CN113625617A - 一种基于国产mcu芯片的gmac通道复用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通讯技术领域，公开了一种基于国产MCU芯片的GMAC通道复用系统，包括MCU芯片，所述MCU芯片通过SPI接口、GMAC接口与FPGA芯片连接，所述FPGA芯片通过多个扩展接口与扩展设备相连，通过SPI接口配置多个扩展接口，由FPGA芯片控制通讯中断管理，采用特定总线规约，通过所述GMAC接口进行FPGA芯片中的多个扩展接口和MCU芯片之间的数据传送，在所述MCU芯片内部设置有特定数据缓存区，所述特定数据缓存区用于存储通过GMAC接口传送的数据，实现GMAC通道复用，所述特定总线规约包含GMAC固定字节的传输报文识别码、报文类型标识、报文序号标识、报文字节长度以及实际需要收发的数据。
Description
技术领域
本发明涉及通讯技术领域，尤其涉及一种基于国产MCU芯片的GMAC通道复用系统。
背景技术
国产MCU芯片应用选型过程中，发现相对于进口SOC芯片(片内集成FPGA)，应用较成熟的国产芯片片内无FPGA，片外无并行总线，且外部接口有限，限制了应用场景，需要通过片外的FPGA芯片扩展外部接口(比如：扩展IO口，扩展以太网口，扩展CAN通信口，扩展芯片间高速同步通信口)。
GMAC硬件结构主要分为三层：核心层、MTL层、DMA层：核心层即IP核是GMAC-CORE，提供了硬件的接口以及网卡内部的一些基本功能；MTL层或者说GMAC-MTL层主要负责数据与DMA以及FIFO缓存之间的交互；GMAC-DMA层主要是DMA的控制及其与系统内存的交互，与CPU的交互等等。GMAC与CPU核心集成在同一芯片内部，采用内部总线互连，同时TCP/IP校验等都是由硬件完成，降低了软件的复杂度和开销，提高了数据包的吞吐率。由于使用的信号线较少，因此电路设计简单，同时却十分高效。
选定国产化芯片对GMAC通道支持较好，可实现1000Mbps的通信速率。按照Linux驱动架构，GMAC只能支持一个通道网口，限定了扩展接口设备的数量，需要对驱动层进行改造实现GMAC通道复用。
发明内容
本发明提供了一种基于国产MCU芯片的GMAC通道复用系统，解决了现有的国产MCU芯片仅能支持一个GMAC通道网口，限定了扩展接口设备的数量等问题。
本发明可以通过以下技术方案实现：
一种基于国产MCU芯片的GMAC通道复用系统，包括MCU芯片，所述MCU芯片通过SPI接口、GMAC接口与FPGA芯片连接，所述FPGA芯片通过多个扩展接口与扩展设备相连，通过SPI接口配置多个扩展接口，由FPGA芯片控制通讯中断管理，采用特定总线规约，通过所述GMAC接口进行FPGA芯片中的多个扩展接口和MCU芯片之间的数据传送，在所述MCU芯片内部设置有特定数据缓存区，所述特定数据缓存区用于存储通过GMAC接口传送的数据，实现GMAC通道复用，所述特定总线规约包含GMAC固定字节的传输报文识别码、报文类型标识、报文序号标识、报文字节长度以及实际需要收发的数据。
这样，用国产MCU芯片的单个GMAC通道连接FPGA实现扩展多个网络、CAN及芯片间高速同步通道的GMAC通道复用，GMAC通道做为MCU和FPGA的数据传输通道，实现MCU与FPGA扩展设备的高速数据通信。首先，通过SPI配置FPGA扩展设备，其次通过FPGA控制中断，实现MCU与FPGA扩展设备同步，最后，通过GMAC内部协议，实现MCU与FPGA扩展设备的通信透明。
上述FPGA为大规模可编程逻辑器件(Field Programmable Gate Array)是在PAL、GAL等可编程器件的基础上进一步发展的产物，它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA可实现IO口扩展，可实现多个以太网控制器，可实现CAN控制器，可实现定制芯片间高速同步通信口。
同时，为了实现多个设备共享GMAC通道，基于Linux的GMAC接口设备驱动架构定制一个用于扩展通信通道的设备即在MCU芯片内部设置有特定数据缓存区，共享其内部缓冲给扩展设备，通过FPGA同步中断，使得所有的设备同步读取和写入数据。通过内部协议，实现数据获取的准确性，保证了MCU与FPGA扩展设备通信的惟一性。
进一步，所述MCU芯片的SPI接口、GMAC接口与FPGA芯片的SPI接口、GMAC接口对应连接，而FPGA芯片中的BUS Conv模块、Addr Oper模块用于FPGA芯片的SPI接口、GMAC接口与对应扩展设备的通道映射，从而方便MCU芯片通过FPGA芯片与多个扩展设备的通讯，实现通道复用。
