网卡的组成工作原理

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1、网卡的组成工作原理作者：不详1.认识网卡，我们上网必备组件之一。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。物理层的芯片称之为 PHY。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（当然 也不是直接接上的，还有一个变压装置）。下面继续让我们来关心一下PHY和MAC之间

2、是如何传送数据和相 互沟通的。通过正EE定义的标准的MII/GigaMII（Media Independed Interfade，介质独立界面）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把自己的目前的状态反映 到寄存器里面，MAC通过SMI总线不断的读取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

3、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。我们看到了，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。一片网卡主要功能的实现就基本上是上面这些器件了。其他的，还 有一颗EEPROM芯片，通常是一颗93C46。里面记录了网卡芯片的供 应商ID、子系统供应商ID、网卡的MAC地址、网卡的一些配置，如 SMI总线上PHY的地址，BOOTROM的容量，是否启用BOOTROM引 导

4、系统等东西。很多网卡上还有BOOTROM这个东西。它是用于无盘工作站引导操 作系统的。既然无盘，一些引导用必需用到的程序和协议栈就放到里面 了，例如RPL、PXE等。实际上它就是一个标准的PCI ROM。所以才会有一些硬盘写保护卡可以通过烧写网卡的BootRom来实现。其实PCI 设备的ROM是可以放到主板BIOS里面的。启动电脑的时候一样可以 检测到这个ROM并且正确识别它是什么设备的。AGP在配置上和PCI 很多地方一样，所以很多显卡的BIOS也可以放到主板BIOS里面。这 就是为什么板载的网卡我们从来没有看到过BOOTROM的原因。2.工作过程PHY在发送数据的时候，收到MAC过来的数据

5、（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米甚至更长的地方会有很大的直流分量的损失。 而且如果外部网现直接和芯片相连的话，电磁感应（打雷）和静电，很容 易造成芯片的损坏。再就是设

6、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。我 们如何解决这个问题呢？这时就出现了 Transformer（隔离变压器）这个器件。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。隔离变压器本身就是设计为耐2KV-3KV的电压的。也起到了防雷 感应（我个人认为这里用防雷击不合适）保

7、护的作用。有些朋友的网络设 备在雷雨天气时容易被烧坏，大都是PCB设计不合理造成的，而且大都 烧毁了设备的接口，很少有芯片被烧毁的，就是隔离变压器起到了保护 作用。发送数据时，网卡首先侦听介质上是否有载波（载波由电压指示），如 果有，则认为其他站点正在传送信息，继续侦听介质。一旦通信介质在 一定时间段内（称为帧间缝隙IFG=9.6微秒）是安静的，即没有被其他 站点占用，则开始进行帧数据发送，同时继续侦听通信介质，以检测冲 突。在发送数据期间，如果检测到冲突，则立即停止该次发送，并向介 质发送一个“阻塞”信号，告知其他站点已经发生冲突，从而丢弃那些 可能一直在接收的受到损坏的帧数据，并等待一段随

8、机时间（CSMA/CD 确定等待时间的算法是二进制指数退避算法）。在等待一段随机时间后， 再进行新的发送。如果重传多次后（大于16次）仍发生冲突，就放弃 发送。接收时，网卡浏览介质上传输的每个帧，如果其长度小于64字节， 则认为是冲突碎片。如果接收到的帧不是冲突碎片且目的地址是本地地 址，则对帧进行完整性校验，如果帧长度大于1518字节(称为超长帧， 可能由错误的LAN驱动程序或干扰造成)或未能通过CRC校验，则认 为该帧发生了畸变。通过校验的帧被认为是有效的，网卡将它接收下来 进行本地处理网卡的原理及测试技术网卡充当计算机和网络缆线之间的物理接口或连线将计算机中的数字信号转换成电或光信号，称

9、为nic( network interface card)。数据在计 算机总线中传输是并行方式即数据是肩并肩传输的，而在网络的物理缆 线中说数据以串行的比特流方式传输的，网卡承担串行数据和并行数据 间的转换。网卡在发送数据前要同接收网卡进行对话以确定最大可发送 数据的大小、发送的数据量的大小、两次发送数据间的间隔、等待确认 的时间、每个网卡在溢出前所能承受的最大数据量、数据传输的速度。一、网卡的基本构造网卡包括硬件和固件程序(只读存储器中的软件例程)，该固件程序实 现逻辑链路控制和媒体访问控制的功能网卡包括硬件和固件程序(只读 存储器中的软件例程)，该固件程序实现逻辑链路控制和媒体访问控制 的

10、功能，还记录唯一的硬件地址即mac地址，网卡上一般有缓存。网 卡须分配中断irq及基本i/o端口地址，同时还须设置基本内存地址(base memory address)和收发器(transceiver)网卡的控制芯片是网卡中最重要元件，是网卡的控制中心，有如电脑的cpu，控制着整 个网卡的工作，负责数据的的传送和连接时的信号侦测。早期的 10/100m的双速网卡会采用两个控制芯片（单元）分别用来控制两个不 同速率环境下的运算，而目前较先进的产品通常只有一个芯片控制两种 速度。晶体震荡器负责产生网卡所有芯片的运算时钟，其原理就象主板上的晶体震荡器一 样，通常网卡是使用20或25hz的晶体震荡器。

