2024年5月26日发(作者：琴书桃)
第三章 网络芯片的驱动
从最底层驱动来看，单片机是怎么从物理线路上接收到数据？接收的又是
什么样的数据？通过对本章以太网帧管理和网络芯片驱动的介绍，可以了解数据
是怎样上送和下发的，从而了解物理层和数据链路层的工作原理。
3．1 以太网的帧结构
现在是网络时代，大家都喜欢在网上冲冲浪。但电脑能上网的前提条件是电
脑硬件中必须有网卡，如板载网卡、独立网卡、或无线网卡等。网卡是电脑与
网络相互连接的必需设备。
单片机要上网，无疑也需要一个网卡。网卡的功能主要有：一是将需要发送
的数据封装成物理传输帧，并通过网线(或电磁波)发送到网络上去；二是识别和
接收网络上其它设备传过来的物理传输帧，并组合成数据提供给本机CPU。网
线中传输的是电信号，因此网卡具备将数据转化为电信号发出去，并将网线上的
电信号解析成数据的功能。同时，要想电信号都能被其它网卡解析和接收，网卡
必须满足网络传输规定的机械和电气规范。
从TCP/IP的协议分层的结构上看，网卡至少完成物理层的功能。但为了方
便控制器的使用，现在的网卡还将数据链路层的功能集成到芯片中。网卡能起到
过滤作用，只接受广播帧/组播帧或专门发往本机物理地址的数据帧，对本网络
上的其余帧不予理会。网卡接收到一帧完整的数据后，就可以将数据交给网络层
处理。
对于使用网卡的开发者来说，对网卡的物理结构，硬件检测机制和冲突退避
算法不需深究，主要要了解下相应的物理传输帧结构。根据组建的网络类型不同
（如以太网，令牌环网等）和使用的底层网络协议不同，帧结构也不相同。就常
用的以太网来说，也有Ethernet_II，IEEE 802.3，IEEE 802.2等协议。我们以IEEE
802.3数据帧来分析数据链路层和网卡的工作内容。
IEEE 802.3是电气和电子工程师协会（IEEE）制定的一种描述物理层和数据
链路层的实现方法的网络协议，主题是在多种物理媒体上以多种速率采用
CSMA/CD访问方式。其规定的帧结构如下：
表3－1 以太网（802.3）帧结构
PR SD DASA LENGTH/TYPE
16位
DATA
n ≤1500（字节）
PAD
可选
FCS
32位 56位 8位 48位 48位
表一 以太网（802.3）帧结构
FR（前导码）：包括了7个字节的二进制“1”、“0”间隔的代码，即1010…10
共56位。当帧在链路上传输时，接收方就能建立起同步，因为这种“1”、“0”间
隔的传输波形为一个周期性方波。同时也指明了传输的速率（10M和100M的方
波频率不一样，所以100M网卡可以兼容10M网卡）。
SD（帧数据定界符）：它是长度为1个字节的10101011二进制序列，此码
表示表示下面跟着的是真正的数据。
DA（目的地址）：目的以太网的物理地址，由48位二进制组成(6个字节)，
说明该帧传输给哪个网卡。如果地址为FFFFFFFFFFFF（广播地址），则该网络
1
上的所有网卡都能接收到本帧数据。这个地址和下面的SA就是我们常说的网卡
的MAC地址。具体信息我们待会介绍。
SA（源地址）：48位，说明该帧的数据是哪个网卡发的，即发送端的网卡物
理地址（MAC）。
LENGTH/TYPE（长度/数据类型）：指示后面的数据属于什么类型。如0800H
表示数据为IP包，0806H 表示数据为ARP包。这样，交给网络层后就可以由相
应的协议对后面的数据解析。如果这个字段小于0600H的值，则表示数据包的
长度，在单片机的网络编程中不考虑这种用法。
DATA（数据段）：由网络层负责发送和解析的数据，因为以太网帧传输的数
据包最小不能小于64字节，最大不能超过1518字节。除去14字节为DA、SA、
TYPE以及4字节的FCS，DATA不能超过1500字节。如果不够46（64－18）
字节，余下的由PAD填充。
PAD（填充位）：当DATA的数据不足46字节时，缺少的字节需要补上（可
补任意值）。
FCS（帧校验序列）：由32位（4字节）循环冗余校检码（CRC）组成，其
