MPC860在七号信令网关中的应用

摘要：介绍了PowerPC MPC860的内部结构、主要功能和性能特性，描述了它在七号信令网关中的应用，突出了其良好的性能及在七号信令网关中的重要地位。 关键词：PowerPC MPC860 通信处理模块 七号信令 1 MPC860介绍 PMC860是Motorola PowerPC系列CPU芯片主导产品，是互联网络和数据通信及控制领域使用较多、性能相当优越的嵌入式微处理器，内部集成了微处理器和一些通信领域的常用外围设备控制组件。MPC860相对先前的68K系列，性能和功能都有了大幅提高，CPU处理速度更快，通信处理能力强大。 MPC860结构框图如图1所示。 由图1可以看出，MPC860主要可分为三部分：PowerPC处理器核、系统接口单元（SIU）和通信处理模块（CPM）。 嵌入式PowerPC内核是主要的核心处理机单元，采用USIA(User Instruction Set Architecture)结构和全静态设计，拥有整形单元IU（Integer Unit）和加载/存储单元LSU(Load/Store Unit)，支持32位内/外部总线接口。它包括4KB数据和指令高速缓存；集成有存储管理单元MMU；在50MHz时钟输入时拥有66MIPS的指令处理速度。 系统接口单元主要包括存储控制、总线监视、中断控制、软件看门狗、实时时钟、复位控制、总线仲裁和JTAC调试等功能模块。在32位系统总线下存储控制器支持动态数据总线宽度，可以分别支持8、16和32位外设或存储设备。 通信处理机模块主要包括RISC处理器、四个串行通信控制器（SCC）、两个串行管理控制器（SMC）、一个串行外围接口电路（SPI）、一个I2C(Inter-Integrated Circuit)接口、5KB双端口RAM、三个并行I/O端口、四个独立的波特率发生器以及16位支持SCC、SMC、SPI和I2C的串行DMA通道。SCC可支持以太网、HDLC/SDLC、HDLC总线、AppleTalk、7号信令系统、UART、BISYNC、透明传输、支持PPP的异步HDLC等标准协议；SMC则可支持UART和透明传输等模式。CPM在几个不同的通信组件如SCC和SMC上可以同时收发数据，所有的通信组件可以独立地工作。SCC和SMC的物理接口由串行接口SI(Serial Interface)实现，SI允许SCC和SMC有两种外部连接方式：时分复用（TDM）接口引脚和非时分复用串行接口（NMSI）时的专用引脚。时分复用接口由MPC860的TDM引脚和时隙分配器（TSA）实现。MPC860提供两个TDM接口（TDMa、TDMb），用户可以通过编程TSA来实现TDM和SCC、SMC之间的数据路由。每个通信设备都有独立的DMA控制器，32位RISC控制这16个串行DMA在通信设备与双端口RAM或外部SDRAM之间传送数据。接收数据时，串行DMA从通信设备接收数据并将数据存入双端口RAM或外部SDRAM中；发送时顺序相反，串行DMA从双端口RAM或外部SDRAM中读取数据，由通信设备完成数据的发送。 MPC860采用双处理器结构，内部集成PowerPC Processor和CPM RISC Processor。PowerPC执行高层代码，完成对外设的配置；RISC用来处理通信控制中的底层通信任务。两个处理器通过内部的5KB双端口RAM相互配合工作。在该存储区，每个处理器都可以根据运行情况独立设置控制位、读取状态位。由于CPM分担了嵌入式PowerPC的外围工作任务，减少了PowerPC对底层通信任务的干预，因而提高了PowerPC的工作效率。 由于通信处理模块中各通信控制器支持多种网络协议再加上PowerPC较快的处理速度，MPC860在许多领域得到了大量的应用，尤其适用于宽带接入设备如路由器、接入集线器、LAN/WAN交换机、PBX系统和STM网关等设计。 2 七层信令系统 七号信令系统是数字通信网中采用最多的公共信道信号技术，它由消息传递部分（MTP）和用户部分(UP)组成。消息传递部分又可分为信令数据链路、信令链咱和信令网三部分，即通常所称的MTP1、MTP2和MTP3；用户部分则可分为电话用户部分（TUP）、数据用户部分（DUP）和ISDN用户部分（ISDN-UP）。其结构图如图2所示。 信令数据链路（MTP1）是指信令传递的物理介质，主要定义了信令数据链路的物理、电气和功能特性，规定与数据链路的连接方式，为信令链路提供信息载体。信令链路（MTP2）规定信令消息在信令数据链路上传递的功能和程序，与信令数据链路一起为两点间信令传递提供可靠的功能和程序，主要用来实现消息路由、消息识别、消息分配以及信令业务量管理、信令链路管理和信令路由管理等功能。 随着七号信令的普及，七号信令的业务量不断增加，特别是在移动信令网上，原有64kbps信令链路已经不能完全适应业务量增长的需求，对2Mbps高速信令链路的需求日益迫切。