（微电子学与固体电子学专业论文）以太网介质访问控制soc芯片的研究.pdf

摘要 摘要 本文主要介绍的是以太网介质访问控制s o c 芯片的设计，由于s o c 的设计 是以i p 复用技术为基础，所以文中首先详细介绍了一款符合i e e e 8 0 2 3 c s m d 标准的8 位1 0 1 0 0 m 以太网介质访问控制m a c 芯片的设计过程。该 芯片为以太网介质访问控制层芯片，主要实现对以太网数据包的装帧发送与接 收拆帧功能，支持1 0 m b p s 和1 0 0 m b p s 的传输速率，支持全双工和半双工的工 作模式，支持标准m i i 接口，芯片还可以设置为l o o p b a c k 模式，即自发自收功 能。 接下来，本文介绍了一款与8 0 5 1 兼容的8 位m c u ，它完全兼容8 0 5 1 指令 集，拥有8 0 5 1m c u 的所有外围资源。另外，该m c u 指令周期为标准8 0 5 1 单 片机的i 6 ，因此在相同的工作频率下，程序的执行速度可以提高6 倍。同时， 本m c u 还扩展了外部特殊功能寄存器接口和外部中断源，以方便与其它模块的 连接。 文章最后一章对基于以上两种芯片的s o c 技术进行了研究，将m a c 和m c u 的i p 核相结合，形成一款高性能以太网控制器，在t c p i p 协议栈的支持下，配 合必需的外围器件，形成一个小型的以太网站点系统，用户可以自行开发应用 层软件，整个系统有很大的应用空间。 关键词：以太网介质访问控制i e e e 8 0 2 3c s m a c d8 0 5 1 s o c a b s t r a c t ab s t r a c t t h i st h e s i sp r e s e n t st h em o t h o do fd e s i g n i n ga1o 10 0 me t h e r n e tm e d i aa c c e s s c o n t r o ls o cc h i p b e c a u s et h es o cd e s i g ni sb a s e do nt h ei pm u l t i p l e x i n g ，t h et h e s i s f i r s t l yd e s c r i b e sa l l8 - b i tm a cc h i pb a s e do nt h ei e e e8 0 2 3c s m a c ds t a n d a r d t h ec h i pi sam e d i aa c c e s sc o n t r o ll a y e rc h i p i t sm a i np u r p o s ei st of r a m e ，t o t r a n s f e ra n dr e c e i v e ，a n dt od e f r a m et h ee t h e m e tf r a m e i ts u p p o r t sb o t h10 m b p sa n d lo o m b p st r a n s f e rr a t e ，f u l la n dh a l fd u p l e xm o d e ，a n dm i ii n t e r f a c e t h ec h i pc a n a l s ob ec o n f i g e df l st h el o o p b a c km o d e ，w h i c hm a k e st h et e s tm u c he a s i e r t h e nt h et h e s i si n t r o d u c e sa n8 - b i tm c uw h i c hi sc o m p a t i b l e 、 ，i t l lt h e8 0 51 m c u i th a st h es a m ei n s t r u c t i o ns e ta n dt h ep e r i p h e r a lr e s o u r c e sa st h es t a n d a r d 8 0 51 b e s i d e st h ei n s t r u c t i o nc y c l ei so n l y1 6a sm u c ha st h a to ft h es t a n d a r d8 0 51 ， w h i c hm e a n si tc a nr u na tt h es p e e d5t i m e sf a s t e rt h a ns t a n d a r d8 0 51u n d e rc e r t a i n w o r k i n gf r e q u e n c y f u r t h e r m o r ei th a st h ee s f ri n t e r f a c ea n de x t e n d st h ee x