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基于網(wǎng)絡(luò)處理器IXP1200的以太網(wǎng)上聯(lián)卡設(shè)計(jì)
摘要：以太網(wǎng)上聯(lián)卡是以ATM技術(shù)為內(nèi)核的DSLAM設(shè)備中的一塊板卡，DSLAM設(shè)備通過它可直接與IP網(wǎng)絡(luò)相連，由于在進(jìn)行ATM與IP轉(zhuǎn)換時(shí)要消耗大量資源，因而很容易使上聯(lián)卡成為整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸。文章提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)處理器IXP1200的以太網(wǎng)上聯(lián)卡設(shè)計(jì)方案，該方案利用IXP1200網(wǎng)絡(luò)處理器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和高度的靈活性來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的線速處理，同時(shí)也可根據(jù)需要增加新的功能。關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)上聯(lián)卡；網(wǎng)絡(luò)處理器；ATM；以太網(wǎng)；微碼；IXP1200
隨著網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的高速發(fā)展，寬帶接入技術(shù)成了當(dāng)前電信接入技術(shù)的熱點(diǎn)。由于早期的寬帶技術(shù)以ＡＴＭ為核心，各大廠家提供的核心芯片和線路接口芯片都是基于ＡＴＭ技術(shù)的。而數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)主要以ＴＣＰ／ＩＰ為核心，因此，為了解決ＡＴＭ和ＴＣＰ／ＩＰ的融合問題，就需要在ＤＳＬＡＭ設(shè)備上提供ＡＴＭ到以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)換。但轉(zhuǎn)換過程中需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理，因此容易產(chǎn)生系統(tǒng)瓶頸，而上聯(lián)卡的設(shè)計(jì)就是為了解決在ＤＳＬＡＭ設(shè)備中的ＡＴＭ信元和以太網(wǎng)幀之間的高速轉(zhuǎn)發(fā)問題。本文提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)處理器ＩＸＰ１２００的上聯(lián)卡設(shè)計(jì)方案，并對(duì)該方案的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行了詳細(xì)分析。
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１ 網(wǎng)絡(luò)處理器ＩＸＰ１２００主要特性
網(wǎng)絡(luò)處理器是一種硬件可編程器件，通常是一種芯片，它是專門為處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包而設(shè)計(jì)的。通過對(duì)硬件架構(gòu)和指令集的優(yōu)化，該網(wǎng)絡(luò)處理器不但可提供線速處理數(shù)據(jù)包的高質(zhì)量硬件功能，同時(shí)還具備極大的系統(tǒng)靈活性。
ＩＸＰ１２００是英特爾公司生產(chǎn)的一款高檔網(wǎng)絡(luò)處理器，也是ＩＸＡ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）架構(gòu)的核心產(chǎn)品。ＩＸＰ１２００的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖１所示，它內(nèi)含１個(gè)主頻最高可達(dá)２３２ＭＨｚ的處理核心ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ、６個(gè)ＲＩＳＣ結(jié)構(gòu)的可編程微引擎（每個(gè)微引擎包含４個(gè)硬件線程）、６４位和最高１０４ＭＨｚ的ＩＸ Ｂｕｓ、３２位的ＳＲＡＭ接口單元（工作頻率為核心頻率的一半）、６４位的ＳＤＲＡＭ接口單元（工作頻率為核心頻率的一半）、３２位和最高６６ＭＨｚ的ＰＣＩ總線接口單元等。ＩＸＰ１２００通過ＦＢＩ接口單元和ＩＸ Ｂｕｓ相連接。另外還有一套集成開發(fā)環(huán)境，可用于對(duì)微引擎進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，它支持匯編和Ｃ編程語(yǔ)言。
