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【mac|以太网——网卡的组成及工作原理】网卡(Network Interface Card , 简称NIC) , 也称网络适配器 , 是电脑与局域网相互连接的设备 。 只要连接到局域网 , 就需要安装网卡 。 一个网卡主要包括OSI的最下面的两层 , 物理层和数据链路层 , 物理层的芯片称之为PHY , 数据链路层的芯片称之为MAC控制器 , 这方面的内容在之前已经有过介绍(以太网——PHY、MAC和 MII基础知识?) 。
今天我们来了解网卡的工作原理 , 学习数据包的发送和接收的处理过程 。
网卡工作在OSI的最后两层:物理层和数据链路层 , 物理层定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等 , 并向数据链路层设备提供标准接口 。 数据链路层则提供寻址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能 。 以太网卡中数据链路层的芯片称之为MAC控制器 。 很多网卡的这两个部分是做到一起的 。 他们之间的关系是PCI总线接MAC总线 , MAC接PHY , PHY接网线(通过变压装置) 。
下面继续让我们看一下PHY和MAC之间是如何传送数据和相互沟通的 。 通过IEEE定义的标准的MII界面连接MAC和PHY 。 这个界面是IEEE定义的 。 MII界面传递了网络的所有数据和数据的控制 。 而MAC对PHY的工作状态的确定和对PHY的控制则是使用SMI(Serial Management Interface)界面通过读写PHY的寄存器来完成的 。 PHY里面的部分寄存器也是IEEE定义的 , 这样PHY把自己目前的状态反映到寄存器里面 , MAC通过SMI总线不断地读取PHY的状态寄存器以得知目前PHY的状态 , 例如连接速度、双工的能力等 。 当然也可以通过SMI设置PHY的寄存器达到控制的目的 , 例如流控的打开关闭 , 自协商模式还是强制模式等 。
所以 , 不论是物理连接的MII界面和SMI总线还是PHY的状态寄存器和控制寄存器都是有IEEE的规范的 , 因此不同公司的MAC和PHY一样可以协调工作 。 当然为了配合不同公司的PHY的自己特有的一些功能 , 驱动需要做相应的修改 。
工作过程PHY在发送数据的时候 , 收到MAC过来的数据(对PHY来说 , 没有帧的概念 , 对它来说 , 都是数据而不管什么地址 , 数据还是CRC) , 每4bit就增加1bit的检错码 , 然后把并行数据转化为串行流数据 , 再按照物理层的编码规则(10Based-T的NRZ编码或100based-T的曼彻斯特编码)把数据编码再变为模拟信号把数据送出去 。 收数据时的流程反之 。
现在来了解PHY的输出后面部分 。
一颗CMOS制程的芯片工作的时候产生的信号电平总是大于0V的(这取决于芯片的制程和设计需求) , 但是这样的信号送到100米甚至更远的地方会有很大的直流分量的损失 。 而且如果外部网线直接和芯片相连的话 , 电磁感应和静电 , 很容易造成芯片的损坏 。
再就是设备接地方法不同 , 电网环境不同会导致双方的0V电平不一致 , 这样信号从A传到B , 由于A设备的0V电平和B点的0V电平不一样 , 这样会导致很大的电流从电势高的设备流向电势低的设备 。 这时就需要Transformer(隔离变压器) 。 它把PHY送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号 , 并且通过电磁场的转换耦合到连接网线的另外一端 。 这样不但使网线和PHY之间没有物理上的连接而换传递了信号 , 隔断了信号中的直流分量 , 还可以在不同0V电平的设备中传送数据 。
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