陈玺胜
中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081
摘 要：针对TDMA通信系统通信质量高、系统容量大的特点，设计了一种基于“网芯一号”处理器的TDMA访问控制器。对“网芯一号”处理器进行了简单介绍，分析了平台的结构组成及设计方案。对网口模块、处理器上电时序和串口模块进行了阐述。对平台进行了测试验证，平台满足TDMA卫星通信系统的发展需求。
关键词：网芯一号；TDMA；访问控制
0 引言
卫星通信可以简单的理解为以卫星作为中继站来实现地球上无线电通信站之间的通信。它以地理位置无限制、通信覆盖范围广、高容量和机动、灵活的通信服务等性能特点受到各个领域的青睐[1]。在卫星通信领域，TDMA通信体制具有通信质量高、保密较好、系统容量大的优点，但它必须有精确定时和同步以保证终端之间的正常通信，全网需要进行时间同步，各地球站之间在时间上的同步技术较复杂，实现比较困难[2]。因此，对硬件承载平台就要求运算能力要强，接口传输数据速率要快，数据存储既要读写快速又要容量大。访问控制器是TDMA信道终端的重要控制单元，对链路进行访问控制、突发数据成帧解帧及帧计划计算等。同时需要与调制解调等模块间采用高速通信接口，具备较强的数据吞吐率。嵌入式处理器具有优异的性能、低功耗、低发热量，以及接口丰富、使用灵活等优点。选用合适的嵌入式处理器组建嵌入式系统可以满足TDMA访问控制器对硬件平台的要求。
1平台组成
1.1 “网芯一号”处理器介绍
嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，具有功耗低、稳定性好、环境适应性强的优点。目前主流处理器按核心数量分为单核及多核两类。相较于单核心处理器，多核处理器内部集成了2个或2个以上的核心，可同时运行多个线程在相互独立的核心上，结合操作系统的任务调度分配，相对单核心可以带来不错的性能提升。
本次设计的“网芯一号”访问控制器是基于“网芯一号”处理器设计。“网芯一号”处理器是中国电子科技集团公司第五十四研究所具有自主知识产权的高性能通用处理器，片内集成2 个处理器核，主频800MHz，集成DDR3 控制器，具有千兆以太网、PCIe、SATA、UART等丰富的外设接口，可实现系统管理，协议处理等通用控制功能，可以满足大多数网络通信设备对中心控制单元的需求。
1.2 平台的结构
基于“网芯一号”处理器的TDMA访问控制器主要包括内存模块、千兆以太网接口模块、SATA接口模块、串口模块等，框图见图1所示。
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图1 基于“网芯一号”处理器的TDMA访问控制器设计框图
基于“网芯一号”处理器的TDMA访问控制器，对外提供千兆以太网管理口和业务口进行IP数据收发，以及同其余信道模块交互的高速以太网接口进行信道数据处理。 “网芯一号”处理器利用自身以太网接口多、主频高和双核的特点，满足了TDMA访问控制器接口丰富、运算能力强的需求，实现了数据的高速处理与通信。
2平台详细设计
2.1 千兆以太网口模块设计
“网芯一号”处理器提供2个10/100/1000Mbps高速自适应以太网MAC（GMAC），支持IEEE 802.3标准，对外部PHY实现RGMII接口，支持网络开机。
JEM88E1111是一种成熟的国产PHY芯片，由中国电子科技集团公司第三十二研究所研制而成，功能可替代Marvell进口88E1111系列芯片，支持10/100/1000Mbps三种速率以太网，可以为MAC提供RGMII/GMII/SGMII/MII和TBI等多种接口。“网芯一号”内部集成了GMAC控制器，对外提供了2路RGMII接口，通过MDC/MDIO对PHY芯片的寄存器进行控制。将PHY芯片的HWCFG_MODE[3:0]设置为“1011”，使PHY芯片工作在千兆RGMII coppor模式下。连接关系参照图2。
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图2 RGMII接口连接示意图
在时钟方面，JEM88E1111需要一个外接的25 MHz时钟为其提供钟源，RGMII端收发时钟由“网芯一号”处理器内部产生。
2.2 “网芯一号”上电顺序设计
