论文部分内容阅读
[摘要]IXP420是Intel公司推出的基于XScale内核的高性能、高集成度的网络处理器。主要介绍一种基于IXP420的多端口路由器的系统设计架构和部分电路设计的实现方法，并对其软件构成做简要的叙述。
[关键词]网络处理器 IXP420 路由器
中图分类号：TN8 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0920042－02
随着因特网的迅速发展和推广应用使人们对它提出不断增长带宽和复杂服务的需求[1]。未来的网络不仅需要更大的带宽，还要求它能不断增加新的服务。如何实现这些新的功能，以及如何适应不断增加的网络业务类型增长的需求是对网络系统厂商提出的新挑战。为适应这种不断发展的网络技术，出现了网络处理器（Network Processor，NP）这种新的微处理器。网络处理器是一种专用于网络系统的微处理器，它使得网络系统能够具备高性能和灵活性。与通用处理器不同，NP不以通用处理能力如定点和浮点计算能力、CPU主频为主要性能指标，而是针对网络分组的处理和转发这一中心任务采取了架构上的优化，提供线速的分组转发能力；又与ASIC（Application Specific Integrated Circuit）不同，NP作为处理器，又具备软件可编程的特点。
Intel公司是生产网络处理器的主要厂商之一，其推出的IXP420网络处理器即是一典型代表，它以其完善的功能性、良好的适应性、充分的扩展性和优秀的性能价格比正在中小型高速网络应用领域得到日益广泛的重视。
一、IXP420网络处理器简介
IXP420网络处理器采用的是XScale架构的RISC（Reduced Instruction
Set Computing）处理器内核，通过它来实现一些基本的数据处理和控制作用。由于是专为网络应用而设计的产品，因此与其它嵌入式微处理器不同的是还集成了两个独立的网络处理引擎（Network Processor Engine,NPE）用来执行网络数据的处理，这样可以减轻Xscale内核的计算量，让它可以集中力量进行普通的计算和控制任务。由于四个处理器在硬件上是独立的，因此可以并行运算从而提高处理效率，除此之外，IXP420处理器也集成了多种常用模块，如USB、UART等以连接不同外设。它的整体结构[2]如图1所示。
Intel 的XScale内核采用了ARMV5结构，但不提供浮点指令的硬件支持。它具有32KB指令高速缓存、32KB数据高速缓存和2KB的Mini数据高速缓存以及独立的指令/数据存储管理单元（MMU）。XScale内核是32位的RISC处理器，但它也支持32位的Thumb指令集（ARM V5T）。此外，它还提供了DSP扩展（ARM V5E）。
网络处理器引擎NPE是IXP420的一大特点，它的内核是一个多线程的硬件处理器引擎，本身就是133MHz的RISC处理器，拥有独立的数据、指令存储器和指令集。它的主要功能就是用来对那些标准RISC处理器难以高效执行的数据处理任务进行处理。有了NPE和XScale处理器内核的分工合作，IXP420不管是面对普通的数据处理和管理任务还是网络方面的任务，都能高速而有效的进行处理。由于IXP420芯片有如此强大的功能，它能被很好的用于网络处理工作。
二、系统硬件设计
（一）系统硬件架构
整个系统硬件以IXP425为核心，主要分为外部接口，内存接口和扩展总线接口，电源，复位逻辑，外部LED指示灯五部分[3]，系统硬件架构如图2所示。
该架构主要提供JTAG接口和以太网两种外部接口。JTAG接口主要用来实现对内部系统进行管理和操作。以太网接口有七个，两个MII（Media Independent Interface）通过KSZ8995M对外连接五个以太网接口，另外用PCI总线通过KSZ8842M扩展了两个以太网接口。KSZ8995M、KSZ8842M是用于网络的可管理的二层交换芯片，其中IXP420的一个MII接口通过KSZ8895M接出四个以太网接口共享100M的带宽，其作用是用来连接内部以太网，IXP420的另一个MII接口通过KSZ8895M连接一个以太网接口，可以用来连接外部以太网，为了增加对外的以太网接口，由PCI总线通过KSZ8842M扩展了另外两个以太网接口。