（１）ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ Ｃｏｒｅ
通過ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ Ｃｏｒｅ可實(shí)現(xiàn)ＣＰＵ的主要功能，同時(shí)可啟動(dòng)系統(tǒng)、管理和控制對(duì)網(wǎng)絡(luò)處理器的其它單元、處理微引擎無法處理的數(shù)據(jù)包和一些異常狀況。
（２）微引擎
微引擎是可編程的３２－ｂｉｔ ＲＩＳＣ處理器，它的指令集是專門針對(duì)網(wǎng)絡(luò)和通信應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。通過對(duì)各個(gè)線程進(jìn)行編程，可單獨(dú)執(zhí)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)和處理，而無需ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ Ｃｏｒｅ干預(yù)，因而可減輕ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ Ｃｏｒｅ的負(fù)擔(dān)，特別適合高速數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)發(fā)。
（３）ＳＤＲＡＭ單元
ＳＤＲＡＭ單元可提供ＩＸＰ１２００與ＳＤＲＡＭ的接口，最大可支持２５６Ｍ字節(jié)的ＳＤＲＡＭ。雖然ＳＤＲＡＭ的訪問速度較慢，但存儲(chǔ)空間大，因而可用來存儲(chǔ)大容量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如數(shù)據(jù)包和路由表等），并可在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)存儲(chǔ)操作系統(tǒng)的代碼。
（４）ＳＲＡＭ單元
ＳＲＡＭ單元可為三種類型設(shè)備提供通用總線接口。這些設(shè)備包括最大可達(dá)８Ｍ字節(jié)的ＳＳＲＡＭ、復(fù)位后ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ Ｃｏｒｅ執(zhí)行代碼所在的ＦＬＡＳＨ或Ｅ-ＰＲＯＭ等、ＢＯＯＴＲＯＭ設(shè)備和其它慢速端口設(shè)備（如ＣＡＭ）、加密設(shè)備和ＭＡＣ或ＰＨＹ設(shè)備的控制狀態(tài)接口。ＳＲＡＭ訪問速度較快，但存儲(chǔ)空間小，主要用來存儲(chǔ)查找表和緩存描述符等需要快速訪問的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
（５）ＰＣＩ單元
ＰＣＩ單元用于提供與ＰＣＩ設(shè)備相連的接口，可用于下載操作系統(tǒng)和配置程序。
（６）ＦＢＩ單元
圖１中的哈希單元、ＩＸ總線接口和Ｓｃｒａｃｈｐａｄ內(nèi)存統(tǒng)稱為ＦＢＩ單元。ＩＸＰ１２００通過ＦＢＩ單元和ＩＸ Ｂｕｓ相連，來實(shí)現(xiàn)外設(shè)與ＩＸＰ１２００之間數(shù)據(jù)包的收發(fā)，以便使微引擎可以訪問這些數(shù)據(jù)包，并利用線程對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。實(shí)際上，ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ Ｃｏｒｅ也可以訪問這些數(shù)據(jù)包，并對(duì)其進(jìn)行異常處理或上層協(xié)議處理。
２ 以太網(wǎng)上聯(lián)卡的設(shè)計(jì)方案
