DP83815：10/100 Mb/s集成PCI以太網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制器與物理層芯片解析

在當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)世界中，以太網(wǎng)控制器扮演著至關(guān)重要的角色。今天我們要深入探討的就是National Semiconductor推出的DP83815，一款適用于PCI總線的單芯片10/100 Mb/s以太網(wǎng)控制器，它在低成本、高產(chǎn)量的PC主板、適配卡和嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

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一、芯片概述

DP83815將National Semiconductor的PCI MAC/BIU增強(qiáng)版本與3.3V CMOS物理層接口集成在一起，還配備了內(nèi)部?jī)?nèi)存，包括一個(gè)0.5 KB和兩個(gè)2 KB的SRAM塊。它支持通過(guò)總線主控進(jìn)行數(shù)據(jù)包描述符和數(shù)據(jù)的傳輸，大大減輕了主機(jī)CPU的負(fù)擔(dān)，并且能夠以最小幀間間隙實(shí)現(xiàn)全雙工10/100 Mb/s的傳輸和接收。

二、芯片特性亮點(diǎn)

（一）標(biāo)準(zhǔn)兼容性

DP83815完全符合IEEE 802.3和PCI V2.2標(biāo)準(zhǔn)，支持傳統(tǒng)的10 Mb/s以太網(wǎng)和100 Mb/s快速以太網(wǎng)數(shù)據(jù)速率，為不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供了良好的兼容性。

（二）總線主控功能

具備高達(dá)128 dwords（512字節(jié)）的突發(fā)傳輸能力，并且符合PC 97、PC 98、PC 99硬件設(shè)計(jì)指南以及多種電源管理規(guī)范，在數(shù)據(jù)傳輸效率和電源管理方面表現(xiàn)出色。

（三）網(wǎng)絡(luò)喚醒功能

支持多種喚醒方式，如定向數(shù)據(jù)包、Magic Packet、VLAN數(shù)據(jù)包、ARP數(shù)據(jù)包、模式匹配數(shù)據(jù)包和物理層狀態(tài)變化等，滿足不同場(chǎng)景下的喚醒需求。

（四）數(shù)據(jù)包過(guò)濾功能

擁有極其靈活的接收數(shù)據(jù)包過(guò)濾機(jī)制，包括單地址完美過(guò)濾、廣播過(guò)濾、512項(xiàng)多播/單播哈希表以及深度數(shù)據(jù)包模式匹配等，能夠精準(zhǔn)篩選所需數(shù)據(jù)包。

（五）統(tǒng)計(jì)功能

可以收集符合RFC 1213（MIB II）、RFC 1398（Ether-like MIB）和IEEE 802.3 LME的統(tǒng)計(jì)信息，有效降低了管理時(shí)的CPU開(kāi)銷(xiāo)。

（六）內(nèi)存管理

配備內(nèi)部2 KB的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)FIFO，以及串行EEPROM端口，可在開(kāi)機(jī)時(shí)自動(dòng)加載配置數(shù)據(jù)，還支持遠(yuǎn)程啟動(dòng)的Flash/PROM接口。

（七）物理層集成

集成了IEEE 802.3/802.3u 3.3V CMOS物理層，包括10BASE-T和100BASE-TX收發(fā)器，以及符合ANSI X3.263的TP-PMD物理子層，具備自適應(yīng)均衡和基線漂移補(bǔ)償功能。

（八）電源管理

采用低功耗3.3V CMOS設(shè)計(jì)，典型功耗在不同模式下表現(xiàn)優(yōu)秀，如工作模式為561 mW，WOL模式為380 mW，睡眠模式為33 mW。

三、功能模塊詳細(xì)解析

（一）MAC/BIU模塊

這是從DP83810衍生而來(lái)的設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化提高了邏輯效率，并增加了符合當(dāng)前市場(chǎng)需求和規(guī)范的功能。

• PCI總線接口：實(shí)現(xiàn)PCI v2.2總線協(xié)議和配置空間，支持總線主控對(duì)CPU內(nèi)存的讀寫(xiě)操作以及CPU對(duì)片上寄存器空間的訪問(wèn)，還具備配置控制、串行EEPROM訪問(wèn)、中斷控制和電源管理控制等功能。
• Tx MAC：實(shí)現(xiàn)802.3媒體訪問(wèn)控制的發(fā)送部分，從PCI內(nèi)存空間獲取數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)并發(fā)送，同時(shí)提供發(fā)送數(shù)據(jù)包的MIB控制信息。
• Rx MAC：負(fù)責(zé)接收部分，將接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)發(fā)送到接收緩沖區(qū)管理器，并為接收過(guò)濾器提供MIB控制信息和數(shù)據(jù)包地址數(shù)據(jù)。

