（计算机系统结构专业论文）快速以太网适配器的设计与实现.pdf

捅要 为了使自行研制的大型喷墨绘图机作为网络外设使用，必须首先掌握网络接口工 作原理与实现方法。本文介绍了基于p c i 总线的快速以太网适配器的设计和实现过程， 主要涉及硬件电路设计和驱动程序编制两个方面。针对t c p i p 协议、网卡数据交换流 程、缓冲管理方案及p c i 总线接口规范等内容，本文都进行了较为深入的研究和阐述。 文中首先简要分析t c p i p 协议和i e e e8 0 2 3 协议，并在此基础上对网卡工作原 理进行重点描述；其次选用基于p c i 总线单芯片1 0 1 0 0 m b p s 快速以太网控制器 r t l 8 1 3 9 d ( l ) 做为主要芯片，并结合其他外围芯片实现网卡的电路原理图设计和印制 电路版制作，n i c 接口包括总线接口、双绞线接口和e e p r o m 接口；最后通过分析 w i n d o w s 网络体系结构，开发了适合该网卡的驱动程序，通过调试，取得了较好的效 果。 关键词：以太网卡p c i 总线t c p ，i p 协议缓冲管理 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no f f a s te t h e m e tn e t w o r k a d a p t e r ( n i c ，n e t w o r ki n t e r f a c ec a r d ) b a s e do np c il o c a lb u s ，f o c u s i n go nh a r d w a r ec i r c u i t d e s i g na n d n i cd r i v e rw r i t i n g i tg i v e sad e e p s t u d yo f a n de x p a t i a t e so nt c p i p , n i cd a t a e x c h a n g i n g ，b u f f e rm a n a g e m e n tt e c h n o l o g ya n dp c il o c a lb u ss p e c i f i c a t i o ne t c f i r s t l y , t c p i pa n di e e e8 0 2 3a r ea n a l y z e db r i e f l yi nt h i sp a p e r , w h i l et h eo p e r a t i n g p r i n c i p l eo fn i ci s d e s c r i b e di nd e t a i l s e c o n d l y , r e a l t e ks i n g l e c h i pf a s t e t h e r n e t c o n t r o l l e rr t l s l 3 9 d ( l ) ，s e l e c t e da st h em a i nc h i p ，w o r k sw i t ho t h e rp e r i p h e r a lc h i p st o i m p l e m e n t t h en i c sc i r c u i td i a g r a ma n dp c b t h en i ci n t e r f a c e sc o n s i s t so fb u si n t e r f a c e ， t pi n t e r f a c ea n de e p r o m i n t e r f a c e f i n a l l y , b ya n a l y z i n gw i n d o w sn e t w o r ks y s t e m s t r u c t u r e ，t h ed r i v e ro ft h i sn i ci sd e v e l o p e da n dh a sas u c c c s s f u lp e r f o r m a n c et h r o u g h d e b u g g i n g k e y w o r d s ：e t h e r n e t n i cp c il o c a lb u st c p f l pb u f f e r m a n a g e m e n t 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安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 在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名日期喀一7 ，r 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后， 发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送 交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名： 导师签名： 日期多一；，。