八核浮點型DSP的雙千兆網接口設計方案

　　千兆網絡接口具有數據傳輸速率快、連接方便、可以即插即用的優點，使得其應用較為廣泛。隨著電子技術和處理器的發展，很多應用場合的數據通信速率超過千兆網口的實際傳輸速率。例如，在A/D采樣中，需要直接存儲A/D轉換的采樣數據，如果A/D轉換位數為16位，工作在100MHz，則實際數據量為1.6Gbps。為了實現高速傳輸，必須采用更高傳輸速率的接口，例如PCIe或者RapidIO接口。但這些接口不具有即插即用功能，與很多工業既有設備不能直接連接，限制了其應用場合。

　　DSP（數字信號處理器）具有較高的工作頻率，其內部集成硬件網絡MAC接口，外接一個物理層芯片就可以方便地實現千兆網絡通信。多核DSP芯片可以連接多個千兆網口，使得其可以應用到高速數據傳輸場合。本文介紹一種基于多核數字信號處理器TMS320C6678的嵌入式雙千兆網絡接口，實現單個芯片連接兩個千兆網口，這兩個網口可以各自獨立傳輸數據，也可以聯合傳輸數據，提高了實際的數據傳輸速率。

　　1. C6678及其結構

　　TMS320C6678是TI公司多核處理器中的一款8核浮點型DSP，每個核最高工作頻率可達1.25GHz，每個核可以提供40GMAC定點計算或者20GFLOP浮點計算能力，單個芯片可以提供320GMAC或者160GFLOP計算能力。TMS320C6678的片內結構如圖1所示。

　　TMS320C6678的每個核具有32KB的程序、32KB的數據以及512KB的2級Cache存儲空間，芯片片內具有一個4MB的共享SRAM。TMS320C6678具有DDR3控制器接口，可以外接DDR3，直接尋址范圍達到8GB。TMS320C6678的片內外設有RapidIO、PCIe、EMIF、SPI、I2 C總線等接口。這些接口通過片內的高速互聯總線和各個處理器交互數據。

　　和網絡相關的片內設備如圖1右下角灰色模塊所示，主要包括兩個對外的SGMII接口、以太交換和網絡交換模塊，以及用于數據管理的安全加速器和包加速器，可以快速檢測數據的校驗以及協議是否遵循網絡標準，對于錯誤的數據直接丟棄，降低CPU 的負擔。為了加快網絡和CPU的數據交換，片內的隊列管理器用于管理網絡包或者網絡幀的緩存、分發等功能。這些數據都采用數據包DMA讀寫，不需要CPU參與。

　　圖1 TMS320C6678內部結構圖

　　TMS320C6678的其他片內設備包括PLL、仿真口、信號量、電源管理和復位管理等模塊。其中PLL配置CPU和外設的工作時鐘；仿真口用于連接仿真器，實現對軟件運行的監控；信號量實現對DSP/BIOS操作系統中信號量的控制；電源管理實現整個芯片電流電壓的控制；復位管理配置啟動的方式，硬復位進行全啟動，軟復位進行部分啟動。

　　2. 88E1111及其結構

　　網絡物理層芯片很多，一般都兼容MII、RMII以及SGMII等接口標準之一或者多個。但TMS320C6678只提供了SGMII接口，所以和TMS320C6678連接的物理層芯片必須具有SGMII接口。本文使用兩片Marvell公司的88E1111 物理層芯片進行雙千兆網絡的連接。88E1111的片內結構如圖2所示。

　　圖2 88E1111內部結構圖

　　網絡RJ45接口發送過來的帶有調制數據的模擬信號經過A/D轉換變成數字信號，然后依次經過均衡、整形濾波和譯碼后由接收單元傳輸到MAC芯片，實現數據的接收。MAC發送的數據經過整形濾波后由D/A轉換成模擬信號發送到RJ45接口。為了降低誤碼率，88E1111內部具有鎖相環（PLL）、自動增益控制（AGC）、時序/相位控制、回音抵消等模塊，這些模塊都是為了提高數據傳輸的可靠性，在不同環境或者不同外接設備下，都可以高速可靠地通信。圖2中的LED控制模塊實現數據傳輸時的燈光顯示，MDIO模塊實現鏈接建立和狀態監測，時鐘模塊提供工作時鐘。

