（通信与信息系统专业论文）星上大容量atm交换控制单元研制.pdf

摘要 星上a t m 交换是卫星通信研究的重要方向，本文针对星上1 0 g b p sa t m 交换 机设计与实现问题，进行了嵌入式控制系统软件平台与硬件平台的设计与研究工 作。所完成的工作如下： 1 描述了星上1 0 g b p s 大容量a t m 交换机的整体设计方案及各部分完成的功能。 2 给出了m p c 嵌入式硬件平台的设计与实现，包括整个硬件系统的框图设计、 m p c 处理器和各个模块的原理和功能介绍。 3 基于嵌入式设备驱动的概念、特点、功能和结构，完成了基于m p c 8 2 8 0 的嵌 入式l i n u x 系统平台下a t m 交换机信元预处理芯片驱动程序的设计与实现。 4 。基于同步数字系列( s d h ) 技术原理和p m 5 3 5 8 芯片结构，完成嵌入式l i n u x 系统下a t m 交换机中p m 5 3 5 8 设备芯片驱动程序的设计与实现。 关键词：a t m 交换机m p c 8 2 8 0 l i n u x 同步数字系列 a b s t r a c t s a t e l l i t ea s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ( a ：r m ) n e t w o r k sw i t ho n - b o a r ds w i t c h i n gi s ah o tr e s e a r c ha r e ai ns a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s a i m i n ga tt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f t h e10 g b p ss a t e l l i t ea t ms w i t c h t h i st h e s i sm a k e sr e s e a r c ho nt h ee m b e d d e dh a r d w a r e a n ds o f t w a r ep l a t f o r mo ft h ec o n t r o lu n i to ft h es y s t e ma f o r e m e n t i o n e d t h em a i nt a s k s o ft h i st h e s i sa l ea sf o l l o w s ： 1 1 1 1 et o pl e v e ld e s c r i p t i o no ft h es a t e l l i t ea t ms w i t c hi sp r e s e n t e d ，i n c l u d i n gt h e m a i nc o m p o n e n t sa n d 廿1 e i rc o r r e s p o n d i n gf u n c t i o n s 2 t h ed e s i g na n di m p l e m e n to ft h em p c - b a s e de m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r mw h i c h a c t sa st h ec o n t r o lu n i to ft h es a t e l l i t ea t ms w i t c ha r eg i v e n ，i n c l u d i n gt h e f r a m e w o r ko ft h eh a r d w a r ep l a t f o r m ca r c h i t e c t u r ea n dt h ef u n c t i o n so fv a r i o u s m o d u l e s 3 t h ec o n c e p t i o n ，s t r u c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ef u n c t i o n so ft h ed e v i c ed r i v e ro ft h e e m b e d d e dd e v i c e sa r ei n v o i c e d ，a n dt h e nw i t ht h em p c 8 2 8 0 - b a s e de m b e d d e d l i n u xp l a t f o r m ，t h e d e s i g n a n dr e a l i z a t i o no ft h ed e v i c ed r i v e ro ft h e c e l l p r e p r o c e s s i n gm o d u l ea r ed e s c r i b e di nd e t a i l 4 t h ep r i n c i p l eo fs y n c h r o n o u sd i 百t a lh i e r a r c h y ( s d h ) a n