第15章_三速Ethnernet控制器_mpc83xx中文手册

第十五章三速Ethernet控制器本章介绍MPC8349E的两种三速Ethernet控制器。这两种控制器被标记为TSEC1和TSEC2。15.1引言LAN普遍使用基于载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）方法的EthernetIEEE802.3协议。由于Ethernet和IEEE802.3协议很相似，而且可以在同一个LAN中共存，所以本手册将它们都称为Ethernet，除非特别说明。10/100Ethernet提供递增的Ethernet速度，从10Mbps到100Mbps，为主干和服务器的连通提供了一种简单、高性价比的选择。该三速Ethernet控制器还实现了千兆位Ethernet协议。千兆位Ethernet协议建立在Ethernet协议基础之上，但将速度提高了10倍，从10/100提高到1000Mbps，或每秒一千兆位。从数据链路层往上，千兆位Ethernet看起来与Ethernet完全一样，但其物理层使用了ANSIX3T11的FibreChannel（光纤通道）FC-0（接口与介质）和FC-1（编码与解码）。因此，该标准即利用了已有的高速光纤通道物理层接口技术，同时又保持了IEEE802.3Ethernet帧结构，与已安装的介质向后兼容，并且可以使用全双工或半双工CSMA/CD。Ethernet协议实现了开放系统互连（OSI）七层模型的低两层，即数据链路层和物理层。图15-1说明了典型的Ethernet协议栈，以及与OSI模型的关系。图15-1Ethernet协议与OSI协议栈的比较千兆位Ethernet提供下列子层：介质访问控制（MAC）子层——MAC子层在MAC与其对等站点之间提供一条逻辑连接，其主要任务是初始化、控制和管理对等站点之间的连接。调和子层——调和子层担当命令翻译器。它把MAC子层中使用的术语和命令映射成适合于物理层实体的电气形式。MII（介质独立接口）子层——MII子层MAC层和物理层之间的标准接口，支持10/100M操作。它将MAC层和物理层分离，使得MAC层可以用于各种物理层实现。GMII（千兆位介质独立接口）子层——GMII子层提供MAC层和物理层之间的标准接口，支持1Gbps操作。它将MAC层和物理层分离，使得MAC层可以用于各种物理层实现。PCS（物理编码子层）——PCS负责对进入和离开MAC子层的数据流进行编码和解码。介质（1000BASEX）8B/10B编码用于光纤，介质（1000BASET）8B/1Q编码用于无屏蔽双绞线（UTP）。PMA（物理介质连接）子层——PMA负责将码组串行化为适合于位串行物理设备（SerDes）的位流，或相反。为保证正确数据解码，该子层还要实现同步。PMA位于PCS和PMD子层之间。对于光纤介质（1000BASEX），PMAPMD端的接口是1位1250MHz的信号，而在PMAPCS端的接口是125MHz的10位接口（TBI10-bitinterface）。TBI是GMII接口的一个备选方案。如果使用TBI，千兆位Ethernet控制器就必须能执行PCS功能。对于UTP介质，PMAPMD端的接口由四对62.5MHz、PAM5编码的信号组成，PCS端则向8B1Q4PCS提供1250MHz的输入。PMD（物理介质依赖）子层——PMD子层负责信号传输。典型的PMD功能包括放大、调制和波形整形。不同的PMD设备支持不同的介质。MDI（介质依赖接口）子层——MDI是一个连接器，它为不同的物理介质和PMD设备定义不同的连接器。图15-2描述了不同的物理层接口标准。图15-2802.3z和802.3ab物理标准Ethernet/IEEE802.3帧基于图15-3所示的帧结构。有时使用术语“分组”描述附加了前导码和起始帧分界符的帧。Ethernet帧的成份如下：前导码——由交替变化的1和0组成的7字节前导码用于接收方的时间同步（每个字节的值都为0x55）起始帧分界符（SFD）——一串0xD5（10101011因为位顺序是最低位在前），指示帧的开始。48位目的地址（DA）——第一位标识该地址是单地址（0）还是组地址（1）。第二位用于指示该地址是本地定义的（1）还是全局定义的（0）。48位源地址（SA）——（IEEE802.3规范的原始版本允许16位编址，已不再广泛使用。）Ethernet类型字段/IEEE802.3长度字段——类型字段指示帧的剩余部分所使用的协议（例如TCP/IP）。长度字段指定帧的数据部分的长度。对于存在于同一个LAN上的Ethernet帧和IEEE802.3帧，长度字段必须唯一，不同于Ethernet中使用的其他的类型字段。该限制要求用一个大于等于1536（0x0600）但小于65535（0xFFFF）的十进制数标识类型字段。如果该数值介于0和1500（从0x0000到0x05DC）之间，则该字段指示MAC客户数据的长度。1501到1535（从0x05DD到0x05FF）未定义。数据和填充——填充字段是可选的。只有在数据长度小于46个八位组（一个八位组＝一个字节）时，才使用该字段，以保证帧的最小长度为IEEE802.3标准所规定的64个八位组。在IEEE802.3x中，数据字段的前两个八位组用作操作码（暂停＝0x0001），随后两个八位组用于传输暂停时间（PT）参数（暂停时间＝0x0000为开启，0xFFFF为关闭）。此外，第三组的两个八位组可用于扩展的暂停控制参数（PTE）。因为这些字段的使用随所使用的协议的不同而变化，检查这些字段并报告这些字段内容的能力可以极大地加速Ethernet帧的处理。帧校验序列（FCS）——指定标准的32位循环冗余校验码。对除了前导码、SFD和CRC字段以外的所有字段使用标准的CCITT-CRC多项式，计算得到该字段的值。图15-4提供了Ethernet/IEEE802.3帧结构的更多细节。