摘 要: 分析了Motorola MPC860嵌入式微處理器的性能和特征，描述了MPC860在ADM系統中的應用，突出了MPC860嵌入式微處理器的通信處理能力。
關鍵詞: STM MPC860嵌入式微處理器 ADM系統
1 MPC860
MPC860 PowerQUICC是當今比較流行、性能相當優越的單片集成嵌入式微處理器。它內部集成了微處理器和一些控制領域的常用外圍組件，特別適用于互聯網絡和數據通信。PowerQUICC可以稱為MC68360在網絡和數據通信領域的新一代產品，各方面性能包括適應性、擴展能力和集成度等獲得了較大提高。MPC860 PowerQUICC通信處理器可根據用戶不同的要求提供2～4個串行通信控制器、不同規格的指令和數據緩存，各種級別的網絡協議支持。該產品專為寬帶接入設備如路由器、接入集線器、LAN/WAN交換機、PBX系統和STM網關等設計。
圖1是MPC860結構圖。它包括三個主要模塊:PowerPC核心、系統接口單元(SIU)、通信處理模塊(CPM)。
PowerPC是主要的處理機單元，通常稱為 Embedded PowerPC核心(或EPPC)。它包括數據和指令的緩存和存儲器管理單元(MMU)，在40MHz時鐘時為50 MIPS 指令速度。
第二個主要的模塊為系統接口單元(SIU)。主要包括:總線監視器、假中斷監視器、軟件看門狗、中斷定時器和實時時鐘(RTC)、復位控制器、不占用內部開銷的片內總線仲裁、JTAG1149.1測試口。它的一個主要功能是提供內部總線和外部總線的接口。
第三個主要模塊為通信處理機模塊(CPM)。主要包括:RISC控制器、所有串行通道口支持連續接收和發送模式、5K字節雙口RAM、16個串行DMA(SDMA)通道、三個平行I/O寄存器、四個波特率獨立的發生器(可以連接到任意一個SCC和SMC，并允許運行中改變，支持自動波特率)、四個串行通信控制器(SCC)(支持以太網、HDLC/SDLC、HDLC 總線)、兩個串行管理控制器(SMC)(UART方式或透明傳輸)、一個串行外圍接口電路(SPI)(MC68302 SCP的擴展，支持主從模式，支持同一總線上多主操作)、一個I2C(Inter-Integrated Circuit)接口(支持主從模式，支持多主環境)。CPM在幾個不同的通信設備如SCC和SMC上發送、接收數據，所有的通信設備可以獨立工作。SCC和SMC也可以用于時分復用總線。
在圖1中，CPM模塊中有一個32位RISC微處理機。MPC860有兩個CPU:PowerPC和32位RISC。PowerPC執行高層代碼，RISC處理實際通信的低層通信功能。由于CPM分擔了嵌入式PowerPC核的外圍工作任務，這種雙處理器體系結構功耗要低于傳統體系結構的處理器。兩個處理器主要是通過內部存儲空間相互配合工作。在存儲器區，每個處理器都可以設置控制位、讀狀態位。在圖1中，有16個串行DMA單元。每個通信設備都有一個發送DMA和接收DMA，32位RISC控制這16個串行DMA在通信設備和存儲器之間傳送數據。當MPC860接收數據時，串行DMA從通信設備接收數據并放入存儲器中;發送數據順序相反，串行DMA從存儲器中取數據，送到通信設備，串行DMA只服務CPM的RISC，但是兩個虛擬IDMA可以為用戶DMA所用。
2 ADM系統
2.1 系統概述
ADM即分插復用器，它是一個三端口設備，具有兩個SDH光接口(線性接口)，通過另一端可以靈活地上/下路復用在STM信號中的低速率信號。ADM內部還具有時隙交換功能，允許兩個STM信號之間不同VC的互聯，并能方便地進行帶寬管理。在實際網絡中，根據ADM的結構特點，可靈活地用在網絡中不同的位置。在本系統中，主要任務是將155.52Mb/s的STM-1高速信號經光/電轉換，從幀結構恢復出低速的2.048Mb/s的E1信號，其逆過程正好相反。從理論上來說，將STM-1信號可以上下63路E1信號，為了系統的可維護性和美觀性，故采用4塊支路，每塊上下16路。
從圖2可以看出，分插復用器ADM是一種新型的網絡單元，是SDH中應用最廣、最富特色的設備。它將同步復用和數字交叉連接功能綜合于一體，具有靈活的分插任意支路信號的能力，在網絡設計上有很大的靈活性;采用同步復用方式和靈活的復用映射結構，可使高速信號一次直接分插出低速支路信號，即所謂的一步復用特性。ADM利用時隙交換實現寬帶管理，并且無需分接和終結整體信號，即可將各種G.703規定的接口信號(PDH)或STM-1信號(SDH)接入STM-M(M>1)內作任何支路。
