（模式识别与智能系统专业论文）10100兆网卡芯片物理层体系结构的设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = ；= = = ；= 目j 目j = 自；_ i _ i i ；= 目= 2 = = z = l = = t 2 自= = i i = 目e ；= # j = ；目= j _ _ _ _ _ 目= i 目j i 摘要 f 网络接口卡( n e t w o r k h a t e f f a e ec a r d ) 简称为网卡，是从迅猛发展的信息传播网 络获得资源的重要设备。物理层是网卡芯片中最重要部分之一，它是数据链路层 和传输媒体的桥梁，使介质上的数据流相对于上层结构保持“透明”。l 少一 本文提出了一个完整的物理层的体系结构，完全符合i e e e 9 0 2 3 和i e e e 8 0 2 3 u 协议对1 0 b a s e - t 、1 0 0 b a s e - t x 的定义和规范。1 0 1 0 0 m b p s 网卡是众多网络通 信的基础设备，根据i e e e 8 0 2 3 协议，物理层包括众多功能模块：1 0 m b p s 数据的 发送、接收：1 0 0 m b p s 数据的发送、接收：链接脉冲的接收与发送；通过自动协 商功能建立最优工作模式；自动极性检测；远端故障检测；数据回送以起到自检 、 功能等等。l 、虹一 本文详细阐述了这个体系结构中主要功能模块的原理，同时对几个关键技术 做了详细的分析和说明，并给出了一些关键模块的仿真结果和主要整体仿真模式 的结果，对于相关网络通信的设备芯片设计有一定的参考价值。主要工作和创新 点如下：对i e e e 8 0 2 3 协议的熟读与多个物理层网卡芯片的体系结构分析：定义本 课题设计物理层体系结构的功能与规范；关键技术电路的设计和仿真；系统整体 性仿真与结果分析；针对网卡芯片往千兆和光纤接口的发展趋势的可扩展性设计。 这个物理层体系结构已经用于实际网卡芯片物理层的设计中，经过整体仿真具可 行性。 关键词： 崮厂、数据编码? 时钟恢复 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h en e t w o r ki n t e r f a c ec a r di sc a l l e dn e t w o r kc a r df o rs h o r ta n di ti st h e i m p o r t a n t d e v i c et og e tr e c o t l t s c sf r o mt h en e t w o r kt h a ti sd e v e l o p i n gw i t hg r e a ts p e e d t h e p h y s i c a ll a y e r i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t si nn i c c h i p i ti st h eb r i d g e o ft h em a c ( m e s aa c c e s sc o n t r 0 1 ) a n dt h em e d i aa n di ti sw h om a k et h ed a t as t 托盘m i nt h em d i a i s t r a n s p a r e n t ”t ot h em a c a ni n t e g r a t e da r c h i t e c t u r eo fp h yi s p r e s e n t e dh e r ea n di t i s t a l l y w i 廿lt h e d e f i n i t i o na n ds p e c i f i c a t i o n 谢t h1 0 b a s e - ta n d 1 0 0 b a s e t xi n p r o t o c o l i e e e s t d 8 0 2 3a n di e e es t d 8 0 2 3 ua b s o l u t e l y m a n y n e t w o r kc o m m u n c a t i o nd e v i c e sa r e b a s e do n1 0 1 0 0 m b p sn i c c h i p a c c o r d i n g t ot h ep r o t o c o li e e e 8 0 2 3 ，p h y c o m p r i s e s m a n y f u n c t i o n a l m o d d e s ：1 0 m b p sd a t a t r a n s m i t r e c e i v e ；1 0 0 m b p s d a t a t r a n s m i t r e c e i v e ；l i n kp u l s e t r a n s m i t r e c e i v e ；e s t a b l i s h m e n t o fo p t i m u ml i n km o d e t h r o u g ha u t o - n e g o t i a t i o n ；a u t o - p o l a r i t yd e t e c t ；f a r - e n d f a u l td e t e c t ；d a t al o o p b a c k t o a c h i e v es e l f c h e e ka n ds oo n t h et h e o r yo f p r i m a r ym o d u l e si nt h i sa r c h i t e c t u r ei se x p a t i a t e do n t h i sp a p e r a t t h es a l t l et i m es o m ek e yt e c h n o l o g i e sa r ea n a l y z e dp a r t i c u l a r l ya n dt h es i m u l a t e dw a v e s o ft h e s eb l o c k sa r cp r e s e n t e d t h es i m u l a t i o nw a v e so ft h ew h o l es y s t e ma r ea l s o p r e s e n t e d a l lt h e s e w i l lb eu s e f u lt od e s i g na s s o c i a t e dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nd e v i c e s f o l l o w i n g a r et h em a i nw o r ka n dn e w i d e a s ：s t u d yt h ei e e e 8 0 2 3p r o t o c o la n do t h e r p h yc h i pd a t a , s h e e t ；d e f i n i t i o no fp h ys p e c i f i c a t i o n a n df u n c t i o n s ；d e s i g na n d s i m u l a t i o no ft h ek e yc i r c u i tt e c h n o l o g y ；w h o l es y s t e ms i m u l a t i o na n dr e s u l ta n a l y s i s ； e x p a n d a b l ed e s i g n o f t h et e n d e n c yf o rf i b e ra n d10 0 0 mp h y c h i p t h i sa r c h i t e c t u r eo fp h yh a sb e e nu s e di nt h ea c t u a ln i cc h i pd e s i g na n di s p r o v e df e a s i b i l i t yt h r o u g h t h ew h o l es i m u l a t i o n k e y w o r d ：p h y s i c a ll a y e r a u t o - n e g o t i a t i o n d a t a - c o d i n g c l o c kr e c o v e r y 华中科技大学硕士学位论文 _ i _ _ i _ - _ i l li i _ _ - _ _ t = = i _ _ - j l _ _ - 自_ _ 1 1 课题目的与意义 1 绪论 随着信息革命的到来，信息的传输自然而然的就成为了人们考虑的焦点。随 后在美国政府提出建设“信息高速公路”的计划地推动下，网络，作为信息传播 的一个重要载体，受到无比地青睐和重视，它正以惊人地速度迅猛发展。 8 0 年代，随着微机技术的发展，微机局域网技术和产品获得迅速的发展。 80 年代末期t 国外微机界已预言，90 年代微机使用的环境就是网络。事实上 确实如此，微机局域网的发展在整个计算机网络领域中具有相当大的影响，数以 千计的微机网络用户分布在各个应用领域中促进了网络应用技术的发展，从而也 加速微机网络技术的发展。 网络的发展是多方面的，提高网络的使用性能自然是重中之重，我们的i n t e m e t 主干f 网带宽从起初的几十兆到现在的上千兆，就是从带宽和速度上提高网络性能， 其次就是结构，计算机网络结构可以说是错综复杂，l a n 、w a n 、i n t e m e t 、i n t r a n e t 、 i s d n 、a t m 都是网络针对各自的应用范围作出的具体实现。以太网卡( n e t w o r k i n t e r f a c ec a r d ) 是o s l 模型中第二层数据链路层的设备。它是各站点l a n 的接入设 备，在单机与网络间架起桥梁。 以太网是l a n 的一种实现方案，它诞生于7 0 年代，在8 0 年代通过与令牌环 实现方案的竞争，成为主流的l 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) 为基础，并结合了上层的接口电路。