dt h es t r u c t u r eo f p m 5 3 5 8a r ei n t r o d u c e d a n dt h e n w i t ht h e 口c 8 2 8 0 一b a s e de m b e d d e dl i n u x p l a t f o r m ，t h ed e s i g na n d r e a l i z a t i o no f t h ed e v i c ed r i v e ro f p m 5 3 5 8a r ed e s c r i b e di n d e t a i l k e y w o r d s ：a t ms w i t c h m p c 8 2 8 0l m u x s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ( s d h ) 西安电子科技大学学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：谨盔章日期! 翌：兰：! ! 西安电子科技大学关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期圣竺空丝至d 日期碑：“ 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究工作的背景及意义 随着微电子技术、通信技术和全球个人通信的发展，卫星通信系统以其特有 的优势( 如三维无缝隙覆盖能力、任意点对多点和多点对多点广域复杂网络的拓 扑构成能力、可提供宽带连接、通信距离不敏感性和安全可靠性等) ，成为地面各 种传输手段必不可少的支持和补充，而且被认为是未来发展中国家通信体系以及 发达国家建设多媒体通信和信息高速公路的关键部分。 新一代卫星通信网将需要处理因特网和多媒体业务，卫星信道将作为主干信 道传递、转发大量业务信息，这就要求未来的通信卫星不但具有传统的中继功能， 还必须具有星上交换功能。传统的基于用户或网络信令的电路交换方式无法有效 满足动态改变的分组业务，而a t m 是为宽带i s d n 设计的交换和复用技术，它能 十分方便地提供包括语音、图像和数据在内的综合性业务，并具有按需分配带宽 的灵活性【l 】。a t m 技术的突出特点是可以灵活地支持现有的和将来可能出现的各 种业务、达到很高的网络资源利用率、支持高速交换。将卫星通信和a t m 技术有 机结合的卫星a t m 网络可将所提供的服务扩展到更广泛的地理区域。 a t m 与卫星通信技术的组合，既能发挥卫星投资少、见效快、通信容量大等 特点，又能充分发挥a t m 的灵活性和适应性。卫星通信与a t m 相结合有两种方 式【2 】。第一种采用“弯管卫星，这是一种透明的a t m 网络，它不改变a t m 的 高层协议，所有交换及协议处理都在地面完成，因此能够利用现有的卫星资源和 其他设备。第二种采用具有a t m 交换功能的卫星( o b p o n - b o a r dp r o c e s s i n g ) ， 这样的卫星具有完全的星上信号再生能力，星上处理单元完成多路复用分用、信 道编码解码和利用多波束配置的星上快速分组交换等功能，因此可以提供与a t m 的无缝连接并支持小而便宜的用户终端。 本文针对星上1 0 g b p sa t m 交换机的设计与实现问题，进行了嵌入式控制系统 软件平台与硬件平台的设计与研究工作。 1 2 嵌入式系统概述 嵌入式系统是继i t 网络技术之后，又一个新的技术发展方向。由于嵌入式系 统具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特征，目前 2 星上大容量a t m 交换控制单元研制 已经广泛地应用于军事国防、消费电子、网络通信、工业控制、日常生活等各个 领域。随着计算机技术与通信技术的发展，对嵌入式系统的研究与开发也有着越 来越重要的实际意义。 目前国内普遍认同的嵌入式系统的定义是：以应用为中心，以计算机技术为 基础，软硬件可裁剪，适应于特定应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功 耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由微处理器、外围硬件设备、嵌入式操 作系统和特定的用户应用程序等四个部分组成，用以实现对其它设备的控制 ( c o n t r 0 1 ) 、监视( m o n i t o r ) 或管理( m a n a g e m e n t ) 等功能【3 j 。 嵌入式系统区别于通用计算机系统的最大之处在于它是面向特定应用的，或 者说是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统的需求进行 合理的裁减利用，因而它对硬件和软件有着特殊的要求。 硬件方面，嵌入式系统要求具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等特点， 所以一般使用专用的嵌入式c p u ( 又称嵌入式微处理器或嵌入式微控制器) 。