t e r n a l i n t e r r u p ts o u r c e s ，w h i c hm a k si te a s yt oc o n n e c tw i t ho t h e rm o d u l e s t h el a s tc h a p t e rm a k e sar e s e a r c ho nt h es o ct e c h n i q u eb a s e do nt h i sm a ci p c o r e c o m b i n e dw i t ht h em c ui pc o r e ，i tb e c o m e sah i g hp e r f o r m a n c ee t h e r n e t c o n t r o l l e rc h i p w i t ht h es u p p o r to ft h et c p h ps t a c k ，i tc a nb u i l das m a l ln e t w o r k s t a t i o n 、析t hs o m en e c e s s a r yd e v i c e s a p p l i c a t i l o nl a y e rs o r w a r e sc a nb ed e v e l o p e d a c c o r d i n gt ot h eu s a g e s ot h ep r o j e c ti nt h i st h e s i sh a sg r e a tv a l u ei nb o t ha p p l i c a t i o n a n dm a r k e t i n gf o r e g r o u n d k e yw o r d s ：e t h e m e tm a c i e e e 8 0 2 3c s m a c d8 0 51s o c i i 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h 郇：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 2 0 年月日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 姓名学号答辩日期年月 日 论文类别博士口 学历硕士口硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所专业 联系电话e m a i l 通信地址( 邮编) ： 备注：是否批准为非公开论文 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 第一章引言 第一章引言 第一节网络历史 2 0 世纪5 0 年代的计算机庞大而又昂贵，只供少数特殊用户使用，这些计算 机不能与用户交互。当时，计算机的处理器性能被认为是重中之重，用户的利 益被大量的忽略。当处理器在6 0 年代变得更加便宜时，多终端系统出现了，通 过电话线，使用调制解调器将终端连接到计算机，这样，第一代广域网便出现 了，这些网络允许多个远程用户访问多台超级计算机的共享资源。在分布式系 统出现时，不但实现了终端和计算机的连接，而且还实现了计算机和计算机之 间的连接。广域网将分布在不同地理位置的计算机连接在一起，有些计算机甚 至坐落在不同的城市和国家。 1 9 6 9 年，美国国防部提出一项研究，旨在将国防部和研究中心的计算机连 接成一个网络。这个称为a r p a n e t 的网络成为了第一代使用最为广泛的广域 网，现在它被称作因特网。 广域网从早期广泛使用的长距离网络，如电话网络中继承了许多特性，但 他最具创新性的特性是放弃了电路交换的原理，而使用了分组交换的原理。根 据分组交换原理，数据被划分为很小的段，称为分组或包，目标主机的地址被 嵌入到包头里，这一做法允许每个分组自行在网络上传输。对于突发性的数据， 试验和数学方法都证明基于分组交换原理的网络比电路交换的网络更有效。 2 0 世纪7 0 年代早期，随着计算机部件制造技术的发展，大规模集成电路出 现了。大规模集成电路具有低成本高效能的特性，这使得小型计算机得以发展。 从那时起，小公司也有可能拥有他们自己的计算机。随着时间的推移，计算机 用户的需求不断的发展，用户不再满足在一台计算机上独立的工作，有时候他 们需要与其它分支机构和办公室的同事交换计算机数据，为了满足这些需求， 第一代局域网出现了。一开始，人们使用非标准化的网络技术把计算机连接到 网络上，2 0 世纪8 0 年代中期开始，人们建立了将计算机连接到网络的标准技术， 这些技术包括以太网，a r c n e t ，令牌环，以及后来的光纤分布式数据接口。 2 0 世纪9 0 年代晚期，以太网成为了局域网无可争议的领导者，除了传统的 以太网技术( 1 0 m b p s ) 以外，这一家族还包括快速以太网( 1 0 0 m b p s ) 和千兆以太网 ( 1 0 0 0 m b p s ) 。 