本文研究并設(shè)計了基于PCI/cPCI(Peripheral Component Interconnection/Compact PCI)(的高速媒體網(wǎng)關(guān)MGCMultimedia Gateway Controller)系統(tǒng)。本媒體網(wǎng)關(guān)能在E1／T１(2.048 Mbps)時分多工TDM(Time Division Multiplexｕ)多時槽(time slot)數(shù)據(jù)與100Mbps以太網(wǎng)的IP包之間進行高速數(shù)據(jù)交換。

在系統(tǒng)設(shè)計上，采用了軟硬件并發(fā)設(shè)計Codesign的思想。在設(shè)計硬件系統(tǒng)的同時，著手研究并設(shè)計相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。這樣，在硬件系統(tǒng)設(shè)計完成后，軟件系統(tǒng)也就基本就緒了。這樣做的好處是：加快了系統(tǒng)總體設(shè)計進度，減少了軟硬件的相互依賴。

１ 硬件系統(tǒng)設(shè)計

在硬件系統(tǒng)總體設(shè)計上，采用了自頂向下(Ｔop－down)設(shè)計技術(shù)。即先設(shè)計系統(tǒng)總體方案；然后將系統(tǒng)劃分成一個個功能模塊，再詳細設(shè)計各個子系統(tǒng)；將各功能模塊有機地連接起來做系統(tǒng)優(yōu)化。

本媒體網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)由九部分組成。MPC860TＴ處理器處于位置，其他幾部分圍繞ＣＰＵ展開。應(yīng)該指出的是，ＰＣＩ／ｃＰＣＩ子系統(tǒng)的ＰＣＩ總線控制器ＰＣＩ９０５４也能控制局部總線(ｌｏｃａｌ ｂｕｓ)。當ＰＣＩ９０５４從ＣＰＵ取得局部總線控制權(quán)后，處于地位，ＰＣＩ總線主控設(shè)備通過ＰＣＩ９０５４訪問本地資源。系統(tǒng)總體框圖如圖１所示。

１．１MPC860T處理器

ＭＰＣ８６０Ｔ處理器是媒體網(wǎng)關(guān)的部件。它是１９９９年由Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司推出的基于ＰｏｗｅｒＰＣ ＱＩＣＣＴＭ(Ｑｕａｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ)構(gòu)架的高性能通信處理器，其內(nèi)核為ＰｏｗｅｒＰＣ ＲＩＳＣ處理器。由于其超強的通信處理能力(６６ＭＨｚ的ＭＰＣ８６０Ｔ吞吐量為８７ＭＩＰＳ)及多協(xié)議處理能力(支持ＩＥＥＥ８０２．３、ＡＴＭ、ＡＴＭ ｏｖｅｒ Ｔ１／Ｅ１、ＴＤＭ、ＳＳ７、ｘＤＬＣ等)，ＭＰＣ８６０Ｔ系列ＣＰＵ廣泛應(yīng)用在高端通信領(lǐng)域。

ＭＰＣ８６０Ｔ是一個全靜態(tài)設(shè)計的ＲＩＳＣ處理器，具有３２位地址總線和３２位數(shù)據(jù)總線(支持動態(tài)的８、１６、３２位數(shù)據(jù)總線讀寫)。其有以下特點：
·四個串行通信口ＳＣＣ(Ｓｅｒｉａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ)，二個串行管理通道ＳＭＣ(Ｓｅｒｉａｌ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ)

·一個基于媒體獨立接口ＭＩＩ(Ｍｅｄｉａ－Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ)的快速以太網(wǎng)控制器ＦＥＣ(Ｆａｓｔ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ)

·雙向地址、數(shù)據(jù)和控制總線，支持總線仲裁。

上面只列出了與本媒體網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)緊密相關(guān)的MPC860T資源，更多的信息請參看文獻１～２。

１．２ 以太網(wǎng)接口設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計了兩個以太網(wǎng)口：基于ＭＩＩ的１０Ｍｂｐｓ／１００Ｍｂｐｓ自適應(yīng)快速以太網(wǎng)接口和基于ＳＣＣ的１０Ｍｂｐｓ以太網(wǎng)接口。ＦＥＣ固定使用ＭＰＣ８６０Ｔ的并行輸入輸出端口Ｐｏｒｔ Ｄ，所以ＳＣＣ不能使用這些引腳資源(同時也沒有并行端口ＰＤ)。因此，在ＭＰＣ８６０Ｔ資源的利用上要合理安排和綜合考慮。以太網(wǎng)接口電路如圖２所示。

