1 以太網(wǎng)的由來(lái)

__以太網(wǎng)__不是單一協(xié)議，而是不同標(biāo)準(zhǔn)的完整集合。這些標(biāo)準(zhǔn)來(lái)自 IEEE，它們的名字都以 802.3 開(kāi)頭。

以太網(wǎng)技術(shù)起源于施樂(lè)帕洛阿爾托研究中心的先鋒技術(shù)項(xiàng)目。人們通常認(rèn)為以太網(wǎng)發(fā)明于1973年，當(dāng)年鮑勃.梅特卡夫（Bob Metcalfe）給他PARC的老板寫(xiě)了一篇有關(guān)以太網(wǎng)潛力的備忘錄。但是梅特卡夫本人認(rèn)為以太網(wǎng)是之后幾年才出現(xiàn)的。在1976年，梅特卡夫和他的助手David Boggs發(fā)表了一篇名為《以太網(wǎng)：區(qū)域計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分布式數(shù)據(jù)包交換技術(shù)》的文章。

1979年，梅特卡夫?yàn)榱碎_(kāi)發(fā)個(gè)人電腦和局域網(wǎng)離開(kāi)了施樂(lè)（Xerox），成立了3Com公司。3Com對(duì)DEC、英特爾和施樂(lè)進(jìn)行游說(shuō)，希望與他們一起將以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。這個(gè)通用的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)于1980年9月30日提出。當(dāng)時(shí)業(yè)界有兩個(gè)流行的非公用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)令牌環(huán)網(wǎng)和ARCNET，在以太網(wǎng)浪潮的沖擊下他們很快萎縮并被取代。而在此過(guò)程中，3Com也成了一個(gè)國(guó)際化的大公司。梅特卡夫曾經(jīng)開(kāi)玩笑說(shuō)，Jerry Saltzer為3Com的成功作出了貢獻(xiàn)。Saltzer在一篇[哪個(gè)／哪些？]與他人合著的很有影響力的論文中指出，在理論上令牌環(huán)網(wǎng)要比以太網(wǎng)優(yōu)越。受到此結(jié)論的影響，很多電腦廠商或猶豫不決或決定不把以太網(wǎng)接口做為機(jī)器的標(biāo)準(zhǔn)配置，這樣3Com才有機(jī)會(huì)從銷售以太網(wǎng)網(wǎng)卡大賺。這種情況也導(dǎo)致了另一種說(shuō)法“以太網(wǎng)不適合在理論中研究，只適合在實(shí)際中應(yīng)用”。也許只是句玩笑話，但這說(shuō)明了這樣一個(gè)技術(shù)觀點(diǎn)：通常情況下，網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際的數(shù)據(jù)流特性與人們?cè)诰钟蚓W(wǎng)普及之前的估計(jì)不同，而正是因?yàn)橐蕴W(wǎng)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)才使局域網(wǎng)得以普及。梅特卡夫和Saltzer曾經(jīng)在麻省理工學(xué)院MAC項(xiàng)目（Project MAC）的同一層樓工作，當(dāng)時(shí)他正在做自己的哈佛大學(xué)畢業(yè)論文，在此期間奠定了以太網(wǎng)技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

1985 年，美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì) (IEEE) 制定了一系列局域網(wǎng) (LAN)標(biāo)準(zhǔn)，稱為 IEEE 802 標(biāo)準(zhǔn)。這些已被廣泛接受，現(xiàn)在構(gòu)成了大多數(shù) LAN 的核心。IEEE 802 標(biāo)準(zhǔn)之一，IEEE 802.3，是一種稱為“以太網(wǎng)”的標(biāo)準(zhǔn)。這是當(dāng)今世界上使用最廣泛的 LAN 技術(shù)。盡管IEEE 802.3與原始標(biāo)準(zhǔn)（“藍(lán)皮書(shū)”）有些不同。它非常相似，兩組標(biāo)準(zhǔn)都可以用于同一個(gè)局域網(wǎng)。

如今，以太網(wǎng)采用CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，載波監(jiān)聽(tīng)多路存取和沖突檢測(cè)）介質(zhì)訪問(wèn)控制方式的局域網(wǎng)技術(shù)，最初由Xerox公司于1975年研制成功，1979年7月～1982年間，由__DEC、Intel和Xerox__三家公司制定了以太網(wǎng)的技術(shù)規(guī)范DIX，以此為基礎(chǔ)形成的IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)在1989年正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。在20多年中以太網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，成為迄今最廣泛應(yīng)用的局域網(wǎng)技術(shù)，產(chǎn)生了多種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2 以太網(wǎng)概述

以太網(wǎng) （Ethernet）是一種計(jì)算機(jī)__局域網(wǎng)__技術(shù)。IEEE組織的IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)制定了以太網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了包括物理層的連線、電子信號(hào)和介質(zhì)訪問(wèn)控制的內(nèi)容。以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最普遍的局域網(wǎng)技術(shù)，取代了其他局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)如令牌環(huán)、FDDI和ARCNET。

以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為_(kāi)_總線型拓?fù)鋉_，但目前的快速以太網(wǎng)（100BASE-T、1000BASE-T標(biāo)準(zhǔn)）為了減少?zèng)_突，將能提高的網(wǎng)絡(luò)速度和使用效率最大化，使用交換機(jī)（Switch hub）來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和組織。如此一來(lái)，以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就成了星型；但在邏輯上，以太網(wǎng)仍然使用總線型拓?fù)浜虲SMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，即載波多重訪問(wèn)/碰撞偵測(cè)）的總線技術(shù)。

__以太網(wǎng) __(Ethernet) 在組網(wǎng)技術(shù)中占的比例最高，很多人直接把以太網(wǎng)理解為互聯(lián)網(wǎng)。因此這里有必要詳細(xì)說(shuō)明以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別和聯(lián)系。

__互聯(lián)網(wǎng)__即INTERNET，它是一個(gè)全球性互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。它是由從地方到全球范圍內(nèi)幾百萬(wàn)個(gè)私人的，政府的，學(xué)術(shù)界的，企業(yè)的和政府的網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成，通過(guò)電子，無(wú)線和光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等等一系列廣泛的技術(shù)聯(lián)系在一起。它以TCP/IP協(xié)議簇作為通信方式，體系結(jié)構(gòu)分為4層：應(yīng)用層，傳輸層，網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)接口層。

__以太網(wǎng)__是最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD技術(shù)，（載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)及沖突檢測(cè)）并以10M/s的速率（或100M/s 、1000M/s等速率）運(yùn)行在多種類型的電纜上。它規(guī)定了包括物理層的連線、電子信號(hào)和介質(zhì)訪問(wèn)層協(xié)議的內(nèi)容。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，以太網(wǎng)（Ethernet），是讓局域網(wǎng)連接的一種技術(shù)，取代了其他局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)如令牌環(huán)、FDDI和ARCNET。

以太網(wǎng)是指遵守 IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)組成的局域網(wǎng)，由 IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)訪問(wèn)控制子層 (MAC)。在家庭、企業(yè)和學(xué)校所組建的 PC局域網(wǎng)形式一般也是以太網(wǎng)，其標(biāo)志是使用水晶頭網(wǎng)線來(lái)連接 (當(dāng)然還有其它形式)。 IEEE 還有其它局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，如 IEEE 802.11 是無(wú)線局域網(wǎng)，俗稱 Wi-Fi。 IEEE802.15 是個(gè)人域網(wǎng)，即藍(lán)牙技術(shù)，其中的 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)則是 ZigBee 技術(shù)。

以太網(wǎng)只是組成互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)子集，以太網(wǎng)是現(xiàn)在主流的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，而互聯(lián)網(wǎng)是指將大量的局域網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行資源的分享。另外，互聯(lián)網(wǎng)與以太網(wǎng)是兩個(gè)不同的概念，前者是范圍概念，后者是技術(shù)概念。互聯(lián)網(wǎng)（Internet）、廣域網(wǎng)（WAN）、局域網(wǎng)（LAN）可以算作一類，它們都是按照區(qū)域和范圍來(lái)分類的。而以太網(wǎng)（Ethernet）、ATM網(wǎng)和FDDI網(wǎng)可以算作一類，它們是按照傳輸技術(shù)分類的。

以太網(wǎng)描述了__物理(PHY)層和數(shù)據(jù)鏈路(Data Link)層__，如下圖所示。

在物理層，有不同的電纜選項(xiàng)和不同的速度。然而，以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)之一是它使用相同的數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。你可以在網(wǎng)絡(luò)中混合使用不同的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。下面是一個(gè)例子：

上面我們看到三臺(tái)主機(jī)連接到使用不同以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的兩臺(tái)交換機(jī)。交換機(jī)之間的連接是 10 Gbps 光纖連接。即使我們混合了不同的標(biāo)準(zhǔn)，該網(wǎng)絡(luò)也將能夠轉(zhuǎn)發(fā)以太網(wǎng)幀。

3 以太網(wǎng)幀格式

以太網(wǎng)的一大優(yōu)點(diǎn)是，雖然有不同的標(biāo)準(zhǔn)，但都使用通用的以太網(wǎng)幀。自 70 年代的原始以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)以來(lái)，此框架沒(méi)有太大變化。這是以太網(wǎng)幀的樣子：

前導(dǎo)碼 ：這是一個(gè) 7 字節(jié)的 1 和 0 模式，用于同步。

SFD ：“起始幀定界符”標(biāo)記前導(dǎo)碼的結(jié)尾，并告訴接收器接下來(lái)的字段將是實(shí)際的以太網(wǎng)幀，從目標(biāo)字段開(kāi)始。

目的地址 ：這是接收方的目的地 MAC 地址。

源地址 ：發(fā)送幀的設(shè)備的源MAC地址。

類型 ：這告訴我們以太網(wǎng)幀內(nèi)攜帶的內(nèi)容。IPv4 數(shù)據(jù)包、IPv6 數(shù)據(jù)包或其他內(nèi)容。

