劉德保,汪安民，韓道文

(1.同方電子科技有限公司研究所，九江 332009；2.解放軍電子工程學(xué)院)

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八核浮點(diǎn)型DSP的雙千兆網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

劉德保1,汪安民1，韓道文2

(1.同方電子科技有限公司研究所，九江 332009；2.解放軍電子工程學(xué)院)

單個(gè)千兆網(wǎng)口無(wú)法滿足一些系統(tǒng)的需求。采用PCIe或者RapidIO接口可以進(jìn)一步提高接口速率，但加大了系統(tǒng)的復(fù)雜度，而且和大部分既有設(shè)備無(wú)法直接連接。為此，本文提出一種雙千兆網(wǎng)口接口實(shí)現(xiàn)技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率提高2倍。以多核DSP芯片TMS320C6678為應(yīng)用平臺(tái)，介紹了雙千兆網(wǎng)口的通信設(shè)計(jì)方法以及詳細(xì)的軟硬件設(shè)計(jì)方法。

多核；千兆網(wǎng)口；DSP

引 言

千兆網(wǎng)絡(luò)接口具有數(shù)據(jù)傳輸速率快、連接方便、可以即插即用的優(yōu)點(diǎn)，使得其應(yīng)用較為廣泛。隨著電子技術(shù)和處理器的發(fā)展，很多應(yīng)用場(chǎng)合的數(shù)據(jù)通信速率超過(guò)千兆網(wǎng)口的實(shí)際傳輸速率。例如，在A/D采樣中，需要直接存儲(chǔ)A/D轉(zhuǎn)換的采樣數(shù)據(jù)，如果A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)為16位，工作在100 MHz，則實(shí)際數(shù)據(jù)量為1.6 Gbps。為了實(shí)現(xiàn)高速傳輸，必須采用更高傳輸速率的接口，例如PCIe或者RapidIO接口。但這些接口不具有即插即用功能，與很多工業(yè)既有設(shè)備不能直接連接，限制了其應(yīng)用場(chǎng)合。

DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)具有較高的工作頻率，其內(nèi)部集成硬件網(wǎng)絡(luò)MAC接口，外接一個(gè)物理層芯片就可以方便地實(shí)現(xiàn)千兆網(wǎng)絡(luò)通信。多核DSP芯片可以連接多個(gè)千兆網(wǎng)口，使得其可以應(yīng)用到高速數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)合。本文介紹一種基于多核數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C6678的嵌入式雙千兆網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)單個(gè)芯片連接兩個(gè)千兆網(wǎng)口，這兩個(gè)網(wǎng)口可以各自獨(dú)立傳輸數(shù)據(jù)，也可以聯(lián)合傳輸數(shù)據(jù)，提高了實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸速率。

1 C6678及其結(jié)構(gòu)

TMS320C6678是TI公司多核處理器中的一款8核浮點(diǎn)型DSP，每個(gè)核最高工作頻率可達(dá)1.25 GHz，每個(gè)核可以提供40GMAC定點(diǎn)計(jì)算或者20GFLOP浮點(diǎn)計(jì)算能力，單個(gè)芯片可以提供320GMAC或者160GFLOP計(jì)算能力。TMS320C6678的片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 TMS320C6678內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

TMS320C6678的每個(gè)核具有32 KB的程序、32 KB的數(shù)據(jù)以及512 KB的2級(jí)Cache存儲(chǔ)空間，芯片片內(nèi)具有一個(gè)4MB的共享SRAM。TMS320C6678具有DDR3控制器接口，可以外接DDR3，直接尋址范圍達(dá)到8 GB。TMS320C6678的片內(nèi)外設(shè)有RapidIO、PCIe、EMIF、SPI、I2C總線等接口。這些接口通過(guò)片內(nèi)的高速互聯(lián)總線和各個(gè)處理器交互數(shù)據(jù)。

