原標(biāo)題：基于MPC8245處理器和BCM56500芯片實(shí)現(xiàn)交換型路由器的設(shè)計(jì)方案

基于Freescale MPC8245處理器和Broadcom BCM56500芯片的交換型路由器設(shè)計(jì)方案

引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)路由器和交換機(jī)的性能要求日益提高。傳統(tǒng)的路由器采用軟件實(shí)現(xiàn)路由功能，已難以滿足大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的高速轉(zhuǎn)發(fā)和復(fù)雜路由協(xié)議的需求。因此，基于硬件加速的交換型路由器應(yīng)運(yùn)而生。本文詳細(xì)介紹了一種基于Freescale MPC8245高性能RISC CPU和Broadcom BCM56500高速交換芯片實(shí)現(xiàn)的交換型路由器設(shè)計(jì)方案，旨在滿足現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中對(duì)高性能、高可靠性和可擴(kuò)展性的要求。

主控芯片型號(hào)及其作用

Freescale MPC8245處理器

型號(hào)概述

Freescale MPC8245是一款基于PowerQUICC II系列的32位嵌入式RISC處理器，它集成了高性能的CPU核心、豐富的外設(shè)接口以及低功耗設(shè)計(jì)，非常適合用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)。MPC8245采用了MPC603e核，支持高達(dá)333 MHz的時(shí)鐘頻率，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。此外，該處理器還配備了DUART接口、雙通道DMA控制器和標(biāo)準(zhǔn)I2C控制器等通用模塊，便于與各種外設(shè)進(jìn)行高效通信。

在設(shè)計(jì)中的作用

1. 控制平臺(tái)核心：MPC8245作為交換型路由器的控制平臺(tái)核心，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的管理和控制任務(wù)。它運(yùn)行操作系統(tǒng)（如VxWorks），通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)BCM56500交換芯片的初始化、配置和監(jiān)控。

2. 數(shù)據(jù)處理：雖然MPC8245不直接參與數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，但它負(fù)責(zé)處理來自交換芯片的路由表更新、控制信令以及動(dòng)態(tài)路由協(xié)議（如OSPF、EIGRP）的計(jì)算和決策。

3. 接口擴(kuò)展：MPC8245提供豐富的外設(shè)接口，如PCI總線接口，便于與其他硬件模塊（如BCM56500）進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換和控制信號(hào)傳輸。

Broadcom BCM56500交換芯片

型號(hào)概述

Broadcom BCM56500是一款集成了24個(gè)千兆位以太網(wǎng)端口的多層交換芯片，支持IPv4和IPv6協(xié)議，具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)包處理能力和靈活的配置選項(xiàng)。該芯片內(nèi)部集成了2MB數(shù)據(jù)包緩沖內(nèi)存，支持硬件處理的二層交換、三層路由以及二到七層數(shù)據(jù)包的分類和過濾功能。BCM56500支持PCI總線2.2標(biāo)準(zhǔn)，便于與主控制器（如MPC8245）進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。

在設(shè)計(jì)中的作用

1. 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)：BCM56500是交換型路由器的核心交換單元，負(fù)責(zé)高速轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。它通過內(nèi)置的千兆接口控制器（GPIC）和地址解析邏輯（ARL）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)，確保數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的高效傳輸。

2. 路由功能實(shí)現(xiàn)：BCM56500支持三層路由功能，能夠根據(jù)路由表將數(shù)據(jù)包從源地址轉(zhuǎn)發(fā)到目的地址。通過CPU管理接口（CMIC），MPC8245可以配置BCM56500的路由表，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的路由策略。

3. 高性能緩存：BCM56500內(nèi)部集成的2MB數(shù)據(jù)包緩沖內(nèi)存，為數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)提供了充足的緩存空間。通過高效的內(nèi)存管理單元（MMU），BCM56500能夠確保數(shù)據(jù)包在緩存中的快速存取和調(diào)度，提高整體轉(zhuǎn)發(fā)效率。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

硬件設(shè)計(jì)

1. CPU控制單元：采用Freescale MPC8245處理器作為控制平臺(tái)核心，配置足夠的內(nèi)存（如SDRAM）和閃存（如Flash）以支持操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的運(yùn)行。

2. 交換單元：選用Broadcom BCM56500交換芯片作為核心交換單元，通過PCI總線與MPC8245處理器相連。BCM56500提供24個(gè)千兆以太網(wǎng)端口，支持高速數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)和三層路由功能。

3. 物理層芯片：采用Broadcom BCM5464和BCM5461物理層芯片，分別提供4個(gè)和1個(gè)千兆電接口（SGMII接口），用于接入前面板和板內(nèi)使用。此外，BCM56500的SERDES接口還用于接出2路千兆光接口和其余16路千兆端口接入系統(tǒng)背板。

