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1、计算jli几技术与应用comp蝴Thn0Ogy a ndIts AppIons基于MC9S12NE64的千兆以太网交换机设计黄秀珍1，(1浙江工业大学2杭州市公安局3浙江工业大学蒋文荣2，石旭刚3，伍一帆1信息工程学院，浙江杭州310014；萧山分局浙江杭州310014；浙江省光纤重点实验室，浙江杭州310014)摘 要：介绍了MC9S12NE64单片机的功能特性及以MC9S12NE64为CPU的交换机设计，详细阐述了8FE+2GE千兆以太网交换机的软硬件设计，比较了本设计与单芯片实现以太网设计的优缺点。本设计突出特点是交换机之间可以连成自愈环，有快速故障检测和恢复的功能。关键词：MC9S12
2、NE64；千兆以太网；88E6095交换模块Design of switch on Gbit Ethernet based on MC9S 1 2NE64HUANG Xiu Zhenl，JIANG Wen Rong：，SHI Xu Gan93，WU Yi Fanl(1School of Information Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China；2Xiaoshan Department of Hangzhou Municipal Public Security Bureau，Hangzhou 3
3、10014，China；3Zhejiang Province Key Laboratory of Fiber Optic Communication Technology，Zhejiang Univemity of Technology，Hangzhou 310014，China)Abstract：This paper introduces山e functions and characteristics of MC9S12NE64 single chip microcomputeralso raises adesign of the switch based on MC9S12NE64The
4、software and hardware design of 8FE+2GE switch on Gbit ethernet amdetailedly illustrated in this paper11lis paper compares this design with the design of implementing Ethemet for signal CMOSchip11le most outstanding characteristic of this design is self-healing ring Call implemented between the swit
5、chsgO the networkhas the function of fast detecting and healing for failureKey words：MC9S12NE64：Gbit Etllemet：88E6095 switch mode千兆位以太网能提供10倍于快速以太网的性能，以高效、高速、高性能而著称。已经广泛应用在金融、商业、教育、政府机关及厂矿企业等各行各业。千兆位以太网最大的优点在于它对现有以太网的兼容性，提供了完美无缺的迁移途径，充分保护在现有网络基础设施上的投资。千兆位以太网将保留8023和以太网帧格式以及8023受管理的对象规格，从而将使企业能够在升级至千
6、兆性能的同时，保留现有的线缆、操作系统、协议、桌面应用程序和网络管理战略与工具。现有的千兆以太网交换机设计是基于FPGA的。它没有内嵌的功能模块，如MAC、PHY。需要外部的器件支持，也不能实时调试，相对设计比较复杂。而本设计用MC9S12NE64为CPU设计千兆以太网交换机。MC9S12NE64单片机内部带有EMAC功能模块，是专用在以太网上的CPU，而且网站上有免费的TCPIP协议栈使用。1 MC9S12NE64功能简介MC9S12NE64是Freescale公司生产的基于HCSl2120 欢迎同上投稿唧chinaaetcornCPU内核的16位单片机，内嵌EMAC和EPHY模块，针对以太
7、网设计的高性能嵌入式处理器。MC9S12NE64的内部功能模块框图如图1所示，主要特性如下：(1)内核采用高性能16位HCSl2CPU，工作频率为25MHz。提供免费的软件开发工具Freescale Codewarrior。图1 MCSl2NE64的功能模块电子技术应用2008年第7期计算jlin技术与应用compule，TechnoIogy andIts Applicat0ns可以用CC+语言编程，具有优化的C语言体系结构，可以生成十分简洁的代码，以提高可读性。(2)内部带有BDM调试模块，可以进行实时在线仿真和调试，而无需仿真器。集成了“KB的FIash内存和8KB的静态RAM，能够满足大
8、多数的应用场合，如果需要还可以通过P1A、胛B口外部扩展。(3)内部嵌入10100Mbs的以太网媒介访问控制器(EMAC)，支持标准的媒介独立接口(MII)，可以实现地址识别及过滤、以太类型过滤，支持半双工和全双工通信。EMAC还有可配置的一个发送缓冲区和两个接收缓冲器，并与8KB RAM共用。MC9S12N“的RAM以2倍于CPU的速度运行，使得CPU和EMAC缓冲区可以交叉存取数据。(4)内部嵌入10100Mbs以太网物理层(EPHY)，支持自动协商模式，支持半双工和全双工的通信，并具有自诊断功能。(5)内部还包含有6个模块：8通道10位模数转换器(ADC)、4通道16位定时器、2个串行通
