原创基于88E6218的SOHO网络开发平台设计

 2008-7-3 09:55  1992 13 13 分类: 工程师职场

摘 要 介绍美国Marvell公司生产的SOHO级网络通信微处理器芯片88E6218的主要性能特点，并采用88E6218芯片设计SOHO网络开发平台。该平台具有高性能、低成本等优点，可方便用于SOHO网络通信产品的快速开发，具有较好的应用前景。着重分析平台的建立过程以及平台存储器和网络端口的电路设计方法。 关键词SOH0 88E6218 网络处理器 网络平台 随着互连网的发展，PC用户大量增加，办公SOHO(Small Office，Home Office)化逐渐成为可能。现在市场上已经出现了许多面向SOHO应用的网络通信产品。许多芯片制造厂商纷纷推出了自己的面向SOH0应用的嵌入式网络微处理器芯片。美国Marvell公司生产的88E6218芯片是其中的一种。基于这个芯片，可以搭建一个低成本、高性能的SOH0网络开发平台。通过在上层移植不同软件，可以用于不同的SOHO网络通信产品，如SOHO路由器、SOHO安全网关、SOHO交换机等等。本文介绍88E6218芯片的主要特点，给出基于88E6218的SCHO网络开发平台设计方法。 1 88E6218芯片结构及主要特点 图l为芯片内部的结构框图。 88E6218是美国Marvell公司(宽带通信半导体公司)生产的面向SOHO应用的一款高性价比的嵌入式网络微处理器。该处理器 具有以下一些主要特点： ◆芯片内嵌ARM9E的CPU核，采用32位RISC体系，带有DSP指令扩展，最高工作频率可达150 MHz，片内有8 KB指令Cache、8 KB数据Cackc和8 KB数据RAM。 ◆芯片集成SDRAM和Flash存储控制器，支持与其他具有存储器地址映射的外设相连接，包括DSP。 ◆SDRAM接口可以是16位(最大寻址深度32 MB)或32位(最大寻址深度64 MB)宽度。Flash接口可以是8位、16位或32位，最大寻址深度64 MB。 ◆芯片有内部DMA控制器、看门狗定时器、UART串行接口、JTAG调试口以及4个外部片选引脚BOOTCS、M_CSO、M_CS1、M_CS2。 ◆芯片带有5个支持IEEE802.3的MAC(Media ACccss Layer，媒体访问层)+PHY(Physical Layer，物理层)接口(Port0~Port4)；1个多功能网络接口(Port6)。该接口可配置为RMII(简化媒体独立接口)、MII(媒体独立接口)或SNI(业务接点接口)模式(支持200 Mbps全双工，可直接与交换机或无线局域网互连)；1个内部双倍速MII接口(Port5，支持200 Mbps全双工，可直接连接交换端口到CPU内部的MAC)。 ◆芯片提供基于QoS机制的快速以太网交换功能，内部采用拥有专利技术的UniMAC结构，如图2所示，在88E6218内部的CPU与多个快速以太网交换口之间形成高效的网络接口。 ◆一款低功耗的CMOS芯片，可提供216条引脚的LQFP封装。 综上所述，88E6218内部功能强，外设接口丰富，可以提供一个单芯片的S0HO路由器／安全网关解决方案。 2 安全平台硬件设计 2.1 平台硬件结构 图3是基于88E6218的面向SOHO应用的网络开发平台硬件结构框图。 ①电源电路。输入5 V。经过DC—DC变换，分别给擞处理器提供1.5 V、2.5 V和3.3 V的电压。 ②系统时钟和复位电路。25 MHz有源晶振经过倍频可为平台提供多种不同的时钟频率；采用专门的微处理器监控芯片为系统提供稳定、可靠的复位信号。 ③微处理器，即88E6218，是整个开发平台的工作和控制中心。 ④BOOT Flash存储器，用于存放系统的启动程序以及其他在系统掉电后需要保存的数据。 ⑤StrataFlash存储器，用于存放嵌入式操作系统和各种用户应用程序。 ⑥SDRAM存储器，是平台为操作系统和应用程序提供的运行空间，也是程序运行中大量网络数据的缓存空间。 ⑦网络端口。4个10／100 Mhps速率的RJ45接口，为系统提供以太网接入的物理通道；1个WAN接口，可配置为电口或光口，本平台为电口；1个MII接口。 ⑧RS232串口，可作为系统的Console调试口或用于平台与其他应用系统的短距离双向串行通信接口。 ⑨JTAG接口。通过该接口可对系统进行调试、编程等。 ⑩系统总线扩展。引出数据总线、地址总线和必需的控制总线，便于用户根据自身的特定需求，扩展外围电路。 2.2 平台主要硬件单元电路设计 因力88E6218是一个面向SOHO应用的网络微处理器，而且本文设计的开发平台主要用于网络应用，所以下面着重分析较重要的存储器和网络接口电路的工作原理和设计方法。 (1)Flash存储器接口电路 Flash存储器具有低功耗、大容量、可整片或分扇区快速烧写、擦除，掉电后信息不丢失等特点，在各种嵌入式系统中得到广泛应用。本系统的Flash存储器包括两部分：一部分是用于存放系统启动程序的Boot Flash，其功能包括对平台硬件的初始化和操作系统的引导等．考虑到启动程序一般容量不大，这里选用了<a href="http://www.qooic.com/detail-SST39SF040.html">SST39SF040</a>芯片，单片提供8位数据宽度、512 KB存储空间。88E6218提供4个片选引脚，其中BOOTCS专门用于Boot Flash存储器的片选，直接与<a href="http://www.qooic.com/detail-SST39SF040.html">SST39SF040</a>的CE相连；<a href="http://www.qooic.com/detail-SST39SF040.html">SST39SF040</a>地址总线A[0:18]与88E6218的地址总线M_A[0:18]相连;8位数据总线D[0:7]与88E6218的低8位数据总线M_D[0:7]相连。另一部分是StrataFlash存储器，用于存放操作系统和各种应用程序，在大多数应用系统中，选用1片16位的Flash存储器芯片(单片容量有1 MB、2 MB、4 MB、8 MB等)构建16位的Flash存储系统已经足够，因此这里选用了Intel的28F320J3芯片，单片提供16位数据宽度、4 MB的存储空间，将88E6218的M_CS2分配用于StrataFlash存储器的片选，直接与28F320J3的CE0相连；88E6218输出使能端OE接28F320J3的OE;写使能端WE接28F320J3的WE；将28F320J3模式选择引脚BYTE上拉，A0悬空，使28F320J3工作在16位数据模式；28F320J3地址总线A[1:21]与88E6218的地址总线M_A[O:20]相连；16位数据总线D[0:15]与88E6218的低16位数据总线M_D[0:15]相连。具体电路连接如图4所示。由于考虑到88E6218的带负载能力，所以把地址、数据总线与部分控制信号线通过一级驱动后再与目标Flash存储器相连。 (2)SDRAM接口电路 与Flash存储器相比较，SDRAM(Synchronous Dynamic Random ACCeSS Memory，同步动态随机存储器)虽然不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度大大高于Flash存储器，在系统中主要用作程序的运行空间。本系统中，考虑到88E6218的内部存储控制器支持单片SDRAM的最大容量为128 MB，所以选用了现代的<a href="http://www.qooic.com/detail-HY57V281620.html">HY57V281620</a>，它的存储容量为4组×2M×16位(16MB)，工作电压为单3.3 V±O.3 V，16位数据宽度。根据系统需求，可构建16位或32位的SDRAM存储器系统，但为充分发挥32位CPU的数据处理能力，大多数系统采用32位的SDRAM存储器系统。本系统选用两片<a href="http://www.qooic.com/detail-HY57V281620.html">HY57V281620</a>并联构建32位的SDRAM存储器系统，共32 MB的SDRAM空间，可满足嵌入式操作系统及各种相对较复杂的功能运行要求。图5为两片<a href="http://www.qooic.com/detail-HY57V281620.html">HY57V281620</a>并联构建32位SDRAM存储器系统的框图，其中一片为高16位，另一片为低16位，将88E6218的M_CS0分配用于 SDRAM 存储器的片选， 直接与 2 片<a href="http://www.qooic.com/detail-HY57V281620.html">HY57V281620</a>HCT的CS相连；M_CS1保留，可根据需要利用它将SDRAM存储器容量扩展到64M存储空间。