EPON系統中ONU的設計

千兆以太網無源光網絡（EPON）是一種點到多點拓撲結構的光接入網技術、采用無源光器件連接局端和遠端設備，實現以太網業務的透明傳輸，并能在同一架構中實現語音、視頻等綜合業務的接入。EPON作為新興接入網技術的突出優勢在于低成本、易維護和擴展性好。EPON系統由OLT與ONU構成。

ONU硬件系統設計

系統硬件由嵌入式控制模塊和網絡交換模塊兩部分構成。嵌入式控制模塊是ONU的控制和管理核心，它為嵌入式Linux操作系統的運行提供硬件平臺，通過它來實現對網絡交換模塊的控制與配置，實現網絡交換模塊的正常運行。網絡交換模塊提供以太幀的交換與轉發功能，嵌入式控制模塊通過PCI總線與網絡交換模塊進行通信，訪問網絡交換模塊內部各芯片的寄存器，對各芯片進行配置并獲取各個芯片的狀態信息。網絡交換模塊內部的交換芯片BCM5615將嵌入式控制模塊對它的訪問，轉換為自己對網絡交換模塊內部各芯片的訪問，這樣就實現了嵌入式控制模塊對網絡交換模塊內部各芯片的管理。

嵌入式控制模塊接口設計

嵌入式處理器MPC8245簡介

MPC8245由一個外設邏輯塊和一個32位超標量體系結構PowerPC處理器內核構成。在外設邏輯塊中集成了一個PCI橋、DUART、內存控制器、DMA控制器、EPIC中斷控制器、一個消息單元和一個I2C控制器。處理器內核支持浮點運算和內存管理，具有16KB指令高速緩存（cache），16KB數據cache和電源管理特性，MPC8245內含一個外設邏輯總線，用于連接處理器內核和外設邏輯塊。處理器內核可在多種不同的頻率下工作。MPC8245既可以用作PCI host，也可用作PCI代理控制器。支持多達2GB的SDRAM；支持1－8組的4MB、16MB、64MB，128MB，或256MB存儲器。

時鐘電路

MTC8245輸入時鐘由33MHz的晶振通過零延時緩沖器產生四路時鐘信號，一路作為MPC8245的PCI總線時鐘和內核的輸入時鐘，系統時鐘信號OSC_IN未用，需要接地。MPC8245的引腳PLL_CFG[0：4]用于配置倍頻因子，經過內部倍頻器，產生SDRAM時鐘和166MHz的CPU內核時鐘。一路作為BTL8139的PCI總線時鐘，一路作為BCM5615的PCI總線時鐘。

PCI總線接口

PCI總線工作在33MHz，設計中保證PCI時鐘的時鐘相位偏移小于2ns，否則，系統可能無法正常工作。MPC8245作為PCI主處理器，RTL8139和BCM5615的REQ＃、GNT＃分別連到MPC8245的REQ[0：1]＃、GNT[0：1]＃，由MPC8245來實現總線的仲裁。利用地址線AD31、AD30來決定RTL8139、BCM5615的IDSEL，實現PCI總線配置訪問時對RTL8139、BCM5615的片選。這種方法會使AD31，AD30線上增加一個負載，因此將它們的IDSEL通過1KΩ電阻耦合到AD31、AD30上來解決負載加重的問題。PCI總線的控制信號都要求有上拉電阻，保證它們在沒有驅動設備驅動總線的情況下仍然具有穩定的值。因而FRAME＃、TRDY＃、IRDY＃、DEVSEL＃、STOP＃、SERR＃和PERR＃這些信號使用10KΩ電阻上拉。

Flash

在MPC8245中，ROM/Flash被分為2個BANK，BANK0的地址為0xFF800000－0xFFFFFFFF，片選為/RCS0，RCS0接存儲代碼的存儲器片選；BANK1的地址為0xFF000000－0xFF7FFFFF，片選為/RCS1。ROM/Flash/SRAM工作在不同的數據寬度（8位，16位，32位，64位）地址總線下，復位時，MPC8245的引腳MDL0、FOE決定啟動數據位寬度；復位后，硬件復位配置字決定數據的寬度。

本設計中選擇512KB的Flash作為Bootloader代碼存儲器，系統工作在8位模式。對應的地址為0xFF800000－0xFF87FFFF。選用兩片AM29LV320B分別作為Bootloader/Linux內核和文件存儲器，AM29LV320B是32Mb、單3.3V電源供電的閃存，編程和擦寫電壓由內部產生，與JEDEC單電源閃存標準兼容；可組成4M×8Bit或2M×16Bit的存儲器。可用標準EPROM編程器進行編程；存取時間最短為70ns；獨立的片選（CE＃）、寫使能（WE＃）和輸出使能（OE＃）控制，可減小對總線的壓力。片選RCS1、RCS2分別選擇兩片Flash，RCS1選中的Flash對應的地址為0xFF000000－0xFF3FFFFF，RCS2選中的Flash地址由編程決定。

跳線J1用來將RCS0接到Flash1，RCS1接到Flash0，這樣在Bootloader代碼運行后，將Bootloader代碼、Linux內核代碼都燒到Flash1，節約一片512KB的Flash，同時留下RCS2、RCS3片選信號，留作以后擴展Flash用。

