基于MPC8560微控制器的吉比特以太網(wǎng)物理層協(xié)議及接口應(yīng)用設(shè)計(jì)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通信控制器的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛。集成PowerPC微處理器的MPC8560 PowerQUICC Ⅲ作為一個(gè)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(tǒng)和外圍通信控制器，能被廣泛運(yùn)用于通信和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是目前為電信和網(wǎng)絡(luò)市場而設(shè)計(jì)的最先進(jìn)的集成通信微處理器之一。它集成了豐富的網(wǎng)絡(luò)和通信外圍設(shè)備，提供了更大的靈活性、擴(kuò)展能力和更高的集成度。

MPC8560簡介

MPC8560內(nèi)部集成了兩個(gè)處理模塊：一個(gè)高性能嵌入式PowerPC e500內(nèi)核和一個(gè)通信處理模塊（CPM）。此外，該芯片還提供了片內(nèi)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(gè)三速以太網(wǎng)控制器（Three-Speed Ethernet Controller，TSEC），實(shí)現(xiàn)了10Mb/s、100Mb/s和1Gb/s三種不同速度的以太網(wǎng)協(xié)議接口控制。本文將主要討論如何使用這兩個(gè)TSEC實(shí)現(xiàn)吉比特以太網(wǎng)接口。

吉比特以太網(wǎng)物理層協(xié)議及接口

參考文獻(xiàn)上對于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的介紹往往局限于對協(xié)議分層的理論分析，對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議尤其是吉比特以太網(wǎng)協(xié)議在實(shí)際應(yīng)用中的接口討論較少，本文將對吉比特以太網(wǎng)協(xié)議在應(yīng)用中的接口作總結(jié)性的介紹。

吉比特以太網(wǎng)協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層與傳統(tǒng)的10/100Mb/s以太網(wǎng)協(xié)議相同，但物理層有所不同。三種協(xié)議與OSI七層模型的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

從圖1可以看出，吉比特以太網(wǎng)協(xié)議與10/100Mb/s以太網(wǎng)協(xié)議的差別僅僅在于物理層。圖中的PHY表示實(shí)現(xiàn)物理層協(xié)議的芯片;協(xié)調(diào)子層（Reconciliation sublayer）用于實(shí)現(xiàn)指令轉(zhuǎn)換;MII（介質(zhì)無關(guān)接口）/GMII（吉比特介質(zhì)無關(guān)接口）是物理層芯片與實(shí)現(xiàn)上層協(xié)議的芯片的接口;MDI（介質(zhì)相關(guān)接口）是物理層芯片與物理介質(zhì)的接口;PCS、PMA和PMD則分別表示實(shí)現(xiàn)物理層協(xié)議的各子層。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，這些子層的操作細(xì)節(jié)將全部由PHY芯片實(shí)現(xiàn)，只需對MII和MDI接口進(jìn)行設(shè)計(jì)與操作即可。

吉比特以太網(wǎng)的物理層接口標(biāo)準(zhǔn)主要有四種：GMII、RGMII（Reduced GMII）、TBI（Ten-Bit Interface）和RTBI（Reduced TBI）。GMII是標(biāo)準(zhǔn)的吉比特以太網(wǎng)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(shí)現(xiàn)，在降低PHY芯片復(fù)雜度的同時(shí)，控制線也比GMII接口少。RGMII和RTBI兩種接口使每根數(shù)據(jù)線上的傳輸速率加倍，數(shù)據(jù)線數(shù)目減半。

由此可見，使用TBI接口來實(shí)現(xiàn)吉比特以太網(wǎng)接口所用的控制線和數(shù)據(jù)線比GMII接口少，因此設(shè)計(jì)與使用相對容易。雖然TBI接口比RTBI接口的數(shù)據(jù)線多，但是每根數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)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(shí)提供GMII和TBI兩種接口的芯片，推薦使用TBI接口設(shè)計(jì)方案。

MPC8560與PHY芯片的接口設(shè)計(jì)

MPC8560對四種不同的接口標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)絡(luò)收發(fā)器。它是業(yè)界第一批符合802.3規(guī)格的2.5V器件，無須任何外接電容，這可以節(jié)省電路板面積，減少零件的數(shù)目，從而降低產(chǎn)品的成本。此外，該芯片的功耗也相當(dāng)?shù)汀?/p>

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(shù)據(jù)線。TD8對應(yīng)Tx_ER，作為發(fā)送出錯(cuò)標(biāo)志位;TD9對應(yīng)Tx_EN，作為發(fā)送使能位;RD8對應(yīng)Rx_DV，作為接收數(shù)據(jù)有效位;RD9對應(yīng)Rx_ER，作為接收差錯(cuò)檢測位。