以太網(wǎng)上聯(lián)卡的基本功能是實(shí)現(xiàn)ＡＴＭ信元和以太網(wǎng)幀之間的轉(zhuǎn)發(fā)，即從ＬＶＤＳ接口收到來自核心卡的ＡＴＭ信元流后，根據(jù)封裝協(xié)議（如ＲＦＣ１４８３橋接協(xié)議）轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)幀，然后建立相應(yīng)的ＭＡＣ地址與ＡＴＭ ＰＶＣ的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并通過以太網(wǎng)上聯(lián)口送往ＩＰ網(wǎng)絡(luò)；也可以從以太網(wǎng)上聯(lián)口接收來自ＩＰ網(wǎng)絡(luò)的以太網(wǎng)幀，然后根據(jù)
建立的ＭＡＣ地址與ＡＴＭ ＰＶＣ的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將其轉(zhuǎn)換成ＡＴＭ信元流，再通過ＬＶＤＳ接口送往核心卡。
在上聯(lián)卡中，ＡＴＭ信元和以太網(wǎng)幀之間的轉(zhuǎn)發(fā)是由網(wǎng)絡(luò)處理器中的微引擎完成的。要使以太網(wǎng)上聯(lián)卡不成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，微引擎必須能以線速來處理數(shù)據(jù)包（以太網(wǎng)幀或ＡＴＭ信元），即在下一個(gè)數(shù)據(jù)包到來以前，完成對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)包的處理。因此，每個(gè)數(shù)據(jù)包的最大允許處理時(shí)間應(yīng)小于數(shù)據(jù)包之間的間隔時(shí)間。
在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)以太網(wǎng)上聯(lián)卡具體功能的實(shí)現(xiàn)，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)處理器ＩＸＰ１２００所擁有的硬件資源來進(jìn)行合理的分配使用。這樣可以最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)性能，本設(shè)計(jì)中，以太網(wǎng)上聯(lián)卡需要實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接收處理、ＣＲＣ計(jì)算產(chǎn)生、ＡＴＭ發(fā)送處理、ＡＴＭ接收處理、ＣＲＣ校驗(yàn)、以太網(wǎng)發(fā)送等六個(gè)主要任務(wù)，而由于ＩＸＰ１２００剛好擁有六個(gè)微引擎，因此，將這六個(gè)單獨(dú)的任務(wù)分配在每個(gè)微引擎上，并在處理上將其搭建成多流水線結(jié)構(gòu)的程序架構(gòu)，可以取得很好的處理效果。圖２給出了網(wǎng)絡(luò)處理器ＩＸＰ１２００的六個(gè)微引擎的任務(wù)分配方案，該分配方案的整個(gè)處理流程可以分為兩個(gè)方向，一是上行方向，即ＡＴＭ到以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)映射，二是下行方向，即以太網(wǎng)到ＡＴＭ的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
在上行方向，ＡＴＭ接收引擎把收到的ＡＴＭ信元組裝成ＡＡＬ５ ＰＤＵｓ，并根據(jù)封裝協(xié)議轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)幀，同時(shí)建立相應(yīng)的ＭＡＣ地址與ＡＴＭ ＰＶＣ的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后送到ＣＲＣ－３２校驗(yàn)隊(duì)列。接下來由ＣＲＣ－３２校驗(yàn)引擎對(duì)隊(duì)列中的ＰＤＵｓ執(zhí)行ＣＲＣ校驗(yàn)并把ＰＤＵｓ送到以太網(wǎng)的發(fā)送隊(duì)列。而以太網(wǎng)發(fā)送引擎的任務(wù)則主要是把發(fā)送隊(duì)列中的以太網(wǎng)幀從以太網(wǎng)上聯(lián)口發(fā)送出去。