（二）电源电路设计
在任何电子系统设计中，电源设计都是一个重要的环节，如果设计方法不当，就可能会辐射过多的电磁干扰，造成电源工作不稳定，影响整个系统的性能，甚至使系统无法工作。整个路由器系统需要3.3V、2.5V、1.8V和1.3V四种直流电源，其中1.3V为IXP420芯片核心供电，其它为IXP420的外围及其他外部芯片供电。系统使用5V的外界电源经电源转换芯片MAX1953多片级联产生系统所需要的直流电源。
该部分设计的重点在于IXP425芯片的供电电源设计，由于IXP420芯片对外围设备供电的3.3V和对内核供电的1.3V上电次序有特殊要求，其上电时序[4]如图3所示（其中Vccp=3.3V,Vcc=1.3V,）。如果其上电时序没有按照设计要求，就会导致系统无法正常工作或者芯片的烧毁。为了满足其上电时序的要求，设计的部分电路原理如图4所示。在设计中必须要对IXP425上电的3.3V电源进行监控，这里用MAX6423来监控。MAX6423是低电压、电容调整延时的RESET芯片，当被监控的电压未达到3.3V时，MAX6423的RESET引脚一直输出高电平，芯片U2处于关闭状态；当被监控的电压达到3.3V时，经过的延时，RESET引脚输出低电平，使U2处于工作状态，输出1.3V的电压。MAX6423产生的延时由公式[5]计算出来，因为远大于
可以满足系统上电时序要求，故使MAX6423的SRT引脚悬空即可（也即
）。
（三）内存接口设计
内存接口设计是高速板设计的关键点，也是难点。IXP420拥有工作频率为133MHz的32位数据总线，13位的地址总线，支持的内存容量从8M到256Mbytes，从工作频率上信号划分属于高速信号，虽然内存接口的连线关系比较简单，但要使其正常工作，在PCB的设计中就有一点的难度，在内存的PCB设计中需要注意的关键是消除传输线效应[6]，由于SDRAM的工作频率大于50MHz，是高速传输线，所以必须考虑传输线效应。传输线效应指的是在电路设计中出现的反射信号、信号延时和时序错误、多次跨越逻辑电平门限错误、过冲与下冲、串扰和电磁辐射等效应。
在内存的PCB设计中主要是要防止信号的反射和串扰，如果一根走线在终端没有匹配，那么来自于驱动端的信号脉冲在接收端将被反射，从而引发不预期效应，使信号轮廓失真，严重时导致设计失败；相邻信号线之间会感应出相关的信号，产生相互干扰，如果干扰严重也会导致设计的失败。要解决反射信号和串扰的问题就要注意两个方面：其一，在设计中运用合理的设计走线长度、线间距、线的厚度、各的距离，从而控制传输线的阻抗，力求每条地址线和数据线的线长、线宽一致。其二，要合种传输线理规划器件的布局和走线的拓扑结构。合理地进行器件的布局，是设计稳定性硬件平台的前提，正确的走线可以保证数据信号的完整性。
（四）以太网接口设计
系统设计中采用MICREL公司的KS8995M、KS8842M作为二层交换芯片。KS8995M和KS8842M都是高集成度的可管理的交换芯片，集成了控制器、PHY、MAC、1K的专用地址查找引擎、数据帧缓存单元和外部EEPROM控制器[7][8]，其中KS8995M具有双MII接口可支持5个以太网接口。
IXP425的两个NPE处理器通过MII接口与KS8995M相连，作为路由处理的上行接口，KS8995M的五个以太网接口外接五个RJ45作为交换功能的下行接口，并且可以配置任一个以太网接口作为连接外部网络的接口。设计过程中差分信号要求在同一层上且尽可能的靠近平行走线，差分信号之间不允许插入任何信号，并要求等长，以保证信号的完整性。
三、系统软件构成
路由器软件系统包括VxWorks嵌入式操作系统、IPv4协议栈软件、路由协议软件、板级支持包（Board Support Packet，BSP）和微码五个部分，如图6所示。
