CN103944738B - 一种支持功能扩展的交换机 - Google Patents

Abstract

一种支持功能扩展的交换机，包括外壳和设置在外壳内的电路板，所述的电路板上设有光学模块收发器接口即SFP接口、PHY芯片、交换芯片、管理CPU以及FPGA；所述的SFP接口将通过接口的外部信号输入至PHY芯片；所述的PHY芯片与FPGA一端相连；所述FPGA的另一端与第二PHY芯片相连，最终通过PHY芯片连接到交换芯片之中；管理CPU通过MII与交换芯片连接。本发明能在该结构基础之上进行多样化的软件功能开发，最大化交换机的使用价值。

Description

一种支持功能扩展的交换机

技术领域

本发明属于电力系统中通讯领域，尤其是电力系统中使用的交换机。

背景技术

随着网络技术的迅猛发展，交换机在现代人的生活中所扮演的角色也越来越重要，与此同时人们也对交换机提出了越来越高的要求。

目前市面上的大多数交换机采用专用交换芯片加管理CPU的结构体系，在该体系中交换芯片负责数据帧的存储及转发，CPU负责对交换芯片的设置和管理以及一些协议报文的处理。由于CPU的资源有限，不能在其之上进行更多的功能的开发。而提出专门定制的交换芯片或者管理CPU则显得不是很现实。现提出一种支持功能扩展的交换机的技术，能在该结构基础之上进行多样化的软件功能开发，最大化交换机的使用价值。

发明内容

本发明的目的是，提出一种支持功能扩展的交换机技术，就是在现有交换机硬件结构的基础之上，不改变交换机存储转发的交换方式，对交换机的硬件结构做一定的改动，从而实现交换机的多种功能的扩展。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：一种支持功能扩展的交换机，包括外壳和设置在外壳内的电路板，所述的电路板上设有光学模块收发器接口即SFP接口、PHY芯片、交换芯片、管理CPU以及FPGA；所述的SFP接口将通过接口的外部信号输入至PHY芯片；所述的PHY芯片与FPGA一端相连；所述FPGA的另一端与第二PHY芯片相连，最终通过PHY芯片连接到交换芯片之中；管理CPU通过MII（媒体独立接口、包括一个数据接口，以及一个MAC和PHY之间的管理接口）与交换芯片连接。

即所述的FPGA每一路通道两侧各有一块PHY芯片。

进一步的，交换芯片与FPGA之间的数据传输:在交换芯片(BCM53262)的端口处增加一个PHY（BCM5241)；PHY（BCM5241）的一侧与交换芯片BCM53262相连接，PHY另一侧通过MII接口连接至FPGA的MII接口上，实现数据从交换芯片到FPGA的传输；当数据进入FPGA之后，通过MII接口传输到与FPGA相连的第二PHY芯片（BCM5241），最终将数据传输到与之相连的SFP接口；因此在整个数据帧的接收过程中，经过了两个PHY芯片BCM5241和一个FPGA后才到达交换芯片，参与转发；交换芯片转发出的报文也会经过同样的过程最终到达SFP接口。

进一步的，所述的管理CPU与FPGA之间采用LOCAL BUS总线的方式进行访问；电路板上包含多个FPGA芯片，每块FPGA芯片通过PHY芯片BCM5241连接到交换芯片的四个网口；使用三八译码器，通过CPU的三根地址线以及一个片选管脚实现CPU片选信号的复用，实现8路片选信号，连接8块FPGA芯片。

要实现交换机的功能扩展，需对交换机的硬件结构作出一定的改动。在原先的硬件中报文直接进入交换芯片（集成了PHY），由交换芯片直接负责转发，转发的报文通过交换机芯片内部集成的PHY直接传递到SFP上，在本发明中报文在进入交换芯片之前先经过FPGA，由FPGA实现报文的拷贝，并可根据实际的开发应用对报文进行处理，然后将报文传递给交换芯片。同样当报文由交换芯片转发时报文，报文由交换芯片集成的PHY 传输给与之连接的FPGA。如此可利用FPGA在报文的输入和输出源头对报文进行解析等工作，从而实现了交换机功能的扩展，方便开发人员实现功能的开发。

本发明的实现无需增加专用交换芯片，控制了开发成本，节约了开发时间，具有很好的适用性，可操作性，同时又能够最大化开发交换机的实用功能。

本发明对现有的工业交换机结构模式不需做过多的修改。FPGA从一个串行闪存内加载硬件配置和嵌入式处理器软件。在生产过程中甚至设备被交付到现场后，都可方便地通过改写闪存内容来改变FPGA的硬件和软件功能。FPGA内的可编程硬件和软件处理能力意味着设计师可以通过作为硬件或软件的应用程序来整合所需的额外功能。通过简单地再编程FPGA就可实现新功能的能力是对产品未来的保证(如支持IEEE1588v2.0)，还能非常快速地将工业交换机新功能及特性呈献给客用户，推向市场。

本发明有益效果为：本发明提供了一种一种支持功能扩展的交换机技术，不需要改变现有的交换机存储转发模式，确保了原有的数据交换的安全稳定性，同时让数据在传输源头和末尾经过FPGA，可利用FPGA强大的可编程能力，实现对交换机功能的进一步开发，具有良好的经济效益和推广性。目前现有技术大多数交换机采用专用交换芯片加管理CPU的结构体系，在该体系中交换芯片负责数据帧的存储及转发，CPU负责对交换芯片的设置和管理以及一些协议报文的处理。由于CPU的功能有限，不能在其之上进行更多的功能的开发。本发明提出一种支持功能扩展的交换机的技术，能在该结构基础之上进行多样化的软件功能开发，最大化交换机的使用价值。

