（微电子学与固体电子学专业论文）以太网控制器芯片的后端设计技术研究.pdf

摘要 摘要 本文介绍了亚微米条件下以太网控制器芯片的后端设计流程，全面分析和解 决了逻辑综合、物理实现和验证方面的问题。不仅完成了以太网控制器芯片的后 端设计工作，并且完成了s r a mi p 的嵌入和e s d 的设计。以太网控制器芯片数字 部分综合工具采用s y n o p s y s 公司的d e s i g nc o m p i l e r ，布局布线工具采用s y n o p s y s 公司的a s t r o ，物理验证工具采用c a d e n c e 公司的d r a c u l a 。本文的主要工作如下。 1 完成了s r a mi p 的嵌入以及i p 外围电路的设计。在以太网控制器芯片的 a s i c 设计中，作为第三方的s r a mi p 的嵌入大大减少了整个项目设计所需要的 时间，降低了设计风险。 2 完成了以太网控制器芯片e s d 的设计，介绍了静电放电的原因和危害，分 析了静电放电的过程和模型，讨论了对静电放电的防护。重点对以太网控制器芯 片e s d 的设计做了详细的分析。 3 完成了对以太网控制器芯片的数字部分设计代码的逻辑综合。对时序和面 积进行了合理的优化约束，分析并解决了综合过程中出现的各种问题，得到了满 足时序约束和面积约束的网表。综合后时间的冗余量为1 8 0 n s ，由此表明综合结果 符合设计约束的要求。 4 完成了对以太网控制器芯片的数字部分综合所得网表的布局布线。布局规 划、布局、时钟树综合和布线借鉴了一些实用有效的方法，并在论文中给出了以 太网控制器芯片的数字部分的最终版图。完成布线后的以太网控制器芯片的数字 部分总面积为2 9 9 8 1 1 9 9 9 m2 门数为3 1 5 8 0 门。 5 对照第三方提供的模拟部分的电路图完成了以太网控制器芯片的模拟版图 的设计。接着完成了以太网控制器芯片的物理验证工作，论述了以太网控制器芯 片的l v s 和d r c 检查过程，分析了检查过程中遇到的问题及相应的解决方法，并 给出了该芯片最终的检查结果。 本课题所设计的版图文件已经用于生产流片。 关键词：以太网控制器芯片，逻辑综合，布局布线，物理验证 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et h e s i si n t r o d u c e dt h eb a c k 。e n dd e s i g nf l o wo fe t h e r n e tc o n t r o l l e rc h i pu n d e r t h es u b - m i c r ot e c h n i c s ，d i s c u s s e da n dr e s o l v e dt h ep r o b l e m so ft h el o g i cs y n t h e s i s ， p h y s i c a li m p l e m e n t a t i o na n dp h y s i c a lv e r i f i c a t i o ni nd e t a i l t h ea u t h o ra c c o m p l i s h e d n o to n l yt h eb a c k - e n dd e s i g nf l o wo fe t h e m e tc o n t r o l l e rc h i pb u ta l s ot h es r a mi p i n t e g r a t i o na n de s dd e s i g n i nt h ed e s i g n , “d e s i g nc o m p i l e r a n d a s t r o o fs y n o p s y s l t dw e r ea d o p t e dr e s p e c t i v e l ya st h es y n t h e s i st o o la n da p r t 0 0 1 b e s i d e s ，“d r a c u l a o f c a d e n c el t dw a sa d o p t e da st h ep h y s i c a lv e r i f i c a t i o nt 0 0 1 t h et h e s i sm a i n l yf u l f i l l e dt h ef o l l o w i n gw o r k ： 1 i n t e g r a t e ds r a mi pa n dd e s i g n e dt h ec i r c u i to ft h i si p a st h et l l i r dp a r t yo f 毋 r a mi n t e g r a t i o ne f f e c t i v e l yr e d u c e dt h ea m o u n to ft i m ea n dr i s ko ft h ew h o l ea s i c d e s i g no fe t h e m e tc