嵌入 式系统可应用于家电市场、工业市场、商业市场、通讯市场和国防市场，应用的 产品形态丰富多样，如掌上电脑、机项盒、数字电视、数字音像设备、手机、可 视电话、车载智能设备、数控机床、商业终端、教育终端、智能控制设备等，而 通信终端是嵌入式系统重要的应用领域之一。本文使用的m p c 8 2 8 0 集成了多种通 信协议接口控制器，是一款性能优越的适合通信领域的嵌入式c p u 。 软件上，嵌入式系统一般要求响应速度快，并具有处理异步并发事件的能力， 相当一部分系统还要求具有实时处理的能力。由于嵌入式设备硬件资源有限，因 此编写的软件还需具有体积小、代码效率高等特点。 作为嵌入式系统，它主要有如下特点【4 】： 1 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式c p u 和通用处理器的最大不同就 是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、 体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在 芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网 络的结合也越来越紧密。 2 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，在保证稳定、安全、可靠的基 础上量体裁衣、去除冗余、力争使用较少的资源实现更高的性能，这样才能在 具体的应用中更加具有竞争力。 3 嵌入式系统和具体的应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体的产品 同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有比较长的生命周期。 4 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用实时多任务的嵌入式操作系统。 这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少的开发时间，保证软件的质 量。 第一章绪论 5 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身不具备自主 开发能力，即使设计完成后，用户通常不能对其中的程序功能进行修改，因此， 必须有一套开发工具和环境才能进行开发。开发时往往有主机和目标机的概 念，主机用于程序的开发，目标机作为程序的执行机，开发时需要交替结合进 行。 总的看来，嵌入式系统具有便利灵活、性能价格比高、实时应用性强等特点， 可以嵌入到现有的信息家电和工业控制、通信等系统中，应用前景广阔。 1 3 基于m p c 8 2 8 0 和l i n u x 的嵌入式系统的应用背景 集成p o w e r p c 微处理器的m p c 8 2 8 0p o w e r q u i c ci i 是由摩托罗拉公司专为电 信和网络市场而设计的高性能的集成通信微处理器。m p c 8 2 8 0p o w e r q u i c ci i 是 在通信控制与网络管理对嵌入式微处理器的运算速度、系统可靠性、集成度以及 实时操作能力提出了更高要求的情况下，以m p c 8 6 0p o w e r q u i c c 为基础开发研制 的。 作为m p c 8 6 0p o w e r q u i c c 的第二代产品，m p c 8 2 8 0 在灵活性、扩展能力和集 成度特别是网络处理能力等方面都有了质的飞跃，具备了灵活的系统综合单元和 外围通信控制器。摩托罗拉公司通过将高速嵌入式p o w e r p c i 勾核和非并行集成的网 络、通信外围电路相融合，连同极高的网络和通信外围设备集成度，为用户提供 了一种创新地构建高端通信产品的系统解决方案。 m p c 8 2 8 0p o w e r q u i c ci i 作为一个多用途、高性能的嵌入式通信微处理器， 具有非常灵活的一体化单元系统和外围通信控制器。尤为重要的是，它具有强大 的网络通信处理能力，这就决定了它在网络通信中运用的广泛性。以m p c 8 2 8 0 为 核心所设计的嵌入式系统，能够广泛应用于蜂窝基础的设施设备、电信交换设备、 以太网交换设备、遥控接入集线器、区域办公路由器、t i e 1 到t 3 e 3 的网桥、局域 网到广域网的网桥及路由器系统等领域。该嵌入式系统在功能上可与通用计算机 相媲美，可以以极小的功耗、体积、极高的集成度替代计算机在多领域发挥作用。 当前欧洲一些著名的移动通信设备制造商已将m p c 8 2 8 0 用于了第三代通用移动通 信系统( u m t s ) 的无线传输技术的开发当中。 在软件方面，l i n u x 作为一套以u n i x 为基础发展而成的操作系统，在应用于 嵌入式系统方面，其小得可以放在一张软盘上运行，而开放式开发原则使得l i n u x 下的驱动更多，升级更快。它适应于多种c p u 和多种硬件平台，而且性能稳定， 裁剪性很好，源代码开放，易于开发和使用。因此，越来越多的嵌入式系统开始 使用l i n u x 操作系统。 