數(shù)據(jù) ：它攜帶我們嘗試傳輸?shù)膶?shí)際數(shù)據(jù)，例如 IPv4 數(shù)據(jù)包。

FCS ：幀校驗(yàn)序列幫助接收器確定幀是正確還是損壞。

綠色標(biāo)記的字段就是我們所說(shuō)的以太網(wǎng)頭。

TCP/IP 協(xié)議棧中的每層協(xié)議報(bào)文的封裝與拆裝如下：

當(dāng)用戶發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)向下交給傳輸層，這是處于應(yīng)用層的操作，應(yīng)用層可以通過(guò)調(diào)用傳輸層的接口來(lái)編寫(xiě)特定的應(yīng)用程序。而 TCP/IP 協(xié)議一般也會(huì)包含一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序如 Telnet 遠(yuǎn)程登錄、 FTP 文件傳輸、 SMTP 郵件傳輸協(xié)議等。傳輸層會(huì)在數(shù)據(jù)前面加上傳輸層首部（此處以TCP 協(xié)議為例，傳輸層首部為 TCP 首部，也可以是 UDP 首部），然后向下交給網(wǎng)絡(luò)層。同樣地，網(wǎng)絡(luò)層會(huì)在數(shù)據(jù)前面加上網(wǎng)絡(luò)層首部（IP 首部），然后將數(shù)據(jù)向下交給鏈路層，鏈路層會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行最后一次封裝，即在數(shù)據(jù)前面加上鏈路層首部（此處使用以太網(wǎng)接口為例），然后將數(shù)據(jù)交給網(wǎng)卡。最后，網(wǎng)卡將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成物理鏈路上的電平信號(hào)，數(shù)據(jù)就這樣被發(fā)送到了網(wǎng)絡(luò)中。

當(dāng)設(shè)備的網(wǎng)卡接收到某個(gè)數(shù)據(jù)包后，它會(huì)將其放置在網(wǎng)卡的接收緩存中，并告知 TCP/IP 內(nèi)核。然后 TCP/IP 內(nèi)核就開(kāi)始工作了，它會(huì)將數(shù)據(jù)包從接收緩存中取出，并逐層解析數(shù)據(jù)包中的協(xié)議首部信息，并最終將數(shù)據(jù)交給某個(gè)應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)的接收過(guò)程與發(fā)送過(guò)程正好相反，

常用的以太網(wǎng)MAC幀格式有兩種標(biāo)準(zhǔn) ： DIX Ethernet II標(biāo)準(zhǔn)，IEEE 的 802.3 標(biāo)準(zhǔn) 。

Ethernet V2可以裝載的最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是1500字節(jié)，而IEEE802.3可以裝載的最大數(shù)據(jù)是1492字節(jié)（SNAP）或是1497字節(jié); Ethernet V2不提供MAC層的數(shù)據(jù)填充功能，而IEEE802.3不僅提供該功能，還具備服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)（SAP）和SNAP層，能夠提供更有效的數(shù)據(jù)鏈路層控制和更好的傳輸保證。那么我們可以得出這樣的結(jié)論：Ethernet V2比IEEE802.3更適合于傳輸大量的數(shù)據(jù)，但EthernetV2缺乏數(shù)據(jù)鏈路層的控制，不利于傳輸需要嚴(yán)格傳輸控制的數(shù)據(jù)，這也正是IEEE802.3的優(yōu)勢(shì)所在，越需要嚴(yán)格傳輸控制的應(yīng)用，越需要用IEEE802.3或SNAP來(lái)封裝，但I(xiàn)EEE802.3也不可避免的帶來(lái)數(shù)據(jù)裝載量的損失，因此該格式的封裝往往用在較少數(shù)據(jù)量承載但又需要嚴(yán)格控制傳輸?shù)膽?yīng)用中。

在實(shí)際應(yīng)用中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)應(yīng)用的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包是EthernetV2的幀（如HTTP、FTP、SMTP、POP3等應(yīng)用），而交換機(jī)之間的BPDU（橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元）數(shù)據(jù)包則是IEEE802.3的幀，VLANTrunk協(xié)議如802.1Q和Cisco的CDP（思科發(fā)現(xiàn)協(xié)議）等則是采用IEEE802.3SNAP的幀。大家有興趣的話，可以利用Sniffer等協(xié)議分析工具去捕捉數(shù)據(jù)包，然后解碼查看是不是這樣的。

4 物理層

在物理層，由 IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了以太網(wǎng)使用的傳輸介質(zhì)、傳輸速度、數(shù)據(jù)編碼方式和沖突檢測(cè)機(jī)制，物理層一般是通過(guò)一個(gè) PHY 芯片實(shí)現(xiàn)其功能的。

4.1 傳輸介質(zhì)

傳輸介質(zhì)包括__同軸電纜、雙絞線 (Unshielded Twisted Pair, UTP)、光纖__。根據(jù)不同的傳輸速度和距離要求，基于這三類介質(zhì)的信號(hào)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(wǎng)絡(luò)，它們的網(wǎng)絡(luò)速率分別為 100Mbps 和 10Mbps。

以太網(wǎng)有許多不同的標(biāo)準(zhǔn)，速度從 10 Mbps（兆比特每秒）到 100 Gbps（千兆比特每秒）。以下是一些流行的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的概述：

不同的標(biāo)準(zhǔn)是由不同的名字組合而成：

• 10/100/1000： 數(shù)字100用單位MHz (Megahertz)表示網(wǎng)線設(shè)計(jì)的__頻率__。即100 MHz。MHz的值越大，網(wǎng)線所支持的速度就越快。如果你嘗試將這種類型的網(wǎng)線用于更高的頻率(和速度)中，那么它將不工作或者變得極為不可靠。100 MHz以每秒100Mbit的速度傳輸，這在理論上指的就是12 Mbps。然而，在實(shí)際中，可能還無(wú)法獲得超過(guò)4 Mbps。
• BASE： BASE是英文baseband的縮寫(xiě)，指的就是__基帶__。表示沒(méi)有使用頻分復(fù)用或者其它頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)，每一個(gè)信號(hào)在一個(gè)單一頻率上完全控制線纜。
• 數(shù)字T/F/C等： 一般數(shù)組表示__傳輸長(zhǎng)度__；T代表承載信號(hào)的物理介質(zhì)是雙絞線纜（分為UTP（Unshielded Twisted Pair，非屏蔽雙絞線）和STP（Shielded Twicted Pair，屏蔽雙絞線）），在這里每一對(duì)傳送信號(hào)的雙絞線互相纏繞以(FEXT和NEXT之間)減少電磁干擾和串?dāng)_；F表示光纖
• 最后的字母或數(shù)字（4/X等）： 在同一種傳送速率下有多種不同的標(biāo)準(zhǔn)，它們之間以一個(gè)字母或數(shù)字跟隨T/F/C之后的方式來(lái)區(qū)隔（例如TX）。它顯示了網(wǎng)線的結(jié)構(gòu)并指出包含的絞線對(duì)的數(shù)量。某些高速標(biāo)準(zhǔn)使用同軸電纜，則分配代號(hào)為CX。

下面以不同類型的傳輸介質(zhì)進(jìn)行介紹。

1.同軸電纜

同軸電纜的主要代表是10BASE5和10BASE2。

10BASE5 （又稱粗纜（Thick Ethernet）或黃色電纜）──最早實(shí)現(xiàn)10 Mbit/s以太網(wǎng)。

早期IEEE標(biāo)準(zhǔn)，使用單根RG-11同軸電纜，最大距離為500米，并最多可以連接100臺(tái)電腦的收發(fā)器，而纜線兩端必須接上50歐姆的終端電阻。接收端通過(guò)所謂的“插入式分接頭”插入電纜的內(nèi)芯和屏蔽層。在電纜終結(jié)處使用N型連接器。

盡管由于早期的大量布設(shè)，到現(xiàn)在還有一些系統(tǒng)在使用，這一標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上被10BASE2取代。

利用基帶的10M傳輸速率，采用曼徹斯特編碼傳輸數(shù)據(jù)。 該系統(tǒng)在安裝和維護(hù)上難度較大。

在IEEE Std 802.3?的Clause 8有詳細(xì)的介紹。

Physical Layer partitioning, relationship to the ISO/IEC Open Systems Interconnection (OSI) reference model

10BASE2 （又稱細(xì)纜（Thin Ethernet）或模擬網(wǎng)絡(luò)）── 10BASE5后的產(chǎn)品，使用RG-58同軸電纜，最長(zhǎng)轉(zhuǎn)輸距離約200米（實(shí)際為185米），僅能連接30臺(tái)計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)使用T型適配器連接到帶有BNC連接器的網(wǎng)卡，而__線路兩頭需要50歐姆的終結(jié)器__。

利用基帶的10M傳輸速率，采用曼徹斯特編碼傳輸數(shù)據(jù)。雖然在能力、規(guī)格上不及10BASE5，但是因?yàn)槠渚€材較細(xì)、布線方便、成本也便宜，所以得到更廣泛的使用，淘汰了10BASE5。由于雙絞線的普及，它也被各式的雙絞線網(wǎng)絡(luò)取代。

在IEEE Std 802.3?的Clause 10有詳細(xì)的介紹。

Physical Layer partitioning, relationship to the ISO/IEC Open Systems Interconnection (OSI) reference model

https://www.telecomworld101.com/Thinnet.html

【注】自2011年9月以來(lái)，該標(biāo)準(zhǔn)不再考慮維護(hù)變更。

2.雙絞線

StarLAN是第一個(gè)雙絞線上實(shí)現(xiàn)的以太網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)10 Mbit/s。后發(fā)展成10BASE-T，以及100BASE-TX和1000BASE-T