（二）緩沖區(qū)管理模塊

采用的緩沖區(qū)管理方案簡(jiǎn)單高效，幀在發(fā)送和接收時(shí)以相似格式保存，使用單獨(dú)的緩沖區(qū)和描述符來(lái)處理數(shù)據(jù)包信息。

• Tx Buffer Manager：通過(guò)DMA將數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)從PCI內(nèi)存空間傳輸?shù)? KB的發(fā)送FIFO中，并將數(shù)據(jù)從FIFO發(fā)送到Tx MAC，可同時(shí)處理多個(gè)數(shù)據(jù)包，通過(guò)FIFO閾值控制數(shù)據(jù)的填充和清空。
• Rx Buffer Manager：從Rx MAC獲取數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)并放入2 KB的接收數(shù)據(jù)FIFO，再通過(guò)DMA將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇CI內(nèi)存空間，同樣通過(guò)FIFO閾值控制接收過(guò)程。
• Packet Recognition：接收數(shù)據(jù)包過(guò)濾和識(shí)別邏輯允許軟件根據(jù)目的地址和數(shù)據(jù)包類(lèi)型控制接收的數(shù)據(jù)包，支持廣播、多播哈希和單播地址的識(shí)別，以及WOL、暫停和可編程模式識(shí)別等功能。

（三）物理層模塊

具有全功能的物理層設(shè)備，集成了PMD子層，支持10BASE-T和100BASE-TX以太網(wǎng)協(xié)議。

• Auto-Negotiation：自動(dòng)協(xié)商功能可在鏈路兩端交換配置信息，自動(dòng)選擇雙方支持的最高性能操作模式。通過(guò)快速鏈路脈沖（FLP）突發(fā)信號(hào)進(jìn)行能力通信，支持四種以太網(wǎng)協(xié)議，由內(nèi)部寄存器控制。
• Auto-Negotiation Register Control：通過(guò)自動(dòng)協(xié)商廣告寄存器（ANAR）發(fā)送設(shè)備能力信息，比較ANLPAR和ANAR寄存器內(nèi)容來(lái)自動(dòng)配置最高性能協(xié)議。
• Auto-Negotiation Parallel Detection：支持并行檢測(cè)功能，當(dāng)鏈路伙伴不支持自動(dòng)協(xié)商但發(fā)送有效鏈路信號(hào)時(shí)，可根據(jù)接收信號(hào)配置正確的技術(shù)。
• Auto-Negotiation Restart：自動(dòng)協(xié)商完成后，可隨時(shí)通過(guò)設(shè)置BMCR寄存器的位來(lái)重新啟動(dòng)協(xié)商過(guò)程。
• Enabling Auto-Negotiation via Software：若設(shè)備在開(kāi)機(jī)時(shí)初始化為非自動(dòng)協(xié)商設(shè)備，需先清除并設(shè)置基本模式控制寄存器的自動(dòng)協(xié)商使能位，才能使自動(dòng)協(xié)商功能生效。

（四）LED接口模塊

DP83815有并行輸出用于指示活動(dòng)（發(fā)送或接收）、100 Mb/s鏈路和10 Mb/s鏈路的狀態(tài)。不同狀態(tài)下相應(yīng)的LED引腳驅(qū)動(dòng)低電平，可驅(qū)動(dòng)低電流LED，方便用戶直觀了解設(shè)備工作狀態(tài)。

（五）半雙工與全雙工模式

支持10 Mb/s和100 Mb/s速度下的半雙工和全雙工操作。半雙工模式依靠CSMA/CD協(xié)議處理沖突和網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，全雙工模式可同時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收，吞吐量最高可達(dá)200 Mb/s，此時(shí)會(huì)禁用內(nèi)部沖突檢測(cè)和報(bào)告功能。

