起因

盘能读写、U 盘能交换之后，还缺一条跟外界说话的路：程序下发、参数上传、车间 MES 对接、NTP 校时，后面合规篇的 4G 远程管控，载体全是网。要自研的这套东西年纪都不小：以太网是 Metcalfe 1973 年在 Xerox PARC 写进备忘录的实验，1980 年 DIX 三家（DEC/Intel/Xerox）把它定成标准；TCP/IP 是 Cerf 和 Kahn 1974 年的论文，1983 年 1 月 ARPANET 整网切换换来一战成名。半个世纪过去骨架没换，换的只是速度——自研协议栈要实现的正是这套稳定了几十年的骨架。这篇分三块：有线网卡驱动（PCIe 以太网控制器，寄存器级）、无线的现实路径（USB Wi-Fi 的坑与替代方案）、以及之上的自研 TCP/IP 协议栈——延续零依赖原则，一个字节的外部代码都不引。

一、有线网卡：以 Intel e1000 为参考实现

选型理由：e1000（8254x 系列）寄存器文档公开、行为经典（描述符环模型是几乎所有网卡的原型）、QEMU 原生模拟（-device e1000,netdev=n0 -netdev user,id=n0）——真机工业板上最常见的 Realtek r8169 也是同款描述符环思路，换个寄存器表而已。

PCIe 枚举认亲：Vendor 0x8086、Device 0x100E（QEMU 的 82540EM），BAR0 是寄存器窗口。关键寄存器（BAR0 偏移）：

描述符环是网卡驱动的核心抽象：一块 DMA 内存排成环，每项 16 字节，指向一个包缓冲区。初始化按这个顺序来：

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// 0. IMC = 0xFFFFFFFF：先屏蔽全部中断再动寄存器；顺手读一遍 ICR 清掉悬挂事件
// 1. CTRL |= 1<<6（SLU，Set Link Up）拉起链路，STATUS 读回协商速率（1000M/100M）
// 2. MAC 地址：RAL/RAH（0x5400/0x5404）读出即是，QEMU 上电就写好了
//    走 EEPROM 的真机用 EERD：写 (字地址<<8)|1 启动读，轮询 bit4 DONE，数据在 bits16-31，读 3 个字拼 6 字节
// 3. 分配 RX/TX 环（各 64 项×16B，DMA 池 16B 对齐），每项配一个 2048 字节包缓冲（RCTL.BSIZE=00 即 2048）
//    RDBAL/RDBAH/RDLEN 写环基址和长度，RX 每项填缓冲地址后 RDT=63——64 个缓冲一次全交出去
//    TDBAL/TDBAH/TDLEN 同理，TDH=TDT=0
// 4. MTA（0x5200 起的组播过滤表）整片清零——组播一个不收
// 5. RCTL（0x0100）= EN(1<<1) | BAM(1<<15)：收包使能 + 广播放行（DHCP 全靠广播，这位不开 DHCP 必死）
//    TCTL（0x0400）= EN(1<<1) | PSP(1<<3) | CT=0x10<<4 | COLD=0x40<<12（全双工取 0x40）
// 6. IMS = 1<<7（RXT0 收包中断）——只开这一个；发送完成不必中断，发完轮询 TDT 追上 TDH 即可

描述符本体（legacy 格式）：RX 项 = 缓冲地址 8B + 长度 2B + 校验 2B + 状态 1B（bit0 DD、bit1 EOP）+ 错误 1B + 特殊 2B；TX 项 = 缓冲地址 8B + 长度 2B + CSO/CSS 各 1B + CMD 1B（bit0 EOP、bit1 IFCS、bit3 RS） + 状态 1B + 特殊 2B。DD（Descriptor Done）是唯一可靠的动作信号，收发都看它。

收包：网卡 DMA 写完一个包，把对应 RX 描述符的 DD 位置 1 并触发中断；ISR（设备向量区）只做"把描述符索引进环形队列"，协议逻辑一概不碰，协作层的网络任务慢慢消费：读包缓冲 → 处理 → 描述符回填新缓冲地址（状态清零）→ 推进 RDT，网卡才认这个槽还回来了。发包：填 TX 描述符（缓冲地址、长度、CMD 置 EOP|IFCS|RS）→ 推进 TDT → 网卡搬完置 DD，同一槽位下一帧要等 DD。中断上半部轻、协议处理下半部重，跟 NVMe 的完成队列一个套路。

二、无线网卡（USB）：为什么不直连

USB Wi-Fi 是裸机驱动里公认的天花板之一，难点不在 USB 传输（EHCI 篇已解决）而在设备本身：

• 固件加载：多数 USB Wi-Fi 芯片（Realtek RTL8188/8821 系列最常见）上电时 RAM 是空的，主机要通过控制/批量传输把几百 KB 固件灌进去——固件二进制从厂商驱动里提取，许可和来源都是灰色地带
• 802.11 管理层（MLME）：扫描、关联、四次握手、密钥派生，一套完整的状态机，工作量比有线网卡大一个量级

工程上给两条路，推荐第一条：

• 无线网桥方案（推荐）：机箱里加一个 USB 供电的 Wi-Fi 桥/随身路由，它对外是 Wi-Fi、对内是以太网口——我们的系统只看见一块普通 e1000/r8169 有线网卡，无线复杂性整体外包给成品硬件。工业现场这本来就是主流做法（4G/5G 路由器同理）。USB 4G 模块直插还有条中间路：RNDIS/CDC-NCM 本质是"USB 上的以太网"，控制传输建好通道后批量端点跑的就是以太网帧，当第二块网卡挂进同一个协议栈（合规篇的 4G 远程管控走这条）——比 USB Wi-Fi 少了固件灌载和 MLME 两座山，量级接近有线网卡
• 直连 USB Wi-Fi（按需立项）：如果必须直连（成本/结构限制），锁定一款芯片（如 RTL8188CUS 级别）单点突破：vendor 特定命令走控制传输、固件灌载、然后是 802.11 数据帧收发 + MLME。当成一个独立项目排期，不塞进基础篇