群路:對接收信號進行光/電轉換，再生恢復出接收數據，同時將高速的信號轉變為并行的信號，從中分離出接收段開銷SOH，并對指針進行解釋，提取VC-4POH，進入虛容器VC-4處理，恢復下行的VC-4凈負荷，同時提供FPGA(交叉疊加模塊)接口;反過來將需要上行的VC-4凈負荷插入VC-4通道開銷POH，經過AU-4指針調整，并插入段開銷SOH，經電/光轉化上線路，成為STM-1信號。
支路:可用專用的芯片從數據總線具有VC-4的信號經過均衡、碼型恢復，解復用出所需的63路E1信號;反過來，將E1信號異步映射進入TU-12中，并將格式定為VC-4。
交叉疊加矩陣模塊:特定用途集成電路(FPGA)提供了良好的解決方案，降低了產生電信號的復雜性;另外，也有利于降低不同特征的結合。所有通信都經過此模塊，不管是低速向高速復用，還是高速向低速分插，甚至高速流的通過。此連接將有固定通道或者有程序設定，配置為分插復用設備、終端及轉發器。在該模塊中，信號進行相應的延遲，產生一定的片選和觸發信號，特別對于復用的信號，有直接的觸發作用。
時鐘板:在數字傳輸和素質交換的數字網絡中，網同步特別重要。網同步的目標就是使各節點時鐘頻率和相位都控制在預先確定的容差范圍內，以便使網內的數字流實現正確有效的傳輸和交換，避免數據因時鐘不同步而產生滑動損傷。時鐘板的功能就是實現網同步，為SDH單元提供系統時鐘信號。
公務板:利用STM再生段中的E1字節來實現SDH網中各站之間的語音聯絡。本系統公務板的特點為:
(1)PCM語音編碼，64Kbit/s編碼速率，音質較好;
(2)能實現點對點、一點對多點、點對組、點對全線的呼叫;
(3)多方會議通話方式;
(4)聯絡信令插在PCM通話數據流中，對通話質量無影響。
2.2 系統控制器——網元控制板
對于每一個單模塊的控制管理，采用最普遍的80C31單片機，管理通信及監測系統性能，對不同的告警及時上報或屏蔽。主控制器采用實時處理很強和通信能力高的Motorola32位單片集成微處理器MPC860，采用串口RS232與各模塊中的單片機進行多機(8031)通信，及時處理告警及環路能力，此外還提供了高級網管的Qx接口。網管系統可通過一個Qx接口或內嵌的通信通道(ECC)對所有網絡內的同步復接器進行中央控制，如圖3所示。時鐘分配為:提供同步時鐘基準信號，用于內部的數據總線及外部的接口。此處用三級振蕩器(4.6ppm的誤差)，給不同模塊提供不同的時鐘。
在網元控制板中，配置了FLASH BOOTROM嵌入式VxWorks實時多任務操作系統的引導程序，用于保存重要的數據;FLASH DATABASE存儲應用程序;DRAM作為程序運行和保存臨時文件的空間。
在這個網元控制板中，MPC860是核心單元，它實現對各通信口的處理和調度，滿足實時處理的要求。
Qx接口:Qx接口用于與上層網管通信，采用以太網(Ethernet)接口，使用CPU(MPC860)的SCC1。為得到以太網的標準電平，需要用以太網接口芯片擴展出以太網的標準TP接口，用專門的變壓器芯片轉換電平。一般的網管用PC機，加上相應的網管軟件就可以對各單板進行管理和性能監測，比較形象直觀地反映系統情況。
F接口:F接口采用RS232接口，用MPC860的SCC2加上MAX202E提供RS232的NULL MODEM三線(收、發、地)連接方式接口，用于下載VxWorks BOOTROM 程序。
S接口:S接口采用RS232串口的多機通信方式。除收發總線外，對每一個外圍CPU分配一個中斷。其中包括時鐘板、公務板、四塊支路板、兩塊群路板，利用中斷請求來對各單板進行警告、性能監測等管理。對于四塊支路板，可以設定地址碼，每塊支路板共有三個地址碼，分別為發送、單接收、群接收。只要解釋出命令碼中對應的地址碼，就可以確定該板的接收和發送狀況。
ECC接口:MPC860的SCC3提供東向群路的ECC接口，SCC4提供西向群路的ECC接口。利用HDLC協議，實現各網元之間的通信。
SPI:由于網元監控需要確切的實時時間，采用DS1305集成芯片完成與主CPU的外圍接口(SPI)連接，構成SPI標準串行總線。主CPU作為主控制器(Master)，而DS1305作為從屬的(Slave)，主CPU通過讀寫DS1305中的RAM實現對后者的模式設置和時間的讀取。為保證斷電時仍能準確計時，需要一個后備的可充電電池。正常時有電源供電，且對電池充電，一旦掉電，電路自動轉化為后備電池供電。