第一章引言 和广域网相比，由于局域网网络节点之间的距离较短，使得网络开发者可 以使用更高质量的通信链路，从而获得更高的数据交换速率。相反，广域网由 于通信信道的低可靠性，从而需要更复杂的数据传输方法和设备。 渐渐地，局域网和广域网的区别开始消失，网络工程师开始通过广域网这 一媒介将局域网连接起来，广域网和局域网的整合使他们的技术相互渗透。 第二节局域网简介 1 2 1 局域网及其物理结构 局域网( l o c a la r e an e t w o r k ) ，简称l a n ，是指在一定范围内由若干计算机 组成的计算机网络。这个范围可以是一个办公室，也可以是一个学校，但相比 广域网通常是一个相对较小的区域。在局域网内，可以实现文件、设备的共享， 邮件收发等功能。 1 9 8 0 年，i e e e 成立了i e e e 8 0 2 委员会，目标是将局域网技术标准化， i e e e 8 0 2 x 标准体系就是其努力的结果。i e e e 8 0 2 x 包含了关于l a n 底层设计和 执行的建议，这些标准的开发是基于一些流行的专用网络标准，例如以太网， 令牌环，光纤局域网等等。 自1 9 8 3 年开始至今，i e e e 8 0 2 委员会陆续公布了以下“个局域网标准文件： i e e e 8 0 2 1 ：包括两部分，a 部分为综述和体系结构；b 部分为寻址、网 际互连和网络管理。 i e e e 8 0 2 2 - 为逻辑链路控制( l l c ) 部分。 i e e e 8 0 2 3 ：为c s m a c d 方法和物理层规范。 i e e e 8 0 2 4 ：为令牌传递总线( t o k e nb u s ) 方法和物理层规范。 i e e e 8 0 2 5 ：为令牌环( t o k e nr i n g ) 方法和物理层规范。 i e e e 8 0 2 6 ：城域网( m a n ) 的访问方法和物理层规定。 i e e e 8 0 2 7 ：宽带局域网。 i e e e 8 0 2 8 ： 光纤局域i 网( f d d i ) 。 i e e e 8 0 2 9 ： i s d n 局域网。 i e e e 8 0 2 1 0 ：网络的安全。 i e e e 8 0 2 1 1 ：无线局域网。 在共享介质的局域网网络结构中，用中继器将单个设备连接起来形成一个共 2 第一幸 r 占 享介质段。基于双绞线的多端u 以太网巾继器又被称为集中器或者集线器，因 为它可以集中连接很多网络节点，集中器接收来自一个节点的信号，同时将信 号传送到其它所有端口，这样就形成了公共数据传输介质( 一条逻辑单信道) 。一 旦当同时有信号传输到集中器的多个输入端时，就形成了冲突这种情况下， 集中器发送拥塞序列到它所有的输出端。图i1 为集中器原理示意图 i 讴迢研 图1 1 集中器原理 由集中嚣连接起来的终端共享一个介质，这种共享介质的方法有很多优点， 其中之一就是简化了l a n 的通信设备，然而这种方法也有很多缺点，最明显的 就是它的低可延拓性。因为随着l a n 节点的增加，将导致分配给每一个节点的 带宽成比例的减少。解决l a n 的可延拓性问题的正常方法就是将它分割成一些 段，每段作为一个独立的共享介质，这种逻辑分割是由网桥或者交换机实现的。 如网1 2 刚段l 和网段2 由网桥连接，每个网段的内部流量只在网段内的 各节点问传播若某网段的节点需要发送数据到另一网段的节点，则数据由网 图l2 嘲桥连接的两个网段 桥转发至另一阿段。通过这种方法，可以有效的减少每个网段的负载，增加每 第一章引言 个节点的有效带宽。( 阿桥和局域网交换机功能相似，交换机比网桥性能更好， 它的每一个接口都有一个专门的处理器来处理数据帧，而网桥只有个处理单 元。) 当交换机的每个端1 3 连接的不是整个网段而是只有一台计算机并且这种 连接使用了两个物理上分离的信道时，如图13 ，此时这个端口既可以以普通的 半双工模式运行，也可以以全双工模式运行。在全双工模式下，交换机端口和 网络适配器同时传输帧并不会发生冲突。这样就大大的提高了节点发送和接收 数据的效率。虽然这种方法比共享介质l a n 更加昂贵。但是他却有包括可延拓 性在内的许多优点。 图13 全双工模式 12 2 以太网简介 以太网是当夸最常用的局域阿标准。1 9 7 2 年，罗伯特梅特卡夫( r o b e r t m e t c a l f e ) 和施乐公司帕洛阿尔托研究中一心, ( x e r o xp a r e ) 的同事们研制出了世界 上第一套实验型的以太网系统，用来实现x e r o x a l t o 种具有图形用户界面的 个人工作站) 之间的互连，这种实验型的以太网用于a l t o 工作站、服务器以及 激光打印机之间的互连，其数据传输率达到了2 9 4 m b p s 。该网络的研究成功， 引起了大家的关注。1 9 8 0 年，三家公司( 数字设备公司d e c 、i n t e l 公司、施乐 公司) 联合研发了1 0 m 以太网1 , 0 规范。