9、信接口(SCI)、1个高速串行外设接口(SPI)、1个具有256种时钟速度选项的12C接口、具备使用锁相回路的时钟及复位发生器(CRG)模块。MC9S12NE64具有80引脚TQFPEP和112引脚LQrP两种封装，多达70个通用IO口。基于MC9S12NE64的设计方案与同等功能的多芯片方案相比，具有体积小、结构简单、集成度高、可靠性好等优点。2工业以太网交换机硬件设计硬件设计主要有两个部分：CPU模块和交换模块。21 CPU模块CPU模块由电源和CPU及外围电路部分构成，其原理框图如图2所示。6脚编程口复位电路磊一丽I 25MHzJIVll3叫也叫 I时钟。rL-1一一uY”CPU rIM
10、C9S12NE64降酬蠢嫠 单片机l oT I I，O Reset-画!田匮P瞀图2 CPU模块211电源该设计中交换机采用并联的双电源电路，采用冗余电源的供电方式，这两路电源互为备份，只要其中一路电源是正常的，即可使系统正常供电。电源部分要求提供两路1224V的直流电源。这两路电源的正常与否由连接单片机的两个LED发光管指示。当其中某一电源通路出现故障时，控制电路能够使电子技术应用2008年第7期故障电源自动从系统中断开，并进行故障报警，此时由另一个电源通路向交换机供电，因此出现供电中断的情况非常小。电源的输入电压是1224V，通过稳压器MIC4575输出33V。同时低压降的稳压芯片MAXl
11、818把33V的电压降到25V。212 CPU外围电路本设计中CPU采用Freescale公司的MC9S12NE64单片机。该单片机内部集成有8KB RAM、64KB nash，采用外部PHY的形式，通过MII接口与交换模块连接进行传输管理数据。通过MC9S12NE64单片机的SMIMAC和SMI_PHY来配置交换芯片MAC和PHY的初始化状态，例如，对端口状态、传输速率、全，半双工及流量的控制等。MC9S12NE64单片机和交换模块使用的外部时钟都是25MHz，用同一个时钟源。(1)IIC电路：64KB的AT24C64N的IIC芯片，与单片机的IIC模块接口SDA、SCL相连。开机时CPU读
12、取存储在AT24C64N的配置数据。(2)电源LED：两路电源的工作指示灯，一个双色报警指示，通过CPU单片机来控制指示状况，主从电源都正常时，报警指示绿色常亮；有一路不正常时，常熄；电路有不可修复的错误时，黄色常亮。(3)复位电路：对MC9S12NE64单片机的电源监测复位，单片机的Reset引脚接ADM708AR芯片。(4)编程口：MC9S12NE64单片机有实时调试的功能，用muhilink PE下载调试程序。(5)交换模块Reset信号：开机时，CPU单片机给交换模块传输一个外部的复位信号，使交换模块各引脚都处于读取状态，初始化配置交换模块。22交换模块交换模块用了一块Marvell公
13、司生产的88E6095主芯片。该芯片集成MAC和PHY，有11个端口，可配置成8FE+3GE，时钟源频率为25MHz。其中POP7 8个端口支持10BASTTIOOBASTT；P8、P9、P10端口都支持三种接口：SERDES接收器、外接10101000M Copper PHYs、1000BASEX的光纤端口，直接连接到光放大器。另外，P9还支持MIIMACPHY，P10还支持(g)MnMACPHY，该接口可以同MC9S12NE64的MII接口相连，传输并处理MGMT帧和网络层数据。交换模块的原理框图如图3所示。本设计把88E6095的11个端口配置成8FE+2GE+MII。(1)8个FE端口
14、：POP7配成10100M快速以太网端口，支持半，全双工。(2)2个GE端口：P8和PIO配置成SERDES接口，外接88E1112_PHY接收器，配置成2个GE的铜缆或光纤接口。这两个接IXl可以连成自愈环，链路发生故障时，可121计算机技术与应用 Computer Technology and Its Applications葛E图3交换原理框图以很快启动备用链路，以防止故障带来的损失。(3)1个MII接口：P9端口与CPU连接，来接收处理MGMT数据及网络管理数据。本应用是8FE+2GE 88E60951，还可以通过88E6095的SERDES接口进行级联扩展。例如，16FE+2GE88
15、E6095X2、24FE+2GE 88E6095X3、48FE+4GE 88E6095X6+88E6185等。88E6095的工作电压有33V、25V、15V、12V。其中。15V和12V通过88E6095引脚control_15、control_f2外接PNP晶体管产生。3软件设计MC9S12NE64有免费的软件开发工具Freescale codewarrior，可以实现CC+语言的编程，使代码更具有可读性。其软件设计主要实现以下功能：(1)初始化主要完成对MC9S12NE64各寄存器的初始值设置和对交换模块的各个寄存器的初始值设置。MC9S12NE64单片机在工作之前。必须进行必要的初始化
16、，主要包括时钟、复位发生器(CRG)模块和EMAC模块。刚上电时，MC9S12NE“单片机IO口对交换模块发送一个复位信号，使得交换模块各端口为输入，读取各端口的状态，启动交换模块开始工作。再通过SWIMAC和SWIJHY接口对88E6095和88E1112端口寄存器进行初始化，使它们能正常工作。(2)快速生成树算法本设计的交换机是千兆光纤环自愈的设计思想，所以在初始化以后，进人主程序。执行生成树算法，去除环冗余回路，确定拓扑结构。(3)网络协议要实现以太网交换机与以太网上其他设备(如Pc机)的通信，只需要实现TCPIP协议栈就可以了。由于单片机内部资源不足，难以支持完整的TCPIP协议栈，故针122 欢迎同上投稿wwwchinaaetcorn对各个系统的特点和功能来设定特定的TCPIP协议栈，仅实现与需要相关的协议即可，如ARP协议、lP协议、ICMP协议、TCP协议、UDP协议、S
