目前，嵌入式技術(shù)已在機(jī)載軟件[2]、物聯(lián)網(wǎng)[3]等方面廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的面向過(guò)程開(kāi)發(fā)方法已不適應(yīng)當(dāng)前嵌入式軟件的大規(guī)模、高復(fù)雜的需求，面向?qū)ο?/a>設(shè)計(jì)技術(shù)采用封裝、繼承等抽象機(jī)制降低了系統(tǒng)復(fù)雜性，在嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程過(guò)中用來(lái)提高軟件的可重用性、可擴(kuò)展性[4]。本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的嵌入式千兆交換機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)交換機(jī)進(jìn)行配置以及自測(cè)試，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)娛樂(lè)系統(tǒng)對(duì)大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。采用面向?qū)ο蟮腢ML開(kāi)發(fā)技術(shù)[5]，使嵌入式開(kāi)發(fā)后軟件具有可移植性及良好擴(kuò)展性。

1 機(jī)載千兆交換機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　機(jī)載交換機(jī)系統(tǒng)需根據(jù)外部ID1~ID3離散量的不同配置，實(shí)現(xiàn)交換機(jī)的不同工作模式配置，并通過(guò)CPCI對(duì)外提供20路千兆以太網(wǎng)；同時(shí)需周期性對(duì)交換機(jī)進(jìn)行自測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果通過(guò)串口輸出。

　　根據(jù)交換機(jī)系統(tǒng)需求，本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)載交換機(jī)系統(tǒng)。通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)交換機(jī)不同工作模式的配置和自測(cè)試（BIT），實(shí)現(xiàn)對(duì)外提供20路千兆以太網(wǎng)。交換機(jī)選用Broadcom公司的一款二層9 口千兆以太網(wǎng)交換芯片BCM53118[6]，芯片符合IEEE 802.3規(guī)范，8路10/100/1 000 Mb/s自適應(yīng)以太網(wǎng)口，對(duì)交換機(jī)進(jìn)行讀寫(xiě)操作可通過(guò)SPI總線；同時(shí)此交換機(jī)有下電控制寄存器，可實(shí)現(xiàn)異常狀態(tài)下低功耗工作要求。

　　根據(jù)系統(tǒng)需求及嵌入式軟件存儲(chǔ)要求，單片機(jī)程序存儲(chǔ)空間應(yīng)不低于128 KB的Flash，輸出測(cè)試結(jié)果的串口不少于1路，對(duì)交換機(jī)讀寫(xiě)操作的SPI不少于1路，BIT測(cè)試觸發(fā)的定時(shí)器不少于1個(gè)，GPIO不少于3個(gè)，同時(shí)單片機(jī)應(yīng)有支持調(diào)試接口的JTAG。

　　根據(jù)上述要求，單片機(jī)采用TI的TM4C1231H6PGE[7]（簡(jiǎn)稱(chēng)TM4C）。TM4C是一款基于Cortex-M4F的處理器、具有256 KB的Flash、32 KB的SRAM、8路串口UART、4路SPI、多個(gè)定時(shí)器、1個(gè)JTAG口。機(jī)載千兆交換機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。

　　圖1中，根據(jù)ID1~ID3離散量的不同值，實(shí)現(xiàn)交換機(jī)3種不同工作模式，即：(1)3個(gè)交換機(jī)獨(dú)立工作，此時(shí)SW2的Port5與SW1的Port5、SW2的Port6與SW3的Port6斷開(kāi)；(2)3個(gè)交換機(jī)級(jí)聯(lián)工作，此時(shí)SW2的Port5與SW1的Port5、SW2的Port6與SW3的Port6連接；(3)3個(gè)交換機(jī)靜默工作，即3個(gè)交換機(jī)下電。

2 機(jī)載千兆交換機(jī)系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

　　2.1 軟件靜態(tài)模型

　　按照機(jī)載千兆交換機(jī)系統(tǒng)要求，軟件功能劃分為初始化、交換機(jī)配置、BIT測(cè)試、總線接口。為實(shí)現(xiàn)嵌入式交換機(jī)系統(tǒng)軟件的移植性、擴(kuò)展性，本文采用基于UML的面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法。交換機(jī)系統(tǒng)的靜態(tài)模型如圖2。類(lèi)Sw_Config實(shí)現(xiàn)交換機(jī)配置功能；類(lèi)BIT實(shí)現(xiàn)對(duì)交換機(jī)硬件檢測(cè)、交換機(jī)狀態(tài)的檢測(cè)結(jié)果輸出；類(lèi)Timer實(shí)現(xiàn)整個(gè)軟件中精確定時(shí)事件觸發(fā)；類(lèi)UART實(shí)現(xiàn)通過(guò)串口收發(fā)數(shù)據(jù)；類(lèi)SPI實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)交換機(jī)的讀寫(xiě)操作；類(lèi)Initialization實(shí)現(xiàn)對(duì)定時(shí)器、SPI、UART的初始化配置。

　　2.2 軟件流程圖

　　機(jī)載交換機(jī)系統(tǒng)軟件的運(yùn)行流程如圖3。首先對(duì)所需要使用的資源進(jìn)行初始化，包括定時(shí)器、串口、SPI，當(dāng)初始化成功后讀取ID1~ID3離散量，根據(jù)不同離散量值完成對(duì)交換機(jī)的配置；周期執(zhí)行BIT測(cè)試，在BIT檢測(cè)結(jié)果無(wú)故障后通過(guò)串口將測(cè)試結(jié)果輸出。在初始化失敗或者周期執(zhí)行BIT測(cè)試時(shí)交換機(jī)有故障，則立即停止運(yùn)行。