o n t r o l l e rc h i p 2 d e s i g n e dt h ee s do fe t h e m e tc o n t r o l l e rc h i p i nt h i sc h a p t e r , n o to n l yt h e c a u s e sa n dd a n g e r sb u ta l s ot h ep r o c e s sa n dm o d e lo fs t a t i cd i s c h a r g i n gw e r ei n t r o d u c e d i nd e t a i l b e s i d e s ，t h ep r o t e c t i o no fs t a t i cd i s c h a r g i n gw a sd i s c u s s e d 鹪w e l l t h em o s t i m p o r t a n tt h i n gw a st oa n a l y z et h ed e s i g no fe s do ft h ee t h e m e te o r t r o l l e rc h i p 3 s y n t h e s i s e dt h ed i g i t a lc o d eo ft h ee t h e m e tc o n t r o l l e rc h i p b yc o n s t r a i n i n gt i m e a n da r e ap r o p e r l ya n da n a l y z i n gv a r i o u si s s u e sa r i s i n gi nt h es y n t h e s i sp r o c e s s ，t h e a u t h o ra c h i e v e dan e t l i s tw h i c hs a t i s f i e s t i m i n g a n da r e ac o n s t r a i m n g a f t e rt h e s y n t h e s i s ，t h es l a c kw a s1 8 0 n s ，w h i c hd e m o n s t r a t e st h a tt h ei n t e g r a t e de t h e m e t c o n t r o l l e rc h i pd e s i g nr e s u l t si nl i n ew i t ht h et i m i n gc o n s t r a i n tr e q u i r e m e n t 4 p l a c e m e n ta n dr o u t e do ft h ed i g i t a lp a r to ft h ee t h e r n e tc o n t r o l l e rc h i pa c c o r d i n g t ot h ea c h i e v e dn e t l i s ta f t e rs y n t h e s i s m a n ye f f e c t i v em e t h o d sw e r et r i e di nf l o o r p l a n ， p l a c e m e n t ，c l o c ks y n t h e s i sa n dr o u t i n g , a n dt h ef i n a ll a y o u to ft h ed i g i t a lp a r to f e t h e m e tc o n t r o l l e rc h i pw a sp r e s e n t e di nt h i sc h a p t e r a f t e rt h ep l a c e m e n ta n dr o u t i n g ， t h eg e n e r a la r e ao ft h ec h i pi s2 9 9 8 木119 9 1 x m 2a n d t h et o t a lc e l l si s315 8 0 5 f i n i s h e dt h ed e s i g no fa n a l o gl a y o u to ft h i sc h i pa c c o r d i n gt ot h en e t l i s to ft h e o t h e rc o m p o n y t h e n ，t h ep h y s i c a lv e r i f i c a t i o no ft h ew h o l ec h i po fe t h e r n e tc o n t r o l l e r i i a b s t r a c t i sf i n i s h e d t h ep r o b l e m sa r o u s e di nl v sa n dd r c p r o c e s sw e r ea n a l y z e dw i t hp r o p e r s o l u t i