漆　晶　包　杰

摘 要：IMA E1傳輸是E1升級(jí)到光纖的過(guò)渡技術(shù)，能有效地提高傳輸帶寬。這里選用PowerPC MPC8280網(wǎng)絡(luò)處理器，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于PCI總線(xiàn)的IMA E1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。首先論述系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和總體結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)的介紹UTOPIA接口、PCI接口和總線(xiàn)控制功能模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程。最后對(duì)硬件進(jìn)行信號(hào)完整性分析，以SDRAM的數(shù)據(jù)線(xiàn)為例，給出了消除反射干擾的解決方法。

關(guān)鍵詞：IMA E1；MPC8280；PCI接口；數(shù)據(jù)采集

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004－373X(2009)04－178－04

Design of IMA E1 Data Acquisition System Based on MPC8280

QI Jing,BAO Jie

(College of Applied Technology,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing,400065,China)

Abstract：The transmission of IMA E1 is transition technology upgrading from E1 to fiber which could increase the bandwidth effectively.The PowerPC MPC8280 communication microprocessor chip is chosen,and implementation of IMA E1 data acquisition system based on PCI bus is also introduced.Firstly,the general system design and general architecture is introduced,Then,the detailed design process of UTOPIA interface,PCI interface and bus control function are given.Finally,the signal integrity analysis for the data line of SDRAM is analyzed,and the solution of reflection interference is given.

Keywords：IMA E1;MPC8280;PCI interface;data acquisition

IMA是ATM反復(fù)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)寬窄帶網(wǎng)絡(luò)一體化，在窄帶網(wǎng)絡(luò)接口（如E1/T1鏈路接口）上實(shí)現(xiàn)ATM寬帶業(yè)務(wù)。通過(guò)IMA協(xié)議接口，實(shí)現(xiàn)將ATM信元流反向復(fù)用到多條低速E1/T1鏈路上。IMA是支持高速ATM信元流的一種實(shí)用方法。為多媒體用戶(hù)的接入，利用現(xiàn)有鏈路（尤其是2 Mb/s鏈路）進(jìn)行ATM傳輸?shù)葢?yīng)用創(chuàng)造了條件。尤其適用于建網(wǎng)初期的TD－SCDMA接入網(wǎng)Node B側(cè)的數(shù)據(jù)傳輸［1］。

基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以依據(jù)與計(jì)算機(jī)的接口方式不同而分類(lèi)。對(duì)于低速數(shù)據(jù)的采集，基于ISA總線(xiàn)的系統(tǒng)面臨被USB取代的趨勢(shì)。而對(duì)于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要還是基于PCI總線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)。PCI總線(xiàn)相對(duì)于其他總線(xiàn)具有高速率、硬件資源豐富和較好的PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件開(kāi)發(fā)包支持等優(yōu)點(diǎn)。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有基于PCI接口芯片和基于PCI數(shù)據(jù)采集卡2種開(kāi)發(fā)選擇。前者具有采集數(shù)據(jù)靈活、更容易控制等優(yōu)點(diǎn)。但需要設(shè)計(jì)基于選定芯片的數(shù)據(jù)采集卡。同時(shí)由于PCI總線(xiàn)是一個(gè)共享總線(xiàn)，仲裁算法一般是公平競(jìng)爭(zhēng)，要想穩(wěn)定可靠地采集數(shù)據(jù)流，采集卡上必須有大小合適的緩存，這就涉及到一個(gè)先進(jìn)先出的結(jié)構(gòu)，提高整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度。后者可以選用符合系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)采集卡，大大縮短項(xiàng)目的研制時(shí)間，設(shè)計(jì)也相對(duì)簡(jiǎn)單。主要是對(duì)采集卡進(jìn)行必要的配置以及如何嵌入系統(tǒng)的軟/硬件設(shè)計(jì)的問(wèn)題［2,3］。

網(wǎng)絡(luò)處理器MPC8280是PowerPC處理器系列，集成了G2內(nèi)核和通信處理器CPM，可以輕松地處理100 Mb/s以太網(wǎng)、ATM等應(yīng)用。同時(shí)集成了系統(tǒng)PCI接口單元，滿(mǎn)足基于PCI總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)發(fā)模式。