处理器上电时，需要对相关模块进行复位，并且时钟遵循相关的时序要求，芯片要求各个电压具体加电顺序如下：
1）RTC
RTC_VDD，2.5V
2）RSM
1.1V电源（VDD_RSM） 、2.5V电源（GMAC_2V5）、3.3V电源（USB_A3V3、RSM3V3）
以上三个电源上电间隔大于1μs。
3）CORE
3.3V IO电源（VDDE3V3）、1.8V/1.5V电源、1.1V核心电源和1.2V PCIE/SATA电源（VDD_SOC/PEST_1V1）
以上三类电源上电间隔大于1μs。（此处上电顺序并非强制要求）
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图3 “网芯一号”上电启动时序
电路设计时，需要对上电配置项进行设置，统筹规划控制整版芯片的上电复位顺序。本设计利用各电源转换芯片的POWERGOOD管脚作为下一级上电电源的转换使能管脚，以达到控制各种电源的上电顺序。
2.3串口模块设计
UART是一种应用广泛的短距离串行传输接口，常用于短距离、低速低成本的通信中[6]。异步通信中，数据按约定帧结构进行传送。帧格式具体组成包含一个起始位、8位数据位、奇偶校验位（可省略）、停止位。“网芯一号”处理器集成了12个UART控制器，通过APB总线与总线桥通信。UART控制器提供与MODEM或其他外部设备串行通信的功能。UART控制器有发送和接收模块（Transmitter and Receiver）、MODEM模块、中断仲裁模块（Interrupt Arbitrator）、和访问寄存器模块（Register Access Control）。这些模块之间的关系如图4所示。
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图4 UART控制器结构示意图
本平台中，通过外接RS232/RS485接口芯片，结合两个UART模块，对外提供一个RS232，一个RS485串行接口，满足板卡对接口的设计要求。
3平台测试及结果
嵌入式TDMA访问控制器应用软件使用Linux操作系统。为使测试环境更接近应用环境，测试环境同样选择在Linux系统进行。连接访问控制器网口至调试计算机，同样连接访问控制器的调试串口至调试计算机串口。打开串口软件，给访问控制器加电，串口可以正常打印系统启动信息。通过“ifconfig”命令设置访问控制器网口IP地址。然后利用网络分析仪对“网芯一号”访问控制器的2个GMAC千兆网口进行测试，通过配置PHY芯片的上电初始化状态，把芯片设置为环回模式。通过连接网口至网络测试仪，参考RCF2544测试规范，测试包长使用64B、512B、1518B等。测试次数设定为20次，不间断压力测试时间为24小时，经过测试，不同包长测试结果皆可达到限速1Gbps，满足平台的设计要求。
TDMA通信体制要求设备能够对数据收发进行精确定时，满足时隙运算的要求。依托本文平台的高速以太网接口，TDMA业务及控制信息能够实现在访问控制平台与信道之间的高速可靠传输，同时提高缓存区的效率，提高TDMA帧计划的计算速度，使得系统能够高效、快速地实现TDMA通信。
4结束语
本文主要介绍了一种基于“网芯一号”处理器为平台的TDMA访问控制器，描述了平台具有的功能和特点，对整个模块的硬件设计过程进行了说明。分析了“网芯一号”处理器在TDMA访问控制器中的优点，阐述了平台的实用价值，该平台应用于TDMA卫星通信终端，作为访问控制板卡，为终端提供了多个高速千兆以太网接口，以及RS232、RS485等接口，依托“网芯一号”处理器较强的处理能力和较低的功耗，满足了大容量，强实时性的TDMA通信终端的需求。
参考文献
[1]胡圆圆.多波束卫星通信系统资源的动态分配研究[D],南昌航空大学,2014:1-2.
[2] 王丽娜，王兵.卫星通信系统（第二版）[M]. 北京：国防工业出版社，2014.
[3] 侯义合，张冬冬，丁雷，基于FPGA+MAC+PHY的千兆以太网数传系统设计[J].科学技术与工程,2014,14(19)：275-279.
[4] 苏漪,谭潭.FPGA与DSP接口(UART)的设计实现与验证[J].无线电工程,2009，39（10）：45-47.
作者简介:陈玺胜（1987－），男，工程师，主要研究方向：嵌入式系统硬件开发