１．３ 存儲器電路設(shè)計

MPC860T內(nèi)部存儲器管理單元ＭＭＵＭｅｍｏｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ和通用途線ＧＰＬＧｅｎｅｒａｌ－Ｐｕｒｐｏｓｅ Ｌｉｎｅ可以直接連到Ｆｌａｓｈ、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ和ＳＤＲＡＭ上。本系統(tǒng)設(shè)計了８ＭＢ(一個Ｉｎｔｅｌ ２８Ｆ６４０芯片；當使用Ｉｎｔｅｌ ２８Ｆ３２０和Ｉｎｔｅｌ ２８Ｆ１６０時，Ｆｌａｓｈ的容量分別為４ＭＢ和２ＭＢ；它們引腳兼容)的Ｆｌａｓｈ和１６ＭＢ的ＳＤＲＡＭ(多可擴展至３２ＭＢ)。

Ｆｌａｓｈ用于存儲嵌入式操作系統(tǒng)ＥＯＳＥｍｂｅｄｄｅｄ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ和一些重要的配置數(shù)據(jù)。由于ＭＰＣ８６０Ｔ的ＣＳ０信號是為選擇系統(tǒng)啟動地址用，故將它連到閃存上。

對于ＳＤＲＡＭ，情況要復(fù)雜一些。本系統(tǒng)設(shè)計了２組ＳＤＲＡＭ(每組為２片ＨＹ５７Ｖ６５１６２０Ｂ)，它們分別受ＣＳ１和ＣＳ２控制。ＳＤＲＡＭ在地址信號上采用分次傳送行地址和列地址的方式，因此用２片ＨＹ５７Ｖ６５１６２０ＢHY57V651620B(１２×８結(jié)構(gòu)；內(nèi)有４個Ｂａｎｋ)實現(xiàn)１６ＭＢ內(nèi)存時，ＭＰＣ８６０Ｔ先送出行地址Ａ１８～Ａ２９，再送出列地址Ａ１０～Ａ１７(這些信號不直接連到ＳＤＲＡＭ上，在ＭＰＣ８６０ＴMPC860T內(nèi)部實現(xiàn))。由于ＳＤＲＡＭ芯片內(nèi)部的四個內(nèi)存組需要另外兩個地址信號Ａ８～Ａ９，因此總的地址信號為Ａ８～Ａ２９(ＭＰＣ８６０Ｔ的地址位為Ａ３１；數(shù)據(jù)位為Ｄ３１)。

１．４ 時分多工(TDM)電路

本系統(tǒng)設(shè)計的時分多工數(shù)據(jù)交換由ＭＴ８９Ｌ８０MT89L80和ＭＴ９０８２３MT90823實現(xiàn)。這兩個芯片都是Ｚａｒｌｉｎｋｓ公司生產(chǎn)的ＴＤＭ芯片，它們的作用完全一樣。使用兩個芯片是系統(tǒng)設(shè)計上的技巧。當其中一個芯片不可獲得時，啟用另外一個芯片。因此在實際安裝時，只使用其中一個(它們的交換容量不一樣)。電路如圖３所示。

按照Ｈ１１０總線規(guī)范，從Ｈ１１０連接器到交換單元之間必須有隔離電路。這一點容易被忽略。另外，本地時鐘要求與網(wǎng)絡(luò)參考信號同步。

１．５ PCI/cPCI電路

這部分電路是媒體網(wǎng)關(guān)的關(guān)鍵電路。媒體網(wǎng)關(guān)通過PCI/cPCI接口(與ＰＣＩ２．２規(guī)范兼容)電路與主機或其它PCI/cPCI功能模塊進行快速的數(shù)據(jù)交換，電路如圖４所示。 PCI/cPCI電路在設(shè)計上比較復(fù)雜，調(diào)試起來也很費力(需要驅(qū)動程序的支持)。下面對其設(shè)計要點作分析：

(１)設(shè)計的可重用性。由于ＰＣＩ與ｃＰＣＩ在信號上是完全兼容的(但在物理尺寸及信號排列上各不相同)，所以在原理圖設(shè)計時，這兩者"同時存在"。但在實際的ＰＣＢ版圖設(shè)計，根據(jù)需要只選擇其中一個。

