基于MPC8347处理器的路由器主板的设计与实现
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基于 MPC8347 路由器主板设计与实现
林艳，马跃
北京邮电大学计算机科学与技术学院，北京（100876）
E-mail：8lam1963@https://www.360docs.net/doc/fc18491735.html,
摘 要：本课题提供了一种路由器主板的设计方案。该方案采用 Freescale 厂商出品的 MPC8347 芯片作为 CPU，通过方案制定，芯片选型，原理图设计，PCB 设计等环节，设计 并实现 MPC8347 路由器主板的基本功能，此主板是一款包括双以太网口双控制台口的路由 器主板，并针对路由器主板的硬件设计、软件架构和交换流程等进行介绍和讨论，实现完整 的硬件设计。 研发意义在于在北京万林克通信有限公司现有路由器主板的基础上， 对内存部 分，千兆以太网口，控制台口，电源部分等模块的进一步研发和完善，以及 PCI 总下热插拔 原理的首次提出，实现设计和研发，为路由器主板的功能升级扩充奠定了基础。本文完成了 以飞思卡尔半导体出品的 MPC8347 作为核心芯片的路由器主板设计方案，包括完整的硬件 系统设计。 关键词：MPC8347；路由器主板；PCB
1． 引言
MPC8347 是 Freescale 推出的 superscalar 的 32 位高性能处理器。PowerQUICC II Pro 是 Freescale 最新推出的低 cost、多功能、单芯片解决方案，MPC8347 PowerQUICC II Pro 处理器集成了增强的 e300 PowerPC 内核及 DDR 内存控制器，支持双 10/100/1000 Mbps 以 太网控制器、双 32 位/单 64 位 PCI 控制器、集成安全引擎、高速 USB 2.0 主机和设备控制 器、4 频道 DMA、DUART、串行外围设备、通用 I/O 和系统定时器等。MPC8347 的高集 成性有助于降低系统成本，提高性能并简化主板设计。 其主要功能包括：增强的嵌入式 PowerPC e300 内核，32K I-cache，32K D-cache，最高 频率为 667Mhz；32 位 local bus，8 个独立片选，总线时钟最大支持 133M Hz；64K 内部双 端口 RAM； 位 DDR1/DDR2 SDRAM 内存控制器， 64 最大支持 400M 频率， 个物理片选， 4 最大 1G 内存范围， ECC 校验； PCI 接口支持， 个 32 位 33/66 MHz 或 1 个 64 位 33/66MHz， 双 2 PCI v2.3 标准，支持主从模式；支持 2 个 USB 高速接口，支持 HOST 或 DEVICE；支持 2 个 TSEC 以太网接口（10/100/1000） ；支持 4 个外部 DMA 控制器；支持 2 个 I2C 接口；支 持 1 个 DUART 接口；支持 1 个 SPI 接口，支持主从模式；硬件加密引擎，包含 PKEU/DEU/AESU/AFEU/MDEU/RNG 等单元 （只有尾缀为 E 的才支持） 667Mhz 最大功耗 ； 5W；处理器工艺: 130 nm CMOS；电压: 1.2V 核心电压 3.3V 和 2.5V I/O 电压；672 PBGA 封装，35mm x 35mm, 1mm ball pitch；超强性能：1260 MIPS @ 667 MHz，503 MIPS at 266 MHz；支持无铅、商用(0° to 70° C)、工业级(-40° to 85° C)等多种芯片版本等。 本文提供了一种 路由器主板的设计方案，可满足企业和个人用户路由器主板的需求，具备 一定的市场竞争力。
2． 系统介绍
CPU 选择 FREESCALE 的 MPC8347，方案选定后，开始硬件设计的模块化部分，首先 根据产品架构设计，将硬件电路分为如下的六个独立模块，每个模块由单独的 PCB 实现。 六个模块分别为： 存储器模块 三速以太网口模块
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PCI 模块 LOCAL BUS 模块 控制台模块 时钟模块 其中， 接口模块：主要有以太网口，控制台口，PCI 接口，LOCAL BUS 接口等，重点在于与 MPC8347 处理器的连接及配置。 系统电源：针对各个模块，提供高质量的电源，以及时钟等，并对关键的信号，如时钟 信号，复位信号等进行特殊处理。 在设计完成后开始 PCB 设计，完成器件的布局布线工作，制板后对样板进行调试和检 测。对设计中不足的地方进行修改和记录，进一步完善设计。并移植操作系统，完成基本软 件功能。
3．系统硬件设计
3.1 CPU 方案
MPC8347 内部系统结构如下：
图 3-1 MPC8347 系统框图[1]
