??? 摘 要： 介紹了一款以MPC860 PowerQUICCTM(Quad Unit Integrated Communications Controller)嵌入式通信控制器為核心,、嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks為操作系統(tǒng)，帶有內(nèi)容過濾功能的硬件防火墻設計與實現(xiàn),，詳細闡明各種相關原理和關鍵技術。
??? 關鍵詞： MPC860? PowerQUICC? 防火墻? 嵌入式
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??? 與傳統(tǒng)的PC架構(gòu)硬件防火墻卡相比,，利用MPC860實現(xiàn)的硬件防火墻在系統(tǒng)結(jié)構(gòu),、體積、功耗,、成本以及應用上具有很大的優(yōu)勢。本文介紹的利用MPC860開發(fā)的硬件防火墻設計方案,，不僅充分利用了MPC860的功能,，并且在實現(xiàn)上所采用的設計思路可以很容易地應用到其他嵌入式開發(fā)中。
??? 本方案所使用的器件大部分是嵌入式開發(fā)中最經(jīng)常使用的器件,，所有的器件都具有一定的通用性,，稍加改動即可應用到其他設計中。并且在該系統(tǒng)的基礎上能很容易地開發(fā)出適用于其他方面的網(wǎng)絡控制及通信系統(tǒng),。
1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及工作原理
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點
??? 整個系統(tǒng)由核心板" title="核心板">核心板底板組成,，核心板主要包括：核心CPU（MPC860）、Flash存儲器,、SDRAM存儲器,、標準的SODIMM接口、電源監(jiān)控及復位電路,、時鐘驅(qū)動電路" title="驅(qū)動電路">驅(qū)動電路以及與底板相連的連接器,。底板主要包括：100M網(wǎng)絡接口電路" title="接口電路">接口電路、10M網(wǎng)絡接口電路,、BDM調(diào)試接口電路,、系統(tǒng)供電電路、實現(xiàn)控制和監(jiān)控功能的RS232接口電路和與核心板相連的連接器。方案設計中將整個系統(tǒng)分為核心板和底板兩部分,，分別設計實現(xiàn),，既降低了整個系統(tǒng)的開發(fā)難度又使系統(tǒng)易于維護、升級和和擴展,。
1.2 系統(tǒng)的功能框圖及工作原理
??? 核心板的功能框圖如圖1所示,。系統(tǒng)上電后,，核心板通過連接器將電源從底板引上來,。電源監(jiān)控及復位電路開始工作，產(chǎn)生復位信號,。在復位信號產(chǎn)生后,，核心板的核心CPU（MPC860）開始啟動。此時MPC860開始讀取數(shù)據(jù)線（D0～D15）上的值,，并通過讀出的設置值來初始化CPU,，主要包括存儲器初始化、中斷向量初始化,、調(diào)試寄存器初始化等,。當所有的硬件環(huán)境(主要指CPU中所有與操作系統(tǒng)相關的一些特殊功能寄存器，如SRR0,、SRR1,、CR等）初始化完畢后。系統(tǒng)會將控制權交給存儲在Flash中的操作系統(tǒng)(如Linux,、vxWorks等),，通過操作系統(tǒng)管理系統(tǒng)中的所有硬件及任務。通過操作系統(tǒng)的調(diào)度來實現(xiàn)核心板管理,、控制底板,，并通過底板的硬件實現(xiàn)硬件防火墻的路由、網(wǎng)關及內(nèi)容過濾等功能,。
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??? 此外為提高核心板的適用范圍,，在核心板上增加了一個標準的SODIMM插槽和總線復用" title="復用">復用電路，SODIMM插槽可通過跳線支持16MB,、32MB,、64MB及128MB內(nèi)存?？偩€復用電路支持外部總線仲裁（即在同一系統(tǒng)中可以將多塊核心板加在同一總線上而不會產(chǎn)生沖突）,，本核心板可以不加任何改動即可用于其他系統(tǒng)中，包括多個核心板用于同一個系統(tǒng)[1][2],。
??? 底板的功能框圖如圖2所示,。當操作系統(tǒng)完全接管系統(tǒng)（包括對核心板底板所有硬件的管理）后,，由操作系統(tǒng)發(fā)起任務控制底板上的資源，從而實現(xiàn)硬件防火墻的功能,，包括路由功能,、網(wǎng)關功能和內(nèi)容過濾的功能。同時連接器將核心板所有的引腳引出用于擴展設計,。這樣設計的優(yōu)點是當系統(tǒng)進行局部更新或設計時,，只要更改底板的設計即可，并極大降低了開發(fā)難度,，同時也提高了本系統(tǒng)復用率,。