网卡作为网络 建设的必备设备之一。市场规模相对较大，并且一直保持着高速增长。随着国家 信息化建设的推进，网卡市场将继续呈现高速发展的势态。 本课题的任务就是设计和实现高性能的1 0 1 0 0 m 自适应网卡芯片中的物理层 体系结构，它是网卡芯片中最重要部分之一，它是数据链路层和传输媒体的桥梁， 使介质上的数据流相对于上层结构保持“透明”。根据i f e e $ 0 2 3c s m a c d 协议 的工作要求，| 0 1 0 0 m 自适应网卡芯片物理层具体需完成以下功能： l 、a u t o - n e g o t i a t i o n ：链接过程中自动切换到链接双方的最高级的链接方式。 华中科技大学硕士学位论文 目目= ；自_ 目_ 目_ i _ t _ l e ；i 自目_ j i _ _ 自_ _ = 2 、发送数据：将m a c 层传来的数据进行编码，以差分信号输出给双绞线。 3 、接收数据：将双绞线上传送的数据进行接收，解码，恢复时钟，再将解码 得到的数据和时钟传给m a c 层。 4 、载波检测：检测媒质上有无数据在传送。如果媒质上有数据在传送，载波 存在信号给m a c 层。 5 、冲突检测：检测媒质上有无冲突发生。送冲突信号给m a c 层。 6 、超长控制：避免一个用户长时间占用信道。当一个用户发送的数据时间超 过一定时间时，将终止发送。 7 、数据回送功能：发送数据时，同时将数据由本端接收电路接收，以验证编 码解码电路功能的正确性。 8 、链路完整性测试：当物理层没有发送数据和接收数据时，将向媒质发送周 期性脉冲，来检查链路是否正常，是否接通。 9 、远端故障检测：当链路发生物理故障时，发送一系列的脉冲以告知对方。 物理层的设计属于数模混合集成电路设计，根据各功能模块的实现途径合理 划分为数字电路和模拟电路，具体使用的设计工具如下： 硬件：p c ，w o r k s t a l i o n ： 软件：数字电路m o d e l s i m ( s i m u l a t i o n ) 、v e r i l o g - - x l ( s i m u l a t i o n ) ： 模拟电路e c s ( s c h e m a t i c ) 、h s p i c 宅( s i m u l a t i o n ) ： 数模混合电路a n t r i m ( s i m u l a t i o n ) 分析工具d e b u s s y ( a n a l y s i s l 仿真库：一c s m c 0 2 s u m ( 3 3 v ) 1 2 国内外网卡芯片发展概况 过去一直是国外微机局域网产品占据着网络市场，其中建网用户数占先的主 要有n o v e l l 、3 c o m 、i b m 、b a n y a n 以及s u n 公司等的产品。随着网络的发 展，台湾的厂商以生产能力强且多在内地设厂等优势，也迅速的发展起来，像 d l i n k ，t p l i n k 等品牌逐渐走向成熟，另外国内的计算机产品生产商如实达、 华中科技大学硕士学位论文 _ _ 口e 目i _ _ _ l - _ _ l _ _ _ _ _ _ _ l _ i _ - - _ _ _ ；i e 联想也纷纷生产出各自的网络产品。典型的m a c p c s p m a p m d 集成的网卡芯片 有：n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 的d p 8 3 8 1 5 ，m y s o n 的m t d 8 0 3 ，单独的p h y 芯片有 r e a l t e k 的r t l 8 2 0 4 ，m e n t o r g r a p h i c s 产品等等。 国外主要1 0 1 0 0 m 网卡芯片与物理层相关的技术特性有： 符合i e e e s 0 2 3 i e e e s 0 2 3 u 协议内容 支持1 0 b a s e t 和1 0 0 b a s e _ t x 介质5 类非屏蔽双绞线 支持半双工和全双工工作模式 支持a u t o - n e g o t i a t i o n 和p a r a l l e ld e t e c t i o n 功能 提供l o o p b a e k 模式用于自检 自动极性检测，a u t o p o l a r i t yd e t e c t i o na n dc o r r e c t i o n 本课题设计的网卡同样实现上述功能，由于网卡芯片基本上都是国外公司提 供，国内很少有相应的报道，因此进行l o m b p s 1 0 0 m b p s 自适应网卡芯片设计， 对于促进国民经济增长、提高我国集成电路设计水平具有十分重要的意义，而且 这种短距离的信道共享技术在工业中应用很广泛，研究一种对其他有触类旁通的 作用。 1 3 本论文的主要内容 本学位论文主要提出了网卡芯片的一种物理层体系结构，对其功能划分和各 功能模块都有详细说明。主要内容分为以下几个方面： i e e e 8 0 2 3 协议中物理层的相关定义。 p h y 整体结构划分和模块详述。 功能仿真结果波形分析与原理叙述。 