毕业论文---五口千兆以太网交换机的设计

1、湖南冶金技术学院毕业设计湖南冶金职业技术学院电气工程系毕业设计（论文）五口千兆以太网交换机的设计专业班级:电子0721学 号：21设计时间：2010.04.01-2010.05.31学生姓名:张豹指导教师:李燕林 副教授2010年6月湖南冶金职业技术学院电气工程系毕业论文（设计说明书）五口千兆以太网交换机的设计学生姓名：张豹指导教师：李燕林专业名称：应用电子技术论文提交日期：2010年06月4日论文评阅人： 湖南冶金职业技术学院电气工程系二0一0年 六月VII摘要摘 要作为局域网的主要连接设备，以太网交换机成为应用普及最快的网络设备之一。随着交换技术的不断发展，以太网交换机的价格急剧下降，交换

2、到桌面已是大势所趋。如果你的以太网络上拥有大量的用户、繁忙的应用程序和各式各样的服务器，而且你还未对网络结构做出任何调整，那么整个网络的性能可能会非常低。解决方法之一是在以太网上添加一个10/100Mbps的交换机，它不仅可以处理10Mbps的常规以太网数据流，而且还可以支持100Mbps的快速以太网连接。如果网络的利用率超过了40%，并且碰撞率大于10%，交换机可以帮你解决一点问题。带有100Mbps快速以太网和10Mbps以太网端口的交换机可以全双工方式运行，可以建立起专用的20Mbps到200Mbps连接。不仅不同网络环境下交换机的作用各不相同，在同一网络环境下添加新的交换机和增加现有交

3、换机的交换端口对网络的影响也不尽相同。充分了解和掌握网络的流量模式是能否发挥交换机作用的一个非常重要的因素。因为使用交换机的目的就是尽可能的减少和过滤网络中的数据流量，所以如果网络中的某台交换机由于安装位置设置不当，几乎需要转发接收到的所有数据包的话，交换机就无法发挥其优化网络性能的作用，反而降低了数据的传输速度，增加了网络延迟。除安装位置之外，如果在那些负载较小，信息量较低的网络中也盲目添加交换机的话，同样也可能起到负面影响。受数据包的处理时间、交换机的缓冲区大小以及需要重新生成新数据包等因素的影响，在这种情况下使用简单的HUB要比交换机更为理想。因此，我们不能一概认为交换机就比HUB有优势

4、，尤其当用户的网络并不拥挤，尚有很大的可利用空间时，使用HUB更能够充分利用网络的现有资源。关键词: 以太网交换机 ， 共享互联网 ， 网络延迟 ， 数据流ABSTRACT As the main local area network connection device, Ethernet switch into wider use one of the fastest network equipment. With the continuous development of switching technology, Ethernet switch prices falling sharpl

5、y, the exchange is the general trend to the desktop. Ethernet network if you have a large number of users, applications and a variety busy server, and you have not made any adjustments to the network structure, then the whole network performance may be very low. One solution is to add a 10/100Mbps E

6、thernet switch, it can not only handle the regular 10Mbps Ethernet data stream, but also can support 100Mbps Fast Ethernet connection. If the network utilization exceeds 40%, and the collision rate of greater than 10%, the switch can help you solve a little problem. With a 100Mbps Fast Ethernet and

7、10Mbps Ethernet port full duplex switch can run, you can set up a dedicated 20Mbps to 200Mbps connections. Under different network environment not only the role of different switches in the same network environment to add new switches and exchange switches to increase the existing network of ports a

8、re not the same. Fully understand and grasp the network traffic patterns is whether the switch to play the role of a very important factor. Because the purpose of using the switches as much as possible to reduce and filter network traffic, so if the network switch as the installation location of a s

9、tation set up properly, almost need to forward all packets received, then the switch will not be able to play its optimal network The role of performance, but reduces the data transmission speed, increased network latency. In addition to the installation location, the load if those smaller, less the

10、 amount of information is also blind to add a network switch, the same may also be a negative impact. By the packet processing time, switch buffer size and the need to generate new data packets and other factors, in this case using a simple switch HUB than desirable. Therefore, we can not all think

11、that the switch has an advantage than the HUB, especially when the users network is not crowded, there is considerable available space, the use of HUB better able to make full use of network resources. Key words：Ethernet Switches， Sharing Internet， Network delay ，data stream目 录目 录第1章 绪 论11.1 五口千兆交换机

