互聯(lián)網技術對人類社會的影響不言而喻。當今大部分電子設備都能以不同的方式接入互聯(lián)網(Internet)，在家庭中PC常見的互聯(lián)網接入方式是使用路由器(Router)組建小型局域網(LAN)，利用互聯(lián)網專線或者調制調解器(modem)經過電話線網絡，連接到互聯(lián)網服務提供商(ISP)，由互聯(lián)網服務提供商把用戶的局域網接入互聯(lián)網。而企業(yè)或學校的局域網規(guī)模較大，常使用交換機組成局域網，經過路由以不同的方式接入到互聯(lián)網中。

39.1 互聯(lián)網模型

通信至少是兩個設備的事，需要相互兼容的硬件和軟件支持，我們稱之為通信協(xié)議。以太網通信在結構比較復雜，國際標準組織將整個以太網通信結構制定了OSI模型，總共分層七個層，分別為應用層、表示層、會話層、傳輸層、網絡層、數(shù)據(jù)鏈路層以及物理層，每個層功能不同，通信中各司其職，整個模型包括硬件和軟件定義。OSI模型是理想分層，一般的網絡系統(tǒng)只是涉及其中幾層。

TCP/IP是互聯(lián)網最基本的協(xié)議，是互聯(lián)網通信使用的網絡協(xié)議，由網絡層的IP協(xié)議和傳輸層的TCP協(xié)議組成。TCP/IP只有四個分層，分別為應用層、傳輸層、網絡層以及網絡訪問層。雖然TCP/IP分層少了，但與OSI模型是不沖突的，它把OSI模型一些層次整合一起的，本質上可以實現(xiàn)相同功能。

實際上，還有一個TCP/IP混合模型，分為五個層，參考圖 391，它實際與TCP/IP四層模型是相通的，只是把網絡訪問層拆成數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。這種分層方法對我們學習理解更容易。

圖 391 TCP/IP混合參考模型

設計網絡時，為了降低網絡設計的復雜性，對組成網絡的硬件、軟件進行封裝、分層，這些分層即構成了網絡體系模型。在兩個設備相同層之間的對話、通信約定，構成了層級協(xié)議。設備中使用的所有協(xié)議加起來統(tǒng)稱協(xié)議棧。在這個網絡模型中，每一層完成不同的任務，都提供接口供上一層訪問。而在每層的內部，可以使用不同的方式來實現(xiàn)接口，因而內部的改變不會影響其它層。

在TCP/IP混合參考模型中，數(shù)據(jù)鏈路層又被分為LLC層(邏輯鏈路層)和MAC層(媒體介質訪問層)。目前，對于普通的接入網絡終端的設備， LLC層和MAC層是軟、硬件的分界線。如PC的網卡主要負責實現(xiàn)參考模型中的MAC子層和物理層，在PC的軟件系統(tǒng)中則有一套龐大程序實現(xiàn)了LLC層及以上的所有網絡層次的協(xié)議。

由硬件實現(xiàn)的物理層和MAC子層在不同的網絡形式有很大的區(qū)別，如以太網和Wi-Fi，這是由物理傳輸方式決定的。但由軟件實現(xiàn)的其它網絡層次通常不會有太大區(qū)別，在PC上也許能實現(xiàn)完整的功能，一般支持所有協(xié)議，而在嵌入式領域則按需要進行裁剪。

39.2 以太網

以太網(Ethernet)是互聯(lián)網技術的一種，由于它是在組網技術中占的比例最高，很多人直接把以太網理解為互聯(lián)網。

以太網是指遵守IEEE 802.3標準組成的局域網，由IEEE 802.3標準規(guī)定的主要是位于參考模型的物理層(PHY)和數(shù)據(jù)鏈路層中的介質訪問控制子層(MAC)。在家庭、企業(yè)和學校所組建的PC局域網形式一般也是以太網，其標志是使用水晶頭網線來連接(當然還有其它形式)。IEEE還有其它局域網標準，如IEEE 802.11是無線局域網，俗稱Wi-Fi。IEEE 802.15是個人域網，即藍牙技術，其中的802.15.4標準則是ZigBee技術。

現(xiàn)階段，工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、智能家居的嵌入式設備產生了接入互聯(lián)網的需求，利用以太網技術，嵌入式設備可以非常容易地接入到現(xiàn)有的計算機網絡中。