4. 其他硬件模塊：包括RJ45/光接口單元、CPU連接器單元、時(shí)鐘單元和電源單元等，共同構(gòu)成完整的交換型路由器硬件系統(tǒng)。

軟件設(shè)計(jì)

1. 操作系統(tǒng)選擇：采用WindRiver公司的VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為控制平臺(tái)的軟件基礎(chǔ)。VxWorks以其高可靠性和實(shí)時(shí)性著稱，非常適合用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。

2. 初始化與配置：在CPU最小系統(tǒng)（CPU+SDRAM+Flash+串口）

   上電后，MPC8245處理器首先從Flash中加載引導(dǎo)程序（Bootloader），如U-Boot，進(jìn)行硬件初始化，包括內(nèi)存測(cè)試、時(shí)鐘配置、外設(shè)初始化等。隨后，引導(dǎo)程序加載VxWorks操作系統(tǒng)內(nèi)核到內(nèi)存中，并啟動(dòng)操作系統(tǒng)。

在VxWorks啟動(dòng)后，路由器系統(tǒng)將進(jìn)行進(jìn)一步的軟件配置。這包括初始化BCM56500交換芯片，配置其路由表、ACL（訪問控制列表）、QoS（服務(wù)質(zhì)量）策略等。MPC8245通過PCI總線與BCM56500進(jìn)行通信，發(fā)送配置命令和參數(shù)，確保交換芯片按照預(yù)定的網(wǎng)絡(luò)策略運(yùn)行。

路由協(xié)議與動(dòng)態(tài)路由

為了支持復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，路由器需要實(shí)現(xiàn)多種路由協(xié)議。MPC8245處理器上的VxWorks系統(tǒng)可以運(yùn)行多種路由協(xié)議軟件，如OSPF（開放最短路徑優(yōu)先）、EIGRP（增強(qiáng)型內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議）等。這些路由協(xié)議軟件通過讀取網(wǎng)絡(luò)接口狀態(tài)、收集路由信息，并計(jì)算出最佳路由路徑，然后將這些路由信息更新到BCM56500的路由表中。

動(dòng)態(tài)路由協(xié)議不僅能夠在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)自動(dòng)更新路由表，還能通過與其他路由器交換路由信息，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路由同步和優(yōu)化。MPC8245處理器的高性能和多任務(wù)處理能力，為這些復(fù)雜路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)提供了有力支持。

安全與性能優(yōu)化

在安全方面，路由器系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)多種安全機(jī)制，如ACL、防火墻規(guī)則、加密通信等。MPC8245處理器可以通過軟件實(shí)現(xiàn)這些安全策略，而BCM56500交換芯片則可以通過其硬件加速能力，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行快速過濾和分類，提高安全處理效率。

在性能優(yōu)化方面，路由器系統(tǒng)需要充分利用BCM56500交換芯片的高性能特性。通過合理的流量管理和調(diào)度策略，可以確保數(shù)據(jù)包在交換芯片中的高效傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)。同時(shí)，MPC8245處理器還可以對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整和優(yōu)化，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量的變化。

可擴(kuò)展性與可維護(hù)性

為了滿足未來網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的需求，路由器系統(tǒng)需要具備良好的可擴(kuò)展性。這包括硬件模塊的擴(kuò)展（如增加網(wǎng)絡(luò)接口、擴(kuò)展存儲(chǔ)空間等）和軟件功能的升級(jí)（如支持新的路由協(xié)議、增加安全特性等）。MPC8245處理器和BCM56500交換芯片都支持模塊化設(shè)計(jì)，便于進(jìn)行硬件擴(kuò)展和升級(jí)。同時(shí)，VxWorks操作系統(tǒng)也提供了豐富的API和工具，支持軟件功能的靈活定制和升級(jí)。

在可維護(hù)性方面，路由器系統(tǒng)需要提供完善的監(jiān)控和管理功能。MPC8245處理器可以運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)管理軟件（如SNMP代理），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路由器的運(yùn)行狀態(tài)和性能指標(biāo)。同時(shí)，還可以通過Web界面或命令行接口（CLI）對(duì)路由器進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和配置。這些功能使得網(wǎng)絡(luò)管理員能夠方便地監(jiān)控和維護(hù)路由器系統(tǒng)，確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行。

結(jié)論

基于Freescale MPC8245處理器和Broadcom BCM56500芯片的交換型路由器設(shè)計(jì)方案，充分利用了兩款芯片的高性能和靈活性，實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)、復(fù)雜路由協(xié)議支持、高效安全處理和良好可擴(kuò)展性等功能。該方案不僅滿足了現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對(duì)高性能、高可靠性和可擴(kuò)展性的要求，還提供了豐富的監(jiān)控和管理功能，便于網(wǎng)絡(luò)管理員進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和維護(hù)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，該方案將在更廣泛的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮重要作用。