在下面的设计中，同时提供了64kbps和2Mbps两种迫令链路，以满足不同业务的需求。 3 七号信令处理子系统的实现 七号信令处理子系统是七号信令网关的一部分，主要用来实现MTP中一、二级功能，同时为二、三级提供可靠的数据通路。 3.1 硬件组成 七号信令处理子系统的硬件主要由核心处理器MPC860、数据交换网络（DSN）、E1接口模块、内存SDRAM、引导FLASH和HDLC控制器组成，结构如图3所示。 E1接口模块选用集成有E1成帧器（FRAMER）和线路接口单元（LIU）的专用E1收发器。E1收发器直接挂接到MPC860 PPC总线上，由MPC860配置。在接收方向，每4路E1复用为128通道的8.192Mbps H-MVIP（大容量多路复选综合协议）接口数据（与H-100兼容）；发送方向相反，8.192Mbps H-MVIP分用出4路E1。线路接口单元完成数据的A/D和D/A转换，有B8ZS、HDB3和AMI三种数据编解码方法可供选择。 数据交换网络可以采用专用的多速率交换芯片实现。将多条E1链路的任意32或64时隙交换到MPC860的串行通道SCCn(n可以为1,2,3,4中的一个或多个)上。交换芯片的配置也是由MPC860完成，根据交换配置的不同，可以实现64Kbps和2Mbps两种不同的信令链路。 与数据交换网络相连的串行通道SCCn和MPC860的QMC控制。QMC（QUICC Multichannel Controller）是QUICC多通道控制器的简称。每个SCC都可以工作在QMC模式下，独立支持64条信道，并且允许将64条信道任意映射到TDM中的64个时隙。QMC同时使用TSA的两个TDM（TDMa和TDMb），每条信道可以独立地配置成HDLC或透明传输（transparent）模式。 HDLC控制器为MTP2与MTP3通信提供可靠的物理链路，每个HDLC控制器可以提供多条HDLC链路。HDLC控制器由MPC860通过PCI桥配置，PCI桥则由专门的桥接芯片来实现。桥接芯片和MPC860通过PPC总线相连（称作Qbus），与HDLC控制器都挂接在PCI总线上。桥接芯片完成Qbus和PCI总线之间电路特性的转换、数据传递以及地址和存储空间的映射。 内存（SDRAM）用来存放用户数据和代码，为程序运行和保存临时文件提供空间。由于系统中有不同的总线主设备要用SDRAM存储数据和代码，各设备并不都能提供内部地址复用功能，所以SDRAM采用外部地址复用。可以根据实际需要采取不同大小的内存。上电引导Flash用来固化上电引导程序、操作系统内核以及用户应用程序。 为便于调试，系统提供RS232串口和10Mbps/100Mbps网口与计算机通信。串口使用MPC860的SMC1或SCM2，通过RS232收发器完成RS232电平转换。10Mbps和100Mbps网口可分别采用串行通信控制器SCC和快速以太网控制器FEC。通过这些调试口可以完成操作系统内核和应用程序的加载，对系统性能和运行状况进行实时监控。 另外系统还采用MPC860的BDM（Background Debug Mode）作为系统的调试端口，应用VisionCLICK或XRAY等调试软件对系统进行调试，完成操作系统内核的加载和固化等。 可编程逻辑模块CPLD主要用来实现： （1） 各模块间时序关系的调整； （2） 译码逻辑； （3） 系统运行状态的监测； （4） 为调试而设计的其他相关逻辑控制。 （5） CPLD的具体实现可以有多种选择，如Xilinx的Foundation、Maxplus等。 3.2 软件实现 针对系统硬件设计，系统软件分成相应的几个模块，主要包括BSP、数据链路初始化和MTP2,如图4所示。 (1)BSP(Board Support Packet)为Vxworks操作系统内核提供基本硬件接口，完成上电后的硬件初始化，支持Vxworks与硬件驱动的通信。根据系统硬件的实际应用情况，制作生成BootROM映像和Vxworks映像。其中BootROM映像完成最小的系统初始化，同时为装载Vxworks映像提供环境。 （2）初始化模块包括了对E1接口、数据交换网络、HDLC控制模块和桥接芯片的初始化，使得各模块处于激活或工作状态； （3）MTP2一方面根据MTP3的编程功能，把要发送的信令消息发到信令数据链路上去，同时把接收的信令消息传送到MTP3；另一方面，还要在信令点终端内或两个终端之间传递信令链路状态信息及处理机状态信道，并根据这些信息采取一定的控制处理措施。MTP2可分为链路状态控制、起始定位控制、处理机故障控制、基本发送控制、基本接收控制、定位误差率监视、信号单元误差监视和拥塞控制等模块。 七号信令处理子系统为用户提供了64kbps和2Mbps两种信令链路，可以满足不同的业务需求。MPC860作为主控器件，很好地完成了对各子模块的配置和监控，其快捷的处理速度和强大的通信处理能力为系统提供了很好的实时性。