基于MPC860和VxWorks的硬件防火墙设计及实现

此外为提高核心板的适用范围，在核心板上增加了一个标准的SODIMM插槽和总线复用电路，SODIMM插槽可通过跳线支持16MB、32MB、64MB及128MB内存。总线复用电路支持外部总线仲裁（即在同一系统中可以将多块核心板加在同一总线上而不会产生冲突），本核心板可以不加任何改动即可用于其他系统中，包括多个核心板用于同一个系统^[1][2]。
底板的功能框图如图2所示。当操作系统完全接管系统（包括对核心板底板所有硬件的管理）后，由操作系统发起任务控制底板上的资源，从而实现硬件防火墙的功能，包括路由功能、网关功能和内容过滤的功能。同时连接器将核心板所有的引脚引出用于扩展设计。这样设计的优点是当系统进行局部更新或设计时，只要更改底板的设计即可，并极大降低了开发难度，同时也提高了本系统复用率。

2 关键器件和关键技术
2.1 系统核心CPU MPC860
MPC860是由基于Motorola的MC68360嵌入式通信控制器演变而来的。PowerPCTM结构处理器由三个模块组成，即PowerPC^TM内核、系统接口单元(SIU)及通信处理器模块(CPM)。这三个模块均采用32位内部总线。MPC860的主处理器是32位的PowerPC^TM内核，能够实现内存管理（MMU）以及指令与数据的缓存；MPC860的系统接口单元中，存储器控制单元可支持多种高性能的存储器，包括SDRAM和Flash，还增加了PCMCIA控制器及实时时钟电路。MPC860采用了类似于MC68360的通信处理器模块（CPM），并增加了I2C通道。MPC860的CPM赠加了DSP功能。详细介绍见参考文献[1][4]。
LXT972是Intel公司推出的符合IEEE标准的快速网络物理收发器驱动芯片。适合于在100BASE-TX和10BASE-T标准的介质连接中应用。除此之外，它还提供一种非常易于应用在10/100M介质访问控制器(MACs)的独立介质独立接口（MII）。详细介绍见参考文献[2]。
LXT905是Intel公司生产的一款低电压通用10Base-T收发器，适合于IEEE 802.3标准的物理层应用。LXT905的功能包括曼彻思特编码/解码，接收器压制和发送脉冲波形休整、模糊识别、连接完整性测试和反极性探测和校正。LXT905驱动10Base-T双绞线仅用单一3.3V或者5V供电的隔离变压器。详细介绍见参考文献[3]。
3 设计方案的实现
3.1 硬件部分
由于篇幅有限，本文仅对系统的几个具有代表性的电路进行分析。
3.1.1 核心板部分
由于本系统的最终设计目标是设计出一台标准的嵌入式设备，所以在Flash存储器电路上选用了两片富士通生产的型号为MBM29LV160BT 16MB(2M8/1M16)位）的Flash存储器，使用方式为2MX8位，在电路连接上，它占用了MPC860的存储空间管理器的两块。两片Flash存储器的片选分别与MPC860的片选CS0#和CS1#相连。CS0接启动Flash，一般将系统的启动代码烧录进去。CS1接文件系统Flash，一般将操作系统和文件系统存储在该Flash中。
本系统所使用的SDRAM存储器为现代公司生产的型号为HY57V641620HG 4Banks1M16位Synchronous DRAM，使用的方式为将两片SDRAM通过字扩展构成4M32位SDRAM，即共16MB的存储器空间。在物理连接上该两片SDRAM与MPC860的片选CS2#相连，占用MPC860的存储空间管理器的一块。除此之外该片选可通过跳线禁用。MPC860与SDRAM的接口电路如图3所示。

为了提高本系统的应用范围，增加系统的存储器空间，系统设计在核心板上增加了一个144pin的标准SODIMM插槽，通过跳线可以支持16MB、32MB、64MB、128MB的标准内存。与MPC860的片选CS5#和CS6#物理连接。
硬件设置字电路如图4所示。