旷 日期盆懋互止“ 绪论 绪论 目前市场上的绘图机产品大多通过p c 机联入以太网，国外少数产品可直接作为 网络外设而脱离p c 机的限制，国内尚无此类产品。为使自行开发的绘图机在以太网 中作为网络外设使用，必须首先掌握以太网络适配器( 网卡) 的工作原理及其收发数 据流程。国内生产的以太网卡产品大多采用国外生产的单芯片控制器，速度多为 1 0 m i o o mb s ，现已有单芯片上千兆以太网控制器问世。然而，现有产品一般只适用 于普通p c 机，难以很好地满足大型绘图机快速高效进行大批量数据传输的特殊要求。 通过研究开发满足大批量数据传输要求的快速以太网卡，可为实现局域网内直接 控制绘图机进行数据传输和绘图提供技术支持。 一笙二童垦望坌塑 第一章原理分析 网络适配器又称网络接口卡、网卡，一般以扩展卡的形式插在p c 机的扩展槽上， 在主机的控制下结合网络通信媒体实现t c p i p 协议中链路层以及物理接口的所有功 能。在以太网中，大多数硬件都遵守i e e e 8 0 2 3 标准。 1 1 t c p i p 协议 t c p i p ( t r a n s m i s s i o n c o n t r o l p r o t o c o l i n t e r n e t p r o t o c o l ，传输控制协议网际协议) 协议【l l 是发展至今最成功的通信网络协议，它被用于当今所构筑的最大的开放式网络 系统i n t e r a c t 之上，成为互联网络协议的市场标准。它是一组协议，这组协议使任何 具有计算机和i n t e r a c t 服务提供者的用户能访问和共享i n t e m e t 上的信息。网络协议通 常分不同层次进行开发，每一层分别负责不同的通信功能。t c n 讶协议族是由多个协 议组合的四层协议系统，如图1 1 所示： 应用层 传输层 网络层7 链路层 t e l n e t f t p 和e - m a i l 等 t c p 和u d p i p 、i c m p 和i g m p 设备驱动程序和接口晕 图1 1t c p i p 协议族的四个层次 链路层( l i n k ) 也称数据链路层或网络接口层，通常包括操作系统中的设备驱 动程序和计算机中对应的网络接翻卡。它们一起处理与传输介质的物理接口细节。 t c p 佃协议链路层主要有三个目的： 1 ) 为i p 模块传送和接收m 数据报( d a t a g r a m ) ： 2 ) 为a r p ( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l ，地址解析协议) 模块传送a r p 请求和 接收a r p 应答； 3 ) 为r a r p ( r e v e r s ea d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l ，逆地墟解析协议) 模块传送 r a r p 请求和接收r a r p 应答。 r 。 t c p i p 支持多种不同的链路层协议，取决于所使用的硬件。一u 本文只涉及以太网， 将详细讨论以太网链路层协议。 网络层( n e t w o r k ) 也称互联网层，处理分组在网络中的活动。主要由以下协议 组成：i p ( i n t e m e tp r o t o c o l ，网际协议) 、i c m p ( i n t e r n e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ，互 联网控制报文协议) 和i o m p ( i n t e m e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c o l , 互联网组管理协 4 快速以太网适配器的设计与实现 一- _ _ _ - _ _ _ - - - - _ - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ 一 议) 。 传输层( t r a n s p o r t ) 主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在t c p i p 协议族中，有两个互不相同的传输协议：t c p ( t r a n s m i s s i o n c o n t r o lp r o t o c o l ，传输控 制协议) 和u d p ( u s e r d a t a g r a mp r o t o c o l ，用户数据报协议) 。 应用层( a p p l i c a t i o n ) 负责处理特定的应用程序细节。一般提供下面这些通用 的应用程序： t e l n e t 远程登录。 f t p ( f i l et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 文件传输协议。 s m t p ( s i m p l e m a i lt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 简单邮件传输协议。 