 棚螂h 露獬徽 了0 8 c 枘 。h n h h 月m h m 。 l i mt m t u _ l h _ i i k m 。 图2 4l x p 4 2 5 夏位时序图 其中： 1 r e l a s 唧o n _ n ：表示当电源稳定后，p w r o nr s tn 信号保持低电平所需 要的最小时间。 1 k l a s ep w r o nn 5 0 0 m s 1 n m r s t _ n ：表示当p w r o n _ - r s t _ n 信号上升为高电平后，r e s e t i n n 信号需要继续维持在低电平的最小时间。t 矗l a s e n s t _ w 1 0 n 8 为了确保系统的可靠性，使系统每次都能正确复位，我们利用了m x 6 7 1 9 + m a x6 3 5 5 两个电源监控复位电路串联： 浙江大学硕士学位论文 图2 5 复位电路s c h e m a t i c 其中m a x 6 7 1 9 对3 3 v 电压信号和1 3 v 电压信号进行进行检测，当电源 电平稳定后6 4 0 m s 释放复位信号，经s n 7 4 l v c l g 0 7 缓冲器电平转换后输出 给p w r o nr s tn ( 1 3 v 输入) ；m a x 6 3 5 5 的复位输入端与m a x 6 7 1 9 的复 位输出相连，当m a x 6 7 1 9 释放复位信号后5 0 0 m s ( 根据不同型号有所差别) 触发r e s e ti nn 复位信号，从而确保可靠的复位时序，同时m a x 6 3 5 5 也提 供了一个手动的复位信号输入端，可作为手动的s y s t e mr e s e t 。 4 、f l a s h r o m 接口电路： i x p 4 2 5 的f l a s hr o m 通过e x p a i l s i o nb u s 扩展，接口图如下所示 一1 2 浙江人学硕士学位论文 n 协 # a s hi n t e r f a c e e xd a 险【1 5 ：o ：1 6 位数据总线； e xw rn ： 写入使能信号； e xa d d r 【2 3 ：o 】：2 4 位地址总线； e xi n ：读取使能信号； e xc sn 0 ： 片选信号； 考虑到移植的操作系统内核大小，同时网络处理的实际应用中可能会用到 相当多的应用软件，所需存储空间可能较大，因此我们选取了1 6 mb ) r t e 的i n t e l f l a s hr o me 2 8 f 1 2 8 j 3 a 一1 5 0 。 i n t e le 2 8 f 1 2 8 j 3 a 1 5 0 是8 m 1 6 位o 2 5 u m 工艺f l a s hr o m ，采用 5 6 t s o p 封装，可以以8 位或1 6 位模式工作。工作电压为2 7 3 6 v ，仅需3 v 电压就可完成编程和擦除，满足我们的工作条件。e 2 8 f 1 2 8 j 3 a 一1 5 0 的8 位或 1 6 位模式由b y t e 群的电平决定。由于我们采用1 6 位数据总线，因此用1 0 k 电 阻将b y r e # 引脚上拉。 5 、s d r a m 接口电路 i x p 4 2 5 提供了p c i 3 3 总线的s d r a m 控制器，支持两个b a n k ，8 m 一2 5 6 m 的s d r a m 容量。 与f l a s h 存储器相比较，s d r a m 不具有掉电保持数据的特性，但其操作都 是由时钟作为同步，存取速度大大高于f l a s h 存储器，数据吞吐量更大，且具 有读写的属性，因此，s d r a m 在系统中主要用作程序的运行空间，数据及堆 栈区。当系统启动时，m c u 首先从f l a s h 的起始地址读取启动代码，在完成系 一1 3 一 浙江人学硕士学位论文 统的初始化后，程序代码一般应调入s d r a m 中运行，以提高系统的运行速度， 同时，系统及用户堆栈、运行数据也都放在s d r a m 中。 核心板采用单b a n k ，两块3 2m b 的s d r a m 构成s d r a m 存储器系统。芯 片选取h y n i x 公司的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t 5 4 t s o p 封装，兼容l v t t l 接口，支持 自动刷新( a u t o r e 懿s h ) 和自刷新( s e l f r e f r e s h ) ，1 6 位数据宽度，每块的存 储容量为4b a n k 4 m 1 6 位( 3 2 m b ) ，每个b a i l k 为8 m 字节，b a n k 之问可 以通过b a n k 地址来选择。 用两块h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t 构建3 2 位6 4 m 的s d r a m 存储器系统，应该已 经可以满足系统运行和普通应用程序的需要。如需扩展，则可直接将两块芯片 替换为1 6 位6 4 m b 容量的s d r a m 内存颗粒。 图2 7s d r a m 接口电路 6 、串行接口电路： i x p 4 2 5 提供了两个u a r t 接口，支持上至9 2 1 k b p s 的传输速率。 在核心板上，我们实现了其中之一，并将另一个从扩展插座上引出。考虑 到主要用途是提供串行字符终端的调试功能，选用了普通的m a x 3 2 3 2 e 芯片， 实现低速的c o n s o l eu a r t 功能。 一1 4 浙 l 。大学硕士学位论文 图2 8 u a r t 接口电路 考虑到对核心板尺寸的要求，u a r t 接头并未使用标准的d b 9 接头，而 是用5 针跳线将 r x d a = r a 、t x d a l a 、c t s n 、r t s n 、g n d 引出，节省空间。 2 3i x p 4 2 5 的扩展板设计 2 3 1 扩展板设计概述 核心板实现了i x p 4 2 5 的最小系统。为了充分利用i x p 4 2 5 的外围资源，满 足我们的实际应用，需要进一步设计扩展板电路。根据前面的总体设计分析可 以看出，扩展板应当提供n p e 的w a n l a n 以太网接口，无线网络接口；同时 为了方便系统的调试和监测，还有必要提供一个p c i 总线的调试网口。下文将 针对各模块的硬件选型和单元电路设计进行介绍。 2 3 2 扩展板单元电路设计 1 基于以太网n p e 的w n ，l a n 接口 由i x p 4 2 5 的结构图可以看到，i ，4 2 5 网络处理器带有两个以太网n p e ， n p e 各集成一个以太网m a c ，提供了标准的m i i 接口，用来对以太网p h y 设 备进行通信、控制、以及配置。因此只需为n p e 外扩相应的网络芯片即可实现 以太网w a n i a n 的接口。我们选择了m i c r e l 的k s 8 9 9 5 芯片作为网络接口芯 片，其主要特色如下【9 ： 带物理层收发器的5 端口1 0 1 0 0 集成交换 用于数据帧缓存的片上s ra m 通过系统复位配置的无管理操作 一1 5 浙江大学硕士学位论文 基于硬件的1 0 1 0 0 兆，全半双工，流控制以及自动协商 线速发送接收 自动地址学习，老化和迁移操作 内建的地址查找引擎，支持l k 的m a c 地址条目 广播风暴预防 为路由应用提供m i i 或s n i 总线的外部m a c 接口 可以看出，k s 8 9 9 5 芯片可以充分利用i x p 4 2 5 的n p e 资源，适合于我们 的应用环境。通过一定的硬件电路连接和寄存器配置，k s 8 9 9 5 提供带交换功 能的4 个l a n 接口和个w a n 接口，满足接入路由器的应用需要。以下为 k s 8 9 9 5 与i x p 4 2 5 的连接示意图。 图