最初的i e e e 8 0 23 即基于该规范，并 且与该规范非常相似。8 0 2 3 工作组于1 9 8 3 年通过了草案，并于1 9 8 5 年出版了 官方标准a n s i i e e es t d8 0 23 1 9 8 5 。从此以后，随着技术的发展，该标准进行 了大量的补充与更新，以支持更多的传输介质和更高的传输速率等。 第一章引言 以太网为总线型拓扑结构，采用c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t 即带冲突检测的载波监听多路访问) 方法来竞争总线， 同一时刻网络上只允许一个节点进行传输，否则便形成了冲突。为了最大程度 的减少冲突，最大程度的提高网络速度和使用效率，交换机被越来越多地使用 来进行网络连接和组织，这样以太网的拓扑结构就成了星型，但在逻辑上，其 拓扑结构依然为总线型。 早期的以太网只有l o m b p s 的传输速度，这种以太网被称为标准以太网。随 着网络的发展，标准以太网技术已难以满足日益增长的网络数据流量速度需求。 1 9 9 5 年，i e e e 推出快速以太网标准，它能够提供l o o m b p s 的传输速度。1 9 9 8 年出现千兆以太网标准，2 0 0 2 年达到1 0 g 以太网标准，每一个新标准都比前一 个速度提高了1 0 倍。由于以太网具有高速度、低成本、高可靠性等特点，所以 它已经成为当今应用最为广泛的局域网技术。 第三节以太网介质访问控制层概述 早期各个网络厂商拥有私有网络，不便于同其它厂商的网络进行通讯。2 0 世纪8 0 年代早期，几个专门的国际标准化组织开发了开放系统互联( o p e n s y s t e m si n t e r c o n n e c t i o r t , o s i ) 。这一模型在计算机网络的发展中发挥了重要的作 用n 1 。 在o s i 网络模型中，相互通讯的工具被划分为7 个层次，如图1 4 所示，分 别为应用层，表示层，会话层，传输层，网络层，数据链路层和物理层，每一 层严格定义了网络互连的一个方面。 0 s i 模型 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 软件 硬件( 网卡) 图1 4 0 s i 网络模型 第一章引言 i e e e 8 0 2 x 标准中将数据链路层分为两个子层，分别为逻辑链路控制层 ( l o g i cl i n kc o n t r o l ，简称l l c ) 和介质访问控制层( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，简 称m a c ) 。其中介质访问控制层( m a c ) 与最低层物理层( p h y ) 属于硬件部 分，共同构成局域网网络接口适配器。 物理层的主要功能是物理连接的建立，维持和拆除；实体之间信息的按比 特传输；实现设备间的特性匹配，包括机械特性、电气特性、功能特性和规程 特性，在传输线路之间提供信号变换恢复和编解码的功能，并且负责建立、保 持和释放数据链路的连接【2 j 。 介质访问层主要任务是：发送数据时按某种规则从l l c 层接收数据，然后 将其装帧并按照一定的规则发送到物理层。当接收数据时，m a c 层首先从物理 层接收到数据帧，并根据数据帧中附加信息检查是否在传送过程中发生错误。 如果数据正确，则去掉控制信息后将其送至l l c 层。 介质访问控制层作为介质共享算法是任何l a n 技术中最为重要的技术。以 太网使用的是带冲突检测的载波侦听多路访问方法c s m a c d ( c a r r i e rs e n s e m u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 。以太网中多个终端都连接在一条总线上，各 终端设备以竞争方式抢占总线，每一时刻只允许一个终端结点利用总线发送数 据包，两个以上的终端结点同时发送数据包就称为冲突( c o l l i s i o n ) 。c s m a c d 方法的重点是：某结点a 在发送前需先侦听总线，如有载波存在就表明本结点 以外的终端结点正在发送数据包，必须等待网络介质空闲时再进行发送。一旦 发生冲突，每个发送结点都发出干扰堵塞信号( j a m ) ，以确保总线上整个系统 都能够检测到当前已有冲突发生，然后各结点后退等待一个随机时间后再重新 发送。通过这种方法有效降低了整个网络系统的冲突概率，提高了数据的传输 速率。 基于这样的访问方法，使得c s m a 具有可靠性高的优点，再加之其网络的 无源性、分散性，非常便于扩充，所以目前绝大多数的局域网都采用基于 c s m a c d 的介质访问控制方式。 第四节本文的内容和意义 本论文的主要工作是设计1 0 1 0 0 m 以太网介质访问控制s o c 芯片，由于s o c 技术是以i p 复用技术为基础，所以最重要的是拥有经过充分验证的可以使用的 6 第一章引言 i p 核，然后将每个i p 核进行必要的连接组成s o c 芯片。