三、TCP/IP 协议栈：自己写一个最小的

延续零外部依赖原则（smoltcp 这类现成栈按许可证纪律 vendor 也可以，但自写一个工业最小栈比想象中可行，且完全可控）。分层与各层的"最小可用集"：

以太网层：帧头 14 字节（目的 MAC/源 MAC/类型），类型表就三个——0x0800 IPv4、0x0806 ARP、（0x86DD IPv6 留位不做）。收发直接对接 e1000 的包缓冲。

ARP：维护一张 16 项的 IP→MAC 缓存；收到请求若目标是自己 IP 就应答；发包前查表，没有就广播请求并暂存待发包。表项带老化时间（TSC 时间戳——APIC 篇的钟再立一功）。

IPv4：头校验和（16 位反码和）必验必算，一个函数两头用：

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fn checksum(words: &[u16]) -> u16 {             // 头按 u16 数组看，长度保证偶数
    let mut sum: u32 = 0;
    for &w in words { sum += w as u32; }        // 先当普通加法
    while sum >> 16 != 0 { sum = (sum & 0xFFFF) + (sum >> 16); }  // 进位回卷
    !(sum as u16)
}

发包时校验和字段先清零、算完填入；收包验算把整头（含校验和）喂进去，结果非 0 直接丢。分片直接不支持（以太网内 MTU 1500，工控网可控，遇到分片丢弃并计数）；协议号只认 ICMP(1)/UDP(17)/TCP(6)。

ICMP：回显请求→应答，ping 通了链路就活了——调网第一工具，几十行代码。

UDP + DHCP：UDP 头 8 字节，校验和在 IPv4 里允许填 0（表示不算）——最小栈先填 0 省事，链路层有以太网 FCS 兜底；要做端到端校验再按"伪头+数据"补反码和。第一个应用就是 DHCP 客户端：广播 DISCOVER（UDP 67/68）→ 收 OFFER → REQUEST → ACK，从选项段（魔数 0x63825363 后）解析出本机 IP/掩码/网关/DNS；每个包带随机 4 字节 xid，回包先核对 xid 再收——不核对，网络上别的 DHCP 应答会混进你的配置。500ms 无应答重发，三连失败在界面上报"网络故障"而不是干等。没有 DHCP 的车间就静态配置——两条路都留。

TCP：难点全在这，但工业场景能砍掉大半通用复杂度。状态机收敛为：CLOSED → LISTEN → SYN_RCVD → ESTABLISHED → FIN_WAIT/CLOSE；连接表固定 8 槽（现场对接 MES/上位机用不了几个连接）；滑动窗口做简化版（固定窗口，不做动态拥塞控制——车间内网不是互联网，丢包率是另一个量级，这个减法说得过去，注释里写明前提）；重传定时器用 APIC 定时器驱动，200ms 起步指数退避，3 次封顶报断线。三次握手、序号确认、FIN 挥手——骨架省不得，两个细节也别漏：SYN 里把 MSS 选项写成 1460，不发这个选项对端按默认 536 切包，吞吐直接废掉；收到不属于任何连接的四元组段回 RST 而不是静默丢弃，丢弃会让对端一直重传干等到超时。

应用层先立三个：NTP 客户端（UDP，校时回写 RTC——接上系统时间篇）、TFTP（UDP，最简单的文件传输，配合 exFAT 做程序下发）、Modbus/TCP（本站有 Modbus 基础，工业现场对接现成协议）。

四、网络任务在两级模型里的位置

整个协议栈跑在协作层：一个 net_step 函数，每轮消费 RX 队列里的包描述符 → 逐层解封装 → 分发给 ARP/DHCP/TCP 状态机 → 汇集待发包走 TX 环。网卡中断只进 ISR 搬索引，不碰任何协议逻辑。多核篇把双核分工定下来之后，net_step 归 Core1 的服务循环；网络的事毫秒级抖动无所谓，Core0 上插补和放电的微秒级节拍根本看不见它。RX 队列深度要按"最坏卡顿 × 线速"算：协作层要是被日志落盘卡住几百毫秒，64 项的环形队列会绕圈覆盖——覆盖发生时记一条错误日志，别静默吞包。

总结

实战清单：e1000 认亲（0x8086:0x100E）、RX/TX 描述符环五步初始化、DD 位+RDT/TDT 的收发配合、中断上半部只搬索引；无线走网桥方案（直连 USB Wi-Fi 是独立量级的项目，固件灌载+MLME 是两座山）；协议栈最小集=以太网+ARP+IPv4+ICMP+UDP(DHCP)+简化 TCP，反码和校验、8 槽连接表、固定窗口，应用层 NTP/TFTP/Modbus 起步。跑通标志：QEMU -netdev user 下 DHCP 拿到 10.0.2.15，宿主机 ping 通，TFTP 传来一个文件写进 exFAT 盘。物理层到应用层，网这条路也全是自己的代码。下一篇收拾平台：电源控制、风扇调速、内存信息获取。

参考链接

• Intel 8254x 千兆网卡控制器数据手册——寄存器与描述符格式权威定义
• OSDev Wiki: Intel 8254x / Network Stack
• RFC 791 / 792 / 793 / 826 / 2131——IPv4/ICMP/TCP/ARP/DHCP 原始定义
• 本系列 EHCI 篇：USB 2.0主机控制器实战、APIC 篇：定时器与系统时间实战
• 本系列第一篇：自制工业控制系统：从UEFI到内核