39.2.1 PHY層

在物理層，由IEEE 802.3標準規(guī)定了以太網使用的傳輸介質、傳輸速度、數(shù)據(jù)編碼方式和沖突檢測機制，物理層一般是通過一個PHY芯片實現(xiàn)其功能的。

1.    傳輸介質

傳輸介質包括同軸電纜、雙絞線(水晶頭網線是一種雙絞線)、光纖。根據(jù)不同的傳輸速度和距離要求，基于這三類介質的信號線又衍生出很多不同的種類。最常用的是"五類線"適用于100BASE-T和10BASE-T的網絡，它們的網絡速率分別為100Mbps和10Mbps。

2.    編碼

為了讓接收方在沒有外部時鐘參考的情況也能確定每一位的起始、結束和中間位置，在傳輸信號時不直接采用二進制編碼。在10BASE-T的傳輸方式中采用曼徹斯特編碼，在100BASE-T中則采用4B/5B編碼。

曼徹斯特編碼把每一個二進制位的周期分為兩個間隔，在表示"1"時，以前半個周期為高電平，后半個周期為低電平。表示"0"時則相反，見圖 392

圖 392 曼徹斯特編碼

采用曼徹斯特碼在每個位周期都有電壓變化，便于同步。但這樣的編碼方式效率太低，只有50%。

在100BASE-T 采用的4B/5B編碼是把待發(fā)送數(shù)據(jù)位流的每4位分為一組，以特定的5位編碼來表示，這些特定的5位編碼能使數(shù)據(jù)流有足夠多的跳變，達到同步的目的，而且效率也從曼徹斯特編碼的50%提高到了80%。

3.    CSMA/CD沖突檢測

早期的以太網大多是多個節(jié)點連接到同一條網絡總線上(總線型網絡)，存在信道競爭問題，因而每個連接到以太網上的節(jié)點都必須具備沖突檢測功能。以太網具備CSMA/CD沖突檢測機制，如果多個節(jié)點同時利用同一條總線發(fā)送數(shù)據(jù)，則會產生沖突，總線上的節(jié)點可通過接收到的信號與原始發(fā)送的信號的比較檢測是否存在沖突，若存在沖突則停止發(fā)送數(shù)據(jù)，隨機等待一段時間再重傳。

現(xiàn)在大多數(shù)局域網組建的時候很少采用總線型網絡，大多是一個設備接入到一個獨立的路由或交換機接口，組成星型網絡，不會產生沖突。但為了兼容，新出的產品還是帶有沖突檢測機制。

39.2.2 MAC子層

1.    MAC的功能

MAC子層是屬于數(shù)據(jù)鏈路層的下半部分，它主要負責與物理層進行數(shù)據(jù)交接，如是否可以發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送的數(shù)據(jù)是否正確，對數(shù)據(jù)流進行控制等。它自動對來自上層的數(shù)據(jù)包加上一些控制信號，交給物理層。接收方得到正常數(shù)據(jù)時，自動去除MAC控制信號，把該數(shù)據(jù)包交給上層。

2.    MAC數(shù)據(jù)包

IEEE對以太網上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包格式也進行了統(tǒng)一規(guī)定，見圖 393。該數(shù)據(jù)包被稱為MAC數(shù)據(jù)包。

圖 393 MAC數(shù)據(jù)包格式

MAC數(shù)據(jù)包由前導字段、幀起始定界符、目標地址、源地址、數(shù)據(jù)包類型、數(shù)據(jù)域、填充域、校驗和域組成。

?    前導字段，也稱報頭，這是一段方波，用于使收發(fā)節(jié)點的時鐘同步。內容為連續(xù)7個字節(jié)的0x55。字段和幀起始定界符在MAC收到數(shù)據(jù)包后會自動過濾掉。

?    幀起始定界符(SFD)：用于區(qū)分前導段與數(shù)據(jù)段的，內容為0xD5。

?    MAC地址： MAC地址由48位數(shù)字組成，它是網卡的物理地址，在以太網傳輸?shù)淖畹讓樱褪歉鶕?jù)MAC地址來收發(fā)數(shù)據(jù)的。部分MAC地址用于廣播和多播，在同一個網絡里不能有兩個相同的MAC地址。PC的網卡在出廠時已經設置好了MAC地址，但也可以通過一些軟件來進行修改，在嵌入式的以太網控制器中可由程序進行配置。數(shù)據(jù)包中的DA是目標地址，SA是源地址。