(２)熱插拔功能。該功能使媒體網(wǎng)關(guān)可以隨時拔下來更換或做測試。這對系統(tǒng)的調(diào)試非常方便。熱插拔需要預(yù)充電、電源檢測和電源軟切換等支持；

(３)防電磁波反射及預(yù)充電電阻網(wǎng)絡(luò)。由于ＰＣＩ總線工作在高頻狀態(tài)下(３３ＭＨｚ)，因此ｃＰＣＩ引腳到ＰＣＩ橋之間必須串接１００Ω左右的電阻。在ＰＣＩ／ｃＰＣＩ的電源引腳端，至少要有一個交流回路(對地并聯(lián)一個去耦電容)。預(yù)充電電阻網(wǎng)絡(luò)為ＰＣＩ橋芯片提供一個從靜態(tài)到正常工作的緩沖過程。 ２ 軟件系統(tǒng)設(shè)計精要
軟件系統(tǒng)包括：對嵌入式操作系統(tǒng)ＥＯＳ(Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ)的裁剪以適合嵌入式應(yīng)用、ＰＣＭＣＩＡ驅(qū)動程序的設(shè)計、ＰＣＩ驅(qū)動程序及應(yīng)用程序的設(shè)計、ＴＤＭ驅(qū)動程序及應(yīng)用程序的設(shè)計等。

驅(qū)動程序是應(yīng)用程序與軟件進行數(shù)據(jù)交換的媒介，是操作系統(tǒng)(這里指主機ＯＳ而不是媒體網(wǎng)關(guān)的ＥＯＳ)的信任部分，其好壞及性能將直接影響到ＯＳ的穩(wěn)定性及性能。圖５表明了應(yīng)用程序、驅(qū)動程序與ＯＳ之間的關(guān)系。

在設(shè)計驅(qū)動程序時，首先利用ＫｅｒｎｅｌＤｒｉｖｅｒ５．０的驅(qū)動程序設(shè)計向?qū)瓿沈?qū)動程序源代碼的設(shè)計(含安裝信息文件．ｉｎｆ)；然后調(diào)用Ｃ／Ｃ＋＋語言工具(如微軟的Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋ ６．０)設(shè)計、修改和編譯上述源程序以生成系統(tǒng)文件(．ｓｙｓ)。同時，安裝信息文件也必須編寫和修改以使其中的信息與實際的安裝程序一致。編譯后的驅(qū)動程序還必須經(jīng)安裝測試以證實其安全性、穩(wěn)定性和可靠性。
驅(qū)動程序設(shè)計完成后還必須設(shè)計相應(yīng)的應(yīng)用程序以調(diào)用該驅(qū)動程序。這一點相對比較簡單。

３ 系統(tǒng)設(shè)計中的一些關(guān)鍵問題

在硬件上，主要有四個問題：ＳＤＲＡＭ地址信號的連接；ＰＣＩ上的Ｐｒｅｓｅｎｔ１和Ｐｒｅｓｅｎｔ２信號至少要有一個接地；必須安裝防電磁波反射電阻；ＰＣＩ９０５４的Ｅ２ＰＲＯＭ必須安裝并正確配置。第１、３問題在硬件系統(tǒng)設(shè)計部分已討論過；第２個問題決定系統(tǒng)板的電源功耗，如果兩個信號都是"１"，則表示ＰＣＩ卡沒有正確插入到ＰＣＩ槽中；第４個問題中，Ｅ２ＰＲＯＭ至少要配置成ＰＣＩ９０５４的默認工作方式(可以通過ＷｉｎＤｒｉｖｅｒ等工具做實時修改)。 在軟件設(shè)計上，主要有兩個問題：安裝信息文件必須修改及驅(qū)動程序的分發(fā)。當分層式驅(qū)動程序安裝編譯并測試完成后需要在沒有ＷｉｎＤｒｉｖｅｒ軟件環(huán)境下安裝和使用時，必須在目標機器上注冊ＷｉｎＤｒｉｖｅｒ插件以使安裝程序能正確運行(如：ＷＤＲＥＧ ＩＮＳＴＡＬＬ)。

本文在充分利用ＭＰＣ８６０ＴMPC860T資源的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種基于ＰＣＩ／ｃＰＣＩ的媒體網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。該系統(tǒng)運行良好，總體性能優(yōu)越。經(jīng)適當?shù)恼{(diào)整和修改，該設(shè)計也可以應(yīng)用于基于ＭＰＣ８６０系列ＣＰＵ的系統(tǒng)。