__10BASE-T__使用兩對(duì)非屏蔽雙絞線，一對(duì)線發(fā)送數(shù)據(jù)，另一對(duì)線接收數(shù)據(jù)，用RJ-45模塊作為端接器，星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，信號(hào)頻率為20MHz，必須使用3類或更好的UTP電纜；布線按照EIA568標(biāo)準(zhǔn)，站點(diǎn)中繼器和中繼器中繼器的最大距離為100m。保持了10base5的4中繼器/5網(wǎng)段的設(shè)計(jì)能力，使10base-T局域網(wǎng)的最大直徑為500m。

10Base-T的集線器和網(wǎng)卡每16秒就發(fā)出“滴答”(Hear-beat)脈沖，集線器和網(wǎng)卡都要監(jiān)聽(tīng)此脈沖，收到“滴答” 信號(hào)表示物理連接已建立，10base-T設(shè)備通過(guò)LED向網(wǎng)絡(luò)管理員指示鏈路是否正常。

如下圖所示，UTP 電纜有 4 對(duì)線對(duì)，每對(duì) 2 根線。每對(duì)線都有兩種匹配的顏色。例如，藍(lán)色和藍(lán)白色。在 UTP 電纜的末端，我們使用 RJ45 連接器。

RJ45 連接器有 8 個(gè)可以插入電線的位置，稱為“引腳”。我們從左到右數(shù)針數(shù)，查看 RJ45 連接器的底部。

10base-T因?yàn)閮r(jià)格便宜、配置靈活和易于管理而流行起來(lái)，現(xiàn)在占整個(gè)以太網(wǎng)銷售量的90%以上。

在IEEE Std 802.3?的Clause 14有詳細(xì)的介紹。

10BASE-T relationship to the ISO/IEC Open Systems Interconnection (OSI) reference model and the IEEE 802.3 CSMA/CD LAN model

__100base-T__稱Fast Ethernet（快速以太網(wǎng)），是許多以標(biāo)稱速率100 Mbit/s（較早的以太網(wǎng)速度為10 Mbit / s）傳輸流量的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)稱。在快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中，100BASE-TX是最常見(jiàn)的。

名稱中的“100”是指100Mbit/s的傳輸速度；而“BASE”是指基帶信令； 破折號(hào)后面的字母（“T”或“F”）是指承載信號(hào)的物理介質(zhì)（分別為雙絞線或光纖）；而最后一個(gè)字符（“X”，“4”等）指的是使用的行代碼方法。 快速以太網(wǎng)有時(shí)被稱為100BASE-X，其中“X”是FX和TX變體的占位符。

1995年5月正式通過(guò)了快速以太網(wǎng)/100Base-T規(guī)范，即IEEE 802.3u標(biāo)準(zhǔn)，是對(duì)IEEE802.3的補(bǔ)充。與10base-T一樣采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但100Base-T包含4個(gè)不同的物理層規(guī)范，并且包含了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞矫娴脑S多新規(guī)則。可以說(shuō)是10Base-T的升級(jí)版。

在IEEE Std 802.3?的Clause 21有詳細(xì)的介紹。

Architectural positioning of 100BASE-T

__1000BASE-T__采用四對(duì)五類平衡電纜的1000 Mb/s 物理層規(guī)格。與10Base-T、100Base-T完全兼容。

前面兩種標(biāo)準(zhǔn)有兩根線對(duì)，一根用于傳輸，另一根用于接收。然而，1000BASE-T使用所有 4 對(duì)線。它不是使用不同的線對(duì)進(jìn)行傳輸/接收，而是能夠在每個(gè)線對(duì)上同時(shí)發(fā)送和接收。

RJ45 連接器中的引腳布局相同，但我們使用了額外的電線：

在IEEE Std 802.3?的Clause 40有詳細(xì)的介紹。

Type 1000BASE-T PHY relationship to the ISO Open Systems Interconnection (OSI) Reference Model and the IEEE 802.3 CSMA/CD LAN Model

3.光纖

目前傳輸速度最快傳播距離最長(zhǎng)的就是光纖，主要有1000BASE-LX（long wavelength laser）、1000BASE-SX (Short Wavelength Laser)、1000BASE-T。

IEEE802.3z定義了基于光纖和短距離銅纜的1000Base-X，采用8B/10B編碼技術(shù)，信道傳輸速度為1.25Gbit/s，去耦后實(shí)現(xiàn)1000Mbit/s傳輸速度。

1000BASE-X 采用單模或多模長(zhǎng)波激光器的規(guī)格。采用直徑為62.5um或50um的多模光纖時(shí)，工作波長(zhǎng)范圍為1270-1355nm，傳輸距離為550m；采用直徑為9um或10um的單模光纖，工作波長(zhǎng)范圍為1270-1355nm，傳輸距離為5km左右。

在IEEE Std 802.3?的Clause 38有詳細(xì)的介紹。

Relationship of 1000BASE-X and the PMDs

4.2編碼

為了讓接收方在沒(méi)有外部時(shí)鐘參考的情況也能確定每一位的起始、結(jié)束和中間位置，在傳輸信號(hào)時(shí)不直接采用二進(jìn)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(gè)二進(jìn)制位的周期分為兩個(gè)間隔，在表示“1”時(shí)，以前半個(gè)周期為高電平，后半個(gè)周期為低電平。表示“0”時(shí)則相反，具體見(jiàn)下圖。

采用曼徹斯特碼在每個(gè)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(lái)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(dá)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%。

4.3 CSMA/CD沖突檢測(cè)

早期的以太網(wǎng)大多是多個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到同一條網(wǎng)絡(luò)總線上 (總線型網(wǎng)絡(luò))，存在信道競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，因而每個(gè)連接到以太網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)都必須具備沖突檢測(cè)功能。

上面我們看到 H1 和 H2 都在發(fā)送以太網(wǎng)幀。集線器在連接到 H3 的端口上重復(fù)這些幀。當(dāng)這同時(shí)發(fā)生時(shí)，我們會(huì)發(fā)生碰撞并且兩幀都丟失了。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們必須使用半雙工。

半雙工意味著我們不能同時(shí)發(fā)送和接收。當(dāng)一臺(tái)計(jì)算機(jī)正在傳輸時(shí)，其他所有人都必須等待。當(dāng)沒(méi)有人傳輸時(shí)，我們可以拍攝并傳輸一幀。

然而，這并不意味著我們完全沒(méi)有碰撞。當(dāng)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)決定“線路空閑”并開(kāi)始傳輸時(shí)，我們?nèi)匀粫?huì)發(fā)生碰撞。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們有一個(gè)叫做 CSMA/CD 的協(xié)議 。

CSMA/CD全稱是Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)協(xié)議），已廣泛應(yīng)用于以太網(wǎng)中。

所謂__載波偵聽(tīng)__（Carrier Sense），意思是網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)工作站在發(fā)送數(shù)據(jù)前都要確認(rèn)總線上有沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸。若有數(shù)據(jù)傳輸（稱總線為忙），則不發(fā)送數(shù)據(jù)；若無(wú)數(shù)據(jù)傳輸（稱總線為空），立即發(fā)送準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)。

所謂__多路訪問(wèn)__（Multiple Access），意思是網(wǎng)絡(luò)上所有工作站收發(fā)數(shù)據(jù)共同使用同一條總線，且發(fā)送數(shù)據(jù)是廣播式的。

所謂__沖突__（Collision），意思是若網(wǎng)上有兩個(gè)或兩個(gè)以上工作站同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，在總線上就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的混合，這樣哪個(gè)工作站都辨別不出真正的數(shù)據(jù)是什么。這種情況稱為數(shù)據(jù)沖突，又稱為_(kāi)_碰撞__。

__CSMA/CD 沖突檢測(cè)機(jī)制大致__如下：如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)利用同一條總線發(fā)送數(shù)據(jù)，則會(huì)產(chǎn)生沖突，總線上的節(jié)點(diǎn)可通過(guò)接收到的信號(hào)與原始發(fā)送的信號(hào)的比較檢測(cè)是否存在沖突，若存在沖突則停止發(fā)送數(shù)據(jù)，隨機(jī)等待一段時(shí)間再重傳。如果再次碰撞，發(fā)射節(jié)點(diǎn)再次等待，等待時(shí)間幾乎是前一個(gè)的兩倍：這就是所謂的退避（即“下降”）指數(shù)。除非它已經(jīng)達(dá)到了最大值。

現(xiàn)在大多數(shù)局域網(wǎng)組建的時(shí)候很少采用總線型網(wǎng)絡(luò)，大多是一個(gè)設(shè)備接入到一個(gè)獨(dú)立的路由或交換機(jī)接口，組成星型網(wǎng)絡(luò)，不會(huì)產(chǎn)生沖突。但為了兼容，新出的產(chǎn)品還是帶有沖突檢測(cè)機(jī)制。

CSMA/CD 的整個(gè)方案如下圖所示：

CSMA/CD的幀格式

IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的幀格式包含以下字段。

1.前導(dǎo)碼 ：提供位同步的七個(gè)字節(jié)（56 位）。它由交替的 Os 和 1s 組成。目的是提供警報(bào)和定時(shí)脈沖。

2.起始幀定界符（SFD） ：它是一個(gè)字節(jié)字段，具有獨(dú)特的模式：10 10 1011。它標(biāo)志著幀的開(kāi)始。

3.目標(biāo)地址（DA） ：它是包含數(shù)據(jù)包目標(biāo)物理地址的六字節(jié)字段。

4.源地址（SA） ：它也是一個(gè)六字節(jié)字段，包含源或最后一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的設(shè)備（最近的路由器到接收器）的物理地址。