12、特点介绍1 1.2 交换机设计开发流程21.3 交换机制作资料清单21.3.1 PCB格式文件21.3.2 PCB制作规格书21.3.3 BOM表单31.3.4 SMT坐标文件41.3.5 PCB丝印图51.3.6 EEPROM软件烧录61.3.7 产品试产通知书71.4 设计内容与要求7第2章 开发与测试工具描述82.1 PADS 2007简介82.1.1 Logic 编辑界面82.1.2 LAYOUT编辑界面92.1.3 Router编辑界面102.2 SmartBits600仪表简介112.2.1 仪表概述112.2.2 Smartbits600 前面板介绍112.2.3 Smartib

13、its600后视图122.2.4 交换机测试项目12第3章 硬件描述143.1 主芯片RTL8366S简介简介143.1.1 主要特性 143.1.2 主要管脚说明14 3.2 电源 IC 介绍15 3.2.1电源IC BM1513简介153.2.2内部结构153.3 EEPROM 介绍163.3.1 24C08 功能简介163.4 自检电路介绍183.4.1 电路组成183.4.2 工作原理183.5 9V 1A开关电源简介19第4章 交换机的硬件设计204.1 实现方案204.2 电路的模块组成21 4.2.1 电源输入模块214.2.2 主芯片模块224.2.3 EEPROM 模块234

14、.2.4 系统复位模块234.2.5 RJ45端口滤波器模块244.2.6 LED状态指示灯模块25第5章 整机运行测试26 5.1 测试标准要求26 5.11 10M/100M/1000M ping包测试265.12 10M吞吐量测试275.13 100M 吞吐量、丢包率、背靠背能力、延时时间测试285.14 1000M 吞吐量测试295.15 整机功耗测试305.16 煲机测试30结 论31致谢32参考文献33第1章 绪论第1章 绪论 1.1 五口千兆交换机特点介绍 5-口10/100/1000MBPS智能高速以太网交换机，采用专业RTL8366S交换芯片。该交换机提供5个10/100/1

15、000MBPS自适应RJ45接口，所有接口支持支持储存转发交换功能，它有费用低，易使用，高性能。标准无缝升级您的办公室和家用旧网络到100Mbps网络，它将提高您的网络性能到全双工数据传输 符合IEEE802.3，IEEE802.3u标准 5个10/100/1000Mbps自动导航RJ45接口支持储存转发交换功能 在全双工模式下支持IEEE802.3X流控制和在半双工模式下背压流控制存储交换 方案支持MAC地址自动学习及匹配有电源，连接，激活指示灯 1.2 交换机设计开发流程在公司一般项目方案直接交RD（研发部）审核，并由该项目的负责人召开新产品开发评审会，会议通过之后项目工程师开始主导产品的

16、设计研发。首先，工程师会根据方案公司提供的产品原理图，再加上公司自身的硬件要求，硬件工程师会依要求更改原理图，接着把产品的BOM表(元器件清单)制作出来。下一步交LAYOUT工程师进行PCB布局布线，完成整个PCB板的工作,在LAYOUT结束后需要硬件工程师制作出PCB的规格书，将PCB文件和其规格书发到PCB板供应商，与此同时，硬件工程师需要整理产品试产所需的文件，如SMT车间的坐标图以及插件车间所需的丝印图等，待PCB硬质板做出来之后，再由硬件工程师根据BOM单完成样机的制作，样机完成之后就得进行整机功能测试，根据交换机测试标准得出测试报告，样机功能测试通过后，接下来就是做小批量试产，硬件

17、工程师需要整理各部门所需的相关文件资料，然后在公司发布产品试产通知书，公司各部门接到试产通知书后会根据相关资料进行试产，试产过程出现的问题需要硬件工程师去跟进解决，直到试产功能测试报告出来，接着就是做大批量生产了。1.3 交换机制作资料在设计五口千兆交换机之前需要准备各部门所需资料文件，如图所示清单：1.3.1 PCB格式文件PCB文件由LAYOUT工程师完成，利用画图软件PADS 2007进行原理图绘制，接着导入网络表再进行PCB的LAYOUT。如图1.3.1所示图1.3.11.3.2 PCB制作规格书制作规格书由硬件工程师根据LAYOUT出的PCB，制作描述板子相关的参数，含采用板材、板尺