o n sb e i n go f f e r e d m e a n w h i l e ，t h ef i n a lr e s u l to fp h y s i c a lv e r i f i c a t i o nw a s p r e s e n t e d ，w h i c hp r o v e dt h a tt h el a y o u tf o r m a tf i l ec a nb eu s e di nt a p e - o u t t h el a y o u tf i l eo ft h i sp r o g r a mh a sa l r e a d yb e e nu s e di nt a p e - o u t k e y w o r d s ：e t h e r n e tc o n t r o l l e rc h i p ，l o g i cs y n t h e s i s ，p l a c e m e n ta n dr o u t i n g ，p h y s i c a l v e r i f i c a t i o n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：重蛆 日期：加。7 年 争月 z 多日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盈! j 2 癣 日期： 导师签名： 2 ，口叮年辟月三；e l 第一章引言 1 1 课题背景及课题意义 第一章引言 计算机网络的出现，不仅使计算机的作用范围超越了地理位置的限制，方便 了用户，而且也增强了计算机本身的功能，更加充分地发挥计算机软硬件资源的 能力。2 1 世纪是信息的世纪，i n t e r n e t 将在其中扮演着重要的角色。掌握i n t e r n e t 的使用是每个人都必须具备的技能。我们生活在一个信息社会里，无时无刻不需 要获取和交换信息。银行总行需要收集各业务点每天的资金情况，铁道部门需要 及时地了解每一辆火车的运行状况，各地公安部门需要知道每个公民的基本状 况。而这些部门早已大量地采用计算机进行信息处理。计算机网络技术能够 很好地解决计算机信息传输与共享的难题。随着网络的扩展，用户需要在不同子 网之间进行更多的标准化、低成本的连接，而以太网正是他们首选的接口。计算 机网络的广泛使用，改变了传统意义上的时间与空间的概念，对社会各个领域包 括人们的生活产生了变革性的影响，促进了社会向信息化的大步迈进n 1 。 以太网控制器芯片用于实现联网计算机和网络电缆之间的物理连接，为计算 机之间相互通信提供一条物理通道，并通过这条通道进行高速数据传输。由于以 太网控制器芯片的复杂性，使得芯片的后端设计极具挑战性。本课题重点研究以 太网控制器芯片的后端设计，课题研究内容具有理论意义和实用价值。 当前，信息技术是国民经济的核心技术，它服务国民经济的各个领域，微电 子技术是信息技术的关键。它影响面广，后续产业链长，具有极为重要的战略地 位，微电子产业的发展水平已成为衡量一个国家综合国力的重要标志之一，集成 电路产业也成为当今世界发展最为迅速和竞争最为激烈的产业，我国已将软件产 业和集成电路产业作为高科技的重点发展方向。 而且，在目前的全球性经济危机的背景下，国家出台了多项政策以确保电子 信息产业的长期发展，特地将振兴电子信息产业列为了国家十大产业振兴规划里 面，由此也能看出国家对该产业的重视程度很高。 在集成电路整个设计过程中，后端设计是至关重要的环节。作为连接设计与 制造的桥梁，合格的后端设计人员既要懂得i c 设计、版图设计方面的专业 电子科技大学硕士学位论文 知识，还要熟悉流片厂的工作流程、制造原理等相关知识。首先，逻辑综合 提供了h d l 和网表之间的连接。综合就是指使用综合工具，根据芯片制造商提 供的基本电路单元库，将硬件描述语言描述的r t l 级电路转换为电路网表的过程。 综合库中包含了相应的工艺参数，最典型的有门级延时、单元面积、扇入、扇出 系数等参数。设计一个电子系统，总有相应的设计指标，如时钟频率、芯片面积、 端口驱动能力等。自动综合工具将这些设计指标作为综合过程的约束条件，在给 定的包含工艺参数的综合库中选取最佳单元，实现综合过程。 同时电路版图是i c 设计者和集成电路生产厂家两者的唯一联系方式。版图设 计是网表的精确的物理描述过程，而这一物理描述遵守有制造工艺、设计流程以 及通过仿真显示为可行的性能要求所带来的一系列约束。设计者完成从网表到用 自动布局布线工具设计出电路版图。 随着集成电路的不断发展，集成电路的集成度不断提高，特征线宽不断缩小， 对电路版图精细度的要求越来越高。因此，在版图设计完成后的版图验证也日益 显得重要。版图验证就是要保证i c 设计者所设计的电路版图的可生产性，验证的 规则一般是由生产厂家向设计者提供的。随着集成电路朝着超深亚微米方向发展， i c 设计对自动化工具和计算机辅助设计技术工具的依赖性也不断加大。和国外目 前集成电路的制造工艺水平相比较，我们的设计技术落后很多，因此，设计技术 很可能成为制约集成电路技术进一步发展的瓶颈。 