5.長(zhǎng)度 ：這兩個(gè)字節(jié)字段指定數(shù)據(jù)字段中的長(zhǎng)度或字節(jié)數(shù)。

6.數(shù)據(jù) ：它可以是 46 到 1500 字節(jié)，取決于幀的類型和信息字段的長(zhǎng)度。

7.幀校驗(yàn)序列（FCS） ：這對(duì)于字節(jié)字段包含用于錯(cuò)誤檢測(cè)的 CRC。

CSMA/CD流程

第一步：載波監(jiān)聽(tīng)，當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)想要發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，它檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)查看是否有其他站點(diǎn)正在傳輸，即偵聽(tīng)信道是否空閑，要確保沒(méi)有其他節(jié)點(diǎn)信道，所以該節(jié)點(diǎn)首先要監(jiān)聽(tīng)信道上的動(dòng)靜，也就是先聽(tīng)后說(shuō)。如果信道在一定時(shí)段內(nèi)寂靜無(wú)聲（稱為幀間縫隙IFG），則該節(jié)點(diǎn)就開(kāi)始傳輸，也就是無(wú)聲則說(shuō)。

第二步：沖突檢測(cè)，如果信道一直很忙碌，就一直監(jiān)視信道，直到出現(xiàn)最小的IFG時(shí)段時(shí)，該節(jié)點(diǎn)才開(kāi)始發(fā)送它的數(shù)據(jù)，也就是有空就說(shuō)。如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)或更多的節(jié)點(diǎn)都在監(jiān)聽(tīng)和等待發(fā)送，然后在信道空時(shí)同時(shí)決定立即（幾乎同時(shí)）開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)就發(fā)生碰撞。這一事件會(huì)導(dǎo)致沖突，并使雙方信息包都受到損壞。以太網(wǎng)在傳輸過(guò)程中不斷地監(jiān)聽(tīng)信道，以檢測(cè)__碰撞沖突__，也就是邊聽(tīng)邊說(shuō)。

第三步：如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)在傳輸期間檢測(cè)出碰撞沖突，則立即停止該次傳輸，并向信道發(fā)出一個(gè)“擁擠”信號(hào)，以確保其他所有節(jié)點(diǎn)也發(fā)現(xiàn)該沖突，從而摒棄可能一直在接收的受損的信息包也就是沖突停止，即一次只能一人講。

第四步：多路存取，在等待一段時(shí)間（稱為后退）后，想發(fā)送的節(jié)點(diǎn)試圖進(jìn)行新的發(fā)送。 這時(shí)采用一種叫二進(jìn)制指數(shù)退避策略（Binary Exponential Back off Policy）的算法來(lái)決定不同的節(jié)點(diǎn)在試圖再次發(fā)送數(shù)據(jù)前要等待一段時(shí)間，也就是隨機(jī)延遲。當(dāng)延時(shí)一段時(shí)間后，總線為空閑時(shí)，再重新發(fā)送未發(fā)完的數(shù)據(jù)。

總結(jié)：先聽(tīng)后說(shuō)，無(wú)聲則說(shuō)；有空就說(shuō)，邊聽(tīng)邊說(shuō)；一旦沖突，立即停說(shuō)，隨機(jī)延遲，等待再說(shuō)。

CSMA/CD控制方式的優(yōu)點(diǎn)是：原理比較簡(jiǎn)單，技術(shù)上易實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)中各工作站處于平等地位，不需集中控制，不提供優(yōu)先級(jí)控制。但在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大時(shí)，發(fā)送時(shí)間增長(zhǎng)，發(fā)送效率急劇下降。

4.4 PHY 層芯片：LAN8742A

接下來(lái)介紹一款常用于嵌入式的PHY芯片，其他芯片也是類似的原理。

LAN8742A是 SMSC 公司 (已被 Microchip 公司收購(gòu)) 設(shè)計(jì)的一個(gè)體積小、功耗低、全能型10/100Mbps 的以太網(wǎng)PHY 層收發(fā)器，I/O 引腳電壓符合 IEEE802.3-2005 標(biāo)準(zhǔn)。它是針對(duì)消費(fèi)類電子和企業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。 LAN8742A 總共只有 24Pin，僅支持 RMII 接口。LAN8742A可以通過(guò)自協(xié)商的方式與目的主機(jī)最佳的連接方式(速度和雙工模式)，支持 HP Auto-MDIX 自動(dòng)翻轉(zhuǎn)功能，無(wú)需更換網(wǎng)線即可將連接更改為直連或交叉連接。

LAN8742A的主要特點(diǎn)如下：

• 高性能的 10/100M 以太網(wǎng)傳輸模塊
• 支持 RMII 接口以減少引腳數(shù)
• 支持全雙工和半雙工模式
• 兩個(gè)狀態(tài) LED 輸出
• 可以使用 25M 晶振以降低成本
• 支持自協(xié)商模式
• 支持 HP Auto-MDIX 自動(dòng)翻轉(zhuǎn)功能
• 支持 SMI 串行管理接口
• 支持 MAC 接口
• 支持WOL網(wǎng)絡(luò)喚醒功能

LAN8742A組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。

LAN8742A通過(guò) RMII 與 MAC 連接。 RJ45 是網(wǎng)絡(luò)插座，在與 LAN8742A連接之間還需要一個(gè)變壓器，所以一般使用帶電壓轉(zhuǎn)換和 LED 指示燈的 HY911105A 型號(hào)的插座。一般來(lái)說(shuō)，必須為使用 RMII 接口的 PHY 提供 50MHz 的時(shí)鐘源輸入到 REF_CLK 引腳，不過(guò) LAN8742A內(nèi)部集成PLL，可以將 25MHz 的時(shí)鐘源陪頻到 50MHz 并在指定引腳輸出該時(shí)鐘，所以我們可以直接使其與 REF_CLK 連接達(dá)到提供 50MHz 時(shí)鐘效果。

LAN8742A內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。

LAN8742A有各個(gè)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(shí)現(xiàn)信號(hào)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 LAN8742A會(huì)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(guān)寄存器內(nèi)，之后則自動(dòng)轉(zhuǎn)入作為另一功能引腳。

__PHYAD[0]__引腳用于配置 SMI 通信的 LAN8742A地址，在芯片內(nèi)部該引腳已經(jīng)自帶下拉電阻，默認(rèn)認(rèn)為 0(即使外部懸空不接)，在系統(tǒng)上電時(shí)會(huì)檢測(cè)該引腳獲取得到 LAN8742A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(gè)位，在需要超過(guò)2 個(gè) LAN8742A時(shí)可以通過(guò)軟件設(shè)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 LAN8742A網(wǎng)絡(luò)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 LAN8742A支持 HP Auto-MDIX 自動(dòng)翻轉(zhuǎn)功能，即可自動(dòng)識(shí)別直連或交叉網(wǎng)線并自適應(yīng)。一般將 MODE 引腳都設(shè)置為 1，可以讓 LAN8742A啟動(dòng)自適應(yīng)功能，它會(huì)自動(dòng)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。

__nINT/REFCLKO__引腳用于 RMII 接口中 REF_CLK 信號(hào)線，當(dāng) nINTSEL 引腳為低電平時(shí)，也就是REF_CLK Out 模式，nINT/REFCLKO 作為 REF_CLK 時(shí)鐘源。它也可以被設(shè)置成 50MHz 時(shí)鐘輸出，這樣可以直接與 STM32F746 的 REF_CLK 引腳連接為其提供50MHz 時(shí)鐘源，這種模式要求為 XTAL1 與 XTAL2 之間或?yàn)?TAL1/CLKIN 提供 25MHz 時(shí)鐘，由LAN8742A內(nèi)部 PLL 電路陪頻得到 50MHz 時(shí)鐘，此時(shí) nIN/REFCLKO 引腳的中斷功能不可用，用于 50MHz 時(shí)鐘輸出。

當(dāng) nINTSEL 引腳為高電平時(shí)，也就是REF_CLK In 模式，nINT/REFCLKO 作為中斷引腳。LAN8742A被設(shè)置為時(shí)鐘輸入，即外部時(shí)鐘源直接提供 50MHz 時(shí)鐘接入 STM32F46的REF_CLK 引腳和 LAN8742A的 XTAL1/CLKIN 引腳，此時(shí) INT/REFCLKO 可用于中斷功能。 nINTSEL 與 LED2 引腳共用，一般使用下拉。

REGOFF 引腳用于配置內(nèi)部 +1.2V 電壓源， LAN8742A內(nèi)部需要 +1.2V 電壓，可以通過(guò) VDDCR引腳輸入 +1.2V 電壓提供，也可以直接利用 LAN8742A內(nèi)部 +1.2V 穩(wěn)壓器提供。當(dāng) REGOFF 引腳為低電平時(shí)選擇內(nèi)部 +1.2V 穩(wěn)壓器。 REGOFF 與 LED1 引腳共用。

5 數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層的主要職責(zé)是通過(guò)單個(gè)鏈路傳輸數(shù)據(jù)報(bào)。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議定義了跨節(jié)點(diǎn)交換的數(shù)據(jù)包的格式以及錯(cuò)誤檢測(cè)，重傳，流控制和隨機(jī)訪問(wèn)等操作。

數(shù)據(jù)鏈路層提供服務(wù)：

成幀和鏈路訪問(wèn) ：數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議在鏈路層傳輸之前將每個(gè)網(wǎng)絡(luò)幀封裝在鏈路層幀內(nèi)。幀由包含網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)字段和多個(gè)數(shù)據(jù)字段組成。它規(guī)定了幀的結(jié)構(gòu)以及通過(guò)鏈路傳輸幀的信道訪問(wèn)協(xié)議。

可靠的交付 ：數(shù)據(jù)鏈路層提供可靠的交付服務(wù)，即無(wú)錯(cuò)誤地傳輸網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報(bào)。通過(guò)傳輸和確認(rèn)完成可靠的傳送服務(wù)。數(shù)據(jù)鏈路層主要通過(guò)鏈路提供可靠的傳送服務(wù)，因?yàn)樗鼈兙哂休^高的錯(cuò)誤率并且可以在本地校正，發(fā)生錯(cuò)誤的鏈路而不是強(qiáng)制重新傳輸數(shù)據(jù)。