在上电复位和硬件复位时，CPU除了读取时钟的缺省设置外，还会从数据总线上读取硬件复位设置字（HRCW），如图4所示。这个16位的HRCW字必须用上拉电阻进行设置，若未加上拉电阻，各数据位的值缺省为0。
在本系统中，硬件复位设置字用三个总线驱动器244加到数据总线上实现。硬件复位的设置字如下：
上电复位时，MODCK1=1、MODCK2=0，选则EXTCLK为OSCCLK的输入。
D0=0，即EARB=0，本系统采用内部总线仲裁机制。
D1=0(可通过跳线设置成1)，即IIP=0，本系统复位中断向量的地址为0XFFF00100，可通过跳线设置成0X00000100。
D2=1，即BBE=1，本系统的启动设备不支持突发模式。
D3=0，即BDIS=0，启动禁止位禁止，硬件复位后内存控制器将所有的地址都映射到BANK0区。从CS0#连接的Flash启动。
D4=0，D5=1，即BPS=01，系统启动后数据总线工作在8位模式。
D6=0；系统保留位。
D7=1，D8=0，即ISB=10，系统复位后内部内存的起始地址为0XFF000000H。
D9=1，D10=1，即DBGC=11，对MPC860的一些复用引脚进行设置。使系统复位后MPC860的一些复用引脚工作在确定的引脚状态。以满足系统的需求。
D11=0，D12=0，即DBPC=00，MPC860的调试端口BDM调试端口管脚设置。
D13=0，D14=0，即EBDF=00，总线工作在全速模式下。
D15=0，即CLES=0；数据存储模式为大端模式。
在本系统中为减少PCB板尺寸提高系统的可靠性，采用Cadence Allego SPB15.1软件，布成8层板。在提高电磁兼容性方面。除了在PCB板上增加地层外，在PCB板的上下表面层板的周围增加贯穿孔以增加整个PCB板的抗干扰性和电磁兼容性。
3.1.2 底板部分
本系统中100M网络驱动电路为主要部分，是本系统与外网相连的接口，所有的网络数据都通过100M网口进入硬件防火墙，将核心板分析及处理后的数据通过10M网络驱动电路接口送入内网，所有的算法（如查找算法、IP数据包内容还原、甚至于高级的内容替代算法等）都在核心板实现。
本系统共有两路10M网络驱动电路。10M网络驱动电路是硬件防火墙与内网相连的惟一路径，硬件防火墙将处理过的数据通过该接口送入内网。同理，内网访问外网的数据也要通过它进入硬件防火墙。数据经硬件防火墙处理后，通过100M网络驱动电路送到外网。同时本系统所设计的两路10M网络电路还可以同时监管两个10M带宽的局域网，完成一些高级功能（如网络流量检测、内网监控、网关及路由功能等）。
由于功能和开发需要，系统在设计中采用了双串口方案。在开发中，一个串口可以作为与宿主机超级终端相连的调式串口，另一个可以作为与上位机通信的端口。
由于MPC860支持片上调试，且为降低开发成本，所以在本系统开发时所采用的调试手段是MPC860所支持的BDM 调试。
3.2 软件部分
主要包括启动代码编写、操作系统移植、硬件驱动编写以及应用程序等。由于篇幅有限，本文仅对BSP移植进行简单介绍。

