瑞萨RA系列FSP库开发实战指南之如何玩转ETHERC以太网通信

第32章

ETHERC——以太网通信

32.1

互联网模型

互联网技术对人类社会的影响不言而喻。当今大部分电子设备都能以不同的方式接入互联网（Internet），在家庭中PC常见的互联网接入方式是使用路由器（Router）组建小型局域网（LAN），

利用互联网专线或者调制调解器（modem）经过电话线网络，连接到互联网服务提供商（ISP），由互联网服务提供商把用户的局域网接入互联网。而企业或学校的局域网规模较大，常使用交换机组成局域网，经过路由以不同的方式接入到互联网中。

通信至少是两个设备的事，需要相互兼容的硬件和软件支持，我们称之为通信协议。以太网通信在结构比较复杂，国际标准组织将整个以太网通信结构制定了OSI模型，总共分层七个层，分别为应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层以及物理层，每个层功能不同，通信中各司其职，整个模型包括硬件和软件定义。OSI模型是理想分层，一般的网络系统只是涉及其中几层。

TCP/IP是互联网最基本的协议，是互联网通信使用的网络协议，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。TCP/IP只有四个分层，分别为应用层、传输层、网络层以及网络访问层。虽然TCP/IP分层少了，但与OSI模型是不冲突的，它把OSI模型一些层次整合一起的，本质上可以实现相同功能。

实际上，还有一个TCP/IP混合模型，分为五个层，参考图34_1，它实际与TCP/IP四层模型是相通的，只是把网络访问层拆成数据链路层和物理层。这种分层方法对我们学习理解更容易。

图34_1 TCP/IP混合参考模型

设计网络时，为了降低网络设计的复杂性，对组成网络的硬件、软件进行封装、分层，这些分层即构成了网络体系模型。在两个设备相同层之间的对话、通信约定，构成了层级协议。设备中使用的所有协议加起来统称协议栈。在这个网络模型中，每一层完成不同的任务，都提供接口供上一层访问。而在每层的内部，可以使用不同的方式来实现接口，因而内部的改变不会影响其它层。

在TCP/IP混合参考模型中，数据链路层又被分为LLC层（逻辑链路层）和MAC层（媒体介质访问层）。目前，对于普通的接入网络终端的设备，LLC层和MAC层是软、硬件的分界线。如PC的网卡主要负责实现参考模型中的MAC子层和物理层，在PC的软件系统中则有一套庞大程序实现了LLC层及以上的所有网络层次的协议。

由硬件实现的物理层和MAC子层在不同的网络形式有很大的区别，如以太网和WiFi，这是由物理传输方式决定的。但由软件实现的其它网络层次通常不会有太大区别，在PC上也许能实现完整的功能，一般支持所有协议，而在嵌入式领域则按需要进行裁剪。

32.2

以太网

以太网（Ethernet）是互联网技术的一种，由于它是在组网技术中占的比例最高，很多人直接把以太网理解为互联网。

以太网是指遵守IEEE 802.3标准组成的局域网，由IEEE 802.3标准规定的主要是位于参考模型的物理层（PHY）和数据链路层中的介质访问控制子层（MAC）。在家庭、企业和学校所组建的PC局域网形式一般也是以太网，其标志是使用水晶头网线来连接（当然还有其它形式）。IEEE还有其它局域网标准，如IEEE 802.11是无线局域网，俗称WiFi。IEEE 802.15是个人域网，即蓝牙技术，其中的IEEE 802.15.4标准则是ZigBee技术。

现阶段，工业控制、环境监测、智能家居的嵌入式设备产生了接入互联网的需求，利用以太网技术，嵌入式设备可以非常容易地接入到现有的计算机网络中。

32.2.1

PHY层

在物理层，由IEEE 802.3标准规定了以太网使用的传输介质、传输速度、数据编码方式和冲突检测机制，物理层一般是通过一个PHY芯片实现其功能的。

32.2.1.1

传输介质

传输介质包括同轴电缆、双绞线（水晶头网线是一种双绞线）、光纤。根据不同的传输速度和距离要求，基于这三类介质的信号线又衍生出很多不同的种类。最常用的是“五类线”适用于100BASE-T和10BASE-T的网络，它们的网络速率分别为100Mbps和10Mbps。

32.2.1.2

编码

为了让接收方在没有外部时钟参考的情况也能确定每一位的起始、结束和中间位置，在传输信号时不直接采用二进制编码。在10BASE-T的传输方式中采用曼彻斯特编码，在100BASE-T中则采用4B/5B编码。

双击configuration.xml打开配置界面：然后点开依次点击Stacks->New Stack->Search⋯里输入IWDT选着Independent Watchdog。

曼彻斯特编码把每一个二进制位的周期分为两个间隔，在表示“1”时，以前半个周期为高电平，后半个周期为低电平。表示“0”时则相反，见图34_2。

图34_2 曼彻斯特编码

采用曼彻斯特码在每个位周期都有电压变化，便于同步。但这样的编码方式效率太低，只有50%。在100BASE-T采用的4B/5B编码是把待发送数据位流的每4位分为一组，以特定的5位编码来表示，这些特定的5位编码能使数据流有足够多的跳变，达到同步的目的，而且效率也从曼彻斯特编码的50%提高到了80%。

32.2.1.3

CSMA/CD冲突检测

早期的以太网大多是多个节点连接到同一条网络总线上（总线型网络），存在信道竞争问题，因而每个连接到以太网上的节点都必须具备冲突检测功能。以太网具备CSMA/CD冲突检测机制，如果多个节点同时利用同一条总线发送数据，则会产生冲突，总线上的节点可通过接收到的信号与原始发送的信号的比较检测是否存在冲突，若存在冲突则停止发送数据，随机等待一段时间再重传。

现在大多数局域网组建的时候很少采用总线型网络，大多是一个设备接入到一个独立的路由或交换机接口，组成星型网络，不会产生冲突。但为了兼容，新出的产品还是带有冲突检测机制。