CN1486046A - 小型办公及家庭办公网关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型办公及家庭办公网关，至少包括：MCU(Micro Control Unit)、存储器、交换机模块和以太网控制器；其中，MCU分别与存储器、交换机模块和以太网控制器连接。通过将MCU及相应的电路或模块和交换机模块结合在一起，使得网关设备以独立产品的形式存在，实现了小型办公及家庭办公网关的多种功能和高可靠性；同时，通过在该小型办公及家庭办公网关的硬件基础上增加设置复位及看门狗电路等系统级设置，增强了系统安全性和稳定性。
Description
技术领域：
本发明涉及一种小型办公及家庭办公(Small Office Home Office，简称SOHO)网关，特别是指一种代替传统PC(个人计算机，PersonalComputer)机加交换机结构的网关产品，数据计算机网络产品及技术领域。
背景技术：
据统计，截止到2002年6月，全球PC机的出货量已经突破10亿台。另外，Internet已经进入飞速发展阶段，企业、家庭、个人联机上网已经是大势所趋。因此，边际网关(Residential Gateway)就成为了联网的必需产品。
对于数量众多的小企业或者拥有多台计算机的家庭来说，他们不可能投入较高的成本去获得网络接入和管理设备；因此，只有使得所述的网络接入和管理设备的成本低廉、功能齐全才能真正满足上述网络用户的需要。
现有的网关产品通常由PC机加交换机组成，PC机中安装有网络操作系统，在使用中，由PC负责提供管理的功能，由交换机提供网络接入的功能。但是，这种结构的网关具有如下的缺点：
a、PC机加交换机的结构相对复杂，复杂的代价就是系统的可靠性降低，如果其中的任意一个部分出现问题就会导致整个网关不能提供接入服务。
b、PC机加交换机的网关成本相对较高，导致家庭和小型单位接入到网络中的成本提高。
c、PC机的硬件及其操作系统都必须非常稳定，否则，一旦出现问题就会导致整个网络的瘫痪，为用户带来不必要损失和烦恼。
随着芯片技术和软件技术的进步，将嵌入式操作系统和功能强大的处理芯片相结合，就可以开发出低成本、高可靠性的产品，满足家庭、小型单位对于网络接入产品的需求。
发明内容：
本发明的主要目的在于提供一种低成本网关，将传统网关中的PC机和交换机结合在一起，以独立产品的形式存在，实现网关的低成本和高可靠性。
本发明的另一目的在于提供一种低成本网关，其硬件及其操作系统都非常稳定，可以避免整个网络的瘫痪，避免用户的联网损失。
本发明的目的是这样实现的：
一种低成本网关，至少包括：MCU、存储器、交换机模块和以太网控制器；其中，MCU分别与存储器、交换机模块和以太网控制器连接。
所述的存储器为系统内存或程序存储器或其结合；MCU通过其内部的内存控制器及系统总线控制器连接并读写控制该系统内存或程序存储器。
所述的交换机模块至少包括：一个以上的UTP(非屏蔽双绞线，Unshielded Twisted Pair)以太网通信接口，该通信接口的每个口都支持10BASE-T和100BASE-TX工作模式；该交换机模块通过介质独立接口(MediaIndependent Interface，简称MII)与存取控制器(Media AccessController，简称MAC)连接。
以太网控制器为一个以上，且具有ISA(工业标准结构，IndustryStandard Architecture)总线接口，并通过ISA总线与MCU互连。
所述的低成本网关还设有一个以上，与MCU连接的串行通信接口，用于外部设备对MCU的调试控制和通信。
所述的低成本网关还至少设有用于共享打印功能的并行打印端口，该并行打印端口通过逻辑阵列与MCU连接。
所述的低成本网关的MCU还集成有调试模块，该调试模块通过BDM(Background Debug Module)接口与宿主机连接，用于在不加载操作系统或控制程序情况下的系统功能模块调试。
所述的低成本网关还设有带有后备电池的时钟电路，用于在具体应用中获得实时时钟信号；该时钟电路通过I2C总线接口与MCU连接。
所述的低成本网关还设有复位信号源及硬件看门狗，用于实现手动复位、上电复位，保障该网关的稳定运行。
由上述的技术方案可以知道：本发明通过将MCU及相应的电路或模块和交换机模块结合在一起，使得网关设备以独立产品的形式存在，实现了网关的低成本和高可靠性；同时，通过在该网关的硬件基础上增加设置复位及看门狗电路，可以在出现问题的情况下及时复位，避免了整个网络的瘫痪和用户的联网损失。
附图说明：
图1为本发明的总体原理框图。
图2为本发明中交换机和MCU连接关系示意图。
图3为本发明一实施例中以太网控制器的原理框图。
图4为本发明一实施例中串行通信接口的电路原理图。
图5为本发明一实施例中标准的并行打印端口的电路原理图。
图6为本发明一实施例中BDM调试接口的电路原理图。
图7为本发明一实施例中实时时钟电路的原理图。
图8为本发明一实施例中的复位电路的原理图。
具体实施方式：
