（通信与信息系统专业论文）开放式以太网交换机实验平台的设计与实现.pdf

分类号t n 9 1 5 0 5 密级 重庆邮电大学硕士学位论文 论文题目开放式以太网交换机实验平台的设计 与实现 英文题目 ! 旦曼旦皇兰! g 望垒翌皇! 望e ! 皇罂旦坐q ! e t h e r n e ts w i t c he x p e r i m e n tp l a t f o r m 硕士研究生成漾 指导教师盔煎割整撞 学科专业。通挂与篮息系统 论文提交日期 2 q q 2 ：5 ：呈垒 论文答辩日期 2 q q 2 ：5 ：2 6 论文评阅人挂云副熬撞熏庭坚垫盘堂 至亘塾蕉重廛堕焦堂堕 答辩委员会主席谢显中教授重庆邮电大学 2 0 0 7 年5 月1 6 日 摘要 摘要 随着计算机网络的不断普及和我国大规模网络建设的展开，社会对计 算机网络合格人才的需求日益增大。计算机网络实验课程是计算机网络教 育的重要组成部分，可以帮助学生理解所学理论知识，锻炼学生的动手能 力，培养学生的创造力。然而，现有网络交换实验设备多采用商用交换机， 只能通过配置参数的方式实现特定的交换功能，实验内容枯燥无味，学生 学习积极性不高，学习效果不理想，更达不到锻炼动手能力和培养创造能 力的目的。 在对局域网交换技术深入研究的基础上，借鉴前辈在开发程控交换机 实验平台实践中积累的提高系统开放度和操作灵活度的宝贵经验，一种新 型的开放式以太网络交换机实验平台被设计实现了，这种实验平台有以下 特点：在硬件方面，将集成在一起的交换机控制电路和交换电路分开，使 得学生对交换机硬件组成有直观的了解；学生可以编写程序控制实验平台 完成数据交换功能，提高了系统开放程度。在软件方面，编写硬件驱动程 序屏蔽具体的硬件操作过程，学生不需要具备硬件开发知识，只需了解交 换机工作流程和c 语言编程知识就可以完成实验程序的编写；将交换机工 作流程中的关键操作步骤编写成a p i 函数提供个学生使用，减少了实验程 序开发工作量，提高了实验平台的操作灵活度；将实验数据通过显示软件 显示出来，使学生了解实验进程，便于发现程序编写错误，提高了实验信 息透明度。另外，考虑到学生实际经济情况，设计的实验平台成本低廉。 在计算机网络实验课程中使用该实验平台可以使实验的重心从被动的 记忆交换机工作流程转移到主动的设计程序实现交换机流程上面来，达到 锻炼学生动手能力和培养学生创造能力的目的。 关键词：局域网交换，以太网，实验平台，f p g a a b s t r a c t w i t ht h er a p i dp r o g r e s so fl a ns w i t c ht e c h n o l o g y , c o m p u t e rn e t w o r k b e c o m e sa ni n d i s p e n s a b l ep a r to fh u m a nl i f e n o w , c o m p u t e rc u r r i c u l u m sa r e o f f e r e db yc o l l e g e st oc u l t i v a t eq u a l i f i e de n g i n e e r s n e t w o r ke x p e r i m e n th a s b e e nr e g a r d e da sa ni m p o r t a n tp a r to fc o m p u t e rn e t w o r kc o u r s e i ti sa n a p p r o a c ht oh e l ps t u d e n t su n d e r s t a n dt h ek n o w l e d g es t u d y i n gi n c l a s s r o o m a n da c c u m u l a t ew o r k e x p e r i e n c e b u tn o w ，t h et e a c h i n g a i du s e di n e x p e r i m e n tc o u r s ei s c o m m e r c i a ll a ns w i c h t e a c h e rd e m o n s t r a t e st h e p r o c e s so fc o n f i g u r i n gt h el a ns w i t c hu s i n go p e r a t i n go r d e r s a f t e rf i n i s h i n g t h ew h o l ec o u r s e ，s t u d e n t ss t i l lh a v ed i f f i c u l t i e si nu n d e r s t a n d i n gt h es w i t c h w o r k i n gf l o wd u et ol a c ko fp e r c e p t u a lk n o w l e d g e t h i sk i n do fe x p e r i m e n t c a nb