（六）物理層回環(huán)功能

提供物理層回環(huán)測(cè)試模式，通過(guò)設(shè)置基本模式控制寄存器的位來(lái)啟用，方便進(jìn)行電路板診斷。

四、寄存器設(shè)置

DP83815的寄存器分為配置寄存器、操作寄存器和內(nèi)部PHY寄存器，不同寄存器控制著芯片的各種功能和狀態(tài)。

• 配置寄存器：實(shí)現(xiàn)PCI版本2.2配置寄存器空間，用于“軟”配置芯片，硬件復(fù)位后恢復(fù)默認(rèn)狀態(tài)。
• 操作寄存器：映射到PCI內(nèi)存空間或I/O空間，控制芯片的各種操作，如命令、配置、緩沖區(qū)管理、喚醒等功能。
• 內(nèi)部PHY寄存器：控制物理層的基本模式、狀態(tài)、自動(dòng)協(xié)商等功能。

五、緩沖區(qū)管理方案

采用對(duì)稱的描述符格式，適用于發(fā)送和接收描述符，可在橋接和交換應(yīng)用中方便地轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。描述符必須對(duì)齊在32位邊界上，每個(gè)描述符可描述一個(gè)數(shù)據(jù)包片段。

• 單描述符數(shù)據(jù)包：將MORE位設(shè)置為0，表示一個(gè)數(shù)據(jù)包由一個(gè)描述符表示。
• 多描述符數(shù)據(jù)包：通過(guò)設(shè)置除最后一個(gè)描述符外的MORE位為1，表示一個(gè)數(shù)據(jù)包跨越多個(gè)描述符。
• 描述符列表：描述符通過(guò)鏈接字段組織成鏈表或環(huán)，可表示任意數(shù)量的數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)包片段。

六、電源管理與喚醒功能

（一）電源管理模式

支持PCI電源管理規(guī)范版本1.1定義的D0、D1、D2、D3hot和D3cold狀態(tài)，不同狀態(tài)下電源消耗和功能表現(xiàn)不同。

• D0狀態(tài)：正常運(yùn)行狀態(tài)，PME使能位應(yīng)設(shè)置為0，關(guān)閉所有WOL條件以防止不必要的PME中斷。
• D1狀態(tài)：節(jié)能最少的狀態(tài)，僅響應(yīng)PCI配置事務(wù)，可接收數(shù)據(jù)包但不進(jìn)行DMA活動(dòng)和中斷。
• D2狀態(tài)：與D1狀態(tài)類(lèi)似，系統(tǒng)可關(guān)閉PCI時(shí)鐘以進(jìn)一步降低功耗。
• D3hot狀態(tài)：通常為待機(jī)狀態(tài)，若PME使能或WOL配置開(kāi)啟，可接收數(shù)據(jù)包，但退出該狀態(tài)時(shí)需重新初始化PCI配置寄存器。
• D3cold狀態(tài)：最高節(jié)能狀態(tài)，PCI總線和時(shí)鐘關(guān)閉，PHY關(guān)閉，退出后需完全重新初始化設(shè)備。

（二）Wake-On-LAN（WOL）模式

支持多種喚醒事件，如PHY中斷、Magic Packet和模式匹配等。進(jìn)入WOL模式需進(jìn)行一系列寄存器設(shè)置，退出時(shí)也有相應(yīng)的操作步驟。

（三）睡眠模式

比WOL模式功耗更低，設(shè)備無(wú)法檢測(cè)喚醒事件或向系統(tǒng)發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求。進(jìn)入和退出睡眠模式也有特定的操作流程。

七、電氣特性

（一）絕對(duì)最大額定值

對(duì)電源電壓、輸入輸出電壓、存儲(chǔ)溫度范圍、功耗、ESD等級(jí)等參數(shù)有明確的限制，超出這些范圍可能影響設(shè)備可靠性。

（二）推薦工作條件

建議在特定的電源電壓、環(huán)境溫度和結(jié)溫范圍內(nèi)使用，以確保設(shè)備的正常運(yùn)行。

八、總結(jié)

DP83815作為一款集成度高、功能豐富的以太網(wǎng)控制器，在兼容性、性能、功耗和功能特性等方面都有出色的表現(xiàn)。它不僅滿足了傳統(tǒng)以太網(wǎng)的需求，還提供了諸如網(wǎng)絡(luò)喚醒、靈活的數(shù)據(jù)包過(guò)濾和高效的緩沖區(qū)管理等先進(jìn)功能，適用于各種對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能和功耗有要求的應(yīng)用場(chǎng)景。對(duì)于電子工程師來(lái)說(shuō)，深入了解DP83815的功能和特性，合理運(yùn)用其寄存器設(shè)置和操作模式，能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出更優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類(lèi)似芯片的配置難題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。