校验范围不包括前导码FR及帧数据定界符SD。此序列由发送端网卡自动生成，
自动填充到帧的最后。一般情况下，接收端网卡对收到的数据校验后也不会将
FCS放到数据中上报。
由于网卡的自动管理，并且前导码FR和帧数据定界符SD的值是固定的，
也由网卡自动生成和插入。所以，网络层向网卡发送的数据或者网络层接收到的
数据一般是由DA、SA、TYPE和DATA组成（DATA不足46字节需要用PAD
补齐）。如表二。假如网络层的一个IP包要发送出去，首先要填充接收网卡的地
址和本网卡的地址（MAC地址），同时将TYPE填充成0800H，紧跟着就是发送
的数据。网卡获取到这些数据后会组成物理传输帧发送出去。
表3－2 网络层管理的帧结构
DA SA TYPE DATA PAD
48位 48位 16位 n ≤1500（字节） 可选
由以太网的帧结构知道，在数据链路层就需要使用MAC地址（即物理地
址）进行通讯，MAC地址是数据的第一道关卡，由硬件自动识别来接收。因此，
MAC地址就像是是网络设备的“身份证”一样，需要具有全球唯一性。我们在
实验室里做测试，可以修改MAC地址，但也应该保证本地网络里MAC的唯一
性。
以太网的MAC地址由48bit (6字节)组成，如08:02:10:3A:85:23就是一个
MAC地址。前24位（08:02:10）是由生产网卡的厂商向IEEE申请的厂商地址，
后24位（3A:85:23）是由厂家自己分配。每个厂商必须确保它所制造的每个以
太网设备都具有相同的前三个字节以及不同的后三个字节，这样就可保证世界上
每个以太网设备都具有唯一的MAC地址。网卡的MAC地址通常是由生产厂家
烧入网卡的EPROM中（NE2000系列网卡常用93C46，在网卡上可以找到）。
MAC地址又可以分成3类：
（1）广播地址：只能用作目的地址。如果一个以太网帧的目的地址是广播
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2024年5月26日发(作者：琴书桃)
第三章 网络芯片的驱动
从最底层驱动来看，单片机是怎么从物理线路上接收到数据？接收的又是
什么样的数据？通过对本章以太网帧管理和网络芯片驱动的介绍，可以了解数据
是怎样上送和下发的，从而了解物理层和数据链路层的工作原理。
3．1 以太网的帧结构
现在是网络时代，大家都喜欢在网上冲冲浪。但电脑能上网的前提条件是电
脑硬件中必须有网卡，如板载网卡、独立网卡、或无线网卡等。网卡是电脑与
网络相互连接的必需设备。
单片机要上网，无疑也需要一个网卡。网卡的功能主要有：一是将需要发送
的数据封装成物理传输帧，并通过网线(或电磁波)发送到网络上去；二是识别和
接收网络上其它设备传过来的物理传输帧，并组合成数据提供给本机CPU。网
线中传输的是电信号，因此网卡具备将数据转化为电信号发出去，并将网线上的
电信号解析成数据的功能。同时，要想电信号都能被其它网卡解析和接收，网卡
必须满足网络传输规定的机械和电气规范。
从TCP/IP的协议分层的结构上看，网卡至少完成物理层的功能。但为了方
便控制器的使用，现在的网卡还将数据链路层的功能集成到芯片中。网卡能起到
过滤作用，只接受广播帧/组播帧或专门发往本机物理地址的数据帧，对本网络
上的其余帧不予理会。网卡接收到一帧完整的数据后，就可以将数据交给网络层
处理。
对于使用网卡的开发者来说，对网卡的物理结构，硬件检测机制和冲突退避
算法不需深究，主要要了解下相应的物理传输帧结构。根据组建的网络类型不同
（如以太网，令牌环网等）和使用的底层网络协议不同，帧结构也不相同。就常
用的以太网来说，也有Ethernet_II，IEEE 802.3，IEEE 802.2等协议。我们以IEEE
802.3数据帧来分析数据链路层和网卡的工作内容。
IEEE 802.3是电气和电子工程师协会（IEEE）制定的一种描述物理层和数据
链路层的实现方法的网络协议，主题是在多种物理媒体上以多种速率采用
CSMA/CD访问方式。其规定的帧结构如下：
表3－1 以太网（802.3）帧结构
