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以太网二层交换芯片的MAC地址交换器的设计与实现

高健博  
【摘要】:以太网(Ethernet)技术简单易用,价格低廉,且带宽可不断提高,无论是作为一种业务还是作为一种网络结构,城域网,广域网范围内都已经得到大规模应用。以太网的优势是以太网端口价格相对低廉,应用普遍,技术易于理解;以太网作为一种发展了30多年的技术能有效支持IP业务,通过自带协议实现路径学习,配置维护简单,支持多播,能很好地满足未来IP化的数据业务的接入与承载需要。 本文介绍了交换式以太网方面的相关研究,并在以下方面做了一定的工作: 首先介绍了以太网的相关知识,阐述了以太网的发展历程以及以太网交换机的原理等。接下来介绍了通信方面的一些基本知识,包括通信协议模型和以太网帧格式等知识,并介绍了虚拟专用网的概念,这些都为MAC地址交换器的设计提供了理论支持。 在此基础上,本文重点设计了一种基于交换芯片的MAC地址交换器的硬件实现方案。根据MAC地址交换器的功能,在确定结构方案后,对各个模块之间的接口信号及交互方式进行了详细设计。然后使用Verilog硬件编程语言对各个模块进行了实现。由于MAC地址表查找方法是二层交换的关键,本文设计了利用双HASH加CAM的精确查表法,实现了快速查表和冲突最小化。在Verilog底层实现时,遵循可综合的编码风格,并综合考虑面积、性能等因素,在满足性能要求的前提下,实现了以太网二层交换中MAC地址学习和查找等功能。最后,搭建了功能测试的自测平台,测试设计实现功能正确。使用QuartusⅡ工具完成综合和布局布线,并根据得到的各性能指标的报告,对设计进行了进一步优化,使最后的模块的运行速度达到200MHZ。


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