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MPC8250處理器及其在寬帶接入中的應(yīng)用
摘要：MPC8250是Motorola公司推出的高性能32位嵌入式微處理器MPC82XX系列中的一種，本文介紹MPC8250的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，并與MPC860的特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，在此基礎(chǔ)之上分析MPC8250應(yīng)用于寬帶接入產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)所在。最后提出一種充分利用MPC8250優(yōu)點(diǎn)的接入路由器硬件設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵詞：嵌入式處理器 MPC8250 接入路由器
1 MPC8250簡(jiǎn)介
MPC8250是Motorla公司在嵌入式徽順MPC860基礎(chǔ)之上推出的MPC82XX系列微處理器中的一種。MPC82XX系列保留了MPC860的嵌入式PowerPC內(nèi)核和通信處理模塊CPM并存的體系結(jié)構(gòu)，同時(shí)進(jìn)一步提高了工作頻率、集成了更多的外圍器件、提供了豐富的總線接口。其中，MPC8250沒有集成在一數(shù)據(jù)通信設(shè)備中不常使用、而且較為昂貴的ATM處理模塊，進(jìn)一步降低了成本。MPC8250的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基于PowerQUICC結(jié)構(gòu)，主要由PowerPC內(nèi)核、系統(tǒng)接口單元SIU、通信處理單元CPM構(gòu)成。它支持60x總線，其數(shù)據(jù)線為64位，地址線為32位；支持PCI/LOCAL總線，其數(shù)據(jù)線為32位，地址線為32位。內(nèi)核工作時(shí)鐘最高300MHz，CPU工作時(shí)鐘最高200MHz。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。
①PowerPC內(nèi)核：完成中央處理器的功能，執(zhí)行高層程序偌，它與SIU和CPM通過獨(dú)立的指令Cache和數(shù)據(jù)Cache通信，通過MMU對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行管理。
②系統(tǒng)接口單元SIU：包括CPU的復(fù)位、中斷控制器、時(shí)鐘配置等功能。內(nèi)部包括60x總線控制器、PCI/LOCAL總線到60x總線的橋接器、存儲(chǔ)器控制器、時(shí)鐘控制器等。MPC8250的存儲(chǔ)控制器部分集成了SDRAM控制器，通過設(shè)置寄存器即可完成與SDRAM的接口配置，與MPC860配置UPM表的方式相比，極大地降低了開發(fā)的復(fù)雜度。
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③通信處理單元CPU：CPM可與內(nèi)核并行工作，處理通信控制中的底層任務(wù)。內(nèi)部包括32位RISC通信控制器、DMA通道、用于內(nèi)部交換數(shù)據(jù)的32KB雙口RAM、中斷控制器、波特率發(fā)生器、計(jì)數(shù)器等。CPM部分還集成了4個(gè)時(shí)分復(fù)用TDM接口、3個(gè)媒體無關(guān)接口MII和非時(shí)分復(fù)用串行接口NMSI三種物理層接口，它們之間的選擇由串行接口SI模塊控制。CPM部分最主要的功能模塊是它所集成的大量可同時(shí)使用的通信控制單元，包括：
*1個(gè)多通道通信控制器MCC，可工作于HDLC模式，物理層接口為TDM方式，最多可以同時(shí)與4個(gè)TDM接口相連；
*3個(gè)快速通信控制器FCC，可工作于HDLC、10M/100Mbit/s以太網(wǎng)和透明模式，物理層接口為TDM或MII方式，當(dāng)物理層工作于TDM方式時(shí)，最高可以支持T3/E3速率；
*4個(gè)串行通信控制器SCC，可工作于HDLC、UART、同步UART、BISYNC、10Mbit/s以太網(wǎng)、AppleTalk、透明模式，物理層接口為TDM或NMSI方式；
*2個(gè)串行管理控制器SMC，可工作于UART或透明方式，物理層接口為TDM或NMSI方式；
*1個(gè)I2C控制器；
*1個(gè)SPI控制器。
2 MPC8250與MPC860的對(duì)比
現(xiàn)有的很多寬帶接入產(chǎn)品多是以Motorola公司的PowerQUICC系列CPU MPC860為核心構(gòu)建的。與MPC8250相比，除了通信控制單元類型不夠豐富、存儲(chǔ)控制器的UPM方式開發(fā)難度高等缺點(diǎn)之外，另一個(gè)顯著的劣熱是工作時(shí)鐘頻率低。這不僅制約了系統(tǒng)的處理能力，也增加了軟件開發(fā)的難度。表1簡(jiǎn)要對(duì)比了MPC8250與MPC860的特點(diǎn)。