和網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的片內(nèi)設(shè)備如圖1右下角灰色模塊所示，主要包括兩個(gè)對(duì)外的SGMII接口、以太交換和網(wǎng)絡(luò)交換模塊，以及用于數(shù)據(jù)管理的安全加速器和包加速器，可以快速檢測(cè)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)以及協(xié)議是否遵循網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)直接丟棄，降低CPU的負(fù)擔(dān)。為了加快網(wǎng)絡(luò)和CPU的數(shù)據(jù)交換，片內(nèi)的隊(duì)列管理器用于管理網(wǎng)絡(luò)包或者網(wǎng)絡(luò)幀的緩存、分發(fā)等功能。這些數(shù)據(jù)都采用數(shù)據(jù)包DMA讀寫(xiě)，不需要CPU參與。

TMS320C6678的其他片內(nèi)設(shè)備包括PLL、仿真口、信號(hào)量、電源管理和復(fù)位管理等模塊。其中PLL配置CPU和外設(shè)的工作時(shí)鐘；仿真口用于連接仿真器，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件運(yùn)行的監(jiān)控；信號(hào)量實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP/BIOS操作系統(tǒng)中信號(hào)量的控制；電源管理實(shí)現(xiàn)整個(gè)芯片電流電壓的控制；復(fù)位管理配置啟動(dòng)的方式，硬復(fù)位進(jìn)行全啟動(dòng)，軟復(fù)位進(jìn)行部分啟動(dòng)。

2 88E1111及其結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)物理層芯片很多，一般都兼容MII、RMII以及SGMII等接口標(biāo)準(zhǔn)之一或者多個(gè)。但TMS320C6678只提供了SGMII接口，所以和TMS320C6678連接的物理層芯片必須具有SGMII接口。本文使用兩片Marvell公司的88E1111物理層芯片進(jìn)行雙千兆網(wǎng)絡(luò)的連接。88E1111的片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 88E1111內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

網(wǎng)絡(luò)RJ45接口發(fā)送過(guò)來(lái)的帶有調(diào)制數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，然后依次經(jīng)過(guò)均衡、整形濾波和譯碼后由接收單元傳輸?shù)組AC芯片，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。MAC發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)整形濾波后由D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)發(fā)送到RJ45接口。為了降低誤碼率，88E1111內(nèi)部具有鎖相環(huán)(PLL)、自動(dòng)增益控制(AGC)、時(shí)序/相位控制、回音抵消等模塊，這些模塊都是為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，在不同環(huán)境或者不同外接設(shè)備下，都可以高速可靠地通信。圖2中的LED控制模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的燈光顯示，MDIO模塊實(shí)現(xiàn)鏈接建立和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，時(shí)鐘模塊提供工作時(shí)鐘。

3 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要包括TMS320C6678和兩個(gè)88E1111的接口、88E1111和RJ45的接口、88E1111的硬件配置設(shè)計(jì)等幾個(gè)部分。

TMS320C6678的網(wǎng)絡(luò)模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。片內(nèi)集成了一個(gè)3口的以太交換機(jī)，負(fù)責(zé)將兩個(gè)千兆網(wǎng)口的數(shù)據(jù)交換到主機(jī)，同時(shí)提供交換中斷到主機(jī)，主機(jī)通過(guò)中斷可以實(shí)時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。主機(jī)通過(guò)總線配置或者監(jiān)控外部的物理層芯片，配置和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)MDIO接口連接到物理層芯片。

圖3 TMS320C6678網(wǎng)絡(luò)模塊結(jié)構(gòu)

圖4 TMS320C6678和88E1111的接口

TMS320C6678和兩片88E1111的接口電路如圖4所示。TMS320C6678采用SGMII(SerialGigabit Media Independent Interface)接口，兼容10/100/1000M工作方式。SGMII為串行數(shù)據(jù)收發(fā)方式，具有較少的引腳連接。從圖4中可以看出，實(shí)際上只有兩對(duì)收發(fā)的差分線，分別連接到對(duì)應(yīng)的88E1111引腳上。讀寫(xiě)時(shí)鐘隱含在數(shù)據(jù)上傳輸，由硬件自動(dòng)識(shí)別，無(wú)須軟件參與。

