一种基于VPN网关的电原理设计与实现

1．引言
PowerPC MPC8xx（Power QUICC[1]，Quad Integrated Communications Controller）是一款集成了微处理器和外围器件控制器的通信处理器，可以用于多种通信设备中。PowerPC有优异的通信和网络性能，同基于x86 CPU的工控机平台相比，PowerPC更适合用于专门的网络设备，可以提高产品的性价比和可靠性，使产品具有更强的竞争力。
在PowerPC MPC8xx系列中，根据设计要求，选择性价比较高的MPC855T作为VPN安全网关的控制器。MPC855T由三个模块组成，每一个模块使用32-bit的内部总线：PowerPC核、系统接口单元（SIU）和通信处理模块（CPM）。
2．VPN网关电原理设计
2.1 总体结构

硬件由主板、加密算法板、LCD显示板、灯板、电源、风扇、机壳组成。其中主板和加密算法板的设计，占整个硬件设计任务量的90％以上，本论文只针对这两个板的设计。
主板由CPU部分、存储器部分、通信接口部分、加密算法及随机序列产生模块部分、调试及配置接口部分、电源等部分组成。主板的电原理框图由图1所示。
2.2 复位电路
复位控制器对出现的复位源作出响应。所采取的动作决定于复位源，但通常它执行异常处理向量表中0x100位置的程序并初始化基于MODCK[1-2]和总线管脚0到14的特殊参数。
MPC855T有几个复位源连接到复位逻辑，其中3个复位源为管脚。即上电复位（Power-On Reset），硬复位（Hard Reset），软复位（Soft Reset）。上电时产生硬和软复位管脚设置，这时硬和软复位管脚为输出。但是，当系统已上电并运行时，可以配置按钮或相似设备以产生外部软或硬复位，在这种模式，管脚为输入。图2为上电复位和硬复位顺序图。

由图2可知，当上电（Power-On）设置时，MPC855T进入上电复位状态。在该状态下设置硬复位和软复位。随后，855T采样MODCK管脚，并初始化系统时钟。设备保持在上电复位状态直到上电复位翻转，锁相环（PLL）锁定。最后，芯片进入内部初始化的硬复位状态。
2.3 时钟电路
MPC855T时钟模块包含主晶体振荡器（OCSM）、系统锁相环（SPLL）、低功耗除法器和时钟产生/驱动模块，在复位时，MPC855T读MODCK[1-2]管脚。

在XTAL和EXTAL端，外接32.768kHz的晶体时钟电路作为CPU的实时时钟源。在断电的瞬间，要求PORESET保持高电平，否则会引起CPU进入不定状态，其内部的实时时钟不能正常工作。通过实验，在复位芯片MAX811_EUS-T的电源端接一47µF的电解电容，以使在断电瞬间，保持PORESET为高电平。经反复测试，工作可靠。在XFC管脚上，应连接一片外电容器，用于片内系统锁相环（SPLL）滤波器。电容器的一端连到XFC。电容器的值与PLPRCR[MF]有关，其取值由表1决定。在本设计中，MF＋1＝8。由表1可知，XFC的电容值为6640－11760pF，故使用0.01µF的电容器。
2.4 串行管理控制器（SMC）接口电路
SMC有2个全双工通道，可以编程配置它们独立支持UART,透明方式和GCI。SMC使用缓存描述字符，缓存在存储器中，SMC向CPM RISC提供请求，使SDMA传送数据。每个SMC有3个管脚，一个发送管脚，一个接收管脚步和一个同步管脚，同步管脚在发送和接收开始后，只用于透明方式。图3说明了端口B中这些管脚的位置。有的管脚可以共用，必须根据需要配置这个端口，它可以通过端口配置寄存器实现。
根据设计要求，将SMC1和SMC2配置成UART，外接232电平转换芯片MAX3232，其中SMC1用于控制台（Console）接口，由DB9座（针或孔可选）引出；SMC2分时用于前面板LCD显示控制和与IC卡读写器（可选）的通信，通过模拟开关74HCT4053进行切换,其控制由口线PB[30]完成。

2.5 串行通信控制器（SCC）接口电路
串行通信控制是MPC855T中最强大的通信设备，它可以以多种不同的协议传送数据，比如UART HDLC，以太网等等。图4说明在不考虑使用什么协议下的数据通信工作流程。
在接收数据的FIFO中，当接收FIFO开始充满时，CPM向SCC发请求。然后请求CPM RISC写SDMA，以将接收的FIFO数据移到当前接收缓存，接收缓存通常在外部存储器。有一个为发送数据的发送FIFO，当发送FIFO空时，SCC向请求优先器发一个请求，CPM RISC响应这个请求后，写SDMA，将从当前激活的发送缓存来的操作码移入发送FIFO。发送缓存描述符与接收缓存描述符功能相同，在双端口RAM中有一组发送缓存描述符，开始的描述符逐个激活，指针从一个描述符移向另一个描述符。缓存描述符总是在双端口RAM中，由用户初始化。图5为SCC管脚，SCC连接5个管脚：发送、接收、载波检测、清发送和请求发送。