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2 關鍵器件和關鍵技術
2.1 系統(tǒng)核心CPU MPC860
??? MPC860是由基于Motorola的MC68360嵌入式通信控制器演變而來的。PowerPCTM結(jié)構(gòu)處理器由三個模塊組成,，即PowerPCTM內(nèi)核,、系統(tǒng)接口單元(SIU)及通信處理器模塊(CPM)。這三個模塊均采用32位內(nèi)部總線,。MPC860的主處理器是32位的PowerPCTM內(nèi)核,，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)存管理（MMU）以及指令與數(shù)據(jù)的緩存；MPC860的系統(tǒng)接口單元中,，存儲器控制單元可支持多種高性能的存儲器,，包括SDRAM和Flash，還增加了PCMCIA控制器及實時時鐘電路,。MPC860采用了類似于MC68360的通信處理器模塊（CPM）,，并增加了I2C通道。MPC860的CPM贈加了DSP功能,。詳細介紹見參考文獻[1][4],。
??? LXT972是Intel公司推出的符合IEEE標準的快速網(wǎng)絡物理收發(fā)器驅(qū)動芯片。適合于在100BASE-TX和10BASE-T標準的介質(zhì)連接中應用,。除此之外，它還提供一種非常易于應用在10/100M介質(zhì)訪問控制器(MACs)的獨立介質(zhì)獨立接口（MII）,。詳細介紹見參考文獻[2],。
??? LXT905是Intel公司生產(chǎn)的一款低電壓通用10Base-T收發(fā)器，適合于IEEE 802.3標準的物理層應用,。LXT905的功能包括曼徹思特編碼/解碼,，接收器壓制和發(fā)送脈沖波形休整、模糊識別,、連接完整性測試和反極性探測和校正,。LXT905驅(qū)動10Base-T雙絞線僅用單一3.3V或者5V供電的隔離變壓器。詳細介紹見參考文獻[3],。
3 設計方案的實現(xiàn)
3.1 硬件部分
??? 由于篇幅有限,，本文僅對系統(tǒng)的幾個具有代表性的電路進行分析。
3.1.1 核心板部分
??? 由于本系統(tǒng)的最終設計目標是設計出一臺標準的嵌入式設備，所以在Flash存儲器電路上選用了兩片富士通生產(chǎn)的型號為MBM29LV160BT 16MB(2M×8/1M×16)位）的Flash存儲器,，使用方式為2MX8位,，在電路連接上，它占用了MPC860的存儲空間管理器的兩塊,。兩片F(xiàn)lash存儲器的片選分別與MPC860的片選CS0#和CS1#相連,。CS0接啟動Flash，一般將系統(tǒng)的啟動代碼燒錄進去,。CS1接文件系統(tǒng)Flash,，一般將操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)存儲在該Flash中。
??? 本系統(tǒng)所使用的SDRAM存儲器為現(xiàn)代公司生產(chǎn)的型號為HY57V641620HG 4Banks×1M×16位Synchronous DRAM,，使用的方式為將兩片SDRAM通過字擴展構(gòu)成4M×32位SDRAM,，即共16MB的存儲器空間。在物理連接上該兩片SDRAM與MPC860的片選CS2#相連,，占用MPC860的存儲空間管理器的一塊,。除此之外該片選可通過跳線禁用。MPC860與SDRAM的接口電路如圖3所示,。
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??? 為了提高本系統(tǒng)的應用范圍,，增加系統(tǒng)的存儲器空間，系統(tǒng)設計在核心板上增加了一個144pin的標準SODIMM插槽,，通過跳線可以支持16MB,、32MB、64MB,、128MB的標準內(nèi)存,。與MPC860的片選CS5#和CS6#物理連接。
??? 硬件設置字電路如圖4所示,。
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??? 在上電復位和硬件復位時,，CPU除了讀取時鐘的缺省設置外，還會從數(shù)據(jù)總線上讀取硬件復位設置字（HRCW）,，如圖4所示,。這個16位的HRCW字必須用上拉電阻進行設置，若未加上拉電阻,，各數(shù)據(jù)位的值缺省為0,。
??? 在本系統(tǒng)中，硬件復位設置字用三個總線驅(qū)動器244加到數(shù)據(jù)總線上實現(xiàn),。硬件復位的設置字如下：