?    數(shù)據(jù)包類型：本區(qū)域可以用來描述本MAC數(shù)據(jù)包是屬于TCP/IP協(xié)議層的IP包、ARP包還是SNMP包，也可以用來描述本MAC數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)段的長度。如果該值被設置大于0x0600，不用于長度描述，而是用于類型描述功能，表示與以太網幀相關的MAC客戶端協(xié)議的種類。

?    數(shù)據(jù)段：數(shù)據(jù)段是MAC包的核心內容，它包含的數(shù)據(jù)來自MAC的上層。其長度可以從0~1500字節(jié)間變化。

?    填充域：由于協(xié)議要求整個MAC數(shù)據(jù)包的長度至少為64字節(jié)(接收到的數(shù)據(jù)包如果少于64字節(jié)會被認為發(fā)生沖突，數(shù)據(jù)包被自動丟棄)，當數(shù)據(jù)段的字節(jié)少于46字節(jié)時，在填充域會自動填上無效數(shù)據(jù)，以使數(shù)據(jù)包符合長度要求。

?    校驗和域：MAC數(shù)據(jù)包的尾部是校驗和域，它保存了CRC校驗序列，用于檢錯。

以上是標準的MAC數(shù)據(jù)包，IEEE 802.3同時還規(guī)定了擴展的MAC數(shù)據(jù)包，它是在標準的MAC數(shù)據(jù)包的SA和數(shù)據(jù)包類型之間添加4個字節(jié)的QTag前綴字段，用于獲取標志的MAC幀。前2個字節(jié)固定為0x8100，用于識別QTag前綴的存在；后兩個字節(jié)內容分別為3個位的用戶優(yōu)先級、1個位的標準格式指示符(CFI)和一個12位的VLAN標識符。

39.3 TCP/IP協(xié)議棧

標準TCP/IP協(xié)議是用于計算機通信的一組協(xié)議，通常稱為TCP/IP協(xié)議棧，通俗講就是符合以太網通信要求的代碼集合，一般要求它可以實現(xiàn)圖 391中每個層對應的協(xié)議，比如應用層的HTTP、FTP、DNS、SMTP協(xié)議，傳輸層的TCP、UDP協(xié)議、網絡層的IP、ICMP協(xié)議等等。關于TCP/IP協(xié)議詳細內容推薦閱讀《TCP-IP詳解》和《用TCP/IP進行網際互連》理解。

Windows操作系統(tǒng)、UNIX類操作系統(tǒng)都有自己的一套方法來實現(xiàn)TCP/IP通信協(xié)議，它們都提供非常完整的TCP/IP協(xié)議。對于一般的嵌入式設備，受制于硬件條件沒辦法支持使用在Window或UNIX類操作系統(tǒng)的運行的TCP/IP協(xié)議棧，一般只能使用簡化版本的TCP/IP協(xié)議棧，目前開源的適合嵌入式的有uIP、TinyTCP、uC/TCP-IP、LwIP等等。其中LwIP是目前在嵌入式網絡領域被討論和使用廣泛的協(xié)議棧。本章內容其中一個目的就是移植LwIP到開發(fā)板上運行。

39.3.1 為什么需要協(xié)議棧

物理層主要定義物理介質性質，MAC子層負責與物理層進行數(shù)據(jù)交接，這兩部分是與硬件緊密聯(lián)系的，就嵌入式控制芯片來說，很多都內部集成了MAC控制器，完成MAC子層功能，所以依靠這部分功能是可以實現(xiàn)兩個設備數(shù)據(jù)交換，而時間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就是MAC數(shù)據(jù)包，發(fā)送端封裝好數(shù)據(jù)包，接收端則解封數(shù)據(jù)包得到可用數(shù)據(jù)，這樣的一個模型與使用USART控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸是非常類似的。但如果將以太網運用在如此基礎的功能上，完全是大材小用，因為以太網具有傳輸速度快、可傳輸距離遠、支持星型拓撲設備連接等等強大功能。功能強大的東西一般都會用高級的應用，這也是設計者的初衷。