此外還應(yīng)注意到，圖中使用的是SFP（可插拔）光模塊，這是因?yàn)門LK2201只提供了光模塊吉比特以太網(wǎng)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(yīng)的步驟，即可正確配置TSEC的吉比特網(wǎng)絡(luò)接口。

設(shè)置MACCFG1寄存器，對MAC進(jìn)行軟復(fù)位;

清除MACCFG1寄存器的軟復(fù)位;

設(shè)置MACCFG2寄存器，選擇TSEC工作模式（如全雙工或半雙工、CRC校驗(yàn)是否使能等）;

初始化寄存器ECNTRL，設(shè)置接口為TBI標(biāo)準(zhǔn);

設(shè)置MAC地址、物理地址;

設(shè)置MII口的速率，使用MDIO對PHY進(jìn)行初始化;

清除并設(shè)置中斷相關(guān)的寄存器IEVENT和IMASK;

設(shè)置Hash表和Hash寄存器;

初始化接收控制寄存器RCTRL;

設(shè)置DMA控制寄存器DMATRL;

設(shè)置接收緩沖區(qū)大小;

設(shè)置收發(fā)緩沖描述符（Buffer Descriptor，BD）;

設(shè)置MACCFG1中的收發(fā)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(shè)置寄存器后，控制器處于不穩(wěn)定狀態(tài)，不能馬上執(zhí)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(yīng)的狀態(tài)寄存器以判斷是否可以繼續(xù)下一步，也可以使用某些操作系統(tǒng)提供的定時(shí)延遲來完成，如VxWorks中的taskDelay（）。

測試及其結(jié)果

為了測試設(shè)計(jì)好的吉比特以太網(wǎng)接口的性能，將吉比特以太網(wǎng)接口與專門測試網(wǎng)絡(luò)接口性能的儀器SmartBits相連。一個(gè)最為簡單的測試方法是使用SmartBits發(fā)送數(shù)據(jù)包到MPC8560的吉比特以太網(wǎng)接口，MPC8560接到數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)直接返還給SmartBits。SmartBits將會(huì)統(tǒng)計(jì)并顯示測試結(jié)果。

測試結(jié)果如圖3所示，傳輸速率（Rates）可以達(dá)到1Gb/s左右，而且還略有裕量。

為了測試吉比特以太網(wǎng)接口更為全面的性能，需要對不同大小的數(shù)據(jù)包、突發(fā)大量數(shù)據(jù)流等進(jìn)行測試，限于篇幅，不再討論具體的測試細(xì)節(jié)。

設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

由于數(shù)據(jù)線上的傳輸速率相對較高，硬件部分的設(shè)計(jì)需要注意以下幾點(diǎn)。

TBI接口每根數(shù)據(jù)線的傳輸速率是125Mb/s，為了保證采樣與信號(hào)的同步，接收信號(hào)線RD0～RD9的長度和接收時(shí)鐘線RxCLK必須等長。同理，發(fā)送信號(hào)線TD0～TD9的長度和發(fā)送時(shí)鐘線TxCLK也必須等長。

為了保證阻抗匹配，TBI接口所有信號(hào)線的阻抗必須控制在50Ω±5%。

光模塊的輸入信號(hào)是高速差分信號(hào)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意接收與發(fā)送的兩對差分信號(hào)線必須等長。同時(shí)，差分阻抗需要控制在100Ω±5%，以保證阻抗匹配。

為了保證電源干凈，TLK2201的PLL電源輸入端必須加濾波器。

驅(qū)動(dòng)軟件部分的設(shè)計(jì)需要注意以下幾點(diǎn)。

GE端口收發(fā)對于軟件處理能力要求較高，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)收發(fā)緩沖區(qū)的深度，合理調(diào)度收發(fā)處理程序，保證數(shù)據(jù)收發(fā)性能。

對于BD表的維護(hù)，需要正確維護(hù)BD讀寫指針和BD的狀態(tài)標(biāo)志位，以避免緩沖區(qū)重疊和溢出。尤其應(yīng)注意BD讀寫指針需要根據(jù)收發(fā)緩沖區(qū)的大小，在合適位置進(jìn)行循環(huán)。

如果設(shè)置了PHY使用自協(xié)商（auto-negotiation）方式，一定要在自協(xié)商方式正常工作后，才能設(shè)置TSEC是否使用全雙工或半雙工模式。

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