前四个部分运行在IXP420的内核，微码部分运行在网络处理器的微引擎里。BSP作为操作系统的扩充，专门对连接在系统板上的各种设备进行控制，如PCI接口、以太网接口等，BSP上面是IP协议栈软件和路由协议软件，负责数据的接收和转发管理。另外在管理平面上支持简单的网络管理协议（Simple Network Management Protocol,SNMP）和Telnet接口，方便系统的维护和管理。
四、结束语
本文介绍了Intel网络处理器IXP420的内部结构和功能特性，给出了一种基于该处理器的路由器设计方案，并讨论了硬件电路的实现方法以及系统软件构成。系统具有开发周期短、速度快、性价比高、管理方便等优势，可广泛应用于SOHO办公、工业控制等领域。
参考文献：
[1]胡越明.Intel网络处理器及其应用开发[M].北京：清华大学出版社，2005.
[2]INTEL Inc. Intel® IXP420 Network Processor Product Brief[DB/OL].www.intel.com，2006.
[3]赵凯.基于IXP425防火墙硬件平台设计[J].信息安全与通信保密，20071.
[4]INTEL Inc.Intel® IXP42X Product Line of Network Processors and IXC1100 Control Plane Processor[DB/OL].www.intel.com,2006.
[5]MAXIM Inc.MAX6423 Datasheet[DB/OL].www.maxim-ic.com,2002.
[6]周润景.Mentor WG高速电路板设计[M].北京：电子工业出版社，2006.
[7]MICREL Inc.KS8995MA Product Brief[DB/OL].www.micrel.com,2006.
[8]MICREL Inc.KS8842-PMQL Product Brief[DB/OL].www.micrel.com.2006.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
[关键词]网络处理器 IXP420 路由器
中图分类号：TN8 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0920042－02
随着因特网的迅速发展和推广应用使人们对它提出不断增长带宽和复杂服务的需求[1]。未来的网络不仅需要更大的带宽，还要求它能不断增加新的服务。如何实现这些新的功能，以及如何适应不断增加的网络业务类型增长的需求是对网络系统厂商提出的新挑战。为适应这种不断发展的网络技术，出现了网络处理器（Network Processor，NP）这种新的微处理器。网络处理器是一种专用于网络系统的微处理器，它使得网络系统能够具备高性能和灵活性。与通用处理器不同，NP不以通用处理能力如定点和浮点计算能力、CPU主频为主要性能指标，而是针对网络分组的处理和转发这一中心任务采取了架构上的优化，提供线速的分组转发能力；又与ASIC（Application Specific Integrated Circuit）不同，NP作为处理器，又具备软件可编程的特点。
Intel公司是生产网络处理器的主要厂商之一，其推出的IXP420网络处理器即是一典型代表，它以其完善的功能性、良好的适应性、充分的扩展性和优秀的性能价格比正在中小型高速网络应用领域得到日益广泛的重视。
一、IXP420网络处理器简介
IXP420网络处理器采用的是XScale架构的RISC（Reduced Instruction
Set Computing）处理器内核，通过它来实现一些基本的数据处理和控制作用。由于是专为网络应用而设计的产品，因此与其它嵌入式微处理器不同的是还集成了两个独立的网络处理引擎（Network Processor Engine,NPE）用来执行网络数据的处理，这样可以减轻Xscale内核的计算量，让它可以集中力量进行普通的计算和控制任务。由于四个处理器在硬件上是独立的，因此可以并行运算从而提高处理效率，除此之外，IXP420处理器也集成了多种常用模块，如USB、UART等以连接不同外设。它的整体结构[2]如图1所示。