使用以太網接口的目的就是為了方便與其它設備互聯(lián)，如果所有設備都約定使用一種互聯(lián)方式，在軟件上加一些層次來封裝，這樣不同系統(tǒng)、不同的設備通訊就變得相對容易了。而且只要新加入的設備也使用同一種方式，就可以直接與之前存在于網絡上的其它設備通訊。這就是為什么產生了在MAC之上的其它層次的網絡協(xié)議及為什么要使用協(xié)議棧的原因。又由于在各種協(xié)議棧中TCP/IP協(xié)議棧得到了最廣泛使用，所有接入互聯(lián)網的設備都遵守TCP/IP協(xié)議。所以，想方便地與其它設備互聯(lián)通信，需要提供對TCP/IP協(xié)議的支持。

39.3.2 各網絡層的功能

用以太網和Wi-Fi作例子，它們的MAC子層和物理層有較大的區(qū)別，但在MAC之上的LLC層、網絡層、傳輸層和應用層的協(xié)議，是基本上同的，這幾層協(xié)議由軟件實現(xiàn)，并對各層進行封裝。根據(jù)TCP/IP協(xié)議，各層的要實現(xiàn)的功能如下：

LLC層：處理傳輸錯誤；調節(jié)數(shù)據(jù)流，協(xié)調收發(fā)數(shù)據(jù)雙方速度，防止發(fā)送方發(fā)送得太快而接收方丟失數(shù)據(jù)。主要使用數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議。

網絡層：本層也被稱為IP層。LLC層負責把數(shù)據(jù)從線的一端傳輸?shù)搅硪欢耍芏鄷r候不同的設備位于不同的網絡中(并不是簡單的網線的兩頭)。此時就需要網絡層來解決子網路由拓撲問題、路徑選擇問題。在這一層主要有IP協(xié)議、ICMP協(xié)議。

傳輸層：由網絡層處理好了網絡傳輸?shù)穆窂絾栴}后，端到端的路徑就建立起來了。傳輸層就負責處理端到端的通訊。在這一層中主要有TCP、UDP協(xié)議

應用層：經過前面三層的處理，通訊完全建立。應用層可以通過調用傳輸層的接口來編寫特定的應用程序。而TCP/IP協(xié)議一般也會包含一些簡單的應用程序如Telnet遠程登錄、FTP文件傳輸、SMTP郵件傳輸協(xié)議。

實際上，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，經過網絡協(xié)議棧的每一層，都會給來自上層的數(shù)據(jù)添加上一個數(shù)據(jù)包的頭，再傳遞給下一層。在接收方收到數(shù)據(jù)時，一層層地把所在層的數(shù)據(jù)包的頭去掉，向上層遞交數(shù)據(jù)，參考圖 394。

圖 394 數(shù)據(jù)經過每一層的封裝和還原

39.4 以太網外設(ETH)

STM32F42x系列控制器內部集成了一個以太網外設，它實際是一個通過DMA控制器進行介質訪問控制(MAC)，它的功能就是實現(xiàn)MAC層的任務。借助以太網外設，STM32F42x控制器可以通過ETH外設按照IEEE 802.3-2002標準發(fā)送和接收MAC數(shù)據(jù)包。ETH內部自帶專用的DMA控制器用于MAC，ETH支持兩個工業(yè)標準接口介質獨立接口(MII)和簡化介質獨立接口(RMII)用于與外部PHY芯片連接。MII和RMII接口用于MAC數(shù)據(jù)包傳輸，ETH還集成了站管理接口(SMI)接口專門用于與外部PHY通信，用于訪問PHY芯片寄存器。

物理層定義了以太網使用的傳輸介質、傳輸速度、數(shù)據(jù)編碼方式和沖突檢測機制，PHY芯片是物理層功能實現(xiàn)的實體，生活中常用水晶頭網線+水晶頭插座+PHY組合構成了物理層。

ETH有專用的DMA控制器，它通過AHB主從接口與內核和存儲器相連，AHB主接口用于控制數(shù)據(jù)傳輸，而AHB從接口用于訪問"控制與狀態(tài)寄存器"(CSR)空間。在進行數(shù)據(jù)發(fā)送是，先將數(shù)據(jù)有存儲器以DMA傳輸?shù)桨l(fā)送TX FIFO進行緩沖，然后由MAC內核發(fā)送；接收數(shù)據(jù)時，RX FIFO先接收以太網數(shù)據(jù)幀，再由DMA傳輸至存儲器。ETH系統(tǒng)功能框圖見圖 395。