在下行方向，以太網(wǎng)接收引擎接收來自以太網(wǎng)上聯(lián)口的以太網(wǎng)幀，并將其封裝成ＡＡＬ５ ＰＤＵｓ后送到ＣＲＣ－３２產(chǎn)生隊(duì)列，同時(shí)根據(jù)建立的ＭＡＣ地址與ＡＴＭ ＰＶＣ的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行查找以得到ＡＴＭ信元頭部。接著由ＣＲＣ－３２產(chǎn)生引擎為隊(duì)列中的ＰＤＵｓ生成ＣＲＣ校驗(yàn)值，并把ＰＤＵｓ送到ＵＢＲ隊(duì)列。最后由ＡＴＭ發(fā)送引擎把ＰＤＵｓ分割（ｓｅｇｍｅｎｔ）成ＡＴＭ信元后，從ＡＴＭ端口發(fā)送出去。
３ 以太網(wǎng)上聯(lián)卡的硬件設(shè)計(jì)
圖３所示是以太網(wǎng)上聯(lián)卡的硬件電路，該硬件電路主要包括四個(gè)部分：以太網(wǎng)處理單元、ＩＸＰ１２００網(wǎng)絡(luò)處理單元、ＦＰＧＡ控制邏輯單元、ＡＴＭ及ＬＶＤＳ背板總線處理單元。
３．１ 以太網(wǎng)處理單元
以太網(wǎng)處理單元是上聯(lián)卡的上聯(lián)處理部分，用于連接路由器或者三層交換機(jī)等數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。該單元主要包括ＲＪ４５接口、變壓器隔離電路、ＬＸＴ９７６３以太網(wǎng)物理層芯片和ＩＸＦ４４０ ＭＡＣ層芯片。其中ＲＪ４５接口以及變壓器隔離電路是以太網(wǎng)處理接口的標(biāo)準(zhǔn)單元電路，ＬＸＴ９７６３主要完成８０２．３協(xié)議中描述的物理層功能，它主要通過ＭⅡ總線和ＩＸＦ４４０芯片相連接。ＩＸＦ４４０芯片主要完成８０２．３協(xié)議中描述的ＭＡＣ層功能，同時(shí)提供與網(wǎng)絡(luò)處理器的ＩＸ總線接口，實(shí)際上，該芯片是網(wǎng)絡(luò)處理器中ＩＸ總線的ＳＬＡＶＥ設(shè)備。
３．２ ＩＸＰ１２００網(wǎng)絡(luò)處理單元
ＩＸＰ１２００網(wǎng)絡(luò)處理單元是整個(gè)以太網(wǎng)上聯(lián)卡的核心，它主要通過ＩＸ總線與外部芯片進(jìn)行相連，是ＩＸ總線的ＭＡＳＴＥＲ設(shè)備，所有的處理軟件均運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)處理器中。
ＩＸＰ１２００網(wǎng)絡(luò)處理單元由網(wǎng)絡(luò)處理器ＩＸＰ１２００及外部芯片（如ＳＤＲＡＭ?ＳＲＡＭ?Ｆｌａｓｈ等）構(gòu)成。ＳＤＲＡＭ和ＳＲＡＭ單元是可共享的智能單元。其中ＳＤＲＡＭ單元可以被ＩＸＰ１２００的ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ內(nèi)核以及微引擎和ＰＣＩ總線上的設(shè)備直接訪問，這樣可以支持ＳＤＲＡＭ與微引擎或ＩＸ總線以及ＰＣＩ總線之間的快速移動(dòng)數(shù)據(jù)，而ＳＲＡＭ單元?jiǎng)t具有比ＳＤＲＡＭ單元更快的訪問時(shí)間，通�？梢杂脕泶鎯�(chǔ)需要快速查找的表格，以提高性能。
３．３ ＦＰＧＡ控制邏輯單元
由于在英特爾公司所提供的網(wǎng)絡(luò)處理器解決方案中，外部的數(shù)據(jù)接口是ＩＸ總線，該總線是英特爾提供的專有數(shù)據(jù)總線，而以太網(wǎng)上聯(lián)卡中所采用的ＡＴＭ芯片的外部接口為標(biāo)準(zhǔn)的ＵＴＯＰＩＡ總線。所以，為了實(shí)現(xiàn)芯片間的互聯(lián)，應(yīng)采用ＦＰＧＡ來完成ＩＸ總線和ＵＴＯＰＩＡ總線間的變換，即在ＩＸ總線端實(shí)現(xiàn)ＩＸ總線的ＳＬＡＶＥ接口，在ＡＴＭ端實(shí)現(xiàn)ＵＴＯＰＩＡ 總線的ＳＬＡＶＥ接口。通過該ＦＰＧＡ邏輯控制單元可為ＡＴＭ到以太幀的轉(zhuǎn)換提供物理層的控制功能。ＦＰＧＡ邏輯控制單元的實(shí)現(xiàn)對(duì)于完成以太網(wǎng)上聯(lián)卡的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。
３．４ ＡＴＭ與ＬＶＤＳ背板總線單元
該處理單元主要完成以太網(wǎng)上聯(lián)卡中的網(wǎng)絡(luò)處理器單元與背板ＡＴＭ的無縫連接。由于ＤＳＬＡＭ設(shè)備的設(shè)計(jì)核心是基于ＡＴＭ技術(shù)，為了將網(wǎng)絡(luò)處理器單元應(yīng)用在基于ＡＴＭ的ＤＳＬＡＭ設(shè)備中，必須采用該處理單元來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互連。
