E1000网卡

这一章将介绍PCI/PCI-X系列网卡（以下简称网卡）。接下来将介绍网卡功能、寄存器描述和初始化顺序、以及网卡的主要接口

设计准则如下：

1. 提供一个以太网接口，支持 10/100/1000 Mb/s 物理层接口，同时也支持 1000 Base-X
2. 基于以下准则，提供高性能解决方案：

   • 提供对所有内存的直接访问，不使用映射寄存器

     映射寄存器：假设有一个网络接口卡（NIC），需要从内存中读取数据包以进行处理
     
     如果使用映射寄存器，首先需要将数据包的内存地址写入映射寄存器，然后处理器会根据映射寄存器中的值来读取实际的数据
     
     这个过程可能会减慢数据传输速度，因为每次访问都需要经过映射寄存器。
     
     如果是直接访问内存，NIC可以直接读取或写入内存。无需通过映射寄存器
     
     数据传输更加高效，因为减少了硬件层面的操作，从而降低了延迟并提高了整体性能
     
     这对于高速网络通信尤其重要，因为网络通信需要快速处理大量数据
     

   • 尽量减少管理网卡所需的PCI 访问次数

     举例来说，假设需要发送一封电子邮件
     
     在这个过程中，CPU需要多次通过PCI接口与网卡通信：处理数据包的组装、发送以及状态的监控
     
     如果网卡设计得不够高效，会导致大量的PCI访问，从而增加系统的处理时间和延迟
     

   • 尽量减少管理网卡所需的中断
   • 在网卡中直接完成简单任务（如TCP校验和计算），减轻CPU负担
   • 最大化PCI的效率和性能
   • 使用混合信号处理来确保物理层特性超过UTP铜介质的规格要求
3. 为基本操作提供简单的软件接口
4. 提供高度可配置的设计，可在不同环境中有效使用

PCI/PCI-X系列的网卡架构是82542和82543设计的衍生品。继承了前代产品的 MAC 媒体访问控制 功能和集成的 铜质PHY 物理层 ，并为MAC1增加了基于_SMBus_ 的 可管理性 和 集成的 ASF 自适应速度和双工 控制器功能。此外，82546GB/EB在一个集成的双端口解决方案中采用了这种架构，该解决方案由两个独立的MAC/PHY实例组成

与前代相比，PCI/PCI-X系列网卡的MAC增加了改进的 数据包过滤 功能，以支持基于SMBus的 可管理性 ，以及传输基于SMBus的可管理性数据包的能力。此外，控制器的MAC集成了一个符合ASF标准的 TCO 透明冷却覆盖 控制器，用于降低成本的基本ASF可管理性

注：82544GC/EI和82541ER不支持基于SMBus的可管理性

对于82546GB/EB，这些新功能被打包在一个集成的双端口组合中。该架构包括 两个 MAC和PHY 的实例以及一个*单一* 的 PCI/PCI-X 接口。因此，每个逻辑局域网设备都表现为一个 独立 的 PCI/PCI-X 总线设备

接下来几节将描述硬件构成。图2-4展示内部微架构

在适当的系统中，网卡管理的地址都是 64位的 ，以支持拥有大于32位物理寻址的系统。提供64位地址消除了对特殊段寄存器的需求。

注：PCI 2.2或2.3规范要求，任何高32位全为0b的64位地址都应该表现为32位地址周期。以太网控制器符合PCI 2.2或2.3规范

PCI是 little endian 的；然而，并非所有使用PCI的系统中的处理器都将内存视为 little endian。网络数据本质上是 字节流 。因此， 处理器 和以太网控制器就内存数据的表示达成一致非常重要。默认情况下是little endia模式