a r e l ym e e tt h ep u r p o s et on u r t u r es t u d e n t s c r e a t i v ea b i l i t y ， an e we x p e r i m e n tp l a t f o r mi sc r e a t e db yr e v i e w i n ga n dr e s e a r c h i n gl a n s w i t c ht e c h n o l o g yd e e p l y t h en e wd e s i g n ，w h i c ha b s o r b st h es t r o n gs u i to f e x i s t i n gs y s t e m ，p o s s e s s e sm a n ya d v a n t a g e s f i r s t l y ，t h ep l a t f o r mh a r d w a r ei s d i v i d e di n t ot w op a r t ，t h ec p ua n dp h y s i c a ld a t at r a n s c e i v e rp a r t s t u d e n t s c a nm a k ep r o g r a m sa n dd o w n l o a di ti n t ot h ec p u ，a n dt h e nt h ep r o g r a mc a n c o n t r o lh a r d w a r et op e r f o r ml a ns w i t c hf u n c t i o n s e c o n d s t u d e n t sd on o t n e e dh a r d w a r ek n o w l e d g e i ft h es t u d e n t sk n o wt h el a ns w i t c hw o r kf l o w ， t h e yc a nm a k ep r o g r a m se a s i l yb yu s i n ga p if u n c t i o np r o v i d e db y t h e d e m o n s t r a t o rd e s i g n e r l a s t ，t h en e wd e s i g ni sv e r yc h i p ，s t u d e n t sc a na f f o r d i t t h en e wt e a c h i n ga i ds w i t c h e st h ef o c u so fe x p e r i m e n t sf r o ms t u d y i n g k n o w l e d g et op r a c t i c e s t u d e n t sc a nd om a n yd i f f e r e n te x p e r i m e n tc o u r s e s a c c o r d i n gt od i f f e r e n tw o r kf l o w s ou s e r sc a nh a v ep e r c e p t u a lk n o w l e d g eo f t h ew h o l ef r a m eo fs w i t c h b o a r da n dw o r k f i o w , a n dp r o m o t et h ep r o c e s so ft h e t e a c h i n ge x p e r i m e n tp l a t f o r mr e f o r m k e y w o r d s ：l a ns w i t c h ，e t h e r n e t ，e x p e r i m e n tp l a t f o r m ，f p g a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重鏖 韭电太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 森薛、签字日期：夕神t 年，月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞邮电太堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆邮电盔堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：苁许、 签字日期：夕。1 年厂月，厂日 导师签名：跏坟 签字日期：7 年f 月，日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 计算机网络是计算机技术与通信技术紧密结合的产物，它的迅猛发展 给人民的生活带来了巨大变化，其影响已经渗透到了社会的各个方面，成 为了人们生活中不可或缺的一部分。