基于MPC8245处理器和BCM56500芯片实现交换型路由器的设计
作者：陈向荣;肖军;黄义雄;卢海军;郭炜
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
LAN Switch的软件启动和硬件初始化过程
LAN Switch采用WindRiver公司VxWorks操作系统。在CPU最小系统（CPU＋SDRAM＋Flash＋串口）完成启动后，需要通过PCI总线对LAN Switch交换部分进行初始化，主要步骤如下。
（1）由于BCM56500工作在little endian模式，而MPC8245工作在big endian模式，因此需要对头模式进行设置（可以使用字节位移指令或者对CONFIG_ADDR和CONFIG_DATA在访问前进行字节交换）；
（2）根据硬件连接选择PCI设备的设备号，配置交换芯片BCM56500的PCI基地址和窗口大小；
（3）通过PCI总线使用交换芯片BCM56500的CPU管理接口确定交换芯片的型号，然后根据不同的芯片类型进行初始化和DMA通道的配置；
（4）挂接交换芯片的驱动程序和各种API，完成LAN switch的初始化过程。
其中第三、第四步骤需要Broadcom公司的软件开发支持包（SDK）支持，直接从程序中调用Boradcom的初始化程序，可以保证正常完成初始化和加载驱动程序。
以下对PCI驱动的设计配置和SDK做进一步的说明。
前面已经说明了对于BCM56500的IDSEL信号已经确定，设计中使用VxWorks的标准PCI驱动程序，对于BCM56500的PCI挂接例程如下。
（1）在bootROM中用sysHwInit（）调用sysPciAutoConfig（），对PCI_SYSTEM结构进行实例化；
（2）同样在sysHwInit（）中，使用pciConfigOutLong（）对BCM56500的基地址和窗口大小进行配置，然后使用pciConfigOutByte（）挂接BCM56500的中断至CPU的外部中断向量表；
（3）至此，PCI配置完成。通过BCM56500的S_Channel可以配置BCM56500中的各个寄存器和表项。S_Channel的消息传递有特殊的格式和规范，一般通过Broadcom公司提供的软件开发支持包（SDK）中自带的标准函数来进行配置。
本设计使用Broadcom公司5.2.3版的SDK。SDK的设计严格分层，自下而上分成操作系统（RTOS）、操作系统适配层（SAL）、芯片系统层（SOC）、分发层（Dispatch）和BCM的应用接口层（API层）。由于SDK支持Broadcom公司的几乎所有交换芯片，因此在使用SDK的时候，在使用API之前需要进行芯片查询，按照搜索到的芯片挂接相对应的API。整个的芯片查询和挂接API的过程，使用SDK实现相当方便。初始化SDK的API的过程如下。
（1）SDK软件初始化：diag_shell（），sysconf_int（）；
（2）在本地的PCI总线上查询Broadcom设备：sysconf_prob（）；
（3）根据查询到的设备进行相对应的驱动程序挂接：sysconf_attached（）；
（4）应用正确的驱动程序对交换芯片进行初始化：system_init（）；
（5）芯片基本的初始化后，进入正常的工作状态，此时可以进行应用程序的初始化了：bcm_init（），应用程序和协议栈入口。
交换性能测试结果和三层功能实现
设计定型后的LAN Switch经过SmartBits测试，每个端口都可以达到线速转发，稳定性测试表明可以达到48小时千兆线速无丢帧性能。所得的结果如图4所示。
图4 千兆光接口48小时性能测试结果
由于这个设计方案使用CPU＋ASIC方案，三层的IP路由转发功能由交换芯片的三层转发表（L3_Table）实现线速转发。其他的三层协议栈功能应用交换芯片中过滤器实现。在本设计中，根据需求完成了OSPF、RIP-2、DHCP、DHCP relay、IGMP、IGMP relay等常用IP协议栈，实现了基于PCI总线的板级高端口密度三层交换机的设计要求。
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