單片機控制的網(wǎng)絡(luò)交換機設(shè)計與實現(xiàn)

摘要 介紹基于單片機控制的智能以太網(wǎng)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(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)交換機的配置和管理。

關(guān)鍵詞 單片機 以太網(wǎng)交換機 AL101

引言

　　隨著計算機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荷，交換式以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運而生，大大提高了局域網(wǎng)的性能。網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)。局域網(wǎng)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(jié)構(gòu)靈活、易于安裝、便于管理，能很好地滿足企業(yè)網(wǎng)和電信運營商寬帶接入的需求。

1  網(wǎng)絡(luò)交換機的硬件設(shè)計

　　隨著人們對網(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(yīng)端口，每個端口都能達到線速交換。根據(jù)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(shè)置。

1.2  交換機的原理框圖

　　本交換機的交換技術(shù)采用存儲-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。

圖1  電路框圖

　　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到RMII接口的數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)在三個芯片之間的交換)，交換芯片將獲得數(shù)據(jù)的目的地址和源地址，并對以太網(wǎng)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(shù)據(jù)將轉(zhuǎn)發(fā)的相應(yīng)端口。如果目的端口在同一個交換芯片中，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或復(fù)位期間，首先讀取外接EEPROM的內(nèi)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(nèi)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(wǎng)絡(luò)交換機的軟件設(shè)計

　　整個網(wǎng)絡(luò)交換機系統(tǒng)的軟件包括單片機的控制軟件、EEPROM配置數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。在設(shè)備開機或者復(fù)位時，設(shè)備將從EEPROM讀出這些數(shù)據(jù)，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(shè)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(shè)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(zhuǎn)換芯片，完成微控制器與PC之間信號的轉(zhuǎn)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(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(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)的整個配置數(shù)據(jù)；
　　E——編輯系統(tǒng)的配置數(shù)據(jù)；
　　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(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。

2.2  PC機的管理程序設(shè)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(wǎng)絡(luò)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。

圖3  PC機的管理程序

圖4  網(wǎng)絡(luò)交換機管理軟件界面

3  網(wǎng)絡(luò)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(jié)果如表1所列。

表1  100M交換機性能測試結(jié)果