基于CPCI總線10/100 Mb/s以太網卡的設計與實現

　　0 引 言

　　基于PCI總線的以太網控制器是現在以致將來網絡應用方面的一個主要發(fā)展方向。8位ISA網卡目前已被淘汰，市場上常見的是16位ISA接口的10 Mb／s網卡，它的惟一好處就是價格低廉，適合于一些如網吧等要求不高的場合使用。而VESA、EISA網卡速度雖然快，但價格較貴，市場很少見。目前市場上的主流網卡是PCI總線的網卡。CPCI技術是在PCI技術基礎之上經過改造而成，基于CPCI以太網卡性能更高。該文就是要設計一種高性能又不增加芯片成本的以太網卡電路。在仔細分析以太網的原理和理解CPCI總線原理的基礎上，以Intel 82551為例研究設計了一種高效的以太網卡電路。

　　1 CPCI的特點

　　CPCI(Compact Peripheral Computer Intercon-nect，緊湊的PCD具有以下特點：

　　(1)繼續(xù)采用PCI局部總線技術；
(2)拋棄IPC傳統(tǒng)機械結構，改用經過20年實踐檢驗了的高可靠歐洲卡結構，改善了散熱條件，提高了抗振動沖擊能力，符合電磁兼容性要求；
(3)拋棄IPC的金手指式互連方式，改用2 mm密度的針孔連接器，具有氣密性、防腐性，進一步提高了可靠性，并增加了負載能力。

　　2 Intel 82551以太網控制芯片簡介

　　Intel 82551是Intel公司的一款高集成的以太網控制芯片，它的主要功能是實現以太網幀的收發(fā)。它集成了10／100 Base-T MAC控制器和10／100 Base-TPHY控制器，支持數據的全雙工或半雙工傳輸，支持自動協商，支持10／100 Mb／s傳輸速率，支持流控機制。

　　2．1 Intel 82551芯片結構

　　Intel 82551由五個單元組成：并行子系統(tǒng)、FIFO系統(tǒng)、Manageability系統(tǒng)、CSMA／CD 單元、PHY單元。并行子系統(tǒng)包括FLASH／E2PROM接口、PCI接口、DMA通道和微碼引擎。Intel 82551具備128 KB尋址能力的FLASH和E2PROM接口，外擴的FLASH或E2PROM主要用來儲MAC地址和一些配置信息。Intel 82551通過CPCI接口掛接到CPCI總線上，與CPU間的數據傳輸通過DMA(Direct Memory Access，直接內存存取)的方式進行，這種方式是Intel82551向CPU申請CPCI總線控制權，在不需CPU的干預下與系統(tǒng)內存之間進行數據的傳輸，而且Intel82551具有Scatter／Gather(分散／集聚)能力，能夠支持連續(xù)地訪問內存物理地址不連續(xù)的數據塊。微碼引擎的主要任務是將系統(tǒng)內存空間的數據緩沖區(qū)的指針告訴DMA單元，以便Intel 82551直接訪問數據緩沖區(qū)。微碼引擎具體分為CU(發(fā)送單元)和RU(接收單元)兩個相互獨立的部分，CU控制數據的發(fā)送，RU控制數據的接收，均不需CPU的干預，是控制Intel 82551數據收發(fā)的主要功能模塊。FIFO子系統(tǒng)包括3 KB的發(fā)送緩沖區(qū)，3 KB的接收緩沖區(qū)，以及FIFO控制器。它的作用是在并行子系統(tǒng)和CSMA／CD子系統(tǒng)之間起數據緩沖的作用。

　　10／100 Mb／s CS／CD子系統(tǒng)執(zhí)行802．3協議定義的功能，比如幀重組、碰撞的檢測等。10／100 Mb／sPHY子系統(tǒng)直接連接到10／100 Mb／s的網絡，支持100 Base-Tx Fullduplex，100 Base-Tx Halfduplex，10 Base-Tx Fullduplex，10 Base-Tx Halfduplex。

　　2．2 Intel 82551寄存器

　　Intel 82551以太網控制芯片的操作命令主要是通過SCB(Control／Status Register)寄存器來控制。SCB的格式如表1所示。

　　其中偏移地址為00h的低16位是SCB的狀態(tài)位，每一位都對應表示中斷的狀態(tài)，引起中斷的原因，以及CU和RU的狀態(tài)。高16位是命令位，通過向該命令位寫入命令字，控制Intel 82551的各種行為。偏移地址為04h的是指向命令塊的指針，由于Intel82551是通過CU單元來執(zhí)行各種命令塊，所以要告知CU單元所執(zhí)行的命令的地址。Intel 82551芯片還有一系列的特殊命令，例如Nop，Configue，Transmit和Receive等命令。

　　3 CPCI總線與Intel 82551連接方法

　　CPCI是一種同步總線，數據／地址復用，總線寬度為32位，可以擴展到64位，最高工作頻率為64 MHz。支持快速背對背傳輸、碎發(fā)傳輸及Cache操作，具有較高的傳輸速率、數據吞吐率和良好的擴展性。連接方法如圖1所示。

　　4 Intel 82551與傳輸介質接口

　　要實現以太網接口，以太網變壓器是不可缺少的。在差分接收引腳(RX+／RX-)上，需要1個專用于10 Base-T操作的1：1脈沖變壓器；在差分發(fā)送引腳(TX+／TX-)上，需要外接1個帶有中心抽頭的1：2．5脈沖變壓器。變壓器應具有2 kV以上的電壓隔離性能，以防止靜電干擾。接口電路如圖2所示。

　　5 以太網控制芯片配置

　　其他的，還有一顆E2PROM芯片，通常是一顆93C46。里面記錄了網卡芯片的供應商ID、子系統(tǒng)供應商ID、網卡的MAC地址、網卡的一些配置，如SMI總線上PHY的地址，BootROM的容量，是否啟用BOOTROM引導系統(tǒng)等。

　　在系統(tǒng)啟動時，CPU遍歷查找PC總線以及設備，為其分配所需要的資源，并映射其設備空間。其查找的依據就是PCI配置空間中的DeviceID和VendorID這兩個字段。

　　它表示系統(tǒng)中可能存在VendorID為0x8086(表明是Intel公司生產的)，DeviceID為0x1209(Intel 82551在Intel公司的序號)的設備，這樣的設備可以有多個。使用eeupdate工具對93C46在線讀寫，寫入內容如下：

　　6 結 語

　　網卡插入系統(tǒng)運行良好，連上HUB，與其他系統(tǒng)收發(fā)數據正常。Chariot(網絡戰(zhàn)車)是一款權威的網絡測試軟件，它可以模擬出多種網絡使用環(huán)境，測量網絡的數據吞吐量、傳輸速率等數據。利用Chariot來測試這款網卡和市場購買的網卡。用Chariot測試時，先找來A、B兩臺電腦，將兩臺電腦對連并裝上Chariot。A電腦作為測試機，兩款網卡就裝在這臺機器上，將網線分別插到A電腦的不同網卡上就可以進行測試了。Intel82559網卡由于處理器性能更強，所以無論在傳輸速率、CPU占用率和轉發(fā)率上都有更好表現，比其他網卡更強。