中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所 王承宇

基于AM3359的千兆雙冗余以太網(wǎng)接口模塊設(shè)計(jì)

中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所 王承宇

千兆以太網(wǎng)具有可靠性高、擴(kuò)展性強(qiáng)、速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。通過雙冗余技術(shù)，可以使一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通道故障后自動(dòng)切換到另一個(gè)正常通道，實(shí)現(xiàn)熱備份。本文基于Ti公司的AM3359處理器設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種千兆雙冘余以太網(wǎng)接口模塊，針對(duì)于設(shè)計(jì)過程中軟硬件設(shè)計(jì)、LWIP協(xié)議的移植等進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

千兆雙冘余以太網(wǎng)；AM3359；LWIP協(xié)議棧

0 引言

以太網(wǎng)從10M開始發(fā)展，經(jīng)理多年的變遷，目前已發(fā)展到千兆乃至萬兆以太網(wǎng)，在各領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用。以太網(wǎng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可靠性高：網(wǎng)絡(luò)上單一節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備的通訊產(chǎn)生影響；（2）擴(kuò)展性強(qiáng)：所有設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)中，網(wǎng)口紙質(zhì)熱插拔；（3）速度快：千兆以太網(wǎng)將提高10倍與百兆網(wǎng)的性能并與現(xiàn)有的10/100以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)兼容；（4）采用雙冗余技術(shù)可以在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通道出現(xiàn)故障后進(jìn)行自動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)熱備份。AM3359是TI公司最便宜的Cortex A8處理芯片，集成2個(gè)MAC并支持Linux、Android和WinCE系統(tǒng)。本文基于AM3359處理器設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種千兆雙冘余以太網(wǎng)接口模塊，針對(duì)硬性設(shè)計(jì)與軟件開發(fā)中的難點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體功能與結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)接口模塊主要有DSP、DDR3內(nèi)存、FLASH芯片、PHY芯片、電源芯片等多個(gè)部分組成。DSP選用Ti公司的AM3359處理器。該芯片具有一個(gè)ARMcortexA8核，最大運(yùn)行速率可達(dá)1GHz,具有兩個(gè)工業(yè)千兆以太網(wǎng)MAC，支持MII、RGMII和MDIO接口程序。DDR3選擇Micron公司MT41K128M16JT,容量為2Gb。FLASH芯片選擇三星公司的K9F4G08U0E,位寬為8bit,容量為4Gb。程序固化在片外FLASH芯片中，當(dāng)系統(tǒng)上電后，將程序加載至DDR3內(nèi)存中運(yùn)行。物理層芯片選擇TI公司的DP83867IR，該芯片具有8kV的ESD保護(hù)能力，運(yùn)行功耗僅565mW。由DSP控制兩個(gè)物理層芯片提供兩個(gè)雙冘余千兆網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)與外部網(wǎng)絡(luò)的通訊。以太網(wǎng)接口模塊的組成如圖1所示。

圖1 總體組成框圖

1.2 千兆網(wǎng)口設(shè)計(jì)

每一個(gè)物理層芯片均由一片晶振為其提供25MHz時(shí)鐘信號(hào)以滿足千兆網(wǎng)的傳輸要求。物理層芯片通過RGMII總線和MDI0總線與DSP連接，RGMII由12個(gè)信號(hào)組成：6個(gè)接收新號(hào)RX_CTL、RX_CLK和RX_ D[3：0]以及6個(gè)發(fā)送信號(hào)TX_CTL、TX_CLK和TX_D[3:0]。在千兆運(yùn)行過程中，TX_CLK和RX_CLK的時(shí)鐘為125MHz，因此為避免一條數(shù)據(jù)總線上不同數(shù)據(jù)線上信號(hào)傳播延時(shí)造成的偏差，所有信號(hào)線的走線長度差異應(yīng)盡可能小。DSP通過MDIO總線可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PHY內(nèi)部寄存器空間和狀態(tài)信息以及配置進(jìn)行訪問。PHY與外部網(wǎng)線之間使用了一個(gè)隔離變壓器以保證本地電器與外部電纜之間的直流隔離。

圖2 千兆網(wǎng)口設(shè)計(jì)

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 LWIP協(xié)議棧

LWIP協(xié)議棧是一套用于嵌入式系統(tǒng)的開源TCP/IP協(xié)議棧，可以移植到操作系統(tǒng)上，也可以在誤操作系統(tǒng)的情況下獨(dú)立運(yùn)行。LWIP的優(yōu)點(diǎn)在于保持TCP/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上減少對(duì)RAM的占用。一般它要幾十kg的RAM就可以運(yùn)行，這使LWIP協(xié)議棧適合在小型嵌入式系統(tǒng)中。LWIP協(xié)議棧的主要作用是負(fù)責(zé)處理各層各種協(xié)議，在數(shù)據(jù)收發(fā)過程中完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀封裝與解析并完成ARP功能。

LWIIP協(xié)議棧的移植十分便捷。為適應(yīng)各種不同的硬件環(huán)境，協(xié)議棧中留有底層收發(fā)程序的指針、因此，移植的核心就是根據(jù)格式要求編寫底層收發(fā)程序。移植完成后，當(dāng)需要收發(fā)網(wǎng)絡(luò)幀是，協(xié)議棧便會(huì)自動(dòng)調(diào)用底層收發(fā)程序。

2.2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)的實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理過程主要可以分為兩個(gè)部分：底層驅(qū)動(dòng)程序和協(xié)議棧。底層驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)讀取PHY收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)或?qū)⑺l(fā)送的信息從PHY發(fā)送出去。協(xié)議棧根據(jù)本地與通訊對(duì)象的MAC地址、IP地址和端口號(hào)完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的封裝與解析。

圖3 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)流程

在LWIP協(xié)議棧的移植過程中，用戶所要完成的主要工作為協(xié)議棧的初始化以及編寫底層硬件驅(qū)動(dòng)程序并對(duì)應(yīng)函數(shù)在協(xié)議棧中完成綁定。

在初始化主要分為網(wǎng)絡(luò)接口初始化和協(xié)議棧初始化兩個(gè)部分。網(wǎng)絡(luò)接口初始化主要完成硬件的初始化。對(duì)于本文中的以太網(wǎng)接口模塊，硬件初始化的主要內(nèi)容為通過MDIO讀取PHY內(nèi)部寄存器完成與連接對(duì)象的網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)協(xié)商功能。協(xié)議棧初始化主要完成本地IP地址以及端口號(hào)的配置。首先使用udp_new()函數(shù)建立UDP控制塊，再調(diào)用udp_bind()函數(shù)綁定本地的IP地址和端口號(hào)。為了收到UDP數(shù)據(jù)后能夠正常完成數(shù)據(jù)處理，還需要通過udp_recv()函數(shù)將用戶自定義的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理函數(shù)進(jìn)行綁定。

完成上述設(shè)置后LWIP協(xié)議棧當(dāng)收到正確的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)便會(huì)自動(dòng)調(diào)用用戶定義處理函數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，調(diào)用udp_sendto()函數(shù)便能實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)送。

3 結(jié)論

AM3359是TI公司最便宜的Cortex A8處理芯片，集成2個(gè)MAC具有良好的應(yīng)用前景。本文基于AM3359處理器設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種千兆雙冘余以太網(wǎng)接口模塊，針對(duì)硬性設(shè)計(jì)與軟件開發(fā)中的難點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

[1]Adam Dunkels,Design and Implementation of the Lwip TCP/IP Stack,2001．

[2]Texas Instrument,AM335X Sitara Processors Technical Reference Manual,2016．