对于本论文来说，组成 1 0 l o o m 以太网介质访问控制s o c 芯片的就是m a c 和m c u 的i p 核。 芯片设计是一项富有挑战性的工作，首先需要根据芯片功能将芯片划分为 若干模块，每个模块独立的用v e r i l o g 硬件描述语言进行r r l 级代码的编写【3 】，然 后对其逻辑功能进行仿真。若模块功能正常则将各模块通过项层文件组合起来 进行全芯片的功能仿真。如果芯片各项功能均正常，就可以进入后端流程，首 先将r t l 代码综合为门级网表，然后进行静态时序分析、后仿真，最后画版图。 后端流程是一个不断迭代的过程，每个步骤出现问题都需要对前面步骤进行修 改，甚至需要修改r t l 代码。本论文由于篇幅有限，没有对后端流程进行介绍， 只对前端设计进行了详细的描述。 文中首先详细介绍了1 0 1 0 0 m 以太网m a c 控制器芯片设计，芯片完全符合 i e e e 8 0 2 3 协议中的介质访问层规范和c s m a c d 访问方法，支持1 0 m b p s 和 1 0 0 m b p s 的数据传输速率；支持半双工和全双工模式操作；支持标准m i i 接口； 芯片可以设置为l o o p b a c k 模式，即自发自收功能，为测试工作提供了极大的便 利。由于干兆以太网采用了与i o i o o m 以太网相同的帧格式、网络协议、全半 双工工作模式，所以可以说对l o 1 0 0 m 以太网m a c 的研究对将来千兆以太网芯 片的研究打下了很好的理论和技术基础。 然后本文对一款m c u 芯片进行了介绍，该m c u 完全兼容8 0 5 1 指令集， 并且拥有8 0 5 1m c u 的所有外围资源。另外，在设计时把每条指令的执行周期 缩短为原来的1 6 ，因此在相同的工作频率下，程序的执行速度是普通8 0 5 1m c u 的6 倍。同时，本m c u 还扩展了外部s f r 接口和外部中断源，以便方便的实 现与其它模块的连接。由于良好的可扩展性，此m c u 十分适合作为核心开发 s o c 芯片。 随着半导体产业进入超深亚微米乃至纳米加工时代，s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 已经成为集成电路发展必然趋势。论文的最后讨论了将上述m a c 与m c u 的i p 核结合，形成了一款s o c 芯片。s o c 芯片的设计，接口的连接是一个关键，由 于m c u 的e s f r 接口和m a c 的总线接口并不兼容，所以需要设计一个接口转 换模块将两个i p 核连接到一起。最后在t c p i p 协议栈和硬件平台的支持下，对 其进行了验证，结果表明，系统工作正常。由于此以太网介质访问控制s o c 芯 片具有速度和价格上的优势，可以说它将具有良好的市场前景。 7 第二章介质访问控制器m a c 的设计 第二章介质访问控制器m a c 的设计 本章首先对i e e e 8 0 2 3 标准【4 】中规定的c s m c d 方法和物理层规范进行了 介绍。然后介绍了1 0 1 0 0 m 以太网m a c 芯片设计规范，对芯片的基本功能、特 性、系统结构、引脚和寄存器配置加以说明。然后对芯片的各模块的结构，以 及芯片的工作过程进行了详细的介绍。 第一节i e e e 8 0 2 3 标准介绍 i e e e 8 0 2 3 标准中规定的两种双工模式：半双工和全双工。 在半双工模式下，站点间通过竞争方式共享同一个传送介质。如果站点检 测到信道有信号正在传送，即信道中有“载波 存在，说明信道已经被占用。 站点必须等到信道空闲，即“载波 消失后再请求使用该信道。信道空闲时， 站点等待帧间间隔后开始进行传送。如果两个站点同时开始传送，则它们会侦 听到信号冲突，并重新调整帧的传送。 在全双工模式下，站点间利用相互分离的信道进行通信，所以并不存在共 享介质，也就不会发生信号的冲突，发送不需要等待信道空闲，也不受接收的 影响，所以c s m a c d 算法对于全双工而言没有必要。要想在全双工模式下工 作，必须同时满足以下两个条件： 站点间以相互分离的独立信道进行连接。 这两个站点能够而且已经被配置成全双工工作模式。 2 1 1 以太网帧结构 以太网帧是将上层的数据包，例如i p 数据包，经过装帧而成的。网络介质 中传播的就是经过物理层特定编码方式编码后的以太网帧。对于1 0 1 0 0 m 以太 网来说，帧格式如图2 1 所示。需要注意的是，i e e e 以太网标准中，字节的最 低有效位在字段的最左端，最高有效位在最右端。字节中这种非标准的位顺序 对应了以太网发送端将它们发送到通信线路的次序。 从图中可以看出，一帧数据由八部分构成：前序、帧起始分界符、目的地 址、源地址、长度类型( 表明下面数据的长度或类型) 、数据、填充数据( 如需 要) 、包含循环冗余校验码的帧校验序列( 用来检测接收帧是否有错) 。