由于嵌入式处理器m p c 8 2 8 0 和l i n u x 操作系统的强大优势，所以后面的研究工 4 星上大容量a t m 交换控制单元研制 作都是基于以嵌入式处理器m p c 8 2 8 0 为硬件平台和以嵌入式l i n u x 操作系统为软 件平台的基础上进行的。 1 4 本文的主要研究工作及内容组织 本文研究的重点是基于嵌入式系统的星上1 0 g b p sa t m 交换控制系统的设计 与实现，包括软硬件平台的搭建，设备驱动程序的编写等。先介绍a t m 交换机的 总体实现方案和控制系统的硬件平台，然后阐述a t m 交换机外围设备驱动模块的 设计与实现。 本文共四章，内容安排如下： 1 第一章为绪论。简要介绍研究工作的背景及意义，嵌入式系统概述以及论文的 主要内容与结构安排。 2 第二章为嵌入式控制系统的软硬件平台的描述。其中包括：硬件系统的框图的 介绍；p o w e r p c 处理器和各个相关外设芯片的选型、功能介绍及其接口原理图 设计。 3 第三章为a t m 交换机信元预处理模块驱动的设计与实现。首先介绍了l i n u x 设备驱动程序的框架，然后阐述在m p c 8 2 8 0 嵌入式系统平台下信元预处理设 备的驱动程序设计实现与调试。， 4 第四章为a t m 交换机s d h 芯片驱动程序的设计和实现。其中包括：s d h 技 术与原理的介绍；p m 5 3 5 8 芯片功能和结构的介绍；s d h 设备驱动的设计和实 现；s d h 设备驱动的调试。 需要说明的是，由于需要保护项目合作双方的知识产权利益，本文在写作中 对部分实现细节己简化。 第二章a t m 交换机控制系统硬件平台的建立 第二章a t m 交换机控制系统硬件平台的建立 本章首先介绍了a t m 交换机实现的总体方案，然后介绍了m p c 8 2 8 0 处理器 体系结构及其特点，并对a t m 交换机的嵌入式控制系统硬件平台和硬件功能作了 分析。 2 1 星上1 0 g b p s a t m 交换机硬件平台的总体方案 图2 1 给出交换样机的硬件实现总体方案原理框图，它由如下四部分组成：输 入输出线路接口、输入输出处理与缓存、交换和控制与管理。 图2 1a t m 交换机硬件实现原理框图 线路接口分为输入和输出两部分，分别由光电转换和s d h 处理芯片两部分组 成。光电转换模块完成光信号与差分电信号的转换，s d h 处理芯片完成接收时钟 恢复、数据恢复、s d h 的帧定界、a t m 信元定界等功能。输入输出处理与缓存模 块主要完成将来自s d h 处理芯片的标准a t m 信元转换成内部信元供交换模块使 用，同时将来自交换模块的内部信元转换为标准信元发送给s d h 设备。交换模块 完成1 6 个端1 ：3 间的信元交换，为增加样机实现的可行性，采用共享缓存交换体制。 控制与管理模块完成：对输入线路接口、输入处理与缓存、交换模块、输出处理 6 星上大容量a t m 交换控制单元研制 与缓存和输出线路接口的初始化、工作方式设置；管理终端的连接设置；修改输 入处理与缓存中的交换变换表，并处理来自各个模块的消息信号。我们采用以嵌 入式微处理器m o t o r o l ap o w e r p c 8 2 8 0 为核心的应用平台作为控制与管理软件的运 行平台。 2 2m p c 8 2 8 0 体系结构及特点 m p c 8 2 8 0 是m o t o r o l a 公司开发的应用于高端通信系统的嵌入式通信m p u ( 微 处理器) ，采用双内核结构，包含两个内核即p o w e r p cg 2l e 内核和通信处理模 块( c p m ) 的专用内核。两个内核工作在不同频率，g 2l e 内核执行高层代码， 完成对外设的控制管理，c p m 处理底层的通信任务。由于采用双处理器体系结构， 通信处理器模块( c p m ) 分担了p o w e r p c 核的外围工作任务，其功耗低于传统的 体系结构的处理器，在各方面都有较高的性能，具有更大的灵活性、扩展能力和 更高的集成度。c p m 模块同时支持三个快速通道控制器( f c c ) 、二个多通道控制 器( m c c ) 、四个串行通信控制器( s c c ) 、二个串行管理控制器( s m c ) 、一个串 行外围接口( s p i ) 和一个i i c 接口。p o w e r p c 内核和c p m 的组合，加上m p c 8 2 8 0 的多功能和高性能，为用户在网络和通信设备的开发方面提供了巨大的潜力。 m p c 8 2 8 0 有三个主要组成部分：嵌入的p o w c r p cg 2l e 内核、系统接口单元 ( s i u ) 和通信处理模块( c p m ) 。m p c 8 2 8 0 芯片的功能结构框刚5 】如图2 2 所示： 图2 2m p c 8 2 8 0 的功能结构框图 第二章a t m 交换机控制系统硬件平台的建立 7 2 2 1p o w e r p c 内核 p o w e r p c 内核( c o r e ) 【5 】 6 1 为高性能、低功耗的m p c 6 0 3 e 精简指令集计算机 ( r i s c ) 微处理器，采用了高性能超标量体系结构。