单片机控制的网络交换机设计与实现

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口交换芯片连接起来，组
成了1个24端口交换机，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，需要晶振的精度小于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。498)this.w
idth=498;' onmousewheel = 'javascript:return big(this)' width="500" height="320" alt="" src="http://images.51cto.com/files/uploadimg/20130104/1035050.jpg" />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。498)this.width=498;' onmousewheel = 'javascript:return big(this)' width="500" height="111" alt="" src="http://images.51cto.com/files/uploadimg/20130104/1035051.jpg" />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——系统将缺省配置下载到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。498)this.width=498;' onmousewheel = 'javascript:return big(this)' width="500" height="728" alt="" src="http://images.51cto.com/files/uploadimg/20130104/1035052.jpg" />498)this.width=498;' onmousewheel = 'javascript:return big(this)' width="500" height="355" alt="" src="http://images.51cto.com/files/uploadimg/20130104/1035053.jpg" />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。498)this.width=498;' onmousewheel = 'javascript:return big(this)' width="500" height="854" alt="" src="http://images.51cto.com/files/uploadimg/20130104/1035054.jpg" />