　　2.3 軟件設(shè)計(jì)

　　2.3.1 Initialization

　　初始化是交換機(jī)系統(tǒng)軟件的入口，其主要功能如下：(1)完成UART的初始化，包括波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)、停止位；(2)完成SPI的初始化；(3)完成Timer初始化，包括定時(shí)器工作模式、定時(shí)器分辨率等。

　　2.3.2 Sw_Config

　　Sw_Config主要功能為：(1)ID1、ID2、ID3離散量值的獲?。?2)實(shí)現(xiàn)對(duì)交換機(jī)不同工作模式的配置。

　　系統(tǒng)上電后，單片機(jī)首先讀取外部ID1~ID3的離散量值，然后根據(jù)離散量值對(duì)交換機(jī)進(jìn)行工作模式配置，即當(dāng)離散量ID1、1D2、ID3的取值為001b時(shí)，交換機(jī)配置為獨(dú)立工作模式；當(dāng)離散量ID1、DI2、ID3的取值為010b時(shí)，交換機(jī)配置為級(jí)聯(lián)工作模式；當(dāng)ID1、DI2、ID3的取值為其他時(shí)，交換機(jī)配置模式為下電模式。

　　2.3.3 BIT

　　機(jī)載交換機(jī)系統(tǒng)周期性BIT測(cè)試交換機(jī)硬件、交換機(jī)端口連接狀態(tài)。交換機(jī)硬件的檢測(cè)內(nèi)容是交換機(jī)是否有故障，交換機(jī)端口連接狀態(tài)內(nèi)容包含端口狀態(tài)(Up/Down)、端口速度（10 Mb/s、100 Mb/s、1 000 Mb/s）、傳輸方式（Full-Duplex/Half-Duplex）。在進(jìn)行周期性BIT時(shí)，檢測(cè)到任一交換機(jī)故障，則軟件終止運(yùn)行。

　　2.3.4 UART/SPI/TIMER

　　UART類(lèi)實(shí)現(xiàn)串口收發(fā)數(shù)據(jù)，周期性BIT測(cè)試結(jié)果無(wú)故障后輸出測(cè)試結(jié)果。

　　SPI類(lèi)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)交換機(jī)的讀寫(xiě)操作，SPI類(lèi)包含SPI的讀寫(xiě)操作。

　　Timer實(shí)現(xiàn)整個(gè)交換機(jī)系統(tǒng)的精確定時(shí)，當(dāng)定時(shí)周期到時(shí)，完成周期性BIT測(cè)試。

3 機(jī)載千兆交換機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)上述基于單片機(jī)嵌入式千兆交換機(jī)系統(tǒng)硬件平臺(tái)及軟件設(shè)計(jì)，軟件在Keil 4.5.3開(kāi)發(fā)環(huán)境上完成開(kāi)發(fā)，并通過(guò)J-LINK仿真器將程序下載到單片機(jī)上。通過(guò)串口調(diào)試助手，對(duì)以下3種情形的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

　　(1)BIT測(cè)試結(jié)果無(wú)故障，離散量ID1、1D2、ID3的取值為001b時(shí)，交換機(jī)配置為獨(dú)立工作模式——模式1。當(dāng)SW1/SW2/SW3的Port7分別連接到PC上，實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示。

　　(2)BIT測(cè)試結(jié)果無(wú)故障，散量ID1、DI2、ID3的取值為010b時(shí)，交換機(jī)配置為級(jí)聯(lián)工作模式——模式2。當(dāng)SW1的Port7連接到PC時(shí)，實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示。

　　(3)BIT測(cè)試結(jié)果無(wú)故障，離散量ID1、1D2、ID3的取值為非001b/010b時(shí)，交換機(jī)配置為靜默工作模式——模式3，此時(shí)所有的交換機(jī)任何時(shí)候均處于down(非連接)狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證結(jié)果如圖6所示。

　　(4)BIT測(cè)試結(jié)果有故障，SW1/SW2/SW3實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證結(jié)果與圖6一致，即任何時(shí)候均處于down(非連接)狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的嵌入式千兆交換機(jī)系統(tǒng)硬件平臺(tái)及軟件，根據(jù)外部離散量實(shí)現(xiàn)交換機(jī)不同工作模式的配置，實(shí)現(xiàn)了交換機(jī)的BIT測(cè)試功能。

　　采用基于UML的面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法，使得低層驅(qū)動(dòng)獨(dú)立而不依賴(lài)硬件平臺(tái)，上層應(yīng)用具有良好的移植性。機(jī)載交換機(jī)系統(tǒng)軟件已在不同的單片機(jī)平臺(tái)上測(cè)試運(yùn)行，均表明功能正常，滿(mǎn)足移植性、擴(kuò)展性要求。本文對(duì)機(jī)載交換機(jī)進(jìn)行自測(cè)試，可以有效地實(shí)現(xiàn)交換機(jī)健康管理，為故障診斷、維護(hù)測(cè)試的研究進(jìn)行了一些探索。

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