计算机网络技术的发展是一个国家 信息化和现代化建设的重要部分，它的每一项技术进步都可以产生巨大的 经济效益和社会效益。因此，计算机网络人才的培养对于一个国家的协调 发展具有重要意义。现在，计算机网络课程已经成为各个高等院校通信专 业学生必选课程。 近年来，伴随着我国经济的飞速发展，国家信息网络建设也大规模展 开，社会对计算机网络人才的需求也日益增多。但是，有统计表明：自2 0 0 2 年以来，高校计算机通信专业就业率却连年下滑。一方面是社会迫切需要 大量合格网络技术人才，一方面却是高校网络通信专业毕业生就业形势紧 迫，原因何在昵? 有教育专家指出，造成这种局面的主要原因就是：当今 高校计算机网络教育理论与实践衔接不够紧密，学生理论知识学习的多， 动手实践少。这使得他们在毕业后无法胜任所应聘的工作。 计算机网络实验是高校计算机网络课程的重要组成部分，它与网络技 术的实际应用紧密联系，可以帮助学生理解和掌握理论知识，培养学生独 立分析和解决问题的能力，锻炼学生的动手能力，增强学生的学习兴趣n 1 通过实验课程，学生还可以积累一定的工作经验。因此，计算机网络实践 教学将成为一种必然的趋势。 在这一背景下，如何提高计算机网络实验课程教学质量，成为了现阶 段各高校网络通信专业迫切需要解决的问题。针对这一问题，在对计算机 网络知识、网络交换技术以及嵌入式技术进行深入研究的基础上，本文力 求设计并实现一种开放式以太网络试验平台，作为实验教学辅助工具，应 用到计算机网络实验课程中 重庆邮电大学硕士论文 1 2 研究现状 目前，由于商用交换机的市场需求比较大，可以获得丰厚的利润，国内 外大公司都将主要精力投入到商用交换机的研发方面，而教学用以太网络 交换机实验平台研发领域却几乎无人涉足因此在很长的一段时间内，国 内许多高校都是采用商用交换机作为实验教具，例如思科公司生产的系列 交换机。由于商用交换机采用专用集成芯片，开放程度低，学生无法了解 交换机硬件组成和具体功能。教师在实验课中只是重点讲述特定类型商用 交换机的功能参数配置方法，然后作演示，学生再按部就班地作重复操作。 这样的实验内容简单而枯燥，学生在课堂上学习到的交换理论知识无法应 用到实验中，只是机械记忆操作流程，学习积极性得不到提高，学习效果 很难令人满意。另外商用交换机的价格高昂，也使得一些资金缺乏的学校 望而却步。 近些年来，已有通信院校在程控交换机实验平台研发领域做出了探索 和实践，他们在提高实验平台开放度方面所积累的经验是值得借鉴的。 多数院校开发的程控交换机实验平台使用单片机作为主控芯片，学生 自己编写交换控制程序，编译后下载到单片机中运行，驱动单片机控制专 用交换芯片实现程控交换功能。这种实验平台对学生的开放程度也很高， 但是要求学生有较高的单片机开发水平，否则无法独立完成软件编写工 作，这在一定程度上降低了实验平台的操作灵活度。同时这种方式需要仿 真器的支持，在使用成本上优势不足。 也有些通信院校设计的实验平台由交换硬件系统和p c 机组成。其中交 换机硬件系统完成交换功能并提供与p c 机通信的接口，学生可以在p c 机 上面运行实验软件实现对交换硬件系统的控制。这种实验平台提高了开放 度，减少了实现的难度，增强了操作灵活度，但对学生的c 语言编程能力 和软件开发工具的使用熟练程度都要求比较高。为了降低软件开发难度， 有些实验平台在其实验软件中借鉴了软件领域的可视化思想和组件式方 式，学生可以根据自己对程控交换流程的理解绘制流程图，然后将流程图 输入实验软件便可以控制交换硬件系统实现程控交换功能，从而减少了软 件开发工作量，将学生真正的精力集中到交换控制本身。 借鉴前人在提高实验平台开放度和操作灵活度方面所积累的宝贵经 验，开发一种符合学生需求的开放式以太网络实验平台是可行的。这种实 验平台应当抛弃专用交换芯片模式，将专用交换芯片的数据收发部分和控 2 第一章绪论 制部分分开，学生可以了解交换机硬件组成，可以干预数据交换过程，从 而提高了系统开放程度；将硬件操作编写成设备驱动程序，将交换机的数 据处理的关键步骤编写成a p l 函数，学生无需掌握过多过细的硬件开发知 识，只需具备c 语言程序开发能力，就可以根据自己对交换机工作流程的 理解编写程序调用a p i 函数实现交换功能，从而提高实验平台的操作灵活 度；将实验数据实时显示出来，使学生可以了解自己编写的实验程序的运 行状况，从而提高了实验信息的透明度。另外，考虑到学生的实际经济情 况，实验平台的方案、元器件的选择都考虑了成本问题，使得其成本很低。 随着网络信息技术的飞速发展，社会对网络通信技术人才的需求剧增， 为培养出合格人才，各个开设有网络通信专业的院校都迫切希望有新型的 以太网络交换机实验平台面世。因此我们所开发的这种实验平台具有很好 的市场基础和需求。 1 3 论文的研究目标和研究内容 1 3 1 研究目标 一提高实验平台的开放程度。 _ 提高实验平台的操作灵活度。 一提高实验平台的实验信息透明度。 一成本低廉。 1 3 2 研究内容 将集成在一起的控制功能和交换功能分开，提供软件运行的硬件环境， 使学生可以编写程控制交换机硬件完成数据交换功能。 将交换机数据处理流程中的关键步骤编写成a p i 函数，提供给学生编 程调用，减少学生软件开发工作量，使得实验平台易于操作。 