以下示例说明了 little endia 中的数据字节顺序。接收数据包的字节按 从左到右 的顺序到达

01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 1a 1b 1c 1d 1e

数据包缓冲区地址没有对齐限制。主要字的字节地址如左侧所示。PCI总线的字节号和位号如顶部所示

描述符访问不会字节交换

网卡中的几个寄存器存储了 以太网地址 。地址由 两个32位 寄存器组成：一个称为“高”（high），另一个称为“低”（low）

例如，接收地址寄存器由接收地址高（RAH）和接收地址低（RAL）组成

存储在寄存器中的地址的 最低有效字节 的 最低有效位 （例如RAL的位0）是 多播位 ，LS 最低有效字节 是第一个出现在线上的字节。这种表示适用于所有地址寄存器，包括流量控制寄存器

图2-5展示了线上的位/字节地址顺序与唯一接收地址寄存器中的值之间的比较

以太网控制器提供了一整套中断，允许进行高效的软件管理。中断结构的设计旨在实现以下目标：

• 通过使用 设置 和 读后清除 操作而不是“读-修改-写”操作，使访问 线程安全
• 最小化 完成工作所需的 中断数量
• 最小化 与每个中断相关的 处理开销

英特尔通过由 四个中断寄存器 组成的中断逻辑实现了第一个目标。关于这些寄存器的更多细节在第13.4.17节到13.4.21节中有详细说明

• 中断原因 Read寄存器 和 Set寄存器
  • Read寄存器记录中断的原因。在 读取 时会被 自动清除

  • 对于在Set寄存器中写入为 1b 的每个位，会 设置 原因位 ，如果硬件设置原因位和软件清除中断之间存在竞争，该位将保持设置

    在写入Set寄存器时不存在竞争条件，Set操作允许软件发布中断。Read操作自动清除，以避免昂贵的写操作
    
    大多数系统都有写缓冲，这最小化了开销，但通常需要一个读操作来保证写操作已经从发布的缓冲区中刷新
    
    如果没有自动清除，清除中断的成本可能高达两次读取和一次写入
    

• 中断屏蔽 设置 （读）和 清除 寄存器
  • 只有在中断原因位为1b，且相应的中断屏蔽位也为1b时，中断才会出现在PCI上

  • 软件可以通过清除屏蔽寄存器中的位来阻止中断线的断言

    无论屏蔽位的状态如何，原因位都会存储中断事件
    
    清除和设置操作通过避免在屏蔽寄存器上执行“读-修改-写”操作，使这个寄存器更加“线程安全”
    

  • 对于在设置寄存器中写入的每个位，屏蔽位被设置为1b，并在清除寄存器中写入的每个位被清除。读取设置寄存器将返回当前值

英特尔通过三个行动实现了第二个目标（最小化中断）：

• 减少所有中断的频率（见第13.4.17节）。不适用于82544GC/EI
• 在信号中断之前接受多个接收数据包（见第3.2.3节）
• 消除（或至少减少）发送时对中断的需求（见第3.2.7节）

第三个目标是通过有一个中断寄存器合并所有中断信息来实现的。这消除了多次访问的需求

网卡提供了在传输时卸载IP、TCP和UDP校验和的功能。这些功能可以显著 减少 处理器的利用率 ，通过将这些功能的负担从驱动程序转移到硬件来实现

校验和卸载功能在以下章节中简要概述。关于所有硬件加速功能的更多详细信息，请参阅第3.2.9节

软件 分配 传输 和 接收 缓冲区*，并形成 *包含 指向 这些缓冲区以及其状态的 描述符

在缓冲区和描述符的硬件与驱动程序软件之间存在一个概念上的所有权边界

软件将 接收缓冲区的所有权交给硬件，这些接收缓冲区存储着软件一旦收到有效数据包后所拥有的数据

对于传输，软件 维护 一个缓冲区队列。驱动程序软件拥有一个缓冲区，直到 准备好进行传输 。然后，软件将缓冲区 提交 给硬件；硬件随后拥有该缓冲区，直到 数据被加载 或 传输到传输FIFO 中

