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
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，而且性能穩定、結構靈活、易于安裝、便于管理，能很好地滿足企業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、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、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，用于系統初始化。
PC機的管理程序是用戶將PC機的串口與系統設備連接，通過PC機的管理程序界面，很容易地對系統進行配置。
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，用于系統初始化。
PC機的管理程序是用戶將PC機的串口與系統設備連接，通過PC機的管理程序界面，很容易地對系統進行配置。
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——系統延遲；
helpMenu——幫助菜單；
systemCheck——檢查系統設備ID；
whict>:——命令提示符(whict是武漢化工學院的縮寫)；
D——查看系統的整個配置數據；
E——編輯系統的配置數據；
F——對交換機的各種功能進行配置、管理；
R——讀系統的配置數據；
W——系統將當前配置數據保存到EEPROM；
L——系統靜態MAC地址的配置；
M——改變系統的密碼；
I——系統軟件復位；
S——系統將缺省配置下載到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——系統延遲；
helpMenu——幫助菜單；
systemCheck——檢查系統設備ID；
whict>:——命令提示符(whict是武漢化工學院的縮寫)；
D——查看系統的整個配置數據；
E——編輯系統的配置數據；
F——對交換機的各種功能進行配置、管理；
R——讀系統的配置數據；
W——系統將當前配置數據保存到EEPROM；
L——系統靜態MAC地址的配置；
M——改變系統的密碼；
I——系統軟件復位；
S——系統將缺省配置下載到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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