以太网控制器芯片的设计及实现

　　网络控制器芯片的功能与设计实现

　　IEEE 802.3协议是针对以太网CSMA/CD标准的传输介质物理层(PHY)和介质访问控制协议(MAC、Media Access Control)来定义的。芯片由PHY、发送模块、接收模块、FIFO、控制模块组成，其中控制模块包括寄存器堆、DMA(Direct Memory Access)模块、流量控制模块、接收缓冲区和发送缓冲区组成。网络控制器芯片的功能框图如图1所示。

图1 以太网控制器芯片的功能框图

　　1 IEEE 802.3以太网MAC数据帧结构

　　在发送数据时，发送模块自动在待传数据前加上7字节的前导码和1字节的帧起始定界符，紧随的是6字节的目的地址和6字节的源地址，然后长度/类型为2字节，接着是数据区，然后是46～1500字节的数据。若发送时，数据长度小于最短长度46字节，发送模块自动填补，以达到最小长度，最后是4个字节的循环冗余校验码。

　　2 发送模块

　　发送模块的作用就是按照CSMA/CD协议发送数据包。发送模块状态机控制协调各个发送子模块的时序，发送模块状态机如图2所示。

图2 发送模块状态转换图

　　S_defer状态表示网络忙，若网络空闲了，经过最小的帧间隙时间，进入网络空闲状态S_idle。若需要发送数据包，经过S_pre，S_data，S_pad，S_crc等状态发送，在这当中若检测到冲突信号，就进入S_jam状态。在S_jam状态判断是local collision还是late collision，若是local collision就进入S_back状态，按照退避算法重发当前数据帧，否则直接进入网络忙状态，放弃该帧的发送。

　　3 接收模块

　　接收模块的任务就是接收数据帧。物理接口收发器PHY将收到的网络数据变成二进制数据送给接收模块，接收模块再把正确的数据经过接收FIFO和DMA的控制送给接收缓冲区。接收模块的功能还包括移除接收到帧的前导码/帧分隔符;比较目的地址，判断是否丢弃当前数据帧;对接收到的数据包做CRC校验，判断传输过程中数据是否出错。接收模块状态机是接收模块的核心，控制协调接收模块的各个子模块的工作与时序。接收模块状态机如图3所示。

图3 接收模块状态转换图

　　复位后，状态机进入S_idle状态，若数据是无效的，就停留在S_idle状态，否则进入S_pre状态。S_pre状态和S_sdf状态的作用就是去掉前导码和帧间隔符。当帧间隔符全部检测到，进入S_data状态，在S_data状态使用字节计数器，记录所收到数据的字节个数，用于比较目的地址。若目的地址匹配则将接收到的数据写入到接收FIFO，否则丢弃该帧，不写入到FIFO。字节计数器的作用还有判断接收到的数据包是否超过帧的最大长度。若在S_pre状态、S_sdf状态或S_data状态出现数据有效信号无效的情况，都进入到S_drop状态。