18、寸(长、宽、厚)、层分布、电镀工艺、油墨要求、过孔要求。拼版要求(就是表示用几块板拼在一起)、Mark点要求(此点是SMT做贴片时起定位作用的)、螺丝孔的要求(需对应机壳的定位孔)。制作规格书是为了让PCB厂商按照自己的要求来生产出符合要求的PCB板。如图1.3.2所示图1.3.21.3.3 BOM表单(元器件清单)图中只给出部分BOM表单的截图，此表由硬件工程师和部门文员共同完成。其中编码是公司库存元器件所对应的物料号。如图1.3.3所示 图1.3.31.3.4 SMT坐标文件图1.3.41.3.5 PCB丝印图丝印图是做插件元器件的重要图示。图1.3.51.3.6 EEPROM软件烧录图一

19、 运行编程器 图二 查找芯片厂商以及型号 图三 导入烧录文件 图四 选择烧录方式 图五 准备完成准备放置芯片 图六 放置好EEPROM 图七 烧录完成1.3.7 产品试产通知书如图1.3.7所示为试产通知书图1.3.71.4 设计内容与要求设计一台五口千兆以太网交换机，能提供5个10/100/1000MBPS自适应RJ45接口所有接口都支持储存转发交换功能，在全双工模式下支持IEEE802.3X流控制和在半双工模式下背压流控制存储交换方案, 并支持MAC地址自动学习及匹配。工作温度： 0C 到 50C存储温度： -40C 到 70C工作湿度： 10% 到 90% RH存储湿度： 5% 到 90

20、% RH- 31 -第2章 开发与测试工具描述第2章 开发与测试工具描述2.1 PADS 2007 简介PADS 2007 是一款功能比较强大的EDA画图编辑软件，它分Logic(原理图编辑)、LAYOUT(布局布线)、Router(布线专用编辑)三部分组成。2.1.1 Logic 编辑界面如图2.1.1所示为原理图编辑界面，绘制原理图，新建库文件都在Logic里面完成。图2.1.12.1.2 LAYOUT编辑界面如图2.1.2所示为LAYOUT编辑界面，网络表文件导入，新建PCB封装，PCB布局、布线等操作都在其里面完成。 图2.1.22.1.3 Router编辑界面 如图2.1.3所示为R

21、outer编辑界面，在需要进行差分对布线时可用此编辑器，对于布线工艺要求较高的电路板非常方便。图2.1.32.2 SmartBits600仪表简介2.2.1 仪表概述SmartBits系列测试仪是由NetCom System公司生产的，专门测试和分析网络性能的一种工具，SmartBits通过各种SmartCard的组合来实现对网络的测试、仿真和分析。SmartBits600测试仪是其中的便携式设备，与SmartBits-6000B系统兼容，最多可插入两块测试卡，支持16个10/100M以太网端口。2.2.2 如图2.2.2所示Smartbits600 前面板介绍图2.2.2SmartBits6

22、00可配置2个LAN-3100A模块，支持16个10/100M以太网端口测试。10/100 Ethernet SmartModule指示灯含意TX/PAUSE： 绿灯：正常发送， 黄灯：有流控包， 红灯：有错包；RX/ERR： 绿灯：数据包接收，DUPLEX/SPEED：绿灯：全双工， 黄灯：半双工；2.2.3 如图2.2.3所示Smartibits600后视图图2.2.3CONSOLE： 串口，用于配置SmartBits的IP地址。10/100BASE-T：以太网口，用于接入控制台，如PC机。2.2.4 交换机测试项目 利用Smartibits600对交换机进行功能测试，测试项目包括：吞吐量

23、、丢包率、背靠背能力、延时时间等四大项；每项都有规定的参数要求，如下图说明参数测试项目：主界面说明：Throughput：吞吐量测试Latency：时延测试Packet Loss：丢包率测试Back-to-Back：背靠背测试如图2.2.4所示主界面效果图2.2.4在进行吞吐量测试时，需要端口设置如八口交换机的话，需要端口一一对应(第1口对第8口.以此类推)，传输模式需要设置为全双工模式，接下来就是针对四项测试项目分别测出该交换机的性能参数。第3章 硬件描述第3章 硬件描述3.1 主芯片RTL8366S简介简介 3.1.1 主要特性：支持自动协商的10/100/1000M和双工模式每个端口支持