Intel 的XScale内核采用了ARMV5结构，但不提供浮点指令的硬件支持。它具有32KB指令高速缓存、32KB数据高速缓存和2KB的Mini数据高速缓存以及独立的指令/数据存储管理单元（MMU）。XScale内核是32位的RISC处理器，但它也支持32位的Thumb指令集（ARM V5T）。此外，它还提供了DSP扩展（ARM V5E）。
网络处理器引擎NPE是IXP420的一大特点，它的内核是一个多线程的硬件处理器引擎，本身就是133MHz的RISC处理器，拥有独立的数据、指令存储器和指令集。它的主要功能就是用来对那些标准RISC处理器难以高效执行的数据处理任务进行处理。有了NPE和XScale处理器内核的分工合作，IXP420不管是面对普通的数据处理和管理任务还是网络方面的任务，都能高速而有效的进行处理。由于IXP420芯片有如此强大的功能，它能被很好的用于网络处理工作。
二、系统硬件设计
（一）系统硬件架构
整个系统硬件以IXP425为核心，主要分为外部接口，内存接口和扩展总线接口，电源，复位逻辑，外部LED指示灯五部分[3]，系统硬件架构如图2所示。
该架构主要提供JTAG接口和以太网两种外部接口。JTAG接口主要用来实现对内部系统进行管理和操作。以太网接口有七个，两个MII（Media Independent Interface）通过KSZ8995M对外连接五个以太网接口，另外用PCI总线通过KSZ8842M扩展了两个以太网接口。KSZ8995M、KSZ8842M是用于网络的可管理的二层交换芯片，其中IXP420的一个MII接口通过KSZ8895M接出四个以太网接口共享100M的带宽，其作用是用来连接内部以太网，IXP420的另一个MII接口通过KSZ8895M连接一个以太网接口，可以用来连接外部以太网，为了增加对外的以太网接口，由PCI总线通过KSZ8842M扩展了另外两个以太网接口。
（二）电源电路设计
在任何电子系统设计中，电源设计都是一个重要的环节，如果设计方法不当，就可能会辐射过多的电磁干扰，造成电源工作不稳定，影响整个系统的性能，甚至使系统无法工作。整个路由器系统需要3.3V、2.5V、1.8V和1.3V四种直流电源，其中1.3V为IXP420芯片核心供电，其它为IXP420的外围及其他外部芯片供电。系统使用5V的外界电源经电源转换芯片MAX1953多片级联产生系统所需要的直流电源。
该部分设计的重点在于IXP425芯片的供电电源设计，由于IXP420芯片对外围设备供电的3.3V和对内核供电的1.3V上电次序有特殊要求，其上电时序[4]如图3所示（其中Vccp=3.3V,Vcc=1.3V,）。如果其上电时序没有按照设计要求，就会导致系统无法正常工作或者芯片的烧毁。为了满足其上电时序的要求，设计的部分电路原理如图4所示。在设计中必须要对IXP425上电的3.3V电源进行监控，这里用MAX6423来监控。MAX6423是低电压、电容调整延时的RESET芯片，当被监控的电压未达到3.3V时，MAX6423的RESET引脚一直输出高电平，芯片U2处于关闭状态；当被监控的电压达到3.3V时，经过的延时，RESET引脚输出低电平，使U2处于工作状态，输出1.3V的电压。MAX6423产生的延时由公式[5]计算出来，因为远大于
可以满足系统上电时序要求，故使MAX6423的SRT引脚悬空即可（也即
）。
（三）内存接口设计
内存接口设计是高速板设计的关键点，也是难点。IXP420拥有工作频率为133MHz的32位数据总线，13位的地址总线，支持的内存容量从8M到256Mbytes，从工作频率上信号划分属于高速信号，虽然内存接口的连线关系比较简单，但要使其正常工作，在PCB的设计中就有一点的难度，在内存的PCB设计中需要注意的关键是消除传输线效应[6]，由于SDRAM的工作频率大于50MHz，是高速传输线，所以必须考虑传输线效应。传输线效应指的是在电路设计中出现的反射信号、信号延时和时序错误、多次跨越逻辑电平门限错误、过冲与下冲、串扰和电磁辐射等效应。