本文围绕以上内容进行论述，论文的章节安排如下： 第一章主要介绍有关本课题的目的和设计的芯片简要功能特性；第二章简要 介绍与本课题相关的m e e 8 0 2 3 协议几个基本概念；第三章针对物理层的数据流 向介绍接收和发送数据需要进行的编码原理；第四章详细叙述p h y 整体架构及相 应具体模块的分析、实现；第五章给出整体仿真的结果波形和结果分析；第六章 为全文总结包括发展和展望。 华中科技大学硕士学位论文 _ i = 目z l _ 目l _ r i i i i i i i i i , t , g = = = _ 2 论文涉及的基本概念与原理简介 2 1 o s i 网络体系结构与i e e e 8 0 2 3 协议 网络体系结构是指通信系统的整体设计，它为网络硬件、软件、协议、存取 控制和拓扑提供标准。它广泛采用的是国际标准化组织( i s o ) 在1 9 7 9 年提出的 开放系统互连( o s i - o l 脚s y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 的参考模型。o s i 参考模型用物 理层、数据链路层、网络层、传送层、对话层、表示层和应用层七个层次描述网 络的结构，它的规范对所有的厂商是开放的，具有指导国际网络结构和开放系统 走向的作用，它直接影响总线、接口和网络的性能。目前常见的网络体系结构有 f d d i 、以太网、令牌环网和快速以太网等p 以太网是x e r o x ( 施乐) 、d i g i t a l f _ x l m p m e n t ( d e c ) 和i m e l ( 英特尔) 兰家 公司开发的局域网组网规范，并于8 0 年代初首次出版，称为d i x i 。0 。1 9 8 2 年修 改后的版本为d 2 0 。这三家公司将此规范提交给m e e ( 电子电气工程师协会) 8 0 2 委员会，经过陌e e 成员的修改并通过，变成了i e e e 的正式标准，并编号为 i e e e s 0 2 3 。e t l l e m e t 和i e e e 8 0 2 3 虽然有很多规定不同，但术语e t h e m e t 通常认为 与8 0 2 3 是兼容的。i e e e 将8 0 2 3 标准提交国际标准化组织( i s oi n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d i z a t i o n o r g a n i z a t i o n ) 第一联合技术委员会( j t c lj o i n t t e c h n i c a lc o m m i t t e e 1 ) ，再次经过修订变成了国际标准i s 0 8 0 2 3 。根据不同的媒体可分为：1 0 b a s e 2 ( 同轴粗缆) 、i o b a s e 5 ( 同轴细缆) 、1 0 b a s e t ( 双绞线) 及1 0 b a s e - f l ( 光 纤) 。 1 9 9 3 年有4 0 多家网络厂商加入到快速以太网联盟，共同开发1 0 0 b a s e t 快 速以太网标准，以建立统一的、可互操作的国际标准。1 0 0 b a s e t 快速以太网是从 1 0 b a s e t 以太网标准发展而来的。它保留了c s m a c d 协议，使1 0 b a s e t 和 1 0 0 b a s e t 站点间进行数据通信时不需要进行协议转换。i e e e 于1 9 9 5 年5 月正式 通过了快速以太网1 0 0 b a s e t 标准，即i e e e s 0 2 3 u 标准p 见图2 1 和图2 2 。 图中表示i e e e 8 0 2 3 协议实际上对应了o s l 标准模型7 层中的最低两层：物 4 华中科技大学硕士学位论文 t e 目i _ _ - _ l _ _ l ；i - _ _ 目_ # l 理层和数据链路层。而1 0 和1 0 0 的p h y 层实现方法已经有很大不同。 o r e i q i i a g k c e u o d e l l e 鹇 p 凡0 灯_ o h p 黯旧嘲w 1 0 n 毫暑嚣1 0 n t r 姆d r r 孵州o 杈 d a t a l i n k p 1 4 v s c n ，_ - ， ，_，。 ， ， l a nc s u c o i x t e r s 图2 1 i e e e 8 0 2 3 ( 2 0 0 0 ) 协议中l o m 情况下l a n 和o $ i 参考模型关系图伪 p p l i c a 0 l 州 _ 毯难雕n o n 懿8 i o v 嶝p c ，盯 n e t w o r k b 憾l i n k 纠啪1 0 l c a n c s l y 嘲 h i s h e r l 舵髂 l l l g - l ( x l i g a l l n k c o n t i f i o l j c 一_ 冀n o 蕾s 唧帕l 怒甾踹譬器篙器：器量蓦譬 r _ m s e t 0 h 抽“i n i p t m 幅蹦l o a 伽佑s u b i a y e r p - “i p l h s l g a l 斟u u 用优懂踟 p r o - ；c l l a y e r o e c 曩 p i o d p h y e g a l k l e “u k t o e p 自口e n t f 岣u r , ：1 4 - 1 一 ，”1 0 0 b a s e - x p h y 蛐。