实验数据实时显示，使学生可以了解自己编写程序的运行状况，能够 及时发现自己编写程序中的错误。 重庆邮电大学硕士论文 1 4 论文组织结构 全文共7 章，各章内容安排如下： 第一章介绍本文的研究背景、研究现状以及本文要实现的研究目标和 主要研究内容。 第二章介绍开发以太网交换机实验平台所涉及的局域网交换方面的知 识。 第三章是实验平台的概要设计介绍。在这一章主要介绍开放式以太网 交换机实验平台硬件和软件模块功能划分原则、划分方法和具体实施过 程 第四章是本文的重点，详细介绍基于f p g a 的处理机设计过程。在处 理机硬件设计方面重点介绍了串口通信模块、数据接口模块的设计过程和 处理及硬件设备连接过程。在软件方面，重点介绍了处理机硬件设备驱动 程序设计和在基于f p g a 的处理机环境下的实验a p i 函数设计。 第五章介绍开放式以太网络交换机实验平台硬件器件外围电路设计过 程。 第六章是实验平台测试与结果分析在这一章主要介绍开放式以太网 络交换机实验平台功能测试过程。在硬件方面，重点介绍了处理机硬件模 块功能测试方法和测试过程；在软件方面，重点介绍了实验a p i 函数功能 测试方法和测试过程。最后介绍了实验平台性能测试方法以及对测试结果 进行分析并得出结论。 第七章是工作总结和提出未来研究方向：对本论文的主题进行讨论， 总结研究的价值，并探讨其中的问题与未来的研究方向。 4 第二章局域网交换 第二章局域网交换 传统的以太网都是基于共享访问方式的，随着网络中节点数量的增加， 数据帧发生碰撞的概率不断增大，这将导致网络性能急剧下降。在局域网 交换技术产生以前，人们通常使用网桥和路由器进行网段的划分，以达到 减小冲突域，提高网络性能的目的。但是采用这种方式会使得网络设备投 资和维护费用大大提高。 在局域网交换技术产生以后，网络工程师将以太网交换机应用到以太 网中。以太网交换机可以有效地将网络划分成小的冲突域。由于使用专用 集成电路芯片完成数据交换功能，以太网交换机的数据处理速度比网桥和 路由器都要快，而价格却非常低廉。正是由于这些优点，交换机在以太网 中的应用非常广泛。本章将对以太网帧格式、以太网交换机工作原理和工 作流程进行详细介绍。 2 1 以太网帧格式 以太网络( e t h e r n e t ) 于1 9 7 5 年由美国的x e r o x 公司和斯坦福大学联合开 发并推出膳3 。在1 9 8 0 年9 月，美国的x e r o x 、d e c 和i n t e l 公司第一次公 布了以太网的物理层和数据链路层的详细数据规范。此后，以太网成为了 世界上第一个局域网工业标准。现在应用广泛的i e e e 8 0 2 3 协议标准就是 在以太网标准的基础上制定的，它定义了以太网的技术规范，其网络模型 如图2 1 m t ”1 所示。 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 物理介质 高层协议 数据报 路由选择 l l c ( 数据链路控制) c s m a c dm a c 同轴电缆双绞线光纤 物理传输介质 图2 1 以太网协议模型 重庆邮电大学硕士论文 以太网数据帧格式如图2 2 所示。它由前导码、目的m a c 地址、源 m a c 地址、类型字段、数据字段和校验字段构成o ”。 前导码由八个字节的“1 0 1 0 1 0 1 0 ”构成，用于指示一个数据帧的开始 并使网络中的所有接收端达到帧同步。 目的地址字段和源地址字段都是6 个字节长度，分别用于指示数据接 收端m a c 地址和数据发送端m a c 地址。m a c 地址的前三个字节用于标 识网络适配卡的生产厂家，后三个字节用于标识该生产厂家所生产的某一 型号的网络适配卡m a c 地址使用1 6 进制数字表示，例如某网络适配卡 的m a c 地址可以被表示为：0 0 0 1 9 8 a f d f 0 7 。 类型字段用于标识以太网数据帧中所承载的上层协议的类型，类型码 由r f c l 7 0 0 号规定定义。例如8 0 0 标识承载的上层协议为i p 协议，8 0 6 标识承载的上层协议是a r p 协议。 数据字段所承载的数据是上层协议数据报。该字段的最小长度为4 6 个 字节，最大长度为1 5 0 0 字节，当上层协议数据报长度不足4 6 字节时使用 填充字节补足。 校验字段用于一帧数据的检错和纠错。在以太网中多使用3 2 位的循环 冗余校验码( c r c ) 作为校验字段。将表示帧的位列作多项式与给定的多项 式相除，得出的结果便是c r c 校验字段。 1 前导码( 3 字1 i ) l 聃m a c 地自 0 浮卸l 源m a c 地址( 6 字节) l 类型码( 2 字节) i 数据字g 酾到1 5 0 0 字勘i 校验字段( 3 2 字卸i 图2 2 以太网数据帧格式 2 2 以太网交换机的工作原理 以太网交换机通过目的m a c 地址识别需要接收数据帧的工作站”。 以太网交换机的工作原理与程控交换机类似，它在允许通信的两个工作站 之间建立一条实际的数据通信线路，通信完毕后该线路立即被撤消。当一 帧数据进入交换机数据端口后，以太网交换机将数据帧中的目的m a c 地 址提取出来，并在其内部的地址表中查找该地址所对应的端口信息。