基于Linux操作系统和WDMA技术实现EPON系统的设计

作者：胡元兵，刘海，刘德明

千兆以太网无源光网络（EPON）是一种点到多点拓扑结构的光接入网技术，采用无源光器件连接局端和远端设备，实现以太网业务的透明传输，并能在同一架构中实现语音、视频等综合业务的接入。EPON作为新兴接入网技术的突出优势在于低成本、易维护和扩展性好。EPON系统由OLT与ONU构成。

ONU硬件系统设计

系统硬件由嵌入式控制模块和网络交换模块两部分构成。嵌入式控制模块是ONU的控制和管理核心，它为嵌入式Linux操作系统的运行提供硬件平台，通过它来实现对网络交换模块的控制与配置，实现网络交换模块的正常运行。网络交换模块提供以太帧的交换与转发功能，嵌入式控制模块通过PCI总线与网络交换模块进行通信，访问网络交换模块内部各芯片的寄存器，对各芯片进行配置并获取各个芯片的状态信息。网络交换模块内部的交换芯片BCM5615将嵌入式控制模块对它的访问，转换为自己对网络交换模块内部各芯片的访问，这样就实现了嵌入式控制模块对网络交换模块内部各芯片的管理。

嵌入式控制模块接口设计

嵌入式处理器MPC8245简介

MPC8245由一个外设逻辑块和一个32位超标量体系结构PowerPC处理器内核构成。在外设逻辑块中集成了一个PCI桥、DUART、内存控制器、DMA控制器、EPIC中断控制器、一个消息单元和一个I2C控制器。处理器内核支持浮点运算和内存管理，具有16KB指令高速缓存（cache）， 16KB数据cache和电源管理特性。MPC8245内含一外设逻辑总线，用于连接处理器内核和外设逻辑块。处理器内核可在多种不同的频率下工作。MPC8245既可用作 PCI host，也可用作PCI代理控制器。支持多达2GB的SDRAM；支持1“8 组的4MB， 16MB， 64MB， 128MB， 或256MB存储器。

时钟电路

MPC8245输入时钟由33MHz的的晶振通过零延时缓冲器产生四路时钟信号，一路作为MPC8245的PCI总线时钟和内核的输入时钟，系统时钟信号OSC_IN未用，需要接地。MPC8245的引脚PLL_CFG［0:4］用于配置倍频因子，经过内部倍频器，产生SDRAM时钟和166MHz的CPU内核时钟。一路作为RTL8139的PCI总线时钟，一路作为BCM5615的PCI总线时钟。

PCI总线接口

PCI总线工作在33MHz，设计中要保证PCI时钟的时钟相位偏移小于2ns，否则，系统可能无法正常工作。MPC8245作为PCI 主处理器，RTL8139和BCM5615的REQ#、GNT#分别连到MPC8245的REQ［0：1］#、GNT［0：：1］#，由MPC8245来实现总线的仲裁。利用地址线AD31，AD30来决定RTL8139、BCM5615的IDSEL， 实现PCI总线配置访问时对RTL8139、BCM5615的片选。这种方法会使AD31，AD30线上增加一个负载，因此将它们的IDSEL通过1K？电阻耦合到AD31、AD30上来解决负载加重的问题。PCI总线的控制信号都要求有上拉电阻，保证它们在没有驱动设备驱动总线的情况下仍然具有稳定的值，因而 FRAME#、TRDY#、IRDY#、DEVSEL#、STOP#、SERR#和PERR#这些信号使用10K？电阻上拉。

Flash

本设计中选择512KB的Flash作为Bootloader代码存储器，系统工作在8位模式，对应的地址为0xFF800000”0xFF87FFFF。选用两片AM29LV320B分别作为Bootloader/Linux内核和文件存储器，AM29LV320B是32 Mb、单3.3V电源供电的闪存，编程和擦写电压由内部产生，与JEDEC单电源闪存标准兼容；可组成4M×8Bit或2M×16Bit的存储器。可用标准EPROM编程器进行编程；存取时间最短为70ns；独立的片选（CE#）、写使能（WE#） 和输出使能（OE#）控制，可减小对总线的压力。片选RCS1、RCS2分别选择两片Flash，RCS1选中的Flash对应的地址为0xFF000000“0xFF3FFFFF，RCS2选中的Flash地址由编程决定。

跳线J1用来将RCS0接到Flash1，RCS1接到Flash0，这样在Bootloader代码运行后，将Bootloader代码、Linux内核代码都烧到Flash1，节约一片512KB的Flash，同时留下RCS2、RCS3片选信号，留作以后扩展Flash用。

SDRAM

32MB的SDRAM由两片HY57V283220T组成。MPC8245的SDRAM接口 使用一个片选信号CS1，同时作为两片HY57V 283220T的片选，构成64位数据的SDRAM。 HY57V283220T是4 Bank×1M×32Bit的CMOS SDRAM，单3.3±0.3V电源供电，所有引脚与LVTTL接口兼容，所有输入和输出都以系统时钟的上升沿为参考。