流控制 ：接收節(jié)點(diǎn)可以以比處理幀更快的速率接收幀。如果沒(méi)有流量控制，接收器的緩沖區(qū)可能會(huì)溢出，幀可能會(huì)丟失。為了克服這個(gè)問(wèn)題，數(shù)據(jù)鏈路層使用流控制來(lái)防止鏈路一側(cè)的發(fā)送節(jié)點(diǎn)壓倒鏈路另一側(cè)的接收節(jié)點(diǎn)。

錯(cuò)誤檢測(cè) ：可以通過(guò)信號(hào)衰減和噪聲引入錯(cuò)誤。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議提供了一種檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)錯(cuò)誤的機(jī)制。這是通過(guò)在幀中添加錯(cuò)誤檢測(cè)位來(lái)實(shí)現(xiàn)的，然后接收節(jié)點(diǎn)可以執(zhí)行錯(cuò)誤檢查。

糾錯(cuò) ：糾錯(cuò)與錯(cuò)誤檢測(cè)類似，不同之處在于接收節(jié)點(diǎn)不僅檢測(cè)錯(cuò)誤，還確定錯(cuò)誤發(fā)生在幀中的位置。

半雙工和全雙工 ：在全雙工模式下，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。在半雙工模式下，只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。

5.1錯(cuò)誤檢測(cè)

當(dāng)數(shù)據(jù)從一臺(tái)設(shè)備傳輸?shù)搅硪慌_(tái)設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)不保證該設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)與另一臺(tái)設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)是否相同。錯(cuò)誤是接收端收到的消息與傳輸?shù)南⒉煌那闆r。

錯(cuò)誤可以分為兩類： 單比特錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤 。

1.單比特錯(cuò)誤

給定數(shù)據(jù)單元的唯一一位從1變?yōu)?或從0變?yōu)?。

單比特錯(cuò)誤主要發(fā)生在并行數(shù)據(jù)傳輸中。例如，如果使用8條線來(lái)發(fā)送一個(gè)字節(jié)的8位，如果其中一條線路有噪聲，則每個(gè)字節(jié)會(huì)損壞單個(gè)位。

2.突發(fā)錯(cuò)誤

兩個(gè)或多個(gè)位從0更改為1或從1更改為0稱為突發(fā)錯(cuò)誤。從第一個(gè)損壞位到最后一個(gè)損壞位確定突發(fā)錯(cuò)誤。

突發(fā)錯(cuò)誤最有可能發(fā)生在串行數(shù)據(jù)傳輸中。受影響的位數(shù)取決于噪聲和數(shù)據(jù)速率的持續(xù)時(shí)間。

5.2 糾錯(cuò)

最流行的錯(cuò)誤檢測(cè)技術(shù)是： 單一奇偶校驗(yàn)、二維奇偶校驗(yàn)、校驗(yàn)、循環(huán)冗余校驗(yàn) 。

1.單一奇偶校驗(yàn)

單奇偶校驗(yàn)是一種簡(jiǎn)單的機(jī)制，檢測(cè)錯(cuò)誤的成本低廉。在該技術(shù)中，冗余比特也稱為奇偶校驗(yàn)比特，其附加在數(shù)據(jù)單元的末端，使得1的數(shù)量變?yōu)榕紨?shù)。因此，傳輸比特的總數(shù)將是9比特。

如果1位的數(shù)量是奇數(shù)，則附加奇偶校驗(yàn)位1，如果1位的數(shù)量是偶數(shù)，則在數(shù)據(jù)單元的末尾附加奇偶校驗(yàn)位0。

在接收端，根據(jù)接收的數(shù)據(jù)位計(jì)算奇偶校驗(yàn)位，并與接收的奇偶校驗(yàn)位進(jìn)行比較。

此技術(shù)生成偶數(shù)的總數(shù)為1，因此稱為偶數(shù)奇偶校驗(yàn)。

單奇偶校驗(yàn)的缺點(diǎn)有兩點(diǎn)：第一，它只能檢測(cè)非常罕見(jiàn)的單位錯(cuò)誤；第二，如果兩個(gè)位互換，則它無(wú)法檢測(cè)到錯(cuò)誤。

2.二維奇偶校驗(yàn)

使用以表格形式組織數(shù)據(jù)的二維奇偶校驗(yàn)可以提高性能。為每一行計(jì)算奇偶校驗(yàn)位，相當(dāng)于單奇偶校驗(yàn)。

在二維奇偶校驗(yàn)中，將一個(gè)位塊分成行，并將冗余位行添加到整個(gè)塊中。

在接收端，奇偶校驗(yàn)位與根據(jù)接收數(shù)據(jù)計(jì)算的奇偶校驗(yàn)位進(jìn)行比較。

二維奇偶校驗(yàn)的缺點(diǎn)有兩點(diǎn)：第一，如果一個(gè)數(shù)據(jù)單元中的兩個(gè)位被破壞，而另一個(gè)數(shù)據(jù)單元中完全相同位置的兩個(gè)位也被破壞，那么二維奇偶校驗(yàn)器將無(wú)法檢測(cè)到錯(cuò)誤；第二，在某些情況下，此技術(shù)不能用于檢測(cè) 4 位或更多位錯(cuò)誤。

3.校驗(yàn)

校驗(yàn)和是基于冗余概念的__錯(cuò)誤檢測(cè)__技術(shù)。它分為兩部分： 校驗(yàn)和生成器以及校驗(yàn)和檢查 。

校驗(yàn)和__在發(fā)送方生成。校驗(yàn)和生成器將數(shù)據(jù)細(xì)分為每個(gè)n位的相等段，并且所有這些段通過(guò)使用一個(gè)補(bǔ)碼算法加在一起。該和被補(bǔ)充并附加到原始數(shù)據(jù)，稱為_(kāi)_校驗(yàn)和字段 。擴(kuò)展數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸。

校驗(yàn)和在接收方驗(yàn)證。接收器將輸入數(shù)據(jù)細(xì)分為每個(gè)n比特的相等段，并且將所有這些段加在一起，然后補(bǔ)充該總和。如果和的補(bǔ)碼為零，則接受數(shù)據(jù)，否則拒絕數(shù)據(jù)。

接收方遵循以下步驟：

• 塊單元被分成k個(gè)部分和n個(gè)比特中的每一個(gè)。
• 通過(guò)使用一個(gè)補(bǔ)碼算法將所有k個(gè)部分加在一起得到總和。
• 總和是補(bǔ)充。
• 如果和的結(jié)果為零，則接受數(shù)據(jù)，否則丟棄數(shù)據(jù)。

4.循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）

CRC是用于確定錯(cuò)誤的__冗余錯(cuò)誤__技術(shù)。以下是CRC中用于錯(cuò)誤檢測(cè)的步驟：

第一步：在CRC技術(shù)中，一串n 0被附加到數(shù)據(jù)單元，并且該n數(shù)小于預(yù)定數(shù)量的比特?cái)?shù)，稱為n + 1比特的除法。

第二步：使用一個(gè)過(guò)程將新擴(kuò)展的數(shù)據(jù)除以除數(shù)稱為二進(jìn)制除法。從該除法產(chǎn)生的余數(shù)稱為CRC余數(shù)。

第三步：CRC余數(shù)替換原始數(shù)據(jù)末尾的附加0。這個(gè)新生成的單元被發(fā)送到接收器。

第四步：接收器接收數(shù)據(jù)，然后接收CRC余數(shù)。接收器將整個(gè)單元視為一個(gè)單元，并將其除以用于查找CRC余數(shù)的相同除數(shù)。

如果該除法的結(jié)果為零，這意味著它沒(méi)有錯(cuò)誤，并且數(shù)據(jù)被接受。如果該除法的結(jié)果不為零，則意味著數(shù)據(jù)由錯(cuò)誤組成。因此，數(shù)據(jù)被丟棄。

5.3 數(shù)據(jù)鏈路控制

數(shù)據(jù)鏈路控制是數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù)，可通過(guò)物理介質(zhì)提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸。例如，在半雙工傳輸模式中，一個(gè)設(shè)備一次只能傳輸數(shù)據(jù)。如果鏈路末端的兩個(gè)設(shè)備同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，它們將發(fā)生沖突并導(dǎo)致信息丟失。數(shù)據(jù)鏈路層提供設(shè)備之間的協(xié)調(diào)，以便不發(fā)生沖突。

數(shù)據(jù)鏈路層提供三個(gè)功能：

• 線路控制
• 流量控制
• 錯(cuò)誤控制

1.線路控制

線路控制是數(shù)據(jù)鏈路層的一項(xiàng)功能，它提供鏈路系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)。它確定哪個(gè)設(shè)備可以發(fā)送，以及何時(shí)可以發(fā)送數(shù)據(jù)。

線路控制可以通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)：ENQ/ACK、Poll/select。

(1) END / ACK

END / ACK代表查詢/確認(rèn)當(dāng)鏈路上沒(méi)有錯(cuò)誤的接收器并且在兩個(gè)設(shè)備之間具有專用路徑以使得能夠接收傳輸?shù)脑O(shè)備是預(yù)期的設(shè)備時(shí)使用。END / ACK協(xié)調(diào)哪個(gè)設(shè)備將開(kāi)始傳輸以及接收者是否準(zhǔn)備好。

發(fā)送器發(fā)送稱為查詢（ENQ）的幀，詢問(wèn)接收器是否可用于接收數(shù)據(jù)。

接收器響應(yīng)肯定確認(rèn)（ACK）或否定確認(rèn)（NACK），其中肯定確認(rèn)意味著接收器準(zhǔn)備接收傳輸，否定確認(rèn)意味著接收器不能接受傳輸。

以下是接收者的回復(fù)：

• 如果對(duì)ENQ的響應(yīng)是肯定的，則發(fā)送方將發(fā)送其數(shù)據(jù)，并且一旦其所有數(shù)據(jù)都已被發(fā)送，則設(shè)備利用EOT（發(fā)送結(jié)束）幀完成其發(fā)送。
• 如果對(duì)ENQ的響應(yīng)是否定的，則發(fā)送方斷開(kāi)連接并在另一時(shí)間重新開(kāi)始傳輸。
• 如果響應(yīng)既不是負(fù)面也不是正面，則發(fā)送方假定ENQ幀在傳輸過(guò)程中丟失，并且在放棄之前嘗試三次建立鏈接。