3.2.1 BSP移植的步骤及建立BOOTROM的方法
(1)阅读手册，了解WINDRIVER的BSP模板编写规范、文件的组织，找到适合于目标处理器的模板。
(2)找到BSP模板以后，针对不同的CPU类型，确定基本BSP中所有寄存器配置是否适合当前的硬件(包括SDRAM、Flash)。如果不适合则做相应的改动，这主要是指rominits，config.h中的修改。
(3)如果有网络设备，则需要配置confignet.h。如果有串口，则需要修改sysSerial.c。修改sysLib.c中的硬件相关部分。
建立BOOTROM的方法：
(1)进行BSP定制，主要是修改bootline，配置configAll.h，config.h和Makefile。
(2)选择VxWorks的加载方式，然后配置target server，通过“build bootrom”图形对话框或者命令行建立bootrom，然后通过visionprobe将bootrom下载到目标机RAM中运行，或者将成功的bootrom用专门烧写器烧写到Flash中。
3.2.2 根据硬件修改BSP
在本课题中，将ads860目标板的BSP拷贝到目录installDir/target/config/ncut860t下，同时将all目录下的所有文件都拷贝到installDir/target/config/ncut860t/all目录下，之后针对本系统的硬件环境对BSP进行修改，同时修改相应的makefile。
注意：应将BSP拷贝到相应目录下后再启动Tornado，否则在Tornado的BSP列表中可能看不到新添加的BSP。
(1)config.h文件需要修改的配置（部分代码）
#define DEFAULT_BOOT_LINE
″motfec(0,0)host:vxWorks h=219.224.61.102 e=219.224.61.202 u=ncut pw=ncut″
#define CRISTAL_FREQ50000000 /*50MHz*/
#define LOCAL_MEM_LOCAL_ADRS0x00000000
/*Base of RAM*/
#define LOCAL_MEM_SIZE0x02000000
/*32MB memory available*/
#define ROM_BASE_ADRS0x02800000
/*base address of ROM*/
#define ROM_TEXT_ADRSROM_BASE_ADRS+0x100
#define ROM_SIZE 0x00200000/*2M ROM space*/
#define RAM_HIGH_ADRS(LOCAL_MEM_LOCAL_
ADRS+0x00500000)
#define RAM_LOW_ADRS(LOCAL_MEM_LOCAL_
ADRS+0x00010000)
#define USER_RESERVED_MEM0x00000000
/*user reserved memory size*/
(2)makefile文件修改（部分代码）
TARGET_DIR=ncut860t
VENDOR=Motorola
BOARD=fw860t
ROM_TEXT_ADRS=02800100 # ROM entry address
ROM_SIZE=00400000 # number of bytes of ROM space
RAM_LOW_ADRS=00010000 # RAM text/data address
RAM_HIGH_ADRS=00500000 # RAM text/data address
HEX_FLAGS=-a ＄(ROM_TEXT_ADRS)
MACH_EXTRA=motFecEnd.o
CONFIG_ALL=F：workSetUpPpCTornado2.2targetconfig
ncut860tall
3.2.3 BSP常用的调试方法
开发调试BSP有两种方法，一种是使用仿真器通过BDM的方式一步步地跟踪调试；另一种是通过点灯的方式进行所谓的“黑”调。这里主要介绍“黑”调的方法。“黑”调的方法是通过 “灯”闪或用示波器测片选等，根据外部现象和所编的测试代码进行比较分析来调试程序。进行黑调的首要条件是串口部分代码已经调通，宿主机可以通过串口与目标机的通信，然后再调试BSP的其他部分。
BSP调试流程分成两部分。首先是位于BootRom中的Boot代码，它的作用是实现配置硬件和启动VxWorks下载程序；接下来是下载后跳转到VxWorks的入口地址运行操作系统和应用程序。
ROM中的启动代码部分：
RomInit：在文件romInit.s中，它是程序运行的开始，实现判断启动类型，配置内核和非内核寄存器以及内存和外围设备的读写时序，因此可以在此处加入内存检测功能。闪灯功能函数也要在此加入。判断启动类型和配置寄存器的部分不需要改动。配置内存和外围设备读写时序部分要进行改动，这一部分的SDRAM、ROM、Flash、FPGA有相应的模板可以参考，是通过使用宏定义来实现的。一般是改动空间大小的屏蔽位，读写位数以及片选寄存器OR和BR。内存检测在这里实现较复杂，它根据相应的内存检测算法实现。主要是对地址线和数据线的检测，通过写入数据再读出数据来判断，使用“走步1”和“走步0”算法。闪灯在这一部分是强烈推荐的，因为闪灯才能定位程序的运行位置。
在RomInit函数结尾处，指针跳入RomStart()，RomStart()在BootInt.c文件中。它是系统运行的第一个C函数。这一部分是Wind River公司提供的标准程序，一般不需改动。该函数是C的入口函数，由汇编程序调用，主要完成清内存，将ROM中的程序拷贝到RAM，解压并跳至解压后的程序运行。
UsrInit在BootConfig.c文件中，主要实现硬件的初始化。其中涉及到串口、网口的初始化及CONSOLE的配置等。其中串口和网口的配置是BSP的重要部分。UsrRoot在BootConfig.c文件中，它主要是实现vxworks文件的下载，并且跳转到vxworks的入口地址，从而进入操作系统。
VxWorks文件中的代码部分：
SysInit在sysAlib.s中。它是VxWorks的启动代码，与RomInit的作用相同。对于这个文件，一般不需要改动。UsrInit在Usrconfig.c中，其作用与Boot中UsrInit的作用相同。他们都调用SysLib.c中的子函数实现相同的硬件初始化功能。UsrRoot在UsrConfig.c中，它的作用与Boot中的UsrRoot的作用类似，但是这里的UsrRoot最终是进入到应用程序中。
该硬件防火墙的特点是高性能、高稳定性和强兼容性，除了可以实现网关、路由、上位机监控的功能外，在硬件防火墙的功能上通过软件可实现典型的性能参数、1000个并发联接数、实现吞量20M、实现10M的安全过滤带宽、实现对VPN、IDS、Dos等的支持。
同时，本系统作为一种嵌入式开发的典型设计，核心板可以不作任何改动即可应用于其他嵌入式应用中。充分体现了嵌入式开发在后续开发中电路重复应用的优势。此外在设计中所采用的一些扩展性设计，如为增加系统存储器所加的标准SODIMM插槽、不同封装的晶振驱动电路，不但增加了该核心板电路的应用范围，而且在实际使用中也增强了该电路的稳定性。
参考文献
[1] Freescale semiconductor Co.Ltd.MPC860 PowerQUICCFamily User′s Manual.Rev.3，2004，7.
[2] Intel Co.Ltd.LXT972A 3.3V Dual-Speed Fast Ethernet Transceiver Datasheet.2001，1.
[3] Intel Co.Ltd.LXT905 Universal 10Base-T Transceiver with3.3v Support Datasheet.2001，1.
[4] 谢斌.MPC860/850嵌入式系统开发入门与指导.西安：西安电子科技大学出版社，2004.
[5] Freescale semiconductor Co.Ltd.Application Note《SDRAMand the MPC860》 03-19-98 Revised，01-11-00.