1 MPC8280芯片介紹

用于通信領(lǐng)域的PowerPC處理器系列的MPC8280，它是一塊多功能通信處理器，采用雙內(nèi)核的結(jié)構(gòu)，即PowerPC內(nèi)核G2 和通信處理模塊CPM專(zhuān)用內(nèi)核CP。兩個(gè)內(nèi)核工作在不同的時(shí)鐘頻率。G2內(nèi)核和通用一般處理器功能相似，主要執(zhí)行高層代碼，完成對(duì)于外設(shè)的控制與管理；CP處理器內(nèi)核處理具體底層通信協(xié)議，通信處理模塊CPM部分還包含了各種豐富的通信控制外圍模塊，這些外圍模塊幾乎支持各種常見(jiàn)的底層傳輸協(xié)議，通過(guò)靈活設(shè)置這些外圍通信模塊實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用中的協(xié)議。圖1是MPC8280內(nèi)部構(gòu)架圖［4］。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思想

參考IMA功能單元的參考模型，可以得出IMA E1的數(shù)據(jù)處理功能流程圖，如圖2所示，主要完成物理層、TC子層、IMA子層、ATM層和AAL層的協(xié)議解碼，圖中PMD鏈路接口負(fù)責(zé)接收來(lái)自E1鏈路上的ATM信息，經(jīng)過(guò)成幀模塊處理后，發(fā)送到IMA協(xié)議處理模塊，還原為標(biāo)準(zhǔn)的ATM信元流，送到進(jìn)行ATM SAR－PDU處理，提取鏈路信息，發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行分析、處理。

2.2 硬件總體設(shè)計(jì)

選用基于PCI接口芯片的數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)方案，采用板級(jí)處理機(jī)的方式，由板級(jí)處理機(jī)完成數(shù)據(jù)的重組和分組，再將組裝好的數(shù)據(jù)上傳，這樣數(shù)據(jù)組裝和數(shù)據(jù)上傳并行工作，能夠有效地減輕PC機(jī)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)硬件層數(shù)據(jù)過(guò)濾功能。硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。系統(tǒng)由保護(hù)線(xiàn)路接入IMA E1傳輸線(xiàn)路，經(jīng)過(guò)E1成幀器轉(zhuǎn)化為PCM E1幀，再將多路IMA E1送入IMA處理器，形成ATM信元流，通過(guò)MPC8280進(jìn)行ATM適配，組裝成PDU數(shù)據(jù)，再將PDU數(shù)據(jù)通過(guò)PCI接口上傳到上位機(jī)進(jìn)行協(xié)議解碼和分析［5］。

3 各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)

3.1 多PHY的UTOPIA接口設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了IMA E1數(shù)據(jù)的采集和仿真功能，所以需要2個(gè)通道的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)由于需要MPC8280進(jìn)行處理，所以整個(gè)物理層模塊和MPC8280之間的數(shù)據(jù)交互，和單個(gè)通道時(shí)完全有所不同。UTOPIA接口是ATM網(wǎng)絡(luò)層和物理層之間的標(biāo)準(zhǔn)傳輸接口。它的運(yùn)行模式有單PHY模式以及多PHY模式。單PHY模式即物理層接口只有一個(gè)，而多PHY情況下有多個(gè)物理層接口交互，這種情況下面就必須考慮怎么來(lái)進(jìn)行接口交互的輪詢(xún)選擇問(wèn)題，下面為MPC8280的 UTOPIA接口的詳細(xì)信號(hào)描述。

由圖4可以看到，UTOPIA接口傳輸信號(hào)主要由接口時(shí)鐘信號(hào)、數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)、信元級(jí)的握手控制信號(hào)以及輪詢(xún)地址信號(hào)組成。UTOPIA接口接收和發(fā)送通道的控制信號(hào)是獨(dú)立的，它的工作模式分為主模式和從模式。在該設(shè)計(jì)中需要由MPC8280主動(dòng)來(lái)輪詢(xún)控制多個(gè)物理層器件的ATM信元的傳輸，所以MPC8280側(cè)UTOPIA接口工作為主模式。對(duì)于物理層器件來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行信元傳輸時(shí)，要接收來(lái)自MPC8280發(fā)起的各種控制與輪詢(xún)，所以物理層側(cè)UTOPIA接口工作為從模式。當(dāng)UTOPIA接口工作在多PHY的情況下，MPC8280 UTOPIA接口支持2種多PHY的操作模式：

直接輪詢(xún)方法 利用CLAV［3~0］，以及地址ADD［0，1］，總共支持4片物理層器件。每個(gè)物理層器件1個(gè)收發(fā)CLAV,同時(shí)公共使用地址ADD［0,1］。每個(gè)CLAV的操作與單個(gè)時(shí)操作是一樣的。

單CLAV輪詢(xún) 利用1個(gè)CLAV以及ADD［4~0］，ATM 控制器輪詢(xún)所有激活的物理層器件，從0X0~FPSMR［LAST_PHY］中寫(xiě)入地址。所有物理層器件共用1個(gè)收發(fā)CLAV,同時(shí)使用公共地址ADD［0~4］。