表1 MPC8250與MPC860的對(duì)比
3 MPC8250在寬帶接入中的應(yīng)用
在目前的寬寬帶接入中，一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是硬件接口和協(xié)議類型均呈現(xiàn)出多樣化、復(fù)雜化的特征，這就對(duì)寬帶接入產(chǎn)品提出了更高的要求。一方面，要在面積有限的電路板上支持更多類型的接口；另一方面，要處理更多、更復(fù)雜的通信協(xié)議。以寬帶執(zhí)著入中常見的接入路由器為例，一般需要提供以下功能：
①對(duì)內(nèi)提供2個(gè)100Mbit/s以太網(wǎng)接口；
②對(duì)外應(yīng)提供各種類型的廣域網(wǎng)接口模塊；
③支持PPP、PPPoE、LAPB等鏈路層協(xié)議；
④支持IP、IPX等網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議；
⑤支持RIP、OSPF、BGP等路由協(xié)議；
④支持組插、安全管理、VPN等機(jī)制。
可見，接入路由器以及類似的家庭網(wǎng)關(guān)、寬帶接入集線路等設(shè)備的特點(diǎn)是不僅硬件接口多；而且由于協(xié)議眾多，需要處理器具有相當(dāng)?shù)奶幚砟芰Α?/p>
MPC8250本身即可通過內(nèi)部集成的FCC支持3個(gè)100Mbit/s以太網(wǎng)接口或E1/E3接口，內(nèi)部還集成了PCI總線控制器，因此可以減少使用外圍擴(kuò)展芯片；而且被減少的外圍擴(kuò)展芯片：PCI橋芯片和100Mbit/s以太網(wǎng)MAC芯片是硬件設(shè)計(jì)使用外擴(kuò)芯片中引腳較多、接口較復(fù)雜的芯片。同時(shí)MPC8250還提供了4個(gè)SCC，可用于提供數(shù)據(jù)速率較低的通信接口，如10Mbit/s以太網(wǎng)接口、E1接口、ISDN PRI/BRI接口、X.25接口等。此外，MPC8250內(nèi)核的工作時(shí)鐘和CPM工作時(shí)鐘均達(dá)到了百M(fèi)Hz級(jí)別。可見，將MPC8250用于寬帶接入產(chǎn)品的設(shè)計(jì)可以充分利用MPC8250的優(yōu)點(diǎn)，提供更為強(qiáng)大的處理能力，并在提高硬件集成度、降低軟件開發(fā)難度的同時(shí)降低硬件成本。
4 基于MPC8250的接入路由器設(shè)計(jì)
根據(jù)上文對(duì)接入路由器的功能分析，接入器由器的硬件主要由中央處理器、廣域網(wǎng)接口模塊、局域網(wǎng)（以太網(wǎng)）接口模塊、維護(hù)、調(diào)試接口模塊、內(nèi)存SDRAM、引導(dǎo)Flash等同部分構(gòu)成。其中：MPC8250可通過內(nèi)部集成的FCC支持2個(gè)100Mbit/s以太網(wǎng)接口，由于FCC支持標(biāo)準(zhǔn)的MII接口，因此可以直接與以太網(wǎng)的物理層收發(fā)器相連接；MPC8250內(nèi)部集成了PCI總線控制器，可以用于提供與加密模塊的接口；同時(shí)MPC8250仍然保留了4個(gè)SCC，可用于提供廣域網(wǎng)接口；由于內(nèi)部的SMC不提供Modem控制信號(hào)，因此為了支持遠(yuǎn)程撥號(hào)維護(hù)，擴(kuò)串口控制芯片；此外，SDRAM、Flash、Bootrom、NVRAM等器件均通過60x總線與MPC8250連接�；贛PC8250的接入路由器內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
除MPC8250外各模塊設(shè)計(jì)說明如下：
①總線驅(qū)動(dòng)：由于MPC8250的總線驅(qū)動(dòng)能力有限，而60x總線上器件較多，除SDRAM與MPC8250直接相連外，其它器件與MPC8250的物理距離均較遠(yuǎn)，因此采用74LVC245提供數(shù)據(jù)總線的驅(qū)動(dòng)，采用74LVTH244提供地址總線的驅(qū)動(dòng)，采用74LVTH244為走線較長(zhǎng)的總線控制信號(hào)（部分片選、R/W、OE等）提供總線驅(qū)動(dòng)。
②廣域網(wǎng)接口卡：主要完成電平轉(zhuǎn)換功能，以PCMCIA插卡的形式提供。其中SCC1、SCC2對(duì)應(yīng)插卡1，SCC3、SCC4對(duì)應(yīng)插卡2，插卡可以是多協(xié)議串口卡、ISDN PRI接口卡、E1接口卡等。如果是多協(xié)議串口卡則一塊插卡提供兩路廣域網(wǎng)接口，即SCC1、SCC2通過插卡1分別對(duì)應(yīng)一路廣域網(wǎng)接口。此時(shí)SCC1、SCC2的物理層接口均應(yīng)工作在NMSI方式；如果是ISDN PRI或E1/T1接口卡則一塊插卡提供一路擴(kuò)域網(wǎng)接口，此時(shí)SCC1、SCC2的物理層接口均應(yīng)工作在TDM方式。