24、Auto-MDI/MDIX支持全/半双工传输模式为10/100Mbps的，全双工传输为1000Mbps的模式支持存储和转发交换方式符合IEEE 802和老化 支持8192个MAC地址.3，电机及电子学工程师联合会802.3ab的协议支持线速和非阻塞性能支持基于硬件的学习支持广播和组播风暴控制支持巨型帧在任何速度（10/100/1000M） 3.1.2 主要管脚说明如图3.1.1，封装如图3.1.2： 图3.1.1 图3.1.2DVDDIO：3.3V供电电压。AVDDH: 3.3V模拟电压输入。AVDDL: 1.2V模拟电压输入。DVDDL: 1.2V数字电压输入。XTALI: 25M晶振输入端

25、口。XTALO: 25M晶振输出端口。NRESET: 自检复位接口。SDA: EEPROM数据控制接口。SCK: EEPROM时钟控制接口。 GND：接地。LED_P0_1：为第一个RJ45端口的LINK指示灯控制脚。LED_P1_1: 为第二个RJ45端口的LINK指示灯控制脚。 LED_P2_1: 为第三个RJ45端口的LINK指示灯控制脚。 LED_P3_1: 为第四个RJ45端口的LINK指示灯控制脚。 LED_P4_1: 为第五个RJ45端口的LINK指示灯控制脚。 P0MDIAPP0MDIDN: 为第一个RJ45端口的滤波器接入脚。 P1MDIAPP1MDIDN: 为第二个RJ45

26、端口的滤波器接入脚。 P2MDIAPP2MDIDN: 为第三个RJ45端口的滤波器接入脚。P3MDIAPP3MDIDN: 为第四个RJ45端口的滤波器接入脚。P4MDIAPP4MDIDN: 为第五个RJ45端口的滤波器接入脚。3.2 电源IC 介绍3.2.1 电源IC BM1513简介BM1513是一款采用PWM控制的降压转换器，内部由参考电压源、振荡电路、误差放大器和内部PMOS构成。提供低纹波，高效率的输出直流电压，范围在0.8V至VCC，其额定的输入电压范围在3.6V到18V，额定电流为23A，振荡频率在400KHZ以下。如图3.2.1a和3.2.1b所示分别为BM1513内部结构图和封

27、装图 图3.2.1a 图3.2.1b3.2.2 内部逻辑结构 输出电压的计算:Vout=Vfb(1+Ra/Rb) Rb一般取110kohm,如图3.2.2所示为典型外围路电路图3.2.23.3 EEPROM 介绍 3.3.1 24C08 功能简介24C08是一个8K位串行CMOS EEPROM，内部含有1024个8位字节，先进的CMOS技术进一步减少了器件的功耗，其内部有个16字节页写缓冲器，该器件通过IIC总线接口进行操作，有专门的写保护功能。极限参数：工作温度：工业级 -55+125 商业级 0+75存储温度：-65+150各管脚承受电压：-2.0VCC+0.2VVCC管脚承受电压：-2.

28、0V+7.0V封装功率损耗：1.0W焊接温度(10秒)：300输出短路电流：100mA 3.4 自检电路介绍3.4.1电路组成 系统复位电路由RC充放电和保护二极管组成。3.4.2 工作原理当系统启动后DVDDIO电压接入，通过RC充放电电路，在电容上面充电，一直充到与VCC相近的电压，此时nRWSET脚电平升为高电平，满足复位所需高电平要求，此时系统进入复位自检状态；放电回路借助二极管进行快速放电。如图3.4.2所示电路组成图3.4.23.5 9V 1A开关电源简介电源采用9V 1A开关电源，此款电源要求如下：输入电压范围：160250；频率：50HZ/60HZ；输出电压：9V12V；输出电

29、流大小：700mA1000m；A电源PCB设计如图3.5所示图3.5第4章 交换机的硬件设计第4章 交换机的硬件设计4.1 实现方案本设计采用RTL8366S主芯片配合24C08 EEPROM的五口千兆以太网交换机，如图所示。该电路通过主芯片RTL8366S做主控制器，24C08软件程序通过IIC总线读写模式，将内部程序写入主芯片，系统复位电路被启动后，主芯片发送端口指示灯控制信号，控制五个端口的LINK指示灯，依次显示以示自检结束。当RJ45端口接入网线并与其他通讯设备相连时，千兆滤波器会发送返回信号到主芯片，主芯片根据端口信号判断端口号，同时发送信号到LED控制电路，显示当前被接端口指示灯