啊如b l h l s 0 4 e c o p 8 - - i n l e r c o n - n e c l l o n l o s lr 4 1 i m e h o e m o d e la n d t h e i e e e 8 0 2 3 鹳m a s c d l a i n m o d 图2 2i e e e s 0 2 3 ( 2 0 0 0 ) 协议中1 0 0 m 情况下l a n 和o $ i 模型关系图6 5 案 华中科技大学硕士学位论文 _ _ 目l l _ l - - _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ = i _ = _ l = _ t = 目l = 一- 一 2 2f a s te t h a r n e t 介质类型 图2 3 表示了三种可以用于快速以太网的介质类型。其中1 0 0 代表传输速率为 1 0 0 m b p s ，而b a s e 代表基带传输。t 4 即3 类u r p ，它采用的信号速度为2 5 m h z ， 需四对双绞线，不使用曼彻斯特编码，而是三元信号，每个周期发送4 比特，这 样就获得了所要求的1 0 0 m b s ，还有一个3 3 3 m b s 的保留信道。该方案即所谓的 8 8 6 t ( 8 比特被映射为6 个三进制位) 。t x ，即5 类u t p ，可以处理速率高达1 2 5 m h z 以上的时钟信号，每个站点只需使用两对双绞线，一对连向集线器，另一对从集 线器引出。它没有采用直接的二进制编码，而是采用了一种运行在1 2 5 m h z 下的 被称为4 8 5 b 的编码方案。1 0 0 b a s e t x 是全双工的系统。f x 是光纤。我们把 1 0 0 b a s e - t x 和l o o b a s e - 统称为1 0 0 b a s e x 标准。 这个标准使得不但可以在普通的语音线路上传输1 0 0 m b p s 数据，而且可以在 新介质上传输1 0 0 m b p s 数据。 图2 3快速以太网使用的介质类型 本课题设计的网卡芯片主要是针对非屏蔽双绞线u t p ( u n s h i e l d e dt w i s t e d p a i r ) 作为传输介质，符合i e e e 8 0 2 3 协议，下文如不特别指出，则缺省指 1 0 b a s e t x ，1 0 0 b a s e - t x 。 2 3 半双工与全双工模式 半双工( h a i fd u p l e x ) 通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能同时发 送( 当然也不能同时接收) 。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后 再反向。接收和发送的同步检测将触发冲突检测。全双工( f u l i _ d u p l e x ) 通信， 6 华中科技大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ l i _ _ _ l _ _ | i i _ _ _ _ _ 目；_ i ； ； ； 即通信双方可以同时发送和接收信息，不进行冲突检测，因为双全工不遵守 c s m a c d 协议。单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都 需要两条信道。显然，双向同时通信的传输效率最高。 2 4 自适应功能 自动协商( a u t o _ n e g o t i a t i o n ，下文简称a n ) 是1 0 0 b a s e - - t 标准中的可选功 能，它使得连接在一条链路上的两个设备能够交换有关其能力的信息。它至少使 得个设备能声明自己是1 0 0 m b s 还是以1 0 m b s 运行，支持半双工还是支持全双 工，因此使得局域网交换机对遵守1 0 b a s e - - t 和1 0 0 b a s e - - t 的设备都能够提供 支持。 通过将协商信息嵌入猝发的间隔紧密的链接脉冲( l i n ki n t e g r i t yp u l s e ) 中加 以传送可以实现自动协商。1 0 b a s e - - t 接收器将此脉冲串当成普通维持链路过程 的一部分而不加响应。同样，不支持自动协商的1 0 0 b a s e - - t 接收器也将此脉冲 串视为维持链路信号，并且只在线路空闲时才传输此脉冲，因此并不干扰正常的 传输。只有支持a n 的接收站才对此脉冲作出反应，经过协商，确定双方的工作 模式在双方都支持的最高级模式下。工作模式按优先级从高到低排列为： 1 0 0 b a s e - - t x 全双工 1 0 0 b a s e - - t 4 i o o b a s e - - t x 半双工 1 0 b a s e - - t 全双工 1 0 b a s e - - t 半双工 可以看出1 0 b a s e - t 半双工的优先级最低，而如果通信双方只有一方支持a n 时，它们将缺省为工作在半双工的模式。 