(2) Pool/Select

線路控制的Pool/Select方法適用于將一個(gè)設(shè)備指定為主站，而其他設(shè)備為二級(jí)站的拓?fù)洹?/p>

在這種情況下，主設(shè)備和多個(gè)從設(shè)備組成一條傳輸線，所有的交換都是通過(guò)主設(shè)備進(jìn)行的，即使目的地是從設(shè)備。主要設(shè)備控制通信鏈路，而次要設(shè)備遵循主要設(shè)備的指令。主要設(shè)備確定允許哪個(gè)設(shè)備使用通信信道。因此，我們可以說(shuō)它是會(huì)話的發(fā)起者。

如果主設(shè)備想要從輔助設(shè)備接收數(shù)據(jù)，它會(huì)要求輔助設(shè)備發(fā)送任何數(shù)據(jù)，這個(gè)過(guò)程稱為Pool。如果主設(shè)備想要向從設(shè)備發(fā)送一些數(shù)據(jù)，那么它會(huì)告訴目標(biāo)從設(shè)備準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，這個(gè)過(guò)程稱為Select。

Select

當(dāng)主設(shè)備有要發(fā)送的內(nèi)容時(shí)使用Select模式。

當(dāng)主設(shè)備想要發(fā)送一些數(shù)據(jù)時(shí)，它通過(guò)發(fā)送選擇（SEL）幀向輔助設(shè)備警告即將到來(lái)的傳輸，幀的一個(gè)字段包括預(yù)期的輔助設(shè)備的地址。

當(dāng)輔助設(shè)備接收SEL幀時(shí)，它發(fā)送指示輔助就緒狀態(tài)的確認(rèn)。

如果輔助設(shè)備準(zhǔn)備好接受數(shù)據(jù)，則主設(shè)備將兩個(gè)或更多個(gè)數(shù)據(jù)幀發(fā)送到預(yù)期的輔助設(shè)備。數(shù)據(jù)傳輸完成后，輔助設(shè)備會(huì)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)，指出已收到數(shù)據(jù)。

Pool

當(dāng)主設(shè)備想要從輔助設(shè)備接收一些數(shù)據(jù)時(shí)，使用輪詢模式。

當(dāng)主設(shè)備想要接收數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)詢問(wèn)每個(gè)設(shè)備是否有任何要發(fā)送的內(nèi)容。

首先，主要詢問(wèn)（輪詢）第一個(gè)輔助設(shè)備，如果它以NACK（否定確認(rèn)）響應(yīng)則表示它沒(méi)有任何要發(fā)送的內(nèi)容。現(xiàn)在，它接近第二個(gè)輔助設(shè)備，它用ACK響應(yīng)意味著它有要發(fā)送的數(shù)據(jù)。輔助設(shè)備可以一個(gè)接一個(gè)地發(fā)送一個(gè)以上的幀，或者有時(shí)可能需要在發(fā)送每個(gè)幀之前發(fā)送ACK，這取決于所使用的協(xié)議的類型。

2.流量控制

它是一組程序，告訴發(fā)送方在數(shù)據(jù)壓倒接收方之前它可以傳輸多少數(shù)據(jù)。接收設(shè)備具有有限的速度和有限的存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，接收設(shè)備必須能夠在達(dá)到限制之前通知發(fā)送設(shè)備暫時(shí)停止發(fā)送。它需要一個(gè)緩沖區(qū)，一塊內(nèi)存，用于存儲(chǔ)信息，直到它們被處理完畢。

目前有兩種方法來(lái)控制數(shù)據(jù)流： 停止與等待、滑動(dòng)窗口 。

(1) 停止與等待

在停止與等待方法中，發(fā)送方在它發(fā)送的每個(gè)幀之后等待確認(rèn)。

收到確認(rèn)后，只發(fā)送下一幀。交替發(fā)送和等待幀的過(guò)程繼續(xù)，直到發(fā)送者發(fā)送EOT（發(fā)送結(jié)束）幀。

停止等待的好處

停止與等待方法很簡(jiǎn)單，因?yàn)樵诎l(fā)送下一幀之前檢查并確認(rèn)每個(gè)幀。

停止等待的缺點(diǎn)

停止等待技術(shù)使用效率低，因?yàn)槊總€(gè)幀必須一直傳輸?shù)浇邮掌鳎⑶掖_認(rèn)在下一幀發(fā)送之前一直傳播。發(fā)送和接收的每個(gè)幀使用遍歷鏈路所需的整個(gè)時(shí)間。

(2) 滑動(dòng)窗口

滑動(dòng)窗口是一種流控制方法，其中發(fā)送方可以在獲得確認(rèn)之前發(fā)送若干幀。在滑動(dòng)窗口控制中，可以一個(gè)接一個(gè)地發(fā)送多個(gè)幀，由于可以有效地利用通信信道的容量。滑動(dòng)窗口是指發(fā)送方和接收方端的虛擬框。窗口可以在任一端保持幀，并且它提供在確認(rèn)之前可以傳輸?shù)膸瑪?shù)的上限。

發(fā)件人窗口

在傳輸開(kāi)始時(shí)，發(fā)送方窗口包含n-1幀，當(dāng)它們被發(fā)送出去時(shí)，左邊界向內(nèi)移動(dòng)縮小窗口的大小。例如，如果窗口的大小為w，如果發(fā)送了三個(gè)幀，則發(fā)送方窗口中遺漏的幀數(shù)為w-3。

一旦ACK到達(dá)，則發(fā)送方窗口擴(kuò)展到將等于ACK確認(rèn)的幀數(shù)的數(shù)字。

例如，窗口的大小為7，如果已發(fā)送幀0到4并且沒(méi)有到達(dá)確認(rèn)，則發(fā)送方窗口僅包含兩個(gè)幀，即5和6.現(xiàn)在，如果ACK已到達(dá)，則數(shù)字4表示0到3幀未損壞，發(fā)送方窗口擴(kuò)展到包括接下來(lái)的四個(gè)幀。因此，發(fā)送方窗口包含六個(gè)幀（5,6,7,0,1,2）。

接收窗口

在傳輸開(kāi)始時(shí)，接收器窗口不包含n幀，但它包含n-1個(gè)幀空間。當(dāng)新幀到達(dá)時(shí)，窗口的大小會(huì)縮小。

接收器窗口不表示接收的幀數(shù)，但它表示在發(fā)送ACK之前可以接收的幀數(shù)。例如，窗口的大小是w，如果接收到三個(gè)幀，則窗口中可用的空間數(shù)是（w-3）。

一旦發(fā)送確認(rèn)，接收器窗口擴(kuò)展的數(shù)量等于確認(rèn)的幀數(shù)。

假設(shè)窗口的大小為7意味著接收器窗口包含七個(gè)幀的七個(gè)空格。如果接收到一幀，則接收器窗口收縮并將邊界從0移動(dòng)到1.這樣，窗口逐個(gè)縮小，因此窗口現(xiàn)在包含六個(gè)空格。如果已發(fā)送0到4的幀，則窗口在發(fā)送確認(rèn)之前包含兩個(gè)空格。

3.錯(cuò)誤控制

錯(cuò)誤控制是一種錯(cuò)誤檢測(cè)和重傳技術(shù)。錯(cuò)誤控制的類型如下：

(1) 停止等待ARQ

停止等待ARQ是一種用于在幀損壞或丟失的情況下重新傳輸數(shù)據(jù)的技術(shù)。該技術(shù)的工作原理是發(fā)送方在收到最后發(fā)送幀的確認(rèn)之前不發(fā)送下一幀。

(2) 重傳

重傳需要四個(gè)功能：

• 發(fā)送設(shè)備保留最后發(fā)送幀的副本，直到收到確認(rèn)。如果未正確接收幀，則保留副本允許發(fā)送方重新傳輸數(shù)據(jù)。
• 數(shù)據(jù)幀和ACK幀都交替編號(hào)為0和1，以便可以單獨(dú)識(shí)別它們。假設(shè)數(shù)據(jù)1幀確認(rèn)數(shù)據(jù)0幀意味著數(shù)據(jù)0幀已正確到達(dá)并期望接收數(shù)據(jù)1幀。
• 如果在最后發(fā)送的幀中發(fā)生錯(cuò)誤，則接收器發(fā)送未編號(hào)的NAK幀。收到NAK幀后，發(fā)送方重新發(fā)送數(shù)據(jù)。
• 它適用于計(jì)時(shí)器。如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到確認(rèn)，則發(fā)送方認(rèn)為幀在傳輸過(guò)程中丟失，因此它將重新發(fā)送幀。

重傳的兩種可能性：

• 損壞的幀 ：當(dāng)接收器接收到損壞的幀時(shí)，即幀包含錯(cuò)誤，然后它返回NAK幀。例如，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)0幀，然后接收器發(fā)送ACK 1幀意味著數(shù)據(jù)0已正確到達(dá)，并發(fā)送數(shù)據(jù)1幀。發(fā)送方發(fā)送下一幀：數(shù)據(jù)1.它達(dá)到未損壞，接收方返回ACK 0.發(fā)送方發(fā)送下一幀：數(shù)據(jù)0.接收方報(bào)告錯(cuò)誤并返回NAK幀。發(fā)送方重新傳輸數(shù)據(jù)0幀。
• 丟失幀 ：發(fā)送者配備定時(shí)器，并在幀發(fā)送時(shí)啟動(dòng)。有時(shí)框架沒(méi)有到達(dá)接收端，因此無(wú)論是正面還是負(fù)面都不能確認(rèn)。發(fā)送器等待確認(rèn)，直到定時(shí)器熄滅。如果定時(shí)器熄滅，它將重新發(fā)送最后一個(gè)發(fā)送的幀。

