單片機控制的網(wǎng)絡(luò )交換機設計與實(shí)現

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(guò)程，包括硬件電路、單片機軟件和PC的管理程序。用戶(hù)通過(guò)PC的管理程序或PC的超級終端，可實(shí)現對網(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(zhù)計算機性能的提高及通信量的聚增，傳統局域網(wǎng)已經(jīng)越來(lái)越超出了自身負荷，交換式以太網(wǎng)技術(shù)應運而生，大大提高了局域網(wǎng)的性能。網(wǎng)絡(luò )交換機能顯著(zhù)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(gè)端口可并行、安全、實(shí)時(shí)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(mǎn)足企業(yè)網(wǎng)和電信運營(yíng)商寬帶接入的需求。

1 網(wǎng)絡(luò )交換機的硬件設計

　　隨著(zhù)人們對網(wǎng)絡(luò )應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(lái)越廣。本交換機采用了AL101芯片的ROX總線(xiàn)，將3個(gè)8口交換芯片連接起來(lái)，組成了1個(gè)24端口交換機，滿(mǎn)足了用戶(hù)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(shí)鐘，需要晶振的精度小于50PPM，同時(shí)時(shí)鐘需要通過(guò)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。

　　交換機有24個(gè)10/100M自適應端口，每個(gè)端口都能達到線(xiàn)速交換。根據用戶(hù)需要可對端口進(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)幀結構的數據包后，經(jīng)過(guò)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(cháng)，速率等信息。

　　數據進(jìn)入交換芯片(由三個(gè)芯片組成，通過(guò)ROX總線(xiàn)形成一個(gè)環(huán)路，可以完成數據在三個(gè)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(wǎng)幀進(jìn)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(gè)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(gè)交換芯片中，數據則通過(guò)ROX總線(xiàn)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(méi)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(gè)上連端口(與交換芯片寄存器的設置有關(guān))。

　　燈的顯示由PHY給出，通過(guò)燈的顯示可以觀(guān)察每個(gè)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(kāi)機或復位期間，首先讀取外接EEPROM的內容來(lái)對交換芯片寄存器進(jìn)行初始化配置。而交換芯片寄存器的內容可以通過(guò)PC的管理程序或PC的超級終端進(jìn)行讀寫(xiě)，以此來(lái)控制或讀取交換機的工作配置。

2 網(wǎng)絡(luò )交換機的軟件設計

　　整個(gè)網(wǎng)絡(luò )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(xiě)和與PC之間的通信。通過(guò)這個(gè)管理單元，可以將交換機配成各種工作模式，以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求。

　　交換芯片通過(guò)I2C總線(xiàn)連接EEPROM(24C02)，用于保存配置數據。在設備開(kāi)機或者復位時(shí)，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(hù)將PC機的串口與系統設備連接，通過(guò)PC機的管理程序界面，很容易地對系統進(jìn)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(guò)PC來(lái)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(xiě)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)電平轉換芯片，完成微控制器與PC之間信號的轉換。通過(guò)管理單元，可以將交換機配成各種工作模式，以滿(mǎn)足不同用戶(hù)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(fēng)暴控制，VLAN設置等。單片機的軟件流程如圖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(xué)院的縮寫(xiě))；
D――查看系統的整個(gè)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(jìn)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(tài)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(yǔ)言編程、有著(zhù)易懂的軟件界面。用戶(hù)可以容易地對網(wǎng)絡(luò )交換機進(jìn)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(wǎng)絡(luò )交換機的性能測試

　　對本交換機進(jìn)行常溫(25℃)12小時(shí)性能測試，測試儀表為Smartbits2000，共測了通透率、延時(shí)、丟包率和背靠背4項，測試結果如表1所列。