s n m p ( s i m p l e n e t w o r k m a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 简单网络管理协议。 1 2 以太网和i e 髓8 0 2 3 标准 在t c p i p 协议族中，可以使用的有e t h e m e t 、t o k e n r i n g 等接口，其中e t h e m e t ( 以 太网络) 是最常接触到的接口，它遵循i e e e8 0 2 3 标准【2 1 。 以太网这个术语是指数字设备公司( d i g i t a le q u i p m e n tc o r p ) 、英特尔公司( i n t e l c o r p ) 和x e r o x 公司在1 9 8 2 年联合公布的一个标准。它是t c 剃i p 采用的主要局域网 技术。它采用带冲突检测的载波侦听多路接入( c a r d e rs e n s em u r i p l ea c c e s sw i t h c o l l i s i o nd e t e c t i o n ，c s m a c d ) 技术，一般速率为l o l o o m b s ，目前已发展到1 0 g 高速以太网。 i e e e8 0 2 3 标准中1 0 m b s 以太网分为三个子层： m a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r o l ，介质访问控制) 子层 p l s ( p h y s i c a ls i g n a l i n g ，物理信号) 子层 p m a ( p h y s i c a l m e d i aa t t a c h m e n t ，物理介质连接) 子层 如图1 2 所示，1 0 0 m b s 以太网还包括p m d ( p h y s i c a l m e d i a d e p e n d e n t ，物理介质 相关) 子层。 l o m b l s1 0 0 m b s 图1 2i e e e s 0 2 3 标准的结构 第一章原理分析 在l o m b & 以太网中，p l s 和p m a 之间的接口通常称之为a u i ( a t t a c h m e n tu n i t i n t e r f a c e 附件接口) ，p m a 和传输介质之间的接口称为m d i ( m e d i a d e p e n d e n t i n t e r f a c e 介质相关接口) ，p m a 和m d i 共同构成了m a u ( m e d i aa t t a c h m e n tu n i t 介质连接单 元) 。m a u 通常称为收发器( t r a n s c e i v e r ，为t r a n s m i t t e r r e c e i v e r 的缩写) 。 标准i e e e8 0 2 3 包由下列域组成：先导字段( p a ，p r e a m b l e ) ，帧开始标志( s f d ， s t a r to f f r a m e d e l i m i t e r ) ，目的地址( d a ，d e s t i n a t i o n a d d r e s s ) ，源地址( s a ，s o u r c e a d d r e s s ) ，长度( l e n ，l e n g t h ) ，数据( d a t a ) ，和帧校验序列( f c s ，f r a m ec h e c k s e q u e n c e ) 。格式如图1 3 所示。 篡零星专一 图1 31 e e e 8 0 2 3 帧格式 在局域网中，大多数物理层设备在接收到有效输入信号之后，都应提供特定比特 位的有效输出。因此，在数据开始传送之前有必要传送先导字段，用于物理介质的稳 定性和同步性，并使p l s 电路达到稳态。如果在传送先导字段或帧开始标志时发生冲 突，剩余的先导字段和帧开始标志位会继续传送。先导字段格式为： 1 0 1 0 1 0 1 01 0 1 0 1 0 1 01 0 1 0 1 0 1 01 0 1 0 1 0 1 01 0 1 0 1 0 1 01 0 1 0 1 0 1 01 0 1 0 1 0 1 0 这些位按从左到右的顺序传送，对于曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 编码而言，该格式 在介质上呈现周期波形，使能位同步。 帧开始标志为1 0 1 0 1 0 1 l 。帧的结束通过图1 3 中的长度字段进行判断。 第二章总线接口选择 第二章总线接口选择 网卡是连接网络和计算机之间的接口，通过网络介质( 如同轴电缆、双绞线或光 纤) 与网络交换数据、共享资源。一方面，网卡接收网络上传过来的数据包，再传送 给本地计算机：另一方面，本地计算机上的数据也必须经网卡才能传入网络。基于不 同的总线标准，都存在多种可供选择的以太网控制器芯片，它们具有不同的特性和参 数，需要不同的外围电路支持。