图15-4具有更多细节的Ethernet/IEEE802.3帧结构关于图15-4，IEEE802.3的3.11节（MAC帧格式）这样定义了帧结构，即帧的八位组从左到右进行传输（前导码最先，FCS最后），每个八位组按最低位（lsb）在前方式传输。下面的例子是图15-4中的目的地址（02608C：876543），通常把它写作：000000100110000010001100100001110110010101000011按位传输时如下：010000000000011000110001111000011010011011000010该地址是一个单地址（因为最低位被清零），且为本地定义的（因为第二个最低位被置位）。在最初的规范中，类型字段用于协议标识。IEEE802.3规范删除了类型字段，用一个长度字段代替它。长度字段用于标识数据字段的长度（按字节）。IEEE802.3帧中的类型字段被放在分组的数据部分中。逻辑链路控制（LLC）负责向网络层提供服务，不考虑介质类型，例如FDDI、Ethernet、令牌环或其他。LLC层使用LLC协议数据单元（PDU），以便在MAC层和协议栈上层之间通信。由三个变量确定如何通过LLC-PDU访问到上层。这三个变量包括目的服务访问点（DSAP）、源服务访问点（SSAP），以及一个控制变量。DSAP地址在向上层提供协议信息的站点内定义了一个唯一的标识符，SSAP为源地址提供同样的信息。LLC为遵循用于网络协议的开放系统互连（OSI）模型的协议定义了服务访问。但是，许多协议并未遵循OSI层次规则，因此必须为LLC增加附加信息，以便提供关于这些协议的信息。属于这一类的协议包括IP和IPX。用于提供该附加协议信息的方法被称为子网访问协议（SNAPsubnetworkaccessprotocol）帧。一个SNAP封装由被设置为0xAA的DSAP和SSAP地址、以及被设置为0x03的LLC控制字段指示。如果看到这样的地址，则后面跟着的是SNAP帧首。SNAP帧首为五个字节长，前三个字节由IEEE分配的机构代码（SNAPOUI）组成。如果SNAPOUI＝0，则后两个字节为类型值，其值根据原始Ethernet规范进行设置。如果SNAPOUI为非零，则后两个字节为SNAP协议标识符。三速Ethernet控制器（TSEC）具有很好的灵活性，可以加快对上面介绍的所有标准和非标准协议的标识和检索。图15-5显示了TSEC的结构图。图15-5TSEC的结构图15.1.1三速Ethernet控制器概述TSEC支持10、100和1000MbpsEthernet/802.3网络，它包括下列组件：Ethernet介质访问控制器（MAC）先进先出（FIFO）控制器直接存贮器访问（DMA）控制器10位接口（ten-bitinterfaceTBI）基于寄存器的统计模块，支持管理信息库（MIB）远程监控（RMON）在接收或传输数据缓冲器中的数据的最高字节分别与帧的最高字节相对应。整个TSEC是为纯MAC应用设计的。TSEC支持多种标准的MAC-PHY接口，以连接外部Ethernet收发器：以10/100Mbps运行的MII接口以1Gbps运行的GMII接口可以连接到用于光纤信道应用的位串行物理设备的TBI接口GMII（RGMII）和10位（RTBI）接口的信号数量简化版虽然该文档的大部分内容涉及的是非简化的信号数量接口，但必须明白，这些内容同样适用于简化的信号数量接口。TSEC软件编程模型与MPC8260（PowerQUICCII）设备相似，所以它使得freescale用户可以使用已经实现了的Ethernet驱动程序，缩短了软件开发周期。15.2特点MPC8349E具有以下与众不同的特点：遵循IEEE802.3、802.3u、802.3x、802.3z、802.3ac、802.3ab支持不同的Ethernet物理接口：10/100/1GbIEEE802.3GMII10/100IEEE802.3MII10-MbpsIEEE802.3MII1-GbpsIEEE802.3zTBI10/100MbpsRGMII1-Gbps全双工RGMII1-GbpsRTBI全双工和半双工支持（1Gbps只支持全双工）IEEE802.3全双工流量控制（自动产生PAUSE帧，或软件编程产生和识别PAUSE帧）支持Out-of-Sequence发送队列（用于启动流量控制）可编程最大帧长度支持超长帧（最大可达9.6K字节）和IEEE802.1虚拟局域网（VLAN）帧FIFO发送出现冲突后重发支持进入/外出分组的CRC的产生和校验地址识别可以设定接受或拒绝每一个精确匹配广播地址（接受/拒绝）精确匹配48位单（单播）地址单（单播）地址Hash检查（256位Hash）组（多播）地址Hash检查（256位Hash）混杂模式根据帧记数器阈值和/或定时器阈值（用于接收和发送帧的独立功能）进行中断合并RMON统计支持15.3操作模式主要的TSEC操作模式如下：全双工和半双工操作该操作由MACCFG2寄存器的全双工位确定。全双工模式用在交换机之间或端结点与交换机之间的点－点链路上，半双工模式用在端结点与中继器之间或中继器之间的连接上。如果配置为半双工模式（仅10和100Mbps操作；MACCFG2寄存器的全双工位清零），那么MAC遵循IEEECSMA/CD方法。如果配置为全双工模式（10/100/1Gb操作；MACCFG2寄存器的全双工位置位），那么MAC支持流量控制。如果使能流量控制，则允许MAC接收或发送PAUSE帧。10和100MbpsMII接口操作配置MACCFG2[22:23]＝01，MAC-PHY接口就以MII模式操作。MII是由802.3标准为10/100Mbps操作定义的介质独立接口。操作速度由TSECn_TX_CLK和TSECn_RX_CLK信号确定，这两个信号由收发器驱动。收发器可以自动协商速度，也可以用软件通过连接到收发器的串行管理接口（EC_MDC/EC_MDIO信号）