2 5 m a c 帧格式 图2 4 给出了m a c 帧格式，包含8 个字段。物理层对于从上层( m a c ) 传来 的数据内容并不作理会，i v a c 帧对于物理层来说最为重要的是前同步码 华中科技大学硕士学位论文 _ 口= 目；= = l l _ l _ i = i l = _ _ - 目目_ l _ _ e _ _ _ _ _ _ _ _ 自= 自一l l ( p r e a m b l e ) 以及帧的长度。各字段简述如下： p r e a m b l e ：前同步码，处于m a c 帧开始处的字段，是连续1 0 1 0 的信号， 物理层在1 0 m 和1 0 0 m 情况下会进行相应的操作对此进行识别和比特同步，以保 证后续的数据的同步性。 s f d ：帧首定界符，1 0 1 1 ，指示接下来的数据既是用户数据。 d a ：目的地址字段，指出帧要发住的工作站的物理地址。 s a ：源地址字段，指示本地工作站的物理地址。 l e n g t h ：长度指示符字段，指示紧随其后数据字节的长度。这个长度最长 为1 5 1 8 个字节。 件，鼬o c t e t s p r e n 眦e 昝d 鸯t i n t g i o n r e s s 窜f e o o 眶鹞 l e n g i i - i f l - y p e ： m a c c u e n t ；a t a ： 一。一。_ ：陬o： r 。1 l f r a m ec h e c ks e q u e n c e i - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 ： e x t e n s i o n ： 图2 4m a c 帧格式 1l d a t a ：数据字段，是m a c 帧要携带的用户数据。 p a d ：填充字段，用来对用户数据进行填加，以保证帧有足够长度。 f c s ：帧检验序列，用于检验帧在传输过程中有无差错。一般采用循环冗余校验 ( c r c ) 。 华中科技大学硕士学位论文 _ l 口_ i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 自e _ l _ 自一_ 310 1o o m b p s 数据流编码方案 数据编码的目的：首先保证足够的电平跳变，因为网络的时钟信息就是由信 号本身携带，而非另外得到。若长时间没有跳变就会导致时钟漂移。接收端的p l l ( p h a s el o c kl o o p ) 需要得到适当数量的电平跳变以正常工作达到与传来信号的 逻辑同步；其次是通过降低高使用率的频率以减少电磁干扰( e m i ) ；还要保持信 号的直流平衡( d cb a l a n c e ) ，即信号的直流分量必须尽可能的接近0 ，即高电平 和低电平信号分布尽可能的均匀。因为发送和接收端内部的电容器件，存在直流 分量将使带宽减小并产生基线漂移；某些编码数据还用于错误检测和校正，实现 控制信号和数据流的分离。 3 1 l o g 情况下采用的编码方法 1 0 m 情况下，与m a c 层之间的4 b i t 并行数据同步时钟是2 s m h z ，与介质之 间的是串行1 b i t 数据，时钟为1 0 m h z ，这个转换过程由p h y 处理1 0 m 数据接收 发送模块完成。主要的编码技术是曼彻斯特编码技术。 曼彻斯特编码：每一比特中间有一电压跳变。低到高表示“1 ”，高到低表示 “0 ”。优点是不含直流漂移，“1 ”和“0 ”的分布都占5 0 。同时存在足够的跳变 信息用于接收方的时钟同步。见图3 2 。 1 0 0 m 情况下，与m a c 层之间的4 b i t 并行数据传输速率是2 5 m b p s ，与介质 之间的是串行1 b h 数据，时钟为1 2 5 m h z 。 因为非屏蔽双绞线( u r p ) 的频率响应在本质上是低通的，使之很难在长距 离上发送高频信号。而且f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i t t e e 美国通信委员 会) 对3 0 m h z 以上信号的电磁干扰( e m he l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 有很严 格的限制，所以在1 0 0 m 情况下，只有限制频率在3 0 m h z 以上发送信号的数量， 即通过较复杂的编码以实现。这里先引入一些数据传输的基本概念。 9 华中科技大学硕士学位论文 _ 日= l _ 目_ 目_ _ - _ l l _ _ l _ _ e 自_ _ e 目i 口 目；j l = 一 3 2 数据传输效率定义 波特( b o u d ) 是码元传输的速率单位，表示每秒传多少码元。比特( 8 i o 是信息 量的单位。若一个码元只携带1 b i t 的信息量，则“比特，秒”和“波特”在数值上 是相等的。但若使一个码元携带nb i t 的信息量，则mb a u d 的码元传输速率所对 应的信息传输速率为m x n b s 。 