SDRAM

32MB的SDRAM由兩片HY57V283220T組成。MPC8245的SDRAM接口使用一個片選信號CS1，同時作為兩片HY57V283220T的片選，構成64位數據的SDRAM。HY57V283220T是4 Bank×1M×32Bit的CMOS SDRAM，單3.3±0.3V電源供電，所有引腳與LVTTL接口兼容，所有輸入和輸出都以系統時鐘的上升沿為參考。

CONSOLE和EMS接口電路

串行通信通過MAX232芯片實現，工作在3.3V工作電壓，它的體積比較小，工作穩定。通過串口可實現對ONU的網絡管理。使用常用的PHY芯片RTL8139擴展一個10Mbps網口，使得在Bootloader代碼引導系統后，通過該網口下載Linux內核代碼，系統運行后通過該網口對ONU進行WEB管理。

交換模塊接口設計

以太網交換模塊由1個BCM5615交換芯片，3個BCM5228B PHY芯片，1個BCM5221PHY芯片、1個HDMP－1636A千兆SERDES和SDRAM芯片組成。該模塊提供1個千兆光口（1000BASE－ LX），25個百兆光口（100BASE－FX），是實現ONU功能的核心部分。一個千兆口作為PON的接受端口，接收OLT廣播發送的數據包；另一個千兆口連接成百兆口，作為PON的發送端口，向OLT發送數據，該端口發射的是特殊波長的光，通過特殊的交換機制來實現ONU與OLT的連接。

BCM5615芯片簡介

BCM5615是集成多層交換芯片，是以太網交換模塊的核心。它具有24個10/100Mbps和2個10/100/1000Mps以太網口，具有2層和3層交換和2－7層過濾功能；可實現全線速交換，交換速率達670萬包/秒；支持IEEE 802.1Q.D；具有256KB的內部數據包存儲器，可以用SDRAM擴展64MB外部數據包存儲器。

本設計選用3片BCM228B來提供24個PHY端口。BCM5228B是物理層器件，單片內包含8個獨立的PHY（端口）。BCM5615通過串行MII管理接口管理3個BCM5228B芯片的24個PHY端口，系統對BCM5228B的訪問就是通過轉化為BCM5615的串行MII管理接口上的操作來實現的。BCM5228B每個PHY端口的管理地址由PHYADD[4：：0]引腳設置，若BCM5228B的PHYADD[4：：0]為PHYAD，則每片8個端口對應的管理地址分別為ADDR＝PHYAD＋PORTX，PORTX為每個PHY端口的編號。

時鐘電路

BCM5615的芯核時鐘由133MHz的晶振產生，設計PCB時，應盡量靠近BCM5615的時鐘輸入引腳，BCM5615的GMII時鐘與MII時鐘均為125MHz，由125MHz的晶振通過74LCX245緩沖后產生四路125MHz的時鐘源，輸入到BCM5615的GMII_CLKIN引腳和3片BCM5228的REF_CLK引腳。注意連接到BCM5228B的時鐘線應該等長，不管千兆口是否使用，GMII_CLKIN的時鐘都必須提供。

系統復位電路

系統復位電路采用IMP811復位芯片，通過74LCX245緩沖后產生多路復位信號，分別接到各個芯片的復位引腳。為了可靠復位，要求復位信號的上升沿不能有振蕩現象發生。

系統軟件設計

本文選擇Linux作為操作系統，使用Broadcom公司提供的軟件開發包SDK開發BCM5615的驅動程序。PPCBOOT是獨立于其他軟件的，它只負責初始化并配置有關硬件，然后調用Linux內核映像引導操作系統運行，其他軟件分為用戶空間程序和內核空間程序兩大部分。在內核空間運行嵌入式Linux操作系統、BCM5615驅動程序、RTL8139網口驅動程序，實現STP的STP內核模塊、為方便整個軟件系統設計和實現而采用的虛擬設備VND和VCD。它們之間的接口關系是：Linux提供內核API給BCM5615驅動和其他Linux可動態加載內核模塊，如STP、VND、VCD、RTL8139網卡驅動等。

ASIC驅動

ASIC驅動主要是完成對BCM5615的初始化和配置工作，并為上層服務提供接口。其中SAL層的目的就是把操作系統所提供的各種服務映射為驅動程序本身的API。第二層即中間層，也可說是整個驅動程序的核心層，它建立在SAL之上，其設計目標主要是提供底層寄存器和存儲器的訪問，PCI總線操作，DMA操作以及中斷處理函數等，驅動程序的頂層是API層，它建立在DRV層之上，是對DRV有關部分的封裝，從而為上層的其他軟件模塊提供各種服務，其他模塊通過調用這一層的函數來訪問和控制ASIC。ASIC驅動提供的API對用戶進程來說是無法直接調用的，因此本文設計了一個虛擬的字符設備（TTY），并編寫其驅動程序、同時在/dev目錄下用mknod命令建立相對應的字符設備文件。

對操作系統來說，BCM5615的26個端口對應于一個物理PCI設備，即ASIC，它們共享一個PCI通道和地址空間，這給那些與網絡設備緊密相關的軟件帶來不少麻煩，因而可以把26個端口設計成26個虛擬網絡設備（VND）并編寫其驅動程序。因此，SNMPD和生成樹協議軟件所看到的是26個虛擬網卡，和普通的網卡并無區別。

結語

本文采用波分多址（WDMA）實現的EPON系統，與同類產品相比較，有實現簡單、性能好、易于升級、系統造價低的優勢，已經在寬帶接入網中獲得重要應用。