圖 395 ETH功能框圖

39.4.1 SMI接口

SMI是MAC內核訪問PHY寄存器標志接口，它由兩根線組成，數(shù)據(jù)線MDIO和時鐘線MDC。SMI支持訪問32個PHY，這在設備需要多個網口時非常有用，不過一般設備都只使用一個PHY。PHY芯片內部一般都有32個16位的寄存器，用于配置PHY芯片屬性、工作環(huán)境、狀態(tài)指示等等，當然很多PHY芯片并沒有使用到所有寄存器位。MAC內核就是通過SMI向PHY的寄存器寫入數(shù)據(jù)或從PHY寄存器讀取PHY狀態(tài)，一次只能對一個PHY的其中一個寄存器進行訪問。SMI最大通信頻率為2.5MHz，通過控制以太網MAC MII地址寄存器 (ETH_MACMIIAR)的CR位可選擇時鐘頻率。

1.    SMI幀格式

SMI是通過數(shù)據(jù)幀方式與PHY通信的，幀格式如表 391，數(shù)據(jù)位傳輸順序從左到右。

表 391 SMI幀格式

PADDR用于指定PHY地址，每個PHY都有一個地址，一般由PHY硬件設計決定，所以是固定不變的。RADDR用于指定PHY寄存器地址。TA為狀態(tài)轉換域，若為讀操作，MAC輸出兩個位高阻態(tài)，而PHY芯片則在第一位時輸出高阻態(tài)，第二位時輸出"0"。若為寫操作，MAC輸出"10"，PHY芯片則輸出高阻態(tài)。數(shù)據(jù)段有16位，對應PHY寄存器每個位，先發(fā)送或接收到的位對應以太網 MAC MII 數(shù)據(jù)寄存器(ETH_MACMIIDR)寄存器的位15。

2.    SMI讀寫操作

當以太網MAC MII地址寄存器 (ETH_MACMIIAR)的寫入位和繁忙位被置1時，SMI將向指定的PHY芯片指定寄存器寫入ETH_MACMIIDR中的數(shù)據(jù)。寫操作時序見圖 396。

圖 396 SMI寫操作

當以太網MAC MII地址寄存器 (ETH_MACMIIAR)的寫入位為0并且繁忙位被置1時，SMI將從向指定的PHY芯片指定寄存器讀取數(shù)據(jù)到ETH_MACMIIDR內。讀操作時序見圖 397。

圖 397 SMI讀操作

39.4.2 MII和RMII接口

介質獨立接口(MII)用于理解MAC控制器和PHY芯片，提供數(shù)據(jù)傳輸路徑。RMII接口是MII接口的簡化版本，MII需要16根通信線，RMII只需7根通信，在功能上是相同的。圖 398為MII接口連接示意圖，圖 399為RMII接口連接示意圖。

圖 398 MII接口連接

圖 399 RMII接口連接

?    TX_CLK：數(shù)據(jù)發(fā)送時鐘線。標稱速率為10Mbit/s時為2.5MHz；速率為100Mbit/s時為25MHz。RMII接口沒有該線。

?    RX_CLK：數(shù)據(jù)接收時鐘線。標稱速率為10Mbit/s時為2.5MHz；速率為100Mbit/s時為25MHz。RMII接口沒有該線。

?    TX_EN：數(shù)據(jù)發(fā)送使能。在整個數(shù)據(jù)發(fā)送過程保存有效電平。

?    TXD[3:0]或TXD[1:0]：數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)線。對于MII有4位，RMII只有2位。只有在TX_EN處于有效電平數(shù)據(jù)線才有效。

?    CRS：載波偵聽信號，由PHY芯片負責驅動，當發(fā)送或接收介質處于非空閑狀態(tài)時使能該信號。在全雙工模式該信號線無效。

?    COL：沖突檢測信號，由PHY芯片負責驅動，檢測到介質上存在沖突后該線被使能，并且保持至沖突解除。在全雙工模式該信號線無效。

?    RXD[3:0]或RXD[1:0]：數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)線，由PHY芯片負責驅動。對于MII有4位，RMII只有2位。在MII模式，當RX_DV禁止、RX_ER使能時，特定的RXD[3:0]值用于傳輸來自PHY的特定信息。

?    RX_DV：接收數(shù)據(jù)有效信號，功能類似TX_EN，只不過用于數(shù)據(jù)接收，由PHY芯片負責驅動。對于RMII接口，是把CRS和RX_DV整合成CRS_DV信號線，當介質處于不同狀態(tài)時會自切換該信號狀態(tài)。

