CN102088411B - 集成交换机 - Google Patents

Abstract

笔记本电脑的通信端口之间的交换一般使用片外LAN交换机活片外高速模拟多路复用器来实现。该片外器件因以下几个原因而存在缺陷，包括：因额外的部件而增加了成本；因传输振幅损失而导致总功耗增加；因混合失配和信号失真导致的电缆范围和链接性能的降低。为了降低成本和保持电气和网络性能，本发明提供一种集成的交换机以将网络通信芯片的信号多路复用给多个网络路径。

Description

集成交换机

本申请是申请日为2007年8月2日、申请号为200780001425.2、发明创造名称为“集成交换机”的中国发明申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及数据交换机。

背景技术

便携式设备如笔记本电脑、个人数字助理(PDA)和移动电话通常都被设计成可在多种网络环境下操作。例如，笔记本电脑通常有多种连接到网络的方式。根据环境，笔记本电脑的使用者可选择使用IEEE802.11或者家庭射频(HomeRF)无线通信标准来无线连接到网络。使用者还可选择使用更安全的连接方式来连接到网络，比如使用带RJ-45插头的非屏蔽双绞线(UTP)电缆(RJ-45电缆)来直接连接到局域网(LAN)。

为了实现连接的灵活性和便携性，笔记本电脑必须设计成具有从一种类型的网络连接切换到另一种的能力，比如从无线连接到有线连接，或从一个网络通信端口到另一个网络通信端口。笔记本电脑一般具有多个网络通信端口，比如802.11无线通信端口、RJ-45兼容网络端口和对接站(docking station)网络端口。现有技术中，使用片外LAN交换机或片外高速模拟多路复用器来将笔记本电脑切换到使用RJ-45网络端口或对接站端口进行工作，其位于笔记本电脑的物理层设备(PHY)的输出和RJ-45及对接站端口之间。换句话说，LAN交换机是独立并且显著区别于PHY芯片的。尽管以上所举的例子是关于笔记本电脑的，其他类型的带网络功能的设备(比如桌上型电脑和其他便携设备)会遇到相同的问题。

笔记本电脑的PHY和网络通信端口之间的这一额外硬件有以下几个不便之处，包括：因为额外的部件而增加了成本；因额外的部件以及为补偿传输振幅损失而需要的更好的PHY功率，导致总功率需求增加；因混合失配和信号失真导致的电缆范围和链接性能的降低。因此，所需的是没有以上缺陷的吉比特控制器。

附图说明

以下将参考附图结合实施例对本发明进行详细描述：

图1是网络环境的一个示例的示意图；

图2是示例的计算机系统的模块图；

图3是根据本发明一个实施例的吉比特控制器微处理器的模块图；

图4-6是根据本发明实施例的在对接站I/O端口和单机连接器端口之间交换数据的方法的流程图。

具体实施方式

说明书描述了本发明具体特征的实施例。实施例描述，以及说明书中提到的“一个实施例”，“一个示范实施例”等，指出所描述的实施例包括一个特殊特征、结构或特性，但是无须每个实施例包括该特殊特征、结构或特性。因此，本发明比所示的单个实施例包括更多的主题。此外，这些表达不是必需涉及相同的实施例。当一个特殊特征、结构或特性被用来描述有关实施例时候，它被理解为在本领域的普通技术人员的知识范围内是可获得其他有关实施例的特征、结构或特性，不论是否被明确的描述。现给出本发明的实施例的描述。当具体方法和结构被讨论，应该被理解成只是出于说明的目的。本发明领域的普通技术人员知晓其他结构和程序可用于本发明而不会脱离本发明的本质和范围。

图1举例说明了一种网络范例100，其中有笔记本电脑103和109。网络100包括个人计算机101、服务器105、数据集线器107、对接站111和网络交换机110。交换机110使计算机101与笔记本电脑103、服务器105或集线器107通信。交换机110同样使笔记本电脑103、服务器105和集线器107与连接到交换机上的任何其他计算机系统通信。尽管没有被显示，计算机101和103、服务器105或集线器107可被连接到其他网络系统，比如LAN、WAN或互联网。