因此，开发快速以太网卡必须首先考虑扩展槽的类型， 不同的扩展槽采用不同的总线类型，具有不同的速率特性和工作方式。 2 i i 常用总线类型 p c 机依靠扩展功能项来改进它们的规格，这些扩展功能项就是可以插在扩展总线 上的卡。网卡通常采用的接口总线主要有三种类型：i s a 、e i s a 和p c i 。 i s a ( i n d u s t r y s t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) 总线是i b m 公司为他们的8 0 2 8 6 a t 计算 机发展的，有1 6 位数据总线和2 4 位地址总线，最多能拥有1 6 m b 可寻址内存。它使 用固定的8 m h z 的时钟脉冲速度，每3 个时钟完成l 次读写，最大传输率5 3 3 m b s 。 e i s a ( e x t e n d e di n d u s t r ys t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) 总线悬由c o m p a q 、e p s o n 、 a s t 、h p 等公司提出来的，它能与p c i s a 兼容，可以将i s a 卡直接插到e i s a 插槽 中。e i s a 总线使用异步传输技术，时钟脉冲速度为8 m h z 。它有3 2 位数据总线和3 2 位地址总线，最多可以有4 g b 雨存。理论上，最大传输遽度为3 2 m b s 。 p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r f a c e ) 局部总线( l o c a l , b u s ) 在高度集成的外 设控制器器件、扩展板和处理器系统之间提供一种内部联接枫侧。通过将地址线和数 据线复用，大大节省了信号线。p c i 总线结构具有较高的传输速率，还支持线性猝发 传送( l i n e a r b u r s t t r a n s f e r ) 和总线生控( b u s m a s t e r i n g ) 功能，能达到较高的带宽利 p 用率。 。 2 2 各种总线标准对比 因为没有哪一种总线能够完美地适合各种场合的需要，当不同的卖主企图保持与 一种特殊产品兼容时，就会出现一种既成事实的标准，因此市境生的微机大多采用多 种不同的总线标准。尽管各类总线在设计细节上有许多不问之处，1 t 但从总体原则上， 它们都必须解决信号分类、传输应答、同步控制和资源共享、分配等问蹶，因此，它 们的主要性能指标是可比较的，这一点对于系统设计者和接口板设计者同样重要。 为了选择网卡总线接口类型，表2 1 对网卡常用三种总线类型的主要性能指标进 行了对比分析。其中信号线数表明总线所需信号线数的多少，是地址总线数a b u s 、 8 快速以太网适配器的设计与实现 数据总线数d b u s 、控制总线数c b u s 的总和。信号线数与复杂程度成正比。 表2 1 计算机总线性能比较表 性能指标i s a 总线e 1 s a 总线p c i 总线 数据总线宽度1 6 位3 2 位3 2 1 6 4 位 地址总线宽度2 4 位3 2 位 6 4 位 时钟脉冲8 m h z8 m h z系统时钟 最大传输速度 1 6 m b s3 3 m b ，s1 3 2 2 6 4 m b s 时钟同步异步异步 异步同步 是否多路复用非多路复用非多路复用 多路复用 信号线数 8 81 4 34 9 ( 3 2 位) 1 0 0 ( 6 4 位) 负载能力 8 63 通过比较可知，p c i 总线具有下列优点： 1 ) 高性能低成本。可变长度线性地址的猝发反复读写模式，低延迟随机存取，处 理器与内存子系统完全一致的能力，同步总线操作达3 3 m h z 等。最优化的内部结构， 多路复用结构减少了管脚个数和p c i 部件封装尺寸。 2 ) 使用寿命长，适应性好。处理器独立，支持多种处理器以及将来开发的处理器， 支持6 4 位寻址，5 v 和3 3 v 信号环境己规范化。多主控器允许任何p c i 主控设备和主 控设备之间进行点对点访问。 3 ) 数据完整性和软件兼容性。p c i 提供了数据和地址奇偶校验使客户机平台更加 可靠。p c i 部件和驱动程序可以用于各种不同平台。 p c i 总线是业界微机系统及产品普遍遵循的工业标准之一是微机行业事实上的 标准。在当前大多数系统中，p c i 总线与i s a 等总线是并存的，使得在总线换代时间 里，各类外设产品，有一个过渡期。不久，仅有p c i 总线的计筹机蒸缡将会出现。为 了使快速以太网卡满足大型喷墨绘图桃的数据传输要求，本文选用p c i 总线作为网卡 总线接口标准。 2 3p c i 局部总线 p c i 总线允许适配器快速访问系统存储器，以及彼此问快速访问。处理器能以接 近自身总线全速的速度访问适配器通过p c ! 总线的全部读写传送都可以猝发方式进 行。这里只简单介绍p c i 规范【3 】中设计实现p c i 网卡所涉及的内容 2 3 1p c i 信号组和命令简介 在一个p c i 应用系统中，如果某设备取得了总线控制杈，就称其为“主控设备” 第二章总线接口选择 而被主控设备选中进行通信的设备称为“从设备”。