CONSOLE和EMS接口电路

串行通信通过MAX232芯片实现，工作在3.3V工作电压，它的体积比较小，工作稳定。通过串口可实现对ONU的网络管理。使用常用的PHY芯片RTL8139扩展一个10Mbps网口，使得在Bootloader代码引导系统后，通过该网口下载Linux内核代码，系统运行后通过该网口对ONU进行WEB管理。

交换模块接口设计

以太网交换模块由1个BCM5615交换芯片、3个BCM5228B PHY芯片、1个BCM5221PHY芯片、1个HDMP-1636A千兆SERDES和SDRAM芯片组成。该模块提供1个千兆光口（1000BASE-LX），25个百兆光口（100BASE-FX），是实现ONU功能的核心部分。一个千兆口作为PON的接收端口，接收OLT广播发送的数据包；另一个千兆口连接成百兆口，作为PON的发送端口，向OLT发送数据，该端口发射的是特殊波长的光。通过特殊的交换机制来实现ONU与OLT的连接。

BCM5615芯片简介

BCM5615是集成多层交换芯片，是以太网交换模块的核心。它具有24个10/100Mbps和2个10/100/1000Mbps以太网口；具有2层和3层交换和2”7层过滤功能；可实现全线速交换，交换速率达670万包/秒；支持IEEE 802.1Q.D；具有256KB的内部数据包存储器，可以用SDRAM扩展64MB外部数据包存储器。

本设计选用3片BCM5228B来提供24个PHY端口。BCM5228B是物理层器件，单片内包含8个独立的PHY（端口）。BCM5615通过串行MII管理接口管理3个 BCM5228B芯片的24个PHY端口，系统对BCM5228B的访问就是通过转化为BCM5615的串行MII管理接口上的操作来实现的。BCM5228B每个PHY端口的管理地址由PHYADD［4：：0］引脚设置，若BCM5228B的PHYADD［4：：0］为PHYAD，则每片8个端口对应的管理地址分别为ADDR=PHYAD+ PORTX，PORTX为每个PHY端口的编号。

时钟电路

BCM5615的芯核时钟由133MHz的晶振产生，设计PCB时，应尽量靠近BCM5615的时钟输入引脚，BCM5615的GMII时钟与MII时钟均为125MHz，由125MHz的晶振通过74LCX245缓冲后产生四路125MHz的时钟源，输入到BCM5615的GMII_CLKIN引脚和3片BCM5228的REF_CLK引脚。注意连接到BCM5228B的时钟线应该等长，不管千兆口是否使用，GMII_CLKIN的时钟都必须提供。

系统复位电路

系统复位电路采用IMP811复位芯片，通过74LCX245缓冲后产生多路复位信号，分别接到各个芯片的复位引脚。为了可靠复位，要求复位信号的上升沿不能有振荡现象发生。

系统软件设计

本文选择Linux作为操作系统，使用Broadcom公司提供的软件开发包SDK开发BCM5615的驱动程序。PPCBOOT是独立于其它软件的，它只负责初始化并配置有关硬件，然后调用Linux内核映像引导操作系统运行，其它软件分为用户空间程序和内核空间程序两大部分。在内核空间运行嵌入式Linux操作系统、BCM5615驱动程序、RTL8139网口驱动程序、实现STP的STP内核模块、为方便整个软件系统设计和实现而采用的虚拟设备VND和VCD。它们之间的接口关系是：Linux提供内核API给BCM5615驱动和其它Linux可动态加载内核模块，如STP、VND、VCD、RTL8139网卡驱动等。

ASIC驱动

ASIC 驱动主要是完成对BCM5615的初始化和配置工作，并为上层服务提供接口。其中SAL 层的目的就是把操作系统所提供的各种服务映射为驱动程序本身的API。第二层即中间层，也可以说是整个驱动程序的核心层，它建立在SAL 之上，其设计目标主要是提供底层寄存器和存储器的访问、PCI 总线操作、DMA 操作以及中断处理函数等。驱动程序的顶层是API层，它建立在DRV层之上，是对DRV 有关部分的封装，从而为上层的其他软件模块提供各种服务，其他模块通过调用这一层的函数来访问和控制ASIC。ASIC 驱动提供的API 对用户进程来说是无法直接调用的，因此本文设计了一个虚拟的字符设备（TTY），并编写其驱动程序，同时在/dev 目录下用mknod 命令建立相对应的字符设备文件。

对操作系统来说，BCM5615的26 个端口对应于一个物理PCI 设备，即ASIC，它们共享一个PCI通道和地址空间。这给那些与网络设备紧密相关的软件带来不少麻烦，因此可以把26 个端口设计成26 个虚拟网络设备（VND）并编写其驱动程序。因此，SNMPD 和生成树协议软件所看到的是26 个虚拟网卡，和普通的网卡并无区别。

结语

本文采用波分多址（WDMA）实现的EPON系统，与同类产品相比较，有实现简单、性能好、易于升级、系统造价低的优势，已经在宽带接入网中获得重要应用。

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