??? 上電復位時,，MODCK1=1、MODCK2=0,，選則EXTCLK為OSCCLK的輸入,。
??? D0=0,，即EARB=0，本系統(tǒng)采用內(nèi)部總線仲裁機制,。
??? D1=0(可通過跳線設置成1),，即IIP=0，本系統(tǒng)復位中斷向量的地址為0XFFF00100,，可通過跳線設置成0X00000100,。
??? D2=1，即BBE=1,，本系統(tǒng)的啟動設備不支持突發(fā)模式,。
??? D3=0，即BDIS=0,，啟動禁止位禁止,，硬件復位后內(nèi)存控制器將所有的地址都映射到BANK0區(qū)。從CS0#連接的Flash啟動,。
??? D4=0,，D5=1，即BPS=01,，系統(tǒng)啟動后數(shù)據(jù)總線工作在8位模式,。
??? D6=0；系統(tǒng)保留位,。
??? D7=1,，D8=0，即ISB=10,，系統(tǒng)復位后內(nèi)部內(nèi)存的起始地址為0XFF000000H,。
??? D9=1，D10=1,，即DBGC=11,，對MPC860的一些復用引腳進行設置。使系統(tǒng)復位后MPC860的一些復用引腳工作在確定的引腳狀態(tài),。以滿足系統(tǒng)的需求,。
??? D11=0，D12=0,，即DBPC=00，MPC860的調(diào)試端口BDM調(diào)試端口管腳設置,。
??? D13=0,，D14=0，即EBDF=00,，總線工作在全速模式下,。
??? D15=0,，即CLES=0；數(shù)據(jù)存儲模式為大端模式,。
??? 在本系統(tǒng)中為減少PCB板尺寸提高系統(tǒng)的可靠性,，采用Cadence Allego SPB15.1軟件，布成8層板,。在提高電磁兼容性方面,。除了在PCB板上增加地層外，在PCB板的上下表面層板的周圍增加貫穿孔以增加整個PCB板的抗干擾性和電磁兼容性,。
3.1.2 底板部分
??? 本系統(tǒng)中100M網(wǎng)絡驅(qū)動電路為主要部分,，是本系統(tǒng)與外網(wǎng)相連的接口，所有的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)都通過100M網(wǎng)口進入硬件防火墻,，將核心板分析及處理后的數(shù)據(jù)通過10M網(wǎng)絡驅(qū)動電路接口送入內(nèi)網(wǎng),，所有的算法（如查找算法、IP數(shù)據(jù)包內(nèi)容還原,、甚至于高級的內(nèi)容替代算法等）都在核心板實現(xiàn),。
??? 本系統(tǒng)共有兩路10M網(wǎng)絡驅(qū)動電路。10M網(wǎng)絡驅(qū)動電路是硬件防火墻與內(nèi)網(wǎng)相連的惟一路徑,，硬件防火墻將處理過的數(shù)據(jù)通過該接口送入內(nèi)網(wǎng),。同理，內(nèi)網(wǎng)訪問外網(wǎng)的數(shù)據(jù)也要通過它進入硬件防火墻,。數(shù)據(jù)經(jīng)硬件防火墻處理后,，通過100M網(wǎng)絡驅(qū)動電路送到外網(wǎng)。同時本系統(tǒng)所設計的兩路10M網(wǎng)絡電路還可以同時監(jiān)管兩個10M帶寬的局域網(wǎng),，完成一些高級功能（如網(wǎng)絡流量檢測,、內(nèi)網(wǎng)監(jiān)控、網(wǎng)關及路由功能等）,。
??? 由于功能和開發(fā)需要,，系統(tǒng)在設計中采用了雙串口" title="串口">串口方案。在開發(fā)中,，一個串口可以作為與宿主機超級終端相連的調(diào)式串口,，另一個可以作為與上位機通信的端口。
??? 由于MPC860支持片上調(diào)試,，且為降低開發(fā)成本,，所以在本系統(tǒng)開發(fā)時所采用的調(diào)試手段是MPC860所支持的BDM 調(diào)試。
3.2 軟件部分
??? 主要包括啟動代碼編寫,、操作系統(tǒng)移植,、硬件驅(qū)動編寫以及應用程序等。由于篇幅有限,，本文僅對BSP移植進行簡單介紹,。
3.2.1 BSP移植的步驟及建立BOOTROM的方法
??? (1)閱讀手冊,，了解WINDRIVER的BSP模板編寫規(guī)范、文件的組織,，找到適合于目標處理器的模板,。
??? (2)找到BSP模板以后，針對不同的CPU類型,，確定基本BSP中所有寄存器配置是否適合當前的硬件(包括SDRAM,、Flash)。如果不適合則做相應的改動,，這主要是指rominits,，config.h中的修改。
??? (3)如果有網(wǎng)絡設備,，則需要配置confignet.h,。如果有串口，則需要修改sysSerial.c,。修改sysLib.c中的硬件相關部分,。