在内存的PCB设计中主要是要防止信号的反射和串扰，如果一根走线在终端没有匹配，那么来自于驱动端的信号脉冲在接收端将被反射，从而引发不预期效应，使信号轮廓失真，严重时导致设计失败；相邻信号线之间会感应出相关的信号，产生相互干扰，如果干扰严重也会导致设计的失败。要解决反射信号和串扰的问题就要注意两个方面：其一，在设计中运用合理的设计走线长度、线间距、线的厚度、各的距离，从而控制传输线的阻抗，力求每条地址线和数据线的线长、线宽一致。其二，要合种传输线理规划器件的布局和走线的拓扑结构。合理地进行器件的布局，是设计稳定性硬件平台的前提，正确的走线可以保证数据信号的完整性。
（四）以太网接口设计
系统设计中采用MICREL公司的KS8995M、KS8842M作为二层交换芯片。KS8995M和KS8842M都是高集成度的可管理的交换芯片，集成了控制器、PHY、MAC、1K的专用地址查找引擎、数据帧缓存单元和外部EEPROM控制器[7][8]，其中KS8995M具有双MII接口可支持5个以太网接口。
IXP425的两个NPE处理器通过MII接口与KS8995M相连，作为路由处理的上行接口，KS8995M的五个以太网接口外接五个RJ45作为交换功能的下行接口，并且可以配置任一个以太网接口作为连接外部网络的接口。设计过程中差分信号要求在同一层上且尽可能的靠近平行走线，差分信号之间不允许插入任何信号，并要求等长，以保证信号的完整性。
三、系统软件构成
路由器软件系统包括VxWorks嵌入式操作系统、IPv4协议栈软件、路由协议软件、板级支持包（Board Support Packet，BSP）和微码五个部分，如图6所示。
前四个部分运行在IXP420的内核，微码部分运行在网络处理器的微引擎里。BSP作为操作系统的扩充，专门对连接在系统板上的各种设备进行控制，如PCI接口、以太网接口等，BSP上面是IP协议栈软件和路由协议软件，负责数据的接收和转发管理。另外在管理平面上支持简单的网络管理协议（Simple Network Management Protocol,SNMP）和Telnet接口，方便系统的维护和管理。
四、结束语
本文介绍了Intel网络处理器IXP420的内部结构和功能特性，给出了一种基于该处理器的路由器设计方案，并讨论了硬件电路的实现方法以及系统软件构成。系统具有开发周期短、速度快、性价比高、管理方便等优势，可广泛应用于SOHO办公、工业控制等领域。
参考文献：
[1]胡越明.Intel网络处理器及其应用开发[M].北京：清华大学出版社，2005.
[2]INTEL Inc. Intel® IXP420 Network Processor Product Brief[DB/OL].www.intel.com，2006.
[3]赵凯.基于IXP425防火墙硬件平台设计[J].信息安全与通信保密，20071.
[4]INTEL Inc.Intel® IXP42X Product Line of Network Processors and IXC1100 Control Plane Processor[DB/OL].www.intel.com,2006.
[5]MAXIM Inc.MAX6423 Datasheet[DB/OL].www.maxim-ic.com,2002.
[6]周润景.Mentor WG高速电路板设计[M].北京：电子工业出版社，2006.
[7]MICREL Inc.KS8995MA Product Brief[DB/OL].www.micrel.com,2006.
[8]MICREL Inc.KS8842-PMQL Product Brief[DB/OL].www.micrel.com.2006.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”