1 2 国内外后端设计研究现状和发展趋势 当前，科学技术是第一生产力，而其中信息技术正发挥着越来越大的作用， 不仅对经济有巨大的推动作用，而且还促进了整个社会的发展。在发达的工业国 家里电子信息产业起着很大的先导作用，甚至如今某个国家的经济发展水平的重 要衡量尺标就是电子信息产业的发展水平高低。同时在整个信息产业之中i c 的发 展水平高低又成了重中之重，可以说是该产业的基础，所以i c 产业也越来越被更 多的国家高度重视。 i c 现在已经达到了4 5 n m 的工艺水平，器件的特征尺寸已经变得很小，这对 集成电路的设计方法学带来了很大的挑战。尤其是集成电路的后端设计面临的挑 战最大，下面将简单介绍如今我们面临的一些困难。 首先，互连线的延迟对芯片的影响越来越大，因为器件特征尺寸的变小，而 2 第一章引言 且i c 的规模越来越大，集成度越来越高，所以电路的互连线在成倍的增长，金属 的布线层数也增加很快，而且互连线的横截面积越来越小。在器件按比例变小的 同时，门延迟会等比例的缩小，而互连线的各个方向的大小和距离都会等比例变 小，虽然互连线延迟在局部而言没有变化，但是对于芯片的全局而言其延迟肯定 是成倍的增加，这将对芯片的性能带来很不利的影响。 其次，时序变得越来越难收敛，原来延迟中的主要部分是门级延迟，次级单 元的输入电容之和就是本级单元的负载，一般芯片各个部分的延迟通过查看综合 后的网表就可以得到，而当在o 1 8 1 a m 及以下尺寸时，互连线的延迟变得越来越 重要，单元的负载不仅包括次级单元输入电容之和，还必须包括互连线寄生出来 的电容，这将导致时序的收敛变得更加困难，而此时想得到准确的门级延迟只有 在完成布局之后才能确定。 天线效应，如今i c 的主导工艺是c m o s 工艺。在芯片生产过程中，暴露的 金属线或者多晶硅等导体，就象是一根根天线，会收集电荷导致电位升高。天线 越长，收集的电荷也就越多，电压就越高。若这片导体只接了m o s 的栅，那么 高电压就可能把薄栅氧化层击穿，使电路失效，这种现象我们称之为“天线效 应 。随着工艺技术的发展，栅的尺寸越来越小，金属的层数越来越多，发生天 线效应的可能性就越大。 串扰是指在两个不同的电性能之间的相互作用。当两个或两个以上的布线路 径存在一定距离并呈并行分布时，彼此之间就存在把脉冲从一个节点传到另一个 节点的耦合电容。产生串扰被称为入侵者，而另一个收到干扰的被称为受害者。 串扰是两条信号线之间的耦合，容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电 压。随着超深亚微米新工艺技术的出现，特性尺寸、线宽和线间距都将进一步缩 小，这无疑将大大增加布线的复杂度，使得线路更加拥挤。串扰效应对复杂数字 电路的影响也越来越大。 i r ，即电压降，随着工艺尺寸的变小，因为互连线会产生电阻效应以_drop 及电感效应，从而在电流流过的电阻以及电感上会出现分压，从而出现电压降。 由于电压降对时钟的偏斜已经门电路的性能等都会产生影响，而且会进一步破坏 芯片整体的性能。 电迁移，芯片中信号的传输使用的是金属线，而对芯片的供电也是靠金属线 去完成。金属上面的电子的漂移方向是电压的梯度方向，在这个漂移过程之中会 和金属内部的金属粒子产生碰触，这些高能量的的触碰将让金属粒子产生位移， 从而造成金属线的局部地方出现空洞或者小丘，最终可能导致金属线出现断开或 电子科技大学硕士学位论文 者与别的金属线短路的后果，这将使得整个芯片被破坏，而金属线的这种效应就 是电迁移效应。如今集成电路的集成度越来越高，特征尺寸越来越小，金属线中 电流的密度越来越大，使得这种效应对整个芯片的影响越来越大。 这些效应都在芯片的后端设计中出现，它们也都将影响芯片的整体性能，因 此，在现在的后端设计过程中对上述效应的考虑是越来越重要，尤其是在现在的 一些e d a - r 具当中越来越突出了对上述效应的防治，当然芯片设计者也应该在 芯片设计的各个流程中时刻注意到这些效应的产生条件，在设计是应该尽量去避 免这些效应的影响。 1 3 课题研究内容 1 3 1 i c 的设计流程 i c 按规模可以分为m s i 、l s i 、v l s i 、u l s i 等等；按性能可以分为数字集成 电路和模拟集成电路；按用途可以分为通用集成电路和专用集成电路( 即a s i c ， a p l i c a t i o n ss p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r 0 ；按照制造方法又可以分为全定制专用集成 电路( f u l l c u s t o ma s i c ) 、半定制专用集成电路( s e m i c u s t o ma s i c ) 、可编程专用 集成电路( p r o g r a m m a b l ea s i c ) 。 a s i c 的版图设计一般是利用人机交互图形系统，由设计人员人工地完成各 个器件及互连线的版图设计、输入和编辑，最终将电路图转换为版图。a s i c 的 设计特点是最大化地利用i c 设计者的经验与独创性，最大化地对每个器件的参数 参数加以优化，使其达到较好的技术指标。这种电路具有最佳的性能( 例如速度和 功耗等) ，芯片面积也能做到最小，但设计周期较长，成本高、设计效率较低1 2 j 。 