它们的 8 第二章介质访问控制器m a c 的设计 长度以及传送顺序如图所示，字节由上到下顺序发送，字节中的比特由左到右 发送。前序、帧起始分界符、填充数据、帧校验序列由m a c 提供，目的地址、 源地址、长度类型、数据由数据链路层l l c 提供。下面分别予以介绍。 1 ) 前序( p r e a m b l e ) 前序字段由7 个相同的字节1 0 1 0 1 0 1 0 组成，发送顺序以1 开始，结束于o 。 该字段的作用是通知接收端数据帧的到来以及对接收端时钟进行同步，从而能 够同步接收后续数据并进行相应的信号处理。 7 字节 1 字节 6 字节 6 字节 2 字节 4 6 - 1 5 0 0 字节 4 字节 前序( p r e a m b l e ) 起始分界符( s f d ) 目的地址( d a ) 源地址( s a ) 长度类型( l t ) 数据( d a t a ) 数据填充( p a d ) 帧校验序列( f c s ) 图2 1 以太网帧格式 2 ) 帧起始定界符( s t a r tf r a m ed e l i m i t e r ，简称s f d ) 帧起始定界符字段为1 0 1 0 1 0 1 l ，传送顺序为从左至右，接收部分无论接收 到几个字节的前序，只要接收到连续两个比特的1 1 就意味着其后的内容为帧数 据。当m a c 将接收到的以太网帧送入其缓存器时，前序字段和帧起始定界符字 段均被去除。m a c 发送数据帧时，将这两个字段作为前缀加入待发数据帧中。 3 ) 地址字段( a d d r e s s ) 这一字段包括两部分：6 字节的目的地址( d e s t i n a t i o na d d r e s s ) 和其后6 字 节的源地址( s o u r c e a d d r e s s ) 。网络中的每个站点均有唯一的物理地址，这个地 址就是i e e e 8 0 2 3 标准定义的m a c 地址，长度为6 字节通常使用六对十六进制 数表示，之间用横线或冒号分开，如1 1 a 0 1 2 3 e b c a c 。目的地址表明以太网 帧发送至哪个站点或哪些站点，源地址表明帧来自于哪个站点。这两部分地址 9 第二章介质访问控制器m a c 的设计 的格式如图2 2 。 图2 2 以太网地址格式 i g ，目的地址的第一位( 即l s b ) ，表示目的地址的类型一一单点地址多 点地址。该位为0 表示帧的目的地是某个单独的站点，该目的地址称为单点地 址( i n d i v i d u a la d d r e s s ) 该位为1 表示该帧的目的地不是网络中的任何一个站 点，或者是网络中的一个或多于一个站点，或者是网络中的所有站点，即使用 组地址，该组地址称为多点地址( m u l t i c a s ta d d r e s s ) 。特殊的组地址如全l ( 4 8 h f f f f f f ) 表示广播地址( b r o a d c a s ta d d r e s s ) ，它的目的地是网络上的所 有站点。源地址的第一位应该保持为o 。 u l ，目的地址源地址的第二位表示该地址是由i e e e 分配的地址还是由管 理者通过软件分配的地址( 本地管理的地址) 。该位为0 表示该地址是由i e e e 分配的地址( u n i v e r s a la d d r e s s ) ：为1 表示该地址是由管理者分配的地址( l o c a l l y a d m i n i s t e r e da d d r e s s ) 。m a c 地址也叫物理地址、硬件地址或链路地址，是在生 产网卡时烧入其只读存储器中的。i e e e 委员会分配机构唯一标识符( o u i ) 给每个 设备制造商，以太网卡生产商把分配的标识符放在地址的前三个字节( 如， 0 x 0 0 2 0 a f 对应3 c o m 公司，0 x 0 0 0 0 0 c 表示思科公司) ，其后三个字节由生产商 分配，代表该网卡的系列号。使用唯一的地址消除了网络地址重复的可能性， 但是却失去了灵活性。而本地管理的地址则可以带来应用中的灵活性，如大型 主机只要有一个本地管理地址的缓冲区，就无须为网络的变化而重新编译和加 载主机中的通信软件。 4 ) 长度类型字段( l e n g t h t y p e ) 该字段为2 字节，包含真正被传输的帧数据长度，为4 6 到1 5 0 0 字节长1 5 j 。 当它的值小于或等于1 5 0 0 时，它的大小表示其后的数据字段长度；当它的值等 于或大于1 5 3 6 时，它表示其后的数据的类型。字节发送顺序与其它字段不同， 为高字节先发送，但位发送顺序与其它字段相同，均为低位先发送。 5 ) 数据字段及填充数据字段( d a t a 和p a d ) 这一字段为m a c 的上层l l c 层提供的数据( d a t a ，在t c p i p 协议栈中即 为i pd a t a g r a m ) 以及如有必要由m a c 额外添加的数据( p a d ) 。