该处理器集成了五个执行单 元：整数单元( m ) 、浮点运算单元( f p u ) 、分支处理单元( b p u ) 、装载存储单 元( l s u ) 和系统寄存器( s r u ) ，可以并行执行五条指令，一般运行频率为1 0 0 2 0 0 m h z 。在1 0 0 m h z 频率时可以实现1 4 0 0m i p s 指令速度，在2 0 0 m h z 时为2 8 0 0 m p s 。 g 2l e 内核起源于电源管理修正的m p c 6 0 3 e 微处理器。体系结构与其它 p o w e r p c 芯片相同。g 2l e 内核执行p o w e r p c 结构的3 2 位部分，它提供3 2 位有 效地址并支持8 位、1 6 位、3 2 位的整数型数据和3 2 位、6 4 位的浮点型数据。内 核为支持浮点运算，提供了3 2 个6 4 位浮点寄存器( f l o a t i n g p o i n t r e g i s t e r ，f p r ) 和3 2 个3 2 位通用寄存器( g e n e r a lp u r p o s er e g i s t e r ，g p r ) ，分别用来存放6 4 位 和3 2 位操作数，f p r 与g p r 可以实现数据互换。 内核还提供独立的1 6 k b 高速指令缓存和1 6 k b 高速数据缓存。高速缓冲存储 器的使用缓解了c p u 与外部存储设备速度上的差异，避免了c p u 过多地插入等待 周期，尽可能地实现了c p u 与低速存储设备的速度匹配，最大限度的发挥了c p u 的性能。 内核有激活和非激活两种工作模式，在多处理器系统中可以让m p c 8 2 8 0 内核 工作在非激活状态，此时的m p c 8 2 8 0 可以作为从设备，主要利用其内部的通信处 理器实现不同协议数据的处理和转换。 2 2 2 系统接口单元( s i l t ) 系统接口单元s i u t 5 】控制系统的启动、初始化、操作、保护和外部总线。内部 包括6 0 x 总线控制器、p c i l o c a l 总线到6 0 x 总线的桥接器、存储器控制器、时 钟控制器等。其中，存储控制器部分集成了s d r a m 控制器，通过设置寄存器即 可完成与s d r a m 的接口配置。s i u 单元关键特性如下： 1 6 4 位6 0 x 系统总线。支持6 4 、3 2 、1 6 、8 位四种宽度数据端口，拥有内部总 线仲裁器； 2 3 2 位本地总线。提供3 2 位数据线和1 8 位内部地址线，主要用来拓展高速通 信控制器的操作，通常用来存取a t m 连接表和通信通道的缓冲区描述符。该 总线与6 0 x 总线保持同步，运行在相同的总线频率上； 3 存储控制器。支持1 2 个存储组，每组可以独立的配置由6 0 x 总线或本地总线 控制。它包括g p c m 通用控制器、s d r a m 控制器和u p m 用户编程器三种接 星上大容量a t m 交换控制单元研制 口，可以为s d r a m 、s r a m 、e p r o m 、f l a s hr o m 和其它外围设备提供控 制接口； 4 系统配置和保护( 提供各种监视器和定时器，如中断监视器、软件看门狗定时 器、周期中断定时器等) ； 5 总线监视器，防止出现总线死锁； 6 符合i e e e l l 4 9 1 边界扫描测试( b s t ) 标准的测试端口( t a p ) ，调试系统时 使用； 7 实时时钟单元、中断控制器和其它系统功能。 2 2 3 通信处理模块( c p m ) c p m 模块的结构框图如图2 3 所示： 图2 3c p m 的结构框图 c p m 模块【5 1 是高性能的通信处理器模块，其中包括一个3 2 位的r i s c 微控制 器( 可以认为是除p o w e r p c 内核外的另一个处理器) ，它可与p o w e r p c 内核并行 工作，处理数据通信中的底层任务。2 个c p u 之间通过内部存储空间进行数据交 互。 c p m 最主要的特点是它所集成的大量可同时使用的通信控制单元，主要包括： 1 二个串行d m a ( s d m a ) 可以同时调用，优先选择作为6 0 x 总线到局部总线 的突发传输； 第二章a t m 交换机控制系统硬件平台的建立 9 2 三个全双工、连续快速的通信控制器( f a s tc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e r ，f c c ) ， 支持a t m 、快速以太网( e t h e m e t ) 、h d l c 和透明传输等多种协议。通过 u t o p i a 接口，能够实现1 5 5 m b p sa t ms a r 功能。f c c 的时钟最大能达到 c p m 时钟的1 3 ，可以通过一个外部输入时钟或内部时钟发生器获得。内部时 钟由波特率发生器( b r g ) 产生。