11、boot rom 插槽如无特殊要求网卡中的这个插槽处在空置状态。一般是和boot rom芯 片搭配使用，其主要作用是引导电脑通过服务器引导进入win9x。boot rom就是启动芯片，让电脑可以在不具备硬盘、软驱和光驱的情况下，直接 通过服务器开机，成为一个无硬盘无软驱的工作站。没有软驱就无法将 资料输出，这样也可以达到资料保密的功能。同时，还可以节省下购买 这些电脑部件的费用。在使用boot rom时要注意自己使用何种网络操 作系统，通常有 boot rom for nt，boot rom for unix，boot rom for netware等，boot rom启动芯片要自行购买。ep

12、rom从前的老式网卡都要靠设置跳线或是dip开关来设定irq、dma和i/o port 等值，而现在的网卡则都使用软件设定，几乎看不见跳线的存在。各种 网卡的状态和网卡的信息等数据都存在这颗小小的eeprom里，通过它 来自动设置。内接式转换器只要有bnc接头的网卡都会有这个芯片，并紧邻在bnc接头旁，它的功 能是在网卡和bnc接头之间进行数据转换，让网卡能通过它从bnc接头 送出或接收资料。rj-45和bnc接头rj-45是采用双绞线作为传输媒介的一种网卡接口，在100mbps网中最 常应用。bnc是采用细同轴电缆作为传输媒介信号指示灯在网卡后方会有二到三个不等的信号灯，其作用是显示目前网络

13、的连线 状态，通常具有tx和rx两个信息。tx代表正在送出资料，rx代表正在 接收资料，若看到两个灯同时亮则代表目前是处于全双工的运作状态， 也可由此来辨别全双工的网卡是否处于全双工的网络环境中（见上图两 个接口的中间部分）。也有部分低速网卡只用一个灯来表示信号，通过 不同的灯光变换来表示网络是否导通。二、网卡的分类以频宽区分网卡种类目前的以太网卡分为10mbps、100mbps和1000 mbps三种频宽，目 前常见的三种架构有10baset、100basetx与base2，前两者是以rj-45 双绞线为传输媒介，频宽分别有10mbps和100mbps。而双绞线又分为 category 1至

14、category 5五种规格，分别有不同的用途以及频宽， category通常简称cat，只要使用cat5规格的双绞线皆可用于 10/100mbps频宽的网卡上。而10base2架构则是使用细同轴电缆作为 传输媒介，频宽只有10mbps。这里提到的频宽10或100mbps是指网 卡上的最大传送频宽，而频宽并不等于网络上实际的传送速度，实际速 度要考虑到传送的距离，线路的品质，和网络上是否拥挤等因素，这里 所谈的bps指的是每秒传送的bit(1个byte=8个bit)。而100mbps 则称为高速以太网卡(fast ethernet)，多为pci接口。因为其速度快， 目前新建的局域网络绝已大多数

15、已采用100mbps的传输频宽，已有渐 渐取代10mbps网卡的趋势。当前市面上的pci网卡多具有10/100mbps 自动切换的功能，会根据所在的网络连线环境来自动调节网络速度。 1000 mbps以太网卡多用于交换机或交换机与服务器之间的高速链路 或 backbone0以接口类型区分网卡种类以接口类型来分，网卡目前使用较普遍的是isa接口、pci接口、usb接 口和笔记本电脑专用的pcmcia接口。现在的isa接口的网卡均采用16bit 的总线宽度，其特性是采用programmed i/o的模式传送资料，传送数 据时必须通过cpu在i/o上开出一个小窗口，作为网卡与pc之间的沟通 管道，需

16、要占用较高的cpu使用率，在传送大量数据时效率较差。pci接 口的网卡则采用32bit的总线频宽，采用bus master的数据传送方式， 传送数据是由网卡上的控制芯片来控制，不必通过i/o端口和cpu，可 大幅降低cpu的占用率，目前产品多为10/100mbps双速自动侦测切换 网卡。以全双工/半双工来区分网卡种类网络有半双工(half duplex) 与全双工(full duplex)之分，半双工网 卡无法同一时间内完成接收与传送数据的动作，如10base2使用细同轴 电缆的网络架构就是半双工网络，同一时间内只能进行传送或接收数据 的工作，效率较低。要使用全双工的网络就必须要使用双绞线作为传输 线才能达到，并且也要搭配使用全双工的集线器，要使用10base或 100basetx的网络架构，网卡当然也要是全双工的产品以网络物理缆线接头区分网卡目前网卡常用的网线接头有rj-45与bnc两种，有的网卡同