相应的接口信号线通常分为必备和 可选两大类，如图2 1 所示。如果只作为从设备，至少需要4 7 条信号线，作为主控设 备则需要4 9 条。利用这些信号线便可处理数据、地址，实现接口控制、仲裁及系统功 能。 必备信号可选信号 i6 4 位总线 扩展信号 j 3 - 接口控制 - 中断信号 j 、支持c a c h e ， 的信号 l 边界扫 ，描信号 j 图2 1p c i 局部总线信号( 图中# 号表示低电平有效。否则为高电平有效) 本文开发的快速以太网卡不支持6 4 位扩展信号，藤使用的主要信号描述如下： c l ki n ：时钟信号。为所有p c i 传输提供时序。 r s t # i n ：复位信号。 a d 3 1 ：0 0 l t s ：地址和数据共用引脚。 c b e 3 ：0 # t s ：总线命令和字节使能共用引脚。 p a rt s ：奇偶性校验。 f r a m e # s t s ：帧周期。置位表示总线事务的开始。当f r a m e 捍有效时数据 进行传送，f m w e 撑无效表示事务处于最后一个数据节拍或已经完成。 i r d y # s t 萋 主撞设餐蠛蔫就绩信号 l o 快速以太网适配器的设计与实现 t r d y # s t s ：从设备准备就绪信号。i r d y # 和t r d y # 同时有效时，数据节拍 可在任何周期内完整传输。 s t o p # s t s ：指出从设备正在要求主控设备停止当前数据传送。 i d s e l i n ：初始化设备选择，在参数配置读写传输期间用作片选信号。 d e v s e l # s t s ：当从设备译码它的地址时，使设备选择信号有效。 r e q # t s ：总线请求信号。 g n t # t s ：总线授权信号。 p e r r # s 厂r s ：奇偶校验错。 s e e r # 0 d ：系统错误信号。 i n t a # o d ：中断请求信号。 命令字节使能信号c b e 3 ：0 # 用于表明命令或交易的类型。表2 2 给出了主控设 备位于命令字节使能总线上的设置以表明进程中的命令类型。 表2 2 p c i 命令类型 c b e 3 ：0 # ( 二进制)命令类型 0 0 0 0 中断确认 0 0 0 1专用周期 o o l 0i 0 读 0 0 l li 0 写 0 1 0 0 保留 0 1 0 1 0 1 1 0存储器读 0 1 1 l存储器写 1 0 0 0 保留 1 0 0 1 1 0 1 0配置读 1 0 1 l配置写 1 1 0 0存储器多行读 1 1 0 1双地址周期 1 1 1 0存储器行读 存储器写和使无效 1 l l l ( w n t e - a n d 1 n v a l i d a t e ) 2 3 2p c i 总线仲裁 在任意时刻，一个或多p c i 总线主控设备可能要求使用p c i 总线，将数据传送到 另一个p c i 设备。为了这一目的，p c i 使用r e q # ( 请求) 信号和g n t # ( 授权) 信号。 p c i 主控设备与中央p c i 资源间的关系就是总线仲裁器。b u sa r b i t e r ) a 这种总线仲裁 第二章总线接口选择 通常是p c i 总线主控设备激活r e q 撑信号，请求控制p c i 总线，然后仲裁逻辑电路就 激活g n t # 信号，这样发出请求信号的主控设备就可以获得总线的控制权。 为了避免总线死锁，p c i 总线规范【3 1 要求中央仲裁器实现公平算法。公平意味着： 必须授权每个潜在的总线主控设备，独立于其他请求访问总线。 2 3 3p c i 配置空间 当机器第一次加电时，配置软件必须扫描在系统中的不同总线，确定什么设备存 在和它们有什么配置要求。这个过程常常指的是：扫描总线、激活总线、检查总线、 发现过程和总线枚举。为了实现这个过程，每个p c i 功能必须实现由p c i 规范定义的 一组配置寄存器。依赖其操作特性，功能还可以实现出p c i 规范定义的其他要求的或 可选的配置寄存器。 系统软件可能需要扫描p c i 总线以确定实际存在的设备。为此，配置软件必须读 取每个p c i 槽位上的设备供应商识别代码。如果所读取的位置上不存在一个设备，则 从宿主总线连到p c i 的桥必须琅确无误地报告出来。由于0 f f f i - i 是一个非法的供应商 识别码，所以，宿主总线到p c i 韵桥可以返回一个全“1 ”作为一个设备的配置空间 寄存器的读出值，以表示设备不存在。 i 。 p c i 配置空间是一容量为2 5 6 字节并具有特定记录结构的地址空间。该空间又分 为头标区和设备有关区两部分。设备在每个区中只实现登要盼瓤笱之相配的寄存器。 一个设备的配置空间不仅在系统自举时可以访问，在其它时间内也可以访问。 头标区的长度为6 4 字节，每个设备都必须支持该嚣的寄存器分配。其余的1 9 2 字节因设备而异，设备须把所辩设各寄存器置于6 铲= _ 2 鹳之间。该区包含对设备进行 识别的唯一标识码，和允许对设备进行一般控制的糟孚蠛。