MDIO和MDCLK為T(mén)MS320C6678內(nèi)部MDIO模塊的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘，用于TMS320C6678和88E1111建立連接，TMS320C6678可以通過(guò)該接口配置88E1111，或者讀取88E1111的信息。由于88E1111的MDIO模塊接口電平為2.5 V，而TMS320C6678的MDIO模塊接口電平采用1.8 V電壓，所以兩者之間需要增加電壓轉(zhuǎn)換芯片，本設(shè)計(jì)采用PCA9306實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，接口電路如圖5所示。

圖5 MDIO接口的電壓轉(zhuǎn)換電路

需要注意的是，由于存在兩個(gè)88E111芯片，MDIO和MDCLK引腳直接連接到兩個(gè)芯片上，MDIO可以最多控制32個(gè)物理層芯片，物理層芯片地址分別為1～32。88E1111的地址配置如圖6所示。

圖6 88E1111的硬件配置

表1為對(duì)應(yīng)的配置信息，根據(jù)圖6和表1，可以看出88E111的地址分別為4和8。

表1 配置引腳設(shè)置

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括硬件初始化、網(wǎng)絡(luò)配置以及數(shù)據(jù)通信流程等。TMS320C6678復(fù)位后的工作流程如圖7所示。首先配置第一個(gè)網(wǎng)口，記錄其狀態(tài)后配置第二個(gè)網(wǎng)口。只要兩個(gè)網(wǎng)口有一個(gè)配置成功，將配置TMS320C6678的EMAC模塊，為成功配置的網(wǎng)口設(shè)置收發(fā)緩沖和收發(fā)任務(wù)。這些配置好后，就可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收發(fā)。需要注意的是，在用戶應(yīng)用程序中，需要考慮到網(wǎng)口配置失敗的情況。例如，用戶應(yīng)用程序通過(guò)雙網(wǎng)口實(shí)時(shí)傳輸1.2 Gbps的數(shù)據(jù)，如果一個(gè)網(wǎng)口配置失敗，則應(yīng)用程序應(yīng)有相應(yīng)的機(jī)制將實(shí)時(shí)傳輸速率降低到0.8 Gbps以下(單網(wǎng)口實(shí)際傳輸速率可能低于0.8 Gbps)。本文硬件系統(tǒng)在沒(méi)有其他任務(wù)開(kāi)銷(xiāo)情況下，實(shí)測(cè)可以傳輸1.5 Gbps的數(shù)據(jù)(傳輸過(guò)程中不考慮錯(cuò)誤,不進(jìn)行重發(fā))。

圖7 數(shù)據(jù)通信流程

結(jié) 語(yǔ)

[1] 丁有源，汪安民. 基于多核DSP的軟硬件設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)，2012(5)．

[2] Texas Instruments.TMS320C6678 Multicore Fixed and Floating Point Digital Signal Processor Datasheet，2010.

[3] Texas Instruments. TMS320C645x DSP Ethernet Media Access Controller (EMAC) Management Data Input Output(MDIO)Module User’s Guide, 2010 .

[4] Marvell Semiconductor. 88E1111 Datasheet Integrated 10/100/1000 Ultra Gigabit Ethernet Transceiver (Rev. H)，2006.

Design of Double 1G Base-T Ethernet Based on 8-Core Floating-point DSP

Liu Debao1, Wang Anmin1，Han Daowen2

(1. Research of Tongfang Electronic and Technology Ltd Co.Ltd., Jiujiang 332009,China; 2. Electronical Engineering Institute of PLA)

A single Gigabit Ethernet port cannot satisfy the system requirements, using PCIe or RapidIO port can further improve the interface rate, but this method will add system complexity, and either port cannot be connected directly to most available equipments. For this purpose, the paper presents a dual Gigabit Ethernet ports interface technology, the network data transfer rate are increased by 2 times.Based on the multicore DSP chip TMS320C6678, this paper introduces the communication design of the double Gigabit Ethernet port, and the software and hardware design are given in detail.

multicore；1G Base-T Ethernet;DSP

TP336

A

迪娜

2013-08-03)