在较高级别，当交换机110接收到来自计算机101的数据，便检查该数据以确定数据的目的地址。一旦提取到目的地址和发送指令，交换机110作出将所接收的数据发送到何处的决定。例如，计算机101希望仅发送数据到服务器105。在这种情况下，交换机110将接收自计算机101的数据转发到服务器105。在另一个例子中，计算机101希望发送数据到计算机103和服务器105。在这种情况下，交换机110将来自计算机101的数据转发到计算机103和服务器105两者。本领域的普通技术人员基于所给出介绍可以知晓其他的方案。

目前有各种各样类型的交换设备。各种类型的交换设备被特定的设计来运行于特定的OSI层。在层1，这些交换设备通常被称作集线器或中继器。集线器或中继器的主要功能是广播入站数据给集线器的一个或多个端口或辐(spoke)。除了数据广播之外，中继器还可放大原始信号来重发。

在层2，交换设备通常被称作多端口网桥或更通常是称作交换机。交换机被设计用来基于嵌入在数据帧的报头内的物理地址即媒介访问控制器(MAC)地址来转发数据。计算机系统的各个网络接口组件(NIC)或交换机具有唯一的48比特长的MAC地址，像“2E 1D AC 01 00 01”。使用MAC地址，交换机可以路由数据到其他交换机或到有相匹配MAC地址的计算机系统。

在层3，交换机被称作路由器。路由器基于其目的网络地址或互联网协议(IP)地址转发数据包。与层2交换机相似，层3路由器能够学习地址和维护地址表以将数据包索引到对应目的地。

笔记本电脑103可使用RJ45网络端口或通过无线以太网端口连接到网络100。笔记本电脑109具有相似的配置，但是还被配置为通过对接站111连接到网络100，其同样有RJ-45端口连接到网络100。

图2说明了示范计算机系统200，包括笔记本电脑主板210和对接站250。主板210包括物理层设备(PHY)212、交换机214、隔离磁路216、RJ-45连接器端口218和链路传感器220。如图所示，主板210实现在笔记本电脑109上，但是同样可实现在笔记本电脑103上。

PHY 212负责为主板210发送和接收数据信号。发送过程中，被交换机214接收的数据信号不是被转发到RJ-45端口，就是被转发到对接站通信端口222(如在图2中所示的222a和222b)。一般，笔记本电脑主板包括信号传感器，像传感器220，来检测在RJ-45连接器218上或经由连接器222a的对接站上的活动链路的存在。当传感器220检测到通信端口222a上的活动链路，它通报交换机214在PHY 212和通信端口222a之间排它地交换数据信号以由对接站进行传送。应注意的是，传感器220也可集成在交换机214中。相似地，当传感器220在端口218上检测到活动链路时，指示交换机214在PHY 212与端口218之间交换所有数据信号。

为了保护PHY 212和主板210的其它组件，PHY 212和通信端口218之间的数据信号通过隔离磁路216进行滤波。以这种方式，来自双绞线电缆的高压信号可以被过滤掉。

如图2所示，对接站250包括通信端口222b、隔离磁路252和RJ-45端口254。通信端口222b是设定来配合主板210的端口222a。相似于隔离磁路216，隔离磁路252保护PHY 212免受端口254上的潜在高压信号的影响。

图3说明了本发明的一个实施例的系统300的模块图。系统300包括吉比特控制器微处理器310、隔离磁路316a-b、RJ-45端口318和对接站通信端口322。隔离磁路316a-b连接至吉比特控制器310的输入/输出(I/O)端口312a和312b。这样，可保护吉比特控制器310而避免端口318或端口322上的高压信号及其他电压异常。或者另一方案中，隔离磁路316b可在物理上位于对接站内而不是在系统300内。