??? 建立BOOTROM的方法：
??? (1)進行BSP定制，主要是修改bootline,，配置configAll.h,，config.h和Makefile。
??? (2)選擇VxWorks的加載方式,，然后配置target server,，通過“build bootrom”圖形對話框或者命令行建立bootrom，然后通過visionprobe將bootrom下載到目標機RAM中運行,，或者將成功的bootrom用專門燒寫器燒寫到Flash中,。
3.2.2 根據(jù)硬件修改BSP
??? 在本課題中，將ads860目標板的BSP拷貝到目錄installDir/target/config/ncut860t下,，同時將all目錄下的所有文件都拷貝到installDir/target/config/ncut860t/all目錄下,，之后針對本系統(tǒng)的硬件環(huán)境對BSP進行修改，同時修改相應的makefile,。
??? 注意：應將BSP拷貝到相應目錄下后再啟動Tornado,，否則在Tornado的BSP列表中可能看不到新添加的BSP。
??? (1)config.h文件需要修改的配置（部分代碼）
??? #define DEFAULT_BOOT_LINE
??? ″motfec(0,0)host:vxWorks h=219.224.61.102 e=219.224.61.202 u=ncut pw=ncut″
??? #define CRISTAL_FREQ??50000000??????? /*50MHz*/
??? #define LOCAL_MEM_LOCAL_ADRS?0x00000000
????????????????????????????????????????? /*Base of RAM*/
??? #define LOCAL_MEM_SIZE???0x02000000
????????????????????????????????????? ??? /*32MB memory available*/
??? #define ROM_BASE_ADRS???0x02800000
????????????????????????????????????????? /*base address of ROM*/
??? #define ROM_TEXT_ADRS?ROM_BASE_ADRS+0x100
??? #define ROM_SIZE?? 0x00200000?????????/*2M ROM space*/
??? #define RAM_HIGH_ADRS?(LOCAL_MEM_LOCAL_
??? ADRS+0x00500000)
??? #define RAM_LOW_ADRS?(LOCAL_MEM_LOCAL_
??? ADRS+0x00010000)
??? #define USER_RESERVED_MEM??0x00000000?
????????????????????????????????????? ??? /*user reserved memory size*/
??? (2)makefile文件修改（部分代碼）
??? TARGET_DIR?=ncut860t
??? VENDOR=Motorola
??? BOARD=fw860t
??? ROM_TEXT_ADRS=02800100 # ROM entry address
??? ROM_SIZE=00400000 # number of bytes of ROM space
??? RAM_LOW_ADRS=00010000 # RAM text/data address
??? RAM_HIGH_ADRS=00500000 # RAM text/data address
??? HEX_FLAGS=-a ＄(ROM_TEXT_ADRS)
??? MACH_EXTRA=motFecEnd.o
??? CONFIG_ALL=F：workSetUpPpCTornado2.2targetconfig
??? ncut860tall
3.2.3 BSP常用的調(diào)試方法
??? 開發(fā)調(diào)試BSP有兩種方法,，一種是使用仿真器通過BDM的方式一步步地跟蹤調(diào)試,；另一種是通過點燈的方式進行所謂的“黑”調(diào)。這里主要介紹“黑”調(diào)的方法,?！昂凇闭{(diào)的方法是通過 “燈”閃或用示波器測片選等，根據(jù)外部現(xiàn)象和所編的測試代碼進行比較分析來調(diào)試程序。進行黑調(diào)的首要條件是串口部分代碼已經(jīng)調(diào)通,，宿主機可以通過串口與目標機的通信，然后再調(diào)試BSP的其他部分,。