3.2 PCI接口設(shè)計(jì)

PCI 局部總線(xiàn)在 CPU 和外部設(shè)備之間插入復(fù)雜的管理層，用此協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸，并提供一致的總線(xiàn)接口，形成了開(kāi)放的局部總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，而不依賴(lài)于 CPU 芯片。PCI 總線(xiàn)是與 CPU 異步工作的，總線(xiàn)上的工作頻率固定為 66 MHz。有32位和 64 位2種數(shù)據(jù)寬度的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸率最高分別為132 MB/s和 264 MB/s。它能支持多種外設(shè)，在高頻率下保持最佳性能。PCI 還支持總線(xiàn)控制技術(shù)，允許智能設(shè)備在適當(dāng)時(shí)取得總線(xiàn)控制權(quán)，以加快數(shù)據(jù)傳輸。在一定意義上可以認(rèn)為 PCI 局部總線(xiàn)解決了高性能的 CPU 處理能力和低效的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的瓶頸問(wèn)題。

在該設(shè)計(jì)中，采用專(zhuān)用PCI 接口芯片實(shí)現(xiàn)PCI 接口，采用的MPC8280處理器中就集成了PCI 接口邏輯功能，所以只需要具體配置處理器內(nèi)部相應(yīng)模塊寄存器實(shí)現(xiàn)其功能。圖5為PCI橋在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)處理器內(nèi)部的功能框圖。

在MPC8280內(nèi)部，PCI橋?qū)ν獾腜CI接口信號(hào)和局部總線(xiàn)的信號(hào)引腳是復(fù)用的，所以在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，必須通過(guò)正確設(shè)置相應(yīng)硬件跳線(xiàn)和硬件復(fù)位配置字，實(shí)現(xiàn)PCI引腳及內(nèi)部功能寄存器配置。PCI橋和通信處理模塊之間有DMA通道，可以在DPRAM與PCI接口之間直接進(jìn)行DMA通道的數(shù)據(jù)傳輸，但是這種情況一般采用極少。通常通信處理模塊CPM的數(shù)據(jù)通過(guò)60X總線(xiàn)傳送到外部的存儲(chǔ)器，PCI控制橋直接通過(guò)60X總線(xiàn)接口總線(xiàn)和系統(tǒng)內(nèi)存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互工作。

PCI接口作為數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)和上層PC機(jī)軟件之間的交互的接口，其接口驅(qū)動(dòng)程序是由上層PC機(jī)操作系統(tǒng)提供的，所以MPC8280的PCI橋接口實(shí)際上工作在從模式下，PC機(jī)系統(tǒng)軟件對(duì)其進(jìn)行控制。整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的時(shí)鐘，復(fù)位信號(hào)以及電源，都是由PC機(jī)上的PCI接口提供的。

3.3 網(wǎng)絡(luò)處理器總線(xiàn)控制功能設(shè)計(jì)

將任何存儲(chǔ)設(shè)備或I/O設(shè)備接到處理器上，一般都會(huì)通過(guò)處理器的系統(tǒng)總線(xiàn)。處理器存儲(chǔ)空間以bank為單位控制。MPC8280是32位處理器，一共有32條地址線(xiàn)，理論上可以尋址的空間范圍是4 GB，也就是尋址的范圍為0x00000000~0xFFFFFFFF。每一個(gè)外部設(shè)備，如FLASH，SDRAM等都可以通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)處理器的內(nèi)存控制器中的OR和BR寄存器惟一地確定外設(shè)存儲(chǔ)空間對(duì)應(yīng)于4 GB空間的位置，每一組OR和BR寄存器對(duì)應(yīng)1個(gè)外設(shè)存儲(chǔ)（I/O）空間，稱(chēng)之為1個(gè)bank。為了靈活實(shí)現(xiàn)對(duì)于外部存儲(chǔ)控制體的管理和設(shè)置，存儲(chǔ)控制器包含12個(gè)基地址寄存器(BRx)和12個(gè)選項(xiàng)配置寄存器(ORx)，分別對(duì)于12個(gè)外部存儲(chǔ)體進(jìn)行相應(yīng)具體設(shè)置。