2.3 軟件部分
圖4為網元控制板軟件的功能模塊結構，它包括以下幾個模塊:
(1)初始化模塊
初始化模塊在VxWorks程序的入口處執行，是整個網元控制板軟件的基礎。在該模塊中，執行一些全局變量的初始化，基本任務的創建，基本消息隊列的創建等。
(2)命令分析模塊
命令分析模塊是整個網元控制板軟件VxWorks程序的核心模塊之一。在模塊中對來自各個通訊口(包括Q口、S口、ECC口)的通訊消息進行分析，解析出命令代碼;然后根據命令代碼來決定把消息發送到具體的單處理任務中。
命令分析模塊本身也是個任務。它接收調度任務模塊發送來的消息，然后根據系統的運行狀態分別調用內部函數來處理該消息，主要功能是對發到本站的命令進行處理。
(3)任務調度模塊
任務調度模塊也是網元控制板軟件的一個核心模塊。該任務由ROOT任務創建。它常駐內存，是SMC的調度樞紐，從某些模塊來的命令消息都經過它分發后交由另外一些模塊處理，此任務的優先級較高。主要功能是接收各通信口(Qx、ECC、S)及本地產生的命令消息，根據不同的消息來源標志作相應的處理:
·如果命令消息來自Qx通信口，則該命令由網管發出，調用相應的函數來處理該消息;
·如果命令消息來自ECC通信口，則該命令是經過本站并也需要本站處理的命令，調用函數來處理該消息;
·如果命令消息來自S通信口，則該命令是單板上報的命令，直接將命令發往消息隊列由命令分析模塊來處理該消息;
·如果命令消息來自本站并且是上報網管的命令，則調用函數來處理該消息;
·如果命令消息來自本站并且是下發各單板的命令，則直接將命令發往消息隊列由S通信模塊來處理該消息。
(4)獨立的功能模塊
在網元控制板模塊中還包括一些獨立的模塊。獨立的功能模塊是SDH網元控制板的主要功能模塊，包括:配置管理模塊、告警管理模塊、性能管理模塊、安全管理模塊、維護管理模塊等。各功能模塊均由一個基本任務完成。
(5)Qx通訊模塊
Qx通訊模塊完成網元控制板和上層網管的通訊，通訊采用10M以太網方式，協議采用標準UDP/IP。由于各SDH網元本身不可能在一個局域網內，為簡單起見，各網元的IP地址規定一個統一的IP地址，而網管計算機的IP地址也固定。這樣可以不經過下載數據庫建立以太網通訊，從而大大方便了初始化工作的順利進行。
(6)S口通訊模塊
S口通訊模塊完成網元控制板與各功能單板的CPU(8031)通訊。通訊方式采用標準串口RS232的UART協議。一機對多機模式通訊，各單板采用一個獨立的中斷來激發主控板的通訊任務。在S口通訊模塊中引入A類地址和B類地址來完成網元控制板主動與單板通訊和單板主動與網元控制板通訊。為了保證通訊的可靠性，在每次通訊過程中均加上校驗，校驗采用異或和方式。
(7)ECC通訊模塊
ECC通訊模塊負責完成各獨立的網元之間網管信息的通訊。ECC采用SDH幀結構中的D1～D3字節作為物理層，在數據鏈路層采用HDLC協議。ECC端口采用MPC860的SCC3和SCC4兩個端口發送和接收。由于ECC通訊有非常清晰的網絡拓撲結構，為了達到更高效的通訊目的，引入了ECC路由表的概念。ECC路由表存放每個SDH網元的相鄰網元的地址信息。ECC路由必須根據開局的網絡拓撲結構來具體設置。ECC通訊用應答來決定是否發送成功，如果成功，發送一個應答正確的消息;否則發送一個應答失敗的消息。如果在第一優先路由的端口發送失敗，采用第二優先路由的發送端口。ECC通訊任務在初始化創建后，一直常駐內存。ECC的通訊任務主要包括三個任務，即ECC收任務、ECC發任務、應答檢測任務。
(8)數據庫模塊
數據庫模塊是一個獨立的外掛模塊，主要完成對嵌入式數據庫的操作，包括數據庫的創建、刪除、查詢、插入、修改等。數據庫模塊提供了標準的接口供應用程序調用，而數據庫模塊本身可看做一個黑盒子，不必去考慮。
ADM系統可以直接從155.52Mb/s上下2.048MB/s E1信號，滿足當今寬帶化的需求。用MPC860作為網元控制的核心部件，效果十分理想，實時性很好，很好地滿足了ADM系統的所需。
參考文獻
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2 ITU Recommendation G.703，G.781，G.253
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4 韋樂平. 接入網.北京:人民郵電出版社
5 ADM設計技術文件