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以 MPC8347 为 CPU 的路由器主板设计框图如下：
图 3-2 主板系统框图
3.2 DDR2 内存设计方案
在了解 DDR2 内存诸多新技术前，先让我们看一组 DDR 和 DDR2 技术对比的数据。
表 3-1 DDR 与 DDR2 比较[2]
数据传输率 总线频率 内存频率 Batch reading size Data Strobe CAS Latency Write Latency 封装 发热量 针脚模组
DDR 200/266/333/400 MHZ 100/133/166/200MHZ 100/133/166/200MHZ 2/4/8 Single DQS 1.5,2,2.5 1T TSOP 大 184PIN
DDR2 400/533/667MHZ 200/266/333MHZ 100/133/166MHZ 4/8 Differential Strobe:DQS 3+,4,5 Read Latency-1 FBGA 小 240PIN
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以下从延迟问题和封装， 发热量， 以及 DDR2 应用的新技术比较 DDR2 与 DDR 的区别， 从而表现出 DDR2 的优越性。
3.3 总体方案论证
本方案设计从各个模块都做了充足的设计准备，对于 CPU 部分，通过前文的介绍和比 较，可以充分体现出 MPC8347 作为核心芯片的优势和特点，通过对厂家的评估产品的测试 和使用，对于此芯片的性能和特点，设计者有着切实的体会和感受。各个模块的选取均采用 了当前较为流行的方案或已被市场和消费者充分验证的设计， 对于产品的稳定性和开发周期 有着重要的意义。 各个接口模块在继承公司的原有技术的基础上进行延续。 而电源方案则是 经过了实际的验证和测量，确认无误的情况下才在添加到设计中。
4．PCB 设计
4.1 PCB 设计
PCB 设计时，主板的八个层面分别是第一层信号（Top） ，第二层电源（PWR） ，第三层 内信号（layer3） ，第四层内信号（layer4） ，第五层电源（Power） ，第六层内信号（layer6） ， 第七层地（GND）第八层信号（bottom） 。而在各子板的两层结构中，正反两层都用于总线， 此时电源和地可视为特殊的信号进行走线。 在 PCB 设计中，地和电源都是需要重点考虑的，这两个因素也是整个 PCB 设计中最为 重要的两个环节，对整个 PCB 的性能以及信号完整性和电磁兼容都有着重要的影响。在地 的设计中。应注意使地线加宽，要求能通过 3 倍于 PCB 上的允许电流；低频电路的地一般 采用单点接地，而高频电路中的地一般采用多点接地；在地线的布置中，应该尽量减小接地 环路的面积， 降低电路中的感应噪声； 电路板中的敏感电路连接到一个稳定的接地参考源上， 这样可以避免敏感电路的不稳定性； 电路板中的模拟地和数字地应尽量分开， 最终通过电感 元件汇接到一起。 在电路板分区时应把高带宽的噪声电路和低频电路分开， 同时要尽量使干 扰电流不通过公共的接地回路影响到其它的电路。
4.2 EMI/EMC 问题
EMI（ Electro-Magnetic Interference）即电磁干扰，产生的问题包含过量的电磁辐射和 对电磁辐射的敏感性两方面。EMI 表现为当数字系统加电运行时，会对周围环境辐射电磁 波，从而干扰周围环境中电子设备的正常工作。它产生的主要原因是器件的上升沿太陡、电 路工作频率太高以及布局布线不合理等。 一般对 EMI/EMC 的设计依据其设计的重要性可分为四个层次，器件和 PCB 级设计； 接地系统的设计；屏蔽系统设计和滤波设计。前两个层次最为重要，如果这两个层次的设计 做好了.基本上就可以达到 EMI/EMC 的标准。器件和 PCB 级的设计主要包括有源器件的选 择、电路板的层叠、布局布线等。接地系统的设计主要包括接地方式、地阻抗控制、地环路 和屏蔽层接地等问题。目前，在这方面的研究还不是很完善，还有待逐步建立和日益完善适 合企业特定领域产品的设计规范，形成一整套的 EMC 设计规则集。
4.3 信号完整性
信号完整性（Signal Integrity.简称 SI）是指信号通过信号线传输后的质量。如果电路中 信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度到达 IC，则该电路具有较好的信号完整性。
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反之，当信号不能正常响应时，就出现了信号完整性问题。信号完整性不是由某一单一因素 导致的，而是板级设计中多种因素共同引起的[3]。 随着电子系统中逻辑和系统时钟频率的迅速提高和信号边沿不断变陡（已达到 ps 级） 以及 PCB 板密度增加，信号完整性已经成为数字 PCB 设计必须关心的问题之一。对于低频 设计，线迹互连和板层的影响可以不考虑；当频率超过 50MHz 时，互连关系必须以传输线 考虑， 此时印刷电路板的线迹互连和板层特性对系统电气性能的影响非常重要， 评定系统性 能时必须考虑印刷电路板板材的电参数，因为当信号在线路板间传输或靠近邻近的信号时， 信号会处于各种阻抗不匹配的情形中。 元器件和 PCB 板的参数、 元器件在 PCB 板上的布局、 高速信号的布线等因素，都会引起信号完整性问题，导致系统工作不稳定，甚至完全不工作
