使用BCM56500实现板级高性能交换型路由器

随着用户需求和网络技术的发展，高速率高端口密度的多层IP路由交换功能的应用已经越来越广泛了。由于实现三层以上路由功能的判据较为复杂，传统的路由器采用软件实现路由功能，由高性能的CPU同时实现控制平台和数据通道。

自从三层交换的概念提出以来，主要的技术可以分为两类：路由型交换机和交换型路由器。路由型交换机通过各种技术来发现、建立和缓存路由捷径来实现路由加速功能。一般情况下路由型交换机不实现大型动态路由协议，主要应用在基于ATM的多协议交换技术中。交换型路由器可以用来实现类似OSPF、EIGRP等的动态路由协议，采用RISC CPU加ASIC专用交换芯片分离控制平台和数据通道。由于数据通道单独由ASIC实现，可以达到端口线速。本文介绍了一个使用Freescale公司的MPC8245高性能RISC CPU和Broadcom公司的BCM56500高速交换芯片，来实现应用在网络接入系统中的24个千兆端口的三层交换的解决方案。由于本数据交换板是用于宽带接入系统，测试结果表明该设计方案的高性能、高端口密度和硬件实现的稳定性能够充分满足系统的需求。

MPC8245和BCM56500简介

MPC8245是基于MPC603e核的高性能低功耗的32位嵌入式RISC处理器，带有DUART接口、双通道DMA控制器和标准I2C控制器等通用模块。MPC8245支持PCI总线2.2标准，可以同时工作在PCI主设备和从设备状态。

BCM56500是多层交换芯片，集成了24个千兆位以太网端口，同时支持IPv4和IPv6协议，支持硬件处理的二层交换，三层路由以及二到七层数据包的分类和过滤功能，芯片内部集成2MB数据包缓冲内存。BCM56500支持PCI总线2.2标准，系统设计中通常使用RISC CPU通过PCI总线对BCM56500进行初始化、配置管理和实现三层交换功能。BCM56500的结构框图如图1所示。


图1  BCM56500结构框图

由图1可以看出，BCM56500芯片由以下一些主要功能模块组成。

(1)千兆接口控制器(GPIC)：用于提供千兆接口与交换逻辑之间的接口。

(2)CPU管理接口(CMIC)：主要提供CPU与BCM56500设备不同功能块之间的接口，同时也用于诸如MIIM、I2C和指示灯的处理等功能。该模块通过PCI总线接口与CPU相连，可使CPU访问和控制BCM56500。

(3)地址解析逻辑(ARL)：该逻辑功能模块可在数据包的基础上确定该数据包的转发策略。它利用二层表(L2_TABLE)、二层组播表(L2_MCTABLE)、三层表(L3_TABLE)、三层最长前缀匹配表(DEF_IP_HI和DEF_IP_LO)、三层接口表(L3_INTF)、IP组播表(L3_IPMC)、VLAN表(VLAN)以及生成树表(VLAN_STAG)来决定如何转发数据包。

(4)公共缓冲池(CBP)：公共缓冲池实际上是2MB共享的包缓冲区，由8192个单元组成，每个单元256字节。设备里的每个数据包消耗一至多个单元。

(5)内存管理单元(MMU)：BCM56500有一个单独的内存管理单元，每个内存管理单元与设备的功能块(GPIC)等相关联。内存管理单元负责数据包的缓冲和调度，它首先接收数据包，然后再将数据包缓冲，并在发送时加以调度，同时它还管理交换单元的流控特性，概括来说，就是缓冲逻辑、调度逻辑、流控逻辑。缓冲逻辑从CP-BUS接收包并存放在公共缓冲池，同样也从公共缓冲池获取包并将它们发送到CP-BUS。包的发送顺序由调度逻辑根据包的优先级别确定。流控逻辑包括Head-of-Line(HOL)阻塞预防和Backpressure两种方式。

这些功能模块之间可通过CP-Bus和S-Channel这两条内部总线联系起来。其中CP-Bus用于芯片内数据包的高速传输，它支持所有端口的同时线速转发。而S-Channel Bus则有两个作用，第一是用于内存管理单元到其他功能块的流控；第二是通过CPU管理接口由CPU控制访问内部寄存器和表，以及通过过滤器选送特殊数据包到CPU并由CPU发送特定数据包到端口以实现三层功能。

板级高端口密度LAN Switch硬件设计


图2  交换板硬件结构图

图2是LAN switch交换板的硬件结构，其硬件电路由CPU控制单元(子卡)、交换单元、物理层芯片单元、RJ45/光接口单元、CPU连接器单元、时钟单元、电源单元组成。

在设计中采用了一片BCM56500实现24个千兆数据端口，采用一片BCM5464物理层芯片和一片BCM5461 物理层芯片来提供不同类型的数据端口。使用BCM5464接出4个千兆电接口(SGMII接口)接入前面板，使用BCM5461接出1路千兆电接口(SGMII接口)作为板内使用。使用BCM56500的SERDES接口接出2路千兆光接口接入前面板，另外使用1路SERDES接口也作为板内使用，其余16路千兆端口使用SERDES接口接入系统背板，供系统其他板卡上联作为星型数据总线。BCM5464是BroadCom公司的4端口千兆物理层芯片，BCM5461是BroadCom公司的单端口千兆物理层芯片。

在硬件设计中，交换单元选用了BCM56500，通过PCI接口与CPU控制单元相连，以实现对交换芯片的配置管理和快速通信。设计中的实际连接如图3所示。其中由于系统中只有1个PCI从设备，设备号采用PCI_AD[31]线上的信号来选中，因此实际连线中CPU的IDSEL直接连接PCI_AD[31]即可。在PCI驱动软件中，要保证使用硬件相应的设备号进行选中和配置。


图3  系统PCI连接图