CN1905558A - 单一化以太网交换板及数据交换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多业务传送平台中常用的以太网信号经过二层交换或者透传模式映射到同步数字系列(SDH)系统中的以太网交换板和数据交换方法。该以太网交换板和数据交换方法集成了二层交换芯片和EOS芯片，并且独创性地使用FPGA来实现多媒体接口转换功能和其他的一些模式的切换，有效的把交换模式和透传模式等一些相关功能的集成在一起，完成以太网信号映射进入SDH系统的功能。

Description

单一化以太网交换板及数据交换方法

技术领域

本发明涉及多业务传送平台中常用的以太网信号经过二层交换模式或者透传模式映射到同步数字系列(SDH)系统中传输的以太网交换板和交换方法的实现。

背景技术

随着通信行业的业务种类的越来越多，接口类型也变得越来越复杂，此时传统的SDH接口已经不能完全满足用户的要求。而多业务传送平台(MSTP)技术的出现，解决了这个问题。MSTP能够很好的依托于同步数字体系(SDH)技术平台，进行数据和其他新型业务的功能扩展。目前，在MSTP中以太网业务就占有了绝对的份量，以太网的基本特征是采用一种称为载波监听多路访问/冲突检测(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，CSMA/CD)的共享访问方案，即多个工作站都连接在一条总线上，所有的工作站都不断向总线上发出监听信号，但在同一时刻只能有一个工作站在总线上进行传输，而其他工作站必须等待其传输结束后再开始自己的传输。冲突检测方法保证了只能有一个站在电缆上传输。那么在这种情况下，为了将以太网的数据承载在已经成熟的SDH系统上进行传输，具备以太网二层交换功能和能够将以太网信号映射到SDH上的基于SDH的以太网(EOS)产品就开始广泛的运用了。

为实现以太网信号对SDH系统的映射，目前已经出现了多种以太网交换板产品，如图1、2、3所示。图1所示为在不需要进行以太网交换的情况下，直接将以太网信号影射到SDH系统的以太网交换板产品结构示意图。图1的以太网交换板主要包括物理接口芯片(PHY)和EOS芯片，其中物理接口芯片用于将以太网信号转换为媒介独立接口(Media IndependentInterface，简称为MII)信号或简化的媒介独立接口(Reduced Media Independent Interface，简称为RMII)信号或(Serial Media Independent Interface，简称为SMII)信号，EOS芯片采用上述三种信号之一，并进行SDH映射，输出符合SDH标准的信号。图1所示工作模式称为透传模式。图2所示为需要进行以太网交换情况下，将以太网信号经过交换后影射到SDH系统的以太网交换板产品结构示意图。图2的以太网交换板与图1相比，增加了用于执行信号交换的交换芯片，该交换芯片选择使用与EOS芯片相同的信号接口，可以是上述MII或RMII或SMII信号之任何一种。图3所示为需要进行以太网交换情况下，将以太网信号经过交换后影射到SDH系统的另一种以太网交换板产品结构示意图。图3产品与图2所示产品的区别在于，图3产品中，由于交换芯片采用RMII信号标准，而EOS芯片采用SMII信号标准，两者无法直接连通，必须经过两个物理接口芯片对接方式连通。图2、3所示产品的工作模式称为交换模式。

由上述图1、2、3所示产品可知，现有技术的以太网交换板为完成不同的功能，需要具有不同的硬件结构，增加了产品种类的复杂性。在交换芯片与EOS芯片接口标准不统一情况下，还需要在交换板上使用多个物理接口芯片，而物理接口芯片在电路板上占用面积较大，整个交换板有3个以上的物理接口芯片，控制很不方便，容易出故障；而且由于PHY的增多，外围电路相应增加，功率和发热量增大，容易引起交换板电路工作不稳定。

因此，需要一种新的以太网交换板产品，以克服现有技术产品种类复杂、故障率高、功率消耗大、工作不稳定的缺点。

发明内容

本发明的目的就是提供一个单一化以太网交换板，它具有较为强大的交换能力和EOS能力；具有以太网多种接口的转换和EOS接口选择的能力；具备交换功能和透传功能选择的能力；还具备强大的兼容性以及可移植性，便于维护定位。