③網(wǎng)絡(luò)加密模塊：以PMC插卡形式提供，提供用于VPN的加密/解密功能。
④以太網(wǎng)物理層接口芯片：完成以太網(wǎng)線路側(cè)與以太網(wǎng)MAC收發(fā)器之間的電平轉(zhuǎn)換、保護(hù)等功能，遵循與MAC層之間的MII接口規(guī)范，與MPC8250的FCC通過MII接口直接相連。
⑤串口通信芯片：由于MPC8250內(nèi)部SMC接口的UART方式?jīng)]有Modem控制信號(hào)，無法支持遠(yuǎn)程撥號(hào)連接，因此，需要擴(kuò)展串口通信芯片，使用雙路UART收發(fā)器實(shí)現(xiàn)。常見的雙路UART收發(fā)器均支持硬件流控，內(nèi)部帶有FIFO的緩存，支持DMA方式。兩路UART中：一路用做本地維護(hù)串口同時(shí)在開發(fā)過程中用做調(diào)試串口；一路用做遠(yuǎn)程維護(hù)串口。串口通信芯片與MPC8250以60x總線相連。
⑥SDRAM：用于存放用戶的數(shù)據(jù)和代碼，為程序的運(yùn)行和保存臨時(shí)文件提供空間。采用商用的168引腳的64/128Mbyte內(nèi)存條，與MPC8259以60x總線相連。數(shù)據(jù)寬度為64位。MPC825提供了SDRAM控制器，與MPC860的UPM表編程相比，只需進(jìn)行寄存器的設(shè)置，降低了開發(fā)的難度。
⑦Flash:用于存儲(chǔ)操作系統(tǒng)內(nèi)核、文件系統(tǒng)映像和用戶程序文件。與MPC8250以60x總線相連，設(shè)計(jì)為類似SDRAM內(nèi)存條的Flash插卡形式，可支持8/16/32MB不同大小的Flash插卡。數(shù)據(jù)寬度為32位。
⑧Bootrom:存儲(chǔ)操作系統(tǒng)內(nèi)的引導(dǎo)程序與MPC8250以60x總線相連。Bootrom實(shí)際上也是一塊Flash芯片，大小為512KB，數(shù)據(jù)寬度為8位。
⑨NVRAM：保存系統(tǒng)和用戶的配置文件，與MPC8250以60x總線相連，大小為64/128KB。
⑩EPLD：給出必須的邏輯控制信號(hào)、時(shí)序調(diào)整信號(hào)、譯碼片選信號(hào)等，要用Altera、Xilinx等公司的產(chǎn)品。
5 MPC8250與Flash的接口設(shè)計(jì)
在接入路由器的設(shè)計(jì)中，要求兼容8/16/32MB不同大小的Flash插卡，即在驅(qū)動(dòng)程序中應(yīng)能檢測(cè)出不同大小的Flash插卡，而Flash插槽的數(shù)據(jù)總線寬度為32位。因此使用4片16位的Flash，以存儲(chǔ)器擴(kuò)展的方式完成MPC8250與Flash的接口設(shè)計(jì)，如圖3所示。
Chip1、Chip3、Chip2、Chip4為4片F(xiàn)lash芯片。其中Chip1與Chip3、Chip2與Chip4分別對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)線的低16位和高16位，Chip1與Chip2、Chip3與Chip4分別構(gòu)成2個(gè)存儲(chǔ)器Bank，對(duì)應(yīng)MPC8250的2個(gè)片選CS3和CS4。由于構(gòu)成的是32位Flash插卡，最大32MB，因此使用MPC8250的地址線A[8～29]與Flash插槽的A[21～0]相連，假設(shè)Flash的地址空間為0xF0000000～0xf1ffffff，那么當(dāng)分別使用8/16/32MB大小的Flash插卡時(shí)，以INTEL的28F系列Flash為例，每個(gè)存儲(chǔ)器Bank的地址空間分配如表2所列。
表2 Flash地址空間的分配
在驅(qū)動(dòng)程序的初始化過程中，可分別在2個(gè)存儲(chǔ)器Bank的起始地址0xf0000000和0xf1000000處讀取芯片的制造商標(biāo)識(shí)和芯片標(biāo)識(shí)，以此確定所使用的Flash芯片，從而確定Flash插卡的大小，然后即可按上表確定的地址空間使用Flash，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)Flash插卡大小的自動(dòng)檢測(cè)。而且如果在某一個(gè)存儲(chǔ)器Bank的高/低16位讀出了不合法的制造商標(biāo)識(shí)或芯片標(biāo)識(shí)，即可認(rèn)為此芯片異常，在開機(jī)自檢時(shí)報(bào)告。
結(jié)語
從以上的設(shè)計(jì)不難看出，MPC8250用于寬帶接入產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：
芯片數(shù)量少，芯片間接口少，前期設(shè)計(jì)和后續(xù)開發(fā)的復(fù)雜度低；
芯片數(shù)量減少降低了硬件成本；
MPC8250的工作時(shí)鐘最高達(dá)到300MHz，處理機(jī)能力顯著提高。
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