进一步，所述扩展接口包括扩展光口对时模块、双以太网模块、BO出口控制模块和BI采集模块、双串口模块、CAN通信模块。
另外，本发明的基于国产MCU芯片的GMAC通道复用系统，还可以应用于国产化保护及自动化设备，国产化智能变电站通信设备等，该设备包括主MCU模块和数个扩展智能模块，模块间通过FPGA互联，国产MCU和FPGA通过GMAC和SPI连接。
本发明有益的技术效果如下：
本发明利用FPGA及MCU的GMAC通道将国产MCU的外部接口扩展，并实现MCU与外部扩展设备间的高速通信，MCU和FPGA之间仅仅通过GMAC数据线连接。在单一的处理器上利用GMAC通道和FPGA可实现IO口扩展，网口扩展，串口扩展，CAN通信口扩展，自定义同步总线扩展，简化了硬件设计，大大降低了系统成本，具有极高的性价比。另外，将本方法应用于国产化保护及自动化设备、国产化智能变电站通信设备，可实现多CPU同步处理多个平台，性价比高、灵活性强。
附图说明
图1为本发明的总体电路连接框图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明的基于国产MCU芯片的GMAC通道复用系统，包括主MCU芯片、从MCU芯片和FPGA芯片，使用GMAC通道连接FPGA芯片和主MCU芯片，FPGA芯片中“BUS Conv”接口和“Addr Oper”接口实现GMAC接口到扩展设备通道的映射，使得主MCU芯片可以通过GMAC接口实现与FPGA芯片内部扩展设备的通信。FPGA芯片的每条高速总线可与一个MCU芯片连接，实现多个设备扩展，其中主MCU芯片扩展了光口对时模块、双以太网模块、BO出口控制模块和BI采集模块、双串口模块、CAN通信模块，主MCU芯片通过扩展的CAN通信模块，同步数据模块和其他智能板卡通信。
其中，CPU芯片均选用CortexA7四核国产ARM芯片，该芯片最高运行频率1.2GHz，支持DDR3SDRAM，SD卡和NandFlash扩展，片内具有32K指令缓存和32K数据缓存，自带USB控制器和网络控制器，同时T3的GMAC接口需要14个信号端，4个数据发送端，4个数据接收端，发送时钟端、接收时钟端，接收数据纠错端，接收数据控制端、发送数据控制端，发送使能端；FPGA芯片选用使用国产FPGA芯片，包含27k逻辑资源和256pin脚。
国产MCU芯片通常只有一个GMAC通道，使用linux通用驱动的程序，只能确保一个扩展通道的正常通信。本发明自定义了一套高速数据交换总线，自定义的特定总线规约包含GMAC固定字节的传输报文识别码、报文类型标识、报文序号标识、报文字节长度、实际需要收发的数据。在一个FPGA中断周期内，MCU及扩展设备从高速数据交换总线上读取数据，并将新数据写入高速数据交换总线。通过自定义的总线规约，确保扩展设备解析到正确的报文，通过自定义的数据总线，上下行的数据传输速率均可达到1000Mbps，实现了GMAC通道的复用，简化了硬件设计，提高了效率。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。
Claims (3)
1.一种基于国产MCU芯片的GMAC通道复用系统，其特征在于：包括MCU芯片，所述MCU芯片通过SPI接口、GMAC接口与FPGA芯片连接，所述FPGA芯片通过多个扩展接口与扩展设备相连，通过SPI接口配置多个扩展接口，由FPGA芯片控制通讯中断管理，采用特定总线规约，通过所述GMAC接口进行FPGA芯片中的多个扩展接口和MCU芯片之间的数据传送，在所述MCU芯片内部设置有特定数据缓存区，所述特定数据缓存区用于存储通过GMAC接口传送的数据，实现GMAC通道复用，所述特定总线规约包含GMAC固定字节的传输报文识别码、报文类型标识、报文序号标识、报文字节长度以及实际需要收发的数据。
2.根据权利要求1所述的基于国产MCU芯片的GMAC通道复用系统，其特征在于：所述FPGA芯片的BUS Conv模块、Addr Oper模块用于FPGA芯片的SPI接口、GMAC接口与对应扩展设备的通道映射。
3.根据权利要求2所述的基于国产MCU芯片的GMAC通道复用系统，其特征在于：所述扩展接口包括扩展光口对时模块、双以太网模块、BO出口控制模块和BI采集模块、双串口模块、CAN通信模块。
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