如果 找到则将数据帧发送到该端口，否则将数据帧送至除数据接收端口以外的 所有端口。例如在图2 3 中有a 、b 、c 、d 四台工作站，当工作站a 向工 作站d 发送数据时，以太网交换机在地址表中检索数据帧目的m a c 地址 所对应的端口信息。在获得数据输出端口( 也就是工作站d 与交换机连接 的端口) 信息后，交换机就会在输入端口和输出端口之间建立一条数据通 6 第二章局域网交换 信线路，并在数据帧传输完毕后将该数据通信线路撤销。在工作站a 、d 通信的同时，工作站b 、c 之间的通信并不会受到影响，因为这两个通信 过程占用不同的通信线路。 cd 图2 3 以太网交换机工作原理 2 3 以太网交换机的工作流程 以太网交换机有三种工作模式，分别是直通( c u tt h r o u g h ) 方式、碎片 割离( f r a g m e n tf r e e ) 方式和存储转发( s t o r ea n df o r w a r d ) 方式陋1 。前两种方 式不存储接收到的数据帧，转发速度快，但是在网络性能比较差的情况下， 交换机转发的数据帧的正确性得不到保证，工作效率很低。存储转发模式 与前两种方式不同，它将接收到的数据帧保存到存储器中，然后进行数据 帧校验。经过校验后正确的数据帧被转发到接收端，不正确的数据帧会被 丢弃。本文所介绍的以太网络交换机实验平台采用的工作模式为存储转发 模式，本节将对采用这种工作模式的以太网交换机的工作流程作详细介 绍。 交换机工作流程如图2 4 n 们所示。交换机在接收并存储数据帧后，首先 进行数据帧校验，不正确的数据帧将被丢弃，正确的数据帧将被保存到数 据处理队列中。然后进行地址学习，即交换机提取数据帧的源m a c 地址 和接收端口号，并在地址表中查找是否存在该地址。如果地址存在，再比 较接收端口号与地址表中记录的端口号是否一致，若不一致则更新。如果 地址不存在，则将提取的源m a c 地址和接收端口号保存到地址表中完 成地址学习后，交换机将提取目的m a c 地址并在地址表中查找。如果地 址找到，这将数据帧送到该地址对应的交换机端口；如果地址找不到，则 将数据帧送到接收端口以外的所有交换机端口。为了不使地址表过于冗 长，提高查表效率，经过一定的时间后，交换机将会把不活跃地址从地址 7 重庆邮电大学硕士论文 表中删除，这个过程被称为地址表维护。所谓不活跃地址是指在一定时间 内没有数据收发的端口，交换机为每个地址都设定了一个地址老化计数 器，计数器的值超过事先给定的上限值后其对应的地址就被认定为不活跃 地址，在地址表维护时这些地址将被删除。 以上介绍的是交换机最简单的数据转发流程，在实际的商用交换中还 将涉及到广播、组播和单播地址识别，生成树算法、v l a n 技术等方面的 知识。本文介绍的以太网络交换机实验平台功能比较简单，不涉及这些内 容，因此不做介绍。 第二章局域网交换 2 4 本章小结 图2 4 交换机工作流程 本章介绍了以太网帧格式、以太网交换机工作原理和以太网交换机工 作流程方面的知识，这些知识是以太网络交换机实验平台硬件和软件设计 的基础。 9 j，奎崮是蜜童 吾 -_芏- 一 一 一 一 一帧一 一据一一数一一弃一一丢一 重庆邮电大学硕士论文 第三章开放式以太网交换机实验平台概要设计 概要设计阶段要完成的任务是：将所开发系统的硬件和软件分解成若 干个模块，确定各个模块的功能，定义模块之间的接口，即模块间的相互 关系以及模块间传递的信息“”。模块划分的目的是降低系统设计难度，减 少系统开发和维护成本，所遵循的基本原则是高内聚、低耦合，就是要求 每一个模块相对于其它模块是独立的n ”这样的模块易于测试和维护，可 以有效地防止错误在整个系统中的传播。 模块划分的方法有两种，分别是控制流结合的模块划分方法和数据流 结合的模块划分方法。控制流结合的模块划分方法按功能调用关系来进行 模块划分，它设有一个主模块，主模块通过调用关系将下层的各个子模块 组织起来。数据流结合的模块划分方法将_ 个模块看作是一个“黑盒”， 对这个“黑盒”进行输入、输出以及输入、输出间的变换的考察“”，考察 的结果是将一个模块划分成若干个子模块。重复以上过程直到每个“黑盒” 都能用简单的程序实现为止。概要设计使用结构图来表示模块间的关系， 在结构图中，上层模块被称为调用模块，下层模块称为被调用模块，模块 间的连线代表两模块的通信。 3 1 设计方案 图3 1 是以太网交换机结构图阻1 。图中的物理层数据收发电路完成电平 转换和数据编码解码工作，数据交换控制电路数据数据转发工作，两者通 过媒体独立接口( m i i ，m e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 传输数据。在商用交换 机中，物理层数据收发电路和数据交换控制电路是集成在同一片芯片中 的，例如r t l 8 3 0 5 芯片。 