單片機控制的網絡交換機設計與實現
談宏華
來源：單片機與嵌入式系統(tǒng)
摘要： 介紹基于單片機控制的智能以太網交換機的研制過程，包括硬件電路,、單片機軟件和PC的管理程序,。用戶通過PC的管理程序或PC的超級終端，可實現對網絡交換機的配置和管理,。
Abstract：
Key words :
隨著計算機性能的提高及通信量的聚增,，傳統(tǒng)局域網已經越來越超出了自身負荷，交換式以太網技術應運而生,，大大提高了局域網的性能,。網絡交換機能顯著的增加帶寬，可以建立地理位置相對分散的網絡,。局域網交換機的每個端口可并行,、安全、實時傳輸信息,，而且性能穩(wěn)定,、結構靈活、易于安裝,、便于管理,，能很好地滿足企業(yè)網和電信運營商寬帶接入的需求。
1 網絡交換機的硬件設計
隨著人們對網絡應用中的安全性和高帶寬的需求,，網絡交換機的用途越來越廣。本交換機采用了AL101芯片的ROX總線,，將3個8口交換芯片連接起來,，組成了1個24端口交換機，滿足了用戶對多交換端口的需求,。
1.1 電路性能要求
交換機的高速PCB電路板,，在EMC和ESD上都有比較高的要求。它采用了75MHz,、50MHz的高速時鐘,，需要晶振的精度小于50PPM，同時時鐘需要通過時鐘分配電路送給不同的芯片,，它需要分配的時鐘之間的相位差小于2ns,。
交換機有24個10/100M自適應端口，每個端口都能達到線速交換,。根據用戶需要可對端口進行10/100M速率,、全/半雙工、流量控制,、靜態(tài)MAC地址,、鏡像、VLAN等設置。
1.2 交換機的原理框圖
本交換機的交換技術采用存儲-轉發(fā)方式,，主要由接口單元,、交換單元、管理單元,、燈顯示單元和電源接口單元五部分組成,。其組成的方框圖如圖1所示。
圖1 電路框圖
RJ45接口收到以太網幀結構的數據包后,，經過變壓器隔離和阻抗匹配后送到PHY(物理接口芯片),，在此芯片中完成模擬信號到RMII接口的數字信號的變換，并獲得鏈路狀態(tài),、沖突,、信息是否超長，速率等信息,。
數據進入交換芯片(由三個芯片組成,，通過ROX總線形成一個環(huán)路，可以完成數據在三個芯片之間的交換),，交換芯片將獲得數據的目的地址和源地址,，并對以太網幀進行差錯校驗。交換芯片將源地址保存在自己的MAC地址表中,，然后將目的地址與MAC地址表中的地址相匹配,，以獲取數據將轉發(fā)的相應端口。如果目的端口在同一個交換芯片中,，則從SGRAM中取出數據轉發(fā)到相應的端口,；如果目的端口不在同一個交換芯片中，數據則通過ROX總線傳輸到相應的交換芯片,，然后轉發(fā)出去,；如果在MAC地址表中沒有找到相應的目的地址，就將幀轉發(fā)到除源端口之外的其它屬于同一VLAN的所有端口或者某一個上連端口(與交換芯片寄存器的設置有關),。
燈的顯示由PHY給出,，通過燈的顯示可以觀察每個端口的工作速率、連接和數據收發(fā)等情況,。
交換芯片在每次開機或復位期間,，首先讀取外接EEPROM的內容來對交換芯片寄存器進行初始化配置。而交換芯片寄存器的內容可以通過PC的管理程序或PC的超級終端進行讀寫,，以此來控制或讀取交換機的工作配置,。
RJ45接口收到以太網幀結構的數據包后,，經過變壓器隔離和阻抗匹配后送到PHY(物理接口芯片),，在此芯片中完成模擬信號到RMII接口的數字信號的變換，并獲得鏈路狀態(tài),、沖突,、信息是否超長，速率等信息,。
數據進入交換芯片(由三個芯片組成,，通過ROX總線形成一個環(huán)路，可以完成數據在三個芯片之間的交換),，交換芯片將獲得數據的目的地址和源地址,，并對以太網幀進行差錯校驗。交換芯片將源地址保存在自己的MAC地址表中,，然后將目的地址與MAC地址表中的地址相匹配,，以獲取數據將轉發(fā)的相應端口。如果目的端口在同一個交換芯片中,，則從SGRAM中取出數據轉發(fā)到相應的端口,；如果目的端口不在同一個交換芯片中，數據則通過ROX總線傳輸到相應的交換芯片,，然后轉發(fā)出去,；如果在MAC地址表中沒有找到相應的目的地址，就將幀轉發(fā)到除源端口之外的其它屬于同一VLAN的所有端口或者某一個上連端口(與交換芯片寄存器的設置有關),。
燈的顯示由PHY給出,，通過燈的顯示可以觀察每個端口的工作速率、連接和數據收發(fā)等情況,。
交換芯片在每次開機或復位期間,，首先讀取外接EEPROM的內容來對交換芯片寄存器進行初始化配置。而交換芯片寄存器的內容可以通過PC的管理程序或PC的超級終端進行讀寫,，以此來控制或讀取交換機的工作配置,。
2 網絡交換機的軟件設計
整個網絡交換機系統(tǒng)的軟件包括單片機的控制軟件、EEPROM配置數據和PC機的管理程序,。
單片機的控制軟件主要完成對寄存器的讀寫和與PC之間的通信,。通過這個管理單元,，可以將交換機配成各種工作模式，以滿足不同用戶的需求,。