吉比特控制器310包括MAC 330、PHY数字信号处理(DSP)模块332、数字交换机340、第一PHY模拟前端(AFE)电路342和第二PHY模拟前端电路344。AFE电路342和344分别连接至I/O端口312a和312b。数字交换机340连接在PHY DSP模块332和AFE电路342及344之间。交换机340包括第一I/O端口341a、第二I/O端口341b和第三I/O端口341c。I/O端口341a连接至PHY DSP 332。I/O端口341b连接至AFE电路342，I/O端口341c连接至AFE电路344。在一个实施例中，PHY DSP模块332包括符合IEEE802.3标准的物理编码子层(PCS)。

在吉比特控制器310中，AFE电路342和344不断地监控I/O端口312a和312b的链路能量来判断哪个端口是活动的。如果在端口312a上检测到链路能量，交换机340在PHY DSP 332和AFE电路342之间转发数据。如果在端口312b上检测到链路能量，交换机340在PHY DSP 332和AFE电路344之间转发数据。

交换机340是双向数字交换机。这样，数据从PHY DSP 332传送到AFE电路342或从AFE电路342传送到PHY DSP 332。交换机340可有超过两个可能的交换路径，而不是图中只显示的两个交换路径。例如，吉比特控制器310可具有“n”个类似于端口312的通信端口(共同地包含在端口312a和312b中)。在这样情况下，吉比特控制器310有相应的“n”个AFE，每个端口都有一个。更进一步的是，交换机340可工作于10Base-T、100Base-T、1000Base-T以太网系统或其他通信标准。在一个实施例中，交换机340是双向数字多路复用器。应该注意的是，也可以使用其他交换实现来在PHY DSP 332与AFE 342或AFE 344之间交换数字信号。数字交换机在第一电路和多个第二电路之间交换数字信号的实现对于相关领域的技术人员来说是显而易见的。

系统300的设计去除了对吉比特控制器310和端口318及322之间的片外交换机214的需要。交换机214的去除降低了功率消耗和系统300的成本。进一步的是，没有片外交换机，电路设计着不再要担心PHY的AFE的接口与片外交换机的阻抗失配，因为它们之间的失配会导致信号失真和振幅损失。另外，当使用片外交换机时，PHY需要更高的功率级来驱动以补偿振幅损失。

进一步的是，系统300的集成交换机允许吉比特控制器310达到收与系统200相比更大的电缆延伸，这部分是由于片外交换机所导致的混合失配和传输失真被去除而实现的。

在可选的实施例中，系统300进一步包括连接传感器或机械切换器(未显示出来)和链路能量检测器325。连接切换检测是否系统300与对接站连接。链路能量检测器325监控各个通信端口来确定是否该链路是活动的。如果一个端口被确认是不活动的，系统300对该端口的专用组件掉电。例如，如果通信端口312是不活动的，吉比特控制器310对PHY AFE 342和其他支持组件例如专用于通信端口312a数字锁回路(未显示)掉电。这样，系统300通过最小化吉比特控制器310的功耗来节省能量。

在系统300中，在对AFE及相关组件进行掉电或上电处理时，使用了特定的方法，以便在PHY DSP 332与多个AFE 312a-n(312c-n未显示)中的一个之间来提供无噪声数据交换。如上所述，n对应于吉比特控制器310具有的通信端口的数量。

图4说明了从PHY DSP 332到通信端口A、然后改变数据传输到和来自DSP 332和通信端口B的无噪声数据交换的方法400。

方法400开始于步骤405。在从连接传感器或切换器(未显示)读取数据之前，先将连接切换器设置成去反跳(debounced)。连接切换器的目的是检测对接站的存在。一般，该连接切换器可以是机械开关，它在稳定于关闭状态之前会有反跳几微秒。为了确保无杂讯的交换，来自连接切换器的数据暂不会被收集，直到该连接切换器去反跳。这可使用常见的开关弹跳防制电路或通过执行软件模块来实现。尽管描述的是机械开关，也可使用其他类型的切换器来代替机械开关，如光学开关或电气开关。

在步骤410中，系统300还可越过PHY DSP寄存器比特，以最小化因噪声或来自连接切换器的错误切换指令导致重置的寄存器的数量。

在步骤415中，系统300不断监控连接切换器的任何状态改变。在步骤420中，系统300进入回路，然后经过步骤415和420不断循环直到连接切换器的状态被改变。一旦连接切换器的控制状态或情况被确定，处理进行到步骤425。

