NTP网络授时系统设计与实现——NTP网络授时系统服务器硬件设计

第3章NTP网络授时系统服务器硬件设计

3.1 服务器端硬件系统结构图

NTP服务器的硬件设计，按照最小设计的原则，以保证整个硬件的尺寸符合要求，只提供系统所必须的功能，如串口、以太网口等。系统结构如图3-1所示：

图3-1 NTP服务器硬件实现框图

3.2 系统硬件选型

3.2.1 芯片选型

根据前面的需求分析和硬件总体设计，结合实际应用和实现的需要，选择以下硬件芯片，如表3-1所示。

表3-1 NTP服务器芯片选型

3.2.2 S3C4510B简介

本系统选择了ARM架构的Samsung的S3C4510B处理器作为整个服务器硬件的核心。

ARM(Advanced RISC Machines)架构是面向低预算市场设计的第一款RISC 微处理器，除了RISC的一些特点外，ARM体系结构还采用了一些特别的技术，在保证提高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗。

ARM微处理器具有体积小、低功耗、低成本、高性能的特点，支持Thumb(16位)/ARM（32位）双指令集，大量使用存储器而使指令执行速度更快，寻址方式灵活简单，执行效率高，指令长度固定等优点，主要应用在工业控制、无线通讯、网络应用、消费电子、成像产品、安全产品、存储产品、汽车行业等领域[10]。

S3C4510B是Samsung公司生产的基于以太网应用的高性价比16/32位RISC 微控制器，内含一个由ARM公司设计的16/32位ARM7TDMI RISC处理器核[11]。另外，S3C4510B的片内外围功能模块主要包括：

——2个带缓冲描述符（Buffer Descriptor）的HDLC通道

——2个UART通道

——2个GDMA通道

——2个32位定时器

——18个可编程的I/O口

S3C4510B的片内逻辑电路包括：

——中断控制器

——DRAM/SDRAM控制器

——系统管理器

——ROM/SRAM和FLASH控制器

——一个内部32位系统总线仲裁器

——一个外部存储器控制器

S3C4510B的结构框图如下图所示。

图3-2 S3C4510B结构框图[11] S3C4510B的引脚分布如下图所示：

图3-3 S3C4510B引脚分布图[11]

S3C4510B共有208只引脚，采用QFP封装，其主要控制信号如下：

LITTLE（pin49）：大小端模式选择。1＝小端模式，0＝大端模式。该引脚片内下拉默认大端模式，在实际系统中常用小端模式，因此该引脚应该上拉或接电源。

FILTER（Pin55）：若使用PLL倍频电路，应在该引脚和地之间接820pF的陶瓷电容。实际应用中一般使用PLL电路，因此应该用该电容连接。

TCK/TMS/TDI/TDO/nTRST(Pin58~62)：JTAG接口引脚。根据IEEE标准，TCK应该下拉，TMS、TDI、nTRST应上拉，S3C4510B已经按此标准在片内连接，只需与JTAG插座直接相连即可。

TMODE（pin63）：测试模式。1＝芯片测试模式，0＝正常工作模式。用户

一般不使用测试模式，该引脚一般下拉或接地。

nEWAIT（pin71）：外部等待请求信号，该引脚应上拉。

B0SIZE[1：0]（pin74，73）：BANK0数据宽度选择。01＝8位，10＝16位，11＝32位，00＝系统保留

CLKOEN（pin76）：时钟输出允许、禁止，1＝允许，0＝禁止。一些外围器件入SDRAM需要CPU的时钟输出作为自身的时钟源，该引脚一般接高电平使得时钟输出为允许。

XCLK（pin80）：系统时钟源，接有源晶振的输出。

nRESET（pin82）：系统复位引脚，低电平复位，系统正常工作时该引脚处于高电平。

CLKSEL（pin83）：时钟选择。1＝XCLK直接作为系统的工作时钟，0＝XCLK经过PLL电路倍频后作为系统的工作时钟。

ExtMREQ（pin108）：外部主机总线请求信号，该引脚应该下拉。

S3C4510B其余引脚为电源线、地线、数据总线、地址总线及其他功能模块的输入输出线，对CPU自身的运行影响相对较小，其连接方式也比较简单。3.3 部分硬件单元设计

基于嵌入式的NTP服务器硬件设计主要包括以下几部分：串口电路设计、存储器接口设计、复位电路设计、网络接口设计、IIC接口、JTAG接口电路设计等。

3.3.1 复位电路

在系统中，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能。复位电路可由简单的RC电路构成，也可使用其他的相对较复杂，但功能更完善的电路。

本系统复位电路设计较为简单，其实现原理图如图3-4 所示。当上电初始化时，按RESET 处于断开状态，电容C13 通过电阻R3 充电，此时第一个驱动门IC11A 输出高复位电平，第二个驱动门IC11B 输出低复位电平，复位时间由电阻和电容的时间常数确定。待电容充电完成，IC11A 输出低电平而IC11B 输出高电平。当按键闭合时，电容开始放电，两个驱动门回到复位状态。74HC14 门电路在于提高复位电平的负载能力和增强按键的去抖动能力，使复位操作能够

正确无误地执行。

图3-4 复位电路

3.3.2 10/100M以太网接口电路

S3C4510B内嵌一个以太网控制器，支持媒体独立接口（Media Independent Interface，MII）和带缓冲DMA接口（Buffered DMA Interface，BDI）。可在半双工或全双工模式下提供10M/100Mbps的以太网接入。在半双工模式下，控制器支持CSMA/CD协议，在全双工模式下支持IEEE802.3 MAC控制层协议。因此，S3C4510B内部实际上已包含了以太网MAC控制，但并未提供物理层接口，需外接一片物理层芯片以提供以太网的接入通道。

常用的单10M/100Mbps高速以太网物理层接口器件主要有RTL8201、DM9161等，均提供MII接口和传统7线制网络接口，可方便的与S3C4510B接口。以太网物理层接口器件主要功能一般包括：物理编码子层、物理媒体附件、双绞线物理媒体子层、10/100BASE-TX编码/解码器和双绞线媒体访问单元等。

在该系统中，使用RTL8201[12]作为以太网的物理层接口。以下分别为RTL8201的引脚分布图和相关引脚功能描述，表中仅列出芯片在100Mbps MII 接口方式下的引脚定义，当工作于7线制网络接口方式，部分引脚定义不同。更具体的内容和使用方法可参考RTL8201的用户手册。