本发明的单一化以太网交换板结构如附图4所示，该以太网交换板包括交换单元、EOS单元、物理接口单元(PHY)和接口转换单元组成；所述物理接口单元与接口转换单元连接，物理接口单元将以太网信号转换为SMII信号再传送给接口转换单元；所述接口转换单元与所述交换单元连接，将需要交换的不同接口类型的数据转换为交换单元所使用的接口类型信号再传送给交换单元；所述接口转换单元还与EOS单元连接，将经过交换单元交换的数据传送给EOS单元，或者将不需要交换的数据直接从物理接口单元传送给EOS单元。

本发明上述技术方案中，所述接口转换单元使用现场可编程门阵列(FPGA)芯片实现，在FPGA中设置：一个选择模块(RAM)，用于选择交换模式或透传模式；一个数字锁相环模块，用来提供系统时钟信号；一个延时模块，用于延时调整直接传送到EOS单元的信号；SMII/RMII转换模块和RMII/SMII转换模块或SMII/MII转换模块和MII/SMII转换模块，用于进行不同标准信号之间的转换。本发明上述技术方案中，所述交换单元由交换机芯片实现。本发明上述技术方案中，所述EOS单元由EOS芯片实现。

本发明的以太网交换板在工作中，将进入的Ethernet光/电信号通过物理接口单元将信号转换为SMII信号，再传送到作为接口转换单元的FPGA芯片。如果选择透传模式，则SMII信号由FPGA直接送给EOS单元，由EOS单元将信号映射到SDH中去；如果选择交换模式，则根据交换机芯片所采用的RMII或MII信号标准，经过SMII/RMII转换模块或SMII/MII转换模块的信号转换，将转换后信号送给交换机芯片，交换机芯片经过处理之后如果需要上传到SDH上去的话，交换机芯片传送的RMII或MII信号就经过接口转换部分中的RMII/SMII转换模块或MII/SMII转换模块的转换后送入EOS芯片，EOS芯片输出可以采用多种电路接口，如CML的高速线、Telecombus总线等。

本发明的以太网交换板的基本工作方法为，接口转换单元首先在系统中检测是否有交换单元；如果存在交换单元，则在接口转换单元中的选择模块RAM中选择交换模式或透传模式；当选择了交换时，激活接口转换单元中的SMII/RMII和RMII/SMII转换模块或者SMII/MII和MII/SMII转换模块，执行各种不同信号之间相互转换；当选择了透传模式时，接口转换单元内的各个转换模块则处于休眠状态，以太网信号通过物理接口单元转换为SMII信号后，经过接口转换单元内延时模块进行延时调整后直接传送到EOS单元；如果接口转换单元在本发明的以太网交换板上没有检测到交换单元，则接口转换单元内的选择模块RAM和各个转换模块都处于休眠状态。

本发明以太网交换板中的接口转换单元选用FPGA来实现，根据SMII接口和RMII接口的特点，为了满足两个接口的时序要求以及解决两种接口之间的同步数据转换和传输，在SMII/RMII转换模块中主要采用将SMII的一线数据变为八线数据然后再将八线数据变为RMII的二线数据，在RMII/SMII转换模块中则采用相反过程，即将RMII的二线数据变为八线数据然后再将八线数据变为SMII的一线数据。在FPGA中采用数字锁相环DDL将125MHz时钟2.5倍分频产生50MHz时钟作为RMII接口转换的主时钟。由于SMII接口主时钟和RMII接口主时钟同源，可以保证转换的准确性。也为了适应工程上对10/100M的具体需要，FPGA中植入了10M和100M以太网接口的配置或自适应转换功能。在实现交换模式、透传模式以及汇聚比的选择方面，可以通过网管对FPGA中寄存器的配置来达实现，完全避免了以往现有技术的跳线选择方式带来的设计、调试、生产上的不便。

