八核浮点型DSP的双千兆网接口设计

        千兆网络接口具有数据传输速率快、连接方便、可以即插即用的优点，使得其应用较为广泛。随着电子技术和处理器的发展，很多应用场合的数据通信速率超过千兆网口的实际传输速率。例如，在A/D采样中，需要直接存储A/D转换的采样数据，如果A/D转换位数为16位，工作在100MHz，则实际数据量为1.6Gbps。为了实现高速传输，必须采用更高传输速率的接口，例如PCIe或者RapidIO接口。但这些接口不具有即插即用功能，与很多工业既有设备不能直接连接，限制了其应用场合。
DSP(数字信号处理器)具有较高的工作频率，其内部集成硬件网络MAC接口，外接一个物理层芯片就可以方便地实现千兆网络通信。多核DSP芯片可以连接多个千兆网口，使得其可以应用到高速数据传输场合。本文介绍一种基于多核数字信号处理器TMS320C6678的嵌入式双千兆网络接口，实现单个芯片连接两个千兆网口，这两个网口可以各自独立传输数据，也可以联合传输数据，提高了实际的数据传输速率。
1 C6678及其结构
TMS320C6678是TI公司多核处理器中的一款8核浮点型DSP，每个核最高工作频率可达1.25GHz，每个核可以提供40GMAC定点计算或者20GFLOP浮点计算能力，单个芯片可以提供320GMAC或者160GFLOP计算能力。TMS320C6678的片内结构如图1所示。
TMS320C6678的每个核具有32KB的程序、32KB的数据以及512KB的2级Cache存储空间，芯片片内具有一个4MB的共享SRAM。TMS320C6678具有DDR3控制器接口，可以外接DDR3，直接寻址范围达到8GB。TMS320C6678的片内外设有RapidIO、PCIe、EMIF、SPI、I2 C总线等接口。这些接口通过片内的高速互联总线和各个处理器交互数据。
和网络相关的片内设备如图1右下角灰色模块所示，主要包括两个对外的SGMII接口、以太交换和网络交换模块，以及用于数据管理的安全加速器和包加速器，可以快速检测数据的校验以及协议是否遵循网络标准，对于错误的数据直接丢弃，降低CPU 的负担。为了加快网络和CPU的数据交换，片内的队列管理器用于管理网络包或者网络帧的缓存、分发等功能。这些数据都采用数据包DMA读写，不需要CPU参与。


图1 TMS320C6678内部结构图

TMS320C6678的其他片内设备包括PLL、仿真口、信号量、电源管理和复位管理等模块。其中PLL配置CPU和外设的工作时钟;仿真口用于连接仿真器，实现对软件运行的监控;信号量实现对DSP/BIOS操作系统中信号量的控制;电源管理实现整个芯片电流电压的控制;复位管理配置启动的方式，硬复位进行全启动，软复位进行部分启动。
2 88E1111及其结构
网络物理层芯片很多，一般都兼容MII、RMII以及SGMII等接口标准之一或者多个。但TMS320C6678只提供了SGMII接口，所以和TMS320C6678连接的物理层芯片必须具有SGMII接口。本文使用两片Marvell公司的88E1111 物理层芯片进行双千兆网络的连接。88E1111的片内结构如图2所示。


图2 88E1111内部结构图

网络RJ45接口发送过来的带有调制数据的模拟信号经过A/D转换变成数字信号，然后依次经过均衡、整形滤波和译码后由接收单元传输到MAC芯片，实现数据的接收。MAC发送的数据经过整形滤波后由D/A转换成模拟信号发送到RJ45接口。为了降低误码率，88E1111内部具有锁相环(PLL)、自动增益控制(AGC)、时序/相位控制、回音抵消等模块，这些模块都是为了提高数据传输的可靠性，在不同环境或者不同外接设备下，都可以高速可靠地通信。图2中的LED控制模块实现数据传输时的灯光显示，MDIO模块实现链接建立和状态监测，时钟模块提供工作时钟。


       
3 硬件设计
硬件设计主要包括TMS320C6678和两个88E1111的接口、88E1111和RJ45的接口、88E1111的硬件配置设计等几个部分。
TMS320C6678的网络模块结构如图3所示。片内集成了一个3口的以太交换机，负责将两个千兆网口的数据交换到主机，同时提供交换中断到主机，主机通过中断可以实时接收和发送数据。主机通过总线配置或者监控外部的物理层芯片，配置和监控数据通过MDIO接口连接到物理层芯片。


图3 TMS320C6678网络模块结构

图4 TMS320C6678和88E1111的接口TMS320C6678和两片88E1111的接口电路如图4所示。TMS320C6678 采用SGMII(Serial Gigabit Media Independent Interface)接口，兼容10/100/1000M 工作方式。SGMII为串行数据收发方式，具有较少的引脚连接。从图4中可以看出，实际上只有两对收发的差分线，分别连接到对应的88E1111引脚上。读写时钟隐含在数据上传输，由硬件自动识别，无须软件参与。


图4 TMS320C6678和88E1111的接口

MDIO和MDCLK 为TMS320C6678内部MDIO 模块的数据和时钟，用于TMS320C6678和88E1111建立连接，TMS320C6678可以通过该接口配置88E1111，或者读取88E1111的信息。由于88E1111的MDIO模块接口电平为2.5V，而TMS320C6678的MDIO模块接口电平采用1.8V电压，所以两者之间需要增加电压转换芯片，本设计采用PCA9306实现电压转换，接口电路如图5所示。


图5 MDIO接口的电压转换电路

需要注意的是，由于存在两个88E111芯片，MDIO和MDCLK引脚直接连接到两个芯片上，MDIO可以最多控制32个物理层芯片，物理层芯片地址分别为1~32。88E1111的地址配置如图6所示。


图6 88E1111的硬件配置

表1为对应的配置信息，根据图6和表1，可以看出88E111的地址分别为4和8。
表1 配置引脚设置




       
4 软件设计
系统软件设计包括硬件初始化、网络配置以及数据通信流程等。TMS320C6678复位后的工作流程如图7所示。首先配置第一个网口，记录其状态后配置第二个网口。只要两个网口有一个配置成功，将配置TMS320C6678的EMAC模块，为成功配置的网口设置收发缓冲和收发任务。这些配置好后，就可以实现网络的数据收发。需要注意的是，在用户应用程序中，需要考虑到网口配置失败的情况。例如，用户应用程序通过双网口实时传输1.2Gbps的数据，如果一个网口配置失败，则应用程序应有相应的机制将实时传输速率降低到0.8Gbps以下(单网口实际传输速率可能低于0.8Gbps)。本文硬件系统在没有其他任务开销情况下，实测可以传输1.5Gbps的数据(传输过程中不考虑错误，不进行重发)。


图7 数据通信流程

结语
超过1Gbps传输速率的通信接口一般采用光纤、PCE、PCIe等接口方式。本文采用双网口方式可以降低设备要求，和既有设备方便连接。使用多核DSP提高处理器工作能力，在保证大容量数据传输过程中，处理器仍然具有对数据的计算能力。双网口设计方案可以弥补单网口的传输速率不足，又可以降低其他接口的硬件复杂度，是介于两者之间的有益补充。在嵌入式设备中具有一定的应用价值。