30、。25M晶振给RTL8366S提供时钟频率。系统框图如图4.1所示。图4.1 系统框图4.2 电路的模块组成本设计电路由几个模块组成，即：电源输入模块、主芯片模块、EEPROM 模块、系统复位电路、RJ45端口滤波模块、状态指示灯电路。4.2.1电源输入模块 原理图如图4.4所示 图4.4 电源模块原理4.2.2 主芯片模块原理图如图4.5所示图4.5 主芯片模块 4.2.3 EEPROM模块原理图如图4.6所示图4.6 EEPROM 接线图4.2.4 系统复位模块原理图如图4.7所示图4.7 系统复位接线图4.2.5 RJ45端口滤波器模块原理图如图4.8所示图4.8 RJ45端口滤波器接线

31、图4.2.6 LED状态指示灯模块 原理图如图4.9所示图4.9 LED灯接线图结论第五章 整机运行测试5.1 测试标准要求5.11 如图5.11所示为10M/100M/1000M ping包测试图5.115.12 10M吞吐量测试在跑吞吐量测试之前，需要利用两块千兆网卡，分别给网卡设置静态IP，如网卡一的IP：192.168.2.100；另一块则设置为：192.168.2.101。如图5.12所示图5.125.13 100M 吞吐量、丢包率、背靠背能力、延时时间测试100M的各项参数测试需要运行SmartBits600仪表，针对交换机四项参数一一进行测试下图5.13所示为100M延时时间参数

32、测试结果图5.13下图5.13a为100M背靠背能力测试结果图5.13a下图5.13b为100M吞吐量测试结果图5.13b5.14 下图5.14为1000M 吞吐量测试图5.145.15 整机功耗测试产品完成之后需要进行整机功耗测试，采用9V 1A开关电源供电，接入电源之后断开交换机供电回路，测出产品所需供电电流大小I，利用功率计算方法P=UI，得到产品整机功耗Po;电源总功率也可根据P=UI计算得出Pi, Po需在Pi所能承受。5.16 煲机测试产品最后需要满负载进行包机测试，如下图5.16所示为煲机测试的要求图5.16结论在设计此课题时真的不知道该如何下手，而且还要求尽快列出元件清单，对于

33、我来说似乎太难了点，没办法，只能到处找资料，求助实习单位的师傅，许多有关电路设计相关方面的知识学到了很多。第一时间我就把在实习单位负责的项目整理出来，来确定最终的设计方案。在设计原理图的时候，才发现，许多的元器件和集成IC根本就没有接触过，设计上困难再度升级，还好最后按照公司设计开发流程来做，把思路一步一步的整理清晰，有了好的思路接下来的工作当然就是得心应手。在原理图设计阶段，我采用了功能比较强大的PADS2007画图软件，比起Protel99其操作方便许多，为我的设计节省了不少的时间。PCB LAYOUT环节我就拜托了公司的PCB工程师来完成，因为交换机电路对于布局布线要求比较严格，而我在这

34、方面还比较的欠缺，这也是今后我还需要多多加强的地方。完成PCB LAYOUT之后就是开始焊接。对于搞硬件的我来说，软件方面虽然不是很熟悉，但是我能花出时间来研究电路，还有就是此交换机的设计原理，以及各个模块所用到的芯片的工作原理， 当然对于此次设计来说，困难还是存在，需要自己去亲手解决，程序需要自己亲手去烧录，但这并不是说照搬原来的程序，而只是通过看懂这个程序，对于我理解设计原理，以及程序的设计方向会有很大的帮助。此时遇到的最大问题就是理解这个程序，因为我们之前学过C语言，也学过汇编语言，而参考程序是C+语言，更何况是把C+语言与实际电路相结合，这直接增加了我们理解电路的困难程度，但如果不能理解，难度将会更大。但通过一步一步调试电路，加深了我们对于程序的理解，电路调试起来也方便了许多，最终完成了设计任务。现在毕业设计完成了，虽然设计的误差有点大，但整个过程中我们所学到的却很多很多，对网络产品有了比较更深的了解。有的我觉得同学直接采用原来的设计方案，没有的芯片自己买，程序照搬，最先完成任务，但是，这样根本没什么意义，只有通过自己的努力，遇到问题自己解决，一步一步调试分析，最终设计出自己的作品，学到的东西才是自己的。 致谢致 谢时间这