偿旷2 2 列出了头标区的结 构，所有多字节数值域从小到大排序，低地址包括该域有效部分：软件必须正确处理 一些为将来保留的位。读时，软件使用合适的屏蔽抽取邑定义位；写时，软件必须保 证不改变保留位置上的值，首先读出保留位的值，。然船淝蒸宅位上的新值拼接下来写 回。 1 2 快速以太网适配器的设计与实现 3 l1 6 1 50 d e v i c ei dv e n d o ri d s t a t u sc o m m a n d c l a s sc ：o d er e v i s i o ni d b i s t lh e a d e r t y p el a t e n c yt i m e rl c a c h el i n es i z e b a s ea d d r e s sr e g i s t e r s c a r d b u sc i sp o i n t e r s u b s y s t e mi ds u b s y s t e m v e n d o ri d e x p a n s i o nr o m b a s ea d d r e s s r e s e r v e di c a p a b i b t i e s p o i n t e l r e s e r v e d m a x _ l a tl m i n ( 孙t 、! e e r r u p tp i ni n t e r r u l 谴l i n e 圈2 2 配置燮同头标区结构 2 3 4p c i 插入卡设计要求 p c i 系统扳是围绕一个p c i 芯片组实现的。芯片组与p c i 总线接口的缓冲区驱 动器逻辑为5 v 或3 3 v 逻辑。芯片组将p c i 总线信号环境定义为3 3 v 或5 v 。为使插 入式p c i 卡正常操作，它的缓冲区驱动器逻辑必须与系统板的p c i 信号环境相匹配。 但是，5 v 卡和3 3 v 卡都能够混合使。鼹3 叠v 和5 v 的逻辑。 p c i 规范定义了卡的三种物理尺寸： 标准卡或长卡：尺寸为1 2 2 8 3 ”4 2 7 。 高度固定的短卡：尺寸为4 2 ”x 6 , 8 7 5 ” 高度可变的短卡：高度变化范围为1 a 2 到4 2 ”。 为了达到p c i 信号传递延迟规范的要求，将p c i 信号线的长度尽可能缩小至关重 要。在这个前提下，p c i 规范推荐p c i 器件上的引脚顺序与p c i 边缘连接器的引脚顺 序完全一致。将i d s e l 设置在距a d 线的上部物理位置较近的地方有利于将i d s e l 与它们电阻耦合。 为确保t d i t d o 链保持完整，不具有边界扫描能力的卡必须将t d i 与t d o 边 界连接器的引脚在总线上连接。t d i 和t d o 是串行测试数据的输入与输出引脚。使用 t c k ( 澳t 试时钟) 信号、命令和请求可以以串行方式转送到设备或由设备转送出来。一 个设备的t d o 在边界扫描测试链中与下一个设备的t d i 连接 包含p c i 总线的3 2 位部分的所有信号其最大电路长度必须限定在1 5 英寸以内。 咖啡咖鼢m m m m 妣m l罨l菩姗妣l曩姗 第三章以太网卡工作原理 第三章以太网卡工作原理 基于p c i 总线的以太网卡是由以太网控制器和其他控制转换部件组成的智能接 口，是信息传输、控制和管理的重要环节。为了满足信息串并转换的要求，并使主机 的传输速度能与以太网卡相匹配，在网卡上设置了数据缓冲存储器。数据的串并转换、 c r c 校验以及数据的传送与接收、冲突检测等任务都是在网卡上完成的，网卡上的各 部件在网络控制器和微处理器的统一协调下工作，主机以传输命令的方式控制网卡的 工作。网卡的工作任务大致有以下两个方面： 1 ) 数据的传送和接收。传送时，网卡将数据按定格式装配成帧，配以先导字段、 帧开始标志、目的地址、源地址以及填充段、c r c 校验等，然后再串行传送。接收时， 首先鉴别目的地址，如与本站地址不符，则将此帧信息丢弃，否贝u 进行串并转换，再 对信息帧进行分解，把有效数据送往缓冲存储器。接收完一个信息帧后，如检验正确， 则向传送站送出一个a c k 应答帧；如有错误，则传送n a k 否定应答帧。 2 ) 电缆收发控制。包括载波侦听。冲突检测、传送定时等。冲突检测的方法是在 传送信息的同时对电缆上的信息送行接收采样，再与传送信息比较是否一致。 对于m a c 子层来说，网卡硬件主要实现帧的封装与解封以及c s m c d 协议两 部分功能。在i e e e8 0 2 3 标准中，p l s 子层的功能是把从m a c 得到的n r z ( n o n r e t u r nt oz e r o ，非归零码) 信号通过转变在介质上进行传送接收时，把从介质得到 的代码又恢复为一般形式的n r z 码。这种过程分别称为数据编码和数据解码，在网卡 上一般用物理层编码解码电路来实现。m a u 中的p m a 主要为电缆收发器电路。m d i 为物理媒体连接件，实际上是外收发器与电缆联接的机械联接件。 因此，除了p c i 总线接口外，以太网卡的核心功能由m a c 模块、物理层编码解 码电路和收发器三部分实现。