描述符存储有关缓冲区的以下信息：

• 物理地址
• 长度
• 关于引用缓冲区的状态和命令信息

描述符包含一个指示数据包的最后一个缓冲区的 结束字段 。描述符还包含指示 数据包类型 的特定于数据包的信息，以及在 传输数据包的上下文 中执行的特定操作

例如用于VLAN或校验和卸载的操作

包接收包括以下步骤：

1. 识别线路上包的存在
2. 执行地址过滤
3. 将包存储在接收缓冲区中
4. 将数据传输到主机内存中的接收缓冲区
5. 更新接收描述符的状态

常规数据包（非TCP分段数据包）的传输过程包括以下步骤：

1. 协议栈从应用程序接收要传输的数据块
2. 协议栈根据 MTU大小 和 所需的数据包头部 计算出需要传输的 数据块数量
3. 对于数据块中的每个数据包：
   • 协议栈准备以太网、IP和TCP/UDP头部
   • 协议栈调用设备驱动程序，命令其发送单个数据包
   • 驱动程序获取帧并与硬件通信
   • 硬件通过DMA从内存读取数据包
   • 当硬件完成帧的DMA传输后（通过 中断 指示），驱动程序将数据包的所有权返回给网络操作系统（NOS）

输出的数据包由 指针-长度 对组成，构成一个 描述符链 （基于描述符的传输）。软件通过组装 指针-长度对列表，将这些信息存储在 传输描述符 中，然后更新芯片上的 传输尾指针 到描述符。 传输描述符 和 缓冲区 存储在 主机内存 中。硬件只有在完全从内存获取到所有数据并将其存入 芯片上的传输FIFO 后，才会传输数据包

这样可以允许TCP或UDP校验和计算

在Power Up后，网卡不会由硬件自动配置，并正常工作。需要进行软件初始化。一般来说，直到驱动程序成功加载并设置完硬件之前，网卡都不能正常工作

但是，如果由EEPROM配置，自动协商可以在上电时或接收到PCI复位断言时启动

设备控制寄存器 CTRL 中的几个值需要在上电或进行设置，以正常工作：

• 速度和双工通过 PHY ( Physical Layer ：物理层)的自动协商、内部SerDes1模式的MAC的自动协商，或者如果链路被强制，则由软件强制确定
  • 在内部PHY模式下，网卡可以由硬件自动配置，也可以被软件强制配置为与PHY相同的配置
• 在内部PHY模式下，当 Auto-SpeedDetectionEnable CTRL.ASDE 位设置为1时，会检测链路的解析速度和双工，并自动配置MAC。应该与 Set Link Up CTRL.SLU 位一起设置该位
• MAC也可以被强制设置为特定的速度/双工组合。通过设置 Set Link Up CTRL.SLU 、 Force Speed CTRL.FRCSPD 和 Force Duplex CTRL.FRCDPLX 位来实现。一旦确定速度和双工（通过自动协商或软件强制），就通过设置适当的速度选择 CTRL.SPEED 位强制速度，并通过更新全双工 CTRL.FD 位来强制双工
• 对于82541xx和82547GI/EI，通过_LEDCTRL_ 配置LED行为
• LinkReset CTRL.LRST 应设置为0b（正常）。网卡默认LRST = 1b，这会禁用自动协商。将LRST转换为0b会启动自动协商功能。LRST可以在 EEPROM 中定义。此位仅在内部SerDes模式下有效，在内部PHY模式下无效
• PHY复位 CTRL.PHY_RST 应设置为0b。将此位设置为1b会在不访问PHY寄存器的情况下重置PHY。在内部SerDes模式下，忽略此位
• CTRL.ILOS 应设置为0b（不适用于82541xx和82547GI/EI）
• 如果需要流量控制，应配置 FCAH 、 FCAL 、 FCT 和 FCTTV 寄存器
  • 如果不需要流量控制，这些寄存器应写入0b
  • 要启用XON帧传输，必须设置 XON Enable FCTRL.XONE 位
  • 在Auto-Negotiation过程中广告流量控制功能取决于网卡是在内部SerDes模式还是内部PHY模式下运行
  • 在内部SerDes模式下，在启动Auto-Negotiation过程之前必须设置好TXCW寄存器
  • 在内部PHY模式下，在启动或重新启动Auto-Negotiation过程之前，必须正确设置适当的PHY寄存器以广告所需的功能
  • 在内部PHY模式下，软件需要显式地设置接收流控使能（CTRL.RFCE）和发送流控使能（CTRL.TFCE）位（因为Auto-Negotiation由PHY而不是MAC管理），或者在需要光纤连接但链接是强制而不是自动协商时
• 如果不使用VLAN，软件应清除VLAN模式使能（CTRL.VME）位。在这种情况下，不需要初始化VLAN Filter Table Array（VFTA）。如果需要VLAN，则应同时初始化VFTA并加载所需的信息
• 对于82541xx和82547GI/EI，清除所有统计计数器