网 l u 物理层 4 5 数据收 线 接口 发电路 媒体独 j 数据 1 立接口交换控 制电路 图3 1 以太网交换机结构图 设计的实验平台是提供给学生使用的，需要提高对学生的开放度，使 第三章开放式以太网交换机实验平台概要设计 他们能够了解交换机组成结构和各个硬件模块的功能，能够使用自己编写 的程序控制实验平台硬件完成数据交换工作；需要提高操作灵活程度，学 生不需要具备硬件开发知识，只需要熟悉交换机工作流程，具备c 语言程 序开发能力，就可以完成控制程序的编写工作；需要提高实验信息透明度， 实验平台需要实时显示实验数据，学生可以通过这些数据了解实验进程， 判断自己编写程序的正确性。 在开发初期，有两种实现方案被制定出来，分别是使用单片机和物理 层数据收发芯片方案和使用f p g a 器件和物理层数据收发芯片方案。 使用单片机和物理层数据收发芯片方案 该方案使用单片机作为控制器，使用物理层数据收发芯片r t l 8 2 0 1 芯 片实现数据收发功能。学生可以根据自己对交换流程的理解编写程序实现 数据交换功能。此方案使用软件实现专用交换芯片的数据交换控制功能， 提高了实验平台开放程度。但是，编写实验软件需要学生具备单片机开发 知识，而且程序开发工作量相当繁重，这使得实验平台的操作灵活度降低 了。另外单片机处理速度偏低，不能胜任完成四个网络端口数据同时交换 的工作。 使用f p g a 器件和物理层数据收发芯片方案 一 现场可编程门阵列( f p g a ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 是一种可编 程逻辑器件( p l d ，p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 。该器件的特点是使用硬件 描述语言描述数字逻辑电路功能“”，通过综合工具综合后下载到f p g a 器 件中便可以得到相应功能的数字逻辑电路。 该方案使用a l t e r a 公司提供的设计工具将处理器知识产权核“川( i p ， i n t e l l e c t u a lp a t e n t ) 下载到c y c l o n e i ie p l c 6 q 2 4 0f p g a 器件“”1 上，作为 实验平台的控制器；编写驱动程序屏蔽底层硬件操作过程，学生无需掌握 硬件开发知识就可以实现对硬件的控制；将交换过程中的重要步骤编写成 实验a p i 函数提供给学生使用，使得实验程序设计难度降低。这样实验平 台的开放程度和操作灵活度都大大提高了。另外使用串口通信方式将实验 数据传送到运行在p c 机上的显示软件，并实时显示出来，提高了实验信 息透明度。 以系统开放度、操作灵活度和实验信息透明度的高低作为方案优劣评 定标准，上面介绍的第二种实现方案明显比第一种实现方案更加优越，本 文介绍的开放式以太网交换机实验平台便是采用这个方案实现的。 l l 重庆邮电大学硕士论文 3 2 实验平台硬件模块划分 开放式以太网交换机实验平台硬件设计可以分为基于f p g a 器件的处理 机设计和硬件电路设计两部分。图3 2 是硬件模块结构图。 图3 2 硬件模块框图 3 2 1 基于f p g a 的处理机硬件模块 基于f p g a 的处理机是实验平台硬件的核心模块，是实验程序的运行 平台处理机可以划分为数据接口模块、中央处理器模块、存储器接口模 块和串口通信模块四个部分。 1 数据接口模块 数据接口模块在接收状态下，接收来自r t l 8 2 0 1 的数据并缓存到内部 的f i f o 中并提示处理器读取其中的数据；在发送状态下，接收来自数据 处理模块的数据，缓存到内部的f i f o 中并提示r t l 8 2 0 1 芯片读取数据。 该模块通过m i i 接口连接r t l 8 2 0 1 芯片，通过数据总线与中央处理器模块 链接 2 中央处理器模块 中央处理器模块负责处理数据帧，实现交换机的交换功能。该模块通 过数据总线连接存储器、数据接口模块和串口通信模块。 3 外部存储器接口 外部存储器接口用于连接片外存储器芯片。它通过数据总线连接中央 第三章开放式以太网交换机实验平台概要设计 处理器模块，通过f p g a 器件的特定引脚连接片外存储器的数据和地址引 脚。 4 申口通信模块 串口通信模块负责实验平台与p c 机之间数据的传输。该模块通过数据 总线连接中央处理器模块，通过d b 9 串口插座连接串口线。 3 2 2 物理层数据收发电路模块 物理层数据收发电路模块通过r j 4 5 端口将网线上传输的串行数据信息 接收下来，将数据在其内部进行处理后送到交换模块。此模块由r t l 8 2 0 1 芯片、网络隔离变换器、r j 5 端口和l e d 链路指示灯电路4 个子模块构成。 1 r t l 8 2 0 1 芯片 r t l 8 2 0 1 芯片完成数据的编码、解码和电平转换工作。该芯片提供m i i 接口和网络媒体接口，通过m i i 接1 3 实现芯片与数据接口模块的连接，通 过网络媒体接口实现与网络隔离变换器的连接。 一“ 2 网络隔离变换器 网络隔离变换器将从网线上接收到的信号电平放大后送入r t l 8 2 0 1 芯 片。它通过网络媒体接口一面与r j 4 5 端口，另一面与r t l 8 2 0 1 芯片连接。 3 l e d 指示灯电路 l e d 指示灯电路实现两个功能，一是r t l 8 2 0 1 芯片物理地址设置，当 芯片上电时，引脚的电平值被芯片锁存。