a s i c 设计包括了前端设计和后端设计，其中前端设计指的是行为级描述和 优化，以及向寄存器传输级描述的转换。本课题主要研究芯片的后端设计及，后 端设计的目标就是得到满足可制造性的版图文件，在集成电路设计的整个流程中 具有相当重要的地位。 4 第一章引言 图1 - 1 专用集成电路设计的简要流程图 图1 1 为a s i c 设计简要流程。首先，在任何设计中都要最先写好设计规范。 规范抽象地描述了所设计的电路的功能、接口和整体结构。通过分析系统的功能、 性能、所要满足的标准以及其他高级的问题后，才可以得到行为级描述。完成行 为级描述的行为算法优化与功能仿真以后，通常需要进行寄存器传输级( r t l ) 描述 的转换。之所以需要将行为级描述用手工转换成r t l 级的h d l 描述，原因在于 现有的电子设计自动化( e d a ) 工具只能接受r t l 级描述的h d l 文件进行自动逻 辑综合。 本课题首先用的是s y n o p s y s 公司的d e s i g nc o m p i l e r 工具进行d c 逻辑综合， 把我们上面得到的寄存器传输级描述的硬件代码综合为门级网表，查看综合后的 时序报告文件，验证综合结果是否满足以太网控制器芯片的时序约束。一旦满足 了时序约束的要求，我们将开始下面的工作，利用s y n o p s y s 公司的a s t r o 工具， 输入前面得到的门级网表和时序约束文件，对其进行自动布局布线操作，即对芯 片进行版图设计。同样，对物理设计得到的版图文件，我们仍然需要进行验证， 只是此时的验证为物理验证，用到的工具是c a d e n c e 公司的d r a c u l a 验证工具， 即对芯片做d r c 和l v s 检查。当芯片通过了物理验证之后，就可以将其交给芯 片制造厂家进行流片生产。 5 电子科技大学硕士学位论文 1 3 2 以太网控制器芯片的设计流程 本课题主要研究在h h n e c 0 3 5 1 l l m 工艺条件下研究集成电路的后端设计，用 到的是标准的集成电路后端设计流程，对在亚微米工艺条件下可能出现的一系列 问题，我们都做了仔细的分析和解决。 图卜2 以太网控制器芯片的数字部分的顶层架构图( 不含物理层) 如图1 2 ，以太网控制器采用层次化设计，其中n i c 为设计的项层，它包含 了m a c 、p n p m o d u l e 、s p i m o d u l e 、i s a m o d u l e 、r e s e t 模块，m a c 为以太网 控制器的内核，其中例化了r e g i s t e r s 、d m a m o d u l e 、t r a n s m i t f i f o 、r e c e i v e f i f o 、 t r a n s m i t m o d u l e 和r e c e i v e m o d u l e ，而p n p m o d u l e 、s p i m o d u l e 、i s a m o d u l e 各自也 例化了几个模块。 本课题开展了以下工作，完成了对r t l 硬件代码的逻辑综合、自动布局布线、 时序分析和版图验证，最终得到了可以用于流片生产的g d si i 文件。 1 4 论文的章节安排 本课题主要研究了在亚微米工艺条件下的以太网控制器芯片后端设计方法， 详细论述了以太网控制器芯片的物理实现与验证的流程。该论文由八个章节组成， 各个章节安排如下： 第一章，引言部分，概述性地介绍和分析了该项目的研究背景和研究内容。 第二章，介绍了以太网的组成要素，介绍了我们设计的以太网卡控制器芯片 的体系结构和芯片特性，对各个功能模块的功能进行了说明。 第三章，嵌入了s r a mi p 以及设计了i p 的外围电路。在以太网控制器芯片的 a s i c 设计中，作为第三方疋的r a m 的集成大大缩减了整个项目设计所需要的 时间和风险。本章将通过在以太网控制器芯片a s i c 设计的布局布线阶段集成 6 第一章引言 r a m 的经历，论述在a s i c 设计中有效集成第三方p 的方法。 第四章，设计了以太网控制器芯片的e s d ，介绍了静电放电的原因和危害， 分析了静电放电的过程和模型，讨论了如何对静电放电进行防护。重点对以太网 控制器芯片e s d 的设计做了详细的分析。 第五章，以太网控制器芯片的数字部分采用了混合模式的综合策略。首先说 明了逻辑综合的各个流程，强调了混合模式的综合策略和具体的实现流程。对时 序和面积进行了合理的优化约束，分析并解决了综合过程中出现的各种问题，得 到了满足时序约束和面积约束的网表。 第六章，首先介绍了以太网控制器芯片数字部分的自动布局布线设计流程， 依据自动布局布线流程分别对布局规划、布局、时钟树综合、以及布线等步骤做 了分析讨论。 第七章，首先依据第三方提供的芯片的模拟部分电路图，完成了对模拟部分 版图的设计。然后对以太网控制器芯片的全芯片进行版图验证，首先介绍了d r c 和l v s 验证的规则。接着分析了d r c 和l v s 的具体验证过程，分析并解决问题。 最后完成了该芯片的物理验证，得到了相应的版图文件。 