1. 将 接收地址寄存器 RAL/RAH 编程为所需的 以太网地址 。 RAL[0]/RAH[0] 用于存储网卡的个体以太网MAC地址
2. 将 多播表数组 MTA 初始化为0b。根据需求，可向此表中添加条目
3. 对Interrupt Mask Set/Read (IMS) 中断寄存器 进行编程，将其修改为在事件发生时启用软件驱动程序希望收到通知的任何中断

   • 建议包括 RXT 、 RXO 、 RXDMT 、 RXSEQ 和 LSC 等位

     暂时没有立即启用传输中断的原因
     

   • 如果软件使用接收描述符最小阈值中断，应将 接收延迟定时器 RDTR 寄存器初始化为所需的延迟时间
4. 为 接收描述符列表 receive descriptor list 分配一块内存区域
   • 这块内存应 16字节 对齐
   • 将新分配的内存地址写入 描述符基地址 RDBAL/RDBAH 寄存器，RDBAL用于32位地址，RDBAL + RDBAH用于64位地址
5. 将 接收描述符长度 RDLEN 寄存器设置为接收描述符环的大小（以字节为单位）。该寄存器必须是128字节对齐的
6. 网卡初始化后，*接收描述符头* RDH 和 尾 RDT 寄存器被硬件初始化为0b
   • 需创建大小合适的接收缓冲区，并将这些缓冲区的地址存储在接收描述符环中
   • RDH应指向描述符环中第一个接收描述符
   • 尾应指向描述符环中最后一个有效描述符之后

配置 接收控制 RCTL 寄存器：

• 将 接收使能 RCTL.EN 位设置为 1b ，用于正常操作

  然而，最好在接收描述符环被初始化并且软件准备好处理接收到的数据包之后再禁用网卡接收逻辑（RCTL.EN = 0b）
  

• 在处理大于标准以太网数据包大小的数据包时，将 长数据包使能 RCTL.LPE 位设置为1b

  例如，当处理巨型帧时，此位将设置为1b
  

• 将 环回模式 RCTL.LBM 设置为00b，用于正常操作
• 将 接收描述符最小阈值大小 RCTL.RDMTS 位配置为所需值
• 将 多播偏移量 RCTL.MO 位配置为所需值
• 将 广播接收模式 RCTL.BAM 位设置为1b，允许硬件接收广播数据包
• 根据软件提供给硬件的接收缓冲区的大小配置 接收缓冲区大小 RCTL.BSIZE 位
  • 如果接收缓冲区需要大于2048字节，则还需要配置 缓冲区扩展大小 RCTL.BSEX 位
• 如果需要硬件在将接收数据包DMA到主机内存之前剥离CRC，则设置 剥离以太网CRC RCTL.SECRC 位

• 对于82541xx和82547GI/EI，将 中断掩码设置/读取 IMS 寄存器编程为在发生事件时通知驱动程序的任何中断

  建议位包括RXT、RXO、RXDMT、RXSEQ和LSC
  
  暂时没有立即启用传输中断的原因
  
  计划稍后优化中断，包括编程中断调节寄存器TIDV、TADV、RADV和IDTR
  

• 对于82541xx和82547GI/EI，如果软件使用接收描述符最小阈值中断，应将 接收延迟定时器 RDTR 寄存器初始化为所需的延迟时间