这一字段最小 1 0 第二章介质访问控制器m a c 的设计 长度为4 6 字节，最大长度为1 5 0 0 字节。当l l c 层提供的数据长度不足4 6 字节 时，如果芯片被配置为p a d 使能则m a c 就会添加额外的数据( 内容没有规定) 来补足4 6 字节。 6 ) 帧校验序列字段( f r a m ec h e c ks e q u e n c e ，简称f c s ) 这一字段提供了一种错误检测机制。每次发送时，m a c 对目的地址、源地 址、长度类型、数据及填充数据进行循环冗余校验( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ， 简称c i ) 码计算，计算出的c r c 即为4 字节的帧校验序列字段。 循环冗余校验算法是先将以太网帧( 从目的地址算起) 的前3 2 位取反，然 后将以太网帧的每位当作一个n 1 次多项式m ( x ) 的系数( n 为这一帧数据的比特 数) ，目的地址的第一位是x n j 的系数，数据字段的最后一位是x o 的系数。然后将 m ( x ) 乘以x 3 2 ，再除以多项式g ( x ) 。g ( x ) 如下面公式所示： o ( x 1 = x 3 2 + x 2 6 + x 2 3 + x 2 2 + x 1 6 + x 1 2 + x 1 1 + x 1 0 + x 8 + x 7 + x 5 + x 4 + x 2 + x + 1 所得的余项r ( x ) 的系数看作一个3 2 位的序列，把它取反即为c r c 。x 3 1 的系 数取反作为帧校验序列字段第一个字节的最低位，也就是这一字段第一个发送 的比特；x o 的系数取反作为帧校验序列字段最后一个字节的最高位，也就是这一 字段最后发送的一位【6 j 。 接收部件的m a c 对所接收到的数据帧( 从目的地址算起，包括c i 地) 也 进行同样的计算，所得余数应该为0 。如果所得余数不为0 ，说明该数据帧有错， m a c 则会丢弃该帧。 以上为以太网帧格式的说明。正常情况下，网络中传输的帧都符合以上说 明，但由于种种原因，比如网络中有冲突或网络传输中出现错误，就会出现一 些无效数据帧。符合下列三种情况之一的都是无效帧： 长度类型字段表示长度时，它的值与数据帧的长度不符。 数据帧的长度不是字节的整数倍。 对接收数据帧( 不包括c r c ) 进行c r c 计算所得的值与该帧的c r c 不同。 一般来说，接收到的无效帧会被m a c 丢弃。 第二章介质访问控制器m a c 的设计 2 1 2c s m a c d 方法 以太网介质访问控制规则采用c s m a c d 方法，即带冲突检测的载波侦听 多路访问方法( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i mc o l l i s i o nd e t e c f i o n ) 。 数据帧的发送流程如图2 3 。 。 p p i i c 囊b 妇峰t o h l 爵舶脚x a p 蝴鼬ma t 1 0 0 撇妇 图2 3 数据帧发送流程【4 】 发送数据的装帧是指当m a c 上层要求发送数据时，m a c 会在其上层提供 的数据的基础上构造数据帧，如图2 3 中( a ) 处，即在数据之前加上p r e a m b l e 1 2 第二章介质访问控制器m a c 的设计 和s f d 、根据提供的数据来决定是否在数据之后加p a d 、在数据之后或是p a d 之后加上f c s 。在装帧的同时，m a c 计算2 1 1 中定义的c r c 值并将它添加到 f c s 字段。 发送介质访问管理包括发送的推迟和冲突的处理。 1 ) 推迟规则( d e f e r e n c e ) 当一帧数据由上层写入m a c 的缓存等待发送后，m a c 根据推迟规则来判 断何时可以开始发送。半双工和全双工模式的推迟规则有所区别。 在半双工模式下，m a c 会一直监听由物理层提供的载波信号( c a r f i e r s e n s e ) 来监测物理介质是否繁忙。当有数据帧等待发送并且介质忙时，m a c 会推迟数 据帧的发送直至网络上正在传输的数据帧传输完毕，如图2 3 中( b ) 处。当网 络上正在传输的数据帧的最后一位传输完毕后，也就是载波信号由有效变为无 效后，m a c 继续等待一段时间一一帧间间隔( i n t e r f r a m e g a p ) 。i n t e r f r a m e g a p 是两帧之间最小的间隔，对于1 0 m b p s 来说，该值为9 6 u s ；对于1 0 0 m b p s 来说， 该值为0 9 6 u s 。 在i n t e r f r a m e g a p 后，如果m a c 有待发数据帧，它就会发送此数据帧，而 不管载波信号是否有效。当发送完毕( 或没有待发帧) ，m a c 又会重新监听载 波信号。 