本发明的以太网交换板实现单一化，减少了产品种类，减少研发人员由于相似功能电路带来的重复性劳动，缩短了研发时间，减少了出现问题的复杂性；减少了批量生产中可能出现的问题，可以逐级的调试，方便判断定位，准确找出问题所在。这样就释放了大量的人力资源，节约了人力成本。其次，本发明的以太网交换板采用灵活的RMII、SMII和MII的相互转换的技术，减少了对于芯片接口所采用信号标准的依赖性。由于单一化的以太网交换板可以工作在透传模式或交换模式，并且可以适应不同的EOS芯片接口信号标准，互换性、兼容性好，可以完成需要的各种功能。通过选择不同型号的EOS芯片，可以灵活地实现各种EOS接口接入，例如2.5G SDH接口、777MHz SDH接口、622MHz SDH接口以及77.76MHz PTCB接口。

本发明的以太网交换板和交换方法集成了二层交换芯片和EOS芯片，并且独创性地使用FPGA来实现多媒体接口转换功能和其他的一些模式的切换，有效的把交换模式和透传模式等一些相关功能的集成在一起，完成以太网信号映射进入SDH系统的功能。

附图说明

图1是传统的实现透传功能的以太网交换板结构示意图；

图2是传统的实现交换功能的以太网交换板结构示意图；

图3是传统的实现交换功能和接口转换功能的以太网交换板结构示意图；

图4是本发明的单一化以太网交换板结构示意图；

图5是本发明以太网交换板工作基本流程图；

图6是本发明以太网交换板中接口交换单元内SMII/RMII转换模块工作流程图；

图7是本发明以太网交换板中接口交换单元内RMII/SMII转换模块工作流程图；

图8是MII接口信号时序图；

图9是RMII接口信号时序图；

图10是SMII接口信号时序图。

具体实施方式

下面结合附图详细解释本发明的以太网交换板结构和工作方式。

如图4所示，本发明的以太网交换板，其主结构由交换单元、EOS单元、接口转换单元和物理接口单元(PHY)组成。其中交换单元，由CXE-1000等型号的交换机芯片及其外围附属电路组成，主要完成快速以太网和千兆位以太网等的以太网数据的交换、虚拟局域网(Virtual Local Area Network，简称为VLAN)、CIR(Commit Information Rate)、PIR(PeakInformation Rate)、STP(Spanning-Tree Protocol)、包过滤、汇聚等功能。其中EOS单元由PM5329、PM5333、PM5337等型号的EOS芯片及其外围附属电路组成，主要完成EOS、GFP/HDLC/LAPS封装、VCG映射等功能。其中接口转换部分由FPGA芯片及其外围附属电路组成，主要完成以太网SMII(或SS-SMII)接口以及RMII(或SMII、SS-SMII)接口之间的相互转换，以简化原来的PHY对PHY的接口转换以及电阻跳变选择接口的模式，从而在一定程度上降低了生产和设计成本。如果在使用本发明的以太网交换板时，已知仅仅使用在透传模式下，则在电路板上可不焊接交换机芯片。

图5所示为本发明以太网交换板主要工作流程：

首先，FPGA会检测是否板上有交换芯片，如果检测到有交换芯片，那么会认为这个以太网交换板支持交换模式和透传模式。交换模式和透传模式的选择是通过作为接口转换单元的FPGA内设置的一个RAM来实现的，这样就可以在网管上来控制交换和透传的选择。当选择交换模式时，FPGA中的SMII/RMII转换模块和RMII/SMII转换模块或者SMII/MII转换模块和MII/SMII转换模块被激活工作。如果是选择透传模式，上述各种转换模块处于休眠状态，PHY芯片和EOS芯片的SMII信号数据经过FPGA芯片内设置的延时模块进行延时调整后直接相连。如果没有检测到交换芯片，则认为这个以太网交换板仅仅支持透传模式，此时，RAM的交换模式和透传模式选择将不起作用，直接上述各种转换模块处于休眠状态。具体工作在何种模式下可以通过访问RAM来获得。

如图10所示，PHY芯片和EOS芯片发出来的SMII信号中，数据信息和控制信息是以10比特为一个单位放在一组内，每一组包括2个控制比特和8个数据比特，每一组信息由SYNC信号来定界，即每次SYNC信号处于高电平则表示一组的开始。在100M以太网速率下，划分好的每一组SMII信号直接代表一个字节的以太网信息。对于10M以太网速率下，对于每一个字节的以太网信息，由于速率只有100M的1/10，所以将一个比特的数据和控制信息放在一组后，在SMII数据线上重复发送10次。