二是在芯片工作后，驱动l e d 指 示灯显示当前r t l 8 2 0 1 芯片的工作状态。该电路与r t l 8 2 0 1 芯片的特定 引脚相连。 4 r j 4 $ 接口 实验平台提供4 个r j 4 5 端口，用于连接4 台实验用p c 机。该接口与 网络隔离变换器的媒体接口相连。 3 2 3 电源电路模块 电源电路为开放式以太网交换机实验平台各部分硬件器件提供直流电 源。电路由电源接口( 5 v 电源接口) 、l e d 电源指示灯、开关复位电路和 电压转换电路4 部分组成。电路与p c b 板上各器件的数字电源、模拟电源、 数字地和模拟地相连。 1 电源接口 重庆邮电大学硕士论文 使用5 v 直流电源为整个硬件电路供电电源接口将外部电源引入硬件 电路 2 l e d 指示灯 指示外部电源是否引入l e d 灯点亮说明电源引入，否则说明电源未 引入 3 开关复位电路 控制外部电源接入与系统复位。 4 电压转换电路 由于各个硬件模块使用的电源电压各不相同( 5 v 和3 3 v ) ，因此使用电 压转换电路将5 v 电压转换成符合硬件模块正常工作要求的电压。 3 2 4f p g a 器件外围电路模块 1 程序下载接口 将软件程序下载到f p g a 器件中。本设计使用j t a g ( ( j o i n tt e s ta c t i v e g r o u p ) 接口。该接口连接f p g a 芯片的t d o 、t d i 、t m s 和t c k 引脚。 2 配置电路 配置电路由配置芯片和数据下载接口构成，用于保存f p g a 硬件配置 文件。该电路连接f p g a 芯片的n c o n f d o n e 、n c o n f i g 、d a t a 、d c l k 和n c s 引脚。 3 时钟电路 时钟电路为f p g a 器件提供时钟脉冲。该电路连接f p g a 器件的g c l k 引脚。 4 片外存储器电路 片外存储器用于保存数据。存储器的数据和地址引脚与f p g a 器件特 定引脚相连。 3 2 5 串口电路模块 串口电路由m a x 2 3 2 3 芯片和相应的外围电路组成，完成r r l 电平和 串口数据传输电平之间的转换。 第三章开放式以太网交换机实验平台概要设计 3 3 实验平台软件模块划分 图3 3 是系统软件模块框图。系统软件包括设备驱动程序和应用软件两 部分。设备驱动程序是针对特定的硬件设备开发的，它将具体的硬件操作 封装成函数。应用软件由三部分构成，分别是实验a p i 函数、串口通信软 件和显示软件。交换机处理一帧数据分为5 个步骤，分别是数据接收、数 据校验、转发表地址学习及地址老化计数器更新、转发表地址查找和数据 转发和转发表维护。因此我们将实验a p i 函数分成为5 组，每组由若干个 实验a p i 函数组成。实验平台可以将学生编写软件的运行情况显示出来， 这一部分功能由串口通信软件和显示软件两个软件共同实现。 3 3 1 硬件设备驱动程序 图3 3 软件设计框图 在基于f p g a 的处理机硬件设备中，串1 3 通信模块和数据接口模块是 使用v e r i l o gh d l 硬件描述语言开发的用户组件a l t e r a 公司提供的系 统集成工具s o p cb u i l d e r 不能提供这两个设备的驱动程序。因此这两个硬 件设备的驱动程序需要专门开发。 3 3 2 实验a p i 函数 1 数据帧接收实验a p i 函数 图3 4 是数据接收流程图。由图可见数据接收分为6 个步骤，分别是缓 重庆邮电大学硕士论文 存检测、数据接收、获取接收端口号、提取目的m a c 地址、提取源m a c 地址和提取校验字段。因此设计6 个实验用a p i 函数，分别是检测缓存 a p i 函数、数据帧保存、提取数据接收端口号a p i 函数、提取f c s 字段 a p i 函数、提取目的地址a p i 函数和提取源地址a p i 函数。 是 口匾函 图3 4 数据接收流程图 2 数据帧校验实验a p i 函数 图3 5 是数据帧校验流程图。由图可见数据校验过程分为3 个步骤，分 别是数据帧校验、校验结果比较和数据帧处理。因此设计3 个实验用a p i 函数，分别是c r c 数据校验a p i 函数，校验结果比较a p i 函数和数据帧 处理a p i 函数。 第三章开放式以太网交换机实验平台概要设计 图3 5 数据帧校验流程 3 转发表地址学习及地址老化计数器更新实验a p i 函数 图3 6 是转发表地址学习及老化计数器更新流程图。由图可见转发表地 址学习及老化计数器更新过程分为6 个步骤，分别是转发表初始化、地址 查找、端口更新、记录地址及端口、设定老化计数器数值和老化计数器数 值更新。因此设计6 个实验用a p i 函数，分别是转发表初始化a p i 函数、 地址查找a p i 函数、端口更新a p i 函数、记录地址及端口a p i 函数、设定 老化计数器数值a p i 函数和老化计数器数值更新a p i 函数。 卫 匝蕊函 n 再靠面订 l 对应的老化i i 盐墼塑墼堡：! l 】董 图3 6 转发表查找及地址老化计数器更新 1 7 重庆邮电大学硕士论文 4 转发表地址查找和数据转发实验a p i 函数 图3 7 是转发表地址查找流程图。