(3) 滑動(dòng)窗ARQ

__滑動(dòng)窗__ARQ是一種用于連續(xù)傳輸錯(cuò)誤控制的技術(shù)。

用于重傳的三個(gè)功能：

• 在這種情況下，發(fā)送方保留所有發(fā)送幀的副本，直到它們被確認(rèn)為止。假設(shè)已經(jīng)發(fā)送了從0到4的幀，并且最后一次確認(rèn)是針對(duì)第2幀，發(fā)送方必須保留第3幀和第4幀的副本，直到它們正確接收為止。
• 接收器可以根據(jù)條件發(fā)送NAK或ACK。NAK幀告訴發(fā)件人數(shù)據(jù)已被收到損壞。由于滑動(dòng)窗口是連續(xù)傳輸機(jī)制，因此必須對(duì)ACK和NAK進(jìn)行編號(hào)以識(shí)別幀。ACK幀由一個(gè)數(shù)字組成，表示接收方希望接收的下一幀。NAK幀由表示損壞幀的數(shù)字組成。
• 滑動(dòng)窗口ARQ配備有計(jì)時(shí)器以處理丟失的確認(rèn)。假設(shè)在收到任何確認(rèn)之前已經(jīng)發(fā)送了n-1幀。發(fā)送方等待確認(rèn)，因此它啟動(dòng)計(jì)時(shí)器并等待再發(fā)送之前。如果分配的時(shí)間用完，則發(fā)送方根據(jù)使用的協(xié)議重新發(fā)送一個(gè)或所有幀。

滑動(dòng)窗口ARQ中使用的兩個(gè)協(xié)議：

Go-Back-n ARQ ：在Go-Back-N ARQ協(xié)議中，如果一幀丟失或損壞，則它重新發(fā)送所有幀，之后它不接收肯定ACK。

選擇性拒絕ARQ ：選擇性拒絕ARQ技術(shù)比Go-Back-n ARQ更有效。在該技術(shù)中，僅重傳那些已經(jīng)接收到否定確認(rèn)（NAK）的幀。接收器存儲(chǔ)緩沖區(qū)保持所有損壞的幀保持不變，直到正確接收到錯(cuò)誤幀。接收器必須具有適當(dāng)?shù)倪壿嫞员阋哉_的順序重新插入幀。發(fā)送方必須包含一個(gè)搜索機(jī)制，該機(jī)制僅選擇所請(qǐng)求的重傳幀。

6 STM32 的 ETH 外設(shè)

前文講解了以太網(wǎng)的相關(guān)理論知識(shí)，接下來(lái)筆者將從實(shí)際出發(fā)，介紹STM32XX7系列ETH外設(shè)，從而將理論結(jié)合實(shí)際應(yīng)用。

如果從硬件角度來(lái)看以太網(wǎng)，則由CPU，MAC，PHY三部分組成的，如下圖所示：

上圖中DMA集成在CPU，CPU、MAC、PHY并不是集成在同一個(gè)芯片內(nèi)，由于PHY包含大量模擬器件，而MAC是典型的數(shù)字電路，考慮到芯片面積及模擬/數(shù)字混合架構(gòu)的原因，將MAC集成進(jìn)CPU而將PHY留在片外，這種結(jié)構(gòu)是最常見(jiàn)的。 下圖是網(wǎng)絡(luò)接口內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，虛框表示CPU，MAC集成在CPU中，PHY芯片通過(guò)MII接口與CPU上的MAC連接。

STM32XX7系列控制器內(nèi)部集成了一個(gè)以太網(wǎng)外設(shè)，它實(shí)際是一個(gè)通過(guò) DMA 控制器進(jìn)行介質(zhì)訪問(wèn)控制 (MAC)，它的功能就是實(shí)現(xiàn) MAC 層的任務(wù)。

以太網(wǎng)提供了可配置、靈活的外設(shè)，用以滿足客戶的各種應(yīng)用需求。它支持與外部物理層(PHY) 相連的兩個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口：默認(rèn)情況下使用的介質(zhì)獨(dú)立接口 (MII)（在 IEEE 802.3 規(guī)范中定義）和簡(jiǎn)化介質(zhì)獨(dú)立接口 (RMII)。它有多種應(yīng)用領(lǐng)域，例如交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)接口卡等。Nucleo-F746ZG借助以太網(wǎng)外設(shè)，STM32F746 控制器可以通過(guò) ETH 外設(shè)按照 IEEE 802.3-2002 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送和接收 MAC 數(shù)據(jù)包。遵循IEEE 1588-2008 標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)定聯(lián)網(wǎng)時(shí)鐘同步的精度。

ETH 內(nèi)部自帶專用的 DMA 控制器用于 MAC， ETH 支持兩個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口介質(zhì)獨(dú)立接口 (MII)和簡(jiǎn)化介質(zhì)獨(dú)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(wèn) PHY 芯片寄存器。

ETH 有專用的 DMA 控制器，它通過(guò) AHB 主從接口與內(nèi)核和存儲(chǔ)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(wèn)“控制與狀態(tài)寄存器” (CSR) 空間。在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送是，先將數(shù)據(jù)有存儲(chǔ)器以 DMA 傳輸?shù)桨l(fā)送 TX FIFO 進(jìn)行緩沖，然后由 MAC 內(nèi)核發(fā)送；接收數(shù)據(jù)時(shí)， RXFIFO 先接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，再由 DMA 傳輸至存儲(chǔ)器。 ETH 系統(tǒng)功能框圖見(jiàn)下圖。

【注】當(dāng)使用以太網(wǎng)時(shí)， AHB 時(shí)鐘頻率必須至少為 25 MHz。

6.1 站管理接口：SMI

站管理接口 (SMI) 允許應(yīng)用程序通過(guò) 2 線時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線訪問(wèn)任意 PHY 寄存器。該接口支持訪問(wèn)多達(dá) 32 個(gè) PHY。

應(yīng)用程序可以從 32 個(gè) PHY 中選擇一個(gè) PHY，然后從任意 PHY 包含的 32 個(gè)寄存器中選擇一個(gè)寄存器，發(fā)送控制數(shù)據(jù)或接收狀態(tài)信息。任意給定時(shí)間內(nèi)只能對(duì)一個(gè) PHY 中的一個(gè)寄存器進(jìn)行尋址。

MDC 時(shí)鐘線和 MDIO 數(shù)據(jù)線在微控制器中均用作復(fù)用功能 I/O：

• MDC ：周期性時(shí)鐘，提供以最大頻率 2.5 MHz 傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的參考時(shí)序。 MDC 的最短高電平時(shí)間和最短低電平時(shí)間必須均為 160 ns。 MDC 的最小周期必須為 400 ns。在空閑狀態(tài)下， SMI 管理接口將 MDC 時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)為低電平。
• MDIO ：數(shù)據(jù)輸入/輸出比特流，用于通過(guò) MDC 時(shí)鐘信號(hào)向/從 PHY 設(shè)備同步傳輸狀態(tài)信息。

SMI 幀格式

下表中給出了與讀操作或?qū)懖僮饔嘘P(guān)的幀結(jié)構(gòu)，位傳輸順序必須從左到右。

管理幀包括八個(gè)字段：

• 報(bào)頭：每個(gè)事務(wù)（讀取或?qū)懭耄┚赏ㄟ^(guò)報(bào)頭字段啟動(dòng)，報(bào)頭字段對(duì)應(yīng)于 MDIO 線上 32個(gè)連續(xù)的邏輯“1”位以及 MDC 上的 32 個(gè)周期。該字段用于與 PHY 設(shè)備建立同步。
• 起始：幀起始由 <01> 模式定義，用于驗(yàn)證線路從默認(rèn)邏輯“ 1”狀態(tài)變?yōu)檫壿嫛?0”狀態(tài)，然后再?gòu)倪壿嫛?”狀態(tài)變?yōu)檫壿嫛?”狀態(tài)。
• 操作：定義正在發(fā)生的事務(wù)（讀取或?qū)懭耄┑念愋汀?/li>
• PADDR： PHY 地址有 5 位，可構(gòu)成 32 個(gè)唯一 PHY 地址。最先發(fā)送和接收地址的MSB 位。
• PADDR：寄存器地址有 5 位，從而可在所選 PHY 設(shè)備中對(duì) 32 個(gè)不同的寄存器進(jìn)行尋址。最先發(fā)送和接收地址的 MSB 位。
• TA：周轉(zhuǎn)字段在 RADDR 和 DATA 字段間定義了一個(gè) 2 位模式，以避免在讀取事務(wù)期間出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象。讀取事務(wù)時(shí)， MAC 控制器將 TA 的 2 個(gè)位驅(qū)動(dòng)為 MDIO 線上的高阻態(tài)。 PHY 設(shè)備必須將 TA 的第一位驅(qū)動(dòng)為高阻態(tài)，將 TA 的第二位驅(qū)動(dòng)為“0”。寫(xiě)入事務(wù)時(shí)， MAC 控制器針對(duì) TA 字段驅(qū)動(dòng) <10> 模式。 PHY 設(shè)備必須將 TA 的 2 個(gè)位驅(qū)動(dòng)為高阻態(tài)。
• 數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)字段為 16 位。最先發(fā)送和接收的位必須為 ETH_MIID 寄存器的位 15。
• 空閑： MDIO 線驅(qū)動(dòng)為高阻態(tài)。三態(tài)驅(qū)動(dòng)器必須禁止， PHY 的上拉電阻使線路保持邏輯“1”狀態(tài)。