如图9所示，对于RMII来说，它的数据线和控制线是分开的，有两条数据线。当CRS_DV为高电平时，数据线上是有效的以太网数据，否则，不是有效的以太网数据。所以，实际上有效的数据是由CRS_DV来界定。在100M以太网速率下，以太网数据的一个字节占用4个50M周期，也就是一个比特占用一条数据线的一个50M周期。在10M以太网速率下，它会将每个以太网数据字节分开的8个比特的每个比特在所占用的一条数据线上重复10次。也就是说，每个比特在一条数据线上会占用10个50M周期。在10M以太网速率下，RMII信号传送方式与SMII信号传送方式有区别。即SMII数据从时间上看，是一个字节放送完后再重复发送；而RMII数据从时间上看，是将一个比特重复发送直到用完所占用的时间。

如图8所示，为MII信号。MII信号与RMII信号相差不大，只是数据线为4条，发送和接收的时钟要单独供给，还有个冲突信号(COL)，其他信号线基本与RMII类似。

下面结合图6和图10详细解释在FPGA内所设置SMII/RMII转换模块将SMII信号格式成RMII信号格式的工作流程。如图6所示：

1.以同步信号SYNC为基准，当SYNC的高电平到来的时候，计数器置0，否则计数器在每来一个125M时钟就加1；

2.计数器1的值为1-9时，在SMII数据RX上用125M时钟采样，分别放在9个数据暂存器TEMP(0-8)里；

3.当下一个SYNC的高电平到来的时候，也就是计数器1再次为0时，判断TEMP(0)是否为为1：

1)如果为1，则将第二步9个数据暂存器TEMP(0-8)里的数据给另外9个暂存器TEMP1(0-8)，这样就将9个寄存器的数据对齐；

2)如果为0，则从SMII数据取出的速度信息(已经存放在TEMP中)，根据速度信息置位速率信号SPEED，并将TEMP1(0-8)置0。

4.在TEMP1(0)为1的时候：

1)如果SPEED为1，则将TEMP1(1-8)用50M时钟直接间插到2根并行的数据线上TXD(0-1)；

2)如果SPEED为0，将TEMP1上的数据都要在2根并行数据线上停留10个50M的周期来间插到TXD(0-1)。

这样TEMP1(0)为1的时候，TXD和DV置0；

5.将TXD和DV对齐发送数据。

下面结合图7和图9详细解释在FPGA内所设置RMII/SMII转换模块将RMII信号格式转换成SMII信号格式的工作流程。如图7所示：

1.判断CRS_DV是否为高：

1)如果为高，则从数据流里判断RMII速率，并且置位模式信号MODE。

2)如果为低，数据无效，则将数据暂存器TEMP3和DV都置0。

2.判断MODE是否为高：

1)若MODE为1，则用50M时钟采样将RMII间插的数据RXD(0-1)直接解出，放在8位数据寄存器TEMP2；

2)若为0，则将RMII间插的数据RXD(0-1)采样窗口扩大为10倍来解出8位数据放在TEMP2(0-7)；

同时CRS_DV的值传递给DV；

3.判断同步信号SYNC是否为高：

1)当SYNC的高电平到来的时候，计数器置0。同时将TEMP3(0-7)和CRS_DV都用125M时钟采样一次得到TEMP4(0-7)和DV；

2)当SYNC为低电平的时候，计数器在每来一个125M时钟就加1；

4.判断DV是否为高：

1)当DV为高，当计数器2为0时，SMII_D置0；为1时，SMII_D置1，为2-9时，分别将TEMP3(0-7)按顺序用125M时钟放到SMII_D上；

2)如果DV为低，SMII_D置0；

5.将SMII_D经过延时对齐后发送。

另外，MII和SMII之间的转换与RMII和SMII之间转换的基本原理一致，差别仅仅在于MII使用4根数据线而RMII使用2根数据线，在此不在重复记述MII与SMII之间信号格式相互转换的具体流程。

Claims (5)