n y q u i s t 准则：理想低通信道( 带宽为w ) 的最高码元传输速率= 2 wb o u d 具有理想带通矩形特性的信道( 带宽为w ) 的最高码元传输速率= w b a u d 香农用信息论的理论推导出带宽受限且有高斯自噪声干扰的信道的极限信息 传输速率。当用此速率进行传输时，可以做到不产生差错： 香农公式： 极限信息传输速率c = w l o g ( 1 + s n ) b s s 为信道内所传信号的平均功率；n 为信道内部的高斯噪声功率。 香农公式表明：信道的带宽越大或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率 就越高。由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，而仅仅提高信噪比会极大提高 辐射或产生电磁干扰，与f c c 规定不符，所以设法使每一个码元能携带更多个比 特的信息量，可以相对提高信息的传输速率。 坠- 111011 瞅 - 墅- 111o11 几r 厂 几几厂吣m 茹u f 图3 1 编码术语图示 一些编码方式可以使一个脉冲携带多个b i t 。器件的响应时间和后端的极限频 率就依赖于编码方式传输中最短的脉冲。一个p u l s e 的宽度就为一个波特( b a u d ) ， 1 0 华中科技大学硕士学位论文 - 目= | j l 目，_ _ l l j _ - 目_ _ _ _ t _ _ | _ = ；_ _ - _ l 目 频率即是一秒中周期( c y c l e ) 的个数，比特率和波特率的比例就是通常所说的传 输效率( e f n c i e n c y ) 。 传输效率( e f f i c i e n c y ) = 波特率，比特率 如图1 中n r z i 编码，假定它最短脉冲持续s n s ，为1 2 5 m b p s ，一个波特和一 个比特长度相同，即为1 2 5 m b a u d ，传输效率为1 0 0 。最短的周期( 2 b i t ) 为1 6 n s ， 意味着频率限制为6 2 5 m h z 。 3 3 1 0 0 m 情况下的编码方案 将比特编码为信号最简单是将数值1 映射为高信号，数值0 映射为低信号。这 是一种称为不归零( n o nr e t u r nt oz e r o ，n r z ) 的编码方案所采用的映射。见图3 2 。 n 二ii ! 种l 州神iji n 妞一：u ：m ： 图3 2n r z 码、n r z i 码和曼彻斯特编码示意图 n r z 码存在的问题是，当链路上一长串的0 和l 时，会导致了基线漂移 ( b a s e l i n ew a n d e r ) ，明确地说，接收方保持一个它所看到的信号平均值，然后用 这个平均值区分高、低信号。无论何时信号低于这个平均值，接收方都断定看到 了一个“0 ”，同样，高于这个平均值的信号被认为是一个“1 ”。所以当“0 ”和 “1 ”的个数相差很大畦它的直流分量产生变化，有可能使得对接收到的数据进行 判断时产生错误。同时n r z 码不能提供足够的跳变以提供时钟信息。 有一种方法可以解决这个问题，称为非归零反转码( n o nr e t u r nt oz e r o i n v e r t e d ，n i 配i ) 。即：要发送“1 ”则产生一个跳变，发送“0 ”则保持不变；同 样接收方发现信号有一个跳变。则判断为一个“1 ”，如果信号不变，则判断为“o ”。 这样就解决了连续“l ”的问题，但未解决连续“0 ”的问题。见图3 2 。 塞：o 华中科技大学硕士学位论文 - _ i l _ _ _ i _ _ - - _ i i l l , 。= 目_ 目_ _ _ _ _ - _ _ 目_ _ _ _ - i i _ _ 目_ i l 目= = = = 如何解决连续o 的情况就要采用4 b 5 b 编码，见图3 3 。 4 b 5 b 编码有时被称为“分组编码”，接收信号的每4 b i t 的“半位元组”加上 一个第5 b i t 即每4 b i t s 数据编码为5 b i t s ( 称为一个码组) ，具有8 0 ( 1 0 0 * 4 5 ) 的传输效率。4 b i t 有1 6 种二进制表示形式，5 比特则有3 2 种形式，容易从3 2 种 形式中选择到一些表示方法保证每4 比特数据至少有两个跳变，足够的跳变将保 证正确的同步，即选择出来的5 b i t 的方式保证一行中不超过连续3 个“o ”( 同时 比曼彻斯特编码更有效率) 。解决了n r z i 编码连“0 ”的不足。j 、k 、r 、s 等码 组用作控制信号。 