?    RX_ER：接收錯誤信號線，由PHY驅動，向MAC控制器報告在幀某處檢測到錯誤。

?    REF_CLK：僅用于RMII接口，由外部時鐘源提供50MHz參考時鐘。

因為要達到100Mbit/s傳輸速度，MII和RMII數(shù)據(jù)線數(shù)量不同，使用MII和RMII在時鐘線的設計是完全不同的。對于MII接口，一般是外部為PHY提供25MHz時鐘源，再由PHY提供TX_CLK和RX_CLK時鐘。對于RMII接口，一般需要外部直接提供50MHz時鐘源，同時接入MAC和PHY。

開發(fā)板板載的PHY芯片型號為LAN8720A，該芯片只支持RMII接口，電路設計時參考圖 399。

ETH相關硬件在STM32F42x控制器分布參考表 392。

表 392 ETH復用引腳

其中，PPS_OUT是IEEE 1588定義的一個時鐘同步機制。

39.4.3 MAC數(shù)據(jù)包發(fā)送和接收

ETH外設負責MAC數(shù)據(jù)包發(fā)送和接收。利用DMA從系統(tǒng)寄存器得到數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)內容，ETH外設自動填充完成MAC數(shù)據(jù)包封裝，然后通過PHY發(fā)送出去。在檢測到有MAC數(shù)據(jù)包需要接收時，ETH外設控制數(shù)據(jù)接收，并解封MAC數(shù)據(jù)包得到解封后數(shù)據(jù)通過DMA傳輸?shù)较到y(tǒng)寄存器內。

1.    MAC數(shù)據(jù)包發(fā)送

MAC數(shù)據(jù)幀發(fā)送全部由DMA控制，從系統(tǒng)存儲器讀取的以太網幀由DMA推入FIFO，然后將幀彈出并傳輸?shù)組AC內核。幀傳輸結束后，從MAC內核獲取發(fā)送狀態(tài)并傳回DMA。在檢測到SOF(Start Of Frame)時，MAC接收數(shù)據(jù)并開始MII發(fā)送。在EOF(End Of Frame)傳輸?shù)組AC內核后，內核將完成正常的發(fā)送，然后將發(fā)送狀態(tài)返回給DMA。如果在發(fā)送過程中發(fā)送常規(guī)沖突，MAC內核將使發(fā)送狀態(tài)有效，然后接受并丟棄所有后續(xù)數(shù)據(jù)，直至收到下一SOF。檢測到來自MAC的重試請求時，應從SOF重新發(fā)送同一幀。如果發(fā)送期間未連續(xù)提供數(shù)據(jù)，MAC將發(fā)出下溢狀態(tài)。在幀的正常傳輸期間，如果MAC在未獲得前一幀的EOF的情況下接收到SOF，則將忽略該SOF并將新的幀視為前一幀的延續(xù)。

MAC控制MAC數(shù)據(jù)包的發(fā)送操作，它會自動生成前導字段和SFD以及發(fā)送幀狀態(tài)返回給DMA，在半雙工模式下自動生成阻塞信號，控制jabber(MAC看門狗)定時器用于在傳輸字節(jié)超過2048字節(jié)時切斷數(shù)據(jù)包發(fā)送。在半雙工模式下，MAC使用延遲機制進行流量控制，程序通過將ETH_MACFCR寄存器的BPA位置1來請求流量控制。MAC包含符合IEEE 1588的時間戳快照邏輯。MAC數(shù)據(jù)包發(fā)送時序參考圖 3910。

圖 3910 MAC數(shù)據(jù)包發(fā)送時序(無沖突)

2.    MAC數(shù)據(jù)包接收

MAC接收到的數(shù)據(jù)包填充RX FIFO，達到FIFO設定閾值后請求DMA傳輸。在默認直通模式下，當FIFO接收到64個字節(jié)(使用ETH_DMAOMR寄存器中的RTC位配置)或完整的數(shù)據(jù)包時，數(shù)據(jù)將彈出，其可用性將通知給DMA。DMA向AHB接口發(fā)起傳輸后，數(shù)據(jù)傳輸將從FIFO持續(xù)進行，直到傳輸完整個數(shù)據(jù)包。完成EOF幀的傳輸后，狀態(tài)字將彈出并發(fā)送到DMA控制器。在Rx FIFO存儲轉發(fā)模式(通過ETH_DMAOMR寄存器中的RSF位配置)下，僅在幀完全寫入Rx FIFO后才可讀出幀。