交換芯片通過I2C總線連接EEPROM(24C02),，用于保存配置數據。在設備開機或者復位時,，設備將從EEPROM讀出這些數據,，用于系統(tǒng)初始化。
PC機的管理程序是用戶將PC機的串口與系統(tǒng)設備連接,，通過PC機的管理程序界面,，很容易地對系統(tǒng)進行配置。
2.1 單片機控制的軟件設計
管理單元由單片機和串口組成,，通過PC來配置EEPROM或交換芯片的寄存器,。單片機主要完成對寄存器的讀寫和與PC之間的通信，串口起到一個與PC的連接作用,，微制控器與串口之間還有一個電平轉換芯片,，完成微控制器與PC之間信號的轉換。通過管理單元,，可以將交換機配成各種工作模式,，以滿足不同用戶的需求，如：10/100M速率設置,、全/半雙工設置,、流量控制、靜態(tài)MAC地址設置,，鏡像設置,，廣播風暴控制，VLAN設置等,。單片機的軟件流程如圖2所示。
整個網絡交換機系統(tǒng)的軟件包括單片機的控制軟件、EEPROM配置數據和PC機的管理程序,。
單片機的控制軟件主要完成對寄存器的讀寫和與PC之間的通信,。通過這個管理單元,，可以將交換機配成各種工作模式，以滿足不同用戶的需求,。
交換芯片通過I2C總線連接EEPROM(24C02),，用于保存配置數據。在設備開機或者復位時,，設備將從EEPROM讀出這些數據,，用于系統(tǒng)初始化。
PC機的管理程序是用戶將PC機的串口與系統(tǒng)設備連接,，通過PC機的管理程序界面,，很容易地對系統(tǒng)進行配置。
2.1 單片機控制的軟件設計
管理單元由單片機和串口組成,，通過PC來配置EEPROM或交換芯片的寄存器,。單片機主要完成對寄存器的讀寫和與PC之間的通信，串口起到一個與PC的連接作用,，微制控器與串口之間還有一個電平轉換芯片,，完成微控制器與PC之間信號的轉換。通過管理單元,，可以將交換機配成各種工作模式,，以滿足不同用戶的需求，如：10/100M速率設置,、全/半雙工設置,、流量控制、靜態(tài)MAC地址設置,，鏡像設置,，廣播風暴控制，VLAN設置等,。單片機的軟件流程如圖2所示。
圖2 單片機的軟件流程
各模塊介紹如下：
main——主程序,；
init_uart——串口初始化,；
delay——系統(tǒng)延遲；
helpMenu——幫助菜單,；
systemCheck——檢查系統(tǒng)設備ID,；
whict>:——命令提示符(whict是武漢化工學院的縮寫)；
D——查看系統(tǒng)的整個配置數據,；
E——編輯系統(tǒng)的配置數據,；
F——對交換機的各種功能進行配置、管理,；
R——讀系統(tǒng)的配置數據,；
W——系統(tǒng)將當前配置數據保存到EEPROM,；
L——系統(tǒng)靜態(tài)MAC地址的配置；
M——改變系統(tǒng)的密碼,；
I——系統(tǒng)軟件復位,；
S——系統(tǒng)將缺省配置下載到EEPROM。
2.2 PC機的管理程序設計
PC機的管理程序是采用VB語言編程,、有著易懂的軟件界面,。用戶可以容易地對網絡交換機進行配置。PC機的管理程序如圖3所示,，交換機管理軟件界面如圖4所示,。
各模塊介紹如下：
main——主程序,；
init_uart——串口初始化,；
delay——系統(tǒng)延遲；
helpMenu——幫助菜單,；
systemCheck——檢查系統(tǒng)設備ID,；
whict>:——命令提示符(whict是武漢化工學院的縮寫)；
D——查看系統(tǒng)的整個配置數據,；
E——編輯系統(tǒng)的配置數據,；
F——對交換機的各種功能進行配置、管理,；
R——讀系統(tǒng)的配置數據,；
W——系統(tǒng)將當前配置數據保存到EEPROM,；
L——系統(tǒng)靜態(tài)MAC地址的配置；
M——改變系統(tǒng)的密碼,；
I——系統(tǒng)軟件復位,；
S——系統(tǒng)將缺省配置下載到EEPROM。
2.2 PC機的管理程序設計
PC機的管理程序是采用VB語言編程,、有著易懂的軟件界面,。用戶可以容易地對網絡交換機進行配置。PC機的管理程序如圖3所示,，交換機管理軟件界面如圖4所示,。
3 網絡交換機的性能測試
對本交換機進行常溫(25℃)12小時性能測試，測試儀表為Smartbits2000,，共測了通透率,、延時、丟包率和背靠背4項,，測試結果如表1所列,。
表1 100M交換機性能測試結果
對本交換機進行常溫(25℃)12小時性能測試，測試儀表為Smartbits2000,，共測了通透率,、延時、丟包率和背靠背4項,，測試結果如表1所列,。
表1 100M交換機性能測試結果
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