ＤＳＬＡＭ設(shè)備系統(tǒng)中的其它板卡主要用于完成ＡＴＭ交換以及ＡＤＳＬ設(shè)備的線路接口。而背板是基于ＬＶＤＳ總線的高速差分總線，它具有抗干擾能力。這對(duì)于高密度的ＤＳＬＡＭ設(shè)備來說是非常重要的。實(shí)際上，上聯(lián)卡就是通過ＡＴＭ的物理層芯片與高速ＬＶＤＳ總線進(jìn)行互聯(lián)，從而使該板卡無縫插接在系統(tǒng)之中。
以太網(wǎng)上聯(lián)卡的軟件主要運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)處理器ＩＸＰ１２００中。為了方便基于網(wǎng)絡(luò)處理器ＩＸＰ１２００的開發(fā)，英特爾公司特別推出了高度集成且具有強(qiáng)大開發(fā)能力的開發(fā)工具ＳＤＫ２．０。這個(gè)開發(fā)工具包中包含有ＩＸＰ１２００ Ｄｅｖｅｌｏｐｅｒ ＷｏｒｋＢｅｎｃｈ，是一個(gè)集成的開發(fā)工具，專門用來寫符號(hào)微碼，并且具有匯編器以及優(yōu)化設(shè)備，還提供了一個(gè)不需要硬件的ＩＸＰ１２００模擬器，可支持軟件模式下的仿真和調(diào)試，因而具備友好的用戶接口和調(diào)試環(huán)境。
網(wǎng)絡(luò)處理器ＩＸＰ１２００的軟件開發(fā)主要基于兩個(gè)層面，一個(gè)是高層軟件，通常指運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)處理器ＩＸＰ１２００ ＳｔｒｏｎｇＡｒｍ內(nèi)核上的管理軟件、路由協(xié)議軟件以及所有的系統(tǒng)所需任務(wù)，這部分軟件通常需要一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)，目前的開發(fā)主要基于Ｌｉｎｕｘ操作系統(tǒng)。另一個(gè)層面是底層軟件，這部分軟件主要運(yùn)行于六個(gè)微引擎之上，可用于完成包的快速處理，包括包的快速轉(zhuǎn)發(fā)和基本的二層協(xié)議處理等，這部分軟件采用微碼形式來完成，但應(yīng)特別注意軟件部分的代碼優(yōu)化，即用盡可能少的指令來完成處理。在網(wǎng)絡(luò)處理器ＩＸＰ１２００中，每個(gè)微引擎提供有２ｋ字大小的代碼存儲(chǔ)空間。此外，每個(gè)微引擎中也包含四個(gè)線程，這四個(gè)線程可構(gòu)成硬件多線程。由于微引擎內(nèi)部包含有大量的ＧＰＲ以及ＳＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ傳輸寄存器，因此，在采用微線程進(jìn)行相對(duì)尋址模式時(shí)，每個(gè)線程都具有自己特定的寄存器組，從而極大地加快了線程切換的速度。在ＩＸＰ１２００中進(jìn)行微碼設(shè)計(jì)有一個(gè)重要原則：即當(dāng)一個(gè)線程在等待資源時(shí)，應(yīng)將該線程切換出去，以讓其它線程占用微引擎的處理，這樣可進(jìn)行快速切換，以保證各個(gè)線程都能夠充分利用微引擎的處理機(jī)，而不會(huì)因?yàn)橐粋�(gè)在等待資源線程，造成處理器的浪費(fèi)。微碼的組織也是按照這一原則來進(jìn)行的。圖４所示是高層軟件的程序主流程圖。高層軟件的目的是完成整個(gè)硬件和軟件的初始化，同時(shí)將微碼程序加載到網(wǎng)絡(luò)處理器的六個(gè)微引擎中，并啟動(dòng)運(yùn)行。
底層軟件的微碼流程分為兩個(gè)部分，其任務(wù)分配和以上討論的六個(gè)微引擎的任務(wù)分配一致。它也分為兩個(gè)方向，即ＡＴＭ到以太網(wǎng)方向和以太網(wǎng)到ＡＴＭ方向。圖５所示是其微碼的軟件流程圖。
５ 結(jié)束語(yǔ)
本文介紹的基于網(wǎng)絡(luò)處理器ＩＸＰ１２００的以太網(wǎng)上聯(lián)卡，已經(jīng)成功應(yīng)用于ＤＳＬＡＭ設(shè)備中，并解決了ＤＳＬＡＭ設(shè)備與ＩＰ網(wǎng)絡(luò)的高速互聯(lián)問題。經(jīng)過測(cè)試?本卡性能良好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。
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