网卡的功能和原理

由于网络技术的飞速发展，网卡在计算机内部输入输出的总线位数己由８位提高到16位、32位乃至64位，网络端口的数据速率也由10Mbps升至100Mbps，1Gbps。但网卡的基本功能仍然是：提供与站点主机的接口电路，数据缓存器的管理，数据链路管理，编码和译码以及网络信息的收发。上述功能在网卡内由不同的模块完成，尽管实现时都己集成在一片或几片集成电路中了。图2-20是描述以太网卡各模块之间关系的结构原理图。 
图2-20中的接口控制器是一块门阵列芯片，包含着网卡的多个端口寄存器和相应的控制电路。网卡板上设置了相当容量的收发缓存器，其作用十分重要。数据链路控制器EDLC是执行链路层协议CSMA/CD的核心部件。 
(1) 接口控制器 
接口控制器负责网卡和主机的信息交互，同时也负责网卡上各个模块的协调和管理。因此，站点接口控制器电路包含两部分，一部分是提供与站点主机相连的匹配电路，另一部分是网卡的卡内控制电路，从而能接收、解释和执行来自主机的控制命令，进行端口地址的译码，实现数据在I/O总线上的双向传送。从主机角度看，网卡是它的一个外设，所以主机通过I/O总线对网卡进行控制。相对应的是接口控制器内包含多个寄存器和锁存器，如网卡控制命令寄存器和状态寄存器等，负责网卡与主机交换命令、状态、地址和数据。 
(2) 地址缓存计数器ARC1 
地址缓存计数器存放了主机读写数据的地址。当主机要从网卡数据缓存器中读写数据时，采用两种方式，一种方式是程序读写，主机CPU先把读写首地址写入ARC1，然后用IN/OUT命令读写。CPU每读一个单元，ARC1自动加１，指向数据缓存器下一单元地址 
另一种方式是直接存储器存取(DMA)方式。这时，主机的DMA控制器将一路通道分配给网卡，作为网卡数据的输入/输出通道。主机把网卡数据缓存器的首地址写入ARC1，在DMA控制电路配合下，使主机内存与网卡数据缓存器的直接成块地交换数据。ARC1还用作数据链路控制器(EDLC)的地址指针寄存器。当EDLC向网上发送数据帧时，也从数据缓存器读取数据，每发送一个单元，ARC1就自动加1。 
(3) 地址锁存计数器(ARC2) 
数据链路控制器是网卡向网络收发数据的控制中心，当EDLC从网上接收数据帧时ARC2是EDLC的计数器，每接收一个单元，ARC2加1。ARC2R的初值必须置为0，即收到的数据必须从数据缓存器０单元开始存放。若接收过程正常完成，则ARC2中存放的是接收数据的实际长度。若接收过程出错，EDLC将 ARC2清零，后面数据的接收仍然从数据缓存器０单元开始存放。 
(4) 网卡控制命令寄存器（LCC）和状态寄存器(LCS) 
LCC是一个８位寄存器，用于存放主机发至网卡的控制命令。主机直接把命令写在LCC中，以实现主机对网卡的控制。接口控制器将读取、解释和执行这些命令。 
LCS是一个８位寄存器，用来存放网卡的各种工作状态，例如发送状态、接收状态、测试状态、DMA传输状态、中断状态等。接口控制器根据网卡的当前状态填写LCS，主机可以直接读取LCS的状态内容，了解网卡的工作情况。 
LCC和LCS是一对双向交互的寄存器，构成了主机和网卡间的控制信息通道。 
(5) 网卡站地址寄存器(REA)　 
网卡站地址寄存器存放了网卡和站地址。以太网中的站点，都有一个标识自己的6B 的站地址。站地址是惟一的，无论是网卡，还是交换机、路由器的站地址，没有一个设备具有相同的物理地址。站地址又称为物理地址，前三个字节由IEEE统一分配给各家厂商，后三个字节由厂商自行编号，发送时它是源地址，接收时它就是目标地址。有了REA后，在收发过程中就可以随时读取站地址了。 