在本系统硬件平台中正是利用了f c c 2 口的 快速以太网模式实现了1 0 1 0 0 m 快速自适应以太网口的设计； 3 二个多途径控制器( m u l t i p l ec h a n n e lc o n t r o l l e r ，m c c ) ，可以处理2 5 6 x 6 4 k b p s h d l c 数据，2 5 6 个通道可以任意分配复用到8 个t d m 接口； 4 四个全双工串行通信控制器( s e r i a lc h a n n e lc o n t r o l l e r ，s c c ) ，支持i e e e 8 0 2 3 以太网、h d l c 、u a r t 、b i s y n c 和透明传输协议； 5 二个全双工连续管理控制器( s e r i a lm a n a g e m e n t sc o n t r o l l e r ，s m c ) ，支持传输 速率相对较慢的u a r t 模式和透明传输。s m c 工作在u a r t 模式比较简单， 它的时钟来自一个内部波特率发生器或者一个外部时钟信号。在本系统硬件平 台中的r s 2 3 2 串口正是通过配置了s m c l 的u a r t 模式来实现的； 6 一个串行外围接口( s p i ) 和i i c 总线控制器。 2 3a t m 交换机控制系统硬件平台组成及模块设计 星上a t m 交换机控制部分的主要功能是完成对样机电路部分( 光模块、s d h 芯片、信元预处理芯片、信元交换芯片) 、样机控制部分的通信接口的配置与管理 功能，包括芯片的初始化、状态信息的获取与处理、中断信号处理等。 为实现m p c 8 2 8 0 嵌入式控制系统硬件平台的总体设计方案中控制模块的任 务，按照功能将控制系统硬件平台的结构划分为多个子功能模块，硬件框图如图 2 4 所示。本节将详细地阐述控制系统硬件平台各个功能模块的具体设计与实现。 1 主处理器m p c 8 2 8 0 m p c 8 2 8 0 5 】的c p u 完成整个系统核心任务的处理、存储区的访问和外围设备 的控制与管理，通信处理模块c p m 负责以太网口的和串行口的控制，1 0 1 0 0 m 以 太网口是通过配置f c c 2 的以太网模式来实现的，r s 2 3 2 串口是通过s m c l 的 u a r t 模式实现。 主处理器提供多种存储器控制接口。g p c m 接口模式编程比较简单，但不支 持突发( b u r s t ) 操作，主要用于操作简单、性能要求较低的设备接口。硬件设计 中f l a s h 存储器与m p c 8 2 8 0 的接口采用的就是g p c m 接口模式。s d r a m 接口 模式提供s d r a m 接口，支持突发读、写内存的背靠背模式，性能比较高。硬件 设计中8 片s d r a m 与m p c 8 2 8 0 之间的接口采用的就是s d r a m 接口模式。u p m 模式可以由用户编程实现处理器与其它任意设备的接口，该模式在硬件平台上没 l o 星上大容量a t m 交换控制单元研制 有运用。 图2 4a t m 交换机控制系统硬件框图 硬件平台上m p c 8 2 8 0 涉及到主从设备的问题。一般而言，在通过j t a g 口进 行调试的过程中，m p c 8 2 8 0 应设置为从设备模式。当操作系统映像加载完毕，需 要m p c 8 2 8 0 进行自举启动时，m p c 8 2 8 0 应设置为主设备模式。主从设备的设置 通过r s t c o n f 管脚信号在上电启动时的采样获得，管脚的高低电平分别为从主设 备模式。m p c 8 2 8 0 内部时钟模块主要包含两个数字锁相环电路，以输入时钟信号 c l k i n 作为时钟源，通过锁相环倍频产生核心处理器和c p m 模块的时钟信号。 c l k i n 信号通过外部时钟模块获得，6 0 x 系统总线和本地总线的时钟源均为 c l k i n 信号。倍频因子由m o d c kh 和m o d c k 1 3 决定。当m p c 8 2 8 0 为从设 备模式时，m o d c kh 为0 0 0 0 ，为主设备时m o d c kh 通过硬配置字进行设置； m o d c k i 3 由硬件电路所决定。 2 闪速存储器( f l a s h ) 模块【7 】【8 】 在系统硬件平台上采用了大容量闪存设备( f l a s h ) 用于存储代码和数据。 在实际应用中主要用来存储b o o f l o a d e r 映像、操作系统映像、文件系统映像和用户 应用程序等。f l a s h 选用i n t e l 的t e 2 8 f 6 4 0 j 3 c 8 】芯片，单片容量为8 m 字节，内部 分成6 4 块( b l o c k ) ，每块大小1 2 8 k 字节。提供字节编程、字编程、片擦除和块 擦除等多种操作，能够实现快速擦除和编程，单次访问周期最大1 2 0 n s ，单字节编 程仅需6 8 u s ，拥有1 0 万次的擦除寿命。t e 2 8 f 6 4 0 j 3 c 采用3 3 v 供电，擦除和编 程均可在正常工作的电压( 3 3 v ) 下进行，不需要额外的编程高电压。 由于f l a s hr o m 常用作系统上电复位时最先读取的存储器，而当系统上电 复位的时候，m p c 8 2 8 0 会自动从片选信号c s 0 所指定的存储区的最低地址空间读 取复位配置字，所以使用c s 0 作为f l a s hr o m 的片选信号，f l a s hr o m 使用 第二章a t m 交换机控制系统硬件平台的建立 1 1 g p c m 存储控制机制。