[4]
。
5．结论
本课题完成了基于 MPC8347 路由器主板的硬件设计与实现，并给出了相关的软件设计 思路。在设计的过程中，针对常见的问题，作了如下的总结： 对于方案设计，应充分考虑实施的各种因素，如 CPU 芯片的接口种类，功耗，成本， 货源等情况，在选择 MPC8347 作为课题实现的核心芯片，是在充分比较了市场上主流的多 媒体控制芯片之后的结果。而对于外围芯片的选择，应在选择 CPU 之后进行，针对方案所 需的电压值，内存容量等参数进行选择和设计。 在系统设计阶段，将整个设计进行功能的模块划分，这样的好处是降低了方案的成本， 便于调试和测试，便于更换新的元器件。 在模块划分之后，原理图设计中，应充分考虑到调试的便易性，添加适当的测试点和指 示用的 LED。CPU 中不用的管脚作为 IO 引出，用于日后的调试试用。整个课题实现，原理 图 PCB 设计中应充分考虑到 PCB 设计的规范，遵循的原则。充分考虑到 EMC/EMI 问题， 对于 PCB 板叠层设计，元器件布局，布线，电源和地平面的划分等，都应给予充分的仔细 和认真。信号完整性也是要重点关注的问题。
6．致谢
本设计得到了万林克通信技术有限公司硬件工程师张仕军、罗小影的大力支持和帮助， 在此向两位工程师表示由衷的谢意。
参考文献
MPC8349EA PowerQUICC(TM) II Pro Integrated Host Processor Family Reference Manual, MPC8349EARM Rev. 1,08/2006 [2] 《HOW TO USE DDR2 SDRAM》 ，Elpida Memory,Inc. 2004-2007 [3] 吕霆，祝亮，高速时钟电路的信号完整性[J].电子工艺技术，2004 年，第 25 卷第一期 [4] 葛宝姗，李波，姚春连等高速数字系统中信号完整性和传输延时分析[J]计算机工程与设计，2003/2
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DESIGN OF ROUTER MAINBORD BASED ON MPC8347
Lin Yan, Ma Yue
Beijing University of Posts and Telecommunications（100876） Abstract
This paper provides a router\\\'s mainboard design method. It provides a router\\\'s mainboard design method. The design used Freescale\\\'s MPC8347 chip as the CPU and developed a router mainboard including the basic functions of a pair of Ethernet ports and two router\\\'s console ports. The mainly purpose of the development of the mainbord is to develop the MEMORY block, the ethernet port block ,the console port block and other parts. Also the paper firstly advanced PCI hotswap for the further development of the mainboard. This paper completes the design function of the mainboard based on MPC8347 of Freescale including the whole hardware design method. This paper has been completed by Freescale Semiconductor\\\'s MPC8347 products as the core of the chip motherboard routers design, including complete hardware system design. Keywords：MPC8347; router mainboard; PCB
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