2片<a href="http://www.qooic.com/detail-HY57V281620.html">HY57V281620</a>的芯片时钟输入端CLK接88E6218的 M_CLK_OUT端；2片<a href="http://www.qooic.com/detail-HY57V281620.html">HY57V281620</a>的时钟使能CKE端直接上拉；2片<a href="http://www.qooic.com/detail-HY57V281620.html">HY57V281620</a>的行地址锁存RAS、列地址锁存CAS、写使能端WE分别接88E6218的RAS端、CAS端、WE端，2片<a href="http://www.qooic.com/detail-HY57V281620.html">HY57V281620</a>的地址总线A[0:11]接88E6218的地址总线M_A[0:11]；2片<a href="http://www.qooic.com/detail-HY57V281620.html">HY57V281620</a>的组地址选择BAO、BA1，接88E6218的地址总线M_Al3、M_A14；高16位<a href="http://www.qooic.com/detail-HY57V281620.html">HY57V281620</a>芯片的数据总线D[0:15]接88E6218数据总线的高16位M_D[16:31]，数据I／O屏蔽引脚UDQM、LDQM分别接88E6218的DQM3、DQM2;低16位<a href="http://www.qooic.com/detail-HY57V281620.html">HY57V281620</a>芯片的D[0:15]接88E6218数据总线的低16位M_D[O:l5]，数据I／O屏蔽引脚UDQM、LDQM分别接88E6218的DQM1、DQM0。具体电路连接如图5所示。 (3)网络接口电路 以太网接口可分为协议层和物理层．协议层是由一个叫MAC的单一模块实现的。物理层由两部分组成，即PHY和传输器。常见的是把MAC和PHY集成在一个设备中。 目前常见的以太网接口芯片，如<a href="http://www.qooic.com/detail-RTL8019.html">RTL8019</a>、CS8900、DM9008等，其内部结构也主要包含这两部件，由于88E6218内部集成了5个MAC+PHY接口(Port0~t4)，所以不需另选以太网接口芯片而直接通过选择合 适的网络隔离变压器加上RJ45连接器就可在半双工或剑双工模式下提供5个10/100Mbps的以太网接入通路。其中Porrt0口还支持100BASE-FX，可通过选择合适的光收发模块芯片提供光口接入通道。本平台选用了PPP的PM4G-100GH器件。它是一个100M四口变压器芯片，可用于Portl~Port4口的网络连接；还选用了一个单口的100M变压器芯片SF45-1096F，用于PortO口的网络连接。其中Portl~Port4网口配置为SWITCH(交换墙口)模式，PortO网口配置为NIC(标准网络接口卡)模式。此外平台利用88E6218的Port6口提供一个高速的MII接口。该接口可配置为单独的MII MAC模式或MIIPHY模式，能够直接与外部具有MII接口的PHY模块或MAC模块互连，具体电路连接如图6所示。 2.3 平台PCB设计 系统中，88E6218的片内工作频率可达150 MHz，其以太网接口电路的工作速率更高达100 MHz以上，因此，在PCB设计过程中，应该遵循高频电路设计的基本原则。首先应注意电源的质量与分配，其次要注意信号线的分布。 (1)电源质量与分配 在设计PCB板时，给各个单元电路提供高质量的电源，会使系统的稳定性大幅度提高。一般应在电源进入印制电路板的位置和靠近各器件的电源引脚处加上几十到几百μF的电容，以滤除电源噪声。还要注意在器件的电源和地之间加上0.1μF左右的电容，用来滤除元器件工作时产生的高频噪声。由于系统存在多种不同电源，考虑到双面PCB板电源供给采用电源总线的方式，受到电路板面积的限制，一般存在较大的直流电阻。所以为了提高系统的稳定性，通常采用多层板，并且专门拿出一层作为电源层而不在其上布信号线。由于电源层遍及电路板的全面积，因此直流电阻非常小，可以有效地降低噪声。 (2)同类型信号线的分布 在设计PCB时，对于处理器的输入输出信号中的数据线、地址线等相同类型的线应该成组、平行分布，并保持它们之间的长短差异不要太大。采用这种方式布线，既可以减少干扰，增加系统的稳定性，还可以简化布线，使PCB板的外形美观。对一些高频的并且走线距离相对较长的信号线应考虑添加适当的端接电阻，以减少反射干扰。 3 平台的开发现状及应用前景 现在平台已经搭建完毕，硬件调试获得成功，并且在平台上顺利完成了ARMBO0T软件的移植工作。该平台具有低成本、高性能、通用性好等特点，可以直接用宋进行SOHO路由器和网关等多种网络功能的研究和开发。还可通过在总线上扩展专用ASIC芯片，将平台用于高端网络安全产品开发。目前正在将平台用于SOHO VPN网关的低端产品开发。

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