载波信号无效且m a c 没有在发送数据帧这两个条件一旦同时成立就开始 i n t e r f r a m e g a p 的计时。在前2 3 时间内若载波信号变为有效则使i n t e r f r a m e g a p 计时器复位。在后1 3 时间内，计时器不应该再被复位以保证对介质的公平访问， 也即在此期间不对载波信号进行检测。 在全双工模式下，m a c 不会因载波信号而推迟待发数据帧的发送。当一帧 数据的最后一位发送完毕后，m a c 开始i n t e r f r a m e g a p 的计时，期间不对载波 信号进行检测。 2 ) 冲突的处理 冲突( c o l l i s i o n ) 表示多于一个的站点试图使用它们的共享物理介质。在半 双工模式下，推迟规则的使用并不能完全避免冲突的发生，当一个节点开始传 输帧，另一个已经监听了介质的节点在第一个节点的帧到来之前就可以认为网 络空闲并开始发送数据帧，这样就造成了冲突。可见，冲突是由网络节点的分 布式定位引起的。冲突只会在半双工模式下发生。在全双工模式下，两个站点 可以同时向对方发送数据，但不会造成冲突。 第二章介质访问控制器m a c 的设计 一个站点的发送信号在传播到网络上其它所有站点之前，在发送的开始阶 段( 称为冲突窗口) 有可能会遇到冲突。一旦在冲突窗口过后仍然没有遇到冲 突，发送站点就占有了介质。接下来冲突就会被避免，因为其它站点应该已经 注意到了该站点的信号而选择等待。 物理层通过检测电缆中的信号来判断冲突的发生，当发送信号和接收信号 不一致时，物理层使冲突探测信号( c o l l i s i o n d e t e c t ) 有效，表示发生了冲突。 半双工模式下，m a c 通过监测这个信号来检测冲突。当m a c 在一帧数据发送 期间检测到冲突时，发送并不立刻终止，而是继续发送一个3 2 比特的序列，称 为阻塞( i a m ) ，如图2 - 3 ( c ) 处。这样做可以保证冲突持续的时间足够长以使其 它与这次冲突有关的发送站点均能检测到冲突的发生。j a m 的内容没有规定，可 以是固定值，也可以是变量。在发送p r e a m b l e 或是s f d 期间如果遇到冲突， p r e a m b l e 或是s f d 剩下的部分要发送完毕之后再发送j a m 。j a m 发送完之后， m a c 终止这次发送，安排在一段随机时间后试图重新发送，直到发送成功或是 因为重新发送的次数达到规定的最大值1 6 次( a t t e m p t l i m i t ) 而导致所有的发 送都被终止，如图2 3 ( d ) 和( e ) 处。需要注意的是，对一个特定的数据帧来 说，所有的重新发送完成之后才轮到下一帧数据的发送。m a c 采用截断二进制 指数后退算法( t r u n c a t e db i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k o f f ) 来安排重新发送的时间， 如图2 3 ( f ) 处。这个时间是s l o tt i m e 的整数倍，对于1 0 m 或1 0 0 m b p s 来说， s l o tt i m e 是发送5 1 2 比特数据的时间。第n 次重新发送前等待的s l o tt i m e 的个数 r 是个随机数，它的范围是： o r 2 k 其中k = m i n ( n ，1 0 ) 如果1 6 次重试都失败的话，这一事件会被当作错误报告给上层。产生r 的 后退算法应该保证使任何两个站点在任何特定的时间产生的r 的相关性减到最 小，从而使得再次发生冲突的可能性降低。在实现重新发送的时间安排时，也 可以引入其它的延时来降低冲突发生的概率。 在全双工模式下，对共享的物理介质来说并不存在竞争。物理层也许会通 知m a c 双方在同时发送，但是既然发送之间不会彼此干扰，m a c 不会做出任 何反应。站点不会因为正在接收数据而推迟发送，不会终止发送，不会发送j a m ， 也不会采用后退算法来安排重新发送。除了要在发送之间等待一小段时间( 等 于或大于i n t e r f r a m e g a p ) ，只要站点有待发数据帧，m a c 就可以发送。 1 4 第二章介质访问控制器m a c 的设计 数据帧的接收包括拆帧和介质访问管理两个方面，接收流程如图2 4 。 图2 4 数据帧接收流程 拆帧包括地址识别、f c s 验证、分解帧并传递给m a c 上层。一帧数据的到 来首先被接收站点的物理层检测到，使接收数据有效信号( r e c e i v e d a t a v a l i d ) 有效，以通知m a c 一帧数据的到来。来自于介质上的信号被物理层解码后转换 成二进制数据，然后传递给m a c 。m a c 识别出s f d 后就开始接受数据帧，如 图2 4 ( a ) 处，同时对目的地址进行识别，如图2 4 ( b ) 处。m a c 能识别并接 第二章介质访问控制器m a c 的设计 收目的地址为单点地址、广播地址或m a c 上层定