这三部分功能既可以通过各自的v l s i 器件实现，又可 以把其中两种或三种功能集成到一个v l s i 器件实现。 3 1 以太髓卡鼬c b i u 功能与实现 网卡的m a c b i u ( m e d i aa c c e s sc o n t r o l l e r b u sh i 嗡盼战避囊介质访问控制器 总线接口单元) 模块完成i e e e 8 0 2 3 m a c 子层功能，还包括p c i 总线、l e d 和e e p r o m 接口。如图3 1 所示。 1 4 快速以太网适配器的设计与实现 图3 1 网卡m a c b i u 功能模块 3 1 1f i f o 和缓冲控制逻辑 m n 接口 网卡一般使用两个s r a m 块作为传送和接收的缓冲数据f i f o 。f i f o 开端是可编 程的。当f i f o 填充它的编程开端后，局域d m a 通道传输这些字节( 或宇) 到局域内 存。 d m a 和缓冲控制逻辑用于控制两个1 6 位d m a 通道。在接收过程中，局域d m a 把数据包存入接收缓冲环，它位于缓冲存储器。在传送过程中局域d m a 使用编程指 针和长度寄存器把包从局域缓冲存储器转移到f i f o 。第二个d m a 通道用作一个附属 d m a 在局域缓冲存储器和主机系统闯转移数据。局域d m a 和远程d m a 进行内部仲 裁，局域d m a 通道具有最高的优先权。这两个d m a 通道都使用共同的外部总线时 钟来产生所有需要的总线定时。外部仲裁在标准总线请求、总线应答握手协议下执行。 3 1 2 传送和接收操作 主c p u 把一个描述符的整个数据包存入主存，从而初始化一次传送( t r a n s m i t ) 。 一旦整个包传送到传送缓冲区，网卡便在总线主控模式下将数据从传送缓冲器转移到 内部传送f i f o 。当传送f i f o 包含一个完整的包或己填满编程阙值，网卡便开始进行 包的传送。进入的包存放于接收f i f 0 。同时，网卡对多播包进行地址过滤。当接收f i f o 中的数据达到接收配置寄存器定义的数量时，网卡请求p c i 总线，开始在p c i 总线主 第三章以太网卡工作原理 控模式下传送数据到接收缓冲区。 网卡缓冲管理方案允许快速、简便、有效地使用帧缓存。帧在传送和接收中使用 类似的格式存储但使用分别的缓冲区和包信息描述符。 图3 2 以传送过程为例，说明了网卡的数据流程。当相应寄存器置位并且传送器 空闲时，网卡将当前传送描述符的内容读到传送描述符缓存。 3 1 3 接口描述 图3 2 传送体系结构 网卡的p c i 总线接口块实现p c i 总线协议和配置空间。允许网卡直接和3 3 m h z p c i 系统总线连接。网卡支持附加的外部串行e e p r o m ，对其进行读写操作。通过 e e p r o m 把相关信息自动装载到p c i 配置空间和操作空何。弗验证有效性。网卡还可 以驱动l e d ，显示数据收发和连接状态。 3 2 物理层和收发器功能。 对于同时支持l o b a s e t ( 1 0 兆位基带t 以太阿) 。和i o o b a s e - t x ( 1 0 0 兆位基 带t x 以太网) 以太网协议的物理层功能的网卡，收发器模块符合a n s i t p - p m d ( 双 绞线物理介质标准) 【6 】，可直接通过一个外部变压器和双绞线相连。网卡具有自适应 ( a u t o - n e g o t i a t i o n ) 功能，支持两种速率下的半双工和全双工操作。网卡的物理层和 收发器功能模块如图3 3 所示。 1 6 快速以太网适配器的设计与实现 物理层 3 2 i 物理层回路 图3 3r t l 8 1 3 9 物理层和收发器功能模块 网卡通过寄存器实现物理层回路( p h yl o o p b a c k ) 检测模式，用于板卡诊断和设 备的快速功能验证。在回路模式下，l o m b s 和l o o m b s 数据都不会传送到介质a 在 1 0 0 b a s e t x 回路模式下，数据通过p l s 和p m a 层到达p m d 子层，然后再循环回 来。 3 2 2i o o b s e - t x 传送 1 0 0 b a s e t x 传送是将同步4 位半字节数据转换为扰频( s c r a m b l e d ) m t l 一3 ( m u l t i l e v e l t r a j l s m i t 一3l e v e l s ，多层传输3 ) 1 2 5 汹s 串行数据流，如图3 3 所示。由于1 0 0 b a s e t x 集成了t p p m d ，差分输出引脚可k 可直接连入变压器具体由下列功能块组成： 1 ) 4 b 5 b 编码器( 参见附录a 4 ) 码群编码器( c o d e g r o u pe n c o d c r ) 将m a c 生成的4 位( 4 b ) 半字节数据转换为 5 位( 5 b ) 码群传送，组合控制数据和包数据码群。首先，m a c 前端最初8 位用j k 码群对( 11 0 0 01 0 0 0 1 ) 代替：接下来进行传送，码群编码器把连续的4 b 半字节前端 第三章以太网卡工作原理 和数据用相应的5 b 码群替换；在m a c 解除传送使能信号之前，码群编码器插入t r 码群对( 0 1 1 0 10 0 1 1 1 ) 表示帧的结尾。