　　3. 硬件設計

　　硬件設計主要包括TMS320C6678和兩個88E1111的接口、88E1111和RJ45的接口、88E1111的硬件配置設計等幾個部分。

　　TMS320C6678的網絡模塊結構如圖3所示。片內集成了一個3口的以太交換機，負責將兩個千兆網口的數據交換到主機，同時提供交換中斷到主機，主機通過中斷可以實時接收和發送數據。主機通過總線配置或者監控外部的物理層芯片，配置和監控數據通過MDIO接口連接到物理層芯片。

　　圖3 TMS320C6678網絡模塊結構

　　圖4 TMS320C6678和88E1111的接口TMS320C6678和兩片88E1111的接口電路如圖4所示。TMS320C6678 采用SGMII（Serial Gigabit Media Independent Interface）接口，兼容10/100/1000M 工作方式。SGMII為串行數據收發方式，具有較少的引腳連接。從圖4中可以看出，實際上只有兩對收發的差分線，分別連接到對應的88E1111引腳上。讀寫時鐘隱含在數據上傳輸，由硬件自動識別，無須軟件參與。

　　圖4 TMS320C6678和88E1111的接口

　　MDIO和MDCLK 為TMS320C6678內部MDIO 模塊的數據和時鐘，用于TMS320C6678和88E1111建立連接，TMS320C6678可以通過該接口配置88E1111，或者讀取88E1111的信息。由于88E1111的MDIO模塊接口電平為2.5V，而TMS320C6678的MDIO模塊接口電平采用1.8V電壓，所以兩者之間需要增加電壓轉換芯片，本設計采用PCA9306實現電壓轉換，接口電路如圖5所示。

　　圖5 MDIO接口的電壓轉換電路

　　需要注意的是，由于存在兩個88E111芯片，MDIO和MDCLK引腳直接連接到兩個芯片上，MDIO可以最多控制32個物理層芯片，物理層芯片地址分別為1~32.88E1111的地址配置如圖6所示。

　　圖6 88E1111的硬件配置

　　表1為對應的配置信息，根據圖6和表1，可以看出88E111的地址分別為4和8。

　　表1 配置引腳設置

　　4. 軟件設計

　　系統軟件設計包括硬件初始化、網絡配置以及數據通信流程等。TMS320C6678復位后的工作流程如圖7所示。首先配置第一個網口，記錄其狀態后配置第二個網口。只要兩個網口有一個配置成功，將配置TMS320C6678的EMAC模塊，為成功配置的網口設置收發緩沖和收發任務。這些配置好后，就可以實現網絡的數據收發。需要注意的是，在用戶應用程序中，需要考慮到網口配置失敗的情況。例如，用戶應用程序通過雙網口實時傳輸1.2Gbps的數據，如果一個網口配置失敗，則應用程序應有相應的機制將實時傳輸速率降低到0.8Gbps以下（單網口實際傳輸速率可能低于0.8Gbps）。本文硬件系統在沒有其他任務開銷情況下，實測可以傳輸1.5Gbps的數據（傳輸過程中不考慮錯誤，不進行重發）。

　　圖7 數據通信流程

　　結語

　　超過1Gbps傳輸速率的通信接口一般采用光纖、PCE、PCIe等接口方式。本文采用雙網口方式可以降低設備要求，和既有設備方便連接。使用多核DSP提高處理器工作能力，在保證大容量數據傳輸過程中，處理器仍然具有對數據的計算能力。雙網口設計方案可以彌補單網口的傳輸速率不足，又可以降低其他接口的硬件復雜度，是介于兩者之間的有益補充。在嵌入式設備中具有一定的應用價值。