f l a s hr o m 的起始地址空间存储m p c 8 2 8 0 的复位配置字。 本系统选用的f l a s hr o m 的数据宽度为1 6 位，所以在进行寻址的过程中最低位 地址线a 3 1 不用。m p c 8 2 8 0 与f l a s hr o m 的连接关系如图2 5 ： m p c 8 2 8 0f l a s hr o m 图2 5 f l a s hr o m 的连接方式 由于m p c 8 2 8 0 采用大端数据模式，在地址线a 9 3 0 】中，a 9 是最高位地址 线，a 3 0 是最低位地址线；在数据线d 4 8 6 3 a ? ，d 4 8 为最高位数据线，d 6 3 】 是最低位数据线。而在t e 2 8 f 6 4 0 j 3 c 中采用小端数据模式，a 2 1 是地址线最高位， d 1 5 是数据线的最高位，连接时不能接错。c s 0 是片选信号线，o e 和w e 分别 为读、写控制信号线。 3 s d r a m 内存模块【7 】 m p c 8 2 8 0 提供三种存储器控制接口：g p c m 、s d r a m 和u p m 。m p c 8 2 8 0 专 用的s d r a m 接口，可以灵活实现对s d r a m 各种读写模式的支持，6 0 x 总线和 本地总线上均提供有s d r a m 接口。选用6 0x 总线提供的s d r a m 接口实现内存 模块的设计，芯片选用三星公司的k 4 s 2 8 1 6 3 2 b t c l l 【9 】。该s d r a m 具有访问速 度快、容量大、功耗低、性价比高等优点。k 4 s 2 8 1 6 3 2 b t c l l 是4 b a n k s x 2 m x1 6 b i t s 的s d r a m 存储芯片，共有4 个区，两个区选择信号，1 2 行9 列，内部具有自动 刷新电路，刷新周期6 4 m s ，支持突发式( b u r s t ) 读写，所有的操作时序都参照输 入的同步时钟源，采用3 3 v 供电，封装为t s o p ，体积小，占用很少的布局空间。 设计中使用8 片k 4 s 2 8 1 6 3 2 b t c l l ，总存储容量达到1 2 8 mb y t e s ，能够满足硬件 平台的设计要求。 4 电源模块 就整个电路板而言，m p c 8 2 8 0 的i o 端口电压v d d h 为3 3 v ，f p g a 内核电 压v d d l 为1 8 v ，其它外围电路器件采用的均是3 3 v 电压供电。因此，电源模 块只需提供3 3 v 与1 8 v 电压即可。 在电源模块的设计中，选用l m 2 6 7 6 系列电源转换芯片，该系列芯片可以满 1 2 星上大容量a t m 交换控制单元研制 足上述要求。该系列芯片的输入电压为+ 8 v 蛰j + 4 0 v ，因此可以采用单一输入电压 + 1 2 v 。通过l m 2 6 7 6 a d j 芯片转换得到+ 1 8 v 输出电压，通过l m 2 6 7 6 3 3 v 芯片 转换得到+ 3 3 v 输出电压。为了得到稳定的输出电压，输出的+ 3 3 v 、+ 1 8 v 电压 必须经过必要的滤波整形电路。 5 时钟模块 整个硬件平台对时钟模块的要求颇为苛刻。时钟模块不仅对m p c 8 2 8 0 提供时 钟输入，s d r a m 也需要时钟模块提供的时钟输入，而且s d r a m 与m p c 8 2 8 0 必 须保证完全的时钟同步，否则可能不能正确实现数据驱动和采样。所以系统必须 提供一个稳定的时钟源模块。 时钟模块核心部件为高稳定性的1 0 0 m h z 石英晶振，它为系统提供基准 1 0 0 m h z 时钟。在时钟模块中还采用了一个单输入、多输出的时钟驱动芯片 d t 7 4 f c t 3 8 0 7 。通过该驱动芯片输出的各个时钟信号之间相位差很小，能够保证 输出时钟同步，并提高了信号的驱动能力。使用该芯片为控制系统中各个子模块 提供同步的时钟输入信号，能有效的减小各个时钟信号之间的相互影响，为整个 控制系统的稳定、可靠提供必要的保证。 6 r s 2 3 2 串1 5 1 通信模块 7 1 r s 2 3 2 接口是硬件平台的调试端口和低速数据通信接口，在调试过程中，硬 件平台通过r s 2 3 2 接口将硬件平台的引导信息输出到p c 机的超级终端显示。系 统运行过程中，p c 机可以通过r s 2 3 2 接口配置硬件平台上一些受控设备( 向受 监控设备发送命令字) ，硬件平台则通过r s 2 3 2 接口向p c 机发送一些状态信息。 r s 2 3 2 接口采用u a r t 异步通信协议。通用异步收发( u 触汀) 协议是典型 的面向字符的协议，常用于设备之间的低速数据通信。与p c 机连接的r s 2 3 2 接 口由于不需要使用对方的传送控制信号，因此只需三条接口线，即发送数据t x d 、 接收数据r x d 和信号地g n d ，这也是串口通信中最为简单且常用的接法。 m p c 8 2 8 0c p m 的s m c l 接口配置为u a r t 控制器，用于实现r s 2 3 2 总线接 口，在设计中采用m p c 8 2 8 0 内部波特率发生器产生的时钟作为收发数据的抽样时 钟信号，不需外部提供收发时钟，波特率定为1 1 5 2 0 0 b i t s s 。 