SMI 寫(xiě)操作

當(dāng)應(yīng)用程序?qū)?MII 寫(xiě)入位和繁忙位（在以太網(wǎng) MAC MII 地址寄存器 (ETH_MACMIIAR) 中）置 1 時(shí)， SMI 將通過(guò)傳輸 PHY 地址、 PHY 中的寄存器地址以及寫(xiě)入數(shù)據(jù)（在以太網(wǎng) MACMII 數(shù)據(jù)寄存器 (ETH_MACMIIDR) 中）來(lái)觸發(fā)對(duì) PHY 寄存器進(jìn)行寫(xiě)操作。事務(wù)進(jìn)行期間，應(yīng)用程序不應(yīng)更改 MII 地址寄存器的內(nèi)容或 MII 數(shù)據(jù)寄存器。在此期間對(duì) MII 地址寄存器或MII 數(shù)據(jù)寄存器執(zhí)行的寫(xiě)操作將會(huì)忽略（繁忙位處于高電平狀態(tài)），事務(wù)將無(wú)錯(cuò)完成。寫(xiě)操作完成后， SMI 將通過(guò)復(fù)位繁忙位進(jìn)行指示。

下圖顯示了寫(xiě)操作的幀格式。

SMI 時(shí)鐘選擇

MAC 啟動(dòng)管理寫(xiě)/讀操作。 SMI 時(shí)鐘是一個(gè)分頻時(shí)鐘，其時(shí)鐘源為應(yīng)用時(shí)鐘（ AHB 時(shí)鐘）。分頻系數(shù)取決于 MII 地址寄存器中設(shè)置的時(shí)鐘范圍。下表顯示了如何設(shè)置時(shí)鐘范圍。

6.2介質(zhì)獨(dú)立接口： MII

介質(zhì)獨(dú)立接口 (MII) 定義了 10 Mb/s 和 100 Mb/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率下 MAC 子層與 PHY 之間的互連。

• MII_TX_CLK：連續(xù)時(shí)鐘信號(hào)。該信號(hào)提供進(jìn)行 TX 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的參考時(shí)序。標(biāo)稱頻率為：速率為 10 Mb/s 時(shí)為 2.5 MHz；速率為 100 Mb/s 時(shí)為 25 MHz。
• MII_RX_CLK：連續(xù)時(shí)鐘信號(hào)。該信號(hào)提供進(jìn)行 RX 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的參考時(shí)序。標(biāo)稱頻率為：速率為 10 Mb/s 時(shí)為 2.5 MHz；速率為 100 Mb/s 時(shí)為 25 MHz。
• MII_TX_EN：發(fā)送使能信號(hào)。該信號(hào)表示 MAC 當(dāng)前正針對(duì) MII 發(fā)送半字節(jié)。該信號(hào)必須與報(bào)頭的前半字節(jié)進(jìn)行同步 (MII_TX_CLK)，并在所有待發(fā)送的半字節(jié)均發(fā)送到 MII時(shí)必須保持同步。
• MII_TXD[3:0]：數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)。該信號(hào)是 4 個(gè)一組的數(shù)據(jù)信號(hào)，由 MAC 子層同步驅(qū)動(dòng)，在MII_TX_EN 信號(hào)有效時(shí)才為有效信號(hào)（有效數(shù)據(jù)）。 MII_TXD[0] 為最低有效位，MII_TXD[3] 為最高有效位。禁止 MII_TX_EN 時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)不會(huì)對(duì) PHY 產(chǎn)生任何影響。
• MII_CRS：載波偵聽(tīng)信號(hào)。當(dāng)發(fā)送或接收介質(zhì)處于非空閑狀態(tài)時(shí)，由 PHY 使能該信號(hào)。發(fā)送和接收介質(zhì)均處于空閑狀態(tài)時(shí)，由 PHY 禁止該信號(hào)。 PHY 必須確保 MII_CS 信號(hào)在沖突條件下保持有效狀態(tài)。該信號(hào)無(wú)需與 TX 和 RX 時(shí)鐘保持同步。在全雙工模式下，該信號(hào)沒(méi)意義。
• MII_COL：沖突檢測(cè)信號(hào)。檢測(cè)到介質(zhì)上存在沖突后， PHY 必須立即使能沖突檢測(cè)信號(hào)，并且只要存在沖突條件，沖突檢測(cè)信號(hào)必須保持有效狀態(tài)。該信號(hào)無(wú)需與 TX 和 RX 時(shí)鐘保持同步。在全雙工模式下，該信號(hào)沒(méi)意義。
• MII_RXD[3:0]：數(shù)據(jù)接收信號(hào)。該信號(hào)是 4 個(gè)一組的數(shù)據(jù)信號(hào)，由 PHY 同步驅(qū)動(dòng)，在MII_RX_DV 信號(hào)有效時(shí)才為有效信號(hào)（有效數(shù)據(jù)）。 MII_RXD[0] 為最低有效位，MII_RXD[3] 為最高有效位。當(dāng) MII_RX_EN 禁止、 MII_RX_ER 使能時(shí)，特定的MII_RXD[3:0] 值用于傳輸來(lái)自 PHY 的特定信息。
• MII_RX_DV：接收數(shù)據(jù)有效信號(hào)。該信號(hào)表示 PHY 當(dāng)前正針對(duì) MII 接收已恢復(fù)并解碼的半字節(jié)。該信號(hào)必須與恢復(fù)幀的頭半字節(jié)進(jìn)行同步 (MII_RX_CLK)，并且一直保持同步到恢復(fù)幀的最后半字節(jié)。該信號(hào)必須在最后半字節(jié)隨后的第一個(gè)時(shí)鐘周期之前禁止。為了正確地接收幀， MII_RX_DV 信號(hào)必須在時(shí)間范圍上涵蓋要接收的幀，其開(kāi)始時(shí)間不得遲于 SFD 字段出現(xiàn)的時(shí)間。
• MII_RX_ER：接收錯(cuò)誤信號(hào)。該信號(hào)必須保持一個(gè)或多個(gè)周期 (MII_RX_CLK)，從而向MAC 子層指示在幀的某處檢測(cè)到錯(cuò)誤。該錯(cuò)誤條件必須通過(guò) MII_RX_DV 驗(yàn)證。

TX 接口信號(hào)編碼

RX 接口信號(hào)編碼

MII 時(shí)鐘源

要生成 TX_CLK 和 RX_CLK 時(shí)鐘信號(hào)，必須向外部 PHY 提供 25MHz 時(shí)鐘，如圖 474 所示。除了使用外部 25 MHz 石英晶體提供該時(shí)鐘，還可以通過(guò) STM32F75xxx 和 STM32F74xxx 微控制器的 MCO 引腳輸出該信號(hào)。這種情況下，必須對(duì) PLL 倍頻進(jìn)行配置，以通過(guò) 25 MHz外部石英晶體在 MCO 引腳上獲得所需頻率。

6.3 精簡(jiǎn)介質(zhì)獨(dú)立接口：RMII

精簡(jiǎn)介質(zhì)獨(dú)立接口 (RMII) 規(guī)范降低了 10/100 Mb/s 下微控制器以太網(wǎng)外設(shè)與外部 PHY 間的引腳數(shù)。根據(jù) IEEE 802.3u 標(biāo)準(zhǔn)， MII 包括 16 個(gè)數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的引腳。 RMII 規(guī)范將引腳數(shù)減少為 7 個(gè)（引腳數(shù)減少 62.5%）。

RMII 是 MAC 和 PHY 之間的實(shí)例化對(duì)象。這有助于將 MAC 的 MII 轉(zhuǎn)換為 RMII。 RMII 具有以下特性：

• 支持 10 Mb/s 和 100 Mb/s 的運(yùn)行速率
• 參考時(shí)鐘必須是 50 MHz
• 相同的參考時(shí)鐘必須從外部提供給 MAC 和外部以太網(wǎng) PHY
• 它提供了獨(dú)立的 2 位寬（雙位）的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)路徑

RMII 時(shí)鐘源

使用外部 50 MHz 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng) PHY 或使用嵌入式 PLL 生成 50 MHz 頻率信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng) PHY。

如果使用RMII接口時(shí)，50MHz時(shí)鐘來(lái)源有以下幾種方式：

方式一：外部時(shí)鐘

一個(gè)50MHz的外部晶振同時(shí)給MAC和PHY供應(yīng)50MHz時(shí)鐘，MCU其他的部分用自己獨(dú)立的時(shí)鐘。這個(gè)方式需要外掛一顆晶振。

方式二：與MCU共用外部時(shí)鐘

MAC, PHY, MCU都用一顆50MHz外部晶振統(tǒng)一提供時(shí)鐘源。

方式三：STM32輸出時(shí)鐘源

把50MHz換成25MHz，通過(guò)STM32的MCO引腳可以輸出同樣的25MHz時(shí)鐘給PHY，然后用PHY內(nèi)部的PLL配置出50MHz時(shí)鐘反補(bǔ)給STM32的MAC，這樣就滿足了PHY和MAC都是50MHz。

值得注意的是，以上設(shè)計(jì)針對(duì)STM32XX7系列。

最后，來(lái)看看一個(gè)實(shí)際硬件案例。

下圖是Nucleo-F746ZG開(kāi)發(fā)板的ETH硬件電路圖。主要是 LAN8742A 通過(guò) RMII 和 SMI接口與 STM32F746 控制器連接，見(jiàn)下圖。

STM32F746通過(guò)RMII 接口連接PHY芯片LAN8742, 然后經(jīng)過(guò)百兆網(wǎng)絡(luò)變壓器到RJ45接口。因?yàn)?LAN8742A只有 RMII 接口，因此這里與開(kāi)發(fā)板的連接采用了 RMII 接口。電路設(shè)計(jì)時(shí)，將 nINTSEL 引腳通過(guò)下拉電阻拉低，也就是REF_CLK Out 模式，設(shè)置 nINT/FEFCLKO 為輸出 50MHz 時(shí)鐘，當(dāng)然前提是在 XTAL1 和 XTAL2 接入了 25MHz 的時(shí)鐘源。

PHY芯片LAN8742的nRST復(fù)位引腳連接到了STM32F746的復(fù)位引腳, 兩者可以同時(shí)使用復(fù)位按鈕。