在步骤425中，如果连接切换器指出例如控制状态改变(例如从端口A到B，或者B到A，或者A到N)到端口B，然后用于通信端口B的相关器件上电。例如，假设控制状态从端口A改变到端口B，接着用于端口B的配套AFE 344和DLL(未显示)上电来准备和支持端口B的通信。

在步骤430中，系统300执行大约40微秒的等待。这允许DLL计时到上电并稳定。该等待时间可以不需要40微秒，也可使用其他时间量(例如5或10微秒)，只要DLL稳定或不产生噪音。

在步骤435中，数字交换机340被配置来交换到端口B，意味着端口B被激活。可选择的另一种方案是，如果为每个端口使用一个单独的数字交换机，则端口B的数字交换机被激活。

在步骤440中，系统300执行另一个大约10微秒的等待。这允许交换机被合适地激活。

在步骤445，系统300强制交换机340来激活端口B。不管交换机340的端口B是否已经被激活，该强制交换程序均会执行。如果交换机340的端口B已经被激活了，该强制激活程序仍然被执行，却不会有任何负面效果。方法400继续到步骤450。

在步骤450中，系统300或吉比特控制器310将之前激活的端口的专用器件掉电。例如，当系统300从端口A交换到端口B时，端口A的专用DLL和AFE被停止。这使得系统300能有效地运作。

在步骤455中，PHY DSP 332被重新初始化来发送和接收来自端口B的数据。

图5说明了方法500，它可以执行在系统300中来从一个端口交换到另一个。方法500开始于步骤510。

在步骤510中，系统300上电。在步骤520中，系统300初始化基本系统来与端口312z-b中的一个通信。例如，PHY DSP 332通过预先编程所有合适的寄存器被初始化，同时端口A被选作默认的通信端口，如步骤530所示。此外，智能交换模式被激活，其包括如方法500中略述的智能延迟的执行。

在步骤540中，检测端口A的通信链路的链路能量。该功能由链路检测器325履行。如果在10秒内没有检测到链路能量，处理程序转到步骤550。如果检测到链路能量，端口A仍然作为选定的活动端口。此外，系统300连续地测试端口A上链路的活动性(链路能量是否存在)。尽管使用10秒作为检测等待时间，也可以执行其他的检测等待时间，如2.61毫秒到171秒。

如果分配的等待时间已经过去且没有检测到链路能量，则执行步骤550。如果10秒后在端口A没有检测到链路能量(无论设置是怎样的)，然后吉比特控制器310交换到通信端口B或任何其他检测到链路能量的端口。如上所述，吉比特控制器310可具有多个通信端口312a-n。一旦端口B在步骤560中被选定，吉比特控制器在步骤570中进入循环，持续地检测端口B是否是活动端口或是否有可检测到的链路能量。

如果检测到链路能量，吉比特控制器310继续选择端口B作为通信交换机。如果没有检测到链路能量，吉比特控制器310交换到新的活动端口。例如，端口A具有可检测到的链路能量，因此吉比特控制器在步骤580中交换到端口A。一旦该情况发生，如步骤540和530中略述的链路能量检测循环再次开始。

系统300还被配置以当不止一个通信端口处于活动状态时区分出使用哪个通信端口作为默认数据交换端口的优先次序。例如，系统300可能有两个或多个活动端口如端口A和B。一个实施例中，端口A是来自笔记本电脑的RJ45数据端口，而端口B是对接站中的RJ45端口。在这个例子里，笔记本电脑对接到对接站，并且两个RJ45端口均连接到活动的外部网络。一个优先权规则规定只要第一I/O端口是活动的，就将数据从MAC交换到第一I/O端口。该规则的适用不管第二I/O端口的状况。或者，优先权规则可规定不管第二I/O端口的状态如何，只要第一I/O端口是活动的，就将数据从MAC交换到第二I/O端口。