以下结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明：
参见图1，本发明一实施例的硬件系统包括一微控制器(采用摩托罗拉微控制芯片MCF5272)，该微控制器除了具有中央处理器(CPU)外，还集成有多种功能单元，通过MCU内部的内存控制器，管理外部的16M字节SDRAM(同步动态随机存储器，Synchronous Dynamic Random Access Memory)存储器(系统内存)，通过系统总线控制器将系统总线复用，例如：连接4M字节容量快闪存储器(程序存储器，相当于“硬盘”)、连接串/并转换器(实现打印功能)以及通过ISA总线模式扩充的外部网卡。
另外，通过MCU的MII接口，本发明构建一10/100M交换机，通过ISA总线模式扩充一个10M网口；并且，通过串/并转换器构建一个打印口，以通过软件实现打印的网络共享。基于MCU的通用异步串行通信控制器UART1(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)，实现一个面向控制的控制台(Console)串行通信接口(COM1)；同时，基于异步串行通信控制器UART2实现一个面向通信的串行接口(COM2)。
在本发明中，处理器采用的是摩托罗拉高集成度的Cold-fire通用微处理器(型号为MCF5272)，其处理速度达到63Dhrystone2.1MIPS@66MHz。
本发明采用总计2M-8M字节闪存(FLASH ROM)芯片作为程序存储器，采用摩托罗拉MCF5272处理器内置的SDRAM控制器，与具有16M字节的SDRAM芯片作为RAM存储器。
参见图1、图2，本发明的交换机模块可以通过多种交换机芯片实现(例如：INTEL公司的交换机芯片LXT9883或ATAN公司交换机芯片AT8989UP)。以INTEL的LXT9883芯片为例：
它提供8个UTP口以太网通信口，每个口都支持100BASE-TX工作模式，每个UTP口都已经集成PHY(物理，Physical)芯片，使用5类非屏蔽双绞线。另外，该LXT9883芯片具有100Mbps的介质独立接口(MediaIndependent Interface，简称MII)与集成在摩托罗拉MCF5272处理器中的MAC控制器作为通信接口。
以太网信号流：X端口以太网交换机完成内部局域网的PC机之间信号的交换。如果内网PC机要连接外网，则必须通过X端口以太网交换机将信号传至MCU，MCU做协议处理后再将信号经过10M网卡或者RS232串口传送至外部网络。
该LXT9883芯片内建有16K×64 SDRAM，支持2048个MAC地址表，并且支持存储-转发模式。
该交换机部分还有如下特点：
1)支持802.1q协议，具有基于端口或基于虚拟识别(VirtualIdentification，简称VID)的虚拟本地存取网(Virtual Local AccessNet，简称VLAN)功能，方便用户划分子网，防止广播风暴。
2)端口锁定，即锁定端口对应的MAC地址，增强安全性。
3)支持802.1p协议，提供QOS(Quality of Service)服务；对不同端口，不同VLAN，不同IP包标签(Tag)做服务优先级的排列。固定速率比8∶4∶2∶1。
4)端口映射，即不同VLAN的端口不能做映射。
5)部分UTP口支持自动反线功能(Auto MDIX)。
参见图1和图3，为了实现路由功能，本发明设有两个以太网控制器，而摩托罗拉MCF5272处理器只提供一个以太网控制器，为此必须另外构建一个以太网控制器以实现广域网(Wide Area Network，简称WAN)功能。通常，10M网卡有基于两种网络控制芯片的具体设计电路，分别是CirrusLogic公司的网络控制芯片(型号为CS8900A)和SMSC公司的网络控制芯片(型号为91C93)。
以CirrusLogic公司的网络控制芯片CS8900A为例：该芯片提供10M的连接速率，可以用于连接目前的宽带网连接。该网络控制器设有ISA总线接口ISA BUS LOGIC，通过ISA总线与MCU连接，该网络控制器集成10MMAC控制器，同时还集成有PHY芯片，因此只需外部增加一个以太网直流隔离变压器TR即可构成完整的UTP链路。
本发明将MCU上的信号UART1引出，用于构成测试用端口。MCU内部集成调试程序，通过Console监控端口作为调试、开发时宿主机与网关的通信接口。
参见图4，本发明还进一步使用AD(Analog Device)公司的芯片对从MCU上引出的信号UART2进行电平转换，以符合EIA-232E标准，该芯片通过电荷泵产生RS232串行通信接口所需的正负6V电压(工作电压为3.3V)。该串行通信接口的波特率定为96000bps，通过CTS(Clear To Send)、RTS(Request To Send)信号实现硬件流量控制。具有ESD(Electro-StaticDischarge)功能，抗15kV静电震荡。另外，通过软件支持，该通信口能够实现V.9x传统语音调制解调器(Modem)上网。