當MAC在MII上檢測到SFD時，將啟動接收操作。MAC內核將去除報頭和SFD，然后再繼續(xù)處理幀。檢查報頭字段以進行過濾，F(xiàn)CS字段用于驗證幀的CRC如果幀未通過地址濾波器，則在內核中丟棄該幀。MAC數(shù)據(jù)包接收時序參考圖 3911。

圖 3911 MAC數(shù)據(jù)包接收時序(無錯誤)

39.4.4 MAC過濾

MAC過濾功能可以選擇性的過濾設定目標地址或源地址的MAC幀。它將檢查所有接收到的數(shù)據(jù)幀的目標地址和源地址，根據(jù)過濾選擇設定情況，檢測后報告過濾狀態(tài)。針對目標地址過濾可以有三種，分別是單播、多播和廣播目標地址過濾；針對源地址過濾就只有單播源地址過濾。

單播目標地址過濾是將接收的相應DA字段與預設的以太網MAC地址寄存器內容比較，最高可預設4個過濾MAC地址。多播目標地址過濾是根據(jù)幀過濾寄存器中的HM位執(zhí)行對多播地址的過濾，是對MAC地址寄存器進行比較來實現(xiàn)的。單播和多播目標地址過濾都還支持Hash過濾模式。廣播目標地址過濾通過將幀過濾寄存器的BFD位置1使能，這使得MAC丟棄所有廣播幀。

單播源地址過濾是將接收的SA字段與SA寄存器內容進行比較過濾。

MAC過濾還具備反向過濾操作功能，即讓過濾結構求補集。

39.5 PHY：LAN8720A

LAN8720A是SMSC公司(已被Microchip公司收購)設計的一個體積小、功耗低、全能型10/100Mbps的以太網物理層收發(fā)器。它是針對消費類電子和企業(yè)應用而設計的。LAN8720A總共只有24Pin，僅支持RMII接口。由它組成的網絡結構見圖 3912。

圖 3912 由LAN8720A組成的網絡系統(tǒng)結構

LAN8720A通過RMII與MAC連接。RJ45是網絡插座，在與LAN8720A連接之間還需要一個變壓器，所以一般使用帶電壓轉換和LED指示燈的HY911105A型號的插座。一般來說，必須為使用RMII接口的PHY提供50MHz的時鐘源輸入到REF_CLK引腳，不過LAN8720A內部集成PLL，可以將25MHz的時鐘源陪頻到50MHz并在指定引腳輸出該時鐘，所以我們可以直接使其與REF_CLK連接達到提供50MHz時鐘效果。

LAN8720A內部系統(tǒng)結構見圖 3913。

圖 3913 LAN8720A內部系統(tǒng)結構

LAN8720A有各個不同功能模塊組成，最重要的要數(shù)接收控制器和發(fā)送控制器，其它的基本上都是與外部引腳掛鉤，實現(xiàn)信號傳輸。部分引腳是具有雙重功能的，比如PHYAD0與RXER引腳是共用的，在系統(tǒng)上電后LAN8720A會馬上讀取這部分共用引腳的電平，以確定系統(tǒng)的狀態(tài)并保存在相關寄存器內，之后則自動轉入作為另一功能引腳。

PHYAD[0]引腳用于配置SMI通信的LAN8720A地址，在芯片內部該引腳已經自帶下拉電阻，默認認為0(即使外部懸空不接)，在系統(tǒng)上電時會檢測該引腳獲取得到LAN8720A的地址為0或者1，并保存在特殊模式寄存器(R18)的PHYAD位中，該寄存器的PHYAD有5個位，在需要超過2個LAN8720A時可以通過軟件設置不同SMI通信地址。PHYAD[0]是與RXER引腳共用。

MODE[2:0]引腳用于選擇LAN8720A網絡通信速率和工作模式，可選10Mbps或100Mbps通信速度，半雙工或全雙工工作模式，另外LAN8720A支持HP Auto-MDIX自動翻轉功能，即可自動識別直連或交叉網線并自適應。一般將MODE引腳都設置為1，可以讓LAN8720A啟動自適應功能，它會自動尋找最優(yōu)工作方式。MODE[0]與RXD0引腳共用、MODE[1]與RXD1引腳共用、MODE[2]與CRS_DV引腳共用。