基于单片机控制的以太网交换机设计与实现

     引 言

　　随着计算机性能的提高及通信量的聚增，传统局域网已经越来越超出了自身负荷，交换式以太网技术应运而生，大大提高了局域网的性能。网络交换机能显著的增加带宽，可以建立地理位置相对分散的网络。局域网交换机的每个端口可并行、安全、实时传输信息，而且性能稳定、结构灵活、易于安装、便于管理，能很好地满足企业网和电信运营商宽带接入的需求。

　　1 网络交换机的硬件设计

　　随着人们对网络应用中的安全性和高带宽的需求，网络交换机的用途越来越广。本交换机采用了AL101芯片的ROX总线，将3个8*换芯片连接起来，组成了1个24端*换机，满足了用户对多交换端口的需求。

　　1.1 电路性能要求

　　交换机的高速PCB电路板，在EMC和ESD上都有比较高的要求。它采用了75MHz、50MHz的高速时钟，需要晶振的小于50PPM，同时时钟需要通过时钟分配电路送给不同的芯片，它需要分配的时钟之间的相位差小于2ns。

　　交换机有24个10/100M自适应端口，每个端口都能达到线速交换。根据用户需要可对端口进行10/100M速率、全/半双工、流量控制、静态MAC地址、镜像、VLAN等设置。

　　1.2 交换机的原理框图

　　本交换机的交换技术采用存储-转发方式，主要由接口单元、交换单元、管理单元、灯显示单元和电源接口单元五部分组成。其组成的方框图如图1所示。

　　RJ45接口收到以太网帧结构的数据包后，经过变压器隔离和阻抗匹配后送到PHY(物理接口芯片)，在此芯片中完成模拟信号到RMII接口的数字信号的变换，并获得链路状态、冲突、信息是否超长，速率等信息。

　　数据进入交换芯片(由三个芯片组成，通过ROX总线形成一个环路，可以完成数据在三个芯片之间的交换)，交换芯片将获得数据的目的地址和源地址，并对以太网帧进行差错校验。交换芯片将源地址保存在自己的MAC地址表中，然后将目的地址与MAC地址表中的地址相匹配，以获取数据将转发的相应端口。如果目的端口在同一个交换芯片中，则从SGRAM中取出数据转发到相应的端口；如果目的端口不在同一个交换芯片中，数据则通过ROX总线传输到相应的交换芯片，然后转发出去；如果在MAC地址表中没有找到相应的目的地址，就将帧转发到除源端口之外的其它属于同一VLAN的所有端口或者某一个上连端口(与交换芯片寄存器的设置有关)。

　　灯的显示由PHY给出，通过灯的显示可以观察每个端口的工作速率、连接和数据收发等情况。

　　交换芯片在每次开机或复位期间，首先读取外接EEPROM的内容来对交换芯片寄存器进行初始化配置。而交换芯片寄存器的内容可以通过PC的管理程序或PC的超级终端进行读写，以此来控制或读取交换机的工作配置。

　　2 网络交换机的软件设计

　　整个网络交换机系统的软件包括单片机的控制软件、EEPROM配置数据和PC机的管理程序。

　　单片机的控制软件主要完成对寄存器的读写和与PC之间的通信。通过这个管理单元，可以将交换机配成各种工作模式，以满足不同用户的需求。

　　交换芯片通过I2C总线连接EEPROM(24C02)，用于保存配置数据。在设备开机或者复位时，设备将从EEPROM读出这些数据，用于系统初始化。

　　PC机的管理程序是用户将PC机的串口与系统设备连接，通过PC机的管理程序界面，很容易地对系统进行配置。

　　2.1 单片机控制的软件设计

　　管理单元由单片机和串口组成，通过PC来配置EEPROM或交换芯片的寄存器。单片机主要完成对寄存器的读写和与PC之间的通信，串口起到一个与PC的连接作用，微制控器与串口之间还有一个电平转换芯片，完成微控制器与PC之间信号的转换。通过管理单元，可以将交换机配成各种工作模式，以满足不同用户的需求，如：10/100M速率设置、全/半双工设置、流量控制、静态MAC地址设置，镜像设置，广播风暴控制，VLAN设置等。单片机的软件流程如图2所示。

　　各模块介绍如下：

　　main——主程序；

　　init_uart——串口初始化；

　　delay——系统延迟；

　　helpMenu——帮助菜单；

　　systemCheck——检查系统设备ID；

　　whict>:——命令提示符(whict是武汉化工学院的缩写)；

　　D——查看系统的整个配置数据；

　　E——编辑系统的配置数据；

　　F——对交换机的各种功能进行配置、管理；

　　R——读系统的配置数据；

　　W——系统将当前配置数据保存到EEPROM；

　　L——系统静态MAC地址的配置；

　　M——改变系统的密码；

　　I——系统软件复位；

　　S——系统将缺省配置到EEPROM。

　　2.2 PC机的管理程序设计

　　PC机的管理程序是采用VB语言编程、有着易懂的软件界面。用户可以容易地对网络交换机进行配置。PC机的管理程序如图3所示，交换机管理软件界面如图4所示。

　　3 网络交换机的性能测试

　　对本交换机进行常温(25℃)12小时性能测试，测试仪表为Smartbits2000，共测了通透率、延时、丢包率和背靠背4项，测试结果如表1所列。

  

参考文献:

[1]. PCB datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCB_1201640.html.
[2]. EMC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/EMC_2342312.html.
[3]. 50PPM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/50PPM_2555283.html.