(6) 数据缓冲器 
网卡中的数据缓冲存储器是主机与网卡交换数据的中转站。这是一个双向存储器，主机通过程序方式或DMA方式对数据缓存器进行读写，同时网卡向网络收发数据时也要从数据缓存器读写数据。后者的操作由EDLC直接控制缓存器进行快速收发，在此期间，不允许主机访问数据缓存器，以确保EDLC能在规定时间内读写数据缓存器RAM。这样，网络上的数据收发一方面不需要主机的直接干预，同时也不会产生断流或溢出，保证了CSMA/CD协议的实现。网卡数据缓存器的容量一般在64K字节以上。 
(7) 数据链路控制器(EDLC) 
数据链路控制器是一个大规模集成电路芯片，基本实现了CSMA/CD媒体接入协议。EDLC按工作流程可分为数据帧发送和数据帧接收两部分。 
在数据帧发送过程中，EDLC的第一件工作是组织帧。EDLC先将来自主机的数据包中的目标地址、源地址、类型及数据信息放入数据缓存器的发送RAM中，而发送之前自动传输64位前导码，使网络接口电路达到稳定状态，并在数据信息之后加上32位CRC校验码，准备好发送内容。数据缓冲接口部分有一个先进先出 (FIFO)的16字节发送器队列。发送器从数据缓存器逐字节读取数据，然后利用串并转换器把字节转成串行位流后逐位发送。 
在数据发送之前和发送过程中，EDLC随时执行载波侦听，按照CSMA/CD的协议要求“先听后说”和“边说边听”。在开始发送之前，EDLC至少要等待9.6μs时间，确定网络上无其他站点在发送，才开始发送，这就是载波侦听。在发送过程中，如果发现有其他站点发送，EDLC自动停止FIFO内容的发送，立即发出一个32位长的010101序列阻塞位串，以强化冲突，使所有站点都能检测到冲突的存在。同时，EDLC告诉主机数据帧发送时发送冲突，需等待一段随机时间后，再重新发送。主机接到请求后执行后退算法，随机等待一段时间，再重新启动发送。若一个数据信息字段传送完毕，EDLC在最后一个字节送入FIFO后，发出32位CRC校验码。整个数据帧发送完毕，即修改发送状态寄存器。 
在EDLC数据接收部分，EDLC通过译码器接口输入端随时监听网络状态。在网络平静状态下，当收到一个串行位流是连续的62位“010101”花样的位串后接着是两位连续的“１”时，这表示了另外一站点发送的前导码。为了使译码器产生锁相实现同步，EDLC等待８位时间才寻找“11”，即前导码的最后两位。如果收到的不是“11”，则不是正确的数据帧，不接收后面的数据。如果收到了最后两位“11”，则说明收到了正确的前导码，并继续接收数据帧的数据。 接下来收到的应该是目标地址，由EDLC的地址检查器检查是否与REA中的地址值匹配如果地址不匹配，则说明是发往其他站点的数据帧，立即停止接收数据操作；如果目标地址与本站地址相同，则继续接收发给本站的数据，执行串并转换，送往接收缓冲队列FIFO。当EDLC收完一个数据帧后，再进行CRC校验。如果校验不正确，则取消收到的 数据缓冲区中的数据帧；如果校验正确，则设置状态寄存器中有关接收状态的各位。最后 EDLC发出接收结束信号，清除DMA接收控制，并发出INT信号通知主机接收己完成。  
(8) 曼切斯特编码译码器  
以太网卡采用曼彻斯特编码技术对发送的数据进行编码后再发送，接收方收到数据信息后需译码还原。网卡上由编码译码器实现编码和译码功能。编码的目的是为了有效地实现冲突检测和载波监听，有利于数据信号在线路上的正确传送，有利于收发双方保持同步。