原创 单片机及嵌入式系统应用

摘要：介绍基于单片机控制的智能以太网交换机的研制过程，包括硬件电路、单片机软件和pc的管理程序。用户通过pc的管理程序或pc的超级终端，可实现对网络交换机的配置和管理。

关键词：单片机 以太网交换机 al101

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。

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。

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。