附图说明

图1一种支持功能扩展的交换机技术的框图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述。

一种支持功能扩展的交换机技术。该方法在现有交换机硬件结构的基础上，基于FPGA芯片实现交换机功能的扩展，最大化交换机的功能。

本方法的实现关键技术的实施:

本发明的实施包括交换机的交换芯片和FPGA之间的连接，本发明的实施包括交换机的管理CPU和FPGA之间的连接，以及本发明的实施包括各个FPGA之间的连接。

（1）交换芯片与FPGA之间的数据传输:在交换芯片(BCM53262)的端口处增加一个PHY（BCM5241)。BCM5241的一侧与交换芯片BCM53262相连接，另一侧通过MII接口连接至FPGA的MII接口上，实现数据从交换芯片到FPGA的传输。当数据进入FPGA之后，通过MII接口传输到与FPGA相连的其他BCM5241，最终将数据传输到与之相连的SFP。因此在整个数据帧的接收过程中，经过了两个BCM5241和一个FPGA后才到达交换芯片，参与转发。交换芯片转发出的报文也会经过同样的过程最终到达SFP。交换芯片型号为 BCM53262;所述的PHY芯片型号为BCM5241。

（2）CPU与FPGA之间的访问:CPU与FPGA之间采用LOCAL BUS总线的方式进行访问，所述的FPGA每一路通道两侧各有一块PHY芯片。电路板上包含多个FPGA芯片，每块FPGA芯片通过BCM5241连接到交换芯片的四个网口。由于在实际的使用过程中可能存在多个FPGA，然而CPU的片选管脚个数有限，无法给每一个FPGA一个CPU的片选管脚。在本发明中使用三八译码器，通过CPU的三根地址线以及一个片选管脚实现CPU片选信号的复用，最多可实现8路片选信号，连接8块FPGA芯片。

（3）FPGA之间的同步：在实际的运用过程中，由于交换机端口数目较多，因而会需求多个FPGA芯片来实现功能的扩展。在通过FPGA实现的交换机功能扩展的应用中，可能会涉及到各个FPGA芯片之间的同步。为了保证各个FPGA的同步性，本发明中各个 FPGA采用统一个晶振，而且通过FPGA的I/O口将各个FPGA连接在一起，可实现FPGA 之间的互操作，从而可以通过软件的方式使得各个FPGA之间的同步。

本发明的工作过程：

报文的解析。由于交换机中存在着大量报文的实时交换，管理CPU无法对所有报文进行实时的解析和处理，因此在本发明中增加FPGA来处理交换过程中接收到的大量实时报文。FPGA通过监听和分析MII接口上的信号，在接收到报文的瞬间对报文的报文头进行解析，提取出其中的关键字，针对不同类型报文的不同关键字，对各个报文进行统计计数的处理，并将统计结果存储在FPGA中。

特定报文正误的判断。

管理CPU对FPGA的访问。管理CPU需将各种类型报文的统计结果定期或者不定期的通过网关软件上送。此时即需要管理CPU访问FPGA来获取相关统计结果。在本方案中管理CPU和FPGA通过LOCAL BUS总线相连接，CPU片选相关FPGA，通过不同类型的统计数据的存储地址来获取其相应的统计结果。片选时使用三八译码器，通过CPU 的三根地址线以及一个片选管脚实现CPU片选信号的复用，实现8路片选信号，连接8 块FPGA芯片。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (2)

1.一种支持功能扩展的交换机，包括外壳和设置在外壳内的电路板，其特征是所述的电路板上设有光学模块收发器接口即SFP接口、PHY芯片、交换芯片、管理CPU以及FPGA芯片；所述的SFP接口将通过SFP接口的外部信号输入至PHY芯片；

所述的PHY芯片型号为BCM5241；所述的交换芯片型号为BCM53262；每一路FPGA芯片的通道两侧各有一块PHY芯片相连，即两侧PHY芯片分别为对应一组的第一与第二PHY芯片；FPGA芯片最终通过第二PHY芯片连接到交换芯片之中；管理CPU通过MII接口与交换芯片连接；

交换芯片与FPGA芯片之间的数据传输：在交换芯片BCM53262的端口处为第二PHY芯片BCM5241；第二PHY芯片BCM5241的一侧与交换芯片BCM53262相连接，第二PHY芯片另一侧通过MII接口连接至FPGA芯片的MII接口上，实现数据从交换芯片到FPGA芯片的传输；当数据进入FPGA芯片之后，通过MII接口传输到与FPGA芯片相连的第一PHY芯片BCM5241，最终将数据传输到与之相连的SFP接口；因此在整个数据的接收过程中，经过了两个PHY芯片BCM5241和一个FPGA芯片后才到达交换芯片，参与转发；交换芯片转发出的报文也会经过同样的过程最终到达SFP接口；

所述的管理CPU与FPGA芯片之间采用LOCAL BUS总线的方式进行访问；电路板上包含多个FPGA芯片，每个FPGA芯片通过对应的第二PHY芯片BCM5241连接到交换芯片的四个网口；使用三八译码器，通过管理CPU的三根地址线以及一个片选管脚实现管理CPU片选信号的复用，实现8路片选信号，连接8个FPGA芯片。

2.根据权利要求1所述的支持功能扩展的交换机，其特征是需要多个FPGA芯片来实现功能的扩展时，涉及到各个FPGA芯片之间的同步：FPGA芯片之间的同步方法是，各个FPGA芯片采用同一个晶振，而且通过FPGA芯片的I/O口将各个FPGA芯片连接在一起，实现FPGA芯片之间的互操作。