d i g i t a ls i g n a l 4 b s b e n c o d i n g ( d a t a ) ( n o n - d a t a ) h e = s y m b o l t r i e dhn o m p a d l t e l $ ： ： c 咄 s y m b o l “叼脚札 2 1 1 1 1 1i i d l e s e n t l o e t w e f r a m e s ( 酣6 ) 3 1 1 0 0 0j s d ( s t a r t d e r m i t e o b j k 4 1 0 0 0 1k s d ( s t e m d e s i r e r ) t s j k s o 1 0 1te n d d 啊h t 岫i i s d a t a 6 0 0 1 1 1r “，口i c _ z e r o m r $ ( f r a m e s t a t u s ) 7 0 0 1 0 0hh e l l 9 无效码 a 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 ) 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 g o l l l ) 0 1 0 0 0 , b 0 1 1 0 0 , 1 0 0 0 011 0 0 1 c d f 图3 34 b 5 b 编码 最高为1 0 0 1 v l b p s 的数据流经过4 b 5 b 编码后成为1 2 5 m b p s ，经过n r z i 编码 后减半为6 2 5 m b p s ，必需要经过i v i l t 3 编码后才能符合基本f c c 的规定在信道上 传输。m l t - 3 是一个三态编码( 见图3 4 ) 。与n r z i 编码类似，但是由下列四态： 1 ，0 ，一l ，0 交替出现。这种数据编码方式优点在于其最高频率在其发送一连串 1 时出现，这时编码信号以l ，0 ，一1 ，0 交替重复出现，其周期长度是基础时钟 周期的4 倍。因此在使用1 2 5 m h z 时钟时，这种最坏的情况即连发1 时，主要能 量分布在3 2 5 m h z 上；其它数据形式时，能量将分布在低频3 0 m h z 以下，已经基 羞萎器薹詈勰船蕊船珊篙ll；l僦瓣黧懑 华中科技大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ 日l l l i - _ _ l _ i _ i * i i i i l l 目j 目_ - _ _ l = 目目- 目_ l _ t = ；目_ 目自= _ _ 本符合f c c 对u r p 数据传送的要求。 图3 4m l t - 3 编码图示 为确保在介质上传输的数据流满足要求，还需要使用“扰频”( s c r a m b l e ) 的 方法进一步消除高频成分并把信号能量分布到更宽的频带上。它通过一个1 1 位多 项式构成一个闭环反馈电路实现。 在1 0 0 m i - i z 数据传输时，n r z i 和4 b $ b 结合的效率为8 0 ，加上效率为1 0 0 的m l t - 3 编码，效率不变，其直流分量很小，而且其e m i 特性也满足要求。所以， 1 0 0 m 发送数据采用的编码流程见图3 5 ，数据接收类似是这个流程的逆过程。 捌噙c 回圈 + 图3 51 0 0 m i - t z 数据传输编码流程 介蜃 1 3 华中科技大学硕士学位论文 - _ i _ _ _ _ _ l _ _ _ 日自_ _ _ e _ l _ ；_ e l = j = 4p h y 体系结构设计和关键技术实现 4 1 p h y 体系结构图 p h y 体系结构的建立与i e e e 8 0 2 3 协议内容紧密相关，国内外网卡芯片物理 层虽然在一些特定功能上各有各的特点，但是都要符合协议中的规约。图4 1 是 p h y 的整体功能框图。 图4 ip h y 的整体功能框图 1 4 华中科技大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ - i - l _ _ _ ；_ l l _ _ i _ _ _ _ t _ = _ l_ i _ 如图所示，m i i ( m e d i a i n d e p e n d e n t i n t e r f a c e ) 为p h y 与m a c 之间的接口， 因为本课题设计的p h y 、m a c 、m a c 与主机之间的p c i 接口结合为一个i c ，所 以这里的m i i 没有采用协议2 2 章中定义的m d c 、m d i o 时钟和控制信号，而是 由p c i 时钟和m a c 层使用的一些寄存器地址和读写使能信号来实现寄存器的配置 和控制信号的产生。p i - p r 和m a c 之间的接口信号有： t x d 3 ：0 ：要发送的并行4 b i t 数据( n r z ) ，1 0 m 情况下速率为2 5 m ，1 0 0 m 情 况下是2 5 m 。 t x _ e r ：发送错误控制信号。 t x ：发送使能信号。_en t x c l k ：由p h y 发送数据时产生的时钟，返回到m a c 控制发送数据的速率。 c o l ：冲突信号，由p h y 的冲突检测模块产生，仅在半双工时需要。 c r s ：载波监测信号，为高表示信道上有信号。 r x d 3 ：0 ：由p h y 接收并要传输到m a c 去的并行4 b i t 数据。 r x c l k ：从接收的数据中恢复出来的与数据同步的时钟。 r xd v ：接收数据有效。 r xe r ：接收数据错误。 p i p 与介质的接口信号有：( 这里的介质其实包括片外的仃a n s f 0 锄e r 电路， 由它把信号与介质相连) t d ：发送到介质上的差分信号。 r d 4 - ：