上层的各个协议栈要分别实现对数据的打包、解包、校验以及对下一层相关协议的调用。例如，在 IP 协议栈从以太网驱动收到一个数据包后，经过解包、校验，确认是否为有效的 IP包，如无效则舍弃该包；如有效则进一步判断包内的数据，转而调用 TCP、UDP、ICMP 等协议或使用户自定义的处理服务。而以太网控制芯片的功能是完成 TCP/IP 协议簇分层模型中链路层的相关工作，它处理与双绞线 RJ-45 接口之间的所有物理细节。
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本篇将要介绍的以太网控制器将实现有关 MAC（媒体访问）子层的控制功能。在此基础上，开发人员可以简便、快速地开发出基于以太网的嵌入式系统应用。因为以太网的上层协议可以根据需求的不同进行选择，物理层可以根据网络速率不同选择特定的媒介物质。下面将详细介绍有关 MAC 层的内容。
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1.2 MAC子层
5 a! z K L; PMAC 子层在上层协议和以太网网络之间传输和接收数据，其主要功能是确保以太网上每一帧数据的传输都遵循了 IEEE 802.3 规范所规定的介质存取规则。
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a．基本帧数据格式
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IEEE 802.3 规范为实现 MAC 定义了一套基本的帧数据格式，如图 4 所示。
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图 10-4 帧数据格式
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各个字段的含义及规定如下。
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• Preamble（PRE）：报头，字段中 1 和 0 交替使用，接收方通过该字段知道导入帧，并且该字段提供了同步接收物理层帧接收和导入数据流的方法。
• Start-of-frame delimiter（SFD）：帧起始分隔符，字段中 1 和 0 交替使用，结尾是两个连续的 1，表示下一位是目的地址的第一个字节的第一位。
• Destination Address（DA）：目标地址，用于识别需要接收帧的目的地。
• Source Address（SA）：源地址，用于识别发送帧的源地址。
• Length/Type：长度/类型，表示包含在帧数据字段中的 MAC 数据大小，也可以表示帧的类型。
• Data：数据，是一组 n（46≤n≤1500）字节的任意值序列。
• Frame check sequence（FCS）：帧数据校验序列，该序列包括 32 位的循环冗余校验（CRC）值，由发送方生成，通过接收方进行计算以校验帧是否被破坏。
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b．帧传输
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MAC 层从上层协议接收到发送帧数据的请求，首先按照下面的次序将数据和地址信息保存到 MAC 层的帧数据缓冲区中。
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• 插入报头和帧起始分隔符。
• 插入目标地址和源地址。
• 统计来自上层协议数据的数量，插入数量值。
• 插入来自上层协议的数据，如果数据量小于 46 字节，则补齐 46 字节。
• 根据目标地址、源地址、长度/类型和数据产生 CRC 校验序列，并插入校验序列。
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一帧完整数据组成后，MAC 层可以开始发送帧数据。有两种发送方式可供选择：半双工（half duplex）和全双工（full duplex）。IEEE 802.3 规范规定所有的以太网 MAC 都要支持半双工方式，即一个时刻只能进行发送或者接收，而不能同时进行发送和接收。全双工方式下发送和接收可以同时进行。
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c．帧接收
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帧接收的过程和发送的过程是相反的。首先检查帧数据中的目标地址和当前地址是否相符，然后检查接收到的帧数据中的数据长度、CRC 校验序列和实际的数据长度、CRC 校验序列是否相符。如果都相符，则将数据交给上层协议进行解析，MAC 层的传输任务完成。% f6 p$ J# k9 m8 o1 ~! W
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1.3 媒体无关接口（Media Independent Interface）
8 m- V' G/ |$ }- L' w0 K8 l T3 gIEEE 802.3 规范提出媒体无关接口（Media Independent Interface，MII）就是为了能够实现 MAC 层和不同的物理层（PHY）之间的逻辑连接，如图 5 所示。
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图 10-5 媒体无关接口, p+ d" A& Z) H* }/ S/ ^; Z
MAC 层可以通过媒体无关接口连接不同的物理层。根据对以太网通信速率的要求选择合适物理层接口。针对不同的物理层，媒体无关接口可以以不同的方式实现到 MAC 的逻辑连接。例如在 10Mbit/s 以太网通信中，媒体无关接口使用 1 位来串行发送/接收数据流；在 100Mbit/s以太网通信中，媒体无关接口使用 4 位来串行发送/接收数据流；在 1000Mbit/s 以太网通信中，媒体无关接口使用 8 位来串行发送/接收数据流。
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二、以太网控制器（MAC）的基本框架
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下面将要介绍的以太网控制器（MAC）实现了以太网标准的第二层协议——MAC（媒体访问控制）协议，完全符合 IEEE 802.3 和 IEEE 802.3u 规范所规定的 10Mbit/s 和 100Mbit/s 以太网标准。如图 6 所示，使用这个以太网控制器外部连接一块 PHY 芯片（实现了物理层功能的芯片）就可以进行数据链路层的通信，即帧通信。在此基础上可以方便、快捷地开发出更高层次的协议，实现 FTP、HTTP 等协议。
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图 6 以太网控制器6 X# r' _8 v7 q* w
这个以太网控制器具体实现了以下内容。
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• 符合 IEEE 802.3x 规定的全双工帧控制。
• 半双工传输模式下的 CSMA/CD 协议。
• 32 位 CRC 校验序列的自动产生和检查。
• 报头的产生和去除。
• 发送和接收数据包的完全状态控制。
• 满足 IEEE 802.3 规定的 MII（媒体无关接口）。
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针对以太网控制器需要完成的任务，本节将设计以太网控制器的程序框架，并对各个重要部分进行讲解，如图 7 所示。
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/ L! B: L; U4 Y7 {图 10-7 以太网控制器程序框架
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以太网控制器的程序框架包括如下几个主要部分。
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• 主机接口（Host Interface）：主机接口用来连接主机部分，将接收到的数据帧保存到存储器中，同时从存储器中载入需要通过以太网接口传输的数据。主机上可以实现更高层次的以太网协议。
• 数据发送模块（Transmit Module）：完成所有与发送数据相关的操作，包括产生报头、添加 CRC 校验序列等。
• 数据接收模块（Receive Module）：完成所有与接收数据相关的操作，包括去除报头、CRC 校验。
• 控制模块（Control Module）：完成以太网控制器所有功能需要执行的操作。
• 媒体无关接口模块（Media Independent Interface）：提供一个与媒体无关的接口，用来连接外部的以太网 PHY 控制芯片。
• 状态显示模块（Status Module）：记录以太网控制芯片进行数据传输时各个状态的变化。
• 寄存器模块（Register Module）：为以太网控制芯片提供需要的所有寄存器。
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本篇到此结束，下一篇带来基于FPGA的以太网控制器（MAC）设计（中），会介绍以太网控制器（MAC）程序的实现，包括顶层程序、媒体无关接口模块（Media Independent Interface Module）、数据发送模块、数据接收模块、控制模块等相关内容。
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发表于 2023-7-14 20:17
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