第八章，总结了本论文的研究内容，重点强调了该项目后端设计的成果。 电子科技大学硕士学位论文 第二章以太网控制器芯片的简介 2 1 以太网及以太网卡简介 网络，简单的来说，就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起， 组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的。计算机网络是用通信线路和通 信设备将分布在不同地点的多台自治计算机系统互相连接起来，按照共同的网络 协议，共享硬件、软件和数据资源的系统。 计算机网络结构有很多，其中包括局域网、广域网等。局部区域网络( 1 0 c a la r e a n e t w o r k ) 通常简称为”局域网”，缩写为l a n 。局域网是结构复杂程度最低的计算机 网络。局域网仅是在同一地点上经网络连在一起的一组计算机。局域网通常挨得 很近，它是目前应用最广泛的一类网络。以太网是局域网( l a n ) 的一种实现方案， 是当今主流的l a n 技术。它诞生于7 0 年代，最初由x e r o x 公司于1 9 7 3 年提出 并实现的一种网络技术，后来由d e c 、i n t e l 和x e r o x 改进。在8 0 年代通过与令 牌环实现方案的竞争，成为主流的l a n 实现方案。这一方案的具体实现就是以 太网卡，它以i e e e 8 0 2 3 ( 以太网协议) 口1 为基础，并结合了上层的接口电路实现的。 i e e e 8 0 2 3 标准的出现，标志着以太网技术标准的起步，同时也标志着符合国际 标准、具有高度互通性的以太网产品的面世。i e e e8 0 2 3 标准规定以太网是以 1 0 m b p s 的速度运行，用到的是载波侦听多路访问冲突检测( 即c s m a c d ) 协议， 同时采用了介质存取控制( 简称为m a c ) 协议在共享介质上传输数据的技术。19 9 5 年3 月，i e e e 8 0 2 3 u 规范的通过，标志着以1 0 0 m b p s 的速度运行的快速以太网时 代的来临。1 9 9 8 年6 月，i e e e 8 0 2 3 z 规范的通过，又使以太网进入到了高速网络 的行列，运行速度达到了1 0 0 0 m b p s h l 。 网卡有许多种，按照按主板上的总线类型，网卡可划分为i s a 、p c i 和u s b 网卡等；按其传输速率分为1 0 m b p s 网卡、1 0 0 m b p s 网卡、1 0 1 0 0 m b p s 自适应网 卡和千兆网卡等。接下来我们将介绍生活中用得最多的以太网网卡。 首先，以太网是一种局域网，是现有众多局域网中用到最多最普及的一种标 准的通信协议。在局域网中，这个标准说明了用到的电缆的类型以及相应的信号 处理方式。在互联网中，以太网对数据包的处理速率是1 0 1 0 0 m b p s 。以太网的 第二章以太网控制器芯片的简介 接口类型有多种，比如粗同轴电缆、细同轴电缆、双绞线电缆等，而其中的双绞 线电缆型相比之下有优势，成本低、可靠性高、数据处理速率快等，从而使其应 用最为广泛。如前所述，以太网用到的控制技术是c s m a c d ，数据链路层和物 理层的工作方式就由它确定，物理层和数据链路层首先按照自己的方式工作，它 们不在意对方的工作模式，而标准的接口( 如m i i 等) 将衔接二者间的数据传递。 以太网卡( 即n i c ) 是数据链路层当中的一种设备，各个站点局域网靠它进行接 入，在电脑与网络间实现连接。它主要完成如下功能：读入由其它网络设备传输 过来的数据包，经过拆包，将其变成客户机或服务器可以识别的数据，通过主板 上的总线将数据传输到所需设备中；将p c 设备发送的数据，打包后输送至其它 网络设备中。 以太网体系的主要要素如下： ( 1 ) 帧，就是系统中数据传输的载体，包括了一串标准的数据位。 ( 2 ) m a c 层协议，是系统的核心，由一组规则约束着以太网系统的有效运行， 尤其是很好的避免了数据包传输的冲突发生。 ( 3 ) 信号硬件，由一套标准化的电气设备构成，承载着以太网信道内信号的发 送和接受。 ( 4 ) 信号传输介质，双绞线电缆、计算机间传送数字信号的硬件器件构成。 网卡芯片主要功能是在物理层进行以太数据包的收发，以及在链路层进行信 号的编解码。简而言之就是以太网控制器芯片完成数据包和电信号之间的相互转 换，以太网协议由芯片硬件自动完成。因此，驱动程序需要完成的任务主要是： 芯片初始化、收包、发包。 2 2 以太网的介质访问控制协议 以太网操作必须遵守m a c 协议规范。m a c 协议是一套规则，它将控制和协 调一组计算机对共享信道的访问情况。带冲突检测的载波侦听多路访问 ( c s m a c d ) 技术规定了多台电脑共享一个通道的方法。这项技术最早出现在上世 纪6 0 年代由夏威夷大学开发的，它使用无线电波为载体。这个方法要比令牌环网 或者主控制网简单。当某台电脑要发送信息时，必须遵守以下规则。 ( 1 ) 开始：如果线路空闲，则启动传输，否则转到第4 步； ( 2 ) 发送：如果检测到冲突，继续发送数据直到达到最小报文时间( 保证所有其 9 电子科技大学硕士学位论文 他转发器和终端检测到冲突) ，再转到第4 步； ( 3 ) 成功传输：向更高层的网络协议报告发送成功，退出传输模式； ( 4 ) 线路忙：等待，直到线路空闲； ( 5 ) 线路进入空闲状态：等待一个随机的时间，转到第1 步，除非超过最大尝 试次数； ( 6 ) 超过最大尝试传输次数：向更高层的网络协议报告发送失败，退出传输模 式。就像在没有主持人的座谈会中，所有的参加者都通过一个共同的媒介 ( 空气) 来相互交谈。每个参加者在讲话前，都礼貌地等待别人把话讲完。 如果两个客人同时开始讲话，那么他们都停下来，分别随机等待一段时间 再开始讲话。这时，如果两个参加者等待的时间不同，冲突就不会出现。 如果传输失败超过一次，将采用退避指数增长时间的方法。 2 3 以太网控制器芯片特性 我们所设计的以太网控制器芯片是针对p c 机i s a 总线设计的n i c ( n e t w o r k i n t e r f a c ec o n t r o l l e r ) ，具有以太网介质访问层( m a c ) 和物理层( p i - i y ) ，包括以太网 数据帧的收发、地址识别、c r c 编码校验、曼彻斯特编解码等功能。按数据链 路的不同，可以将以太网控制器芯片内部划分为远端d m a ( r e m o t ed m a ) 通道和 本地d m a ( 1 0 c a ld m a ) 通道两个部分。本地d m a 接1 2 是以太网控制器芯片与网 线的连接通道，完成控制器与网线的数据交换，主处理器中数据包的收发只对 r e m o t ed m a 进行操作。 该芯片为大规模集成的以太网控制器芯片，它具有如下特性： ( 1 ) 它可以方便的兼容n e 2 0 0 0 的适配器，该适配器的特性是功率下降和双工特 性。 ( 2 ) 同时具有三电平的控制性能，使得它成为了已有的对上网设备的最好选择。 ( 3 ) 具有全双工的特性，就是指该处理器能同时完成数据包的接收和发送工作从而 让数据包的处理速率从1 0 m b p s 变为2 0 m b p s ，大大提高了以太网控制器芯 片对数据包的处理能力。 ( 4 ) 同时该芯片有即插即用的特性，如对i r q 和r a m 地址的配置将实现自动化， 这样将避免传统以太网卡的上电配置步骤，使得用户用起来更加的便捷。 ( 5 ) 该芯片嵌入了1 6 k b y t e 的s r a mi p ，它的设计较好的缩减了芯片设计的设计 1 0 第二章以太网控制器芯片的简介 时间和设计风险。 ( 6 ) 传输介质为双绞线电缆，为现在最普遍的传输介质，提供了传输质量和效率， 也方便了用户。 2 4 以太网控制器芯片的体系结构 网卡完成物理层和数据链路层的大部分功能，包括网卡与网络电缆的物理连 接、介质访问控制( 如：c s m a c d ) 、数据帧的拆装、帧的发送与接收、错误校验、 数据信号的编解码( 如：曼彻斯特代码的转换) 、数据的串、并行转换等功能。 该网卡包括了开方系统互联模型的两个层：数据链路层和物理层。以太网控 制器芯片内部可分为m a c 逻辑、s r a m 模块、e e p r o m 模块、数据编码解码逻 辑、i s a 总线接口、双绞线接口、即插即用模块和本地和远端d m a 逻辑( 图中未 画出) ，内部结构如图2 - 1 所示。 i 姒 总线接 舞l l 湖e 眦 ls 龇ii | 1 嚣m _ lm a c 逻辑i l l 编 解玛 逻 辑 l i i 双 绞线接 口i 图2 - 1 以太网控制器芯片的结构图 下面对各个模块的功能做大概介绍： ( 1 ) 以太网控制器芯片内部有两块r a m 区：一块只有3 2 b ，地址为0 x 0 0 0 0 - - 一 0 x 0 0 1 f ，称为p r o m 页，存储有本网络接口芯片的以太网物理地址。另一块容量为 1 6 k b ，地址为o x 4 0 0 0 - o x 7 f f f , 用于收发缓冲。收发缓冲以页为单位，每页2 5 6 电子科技大学硕士学位论文 个字节，共6 4 页，页号记为0 x 4 0 - - - 0 x 8 0 。通常前1 2 页( 即页0 x 4 0 - - 0 x 4 b ) 被用着 发送缓冲区，分为两个6 页的缓存区( 因一个最大数据包占6 页) ，两个发送缓冲 区交替使用，可提高发送效率；同时后5 2 页( 即页0 x 4 c - - 0 x 7 0 被用着接收缓冲区。 为了有效利用接收缓冲区，n i c 将接收缓冲区r a m 构成f i f o 循环队列结构。 ( 2 ) m a c ( 介质访问控制) 逻辑。m a c 是数据链路层的一个功能子层，m a c 构 成了数据链路层的下半部，它直接与物理层相邻。它的主要功能是进行合理的信 道分配，解决信道竞争问题。它在支持数据链路子层中，完成介质访问控制的工 作，为竞争的用户分配信道使用权，并具有管理多链路的特性。简单而言，当网 线上有数据包进来时，该芯片的发送缓冲区把这帧数据经由r e m o t ed m a 通道装 入，然后发出传送命令；当该芯片发送了上一帧的数据之后，才会发送新的帧。 