通過FPGA實現一個以太網控制器MAC的實例

一、以太網基本原理

一般所說的以太網協議是指根據 IEEE 802.3 規范制定的局域網協議（LAN，Local AreaNetwork）中的 CSMA/CD 協議。目前，以太網通信常用的介質是雙絞線和光纖。

注意：CSMA/CD 協議是 Carrier sense multiple Access with Collision Detection 的縮寫，是帶有檢測沖突的載波偵聽多路存取協議，具體內容請參考 IEEE 802.3 規范。

1.1 以太網協議的參考模型

以太網協議的邏輯關系遵循 OSI 參考模型（Open System Interconnect Reference Model，開放式系統互聯參考模型），如圖 10-1 所示。

物理層是指網絡通信連接的媒介物質，用于攜帶計算機之間的以太網信號。當前應用最多的是雙絞線和光纖。使用這兩種媒介，以太網目前可以實現 4 種傳輸速率。

? 10 Mbit/s：10Base-T 以太網。

? 100 Mbit/s：快速以太網。

? 1000 Mbit/s：千兆位以太網 802.3z。

? 10 千兆位以太網：IEEE 802.3ae。

圖 1 以太網協議邏輯關系的參考模型

MAC 子層有兩個基本職能：數據封裝，包括傳輸之前的幀集合和接收中、接收后的幀解析/差錯監控；媒體訪問控制，包括幀傳輸初始化和傳輸失敗恢復。

上層協議根據實際應用可以選擇多種不同的協議，如 IP 協議、TCP 協議、HTTP 協議等。常用的 TCP/IP 協議如圖 10-2 所示。

圖 2 上層協議

在進行實際的以太網通信中，每一種協議都是運行在其下面層次的協議基礎上。例如，當兩個計算機系統使用 FTP 協議傳輸文件時，從用戶看來是兩個系統基于 FTP 協議的直接交流，實際上文件的數據傳輸則是經過了層層打包和解包的協議路徑，如圖3 所示。

圖?3 FTP 協議的通信過程

上層的各個協議棧要分別實現對數據的打包、解包、校驗以及對下一層相關協議的調用。例如，在 IP 協議棧從以太網驅動收到一個數據包后，經過解包、校驗，確認是否為有效的 IP包，如無效則舍棄該包；如有效則進一步判斷包內的數據，轉而調用 TCP、UDP、ICMP 等協議或使用戶自定義的處理服務。而以太網控制芯片的功能是完成 TCP/IP 協議簇分層模型中鏈路層的相關工作，它處理與雙絞線 RJ-45 接口之間的所有物理細節。

本篇將要介紹的以太網控制器將實現有關 MAC（媒體訪問）子層的控制功能。在此基礎上，開發人員可以簡便、快速地開發出基于以太網的嵌入式系統應用。因為以太網的上層協議可以根據需求的不同進行選擇，物理層可以根據網絡速率不同選擇特定的媒介物質。下面將詳細介紹有關 MAC 層的內容。

1.2 MAC子層

MAC 子層在上層協議和以太網網絡之間傳輸和接收數據，其主要功能是確保以太網上每一幀數據的傳輸都遵循了 IEEE 802.3 規范所規定的介質存取規則。

a．基本幀數據格式

IEEE 802.3 規范為實現 MAC 定義了一套基本的幀數據格式，如圖 4 所示。

圖 10-4 幀數據格式

各個字段的含義及規定如下。

? Preamble（PRE）：報頭，字段中 1 和 0 交替使用，接收方通過該字段知道導入幀，并且該字段提供了同步接收物理層幀接收和導入數據流的方法。

? Start-of-frame delimiter（SFD）：幀起始分隔符，字段中 1 和 0 交替使用，結尾是兩個連續的 1，表示下一位是目的地址的第一個字節的第一位。

? Destination Address（DA）：目標地址，用于識別需要接收幀的目的地。

? Source Address（SA）：源地址，用于識別發送幀的源地址。

? Length/Type：長度/類型，表示包含在幀數據字段中的 MAC 數據大小，也可以表示幀的類型。

? Data：數據，是一組 n（46≤n≤1500）字節的任意值序列。

? Frame check sequence（FCS）：幀數據校驗序列，該序列包括 32 位的循環冗余校驗（CRC）值，由發送方生成，通過接收方進行計算以校驗幀是否被破壞。

b．幀傳輸

MAC 層從上層協議接收到發送幀數據的請求，首先按照下面的次序將數據和地址信息保存到 MAC 層的幀數據緩沖區中。

? 插入報頭和幀起始分隔符。

? 插入目標地址和源地址。

? 統計來自上層協議數據的數量，插入數量值。

? 插入來自上層協議的數據，如果數據量小于 46 字節，則補齊 46 字節。

? 根據目標地址、源地址、長度/類型和數據產生 CRC 校驗序列，并插入校驗序列。

一幀完整數據組成后，MAC 層可以開始發送幀數據。有兩種發送方式可供選擇：半雙工（half duplex）和全雙工（full duplex）。IEEE 802.3 規范規定所有的以太網 MAC 都要支持半雙工方式，即一個時刻只能進行發送或者接收，而不能同時進行發送和接收。全雙工方式下發送和接收可以同時進行。

c．幀接收

幀接收的過程和發送的過程是相反的。首先檢查幀數據中的目標地址和當前地址是否相符，然后檢查接收到的幀數據中的數據長度、CRC 校驗序列和實際的數據長度、CRC 校驗序列是否相符。如果都相符，則將數據交給上層協議進行解析，MAC 層的傳輸任務完成。

1.3 媒體無關接口（Media Independent Interface）

IEEE 802.3 規范提出媒體無關接口（Media Independent Interface，MII）就是為了能夠實現 MAC 層和不同的物理層（PHY）之間的邏輯連接，如圖 5 所示。

圖 10-5 媒體無關接口

MAC 層可以通過媒體無關接口連接不同的物理層。根據對以太網通信速率的要求選擇合適物理層接口。針對不同的物理層，媒體無關接口可以以不同的方式實現到 MAC 的邏輯連接。例如在 10Mbit/s 以太網通信中，媒體無關接口使用 1 位來串行發送/接收數據流；在 100Mbit/s以太網通信中，媒體無關接口使用 4 位來串行發送/接收數據流；在 1000Mbit/s 以太網通信中，媒體無關接口使用 8 位來串行發送/接收數據流。

二、以太網控制器（MAC）的基本框架

下面將要介紹的以太網控制器（MAC）實現了以太網標準的第二層協議——MAC（媒體訪問控制）協議，完全符合 IEEE 802.3 和 IEEE 802.3u 規范所規定的 10Mbit/s 和 100Mbit/s 以太網標準。如圖 6 所示，使用這個以太網控制器外部連接一塊 PHY 芯片（實現了物理層功能的芯片）就可以進行數據鏈路層的通信，即幀通信。在此基礎上可以方便、快捷地開發出更高層次的協議，實現 FTP、HTTP 等協議。