为了提高抗干扰能力和增加传输距离，r s 2 3 2 采用负逻辑电平，而m p c 8 2 8 0 输入输出采用t t l 电平，串口设计中要完成t t l 电平与r s 2 3 2 电平之间的转换。 设计中采用低成本、低功耗、3 3 v 供电的m a x 3 2 2 2 1 0 】来实现这种转换。 7 1 0 1 0 0 m 以太网接1 2 1 通信模块【5 】【7 】 尽管r s 2 3 2 串1 5 1 通信模块可以完成设备间的信息交换，完成b s p 映像和系统 内核映像的下载，但r s 一2 3 2 串1 2 1 通信速率较慢，不能有效地发挥处理器的性能， 影响硬件平台的整体性能。因此，硬件平台的设计中包含了一个1 0 1 0 0 m 快速以 太网通信接口，实现数据的快速交换。 第二章a t m 交换机控制系统硬件平台的建立 1 3 m p c 8 2 8 0 的s c c 和f c c 通信接口均支持以太网协议，但s c c 接口只能支持 1 0 m 以太网，因此选择f c c 接口实现l o l o o m 以太网接口。m p c 8 2 8 0 的3 个f c c 均可通过m i i 接口支持快速以太网，实现以太网中的m a c 层功能，硬件平台中选 用f c c 2 接口作为以太网接口。以太网物理层收发器p h y 选用i n t e l 公司的 l x t 9 7 1 】，变压器选用p u l s e 公司的h l1 0 2 ，采用r j - 4 5 物理接口。l x t 9 7 1 支持 1 0 b a s e t ，1 0 0 b a s e t x 双绞线和1 0 0 b a s e f x 光纤三种物理接口，拥有半双工、 全双工、自协商等多种工作模式，拥有内嵌的l e d 驱动显示网口的工作状态，采 用通用的3 3 v 供电。l x t 9 7 1 通过m i i 接口与m p c 8 2 8 0f c c 2 互连，l x t 9 7 1 提 供了串行控制管理接口，m p c 8 2 8 0 通过该接口可以对l x t 9 7 1 内部寄存器进行配 置，实现对芯片的工作模式的选择。由于l x t 9 7 1 是完全自适应的，因此，在实 际的工作中不需要对l x t 9 7 1 进行额外配置。需要特别注意的是，m p c 8 2 8 0 的引 脚存在复用的问题，因此，软件必须将所涉及到的管脚设为对应的f c c 2 通信口的 功能。 以太网的数据收发几乎不需要处理器内核的控制。处理器内核激活以太网发 送器后，以太网控制器每隔2 5 6 个时钟周期查询f c c 发送缓冲区描述符( b d ) 表 中首个发送描述符( t x b d ) 一次，确定是否有数据需要发送。当用户有数据帧要 发送时，通过设置内部寄存器t o d r 停止这样的查询，以太网控制器从数据缓冲 区读取数据，使t xe n 信号有效，依次发送引导符、帧起始标识、目的地址、源 地址、数据长度和帧数据，并计算产生c r c 帧校验序列( f c s ) 。发完后使t xe n 无效，通知物理层控制器当前数据帧传送完毕。发完f c s 后以太网控制器重新对 发送描述符进行配置，清除发送数据准备好( t xr e a d y ) 状态位【5 儿7 1 。 2 4a t m 交换机控制系统软件平台 绝大多数的l i n u x 软件开发都是以n a t i v e 方式进行的，即本机开发、调试，本 机运行的方式。这种方式不适合于嵌入式系统的软件开发，因为对于嵌入式系统 的开发，没有足够的资源在本机( 即板上系统) 运行开发工具和调试工具。通常 的嵌入式系统的软件开发采用一种交叉编译1 2 】【1 3 】【1 4 1 调试的方式，嵌入式系统软件 开发模式示意图如图2 6 所示。 交叉编译调试环境建立在宿主机( 即一台p c 机) 上，对应的硬件平台叫做目 标板。开发时使用宿主机上的交叉编译、汇编及连接工具形成可执行的二进制代 码( 注：这种可执行代码并不能在宿主机上执行，而只能在目标板上执行) ，然后 把可执行文件下载到目标机上运行。 宿主机和目标板的处理器般都不相同，此项目所用的宿主机为i n t e l 处理器， 而目标板的处理器为m o t o r o l a 的p o w e r p c 8 2 8 0 。所以要先搭建交叉编译环境 1 4 星上大容量a t m 交换控制单元研制 为开发嵌入式系统软件做准备。系统的软件平台使用的是华恒公司提供的 p p c l i n u x 系统集成开发环境，有效的缩短了软件的开发时间，并在一定程度上保 证了软件的质量。 运行l i n u x 的p c ( 宿主机)目标板 图2 6 嵌入式系统软件开发模式示意图 第三章信元预处理模块的驱动程序设计与实现 1 5 第三章信元预处理模块的驱动程序设计与实现 3 1l i n u x 设备驱动概述 设备驱动程序的开发在嵌入式系统占有非常重要的地位，它的开发占用了开 发过程的大量时间。l i n u x 设备驱动程序属于内核的一部分，直接运行在内核态， 设备驱动程序的健壮性直接关系到系统的稳定，劣质的驱动程序可能导致系统内 核的崩溃。 设备驱动是操作