同时，当芯片收到数据后，首先要进行m a c 比较以及c r c 校验，校验成功后才 会被f i f o 送到接收缓冲区中；当一帧收满之后，就会通过中断或者寄存器标志 的形式向主处理器报告。 下面来看m a c 发送数据包的情况，当它接收到i s a 总线传来的数据包之后， 首先会把数据包拆散且重新打包，打包后的数据将介于最大1 5 1 8 b y t e 和最小 6 4 b y t e 之间。该帧的构成如下，m a c 的目标地址、m a c 的源地址以及数据包 的协议种类( 如果为i p 数据包的话，那么就用用8 0 来表示) ，最后有一个4 b y t e 的数据，那是c r c 码。m a c 模块功能主要是负责按i e e e 8 0 2 3 协议对数据进行 封装，以及执行c s m a c d 协议。 ( 3 ) d m a ( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ) ，即直接存储器存取，是一种快速传送数据的 机制。数据传递可以从适配卡到内存，从内存到适配卡或从一段内存到另一段内 存。d m a 技术的重要性在于，利用它进行数据传送时不需要c p u 的参与。如果 通过c p u 把一个字节从适配卡传送至内存，需要两步操作。首先，c p u 把这个 字节从适配卡读到内部寄存器中，然后再从寄存器传送到内存的适当地址。d m a 控制器将这些操作简化为一步，它操作总线上的控制信号，使写字节一次完成。 这样大大提高了计算机运行速度和工作效率。 以太网控制器芯片内部可以划分为远程d m a 通道和本地d m a 通道两个部 分。该芯片和双绞线的连接就是l o c a ld m a 接e l ，它就是为了交换芯片和双绞线 之间的数据：当准备收数据的话，以太网控制器芯片的控制器把收到的数据包放 到存接收缓冲区，收满之后，会由中断或者是寄存器标志位的形式告诉外部设备； 而要发送数据的时候，首先是外部设备给出发送到命令，控制器把以太网控制器 芯片内发送缓冲区的数据以帧的格式发送。 1 2 第二章以太网控制器芯片的简介 ( 4 ) 以太网控制器芯片的内部i o 寄存器。以太网控制器芯片有3 2 个i o 地址， 地址偏移量为0 0 h - - 1 f h 。以太网控制器芯片的所有内部寄存器都是8 位的，映 像到4 个页面，每个页面有1 6 个可供读写的寄存器地址( o o h - - , o f l - i ) ，由以太网控 制器芯片的命令寄存器中的p s i 、p s 0 位确定将访问的页。外设通过读写数据端 i z i ( 1 0 h - - - 1 7 h ) 实现对缓冲区的访问，总共8 个数据端e 1 ，它们的性能相同，只需 用一个就可以了。复位的端i ( 1 8 h - - - 1 f h ) 功能相同，用于以太网控制器芯片的热 复位。 ( 5 ) e e p r o m 是采用4 线s p i 串行接口的s e r i a le e p r o m ，容量为 1 k b i t ( 6 4 x1 6 b i 0 ，主要保存以太网控制器芯片的配置信息。0 0 h 0 3 h 的地址空间 用于存储以太网控制器芯片内配置寄存器的上电初始化值；地址0 4 h 11 h 存储 网络节点地址即物理地址；地址1 2 h - - 7 f h 内存储即插即用的配置信息。以太网 控制器芯片通过引脚e e c s 、e e s k 、e e d i 控制e e p r o m 的c s 、s k 、d i 引脚的 状态，通过e e d o 接收e e p r o m 的d o 引脚的状态。以太网控制器芯片复位后 读取e e p r o m 的内容并设置内部寄存器的值，如果e e p r o m 中内容不正确，以 太网控制器芯片就无法正常工作。 ( 6 ) 所谓即插即用技术，就是将设备连接到计算机后，不需要进行驱动程序的 安装，也不需要对设备参数进行复杂的设置，设备就能够自动识别所连接的计算 机系统，同时根据投影环境的光线，自动调整好设备的相关参数，确保设备完成 物理连接之后，就能正常使用。p n p 是p l u g - a n d p 1 a y ( 即插即用1 的缩写。它能自 动配置( 低层) 计算机中的板卡和其他设备，然后告诉对应的设备都做了什么。p n p 的任务是把物理设备和软件( 设备驱动程序) 相配合，并操作设备，在每个设备和 它的驱动程序之间建立通信信道。换种说法，p i l p 分配下列资源给设备和硬件： i o 地址、m q 、d m a 通道和内存段。 ( 7 ) 物理层模块，主要是负责从m a c 模块获得数据流，并将其转换为电信号 或光信号，通过指定的物理介质传送。类似的，接收器得到这些电信号或光信号， 重组由发送方发出的原始数据，并将这些数据传送到接收器的m a c 模块。 2 5 本章小结 本章介绍了以太网的组成要素，介绍了我们设计的以太网卡控制器芯片的体 系结构，对各个功能模块的功能进行了说明。 电子科技大学硕士学位论文 第三章嵌入以太网控制器芯片的s r a mi p 和设计i p 外围电路 在以太网控制器芯片的a s i c 设计中，相对于设计者和生产厂商的话，该口 就是第三方，而该母的使用将很大程度的缩短了我们项目用到的时间，同时