配置選項(xiàng)寄存器OR的內(nèi)容根據(jù)不同存儲(chǔ)體選擇的控制狀態(tài)機(jī)而不同，主要提供一些補(bǔ)充的設(shè)置選項(xiàng)，如高位地址掩碼，SDRAM狀態(tài)機(jī)的行列地址選擇，以及GPCM狀態(tài)機(jī)的插入等待周期等。由上可見(jiàn)，通過(guò)配置內(nèi)存控制器中每個(gè)存儲(chǔ)體片選對(duì)應(yīng)的基地址寄存器BR和選項(xiàng)寄存器OR，可以設(shè)置外部存儲(chǔ)體的具體狀態(tài)控制機(jī)以及相應(yīng)的工作模式。需要注意的是，存儲(chǔ)控制器的狀態(tài)機(jī)制和存儲(chǔ)體之間沒(méi)有確定對(duì)應(yīng)的關(guān)系，每一個(gè)狀態(tài)機(jī)控制機(jī)都可以對(duì)應(yīng)于12個(gè)存儲(chǔ)體的任何一個(gè)，多個(gè)存儲(chǔ)體也可以設(shè)置為同一的狀態(tài)控制機(jī)。

當(dāng)系統(tǒng)訪(fǎng)問(wèn)相應(yīng)的存儲(chǔ)體時(shí)，首先比較訪(fǎng)問(wèn)地址和各個(gè)BR寄存器中BA位設(shè)置的高17位地址，當(dāng)所訪(fǎng)問(wèn)的地址和某一寄存器中地址相匹配時(shí)，表明該訪(fǎng)問(wèn)的空間位于該存儲(chǔ)體地址空間范圍，此時(shí)系統(tǒng)通過(guò)片選信號(hào)片選該存儲(chǔ)體，該存儲(chǔ)體對(duì)應(yīng)的狀態(tài)機(jī)獲得總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)外部信號(hào)控制權(quán)，系統(tǒng)就可以對(duì)該存儲(chǔ)體進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。

4 硬件系統(tǒng)信號(hào)完整性分析

信號(hào)完整性是指信號(hào)線(xiàn)上信號(hào)的質(zhì)量。高速電路的傳輸線(xiàn)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)完整性下降，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失以及判斷出錯(cuò)等問(wèn)題，因此信號(hào)完整性分析便成為了高速電路設(shè)計(jì)和仿真的關(guān)鍵。在高速電路設(shè)計(jì)中，信號(hào)完整性并不是由單一原因引起的，而是板級(jí)設(shè)計(jì)中多種因素共同作用的結(jié)果。常見(jiàn)的信號(hào)完整性問(wèn)題包括反射、振鈴、地彈、串?dāng)_等。振鈴和地彈實(shí)際上都屬于信號(hào)完整性問(wèn)題中的單信號(hào)線(xiàn)現(xiàn)象，而串?dāng)_則是由于電路上兩條信號(hào)線(xiàn)與地平面引起地［6，7］。

下面通過(guò)SDRAM內(nèi)存模塊部分信號(hào)完整性分析為例，描述整個(gè)硬件電路的信號(hào)完整性仿真分析過(guò)程。

圖6為內(nèi)存模塊電路中的數(shù)據(jù)線(xiàn)信號(hào)DATA0未做任何優(yōu)化措施時(shí)的反射信號(hào)仿真圖。

DATA0是MPC8280 U1直接和內(nèi)存芯片U2相連的數(shù)據(jù)線(xiàn)，由圖6可知， 不論是該信號(hào)的驅(qū)動(dòng)端U1_19，還是負(fù)載端U2_12，在該傳輸信號(hào)線(xiàn)上都有嚴(yán)重的反射現(xiàn)象。采用終端匹配措施后信號(hào)分析見(jiàn)圖7。

仿真器提供8種終端適配電阻的仿真效果波形，通過(guò)比較分析波形可以得出，當(dāng)適配電阻R=172.2 Ω時(shí)，此時(shí)信號(hào)的反射達(dá)到最小，信號(hào)完整性最好。采用此電阻對(duì)DATA0信號(hào)連線(xiàn)進(jìn)行終端適配端接以后，信號(hào)的反射明顯減小，尤其是在消除抖動(dòng)，低電平方面得到很大改善， 從而DATA0信號(hào)完整性得到保證。其他的內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)各個(gè)信號(hào)的反射分析與優(yōu)化也與這類(lèi)似。

5 結(jié) 語(yǔ)

ATM反向復(fù)用通過(guò)把多個(gè)物理通信接口（通常為E1接口）綁定為一個(gè)邏輯接口，從而突破單個(gè)物理接口的速率限制，根據(jù)實(shí)際需要配置接口速率，以獲得業(yè)務(wù)所需要的接口帶寬。在此設(shè)計(jì)了針對(duì)IMA E1傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹基于MPC8280的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)過(guò)程。該系統(tǒng)最后通過(guò)與軟件聯(lián)調(diào)，能夠?qū)崿F(xiàn)多幀AAL2和AAL5數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，達(dá)到了IMA E1數(shù)據(jù)采集的目的。

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作者簡(jiǎn)介 漆 晶 男，1983年出生，重慶郵電大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院。主要從事嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、通信網(wǎng)測(cè)試。