基于單片機(jī)控制的以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引 言

隨著計(jì)算機(jī)性能的提高及通信量的聚增，傳統(tǒng)局域網(wǎng)已經(jīng)越來越超出了自身負(fù)荷，交換式以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，大大提高了局域網(wǎng)的性能。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)能顯著的增加帶寬，可以建立地理位置相對(duì)分散的網(wǎng)絡(luò)。局域網(wǎng)交換機(jī)的每個(gè)端口可并行、安全、實(shí)時(shí)傳輸信息，而且性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)靈活、易于安裝、便于管理，能很好地滿足企業(yè)網(wǎng)和電信運(yùn)營(yíng)商寬帶接入的需求。

1 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

隨著人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的安全性和高帶寬的需求，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的用途越來越廣。本交換機(jī)采用了AL101芯片的ROX總線，將3個(gè)8*換芯片連接起來，組成了1個(gè)24端*換機(jī)，滿足了用戶對(duì)多交換端口的需求。

1.1 電路性能要求

交換機(jī)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(shí)鐘，需要晶振的精度小于50PPM，同時(shí)時(shí)鐘需要通過時(shí)鐘分配電路送給不同的芯片，它需要分配的時(shí)鐘之間的相位差小于2ns。

交換機(jī)有24個(gè)10/100M自適應(yīng)端口，每個(gè)端口都能達(dá)到線速交換。根據(jù)用戶需要可對(duì)端口進(jìn)行10/100M速率、全/半雙工、流量控制、靜態(tài)MAC地址、鏡像、VLAN等設(shè)置。

1.2 交換機(jī)的原理框圖

本交換機(jī)的交換技術(shù)采用存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)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。

RJ45接口收到以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)包后，經(jīng)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(hào)到RMII接口的數(shù)字信號(hào)的變換，并獲得鏈路狀態(tài)、沖突、信息是否超長(zhǎng)，速率等信息。

數(shù)據(jù)進(jìn)入交換芯片(由三個(gè)芯片組成，通過ROX總線形成一個(gè)環(huán)路，可以完成數(shù)據(jù)在三個(gè)芯片之間的交換)，交換芯片將獲得數(shù)據(jù)的目的地址和源地址，并對(duì)以太網(wǎng)幀進(jìn)行差錯(cuò)校驗(yàn)。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(shù)據(jù)將轉(zhuǎn)發(fā)的相應(yīng)端口。如果目的端口在同一個(gè)交換芯片中，則從SGRAM中取出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的端口；如果目的端口不在同一個(gè)交換芯片中，數(shù)據(jù)則通過ROX總線傳輸?shù)较鄳?yīng)的交換芯片，然后轉(zhuǎn)發(fā)出去；如果在MAC地址表中沒有找到相應(yīng)的目的地址，就將幀轉(zhuǎn)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(gè)上連端口(與交換芯片寄存器的設(shè)置有關(guān))。

燈的顯示由PHY給出，通過燈的顯示可以觀察每個(gè)端口的工作速率、連接和數(shù)據(jù)收發(fā)等情況。

交換芯片在每次開機(jī)或復(fù)位期間，首先讀取外接EEPROM的內(nèi)容來對(duì)交換芯片寄存器進(jìn)行初始化配置。而交換芯片寄存器的內(nèi)容可以通過PC的管理程序或PC的超級(jí)終端進(jìn)行讀寫，以此來控制或讀取交換機(jī)的工作配置。

2 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)系統(tǒng)的軟件包括單片機(jī)的控制軟件、EEPROM配置數(shù)據(jù)和PC機(jī)的管理程序。

單片機(jī)的控制軟件主要完成對(duì)寄存器的讀寫和與PC之間的通信。通過這個(gè)管理單元，可以將交換機(jī)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(shù)據(jù)。在設(shè)備開機(jī)或者復(fù)位時(shí)，設(shè)備將從EEPROM讀出這些數(shù)據(jù)，用于系統(tǒng)初始化。

PC機(jī)的管理程序是用戶將PC機(jī)的串口與系統(tǒng)設(shè)備連接，通過PC機(jī)的管理程序界面，很容易地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置。

2.1 單片機(jī)控制的軟件設(shè)計(jì)

管理單元由單片機(jī)和串口組成，通過PC來配置EEPROM或交換芯片的寄存器。單片機(jī)主要完成對(duì)寄存器的讀寫和與PC之間的通信，串口起到一個(gè)與PC的連接作用，微制控器與串口之間還有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片，完成微控制器與PC之間信號(hào)的轉(zhuǎn)換。通過管理單元，可以將交換機(jī)配成各種工作模式，以滿足不同用戶的需求，如：10/100M速率設(shè)置、全/半雙工設(shè)置、流量控制、靜態(tài)MAC地址設(shè)置，鏡像設(shè)置，廣播風(fēng)暴控制，VLAN設(shè)置等。單片機(jī)的軟件流程如圖2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(shè)備ID；

whict>:——命令提示符(whict是武漢化工學(xué)院的縮寫)；

D——查看系統(tǒng)的整個(gè)配置數(shù)據(jù)；

E——編輯系統(tǒng)的配置數(shù)據(jù)；

F——對(duì)交換機(jī)的各種功能進(jìn)行配置、管理；

R——讀系統(tǒng)的配置數(shù)據(jù)；

W——系統(tǒng)將當(dāng)前配置數(shù)據(jù)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(fù)位；

S——系統(tǒng)將缺省配置下載到EEPROM。