然后，码群编码器连续注入i d l e 信号，直到 检测到下一个传送包( 重新置位传送使能信号) 。 2 ) 扰频器( s c r a m b l e r ) 扰频器用来控制介质连接器与双绞线电缆上的辐射( r a d i a t e de m i s s i o n s ) 。通过对 数据进行扰频，投入到电缆上的总能量在一个很宽的频率范围内随机分布。如果没有 扰频器，p m d 和电缆上的能量水平会超过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 s s i o n ， ( 美国) 联邦通信委员会) 关于重复5 b 序列码的频率限制。 明码( p l a i n t e x t ) 比特流通过模2 加一个钥匙流( k e ys t r e a m ) 产生加密( c i p h e r t e x t ) 比特流。钥匙流是由递归线性方程 【门】= x n 1 1 】+ x n 一9 】( 模2 )式( 3 - 1 ) 生成的2 0 4 7 比特的周期序列。扰频器在需要传送扰频数据流时生成特定的非零钥匙 流。钥匙流序列由一个l l 位l f s r ( l i n e a rf e e d b a c ks h i rr e g i s t e r ，线性反馈移位寄 存器) 生成。由式( 3 - 1 ) 可知，l f s r 的输入位是倒数第1 1 位秘第9 位，并且至少包 含一个非零位，否则将生成常数零序列。这种方法平均运行长度为大约2 个连续的零， 并且最大运行长度为大约6 0 个连续的零。l f s r 的输出是来自4 b 5 b 编码器的串行n r z 数据根据式( 3 1 ) 进行异或的结果，绳到的扰频数据流在特定的频率范围内能足够自 由地减少辐射，多达2 0 d b 。 3 ) 并串转换 4 ) n r z ( n o n r e t u r n t o z e r o ，非归零码) 到n r z i ( n o n r e t u r n t o z e r o ，i n v e r t o 矗o n e s ， 反向非归零码) 编码器( 参见附录a 5 ) 在传送数据流被串行化和扰频后，数据必须编码为n r z ! 以遵循t p - p m d 标准1 6 j ， 满足1 0 0 b a s e t x 在五类无屏蔽双绞线上进行传送的要求。 5 ) 二进制码( b i n a r y ) 到m l t - 3 编码器 把从n r z i 编码器得到的串行二进制数据流，输出转换为两个= 进制数据流，并交 替定相逻辑1 事件，完成二进制码到m l t - 3 的转换，如图3 4 所示。 b i n a r y i n 几n 几f 1 几广 圈3 , 4 二进制码到m l t - 3 码转换 l 一 堡垄些奎旦重堡璺塑堡生皇塞翌 这两个二进制数据流供应给双绞线输出驱动器，将电压转换为电流并交替驱动传 送变压器主线圈的两边。产生m l t - 3 信号。 来自t d 士通用驱动器输出引脚的1 0 0 b a s e t xm l t - 3 信号是回转速率( s l e w r a t e ) 控制的。选择a c 耦合变压器时，必须保证遵守t p p m d 标准的转换时n ( 3 n s t r 选中开始王作，通过三条串智接口信号线进行访问： 第四章网卡硬件设计与实现 2 7 数据输入( d i ) 、数据输出( d 0 ) 和时钟信号( s k ) 。图4 5 为接口连接示意图，具 体信号连接见附录b 3 。 r t l 8 1 3 99 3 c 4 6 c se e c sv c c s ke e s k ：d ie e d l d oe e d oo n d 图4 5e e p r o m 接口连接示意图 4 4p c b 设计与实现 在完成电路原理图之后，方案要求进行硬件布线图的设计和实现。 首先，布线圈的设计必须满足嬲插入卡的设计要求翱p c i 信舄的走线要求。其 次，还要满足r t l s l 3 9 及其它外围芯片对信号的要求。在布线图的设计实现过程中， 需要针对这些特殊要求进行特定的设计。p c i 插入卡的设计要求详见2 2 4 小节。下面 简要介绍其他一些设计要求。 4 4 1 器件放置 l 2l l p c i 接口 t - - 一卜一- l 卜= 介 d 一- ， i 1 r t l s l 3 9 l 叠尊 i | i _ _ 一 。_ | 【l - - - 卜 ib 盼 1 ： i p ui ；：l l h 图4 6 网卡器件放置参考 1 ) 在图4 6 中，块b 应靠近变压器。i l l 4 5 到变压器之间的距离l 1 应尽量短。 快速以太网适配器的设计与实现 r t s e t ( r t l s l 3 9 d 引脚6 5 ) 应尽可能靠近r t l s l 3 9 ，并尽量远离t x + ，r x + 及 时钟信号。变压器或在磁场中工作的设备应和其他设备成9 0 度。高电流设备应尽量靠 近电源以减小走线