??? BSP調(diào)試流程分成兩部分,。首先是位于BootRom中的Boot代碼，它的作用是實現(xiàn)配置硬件和啟動VxWorks下載程序,；接下來是下載后跳轉(zhuǎn)到VxWorks的入口地址運行操作系統(tǒng)和應用程序,。
??? ROM中的啟動代碼部分：
??? RomInit：在文件romInit.s中，它是程序運行的開始,，實現(xiàn)判斷啟動類型,，配置內(nèi)核和非內(nèi)核寄存器以及內(nèi)存和外圍設備的讀寫時序，因此可以在此處加入內(nèi)存檢測功能,。閃燈功能函數(shù)也要在此加入,。判斷啟動類型和配置寄存器的部分不需要改動。配置內(nèi)存和外圍設備讀寫時序部分要進行改動,，這一部分的SDRAM,、ROM、Flash,、FPGA有相應的模板可以參考,，是通過使用宏定義來實現(xiàn)的。一般是改動空間大小的屏蔽位,，讀寫位數(shù)以及片選寄存器OR和BR,。內(nèi)存檢測在這里實現(xiàn)較復雜，它根據(jù)相應的內(nèi)存檢測算法實現(xiàn),。主要是對地址線和數(shù)據(jù)線的檢測,，通過寫入數(shù)據(jù)再讀出數(shù)據(jù)來判斷，使用“走步1”和“走步0”算法,。閃燈在這一部分是強烈推薦的,，因為閃燈才能定位程序的運行位置。
??? 在RomInit函數(shù)結(jié)尾處,，指針跳入RomStart(),，RomStart()在BootInt.c文件中。它是系統(tǒng)運行的第一個C函數(shù),。這一部分是Wind River公司提供的標準程序,，一般不需改動。該函數(shù)是C的入口函數(shù),，由匯編程序調(diào)用,，主要完成清內(nèi)存，將ROM中的程序拷貝到RAM,，解壓并跳至解壓后的程序運行,。
??? UsrInit在BootConfig.c文件中,，主要實現(xiàn)硬件的初始化。其中涉及到串口,、網(wǎng)口的初始化及CONSOLE的配置等,。其中串口和網(wǎng)口的配置是BSP的重要部分。UsrRoot在BootConfig.c文件中,，它主要是實現(xiàn)vxworks文件的下載,，并且跳轉(zhuǎn)到vxworks的入口地址，從而進入操作系統(tǒng),。
??? VxWorks文件中的代碼部分：
??? SysInit在sysAlib.s中,。它是VxWorks的啟動代碼，與RomInit的作用相同,。對于這個文件,，一般不需要改動。UsrInit在Usrconfig.c中,，其作用與Boot中UsrInit的作用相同,。他們都調(diào)用SysLib.c中的子函數(shù)實現(xiàn)相同的硬件初始化功能。UsrRoot在UsrConfig.c中,，它的作用與Boot中的UsrRoot的作用類似,，但是這里的UsrRoot最終是進入到應用程序中。
??? 該硬件防火墻的特點是高性能,、高穩(wěn)定性和強兼容性,，除了可以實現(xiàn)網(wǎng)關、路由,、上位機監(jiān)控的功能外,，在硬件防火墻的功能上通過軟件可實現(xiàn)典型的性能參數(shù)、1000個并發(fā)聯(lián)接數(shù),、實現(xiàn)吞量20M,、實現(xiàn)10M的安全過濾帶寬、實現(xiàn)對VPN,、IDS,、Dos等的支持。
??? 同時,，本系統(tǒng)作為一種嵌入式開發(fā)的典型設計,，核心板可以不作任何改動即可應用于其他嵌入式應用中。充分體現(xiàn)了嵌入式開發(fā)在后續(xù)開發(fā)中電路重復應用的優(yōu)勢,。此外在設計中所采用的一些擴展性設計,，如為增加系統(tǒng)存儲器所加的標準SODIMM插槽、不同封裝的晶振驅(qū)動電路，不但增加了該核心板電路的應用范圍,，而且在實際使用中也增強了該電路的穩(wěn)定性,。
參考文獻
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[2] Intel Co.Ltd.LXT972A 3.3V Dual-Speed Fast Ethernet Transceiver Datasheet.2001,，1.
[3] Intel Co.Ltd.LXT905 Universal 10Base-T Transceiver with?3.3v Support Datasheet.2001，1.
[4] 謝斌.MPC860/850嵌入式系統(tǒng)開發(fā)入門與指導.西安：西安電子科技大學出版社,，2004.
[5] Freescale semiconductor Co.Ltd.Application Note《SDRAM?and the MPC860》 03-19-98 Revised，01-11-00.