由图可见转发表地址查找过程可分为 4 个步骤，分别是确定目的地址类型、目的地址查找、获取目的地址端口 号和数据帧转发。因此设计4 个实验用a p i 函数，分别是确定目的地址类 型a p i 函数，目的地址查找a p i 函数、获取目的地址端口号a p i 函数和数 据帧转发a p i 函数。 二亟 c = 乏曼塞i 霎 ”是一+ 否 香一斗 是 l 数据转发 一 司 图3 7 实验流程图 5 转发表维护实验a p i 函数 图3 8 是转发表维护流程图。由图可见转发表维护过程分为2 个步骤， 分别是判断定时器是否到时判断、转发表维护。因此设计2 个实验用a p i 函数，分别是判断定时器是否到时判断a p i 函数、转发表维护a p i 函数。 是 图3 8 转发表维护流程 宝 第三章开放式以太网交换机实验平台概要设计 3 3 2 串口通信软件 串口通信软件在每个a p i 函数中被调用，将a p i 函数的运行信息传送 到p c 机，这些运行信息包括调用的a p i 函数名称、函数调用是否成功信 息、函数的返回值和通过调用函数所改变的程序变量的值，然后通过运行 在p c 机上的显示软件显示出来。数据按字节通过串口以9 6 0 0 b p s 速率传输。 图3 9 是通信数据帧格式。 a p i 函数名称识别号( 1 b ) l 函数调用结果( 1 b ) l 操作信息( 1 b ) j 操作信息内容( 多个字节)l 尾符号 图3 9 通信数据帧格式 1 。a p i 函数名称识别号 串行通信软件传送a p i 函数名称的识别号，占用1 个字节。显示软件 将根据此信息显示a p i 函数名称，例如1 号将对应显示函数名称 c h e c k b u f s t a t e 。 2 函数调用结果 函数调用结果指示a p i 函数是否被调用成功，此信息占用1 字节，具 体信息为：1 ：函数调用成功。0 ：函数调用失败。 3 操作信息 操作信息说明a p i 函数是否完成了相应的功能，此信息占用1 字节，+ 具体信息为：1 ：操作成功。o ：操作失败。 4 操作结果 函数操作后得到的信息具体内容，视具体情况占用多个字节，例如 g e t f r p o r t n o ( ) a p i 函数的操作对象具体内容为获取的端口号。 5 尾比特 尾比特用于通知显示软件一帧数据传输结束，占用1 个字节，使用特 定的十六进制数7 e 。 3 3 3 显示软件 显示软件将通信软件传递来的数据帧进行解码和信息提取，加入必要 的说明信息后显示出来。显示软件可以划分为界面、通信程序和解码程序 三个部分。 重庆邮电大学硕士论文 1 显示界面 显示软件界面说明如图3 1 0 所示：界面分为两个区，内容显示区和操 作控制区内容显示区显示由串口通信软件传递并经过显示软件解码的数 据信息，信息包括：a p i 函数名称，函数调用信息( 成功失败) 、函数操 作信息( 成功失败) 、操作结果。操作控制区提供p i n g 命令控制按钮。 内容显示区 操作控制区 图3 1 0 显不软件界面 2 通信程序 通信程序与运行在实验平台c p u 中的串口通信软件通信，接收串口通 信软件送来的数据并提交给解码程序。 3 解码程序 解码程序将传送来的特定意义的比特数据转换成具体的说明文字，例 如函数名称识别符1 对应得说明文字为：“调用函数名称c h e c k b u f s t a t e 。”， 操作信息t 对应：“缓存检测操作成功。”。 3 4 本章小结 本章首先介绍了以太网交换机实验平台的设计原则和系统结构，然后 详细介绍了实验平台硬件和软件模块划分过程，各个模块功能和模块间的 接口，为实验平台硬件和软件的详细设计打下了坚实的基础。 第四章基于f p g a 的处理机设计 第四章基于f p g a 的处理机设计 一个功能齐全的处理机由硬件设备、硬件驱动程序和应用程序三部分 组成“2 ”。硬件设备包括处理器模块、总线设备和外设，实现特定功能并 提供软件运行平台；硬件驱动程序是应用程序与硬件设备通行的桥梁，它 将具体的硬件操作过程设计成函数，应用程序通过调用这些函数就可以实 现对硬件的控制；应用程序是为实现特定功能而设计的，在本设计中应用 程序就是学生编写的用于实现交换机功能的程序，本章将对实验a p i 函数 的设计过程作介绍。 4 1 基于f p g a 的处理机开发流程 基于f p g a 的嵌入式系统设计流程如图4 1 。3 ”所示。首先分析所要开 发的嵌入式系统对软件和硬件的需求。在硬件方面，需要确定使用的处理 器规模和系统频率，确定使用的外设种类，根据软件规模决定是否使用片 外存储器；在软件方面，需要决定是否使用嵌入式操作系统，估计软件规 模。在确定需求后就转入系统软件和硬件独立开发阶段，在此阶段完成硬 件模块的开发、功能验证和硬件设备连接工作以及软件设计、调试工作。 软件和硬件开发完毕后需要进行软、硬件联合调试，找到设计中潜在的问 题，优化设计直至满足要求。 重庆邮电大学硕士论文 确定处理机软件硬件需求 上j 硬件开发软件开发 0 硬件设 计验证 0 硬件设 r 备集成软件调试 软件、硬件下载到器件 0 软件、硬件联合调试 软件、硬件优化 设计完成 图4 1