另一个示范的优先权规则可规定当满足以下条件时，将数据从MAC交换到第二I/O端口：a)第二I/O端口处于被连接且活动的状态，而第一I/O端口处于未连接的状态；或b)第二I/O端口处于被连接且活动的状态，而第一I/O端口处于被连接但不活动的状态。本发明还可以执行其它的优先权规则而不会背离本发明的精神和范围。

图6说明了无需单独的LAN交换机的情况下在吉比特控制器内的单机连接器端口和对接站I/O端口之间交换数据的方法600。在步骤610中，吉比特控制器310监控其至少一个I/O端口。在一个实施例中，吉比特控制器310只监控与笔记本电脑连接的I/O端口312b。或者，吉比特控制器310可监控其所有的I/O端口。

在步骤620中，吉比特控制器310通过测量端口的能量水平来确定I/O端口312b是否是活动的。例如，这可通过测量端口312b的电压水平来完成。

在步骤630中，如果确认端口312b是活动的，吉比特控制器310在吉比特MAC 330和I/O端口312b之间交换数据，

在步骤630中，如果确认端口312b是不活动的，吉比特控制器310在吉比特MAC 330和I/O端口312a之间交换数据。这样，在吉比特控制器310与端口318和322之间对片外交换机的需求就被去除了。这有助于降低功耗和成本。对于内部交换来说，更进一步的优点是，吉比特控制器310与系统200相比，可获得更高的电缆范围。

结论

以上是对本发明的各种实施例的描述。这些实施例的描述仅出于举例说明的目的，不是对本发明的限制。对于本领域的普通技术人员来说，各种形式及细节上的改变没有脱离本发明的范围和精神实质。因此，本发明的范围不受上述任何具体实施例所限制，而是由各项权利要求来定义。

Claims (8)

1.一种数据交换系统，其特征在于，包括：

第一和第二通信端口；

用于感测第一或第二通信端口是否连接到外部设备的传感器；

一集成电路，包括：媒介访问控制器、数字信号处理模块、第一模拟前端、第二模拟前端、交换装置和交换控制器；

所述数字信号处理模块用于接收来自媒介访问控制器的信息信号并输出经处理的信号；

所述第一模拟前端连接至第一通信端口；

所述第二模拟前端连接至第二通信端口；

交换装置，具有用于接收所述经处理的信号的第一和第二交换机，所述第一交换机连接至第一模拟前端，所述第二交换机连接至第二模拟前端；

交换控制器，用于基于传感器的状态以及第一和第二通信端口是否是活动的，在给对应的模拟前端上电后将所述第一或第二交换机延迟激活第一预定量的时间，且其中所述交换控制器关断模拟前端中具有不活动通信端口的一个模拟前端的电源；

其中，所述传感器具有连接至所述交换控制器的输出，所述输出在发送传感器状态给交换控制器之前被设置为弹跳防制状态；

所述第一交换机是双向数字多路复用器。

2.根据权利要求1所述的数据交换系统，其特征在于，在所述第一或第二交换机被激活且从数字信号处理模块接收经处理的信号之前，所述交换控制器将所述第一或第二交换机延迟第二预定量的时间。

3.根据权利要求1所述的数据交换系统，其特征在于，所述第一预定量的时间是40微秒。

4.根据权利要求2所述的数据交换系统，其特征在于，所述第二预定量的时间是10微秒。

5.根据权利要求1所述的数据交换系统，其特征在于，所述交换控制器确定所述第一或第二交换机是否被合适地激活，并在所述第一或第二交换机未被合适地激活时强制所述第一或第二交换机进入到激活模式。

6.根据权利要求1所述的数据交换系统，其特征在于，当第二通信端口上的通信链路是活动的时，所述第二交换机转发经处理的信号给第二模拟前端。

7.根据权利要求1所述的数据交换系统，其特征在于，当第一通信端口上的通信链路是活动的时，第一交换机转发经处理的信号给第一模拟前端。

8.根据权利要求1所述的数据交换系统，其特征在于，所述第二通信端口连接至笔记本电脑对接站。

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