1.单一化以太网交换板主要包括：

交换单元、EOS单元、物理接口单元(PHY)和接口转换单元组成；

所述物理接口单元与接口转换单元连接，物理接口单元将以太网信信号转换为SMII信号再传送给接口转换单元；

所述接口转换单元与所述交换单元连接，将需要交换的不同接口类型的数据转换为交换单元所使用的接口类型信号再传送给交换单元；

所述接口转换单元还与EOS单元连接，将经过交换单元交换的数据传送给EOS单元，或者将不需要交换的数据直接从物理接口单元传送给EOS单元。

2.根据权利要求的所述以太网交换板，其特征在于：所述接口转换单元使用现场可编程门阵列(FPGA)芯片实现，及在FPGA中设置：一个选择模块(RAM)，用于选择交换模式或透传模式；一个数字锁相环模块，用来提供系统时钟信号；一个延时模块，用于延时调整直接传送到EOS单元的信号；SMII/RMII转换模块和RMII/SMII转换模块或SMII/MII转换模块和MII/SMII转换模块，用于进行不同标准信号之间的转换。

3.单一化以太网交换板的数据交换方法：

接口转换单元首先在系统中检测是否有交换单元；

如果存在交换单元，则在接口转换单元中的选择模块RAM中选择交换模式或透传模式；

当选择了交换时，激活接口转换单元中的SMII/RMII和RMII/SMII转换模块或者SMII/MII和MII/SMII转换模块，执行各种不同信号之间相互转换；

当选择了透传模式时，接口转换单元内的各个转换模块则处于休眠状态，以太网信号通过物理接口单元转换为SMII信号后，经过接口转换单元内延时模块进行延时调整后直接传送到EOS单元；

如果接口转换单元在本发明的以太网交换板上没有检测到交换单元，则接口转换单元内的选择模块RAM和各个转换模块都处于休眠状态。

4.根据权利要求3的所述单一化以太网交换板的数据交换方法，其特征在于SMII/RMII转换模块的工作步骤具体包括：

1.以同步信号SYNC为基准，当SYNC的高电平到来的时候，计数器置0，否则计数器在每来一个125M时钟就加1；

2.计数器1的值为1-9时，在SMII数据RX上用125M时钟采样，分别放在9个数据暂存器TEMP(0-8)里；

3.当下一个SYNC的高电平到来的时候，也就是计数器1再次为0时，判断TEMP(0)是否为为1：

1)如果为1，则将第二步9个数据暂存器TEMP(0-8)里的数据给另外9个暂存器TEMP1(0-8)，这样就将9个寄存器的数据对齐；

2)如果为0，则从SMII数据取出的速度信息(已经存放在TEMP中)，根据速度信息置位速率信号SPEED，并将TEMP1(0-8)置0；

4.在TEMP1(0)为1的时候：

1)如果SPEED为1，则将TEMP1(1-8)用50M时钟直接间插到2根并行的数据线上TXD(0-1)；

2)如果SPEED为0，将TEMPI上的数据都要在2根并行数据线上停留10个50M的周期来间插到TXD(0-1)；

这样TEMP1(0)为1的时候，TXD和DV置0；

5.将TXD和DV对齐发送数据。

5.根据权利要求3的所述单一化以太网交换板的数据交换方法，其特征在于RMII/SMII转换模块的工作步骤具体包括：

1.判断CRS_DV是否为高：

1)如果为高，则从数据流里判断RMII速率，并且置位模式信号MODE；

2)如果为低，数据无效，则将数据暂存器TEMP3和DV都置0；

2.判断MODE是否为高：

1)若MODE为1，则用50M时钟采样将RMII间插的数据RXD(0-1)直接解出，放在8位数据寄存器TEMP2；

2)若为0，则将RMII间插的数据RXD(0-1)采样窗口扩大为10倍来解出8位数据放在TEMP2(0-7)；

同时CRS_DV的值传递给DV；

3.判断同步信号SYNC是否为高：

1)当SYNC的高电平到来的时候，计数器置0；同时将TEMP3(0-7)和CRS_DV都用125M时钟采样一次得到TEMP4(0-7)和DV；

2)当SYNC为低电平的时候，计数器在每来一个125M时钟就加1；

4.判断DV是否为高：

1)当DV为高，当计数器2为0时，SMII_D置0；为1时，SMII_D置1，为2-9时，分别将TEMP3(0-7)按顺序用125M时钟放到SMII_D上；

2)如果DV为低，SMII_D置0；

5.将SMII_D经过延时对齐后发送。

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