基于MPC8560的吉比特以太網接口設計(圖)

隨著網絡技術的發展，網絡通信控制器的應用已經越來越廣泛。集成powerpc微處理器的mpc8560 powerquicc ⅲ作為一個多用途、高性能的通信微處理器，具有非常靈活的一體化單元系統和外圍通信控制器，能被廣泛運用于通信和網絡系統，是目前為電信和網絡市場而設計的最先進的集成通信微處理器之一。它集成了豐富的網絡和通信外圍設備，提供了更大的靈活性、擴展能力和更高的集成度。

mpc8560簡介

mpc8560內部集成了兩個處理模塊：一個高性能嵌入式powerpc e500內核和一個通信處理模塊（cpm）。此外，該芯片還提供了片內緩存、ddr控制器、可編程中斷控制器、通用i/o口、dma和i2c等多種接口控制器。

與使用較多的mpc8260最大的不同是，mpc8560增加了兩個三速以太網控制器（three-speed ethernet controller，tsec），實現了10mb/s、100mb/s和1gb/s三種不同速度的以太網協議接口控制。本文將主要討論如何使用這兩個tsec實現吉比特以太網接口。

吉比特以太網物理層協議及接口

參考文獻上對于網絡協議的介紹往往局限于對協議分層的理論分析，對網絡協議尤其是吉比特以太網協議在實際應用中的接口討論較少，本文將對吉比特以太網協議在應用中的接口作總結性的介紹。

吉比特以太網協議的數據鏈路層與傳統的10/100mb/s以太網協議相同，但物理層有所不同。三種協議與osi七層模型的對應關系如圖1所示。

圖1 三種以太網協議與osi模型的對應關系

從圖1可以看出，吉比特以太網協議與10/100mb/s以太網協議的差別僅僅在于物理層。圖中的phy表示實現物理層協議的芯片；協調子層（reconciliation sublayer）用于實現指令轉換；mii（介質無關接口）／gmii（吉比特介質無關接口）是物理層芯片與實現上層協議的芯片的接口；mdi（介質相關接口）是物理層芯片與物理介質的接口；pcs、pma和pmd則分別表示實現物理層協議的各子層。在實際應用系統中，這些子層的操作細節將全部由phy芯片實現，只需對mii和mdi接口進行設計與操作即可。

吉比特以太網的物理層接口標準主要有四種：gmii、rgmii（reduced gmii）、tbi（ten-bit interface）和rtbi（reduced tbi）。gmii是標準的吉比特以太網接口，它位于mac層與物理層之間。對于tbi接口，圖1中pcs子層的功能將由mac層芯片實現，在降低phy芯片復雜度的同時，控制線也比gmii接口少。rgmii和rtbi兩種接口使每根數據線上的傳輸速率加倍，數據線數目減半。

由此可見，使用tbi接口來實現吉比特以太網接口所用的控制線和數據線比gmii接口少，因此設計與使用相對容易。雖然tbi接口比rtbi接口的數據線多，但是每根數據線上的傳輸速率可以低一倍，大大降低了pcb布板的難度。因此，相對其他方式，使用tbi接口實現起來最簡單，難度最低。此外，tbi接口的phy芯片比gmii接口的phy芯片成本低很多。對于同時提供gmii和tbi兩種接口的芯片，推薦使用tbi接口設計方案。

mpc8560與phy芯片的接口設計

mpc8560對四種不同的接口標準都提供了支持，本文僅討論tbi接口。

tlk2201芯片是支持tbi和rtbi兩種接口的單信道吉比特以太網絡收發器。它是業界第一批符合802.3規格的2.5v器件，無須任何外接電容，這可以節省電路板面積，減少零件的數目，從而降低產品的成本。此外，該芯片的功耗也相當低。

圖2 mpc8560與tlk2201的接口設計

mpc8560與tlk2201的連接如圖2所示。需要注意的是，td0～td9和rd0～rd9并不全是數據線。td8對應tx_er，作為發送出錯標志位；td9對應tx_en，作為發送使能位；rd8對應rx_dv，作為接收數據有效位；rd9對應rx_er，作為接收差錯檢測位。

此外還應注意到，圖中使用的是sfp（可插拔）光模塊，這是因為tlk2201只提供了光模塊吉比特以太網接口。

對tsec控制器的初始化

mpc8560對tsec控制器的初始化過程如下。只要按照順序逐一完成相應的步驟，即可正確配置tsec的吉比特網絡接口。

1. 設置maccfg1寄存器，對mac進行軟復位；
2. 清除maccfg1寄存器的軟復位；
3. 設置maccfg2寄存器，選擇tsec工作模式（如全雙工或半雙工、crc校驗是否使能等）；
4. 初始化寄存器ecntrl，設置接口為tbi標準；
5. 設置mac地址、物理地址；
6. 設置mii口的速率，使用mdio對phy進行初始化；
7. 清除并設置中斷相關的寄存器ievent和imask；
8. 設置hash表和hash寄存器；
9. 初始化接收控制寄存器rctrl；
10. 設置dma控制寄存器dmatrl；
11. 設置接收緩沖區大小；
12. 設置收發緩沖描述符（buffer descriptor，bd）；
13. 設置maccfg1中的收發使能位，完成tsec初始化。

在初始化tsec的過程中尤其要注意在設置寄存器后，控制器處于不穩定狀態，不能馬上執行下一步的操作，需要作一定的延遲等待。通常，可以讀取相應的狀態寄存器以判斷是否可以繼續下一步，也可以使用某些操作系統提供的定時延遲來完成，如vxworks中的taskdelay()。

測試及其結果

為了測試設計好的吉比特以太網接口的性能，將吉比特以太網接口與專門測試網絡接口性能的儀器smartbits相連。一個最為簡單的測試方法是使用smartbits發送數據包到mpc8560的吉比特以太網接口，mpc8560接到數據包后，將數據直接返還給smartbits。smartbits將會統計并顯示測試結果。

圖3 吉比特以太網接口測試結果

測試結果如圖3所示，傳輸速率（rates）可以達到1gb/s左右，而且還略有裕量。

為了測試吉比特以太網接口更為全面的性能，需要對不同大小的數據包、突發大量數據流等進行測試，限于篇幅，不再討論具體的測試細節。

設計中的注意事項

由于數據線上的傳輸速率相對較高，硬件部分的設計需要注意以下幾點。

• tbi接口每根數據線的傳輸速率是125mb/s，為了保證采樣與信號的同步，接收信號線rd0～rd9的長度和接收時鐘線rxclk必須等長。同理，發送信號線td0～td9的長度和發送時鐘線txclk也必須等長。
•  為了保證阻抗匹配，tbi接口所有信號線的阻抗必須控制在50ω