主要信号流：与MCU接口端采用信号TX2、RX2与MCU通信，通过信号RTS2、CTS2实现芯片ADM3222与MCU之间的硬件流量控制；与外置Modem接口端同样采用类似的四根信号线实现串行通信以及硬件流控制。
参见图5，本发明还设有用于共享打印功能的并行打印接口，该打印接口采用两片GAL(General Array Logic)可编程逻辑芯片构成相应的逻辑电路实现。打印数据流由内网PC机经过交换机传输至MCU，在MCU监控下，由共享打印口输出给打印机。
主要信号流：MCU通过片选信号CS#(Chip Select)选中打印端口后，译码逻辑电路IC21、IC22由系统的地址、数据总线获取数据，并经过数据格式转换，将数据输出给打印端口。
参见图6，本发明还进一步设有用于调试的BDM调试接口，MCU所集成的芯片调试功能模块，通过该BDM调试接口与宿主机连接，在不加载任何操作系统或控制程序的情况下，用于系统功能模块的调试。
参见图7，为了在具体应用中获得实时时钟，我们还采用了带有后备电池的实时时钟芯片U13；该实时时钟芯片U13支持实时日历至2050年，采用I2C总线接口与MCU连接。当本发明失去主电源后，该实时时钟芯片U13由后备电源(3V锂电池)供电。主要信号流为MCU的PB6、PB7信号线连接实时时钟芯片U13和存储器EEPROM的IIC接口，三者之间均存在读写关系。另外，在同一组I2C总线上还可以连接一个存储器EEPROM芯片，用以保存必要的系统配置数据。该I2C接口由通用I/O口和相应的驱动软件构成，用于挂接I2C从设备。
本发明的整体功耗较低，其外部使用AC/DC变压器，将普通市电转换成10-14V直流电。在PCB板上还设有DC/DC电源模块，将外部输入的直流电转换成精确的3.3V直流电。
为了适应能在一定恶劣环境下的使用，本发明在电源输入端，设置了常规自恢复保险丝，可以在外部电流异常时中断系统供电，既能防止短路事件，又不用更换保险丝，极为方便。此外，由于供电网的电源并不“纯净”，大量来自供电网的纳秒级短时脉冲的干扰极易造成大部分硬件设备的系统故障；对此，在PCB(Printed Circuit Board)电源入口端，可以添加国际整流器公司的快速响应齐纳二极管，其响应时间在10ns以下，可以充分滤除外界杂波，使系统具备良好的抗电源线传导干扰能力。
参见图8，本发明还采用AD公司的复位芯片U15，用以实现手动复位、上电复位，等常规功能。此外，该复位芯片U15还支持硬件看门狗(需要软件配合)。该看门狗主要用于防止操作系统跑飞，提高系统的稳定性。其工作原理：当出现以下几种情况之一时，复位芯片U15将向MCU发出平稳的低电平复位信号，1)电源跌落到2.63V以下；2)系统跑飞，看门狗计数器溢出；3)手动复位；4)上电复位。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同地替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1、一种小型办公及家庭办公网关，其特征在于：它至少包括：MCU、存储器、交换机模块、和以太网控制器；其中，MCU分别与存储器、交换机模块和以太网控制器连接。
2、根据权利要求1所述的小型办公及家庭办公网关，其特征在于：所述的存储器为系统内存或程序存储器或其结合；MCU通过其内部的内存控制器及系统总线控制器连接并读写控制该系统内存或程序存储器。
3、根据权利要求1所述的小型办公及家庭办公网关，其特征在于：所述的交换机模块至少包括：一个以上的100MHz以太网通信接口，该通信接口的每个口都支持10BASE-T和100BASE-TX工作模式；该交换机模块通过MII与MAC控制器连接。
4、根据权利要求1所述的小型办公及家庭办公网关，其特征在于：该网关具有一个以太网控制器，该控制器具有ISA总线接口，并通过ISA总线与MCU互连。
5、根据权利要求1所述的小型办公及家庭办公网关，其特征在于：所述的小型办公及家庭办公网关有一个与MCU连接的串行通信接口，用于外部串行通信。
6、根据权利要求1所述的小型办公及家庭办公网关，其特征在于：所述的小型办公及家庭办公网关还至少设有用于共享打印功能的并行打印端口，该并行打印端口通过逻辑阵列与MCU连接。
7、根据权利要求1所述的小型办公及家庭办公网关，其特征在于：所述的小型办公及家庭办公网关的MCU还集成有调试模块，该调试模块通过BDM接口与宿主机连接，用于在不加载操作系统或控制程序情况下的系统功能模块调试。
8、根据权利要求1所述的小型办公及家庭办公网关，其特征在于：所述的网关还设有带有后备电池的时钟电路，用于在具体应用中获得实时时钟；该时钟电路通过I2C总线接口与MCU连接。
9、根据权利要求1所述的小型办公及家庭办公网关，其特征在于：所述的网关还设有复位信号源及硬件看门狗，用于实现手动复位、上电复位保障该网关的稳定运行。
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