PR SD DASA LENGTH/TYPE
16位
DATA
n ≤1500（字节）
PAD
可选
FCS
32位 56位 8位 48位 48位
表一 以太网（802.3）帧结构
FR（前导码）：包括了7个字节的二进制“1”、“0”间隔的代码，即1010…10
共56位。当帧在链路上传输时，接收方就能建立起同步，因为这种“1”、“0”间
隔的传输波形为一个周期性方波。同时也指明了传输的速率（10M和100M的方
波频率不一样，所以100M网卡可以兼容10M网卡）。
SD（帧数据定界符）：它是长度为1个字节的10101011二进制序列，此码
表示表示下面跟着的是真正的数据。
DA（目的地址）：目的以太网的物理地址，由48位二进制组成(6个字节)，
说明该帧传输给哪个网卡。如果地址为FFFFFFFFFFFF（广播地址），则该网络
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上的所有网卡都能接收到本帧数据。这个地址和下面的SA就是我们常说的网卡
的MAC地址。具体信息我们待会介绍。
SA（源地址）：48位，说明该帧的数据是哪个网卡发的，即发送端的网卡物
理地址（MAC）。
LENGTH/TYPE（长度/数据类型）：指示后面的数据属于什么类型。如0800H
表示数据为IP包，0806H 表示数据为ARP包。这样，交给网络层后就可以由相
应的协议对后面的数据解析。如果这个字段小于0600H的值，则表示数据包的
长度，在单片机的网络编程中不考虑这种用法。
DATA（数据段）：由网络层负责发送和解析的数据，因为以太网帧传输的数
据包最小不能小于64字节，最大不能超过1518字节。除去14字节为DA、SA、
TYPE以及4字节的FCS，DATA不能超过1500字节。如果不够46（64－18）
字节，余下的由PAD填充。
PAD（填充位）：当DATA的数据不足46字节时，缺少的字节需要补上（可
补任意值）。
FCS（帧校验序列）：由32位（4字节）循环冗余校检码（CRC）组成，其
校验范围不包括前导码FR及帧数据定界符SD。此序列由发送端网卡自动生成，
自动填充到帧的最后。一般情况下，接收端网卡对收到的数据校验后也不会将
FCS放到数据中上报。
由于网卡的自动管理，并且前导码FR和帧数据定界符SD的值是固定的，
也由网卡自动生成和插入。所以，网络层向网卡发送的数据或者网络层接收到的
数据一般是由DA、SA、TYPE和DATA组成（DATA不足46字节需要用PAD
补齐）。如表二。假如网络层的一个IP包要发送出去，首先要填充接收网卡的地
址和本网卡的地址（MAC地址），同时将TYPE填充成0800H，紧跟着就是发送
的数据。网卡获取到这些数据后会组成物理传输帧发送出去。
表3－2 网络层管理的帧结构
DA SA TYPE DATA PAD
48位 48位 16位 n ≤1500（字节） 可选
由以太网的帧结构知道，在数据链路层就需要使用MAC地址（即物理地
址）进行通讯，MAC地址是数据的第一道关卡，由硬件自动识别来接收。因此，
MAC地址就像是是网络设备的“身份证”一样，需要具有全球唯一性。我们在
实验室里做测试，可以修改MAC地址，但也应该保证本地网络里MAC的唯一
性。
以太网的MAC地址由48bit (6字节)组成，如08:02:10:3A:85:23就是一个
MAC地址。前24位（08:02:10）是由生产网卡的厂商向IEEE申请的厂商地址，
后24位（3A:85:23）是由厂家自己分配。每个厂商必须确保它所制造的每个以
太网设备都具有相同的前三个字节以及不同的后三个字节，这样就可保证世界上
每个以太网设备都具有唯一的MAC地址。网卡的MAC地址通常是由生产厂家
烧入网卡的EPROM中（NE2000系列网卡常用93C46，在网卡上可以找到）。
MAC地址又可以分成3类：
（1）广播地址：只能用作目的地址。如果一个以太网帧的目的地址是广播
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